可视承压多功能粉尘爆炸实验装置设计

闫兴清，周一卉，王祎博，于佳慧，廖丽琪

(大连理工大学 化工机械与安全学院,辽宁 大连 116024)

可爆粉尘广泛存在于化工、纺织、药物、粮食、塑料、采矿、金属等行业,工业粉尘爆炸潜在风险大[1]。国内十二五期间发生的数起重特大粉尘爆炸事故[2],不仅造成巨大伤亡和财产损失,更对社会稳定造成恶劣影响。粉尘爆炸事故多发性和灾害性促使世界各国对粉尘爆炸现象开展广泛研究[3-4]。国内各高校安全工程专业也相继将粉尘爆炸实验列为专业实验,以培养理解粉尘爆炸及其防治的安全技术及管理人才[5]。

调研发现,国内各高校及科研机构常用的粉尘爆炸实验装置一般分两类:测量粉尘爆炸强度的钢制密闭承压装置,如标准20 L球[6]；研究粉尘爆炸火焰传播的可视透明敞口装置,如1.2 L哈特曼管[7]。前者可测量粉尘爆炸超压,但因容器不可视,故无法精准获取火焰形貌；后者可记录火焰形貌,但因容器不承压,故无法获得爆炸超压。从科研的角度考虑,由于粉尘爆炸现象通常是压力与火焰传播的耦合过程,因此,同步获取密闭空间内粉尘爆炸超压和火焰传播行为,必将是以后关注的方向；从教学的角度考虑,一套兼具爆炸压力和火焰形貌测量的小规模粉尘爆炸实验装置,将有助于学生对粉尘爆炸现象以及粉尘爆炸灾害的理解。因此,对兼具可视、承压功能的小规模粉尘爆炸实验装置有需求。

目前,基于专业内容和实际需求自主搭建实验平台,是高校培养学生应用实践能力,提高科研水平的有效途径[8-10]。基于上述背景,本文在参考现有1.2 L可视、非承压哈特曼管装置的基础上,设计搭建了可视、承压的1.2 L粉尘爆炸实验装置,详细描述了装置流程、结构及特色,并介绍了装置在大连理工大学的应用情况。

1 实验装置设计

1.1 需解决的关键问题

拟设计实验装置的关键部件是可视及承压的爆炸容器。从适用于教学的角度考虑,爆炸容器的规模不应太大,否则实验较危险且操作不便。参考现有的三种粉尘爆炸标准实验装置即1.2 L哈特曼管、20 L球以及1 m3柱形容器的使用情况,1.2 L哈特曼管无论从可操作性还是实用性上均较好,因此,拟设计爆炸容器的几何尺寸参考1.2 L哈特曼管。

爆炸容器的可视化可以通过采用石英玻璃材料实现。然而,要想在标准1.2 L哈特曼管的基础上实现石英玻璃爆炸容器的承压需求,需要考虑如下两个问题。

1)标准1.2 L哈特曼管因无承压需求,故在柱形玻璃容器上开设了两个点火电极孔。拟设计的石英玻璃爆炸容器虽然通过调整壁厚能够承压,但不允许在壁面开孔,故需要考虑点火电极的布置问题。

2)标准1.2 L哈特曼管为敞口实验,不需要考虑容器的密封问题。拟设计石英玻璃爆炸容器因密闭以及承压需要,必须考虑密封问题。

因此,石英玻璃爆炸容器的设计,是需要解决的关键问题。

1.2 爆炸容器设计

基于上述问题设计了如图1所示的爆炸容器。材料选用柱形石英玻璃,内径70 mm、高300 mm、壁厚10 mm、容积约1.2 L。在此规格下石英玻璃可承压1 MPa(厂家提供数据),高于粉尘的爆炸超压。为了解决密封问题,在石英玻璃筒体上、下两端设计了钢制法兰盖。法兰盖内有凹槽,内置橡胶垫。上、下两端的法兰盖通过支撑螺柱和螺栓相连。拧紧螺栓时,石英玻璃筒壁接触橡胶垫,在螺栓载荷下压紧垫片实现密封。为了解决石英玻璃壁面无法开孔安装点火电极的问题,将点火电极焊接在底部法兰中部蘑菇状喷嘴的两侧。顶部法兰焊接接管,接管上布置压力传感器、设计爆破压力为1 MPa的爆破片并连接真空泵。通过上述设计,实现了爆炸容器的可视、承压功能。

图1 爆炸容器设计示意图

1.3 整体流程及零部件设计

搭建的实验装置整体流程和实物分别如图2和图3所示,主要由爆炸容器、点火系统、喷粉系统、控制系统、数据采集系统等零部件组成。点火系统由点火电极和脉冲点火器组成。点火器脉冲电压为15 kV。喷粉系统由真空泵、压缩空气气瓶、储气罐以及电磁阀组成。实验前粉尘置于下法兰上喷嘴两侧；组装容器后向储气罐中充入一定压力的预混气体；然后打开电磁阀,储气罐内气体通过蘑菇状喷嘴进入爆炸容器,并将铺设在下法兰的粉尘扬起,实现快速喷粉。实验过程中需要采集爆炸容器内压力与火焰。火焰由Photron Fastcam SA-4高速摄影机采集；压力由MD-HF高频压力变送器记录,并经数据采集卡采集到计算机中。设计开发了试验装置的控制系统,用于控制电磁阀启闭、点火电极放电、压力信号采集,以及调整喷粉压力、点火延迟时间、点火电极放电时间、数据采集时间等参数。

图2 实验装置流程图

图3 实验装置实物图

2 装置可靠性测试及应用

2.1 承压及可视性能测试

实验装置搭建完毕后,首先对装置的承压及可视特性的可靠性进行了验证。对该装置开展了水压实验,水压实验压力达到1 MPa,爆炸容器无渗漏及显著变形。其次,开展了密闭容器内不同浓度石松子粉尘的爆炸实验,超压曲线如图4所示,发现最大爆炸超压接近0.5 MPa时爆炸容器未见任何损坏。

实验记录得到的石松子粉尘爆炸火焰传播结构如图5所示,可见通过高速摄像能够清晰捕捉火焰的传播行为,装置的可视性能满足要求。

图4 爆炸超压示意图(喷粉压力0.2 MPa,点火延迟时间60 ms)

图5 密闭容器内石松子粉尘爆炸火焰行为(喷粉压力0.2 MPa,点火延迟时间60 ms)

2.2 实验装置特点

搭建的实验装置具有如下4个特点。

1)采用较少的耗材及费用实现了兼具承压、可视需求的爆炸容器设计。这种设计方法对具有类似需求的实验平台搭建具有参考意义。

2)实验装置自动化程度高,电磁阀启闭、喷粉、点火、采集采用一键式操作,且参数可预设、可调整。

3)实验装置多重安全保障。硬件上在保证设计强度的基础上安装了爆破片,软件上设置延时启动功能,方便操作人员撤离现场,确保操作人员人身安全。

4)装置易扩展,便于复杂工况研究。例如,在实际操作时,若不安装上法兰盖,而安装一个与爆炸容器相配的钢环,则可实现一端密闭、一端开口的受限空间内粉尘爆炸火焰传播行为实验,实验形貌如图6所示。

图6 受限空间石松子粉尘爆炸火焰传播(喷粉压力0.2 MPa,点火延迟时间60 ms)

2.3 装置应用情况

1)开设安全工程类专业本科生教学实验。

基于本实验装置,为大连理工大学安全工程类专业本科生开设了“粉尘爆炸火焰传播行为”实验。由于本实验具有开放型、综合型特征,同时,能够将很有关注度的粉尘爆炸现象用可视方法记录,基于实验结果理解其超压灾害及火焰形貌,因此,相比其他诸如可燃液体闪点测定、可燃气体爆炸极限测定、粉尘爆炸强度测定等实验,本实验更受到学生的普遍欢迎。

作为教学实验,本实验还有一个优点,即测量得到的火焰传播形貌,并没有标准的描述方式。因此,在实验报告撰写过程中,学生需要查取相应文献资料,一定程度上锻炼了学生的资料查阅、信息搜集等能力。

2)为大学生创新训练项目、毕业设计等实践环节提供实验平台。

基于本实验装置,在大学生创新训练项目以及毕业论文等教学实践环节上,开设了若干题目供学生选择。由于本装置结构小巧、操作方便,同时研究内容新颖、明确,因此学生在使用本装置开展这些教学实践活动时,取得了较好效果。

3)用于开展密闭及受限空间内粉尘爆炸机理相关项目研究。

爆炸压力和火焰传播一直是爆炸学的经典科学问题[11-12]。一方面,研究爆炸压力强度及作用机制,对灾害评估具有重要意义；另一方面,研究火焰传播机理,可为爆炸事故的发生、演化提供理论基础。由于粉尘爆炸为异相体系,涵盖粒子受热、热解气化、混合、点燃、反应等复杂现象,且受众多参数影响,因此研究者对粉尘爆炸机理的理解还比较欠缺。本装置在设计时,将多种影响粉尘爆炸的参数如喷粉压力、点火延迟时间等均实现了方便地调整,能够用于开展粉尘爆炸理论的初步探索。目前,本装置已在两个国家自然科学基金项目(51604057、51574056)研究上得到应用。

4)为参加大学生过程装备实践与创新大赛、安全科学与工程大学生实践与创新作品大赛提供了平台。

某本科团队以本实验装置的设计为题,参加了第七届全国大学生过程装备实践与创新大赛,获得三等奖。本平台为本科生参加各种竞赛提供了研究机会,为创新型人才的培养提供了思路。

3 结束语

本文设计搭建了一套耐压、可视的小型多功能粉尘爆炸实验装置,实现了密闭容器内粉尘爆炸压力及火焰传播行为的测量。装置由爆炸容器、点火系统、喷粉系统、控制系统、数据采集系统等零部件组成。实验装置自动化程度高、安全性能好、功能容易扩展。装置已应用于大连理工大学安全工程类专业本科教学实验、大学生创新训练项目、毕业论文以及科研项目研究、创新实践大赛等场合,使用效果良好。本文工作为类似实验装置的开发提供了参考。