高温和高压对乙烷在氧气中爆炸极限影响的实验研究

获得高温、高压下可燃介质爆炸极限数值,对完善复杂工况下可燃介质燃爆安全理论、构建可燃介质爆炸防护技术提供支持。搭建了适用于开展高温、高压工况的20 L球形爆炸实验装置,测量了初始温度为20～270 ℃,初始压力为0.5～2.6 MPa下乙烷在氧气中的爆炸极限,分析温度、压力单因素对乙烷在氧气中的爆炸极限的影响以及温度和压力双因素的耦合影响。结果表明,随着初始压力和初始温度的提高,乙烷在氧气中的爆炸极限逐渐扩大。在温度小于140 ℃时,在高压和低压两种情况下,压力对乙烷爆炸上限的影响基本一致。在温度高于140 ℃时,压力的升高使乙烷爆炸上限升高,但其影响的效果逐渐减小。在初始压力小于1.6 MPa时,温度的升高使乙烷的爆炸上限升高,但其影响的效果变化很小。在压力大于1.6 MPa,温度高于140 ℃时,温度的升高使乙烷的爆炸上限升高,且其影响的效果逐渐增大。温度和压力的升高均使乙烷的爆炸下限降低,但其影响较小。初始温度和初始压力对乙烷在氧气中爆炸极限的耦合作用略小于两个因素作用的和,但大于单个因素的作用。通过拟合得到了C₂H₆/O₂爆炸极限随初始压力、初始温度变化的定量规律。     

硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用

为研究硅酸铝棉位置、长度对预混气体爆炸超压和火焰速度的抑制规律,进行了硅酸铝棉抑制管道内预混气体爆炸实验,在管路内置入硅酸铝棉,以室温常压下化学计量浓度的C2H2/air预混气体为介质。结果表明,当硅酸铝棉长度超过速度临界长度时,能够有效抑制火焰速度。当硅酸铝棉长度超过压力临界长度时,能够有效抑制爆炸超压。速度临界长度的大小与硅酸铝棉入口火焰速度有关。压力临界长度的大小与硅酸铝棉入口爆炸超压有关。压力临界长度小于速度临界长度,说明硅酸铝棉对压力的抑制效果更加显著。     

管道内全阻塞障碍物对气相爆轰波传播特性的影响

建立了长2 800 mm、内径为50 mm的圆管内爆轰波传播实验装置,采用光电二极管探测火焰锋面以获得爆轰波的传播速度,采用烟迹法记录爆轰波的胞格结构。通过在管道不同位置设置阻塞率为1的聚丙烯薄膜,研究不同初始压力下不同氩气稀释浓度的C₂H₂+2.5O₂+nAr预混气体爆轰波在通过全阻塞障碍物前后传播速度及胞格结构的变化。结果表明,气相爆轰波在达到稳态爆轰后,在通过全阻塞薄膜障碍物的过程中会产生2种不同的传播形式:速度亏损和爆轰失效。气相爆轰波穿过不同区域的传播过程可以分为3个阶段:稳态传播阶段、速度亏损阶段或爆轰失效阶段、过驱爆轰阶段。     

抑制爆炸波传播的方法

抑制燃烧爆炸产生的压力波是非常重要的研究课题.针对抑制爆炸波传播的研究方法进行了评述,介绍了网孔结构或可压缩材料抑制爆炸波强度的理论和研究结果.指出了目前研究所存在的问题,并对要解决的关键问题提出了见解.      

高浓度氩气稀释气体爆轰波临界管径和临界间距关系

建立圆管及环形管道系统研究临近极限下爆轰波在管道内传播失效机理。选用C₂H₂+2.5O₂+70%Ar气体,采用光纤探针测量爆轰波在管道内传播速度,用烟迹法记录管道内爆轰波胞格结构。结果表明:初始压力远大于爆轰极限压力时,爆轰波在管道内以稳定速度传播;随着初始压力的减小,爆轰波速度逐渐降低;当初始压力一定时,爆轰波速度随着管道尺寸的减小而逐渐减小;当初始压力达到临界压力时,爆轰波在进入到管道内后其速度会逐渐衰减直至爆轰波完全失效。对于不同几何尺寸的圆管与环管,通过引入无量纲参数d/λ及w /λ(d为圆管管径,w为环管间距,λ为爆轰胞格尺寸)得出,爆轰波在管道内传播的临界圆管直径为环形间距的2倍,与理论模型结果相吻合,验证了稳态气体基于爆轰波波面曲率的失效机理。     

采用泄爆管的粉尘爆炸在泄放过程中的压力特性

以2m 铝粉为介质,在内径68mm、高305mm 的钢制圆柱容器顶端连接内径25mm、不同长度 的钢制泄爆管,开展了粉尘爆炸泄放实验。通过分别改变泄爆管长度及粉尘的质量浓度,研究粉尘爆炸泄放 过程中容器及泄爆管内的压力特性,重点在探索泄放过程中二次爆炸发生的条件。结果表明,在本实验条件 下,当泄爆管长度LT1500mm,粉尘质量浓度500g/m3 时,泄爆管内发生二次爆炸的几率很高。二次 爆炸产生的压力波分别向爆炸容器及泄爆管末端2个方向传播。向爆炸容器传播的压力波阻碍并扰乱泄放 过程,导致容器内残余未燃粉尘反应,使容器内压力出现二次峰值。     

甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限的变化规律

基于标准20 L球形爆炸装置,在相同测试条件下, 分别测量了石松子粉尘、甲烷和不同浓度配比的甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限,并将测试结果与Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method等混合体系爆炸下限预测结果进行了对比。结果表明:低于爆炸下限的甲烷和低于爆炸下限的石松子粉尘混合后仍具有爆炸危险性。石松子粉尘爆炸下限随混合体系中甲烷体积分数的增高而减小。Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method均不能准确预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。Le Chatelier’s law对甲烷体积分数φ与甲烷爆炸下限φ_L之比φ/φ_L＜0.5的混合体系爆炸下限的预测值偏小,而对φ/φ_L＞0.5的混合体系预测值偏大;Bartknecht curve在预测φ/φ_L＞0.5的混合体系爆炸下限时适用性较好,而对于φ/φ_L＜0.5的混合体系预测值偏小;Jiang method不适用于预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。     

不同角度分叉管道内氢气-空气爆轰传播特性

在3种角度分叉管道内开展化学计量比氢气-空气爆轰实验,采用自制的火焰传感器和烟迹法分别获得了爆轰波传播速度和胞格结构,探究了不同角度管道分叉对爆轰传播的影响。结果表明:氢气-空气爆轰在经过分叉三通时受分叉口稀疏波影响导致爆轰波衰减解耦,但随着入射激波与下游管道壁面碰撞,逐渐由规则反射向马赫反射转变,最终完成重起爆过程。其中,直通支管内爆轰衰减主要受支管入口面积的影响,随着分叉角度增大,入口面积减小,爆轰衰减程度和重起爆距离也随之减小;而分叉支管内,爆轰衰减受支管入口面积与入口渐扩程度共同影响,但随着分叉角度的增大,入口面积变为主要影响因素。不同角度分叉管内的实验结果均表明,初始压力升高能显著提高爆轰稳定性,从而削弱分叉几何结构的影响。     

爆炸压力积聚工况下石松子粉尘爆炸火焰传播特性

搭建了一套兼具承压和可视性能粉尘爆炸实验平台,在压力积聚工况下实验研究了石松子粉尘爆炸火焰传播特性。实验结果表明:压力积聚工况下的石松子粉尘爆炸火焰呈现空间离散的束状结构,火焰锋面呈齿状。随着粉尘浓度的提升,火焰连续性增强,锋面趋于平滑,亮度增加,并在750g/m^3达到最佳。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰在传播过程中均呈现明显的速度脉动特征,但脉动频率随粉尘浓度的增大而减小。爆炸火焰平均传播速度随粉尘浓度的增大先增大后减小,并在750g/m^3达到最高。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰前期传播速度均高于后期传播速度。     

甲烷/石松子两相混合体系爆炸强度参数

基于改进的20 L球形粉尘爆炸装置,在相同初始条件下分别测量了甲烷、石松子粉尘和甲烷/石松子两相混合体系的爆炸压力、爆炸压力上升速率和爆炸指数等参数,系统研究了甲烷/石松子粉尘两相混合体系爆炸特性变化规律。结果表明:甲烷的添加能显著提高低质量浓度石松子粉尘爆炸压力而降低高质量浓度石松子粉尘爆炸压力;甲烷对石松子粉尘最大爆炸压力没有显著影响,但能显著提高石松子粉尘最大爆炸压力上升速率。甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸指数高于单相石松子粉尘爆炸指数,但甲烷/石松子粉尘混合体系和单相石松子粉尘爆炸指数均低于单相甲烷爆炸指数。工业生产过程中应避免粉尘混入可燃气体以降低粉尘爆炸危险性。