一种受限空间内氢气泄漏扩散试验装置的制作方法

1.本发明属于可燃性气体的安全的技术领域，具体涉及一种受限空间内氢气泄漏扩散试验装置。


背景技术：

2.氢气由于具有无污染、燃烧效率高、热量大等独特优势，与传统的生物质和化石燃料相比，被认为是最具发展前景的清洁能源之一。氢能在工业过程和日常生活中有着十分广泛的应用，尤其在交通运输、能源系统、供电供热以及炼化冶金等领域有着举足轻重的作用。然而，氢气是易燃易爆气体，利用过程中的安全措施一旦失当，容易发生着火爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失。近年来，美国、韩国、挪威接连发生了氢安全事故，直接导致相关业务暂停运营，引发了业界对氢燃料电池汽车产业健康发展的担忧和对氢能利用安全技术研究的重视与关注。氢能安全利用贯穿氢气的生产、储运、加注、利用等环节，是氢能产业健康发展的首要保障。高压气态储运氢具有充放氢速度快、容器结构简单等优点，是现阶段主要的储运方式。氢燃料电池汽车的氢气就储存在高压储氢罐里，与车内其他一系列零部件构成车载供氢系统，但是其中的导气管、燃料电池及其链接部分是薄弱环节，容易发生氢气泄漏。氢气由于密度小，泄漏至空气中很容易向上扩散，在受限空间内会在上部发生积聚，存在引发着火爆炸事故的潜在威胁。因此，开展受限空间内氢气意外泄漏之后的扩散以及相应的防治方法等方面的研究，不仅可以揭示受限空间内氢气泄漏扩散特性和规律，而且还可为预防受限空间内氢气的着火爆炸事故，实现氢气的安全利用提供可靠的实验依据和技术指导。
3.目前国内外关于受限空间内氢气泄漏扩散的实验研究主要通过简单几何体来实现，注重氢气扩散规律的基础性研究，与现实应用场景差距较大；而贴合实际的研究对象一般通过数值模拟来实现。此外，目前的研究还没有形成一套科学成熟的泄漏氢气排放技术。本发明立足现实应用场景，设计一套可开展多种实验方案研究受限空间内氢气泄漏扩散以及泄漏氢气自然排放的模拟试验装置。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种受限空间内氢气泄漏扩散试验装置。该装置可以对不同条件下的氢气泄漏扩散及其防治方法和技术开展模型实验研究。
5.本发明采用的技术方案为：一种受限空间内氢气泄漏扩散试验装置，包括：氢气泄漏场景模拟系统、气体浓度测量系统和高速纹影拍摄系统。氢气泄漏场景模拟系统包含高压气瓶、开关阀、输气管路、稳压阀、压力表、质量流量控制器、喷嘴和受限空间模型；气体浓度测量系统包含气体浓度传感器和数据采集仪；高速纹影拍摄系统包含纹影仪、高速摄像机和计算机。其中：所述高压气瓶为实验过程连续稳定地提供实验气体，考虑到安全性，氦气代替氢气作为实验气体；所述开关阀安装在高压气瓶上，用来控制高压气瓶的开闭；所述输气管路用来从高压气瓶输送实验气体；所述稳压阀安装在开关阀之后的输气管路上，用
来降低输气管路内部气压；所述压力表安装在稳压阀之后的输气管路上，用来显示输气管路内部气压；所述质量流量控制器安装在压力表之后的输气管路上，用来控制与显示输气管路内部气体的流量；所述喷嘴安装在输气管路末端；所述受限空间模型用来模拟现实中氢能利用场景中的受限空间；所述气体浓度传感器为氦气浓度传感器，安装在受限空间模型内部，通过电缆连接形成传感器网络，用于测量释放在受限空间模型里的气体浓度；所述数据采集仪用于采集与记录气体浓度传感器的信号；所述纹影仪包含光源、聚焦镜片、第一反射镜、第二反射镜、第一凹面镜、第二凹面镜和刀口；所述高速摄像机通过拍摄流场密度变化图像来反映气体释放后的流动特征。
6.进一步地，该试验装置的具体结构如下：所述输气管路通入受限空间模型内部，紧贴受限空间模型底面，模拟地面附近的氢气泄漏；所述喷嘴可拆卸，可根据不同的实验工况沿不同方向，安装不同直径、不同形状的喷嘴；所述纹影仪光学系统产生的平行光路能通过所述受限空间模型的侧面；模型的上盖可以拆卸，方便改变模型内部的实验工况以及实验后通风以排净实验气体；另外，上盖设置有通风口，通风口可以开闭；所述气体浓度传感器通过电缆连接数据采集仪；当玻璃窗视野范围内的流场密度不均匀时，平行光束通过时发生偏折，在纹影仪刀口平面上产生一个偏离的光源像，高速摄像机物镜上的照度随之发生变化，从而定性的显示流场的密度变化。
7.进一步地，该装置的工作过程如下：
8.受限空间内氢气泄漏扩散模拟研究
9.1、取下受限空间模型8的顶部，根据实验方案，确定喷嘴7位置并将其安装在输气管路3末端，在模型内部和顶部布置氦气浓度传感器9，启动并调试数据采集仪18，等待各传感器所测氦气浓度均小于0.05％后将受限空间模型8的顶部放回原位，并关闭模型顶部的所有通风口；2、打开高速摄像机10，调试图像采集软件，设置好分辨率、釆样速率、曝光时间等参数，打开纹影仪光源11，经第一反射镜13和第一凹面镜15形成一束平行光，该平行光经过受限空间模型8侧面石英玻璃，保证喷嘴7至天花板范围在纹影仪拍摄视野内，关闭室内门窗，以不受外界气流及人为扰动的影响；3、打开质量流量控制器6，手动设置所需的流量；4、打开高压氦气瓶1的开关阀2，然后调节减压阀4，气体通过喷嘴7发生泄漏；5、到达实验设定的释放时间后，关闭高压氦气瓶1的开关阀2，记录气体释放时间和质量流量控制器6上显示的数据；6、待氦气流场稳定后，保存数据采集仪18记录的气体浓度数据记录，对高速摄像机10所记录的流场图像进行回放分析，截取信息进行保存；7、实验结束，打开门窗通风，关闭质量流量控制器6、高速摄像机10以及数据采集仪18。
10.进一步地，该装置的工作过程如下：受限空间内泄漏氢气自然排放模拟研究
11.1、取下受限空间模型8的顶部，根据实验方案，确定喷嘴7位置并将其安装在输气管路3末端，在模型内部和顶部布置氦气浓度传感器9，启动并调试数据采集仪18，等待各传感器所测氦气浓度均小于0.05％后将受限空间模型8的顶部放回原位，并关闭模型顶部的通风口；2、打开高速摄像机10，调试图像采集软件，设置好分辨率、釆样速率、曝光时间等参数，打开纹影仪光源11，经第一反射镜13和第一凹面镜15形成一束平行光，该平行光经过受限空间模型8侧面石英玻璃，保证模型通风口位置在纹影仪拍摄视野内，关闭室内门窗，以不受外界气流及人为扰动的影响；3、打开质量流量控制器6，手动设置所需的流量；4、打开高压氦气瓶1的开关阀2，然后调节减压阀4，气体通过喷嘴7发生泄漏；5、到达实验设定的释
放时间后，关闭高压氦气瓶1的开关阀2，记录气体释放时间和质量流量控制器6上显示的数据；6、待氦气流场稳定后，保存数据采集仪18记录的气体浓度数据记录；7、打开受限空间模型8的通风口19，触发高速摄像机10进行拍摄记录，一段时间后，数据采集仪18记录的气体浓度水平不变，再次保存数据采集仪记录的气体浓度数据记录，对高速摄像机10所记录的流场图像进行回放分析，截取信息进行保存；7、实验结束，打开门窗通风，关闭质量流量控制器6、高速摄像机10以及数据采集仪18。
12.本发明与现有技术相比的优点在于：
13.本发明提供了一种进行受限空间内氢气泄漏扩散以及泄漏氢气自然排放试验的装置，能够对实验过程中氢气的扩散、积聚以及自然排放等行为的发生发展过程进行较为全面的实时记录，且能够方便地控制实验环境和实验条件。本发明通过气体浓度传感器可以监测不同位置处气体浓度随时间的变化情况；通过高速纹影拍摄系统可以拍摄到气体在泄漏之后扩散、积聚以及自然排放的发生和发展过程。该装置具有操作方便、功能完备的特点，对深入认识受限空间内氢气泄漏扩散规律具有重大意义。利用该装置可以进行有关高压氢泄漏扩散动力学方面的研究，模拟氢气在受限空间内发生泄漏的场景，探究泄漏氢气的时空动态分布特征与科学有效的治理方法。
14.本发明为一种受限空间内氢气泄漏扩散试验装置。该装置可用于：(1)研究不同泄漏速率、不同泄漏口大小、不同泄漏位置、不同泄漏方向等因素对受限空间内氢气泄漏扩散特性和规律的影响，并进一步完善氢气在受限空间内的扩散机理；(2)研究通风口特性、通风方式等对受限空间内氢气积聚与排放特性的影响，开发受限空间内氢气泄漏积聚的治理方法和技术；(3)研究不同受限空间条件对泄漏氢气扩散、积聚以及排放规律的影响；(4)实现受限空间内氢气扩散、积聚及排放过程的可视化研究。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
16.图1为本发明一种受限空间内氢气泄漏扩散试验装置结构示意图；
17.图2为受限空间模型结构与纹影系统示意图。
18.图中：1高压气瓶，2开关阀，3输气管路，4稳压阀，5压力表，6质量流量控制器，7喷嘴，8受限空间模型，9气体浓度传感器，10高速摄像机，11光源，12聚焦镜片，13第一反射镜，14第二反射镜，15第一凹面镜，16第二凹面镜，17刀口，18数据采集仪，19通风口，20计算机。
具体实施方式
19.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
20.如图1
‑
2所示，本发明为一种受限空间内氢气泄漏扩散试验装置，包括：氢气泄漏
场景模拟系统、气体浓度测量系统和高速纹影拍摄系统。氢气泄漏场景模拟系统包含高压气瓶1、开关阀2、输气管路3、稳压阀4、压力表5、质量流量控制器6、喷嘴7和受限空间模型8；气体浓度测量系统包含气体浓度传感器9和数据采集仪18；高速纹影拍摄系统包含纹影仪、计算机20和高速摄像机10，纹影仪包含光源11、聚焦镜片12、第一反射镜13、第二反射镜14、第一凹面镜15、第二凹面镜16和刀口17。
21.进一步地，该试验装置的具体结构如下：高压气瓶为实验过程连续稳定地提供实验气体，考虑到安全性，氦气代替氢气作为实验气体；开关阀2安装在高压气瓶1上，用来控制高压气瓶1的开闭；输气管路3用来从高压气瓶1输送实验气体，紧贴受限空间模型底面通入受限空间模型内部，模拟地面附近的氢气泄漏；稳压阀4安装在开关阀2之后的输气管路上，用来降低输气管路3内部气压；压力表5安装在稳压阀4之后的输气管路3上，用来显示输气管路3内部气压；质量流量控制器6安装在压力表5之后的输气管路3上，用来控制与显示输气管路3内部气体的流量；喷嘴7安装在输气管路3末端，可拆卸，可根据不同的实验工况沿不同方向，安装不同直径、不同形状的喷嘴；受限空间模型8用来模拟现实中氢能利用场景中的受限空间，纹影仪光学系统的光源11产生的光线经聚焦镜片12聚焦之后由第一反射镜13反射，反射光线由第一凹面镜15反射形成平行光路，平行光路穿过受限空间模型8的侧面到达第二凹面镜16，经第二凹面镜16反射后到达第二反射镜14，被第二反射镜14反射的光线经刀口17切割后被高速摄像机10拍摄，图像信号传输至计算机20，计算机20独立于其他设备，通过数据线与高速摄像机10连接；受限空间模型的上盖可以拆卸，方便改变模型内部的实验工况以及实验后通风以排净实验气体；另外，上盖设置有通风口19，通风口19可以开闭；气体浓度传感器9为氦气浓度传感器，用于测量释放在受限空间模型8里的气体浓度，安装在受限空间模型8特定位置，通过电缆连接到数据采集仪18，数据采集仪18用来采集和记录气体浓度数据；当玻璃窗视野范围内的流场密度不均匀时，平行光束通过时发生偏折，在纹影仪刀口17平面上产生一个偏离的光源像，高速摄像机10物镜上的照度随之发生变化，从而定性的显示流场的密度变化；高速摄像机10通过拍摄流场密度变化图像来反映气体释放后的流动特征。
22.进一步地，该装置的工作过程如下：
23.(一)受限空间内氢气泄漏扩散模拟研究
24.1、取下受限空间模型8的顶部，根据实验方案，确定喷嘴7位置并将其安装在输气管路3末端，在模型内部和顶部布置氦气浓度传感器9，启动并调试数据采集仪18，等待各传感器所测氦气浓度均小于0.05％后将受限空间模型8的顶部放回原位，并关闭模型顶部的所有通风口；2、打开高速摄像机10，调试图像采集软件，设置好分辨率、釆样速率、曝光时间等参数，打开纹影仪光源11，经第一反射镜13和第一凹面镜15形成一束平行光，该平行光经过受限空间模型8侧面石英玻璃，保证喷嘴7至天花板范围在纹影仪拍摄视野内，关闭室内门窗，以不受外界气流及人为扰动的影响；3、打开质量流量控制器6，手动设置所需的流量；4、打开高压氦气瓶1的开关阀2，然后调节减压阀4，气体通过喷嘴7发生泄漏；5、到达实验设定的释放时间后，关闭高压氦气瓶1的开关阀2，记录气体释放时间和质量流量控制器6上显示的数据；6、待氦气流场稳定后，保存数据采集仪18记录的气体浓度数据记录，对高速摄像机10所记录的流场图像进行回放分析，截取信息进行保存；7、实验结束，打开门窗通风，关闭质量流量控制器6、高速摄像机10以及数据采集仪18。
25.(二)受限空间内泄漏氢气自然排放模拟研究
26.1、取下受限空间模型8的顶部，根据实验方案，确定喷嘴7位置并将其安装在输气管路3末端，在模型内部和顶部布置氦气浓度传感器9，启动并调试数据采集仪18，等待各传感器所测氦气浓度均小于0.05％后将受限空间模型8的顶部放回原位，并关闭模型顶部的通风口；2、打开高速摄像机10，调试图像采集软件，设置好分辨率、釆样速率、曝光时间等参数，打开纹影仪光源11，经第一反射镜13和第一凹面镜15形成一束平行光，该平行光经过受限空间模型8侧面石英玻璃，保证模型通风口位置在纹影仪拍摄视野内，关闭室内门窗，以不受外界气流及人为扰动的影响；3、打开质量流量控制器6，手动设置所需的流量；4、打开高压氦气瓶1的开关阀2，然后调节减压阀4，气体通过喷嘴7发生泄漏；5、到达实验设定的释放时间后，关闭高压氦气瓶1的开关阀2，记录气体释放时间和质量流量控制器6上显示的数据；6、待氦气流场稳定后，保存数据采集仪18记录的气体浓度数据记录；7、打开受限空间模型8的通风口19，触发高速摄像机10进行拍摄记录，一段时间后，数据采集仪18记录的气体浓度水平基本不变，再次保存数据采集仪记录的气体浓度数据记录，对高速摄像机10所记录的流场图像进行回放分析，截取信息进行保存；7、实验结束，打开门窗通风，关闭质量流量控制器6、高速摄像机10以及数据采集仪18。
27.本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
28.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。