CN109270209B - 磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台 - Google Patents
磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，包括用于盛装待测粮食的粮食容器；用于模拟磷化氢熏蒸环境的磷化氢制备发生器和磷化氢气体流出管；用于加热待测粮食的电加热盘；用于点火的电火花发生器；用于采集待测粮食堆垛内外参数的热电偶束、温度采集模块、气体传感器群、气体浓度采集模块、电子天平、计算机和高清摄像机；用于排烟的集烟罩、排烟管道和排烟风机。本实验平台通过对磷化氢气体浓度、局部过热源功率、电火花点火功率等关键参数的调控与组合，揭示粮仓内磷化氢气体熏蒸环境下多因素耦合作用下的粮食引燃机理，推动粮仓热灾害防治方案的整体优化与进步。
Description
技术领域
本发明涉及粮仓火灾防治领域，更具体地说，涉及一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台。
背景技术
粮食的安全储存关乎国家民生大计。粮食在粮仓储存期间，为防治虫害，避免粮食生霉变质，需定期使用磷化氢或其它气体进行熏蒸除虫。进行粮食熏蒸，在除灭虫害的同时，由于直接输入一定浓度的可燃气体，往往会增大粮仓的火灾危险性。这是因为：一方面，磷化氢气体自身易燃；另一方面，若粮食因各种原因受热分解，也将产生可燃气体，多种可燃气体混合达到一定浓度，一旦遇到点火源，则易引发粮仓火灾，造成巨大的经济损失。目前，关于粮仓安全防治的现有技术，主要针对磷化氢气体的高效制取、粮食熏蒸效率提高以及粮仓内通风气调等方面(如：中国专利201720227508.4、中国专利201810236136.0、中国专利201621232327.2，以及期刊《粮食与饲料》2017年第12期第14页至16页的文章“高大浅圆仓磷化氢混合环流熏蒸杀虫技术研究”)，关于研究粮仓热灾害防治和火灾预防方面的新方法和新技术缺乏。本发明提出一种研究磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理的新方法，从而揭示该过程中粮食的引燃机理。本发明的提出与应用，有利于提高粮仓热灾害事故的预防水平，保护粮食。
发明内容
本发明的目的是提供一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台。该实验平台通过将磷化氢气体经位于粮食容器底部的磷化氢气体流出管通入待测粮食内，可模拟磷化氢气体熏蒸粮食的过程；在粮食容器底部安装功率可调的电加热盘，可模拟待测粮食内的不同强度的局部受热过程；在粮食容器内、待测粮食上表面附近放置气体传感器群对该位置多种气体浓度进行实时监测；在粮食容器内的待测粮食上表面中心附近放置电火花发生器，可提供不同功率的电火花。通过该实验平台，可以综合模拟与研究粮仓内进行磷化氢气体熏蒸时多因素耦合引燃机理，确定不同条件下的粮食引燃判据。
本发明采用的技术方案为：一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，包括一个粮食容器，所述的粮食容器内盛装待测粮食，所述的待测粮食底部设置一个磷化氢气体流出管，与所述的磷化氢气体流出管出口相连的管道另一端连接浓度可调的磷化氢气体制备发生器。所述的待测粮食内***热电偶束，用于测量待测粮食内部温度变化。所述的待测粮食上表面附近放置一个功率可调的电火花发生器，所述的电火花发生器与第一电压调节器相连。所述的粮食容器底部安装一个电加热盘，所述的电加热盘与第二电压调节器相连。在所述的粮食容器内的待测粮食上表面位置安装气体传感器群。所述的热电偶束通过温度数据采集模块接入计算机，进行温度数据的实时采集和存储。所述的气体传感器群通过气体浓度数据采集模块接入计算机，进行气体浓度数据的实时采集和存储。所述的粮食容器侧上方放置一个高清摄像机。所述的粮食容器通过外壁焊接的支架放置在一块硬质隔热板上，所述的硬质隔热板下方放置一个电子天平，所述的电子天平连接计算机用以实时采集和存储质量数据。所述的粮食容器及浓度可调的磷化氢气体制备发生器位于一个集烟罩下方，所述的集烟罩的尾部与安装有排烟风机的排烟管道相连，实验过程中产生的有毒有害气体和燃烧烟气可由集烟罩收集并经排烟管道排出。
所述的粮食容器整体为圆柱形。其外壁为金属材料，内壁为一定厚度的耐高温材料，其底部安装的底板和电加热盘可自由拆卸。
所述的电加热盘外部覆盖一定厚度的耐高温陶瓷，避免磷化氢气体与高温金属直接接触发生反应。所述的电加热盘圆心处有圆形开口，其尺寸大于底板开口和磷化氢气体流出管管道直径，使得磷化氢气体流出管从底部穿过电加热盘时避免与其直接接触，并留置足够的空间。
所述的磷化氢气体制备发生器具有输出磷化氢气体浓度可调、气流质量流率可调等功能。
所述电火花发生器的垂直高度可调，以保证粮食容器盛装不同高度待测粮食时，该电火花发生器始终位于靠近待测粮食上表面且不接触的位置。所述的电火花发生器与第一电压调节器相连，使得电火花发生器的点火功率可调。
所述的气体传感器群包括磷化氢气体传感器、甲烷气体传感器、乙烷气体传感器、一氧化碳气体传感器、二氧化碳气体传感器，用以测量实验过程中不同气体成分的浓度。所述的气体传感器群在粮食容器内的高度可调，以适应在各种不同待测粮食堆积厚度条件下的实验测量。
所述的热电偶束有若干束，每束热电偶束由若干根热电偶组成，可以测量粮食容器内待测粮食堆垛内若干个不同位置的温度。若干不同位置的温度测量点构成了一个温度测量矩阵，可以根据获得的数据重构待测粮食堆垛内部温度场，描述待测粮食堆垛内部温度的时空变化。
所述的伸入待测粮食堆垛内的磷化氢气体流出管末端封闭，管道末端侧面开有若干小孔，使磷化氢气体沿四周水平方向流出，延长磷化氢气体在待测粮食中的滞留时间，使磷化氢气体在待测粮食堆垛内的扩散更均匀。
所述的待测粮食为储存于粮仓内的各类粮食，包括：小麦、水稻、玉米、高粱。
所述硬质隔热板的功能主要有两个，一是支撑和稳定粮食容器及其附属装置，二是避免实验过程中电子天平受热损坏。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，模拟了粮仓粮食熏蒸环境下各类火灾典型诱因，即粮食熏蒸环境下的两种来源的可燃气体(熏蒸用的磷化氢气体和粮食热解气体)、局部过热源(内部生热)和点火源(电气火花)等多因素耦合火灾危险环境。利用该实验台进行实验，通过获得的温度、质量、可燃气体浓度等数据，可以研究磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理，为粮仓熏蒸环境下的火灾预防、探测和扑救提供科学的参考和依据。
与现有的技术比较，本发明具有如下优势：
(1)本实验平台实现了粮仓内粮食热灾害典型诱因的综合模拟，这些典型诱因包括：磷化氢熏蒸气体、局部过热源、电火花，并在待测粮食上表面附近布设典型气体传感器，通过单一诱因和多个诱因的多种组合分析与研究，可进行粮仓内磷化氢气体熏蒸环境下多因素耦合作用时的粮食引燃机理研究。并通过磷化氢气体浓度、局部过热源功率、电火花功率等关键参数的调控与组合，可定量给出各种粮食在不同热灾害诱因条件下的临界引燃判据，继而给出粮仓热灾害防治的关键环节和有效措施。基于本实验平台的测量技术，可推动粮仓热灾害防治方案的整体优化与进步，促进粮仓安全管理规范的完善。
(2)本实验平台中布设于待测粮食上方附近的电火花发生器和气体传感器群的上下位置可调，可以根据待测粮食堆积厚度的不同而灵活调整测量位置，有利于分析粮食容器内待测粮食堆积厚度对其引燃判据的影响，促使待测粮食引燃判据的详细确定，并推动待测粮食堆垛内局部受热过程中形成的可燃气体扩散机理研究及其对引燃过程的影响分析。
(3)本实验平台的测量***完善，可以获得引燃时间、温度、质量、气体浓度等数据。通过对温度、质量、气体浓度等各类数据的综合处理，可以获得丰富的实验信息；此外，各项数据的相互支撑和对比，能够更准确的反映出试验中待测粮食燃烧的进程，从而进一步验证实验结论。
(4)本实验平台的粮食容器的底板和电加热盘可拆卸，实验之后的粮食残渣可在底板和电加热盘拆卸之后自行掉落，使实验后的清理与恢复更加方便和快捷。
附图说明
图1是磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台示意图。
图2是磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台的粮食容器局部示意图。
其中，1为粮食容器，2为待测粮食，3为高清摄像机，4为电火花发生器，5为第一电压调节器，6为气体传感器群，7为气体浓度采集模块，8为计算机，9为热电偶束，10为温度采集模块，11为底板，12为第二电压调节器，13为电加热盘，14为磷化氢气体流出管，15为橡胶管，16为磷化氢气体制备发生器，17为支架，18为硬质隔热板，19为电子天平，20为集烟罩，21为排烟管道，22为排烟风机。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，圆柱形粮食容器1内直径20cm，深10cm，侧壁的内层为5mm厚的陶瓷纤维板，外层为1mm厚的不锈钢材，其内部盛装有一定质量的待测粮食2。在粮食容器1的侧上方放置一个高清摄像机3，用于记录材料引燃过程的整体情况。在粮食容器1的上部安装有电火花发生器4，其放电尖端经调节后位于靠近待测粮食2上表面且不接触的位置。所述的电火花发生器4与第一电压调节器5相连，用以调节电火花发生器4的点火功率。在粮食容器1内待测粮食2上表面位置安装气体传感器群6，气体传感器群6通过气体浓度数据采集模块7接入计算机8。待测粮食2的一个半径截面内垂直***热电偶束9，每束5根热电偶，从待测粮食2上表面至底面垂直等分***内部不同深度的5个位置。5束热电偶束9均通过温度采集模块10连接计算机8。粮食容器1的底板11中心处有一直径10mm的开孔，在底板11上方放置一个连接有第二电压调节器12的电加热盘13，电加热盘13中心处有一直径为30mm的开孔。底板11及电加热盘13均可拆卸。磷化氢气体流出管14从下方依次通过底板11、电加热盘13中心开孔垂直伸入待测粮食2内。磷化氢气体流出管14通过一段橡胶管15与磷化氢气体制备发生器16相连。粮食容器1通过外壁焊接的支架17，放置在一块硬质隔热板18上，在硬质隔热板18下方放置一电子天平19，电子天平19通过数据线与计算机8连接。除计算机8以外的整套实验装置都放置于实验间内，实验间上方安装有一个水平横截面尺寸为5m×5m的集烟罩20，上述粮食容器1和磷化氢气体制备发生器16都位于集烟罩20下方，实验烟气和磷化氢气体通过集烟罩20、排烟管道21和排烟风机22排出实验间。计算机8放置于与实验间紧邻的操作间内。
本实施例中的热电偶束9，共5束，均匀分布于粮食容器1的半径截面；每束热电偶束包含5根直径1mm的热电偶，垂直等距***待测粮食2内部不同深度。5束热电偶束9共25根热电偶在粮食容器1的一个半径截面形成一个5×5的温度测量矩阵，通过对该截面温度场的重构，可以反映实验过程中整个粮食容器1内待测粮食2内部的温度场演化进程。
本实施例中的气体传感器群6包括磷化氢气体传感器、甲烷气体传感器、乙烷气体传感器、一氧化碳气体传感器、二氧化碳气体传感器，用以测量实验过程中不同气体成分的浓度。气体传感器群6在粮食容器1内的高度可调，以适应在各种不同待测粮食2堆积深度下的实验测量。
本实施例中的电加热盘13，放置在底板11上，内部为电热丝，外部由一定厚度的耐高温陶瓷覆裹，避免磷化氢气体与炽热的电热丝发生化学反应。电加热盘13中心留有直径3cm的开孔供磷化氢气体流出管14通过，并留置足够的空间，避免磷化氢气体流出管14局部过热。
本实施例中的磷化氢气体流出管14依次通过底板11，电加热盘13中心的开孔伸入待测粮食2内，并使磷化氢气体流出管14上沿距离底板11为3cm。所述的磷化氢气体流出管14为外径1cm的陶瓷管，管道末端端面封闭，管道末端侧面开有6个小孔，可以使磷化氢气体沿四周水平方向喷出，延长了磷化氢气体在待测粮食2堆垛中的滞留时间，使磷化氢气体扩散更均匀。
本实施例中的磷化氢气体制备发生器16，制备出的气体是二氧化碳和磷化氢气体的混合气体，并可以控制其气体发生流量和浓度。
进行实验时，实验人员穿戴好防毒面具，首先开启排烟风机22，并分别调节好第一电压调节器5和第二电压调节器12，使电火花发生器4和电加热盘13达到实验设定功率，调节完成后关闭两个电压调节器的电源。然后，调整和固定好热电偶束9的位置。接着，开启电子天平19，再往粮食容器1内缓慢、均匀地填装一定质量的待测粮食2，注意待测粮食2填装过程中不可改变热电偶束9的布置位置。待测粮食2填装完成之后，调整电火花点火器4的高度，使其放电尖端尽可能地接近待测粮食2上表面且不接触。之后，开启高清摄像机3，开始录制实验视频；开启计算机8内温度、质量和气体浓度数据采集程序，开始数据采集；开启第一电压调节器5，开始点火；开启第二电压调节器12，开始加热；开启磷化氢气体制备发生器16，开始通入磷化氢气体。
实验结束时，首先保存好实验的温度、浓度、质量等数据。等待足够长的时间后，实验人员佩戴防毒面具进入实验间，先关闭磷化氢气体制备发器16，停止磷化氢气体的制备与输入。然后，关闭高清摄像机3。接着，关闭第一电压调节器5和第二电压调节器12，停止点火和加热，离开实验间。等待15分钟后，实验人员佩戴防毒面具，对待测粮食2实验之后的残余状况拍照和记录。所有记录完毕之后，卸下底板11和电加热盘13，清理粮食残渣。之后，将装置各零部件有序摆放好，关闭排烟风机，关闭实验室其他设备电源，离开实验间。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，其特征在于：包括一个粮食容器，所述的粮食容器内盛装待测粮食，所述的待测粮食底部设置一个磷化氢气体流出管，与所述的磷化氢气体流出管相连的管道另一端连接浓度可调的磷化氢气体制备发生器；所述的待测粮食内***热电偶束，用于测量待测粮食内部温度变化；所述的待测粮食上表面附近放置一个功率可调的电火花发生器，所述的电火花发生器与第一电压调节器相连；所述的粮食容器底部安装一个电加热盘，所述的电加热盘与第二电压调节器相连；在所述的粮食容器内的待测粮食上表面位置安装气体传感器群；所述的热电偶束通过温度数据采集模块接入计算机，进行温度数据的实时采集和存储；所述的气体传感器群通过气体浓度数据采集模块接入计算机，进行气体浓度数据的实时采集和存储；所述的粮食容器侧上方放置一个高清摄像机；所述的粮食容器通过外壁焊接的支架放置在一块硬质隔热板上，所述的硬质隔热板下方放置一个电子天平，所述的电子天平连接计算机用以实时采集和存储质量数据；所述的粮食容器及浓度可调的磷化氢气体制备发生器位于一个集烟罩下方，所述的集烟罩的尾部与安装有排烟风机的排烟管道相连，实验过程中产生的有毒有害气体和燃烧烟气可由集烟罩收集并经排烟管道排出。
2.根据权利要求1所述的一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，其特征在于：所述的粮食容器整体为圆柱形，其外壁为金属材料，内壁为一定厚度的耐高温材料，其底部安装的底板和电加热盘可自由拆卸。
3.根据权利要求1所述的一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，其特征在于：所述的电加热盘外部覆盖一定厚度的耐高温陶瓷，避免磷化氢气体与高温金属直接接触发生反应；所述的电加热盘圆心处有圆形开口，其尺寸大于底板开口和磷化氢气体流出管管道直径，使得磷化氢气体流出管从底部穿过电加热盘时避免与其直接接触，并留置足够的空间。
4.根据权利要求1所述的一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，其特征在于：所述的磷化氢气体制备发生器具有输出磷化氢气体浓度可调、气流质量流率可调功能。
5.根据权利要求1所述的一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，其特征在于：所述电火花发生器的垂直高度可调，以保证粮食容器盛装不同高度待测粮食时，该电火花发生器始终位于靠近待测粮食上表面且不接触的位置，所述的电火花发生器与第一电压调节器相连，使得电火花发生器的点火功率可调。
6.根据权利要求1所述的一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，其特征在于：所述的气体传感器群包括磷化氢气体传感器、甲烷气体传感器、乙烷气体传感器、一氧化碳气体传感器、二氧化碳气体传感器，用以测量实验过程中不同气体成分的浓度，所述的气体传感器群在粮食容器内的高度可调，以适应在各种不同待测粮食堆积厚度条件下的实验测量。
7.根据权利要求1所述的一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，其特征在于：所述的热电偶束有若干束，每束热电偶束由若干根热电偶组成，可以测量粮食容器内待测粮食堆垛内若干个不同位置的温度；若干不同位置的温度测量点构成了一个温度测量矩阵，可以根据获得的数据重构待测粮食堆垛内部温度场，描述待测粮食堆垛内部温度的时空变化。
8.根据权利要求1所述的一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，其特征在于：伸入待测粮食堆垛内的磷化氢气体流出管末端封闭，管道末端侧面开有若干小孔，使磷化氢气体沿四周水平方向流出，延长磷化氢气体在待测粮食中的滞留时间，使磷化氢气体在待测粮食堆垛内的扩散更均匀。
9.根据权利要求1所述的一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，其特征在于：所述的待测粮食为储存于粮仓内的各类粮食，包括：小麦、水稻、玉米、高粱。
10.根据权利要求1所述的一种磷化氢气体熏蒸环境下粮食多因素耦合引燃机理研究实验平台，其特征在于：所述硬质隔热板的功能主要有两个，一是支撑和稳定粮食容器及其附属装置，二是避免实验过程中电子天平受热损坏。
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