一種測試可燃性氣體點火延遲時間的實驗系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及可燃性氣體的點火延遲時間測試實驗，具體為一種測試可燃性氣體點火延遲時間的實驗系統(tǒng)及方法，廣泛適用于石化、電力、采礦、運輸和燃氣供應等領域涉及的各種可燃性氣體燃爆特性測試與研究。
【背景技術】
[0002]可燃性氣體在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有著十分廣泛的應用，涉及石化、電力、采礦、運輸和燃氣供應等多個領域，對社會進步與經(jīng)濟發(fā)展有著舉足輕重的作用。但是，可燃性氣體在生產(chǎn)、輸送、儲存和利用過程中意外泄漏后易形成爆炸性預混氣體，遇到點火源后將發(fā)生爆炸或火災事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。可燃性氣體點火延遲時間是指可燃性氣體與助燃劑(空氣、氧氣等)混合形成的易燃易爆混合氣體，引燃過程中從開始點火到出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象之間的時間。不同的可燃氣體，在不同的引燃方法、不同當量比、不同溫度、壓力等環(huán)境條件下，點火延遲時間也是不同的。從燃燒應用和安全工程兩方面考慮，研究測試點火延遲時間均十分必要。在研究發(fā)動機燃燒室或燃燒器中燃料的點火與穩(wěn)定高效燃燒問題時，燃料的點火延時特性就是重要問題之一。點火延遲期是可燃性氣體燃爆鏈式化學反應鏈引發(fā)的重要階段，點火延遲時間是驗證燃燒反應機理和化學動力學建模的重要依據(jù)。另夕卜，當點火源存在時間遠小于點火延遲時間時，爆炸性混合氣體將無法被引爆，點火延遲時間也是重要的安全工程防爆設計依據(jù)。因此，可燃性氣體點火延遲時間的準確測試一直是國內(nèi)外相關領域研究的熱點。
[0003]目前，科研實驗中可燃性氣體點火延遲時間的測試方法有多種，根據(jù)科研需求的不同主要在點火源形式和著火識別方法上有所區(qū)別。其中，采用激波管驅動或高速壓縮機瞬間壓縮可燃性氣體點火，或將可燃性氣體快速充入高溫體系中引燃，同時利用單色火焰發(fā)射光譜識別著火現(xiàn)象的方法使用的相對較多，這種方法多用于燃料高溫高壓自點火現(xiàn)象的研究，常壓高溫點火的實驗測試控制難度較大，點火開始時間一般采用壓力判斷，精度不高，整個實驗裝置相對復雜。另外，有采用高壓放電電火花或熾熱熱源作為點火源，研究局部點火源引燃可燃性氣體的過程，利用單色火焰發(fā)射光譜、高速相機、光敏二極管、動態(tài)壓力變化等識別是否著火，但存在微弱火焰的單色光譜難探測，電火花的存在對采用光學方法判斷著火現(xiàn)象會產(chǎn)生一定的干擾等問題，例如高速相機照片中電極放電光暈與初燃火焰難區(qū)分，光電二極管難以分辨電火花與初燃火焰的發(fā)光，壓力采集與點火起始時間同步精度較差，且響應速度較慢。上述因素都會影響點火延遲時間測試的準確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種測試可燃性氣體點火延遲時間的實驗系統(tǒng)及方法，以解決上述技術問題。
[0005]為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用以下技術方案:
[0006]—種測試可燃性氣體點火延遲時間的實驗系統(tǒng)，包括:燃爆反應容器、高壓點火器、真空壓力計、真空栗、循環(huán)栗、環(huán)形分散進氣裝置、準直器、一分二光纖、光譜儀、光電倍增管、多通道示波器、空氣鋼瓶及可燃氣鋼瓶，燃爆反應容器的頂部半球封頭設有兩個可安裝泄爆片的泄爆口，燃爆反應容器的頂部和底部分別裝有一根電極，上下兩根電極與高壓點火器連接，燃爆反應容器底部和頂部還分別設有進氣口和出氣口 ；燃爆反應容器的進氣口分別與空氣鋼瓶、可燃氣鋼瓶、循環(huán)栗連接，空氣鋼瓶設有空氣瓶閥門，可燃氣鋼瓶設有可燃氣鋼瓶閥門；燃爆反應容器的出氣口分別與真空壓力計、真空栗、循環(huán)栗連接，真空壓力計設有壓力計閥門，真空栗設有真空栗閥門，循環(huán)栗設有兩個循環(huán)栗閥門，進氣口設有進氣口閥門；燃爆反應容器內(nèi)設有環(huán)形分散進氣裝置，環(huán)形分散進氣裝置焊接有導氣管，且導氣管與進氣口連接；燃爆反應容器的側面安裝有玻璃視窗，燃爆反應容器的玻璃視窗外安裝準直器，用于將火焰發(fā)光匯聚至光纖接頭的準直器依次連接一分二光纖、兩臺光譜儀、光電倍增管及多通道示波器。
[0007]作為本發(fā)明進一步的方案，所述環(huán)形分散進氣裝置由內(nèi)徑0.4cm的鋼管制成直徑為18cm的環(huán)形結構，鋼管四周鉆有若干個微孔。
[0008]作為本發(fā)明進一步的方案，燃爆反應容器容積為20L，燃爆反應容器是長徑比為I: I的圓柱體與頂部半球封頭連接而成，燃爆反應容器整體呈橢球體，頂部半球封頭與燃爆反應容器采用法蘭連接，可拆卸。
[0009]作為本發(fā)明進一步的方案，玻璃視窗為圓形，直徑為2.6cm，玻璃厚度3cm，材質為熔融石英
[0010]作為本發(fā)明進一步的方案，電極位于燃爆反應容器的中心位置，電極的放電間隙可調(diào)。
[0011]作為本發(fā)明進一步的方案，高壓點火器設有手動觸發(fā)開關，可產(chǎn)生高壓電脈沖，放電時間O-1OOOms可調(diào)，放電頻率100Hz，電火花能量彡1J。
[0012]一種測試可燃性氣體點火延遲時間的方法，利用上述實驗系統(tǒng)的測試方法包括如下步驟:
[0013](I)檢查該實驗系統(tǒng)的氣密性和管線連接情況；
[0014](2)光譜儀及多通道示波器參數(shù)的設置；
[0015]將兩臺光譜儀的光柵位置分別調(diào)整到事先確定的待測光特征波長，將識別電火花的特征波長輻射信號設為示波器信號采集的觸發(fā)信號；
[0016](3)配制預混可燃性氣體；
[0017]打開壓力計閥門、真空栗閥門和真空栗，抽真空到600Pa，關閉真空栗和真空栗閥門；依次打開可燃氣鋼瓶閥門、進氣口閥門，觀察精密真空壓力計示數(shù)，按分壓法充入所需體積，依次關閉進氣口閥門、可燃氣鋼瓶閥門；依次打開空氣瓶閥門、進氣口閥門，補入空氣到I個大氣壓，依次關閉進氣口閥門、空氣瓶閥門、壓力計閥門；
[0018](4)均勻混合可燃性氣體；
[0019]依次打開循環(huán)栗閥門、進氣口閥門、循環(huán)栗，待可燃性氣體循環(huán)300秒，依次關閉循環(huán)栗、循環(huán)栗閥門、進氣口閥門；
[0020](5)點火并采集數(shù)據(jù)；
[0021]手動按觸點火器點火按鈕，點火電極產(chǎn)生電火花并引燃爆反應容器內(nèi)可燃性氣體，示波器自動觸發(fā)采集特征波長光輻射相對強度信號，之后將數(shù)據(jù)存儲，并分析計算出點火延遲時間；
[0022](6)排空廢氣；
[0023]依次打開真空栗閥門、壓力計閥門、真空栗，抽出未反應氣體和反應產(chǎn)物，打開空氣瓶閥門、進氣口閥門，補入空氣到I個大氣壓，依次關閉進氣口閥門、空氣瓶閥門、壓力計閥門，實驗結束。
[0024]—種測試可燃性氣體點火延遲時間的方法，所述步驟(2)中確定待測光特征波長的方法，采用光譜儀和ICCD攝譜相機通過光纖分別采集單純高壓放電電火花和預混可燃氣體燃燒火焰的發(fā)射光譜，采集波長范圍可選200?900nm，對比分析整個波長范圍的光譜輻射強度后，選出電火花輻射較強的特征單色光A，和火焰輻射較強、電火花輻射較弱的特征單色光B，分別作為識別放電電火花和燃燒火焰的特征光。
[0025]—種測試可燃性氣體點火延遲時間的方法，所述步驟(5)中分析計算出點火延遲時間的方法，繪制特征波長光輻射相對強度信號變化曲線，將檢測到雙色光輻射信號的時刻分別定義為放電點火時刻Ti和著火時刻τ。，則點火延遲時間τ = Tc-Ti0
[0026]本發(fā)明的有益效果是:采用高壓放電電火花作為局部點火源進行預混可燃性氣體燃爆實驗時，實現(xiàn)了電火花和著火現(xiàn)象的準確識別，可直接確定點火延遲時間，有效提高了點火延遲時間測量的準確度；形成了一套預混可燃性氣體點火延遲時間測試實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)安全可靠，安裝方便，操作簡單，為預混可燃性氣體燃爆的研究提供了新的實驗技術手段。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明實驗系統(tǒng)示意圖；
[0028]圖2為環(huán)形分散進氣裝置的結構示意圖；
[0029]圖3為特征波長光輻射相對強度信號變化曲線圖；
[0030]圖中:燃爆反應容器1、高壓點火器2、真空壓力計3、真空栗4、循環(huán)栗5、環(huán)形分散進氣裝置6、準直器7、一分二光纖8、光譜儀9、光電倍增管10、多通道示波器11、泄爆口1-1、電極1-2、進氣口 1-3、出氣口 1-4、玻璃視窗1-5、壓力計閥門13_1、真空栗閥門13_2、可燃氣鋼瓶閥門13-3、空氣瓶閥門13-4、進氣口閥門13-5、循環(huán)栗閥門13_6、鋼管6_1、微孔6-2、導氣管6-3、空氣鋼瓶12-1、可燃氣鋼瓶12-2。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步闡述。
[0032]如圖1?2所示，一種測試可燃性氣體點火延遲時間的實驗系統(tǒng)，包括:燃爆反應容器1、高壓點火器2、真空壓力計3、真空栗4、循環(huán)栗5、環(huán)形分散進氣裝置6、準直器7、一分二光纖8、光譜儀9、光電倍增管10、多通道示波器11、空氣鋼瓶12-1及可燃氣鋼瓶12-2，燃爆反應容器I的頂部半球封頭設有兩個可安裝泄爆片的泄爆口 1-1，燃爆反應容器I的頂部和底部分別裝有一根電極1-2，上下兩根電極1-2與高壓點火器2連接，燃爆反應容器I底部和頂部還分別設有進氣口 1-3和出氣口 1-4 ;燃爆反應容器I的進氣口 1-3分別與空氣鋼瓶12-1、可燃氣鋼瓶12-2、循環(huán)栗5連接，空氣鋼瓶12-1設有空氣瓶閥門13_4，可燃氣鋼瓶12-2設有可燃氣鋼瓶閥門13-3 ;燃爆反應容器I的出氣口 1-4分別與真空壓力計3、真空栗4、循環(huán)栗5連接，真空壓力計3設有壓力計閥門13-1，真空栗4設有真空栗閥門13-2，循環(huán)栗5設有兩個循環(huán)栗閥門13-6，進氣口 1-3