混合气环境中均匀分布粉尘云的爆炸测试装置及方法与流程

本发明涉及粉尘爆炸研究技术领域，特别是混合气环境中均匀分布粉尘云的爆炸测试装置及方法。

背景技术：

工业生产中，经常会遇到飞扬的粉尘与可燃气混合，遇到明火而发生爆炸，如煤粉和甲烷的混合。同时，为了降低粉尘的爆炸风险，也通常采用惰性气体对粉尘环境进行惰化，降低爆炸风险，为此，需要对以上复杂工况条件下粉尘爆炸特征参数进行定量研究。然而，传统的20l爆炸测试装置存在以下明显的不足：一、没有提出分散环境中气体清洗置换功能，无法有效开展在可燃气体或惰化气体与氧化性气体均匀预混条件下粉尘爆炸特征参数的测试试验；二、基于传统反弹喷嘴的粉尘分散的空间分布具有明显不均匀的特点，对于不同物化性质粉尘，存在不同的偏好路径，与形式浓度存在较大的偏差，导致粉尘爆炸特征参数，如最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率以及最小爆炸浓度等测试结果的置信度降低，给工贸行业中粉尘爆炸风险评估、爆炸防护装置的设计及应用带来了严重的潜在安全风险。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供混合气环境中均匀分布粉尘云的爆炸测试装置及方法，基于以上不足，本发明实现了在粉尘分散前爆炸仓和储粉罐内的可燃气体或惰性气体与氧化性气体均匀混合的环境，形成了均匀的粉尘云，提高了可燃爆粉尘爆炸特征参数测试的置信度。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

混合气环境中均匀分布粉尘云的爆炸测试装置，包括爆炸仓、储粉罐、清洗置换气气瓶、压缩气气瓶以及真空泵，真空泵通过管道与爆炸仓连通，清洗置换气气瓶通过管道与爆炸仓连通，清洗置换气气瓶通过管道与储粉罐连通，储粉罐通过气粉两相阀与爆炸仓连通，各管道上布置有控制通断的电磁阀，储粉罐和爆炸仓分别通过管道连通有气体无害化处理装置。

进一步，所述爆炸仓的底部安装有粉尘分散喷嘴，储粉罐经气粉两相阀通向粉尘分散喷嘴，粉尘分散喷嘴包括碗形反弹结构和喷嘴结构，喷嘴结构包括导通结构和分散结构，分散结构位于导通结构的上方，导通结构位于碗形反弹结构底部的中部，分散结构位于碗形反弹结构内，导通结构的上部布置有用于安装分散结构的支架，支架将导通结构的出口分成多个气粉分散出口，气粉从各气粉分散出口喷至分散结构的外表面。

进一步，所述分散结构包括反弹板和锥形嘴，锥形嘴上大下小，锥形嘴与导通结构相通，反弹板为一环形板，反弹板布置在锥形嘴的上部。

进一步，所述锥形嘴的尖部安装在支架的中部，支架的中部成型有第三气孔，气粉经第三气孔从锥形嘴进入爆炸仓。

进一步，所述碗形反弹结构包括左半部结构和右半部结构，左半部结构上用于与右半部结构拼接处成型有条形凸起，右半部结构上用于与左半部结构拼接处成型有条形凹槽，左半部结构上成型有左半圆形腔，右半部结构上成型有右半圆形腔，导通结构的上部位于左半圆形腔和右半圆形腔组成的圆形腔中，左半圆形腔和右半圆形腔的侧壁均成型有环形凸起，导通结构的上部成型有环形凹槽。

进一步，所述左半部结构的外壁具有两个左卡块，两个左卡块分别位于左半部结构外壁相对的位置上，右半部结构的外壁具有两个右卡块，两个右卡块分别位于右半部结构外壁相对的位置上，拼接时，两个左卡块分别对应两个右卡块，对应的左卡块和右卡块拼接成燕尾型凸起，并通过两个燕尾槽卡块分别将两个燕尾型凸起固定。

进一步，所述储粉罐的敞口处布置有密封盖组件，密封盖组件包括上盖和下盖，下盖安装在储粉罐的敞口处，上盖通过螺栓安装在下盖的上方，下盖的上表面成型有通气环槽，通气环槽的侧壁成型有用于连通清洗置换气气瓶的第一气孔，通气环槽的底壁成型有若干个通往储粉罐内部的第二气孔。

混合气环境中均匀分布粉尘云的爆炸测试方法，包括如下步骤，a-1、通过清洗置换气气瓶向爆炸仓和储粉罐分别通入置换气，将爆炸仓和储粉罐中原有气体排至气体无害化处理装置；a-2、通过真空泵对爆炸仓进行负压处理，通过压缩气气瓶对储粉罐进行加压处理；a-3、开启气粉两相阀，将粉尘云喷入爆炸仓，点燃粉尘云，开启高速摄像机。

进一步，所述清洗置换气气瓶和压缩气气瓶中混合气的成分和配比相同。

本发明的有益效果是：在爆炸前通过清洗置换气气瓶使爆炸仓和储粉罐中获得可燃气体或惰性气体与氧化性气体均匀混合的环境，模拟特定工况下的粉尘爆炸环境；设计碗形反弹结构和喷嘴结构，可将粉尘在喷出时环形周向反弹，获得均匀分布的粉尘云；设计左半部结构和右半部结构拼接成碗形反弹结构，适合在爆炸仓中盲操组装；设计具有通气环槽的下盖，清洗置换气气瓶向储粉罐中可均匀缓慢的通气。本发明结构合理、步骤严谨，可广泛应用于粉尘爆炸研究技术领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是测试装置的结构示意图；

图2是爆炸仓的侧视结构示意图；

图3是粉尘分散喷嘴的结构图；

图4是粉尘分散喷嘴的结构图；

图5是粉尘分散喷嘴的主剖视图；

图6是喷嘴结构的结构图；

图7是储粉罐中下盖的结构图；

图8是储粉罐中下盖的主剖视图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。

参照图1～图8，混合气环境中均匀分布粉尘云的爆炸测试装置，包括爆炸仓10、储粉罐20、清洗置换气气瓶30、压缩气气瓶40以及真空泵50，真空泵50通过管道与爆炸仓10连通，清洗置换气气瓶30通过管道与爆炸仓10连通，清洗置换气气瓶30通过管道与储粉罐20连通，储粉罐20通过气粉两相阀41与爆炸仓10连通，储粉罐20和爆炸仓10分别通过管道连通有气体无害化处理装置21，在爆炸前将置换气缓慢通入爆炸仓10和储粉罐20，将爆炸仓10和储粉罐20中原有气体置换排至气体无害化处理装置21，清洗置换时，气体无害化处理装置21将原有气体处理后排至外部环境。本实施例中，通过控制系统协调测试装置中各部件的工作。

爆炸仓10的底部安装有粉尘分散喷嘴11，储粉罐20经气粉两相阀41通向粉尘分散喷嘴11，通过粉尘分散喷嘴11可形成均匀的粉尘云。通过高速摄像机65记录爆炸仓10内粉尘云的形成过程，记录并把数据传回数据分析处理系统，获得爆炸仓10中心区域的浓度演化以及火焰形成、传播的过程。

本实施例中，各管道上布置有控制通断的电磁阀，清洗置换气气瓶30与爆炸仓10之间管道上的电磁阀为第一电磁阀，清洗置换气气瓶30与储粉罐20之间管道上电磁阀为第二电磁阀，爆炸仓10与对应的气体无害化处理装置21之间管道上的电磁阀为第三电磁阀，储粉罐20与对应的气体无害化处理装置21之间管道上的电磁阀为第四电磁阀，真空泵50与爆炸仓10之间管道上的电磁阀为第五电磁阀，压缩气气瓶40与储粉罐20之间管道上的电磁阀为第六电磁阀。

本实施例中，爆炸仓10的侧壁安装有真空表61，真空表61与爆炸仓10之间的管道上安装有第七电磁阀，储粉罐20的侧壁安装有压力表62，压力表62与储粉罐20之间的管道上安装有第八电磁阀。

本实施例中，清洗置换气气瓶30与爆炸仓10之间的管道上安装有第一流量计，清洗置换气气瓶30与储粉罐20之间的管道上安装有第二流量计，清洗置换气气瓶30通向爆炸仓10的出口安装有第一减压阀，清洗置换气气瓶30通向储粉罐20的出口安装有第二减压阀，压缩气气瓶40通向储粉罐20的出口安装有第三减压阀。

粉尘分散喷嘴11包括碗形反弹结构和喷嘴结构，喷嘴结构包括导通结构12和分散结构13，喷嘴结构为一体成型的结构，分散结构13位于导通结构12的上方，分散结构13位于碗形反弹结构内，导通结构12位于碗形反弹结构底部的中部，碗形反弹结构底部的中部具有一卡住导通结构12的圆形腔。导通结构12的上部布置有用于安装分散结构13的支架，支架将导通结构12的出口分成多个气粉分散出口，气粉从各气粉分散出口喷至分散结构13的外表面。本实施例中，支架为十字架形状，分散结构13位于支架的中部。

分散结构13包括反弹板14和锥形嘴15，锥形嘴15上大下小，即为一倒立的锥形形状。锥形嘴15与导通结构12相通，反弹板14为一环形板，反弹板14布置在锥形嘴15的上部。反弹板14的下侧面、锥形嘴15的外表面和碗形反弹结构的内壁组成粉尘分散反弹的路径。本实施例中，粉尘从各气粉分散出口喷出，锥形嘴15外表面将粉尘引导至反弹板14的下侧面，反弹板14将粉尘反弹至碗形反弹结构中，在碗形反弹结构内壁和底壁的反弹下，粉尘均匀的向爆炸仓10内分散。

锥形嘴15的尖部安装在支架的中部，支架的中部成型有第三气孔，第三气孔为微型气孔，气粉经第三气孔从锥形嘴15喷入爆炸仓10，锥形嘴15上大下小，因此粉尘喷出时能均匀分散至爆炸仓10内。

由上述可知，粉尘进入爆炸仓10是通过两种路径，一部分粉尘是在反弹板14和碗形反弹结构的组合反弹作用下向爆炸仓10内均匀分散，这部分粉尘较多；另一部分粉尘是直接从第三气孔喷入爆炸仓10，这部分粉尘较少。

碗形反弹结构包括左半部结构16和右半部结构17，左半部结构16和右半部结构17拼接组成碗形反弹结构。左半部结构16上用于与右半部结构17拼接处成型有条形凸起，右半部结构17上用于与左半部结构16拼接处成型有条形凹槽，通过条形凸起和条形凹槽的匹配，可保证左半部结构16和右半部结构17无缝拼接，从而避免影响对粉尘的反弹分散效果。

左半部结构16上成型有左半圆形腔，右半部结构17上成型有右半圆形腔，导通结构12的上部位于左半圆形腔和右半圆形腔组成的圆形腔中，左半圆形腔和右半圆形腔的侧壁均成型有环形凸起，导通结构12的上部成型有环形凹槽。左半部结构16与右半部结构17拼接时，将导通结构12卡在圆形腔中。

左半部结构16的外壁具有两个左卡块18，两个左卡块18分别位于左半部结构16外壁相对的位置上，右半部结构17的外壁具有两个右卡块19，两个右卡块19分别位于右半部结构17外壁相对的位置上。拼接时，两个左卡块18分别对应两个右卡块19，对应的左卡块18和右卡块19拼接成燕尾型凸起，并通过两个燕尾槽卡块22分别将两个燕尾型凸起固定。

本实施例中，爆炸仓10的顶部设计有顶盖66，打开顶盖66，将左半部结构16、右半部结构17、燕尾槽卡块22和喷嘴结构放入爆炸仓10内，然后在爆炸仓10内将它们组装成粉尘分散喷嘴11，各部分组件的结构合理，适合盲操组装。

传统的喷嘴采用的是标准astm1226a中的反弹喷嘴，该种喷嘴只是左右对称的结构，因此不能环形周向反弹粉尘，其分散粉尘时存在粉尘浓度分布不均匀的缺陷。

储粉罐20的敞口处布置有密封盖组件，密封盖组件包括上盖和下盖23，下盖23安装在储粉罐20的敞口处，下盖23的底部设计有用于与储粉罐20安装的螺纹结构，上盖通过螺栓安装在下盖23的上方。下盖23的上表面成型有通气环槽24，通气环槽24的侧壁成型有用于连通清洗置换气气瓶30的第一气孔25，通气环槽24的底壁成型有若干个通往储粉罐20内部的第二气孔26，第二气孔26为微型气孔，各第二气孔26沿圆周方向均匀分布。清洗置换气气瓶30中的气体从第一气孔25进入通气环槽24，再经各第二气孔26均匀而缓慢的进入储粉罐20中。本实施例中，为保证上盖和下盖23之间的气密性，上盖和下盖23之间布置有密封胶。

本实施例中，通过水循环系统64向爆炸仓10的夹层通入设定温度的水，实现控温。爆炸仓10的侧壁成型有前视窗口和后视窗口，在前视窗口安装激光发射器67，在后视窗口安装激光接收器68，可实时记录爆炸仓10内可燃爆粉尘粒径分布。爆炸仓10安装有压力传感器63，通过压力传感器63实时记录爆炸仓10内的压力动态变化，将数据传回数据分析处理系统进行记录保存，并量化混合气环境中可燃爆粉尘云的典型爆炸特征参数。

混合气环境中均匀分布粉尘云的爆炸测试方法，包括如下步骤：a-1、通过清洗置换气气瓶30向爆炸仓10和储粉罐20分别通入置换气，将爆炸仓10和储粉罐20中原有气体排至气体无害化处理装置21；a-2、通过真空泵50对爆炸仓10进行负压处理，通过压缩气气瓶40对储粉罐20进行加压处理；a-3、开启气粉两相阀41，将粉尘云喷入爆炸仓10点火爆炸，同时开启高速摄像机65。

本实施例中，清洗置换气气瓶30和压缩气气瓶40中混合气的成分和配比相同，均为可燃气体与氧化性气体按一定比例混合的气体，或惰化气体与氧化性气体按一定比例混合的气体。另外，清洗置换气气瓶30中的气压应小于压缩气气瓶40中的气压。

本实施例中，爆炸仓10的容量为20l，储粉罐20的容量为0.6l。因此步骤a-1中，应控制清洗置换气气瓶30向爆炸仓10的进气速度为160l/min，持续清洗置换时间不小于40秒。控制清洗置换气气瓶30向储粉罐20的进气速度为5l/min，防止因气流过快而导致储粉罐20中的粉尘扰动，避免粉尘随原有气体排出，持续清洗置换时间不小于40秒。

a-1步骤中，待爆炸仓10和储粉罐20内原有气体分别被完全置换后，应将第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀关闭，然后开启第五电磁阀，通过真空泵50对爆炸仓10进行负压操作，当真空表61显示为-0.06mpa时，即可关闭第五电磁阀和真空泵50。

在a-2步骤之前，应将第七电磁阀关闭，防止试验时爆炸仓10内快速变化的压力损坏真空表61。

a-2步骤中，开启第六电磁阀，通过压缩气气瓶40对储粉罐20进行加压操作，当压力表62读数达到2mpa时，即可关闭第六电磁阀。

在步骤a-3之前，应将第八电磁阀关闭，避免试验时储粉罐20中快速变化的压力损坏压力表62。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。