一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置

本技术属于可燃性气体的安全的，具体地说是一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置。

背景技术：

1、现阶段，全球对于能源的依赖主要是化石能源，但根据统计资料显示石油、天然气、煤炭的供应分别只维持40年、60年和156年。然而人口的迅猛增长导致世界能源需求持续上升。化石能源的短缺、环境污染问题、温室气体的排放以及双碳目标的提出使得可持续清洁能源的使用被高度重视。氢气具有来源广泛、制备方法多样、零碳或低碳排放、清洁高效等优势，成为21世纪最具有潜力替代传统化石能源的新兴能源，并且在国际范围内受到了广泛的关注。

2、氢气是分子量最小的分子，具有极高的扩散率。氢气在储存的过程中容易发生氢脆，即氢气在储存或者长距离运输时会降低储运罐中钢的宏观和微观拉伸强度，疲劳强度和断裂韧性，这些特点使得储氢系统容易发生泄漏。若泄漏发生在室外，氢气在浮升力和高扩散率的作用下会迅速扩散，不会造成太大的可燃区域，但若泄漏发生在封闭或半封闭的受限空间内部，泄漏的氢气则会在浮升力作用下于空间顶部积聚形成混合气体层，如果该空间通风不足，很可能会造成大面积的可燃区域，给人员和设备安全带来更大的风险。因此，研究受限空间内高压氢气的泄漏扩散特性，探索出高效的治理方法，不仅可以揭示受限空间内氢气泄漏扩散特性和规律，而且还可为预防受限空间内氢气的着火爆炸事故，实现氢气的安全利用提供可靠的实验依据和技术指导。

3、现有技术中申请号202211645484.6的中国专利《一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置及其实验方法》，提出了一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置，实验装置包括气体泄漏系统、船舶机舱缩比模型实验舱以及气体浓度数据采集监测系统；泄漏气体从气瓶流出，经软管阀件由泄漏孔射流进入船舶机舱缩比模型实验舱，实验舱内布置的可燃气体探测器实时监测气体浓度并传输数据至数据采集检测系统，从而获得天然气泄漏的扩散规律；该专利中只对受限空间内气体的气体浓度进行了监测，研究参数较为单一，无法综合全面地研究气体泄漏扩散规律。

技术实现思路

1、本实用新型的目的，是要提供一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，对受限空间内的氢气进行监测，综合全面地研究受限空间内的氢气泄漏扩散运移规律。

2、本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方法如下：

3、一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，包括气体释放系统、受限空间模型和氢气扩散监测系统，气体释放系统包括氢气气瓶、输气管路、高压气体储气罐、压力控制机构、气体流量控制机构和气体喷头，氢气气瓶的出口与压力控制机构的入口通过输气管路连接，压力控制机构的出口与高压气体储气罐的入口通过输气管路连接，高压气体储气罐的出口与气体流量控制机构的入口通过输气管路连接，气体流量控制机构的出口与气体喷头通过输气管路连接；氢气扩散监测系统包括气体浓度传感器、纹影仪、高速摄像机、数据采集机构和显示控制机构，气体浓度传感器和高速摄像机均与数据采集机构的输入端连接，数据采集机构的输出端与显示控制机构的输入端连接。

4、作为限定：受限空间模型相对的侧壁上设置有透明视窗，透明视窗形成的可视通道贯穿受限空间模型内部，纹影仪设置于受限空间模型外部的可视通道上，气体浓度传感器安装于受限空间模型内，气体喷头安装于受限空间模型底部或侧面且位于可视通道上，纹影仪的位置与气体喷头的位置相对应，纹影仪的光路呈“z”型布置，高速摄像机位于受限空间模型外部且与纹影仪连接。

5、作为进一步限定：气体释放系统还包括高压气体磁力搅拌罐，高压气体磁力搅拌罐上设有示踪剂投放口；氢气扩散监测系统还包括piv粒子测速仪，piv粒子测速仪设置于受限空间模型外部的可视通道上；高压气体储气罐的出口与高压气体磁力搅拌罐的入口通过输气管路连接，高压气体磁力搅拌罐的出口与气体流量控制机构的入口通过输气管路连接。

6、作为再进一步限定：氢气扩散监测系统还包括红外摄影仪，红外摄影仪设置于受限空间模型外部的可视通道上，红外摄影仪与数据采集机构的输入端连接。

7、作为再进一步限定：高压气体磁力搅拌罐外侧设有加热外壳，高压气体磁力搅拌罐上设有第一压力表。

8、作为另一种限定：受限空间模型外部安装有用于检测受限空间模型内部压力的第二压力表和与受限空间模型内部连通的压力泄爆器，受限空间模型顶部设有用于调节受限空间模型内部气流的通风窗，受限空间模型上开设有排气口，排气口上安装有气体排放管路，气体排放管路上安装有减压阀。

9、作为再一种限定：气体释放系统还包括氮气气瓶，氮气气瓶上安装有第一开关阀，氢气气瓶上安装有第二开关阀，氮气气瓶的出口连接输气管路，与氢气气瓶出口连接的输气管路并联汇集至一条输气管路上与压力控制机构的入口连接，压力控制机构两侧的输气管路上安装有压力传感器，高压气体储气罐与气体流量控制机构之间的输气管路上安装有压力传感器。

10、本实用新型由于采用了上述方案，与现有技术相比，所取得的有益效果是：

11、(1)本实用新型提供的一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，通过设置气体释放系统、受限空间模型、气体浓度传感器、纹影仪和高速摄像机，检测受限空间模型内氢气的浓度的变化、氢气喷射口处的激波形态的演变以及结构的变化，得到高压氢气泄漏在受限空间模型后的扩散运移规律，方便研究人员掌握受限空间内氢气扩散运移的激波形态及结构、浓度场的变化规律，为进一步预防和治理受限空间内高压氢气泄漏扩散提供了可行性的实际指导；

12、(2)本实用新型提供的一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，设置高压气体磁力搅拌罐，投放示踪剂，通过磁力驱动，将示踪粒子与氢气搅拌充分，减少搅拌罐中的碰撞；设置piv粒子测速仪，检测标定氢气分子的示踪粒子随氢气的扩散时的速度，方便研究人员掌握受限空间内氢气扩散运移的速度场的变化规律；

13、(3)本实用新型提供的一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，高压气体磁力搅拌罐外侧设有加热外壳，防止外界温度过低影响实验进程；

14、(4)本实用新型提供的一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，设置红外摄影仪检测氢气浓度的积聚范围，方便研究人员掌握受限空间内高压氢气泄漏后的浓度分布以及在顶部停留的概率；通过在受限空间模型安装压力表、气体排放管路、减压阀和泄爆器，防止受限空间模型内压力过大，保障实验过程中的安全性；受限空间模型顶部设置通风窗，可调节受限空间模型内的气流；通过设置氮气气瓶进行气密性检测，保证实验的有效性和准确性。

15、本实用新型适用于受限空间内氢气泄漏扩散运移规律的研究。

技术特征：

1.一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，其特征在于，包括气体释放系统、受限空间模型和氢气扩散监测系统，气体释放系统包括氢气气瓶、输气管路、高压气体储气罐、压力控制机构、气体流量控制机构和气体喷头，氢气气瓶的出口与压力控制机构的入口通过输气管路连接，压力控制机构的出口与高压气体储气罐的入口通过输气管路连接，高压气体储气罐的出口与气体流量控制机构的入口通过输气管路连接，气体流量控制机构的出口与气体喷头通过输气管路连接；氢气扩散监测系统包括气体浓度传感器、纹影仪、高速摄像机、数据采集机构和显示控制机构，气体浓度传感器和高速摄像机均与数据采集机构的输入端连接，数据采集机构的输出端与显示控制机构的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，其特征在于，受限空间模型相对的侧壁上设置有透明视窗，透明视窗形成的可视通道贯穿受限空间模型内部，纹影仪设置于受限空间模型外部的可视通道上，气体浓度传感器安装于受限空间模型内，气体喷头安装于受限空间模型底部或侧面且位于可视通道上，纹影仪的位置与气体喷头的位置相对应，纹影仪的光路呈“z”型布置，高速摄像机位于受限空间模型外部且与纹影仪连接。

3.根据权利要求2所述的一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，其特征在于，气体释放系统还包括高压气体磁力搅拌罐，高压气体磁力搅拌罐上设有示踪剂投放口；氢气扩散监测系统还包括piv粒子测速仪，piv粒子测速仪设置于受限空间模型外部的可视通道上；高压气体储气罐的出口与高压气体磁力搅拌罐的入口通过输气管路连接，高压气体磁力搅拌罐的出口与气体流量控制机构的入口通过输气管路连接。

4.根据权利要求2所述的一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，其特征在于，氢气扩散监测系统还包括红外摄影仪，红外摄影仪设置于受限空间模型外部的可视通道上，红外摄影仪与数据采集机构的输入端连接。

5.根据权利要求3所述的一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，其特征在于，高压气体磁力搅拌罐外侧设有加热外壳，高压气体磁力搅拌罐上设有第一压力表。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，其特征在于，受限空间模型外部安装有用于检测受限空间模型内部压力的第二压力表和与受限空间模型内部连通的压力泄爆器，受限空间模型顶部设有用于调节受限空间模型内部气流的通风窗，受限空间模型上开设有排气口，排气口上安装有气体排放管路，气体排放管路上安装有减压阀。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，其特征在于，气体释放系统还包括氮气气瓶，氮气气瓶上安装有第一开关阀，氢气气瓶上安装有第二开关阀，氮气气瓶的出口连接输气管路，与氢气气瓶出口连接的输气管路并联汇集至一条输气管路上与压力控制机构的入口连接，压力控制机构两侧的输气管路上安装有压力传感器，高压气体储气罐与气体流量控制机构之间的输气管路上安装有压力传感器。

技术总结
本技术属于可燃性气体的安全的技术领域，具体公开了一种模拟受限空间内高压氢气扩散运移研究装置，氢气气瓶的出口与压力控制机构的入口连接，压力控制机构的出口与高压气体储气罐的入口连接，高压气体储气罐的出口与气体流量控制机构的入口连接，气体流量控制机构的出口与气体喷头连接；气体浓度传感器和高速摄像机均与数据采集机构的输入端连接，数据采集机构的输出端与显示控制机构的输入端连接。本技术能够检测受限空间内氢气的浓度的变化、氢气喷射口处的激波形态的演变以及结构的变化，为进一步预防和治理受限空间内高压氢气泄漏扩散提供了可行性的实际指导。本技术适用于受限空间内氢气泄漏扩散运移规律的研究。

技术研发人员：王彩萍,杨囡囡,邓军,屈姣,李贝,陈欣格,程方明,王涛,宋泽阳
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：20230614
技术公布日：2024/1/15