初始压力和富氧系数对CH_%284%29_O_%282%29_N_%282%29预混气体爆炸特性的影响.pdf
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1、:./.初始压力和富氧系数对/预混气体爆炸特性的影响吉昌泉 贾 凡 李 斌 张 丹 解立峰南京理工大学化工学院(江苏南京)摘 要 为了探究甲烷 在富氧和非常压条件下的爆炸危险性确保 气体在不同工况下的安全使用借助 圆柱形爆炸装置研究了初始压力 和富氧系数 对/爆炸特性的影响 包括最大爆炸压力、最大压力上升速率(/)和最大压力到达时间 等衡量 爆炸安全性的指标 结果表明:当 为.、.和.时随 的增加始终线性上升而当 为.和.时随 的增加先缓慢线性上升、后快速线性上升(/)随 的增加分为线性上升和一阶指数快速上升 在 为.和.时随 的增加而线性增大因为在燃烧初始阶段 活化自由基的销毁速率增加降低了
2、反应速率和燃速引起预混气体 的延长但随着 的增加氧气的促进作用与自由基销毁的抑制作用形成新的竞争效应使得 先增加、后下降关键词 初始压力富氧系数预混气体爆炸特性 圆柱形爆炸容器分类号./()/.(/).(/).引言 现如今资源节约和环境保护问题已经成为世界各国关注的焦点尤其在汽车行业研究人员几十年来一直在寻找减少汽车污染物排放的有效方法天然气()储量丰富且燃烧产生的污染物少现阶段被认为是传统汽车燃料良好的替代品研究表明:以作为燃料的发动机会出现局部火焰熄灭、燃烧不稳定和输出功率低等问题同时碳第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:第一作者:吉昌泉()男硕士主要从事气体爆炸方面的研
3、究:.通信作者:李斌()男博士副研究员主要从事多相爆轰相关研究:.氢化合物()、排放量较高不能满足日益严苛的排放要求 富氧燃烧可以有效提高可燃气体(或可燃蒸气)的燃烧温度增加传热减少排烟量降低可燃物的燃点并加快燃速从而提高 的利用率和发动机的输出功率缩短点火时间并显著降低、等污染物的排放但氮氧化物的排放量有所增加 富氧燃烧技术是一种燃烧高于空气中氧气含量的含氧空气的高效节能技术主要应用在燃料(甲烷、汽油、柴油等)发动机、电站锅炉、热能工程、玻璃、冶金、生物质合成气燃烧等领域国内外已经对/空气混合气体在不同初始条件下的燃爆特性和火焰传播特性进行了大量研究 等研究了初始压力和初始温度对/空气混合气
4、体爆炸上限的影响结果表明高温下应用切线准则获得的预混气体的爆炸上限较小而高温、高压下应用最大最小准则确定的爆炸上限与实验结果更匹配 李传家等在水平激波管中研究了点火能量和初始压力对 爆炸强度和火焰传播速度的影响结果表明爆炸超压随着初始压力和点火能量的增大而变大适宜的初始条件可以加速 的燃烧转爆轰 蔺伟等利用长透明管道研究了 浓度对火焰传播特征的影响发现 浓度对火焰传播速度和最远传播距离都有显著影响 徐宗在.内径管道中研究了 浓度对/空气混合气体爆炸压力的影响结果表明随着 浓度的增大爆炸压力呈倒 形变化趋势浓度在当量比时混合气体爆炸压力最大 郑兴忠等借助小尺寸瓦斯爆炸实验平台通过高速摄像机记录
5、爆炸火焰的传播过程探讨了 浓度对燃烧火焰长度的影响 李润之将理论、实验和数值模拟方法结合系统研究了初始压力和点火能量对瓦斯爆炸特性的影响并得出相应的爆炸规律 仇锐来等在管道中研究了点火能量对/空气混合气体火焰传播速度和最大爆炸压力的影响而富氧条件下 燃爆特性和火焰传播行为的研究相对较少 等研究了不同富氧系数 和点火位置对/混合物爆炸特性的影响结果表明随着 的上升的超压振荡和燃烧引起的快速相变现象更强烈另外点火位置对最大压力上升速率的影响更加显著 王发辉等对 在富氧条件下火焰传播和泄爆特性进行大量研究结果表明随着 的增加火焰传播速度急速上升火焰振荡距离和振幅扩大另外泄爆可以大幅降低最大爆炸压力随
6、着泄爆面积的增大最大压力到达时间略有缩短 等研究了不同 含量和 下 的燃爆行为实验和模拟结果表明可以有效降低 爆炸绝热火焰温度最后定量表示了 和 形成稳定火焰或熄灭火焰的二维平面图 学者们仅仅对常压下相关燃爆特性进行研究并未对负压和高、低压情况进行深入探讨 但在高海拔地区以及一些突发情况下会出现非常压环境为在富氧空气中安全使用 燃料需深入探究 在富氧空气中的燃爆特性/混合气体的最大爆炸压力、最大压力上升速率(/)和最大压力到达时间 等都是燃烧工艺设备的安全性设计和评估工艺危险性的重要参数本文中研究了富氧系数 和初始压力 对/预混气体爆炸参数的影响 为有效模拟 燃料在发动机做功腔室里的工作环境以
7、及 意外泄漏在富氧密闭空间研究在 圆柱形爆炸罐中进行 实验系统和条件.实验系统可燃气体爆炸特性测试系统主要由 圆柱形爆炸容器、配气系统、点火系统、同步控制器与数据采集系统组成如图 所示 计算机 同步控制器 点火电源 压力传感器 点火电极 气体预混装置 爆炸容器 真空泵 数据采集器图 可燃气体爆炸特性测试系统.爆炸容器为一个直径 、高 、壁厚 的圆柱形爆炸罐设计耐压 容器上壁和侧壁多个开孔用于安装压电式压力传感器、点火电极以及进气、出气和抽真空管路等混合气体的配制 依据气体分压定律向预混储罐中充入、和 种气体形成/预混气体使预混储罐达到预定压力 装置 年 月 初始压力和富氧系数对/预混气体爆炸特
8、性的影响 吉昌泉等 静置 待气体充分混合后将预混气体充入爆炸容器中再次静置 值得注意的是使用预混储罐可以大幅降低气体混合不均匀引起的偶然误差 实验中预混储罐和爆炸容器的压力均由高精度防振数显压力表测得量程 误差.爆炸容器内混合气体通过安装在爆炸容器中心的点火电极进行点火 两个电极深入容器中心根据 标准采用铬镍合金丝作为点火源 铬镍合金丝功率 电阻 连续加热 释放能量约 (大量实验证明点火 实验效果较好)铬镍合金丝放热能量()通过调节直流电源电压的大小可以控制点火能量 另外释放的能量中少量散发给预混气体引起压力略微上升而大部分作为预混气体点火能量 点火与同步控制器及动态压力数据记录同步进行 爆炸
9、压力测试数据通过安装在爆炸容器上壁的两个压力传感器(美国 压电公司)获得压力传感器测量范围.灵敏度/(.)非线性误差可达到 测量范围以内 数据采集器(瑞士 公司)共有 个通道通道釆样频率 /、均由南京文达特种气体有限公司提供纯度均大于.实验条件可燃气体在当量比条件下爆炸威力最大研究初始压力 和富氧系数 对 体积分数.的预混气体爆炸参数的影响 ()式中:和 分别为预混气体中 和 的体积分数在富氧实际应用环境中包括负压(高海拔)和正压(工业应用)且初始压力较低 因此富氧系数 分别取.、.、.、.和.初始压力 选取、和 另外实验中的环境温度为 大气相对湿度在 之间 实验结果与分析.不确定性验证(预实
10、验)图()为典型的可燃气体爆炸时程曲线 通常将点火和达到最大爆炸压力的时间间隔定义为 ()爆炸参数 ()压力参数图 爆炸参数和压力参数的变化.最大压力到达时间(燃烧时间)但由于点火源点燃可燃气体需要时间预热预热时间比爆炸时间大两个数量级为了更好地阐述不同条件下的最大压力到达时间的变化规律将爆炸压力上升超过初始压力 的时间 与最大爆炸压力时间 的间隔定义为最大压力到达时间 为了验证实验结果的可靠性在正式实验前进行预实验 对 体积分数分别为.、.和.的/预混气体每组进行 次重复实验结果如图()所示 个爆炸参数、(/)、取平均值最大误差均小于 说明满足可靠性要求.爆炸参数体积分数为.时增大 爆炸参数
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