CN105115920A - 一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***及方法 - Google Patents
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Abstract
一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***，燃爆反应容器的进气口分别与空气钢瓶、可燃气钢瓶、循环泵连接，燃爆反应容器的出气口分别与真空压力计、真空泵、循环泵连接，燃爆反应容器的玻璃视窗外安装准直器，用于将火焰发光汇聚至光纤接头的准直器依次连接一分二光纤、两台光谱仪、光电倍增管及多通道示波器。测试方法为(1)检查该实验***的气密性和管线连接情况；(2)光谱仪及示波器参数的设置；(3)配制预混可燃性气体；(4)均匀混合可燃性气体；(5)点火并采集数据；(6)排空废气。该***安全可靠，安装方便，操作简单，实现了电火花和着火现象的准确识别，可直接确定点火延迟时间，有效提高了点火延迟时间测量的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及可燃性气体的点火延迟时间测试实验，具体为一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***及方法，广泛适用于石化、电力、采矿、运输和燃气供应等领域涉及的各种可燃性气体燃爆特性测试与研究。
背景技术
可燃性气体在工业生产和日常生活中有着十分广泛的应用，涉及石化、电力、采矿、运输和燃气供应等多个领域，对社会进步与经济发展有着举足轻重的作用。但是，可燃性气体在生产、输送、储存和利用过程中意外泄漏后易形成***性预混气体，遇到点火源后将发生***或火灾事故，造成人员伤亡和财产损失。可燃性气体点火延迟时间是指可燃性气体与助燃剂(空气、氧气等)混合形成的易燃易爆混合气体，引燃过程中从开始点火到出现燃烧现象之间的时间。不同的可燃气体，在不同的引燃方法、不同当量比、不同温度、压力等环境条件下，点火延迟时间也是不同的。从燃烧应用和安全工程两方面考虑，研究测试点火延迟时间均十分必要。在研究发动机燃烧室或燃烧器中燃料的点火与稳定高效燃烧问题时，燃料的点火延时特性就是重要问题之一。点火延迟期是可燃性气体燃爆链式化学反应链引发的重要阶段，点火延迟时间是验证燃烧反应机理和化学动力学建模的重要依据。另外，当点火源存在时间远小于点火延迟时间时，***性混合气体将无法被引爆，点火延迟时间也是重要的安全工程防爆设计依据。因此，可燃性气体点火延迟时间的准确测试一直是国内外相关领域研究的热点。
目前，科研实验中可燃性气体点火延迟时间的测试方法有多种，根据科研需求的不同主要在点火源形式和着火识别方法上有所区别。其中，采用激波管驱动或高速压缩机瞬间压缩可燃性气体点火，或将可燃性气体快速充入高温体系中引燃，同时利用单色火焰发射光谱识别着火现象的方法使用的相对较多，这种方法多用于燃料高温高压自点火现象的研究，常压高温点火的实验测试控制难度较大，点火开始时间一般采用压力判断，精度不高，整个实验装置相对复杂。另外，有采用高压放电电火花或炽热热源作为点火源，研究局部点火源引燃可燃性气体的过程，利用单色火焰发射光谱、高速相机、光敏二极管、动态压力变化等识别是否着火，但存在微弱火焰的单色光谱难探测，电火花的存在对采用光学方法判断着火现象会产生一定的干扰等问题，例如高速相机照片中电极放电光晕与初燃火焰难区分，光电二极管难以分辨电火花与初燃火焰的发光，压力采集与点火起始时间同步精度较差，且响应速度较慢。上述因素都会影响点火延迟时间测试的准确度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***及方法，以解决上述技术问题。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***，包括：燃爆反应容器、高压点火器、真空压力计、真空泵、循环泵、环形分散进气装置、准直器、一分二光纤、光谱仪、光电倍增管、多通道示波器、空气钢瓶及可燃气钢瓶，燃爆反应容器的顶部半球封头设有两个可安装泄爆片的泄爆口，燃爆反应容器的顶部和底部分别装有一根电极，上下两根电极与高压点火器连接，燃爆反应容器底部和顶部还分别设有进气口和出气口；燃爆反应容器的进气口分别与空气钢瓶、可燃气钢瓶、循环泵连接，空气钢瓶设有空气瓶阀门，可燃气钢瓶设有可燃气钢瓶阀门；燃爆反应容器的出气口分别与真空压力计、真空泵、循环泵连接，真空压力计设有压力计阀门，真空泵设有真空泵阀门，循环泵设有两个循环泵阀门，进气口设有进气口阀门；燃爆反应容器内设有环形分散进气装置，环形分散进气装置焊接有导气管，且导气管与进气口连接；燃爆反应容器的侧面安装有玻璃视窗，燃爆反应容器的玻璃视窗外安装准直器，用于将火焰发光汇聚至光纤接头的准直器依次连接一分二光纤、两台光谱仪、光电倍增管及多通道示波器。
作为本发明进一步的方案，所述环形分散进气装置由内径0.4cm的钢管制成直径为18cm的环形结构，钢管四周钻有若干个微孔。
作为本发明进一步的方案，燃爆反应容器容积为20L，燃爆反应容器是长径比为1:1的圆柱体与顶部半球封头连接而成，燃爆反应容器整体呈椭球体，顶部半球封头与燃爆反应容器采用法兰连接，可拆卸。
作为本发明进一步的方案，玻璃视窗为圆形，直径为2.6cm，玻璃厚度3cm，材质为熔融石英
作为本发明进一步的方案，电极位于燃爆反应容器的中心位置，电极的放电间隙可调。
作为本发明进一步的方案，高压点火器设有手动触发开关，可产生高压电脉冲，放电时间0-1000ms可调，放电频率100Hz，电火花能量≥1J。
一种测试可燃性气体点火延迟时间的方法，利用上述实验***的测试方法包括如下步骤：
(1)检查该实验***的气密性和管线连接情况；
(2)光谱仪及多通道示波器参数的设置；
将两台光谱仪的光栅位置分别调整到事先确定的待测光特征波长，将识别电火花的特征波长辐射信号设为示波器信号采集的触发信号；
(3)配制预混可燃性气体；
打开压力计阀门、真空泵阀门和真空泵，抽真空到600Pa，关闭真空泵和真空泵阀门；依次打开可燃气钢瓶阀门、进气口阀门，观察精密真空压力计示数，按分压法充入所需体积，依次关闭进气口阀门、可燃气钢瓶阀门；依次打开空气瓶阀门、进气口阀门，补入空气到1个大气压，依次关闭进气口阀门、空气瓶阀门、压力计阀门；
(4)均匀混合可燃性气体；
依次打开循环泵阀门、进气口阀门、循环泵，待可燃性气体循环300秒，依次关闭循环泵、循环泵阀门、进气口阀门；
(5)点火并采集数据；
手动按触点火器点火按钮，点火电极产生电火花并引燃爆反应容器内可燃性气体，示波器自动触发采集特征波长光辐射相对强度信号，之后将数据存储，并分析计算出点火延迟时间；
(6)排空废气；
依次打开真空泵阀门、压力计阀门、真空泵，抽出未反应气体和反应产物，打开空气瓶阀门、进气口阀门，补入空气到1个大气压，依次关闭进气口阀门、空气瓶阀门、压力计阀门，实验结束。
一种测试可燃性气体点火延迟时间的方法，所述步骤(2)中确定待测光特征波长的方法，采用光谱仪和ICCD摄谱相机通过光纤分别采集单纯高压放电电火花和预混可燃气体燃烧火焰的发射光谱，采集波长范围可选200～900nm，对比分析整个波长范围的光谱辐射强度后，选出电火花辐射较强的特征单色光A，和火焰辐射较强、电火花辐射较弱的特征单色光B，分别作为识别放电电火花和燃烧火焰的特征光。
一种测试可燃性气体点火延迟时间的方法，所述步骤(5)中分析计算出点火延迟时间的方法，绘制特征波长光辐射相对强度信号变化曲线，将检测到双色光辐射信号的时刻分别定义为放电点火时刻τi和着火时刻τc，则点火延迟时间τ＝τc-τi。
本发明的有益效果是：采用高压放电电火花作为局部点火源进行预混可燃性气体燃爆实验时，实现了电火花和着火现象的准确识别，可直接确定点火延迟时间，有效提高了点火延迟时间测量的准确度；形成了一套预混可燃性气体点火延迟时间测试实验***，该***安全可靠，安装方便，操作简单，为预混可燃性气体燃爆的研究提供了新的实验技术手段。
附图说明
图1为本发明实验***示意图；
图2为环形分散进气装置的结构示意图；
图3为特征波长光辐射相对强度信号变化曲线图；
图中：燃爆反应容器1、高压点火器2、真空压力计3、真空泵4、循环泵5、环形分散进气装置6、准直器7、一分二光纤8、光谱仪9、光电倍增管10、多通道示波器11、泄爆口1-1、电极1-2、进气口1-3、出气口1-4、玻璃视窗1-5、压力计阀门13-1、真空泵阀门13-2、可燃气钢瓶阀门13-3、空气瓶阀门13-4、进气口阀门13-5、循环泵阀门13-6、钢管6-1、微孔6-2、导气管6-3、空气钢瓶12-1、可燃气钢瓶12-2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。
如图1～2所示，一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***，包括：燃爆反应容器1、高压点火器2、真空压力计3、真空泵4、循环泵5、环形分散进气装置6、准直器7、一分二光纤8、光谱仪9、光电倍增管10、多通道示波器11、空气钢瓶12-1及可燃气钢瓶12-2，燃爆反应容器1的顶部半球封头设有两个可安装泄爆片的泄爆口1-1，燃爆反应容器1的顶部和底部分别装有一根电极1-2，上下两根电极1-2与高压点火器2连接，燃爆反应容器1底部和顶部还分别设有进气口1-3和出气口1-4；燃爆反应容器1的进气口1-3分别与空气钢瓶12-1、可燃气钢瓶12-2、循环泵5连接，空气钢瓶12-1设有空气瓶阀门13-4，可燃气钢瓶12-2设有可燃气钢瓶阀门13-3；燃爆反应容器1的出气口1-4分别与真空压力计3、真空泵4、循环泵5连接，真空压力计3设有压力计阀门13-1，真空泵4设有真空泵阀门13-2，循环泵5设有两个循环泵阀门13-6，进气口1-3设有进气口阀门13-5；燃爆反应容器1内设有环形分散进气装置6，环形分散进气装置6焊接有导气管6-3，且导气管6-3与进气口1-3连接，燃爆反应容器1的侧面安装有玻璃视窗1-5，燃爆反应容器1的玻璃视窗1-5外安装准直器7，用于将火焰发光汇聚至光纤接头的准直器7依次连接一分二光纤8、两台光谱仪9、光电倍增管10及多通道示波器11。
环形分散进气装置6由内径为0.4cm的钢管6-1制成直径为18cm环形结构，钢管6-1四周钻有若干个微孔6-2，可加快燃爆反应容器内气体的均匀混合。爆反应容器1容积为20L，燃爆反应容器1是长径比为1:1的圆柱体与顶部半球封头连接而成，燃爆反应容器1整体呈椭球体，顶部半球封头与燃爆反应容器1采用法兰连接，可拆卸；玻璃视窗1-5为圆形，直径为2.6cm，玻璃厚度3cm，材质为熔融石英；电极1-2位于燃爆反应容器1的中心位置，电极1-2的放电间隙可调；高压点火器2设有手动触发开关，可产生高压电脉冲，放电时间0-1000ms可调，放电频率100Hz，电火花能量≥1J。
结合图3特征波长光辐射相对强度信号变化曲线图，利用上述实验***测试可燃性气体点火延迟时间的方法包括如下步骤：
(1)检查该实验***的气密性和管线连接情况；
(2)光谱仪及多通道示波器参数的设置；
将两台光谱仪的光栅位置分别调整到事先确定的待测光特征波长，将识别电火花的特征波长辐射信号设为示波器信号采集的触发信号；
确定待测光特征波长的方法，采用光谱仪和ICCD摄谱相机通过光纤分别采集单纯高压放电电火花和预混可燃气体燃烧火焰的发射光谱，采集波长范围可选200～900nm，对比分析整个波长范围的光谱辐射强度后，选出电火花辐射较强的特征单色光A，和火焰辐射较强、电火花辐射较弱的特征单色光B，分别作为识别放电电火花和燃烧火焰的特征光，例如，用于甲烷-空气预混可燃性气体点火延迟时间测试的双色光波长可选306.4nm和716nm或516.5nm。
(3)配制预混可燃性气体；
打开压力计阀门、真空泵阀门和真空泵，抽真空到600Pa，关闭真空泵和真空泵阀门；依次打开可燃气钢瓶阀门、进气口阀门，观察精密真空压力计示数，按分压法充入所需体积，依次关闭进气口阀门、可燃气钢瓶阀门；依次打开空气瓶阀门、进气口阀门，补入空气到1个大气压，依次关闭进气口阀门、空气瓶阀门、压力计阀门；
(4)均匀混合可燃性气体；
依次打开循环泵阀门、进气口阀门、循环泵，待可燃性气体循环300秒，依次关闭关闭循环泵、循环泵阀门、进气口阀门；
(5)点火并采集数据；
手动按触点火器点火按钮，点火电极产生电火花并引燃爆反应容器内可燃性气体，多通道示波器自动触发采集特征波长光辐射相对强度信号之后将数据存储，并分析计算出点火延迟时间；
分析计算出点火延迟时间的方法，绘制特征波长光辐射相对强度信号变化曲线，将检测到双色光辐射信号的时刻分别定义为放电点火时刻τi和着火时刻τc，则点火延迟时间τ＝τc-τi。
(6)排空废气；
依次打开真空泵阀门、压力计阀门、真空泵，抽出未反应气体和反应产物，打开空气瓶阀门、进气口阀门，补入空气到1个大气压，依次关闭进气口阀门、空气瓶阀门、压力计阀门，实验结束。
利用该方法有效提高了电火花和着火现象的准确识别，可直接确定点火延迟时间，有效提高了点火延迟时间测量的准确度。
以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***，包括：燃爆反应容器、高压点火器、真空压力计、真空泵、循环泵、环形分散进气装置、准直器、一分二光纤、光谱仪、光电倍增管、多通道示波器、空气钢瓶及可燃气钢瓶，其特征在于，燃爆反应容器的顶部半球封头设有两个可安装泄爆片的泄爆口，燃爆反应容器的顶部和底部分别装有一根电极，上下两根电极与高压点火器连接，燃爆反应容器底部和顶部还分别设有进气口和出气口；燃爆反应容器的进气口分别与空气钢瓶、可燃气钢瓶、循环泵连接，空气钢瓶设有空气瓶阀门，可燃气钢瓶设有可燃气钢瓶阀门；燃爆反应容器的出气口分别与真空压力计、真空泵、循环泵连接，真空压力计设有压力计阀门，真空泵设有真空泵阀门，循环泵设有两个循环泵阀门，进气口设有进气口阀门；燃爆反应容器内设有环形分散进气装置，环形分散进气装置焊接有导气管，且导气管与进气口连接；燃爆反应容器的侧面安装有玻璃视窗，燃爆反应容器的玻璃视窗外安装准直器，用于将火焰发光汇聚至光纤接头的准直器依次连接一分二光纤、两台光谱仪、光电倍增管及多通道示波器。
2.如权利要求1所述的一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***，其特征在于，所述环形分散进气装置由内径为0.4cm的钢管制成直径为18cm的环形结构，钢管四周钻有若干个微孔。
3.如权利要求1所述的一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***，其特征在于，燃爆反应容器容积为20L，燃爆反应容器是长径比为1:1的圆柱体与顶部半球封头连接而成，燃爆反应容器整体呈椭球体，顶部半球封头与燃爆反应容器采用法兰连接，可拆卸。
4.如权利要求1所述的一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***，其特征在于，玻璃视窗为圆形，直径为2.6cm，玻璃厚度3cm，材质为熔融石英。
5.如权利要求1所述的一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***，其特征在于，电极位于燃爆反应容器的中心位置，电极的放电间隙可调。
6.如权利要求1所述的一种测试可燃性气体点火延迟时间的实验***，其特征在于，高压点火器设有手动触发开关，可产生高压电脉冲，放电时间0-1000ms可调，放电频率100Hz，电火花能量≥1J。
7.一种测试可燃性气体点火延迟时间的方法，其特征在于，利用权利要求1-6任一所述实验***的测试方法包括如下步骤：
(1)检查该实验***的气密性和管线连接情况；
(2)光谱仪及多通道示波器参数的设置；
将两台光谱仪的光栅位置分别调整到事先确定的待测光特征波长，将识别电火花的特征波长辐射信号设为示波器信号采集的触发信号；
(3)配制预混可燃性气体；
打开压力计阀门、真空泵阀门和真空泵，抽真空到600Pa，关闭真空泵和真空泵阀门；依次打开可燃气钢瓶阀门、进气口阀门，观察精密真空压力计示数，按分压法充入所需体积，依次关闭进气口阀门、可燃气钢瓶阀门；依次打开空气瓶阀门、进气口阀门，补入空气到1个大气压，依次关闭进气口阀门、空气瓶阀门、压力计阀门；
(4)均匀混合可燃性气体；
依次打开循环泵阀门、进气口阀门、循环泵，待可燃性气体循环300秒，依次关闭关闭循环泵、循环泵阀门、进气口阀门；
(5)点火并采集数据；
手动按触点火器点火按钮，点火电极产生电火花并引燃爆反应容器内可燃性气体，示波器自动触发采集特征波长光辐射相对强度信号之后将数据存储，并分析计算出点火延迟时间；
(6)排空废气；
依次打开真空泵阀门、压力计阀门、真空泵，抽出未反应气体和反应产物，打开空气瓶阀门、进气口阀门，补入空气到1个大气压，依次关闭进气口阀门、空气瓶阀门、压力计阀门，实验结束。
8.如权利要求7述的一种测试可燃性气体点火延迟时间的方法，其特征在于，所述步骤(2)中确定待测光特征波长的方法，采用光谱仪和ICCD摄谱相机通过光纤分别采集单纯高压放电电火花和预混可燃气体燃烧火焰的发射光谱，采集波长范围可选200～900nm，对比分析整个波长范围的光谱辐射强度后，选出电火花辐射较强的特征单色光A，和火焰辐射较强、电火花辐射较弱的特征单色光B，分别作为识别放电电火花和燃烧火焰的特征光。
9.如权利要求7述的一种测试可燃性气体点火延迟时间的方法，其特征在于，所述步骤(5)中分析计算出点火延迟时间的方法，绘制特征波长光辐射相对强度信号变化曲线，将检测到双色光辐射信号的时刻分别定义为放电点火时刻τi和着火时刻τc，则点火延迟时间τ＝τc-τi。
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