一种利用磁场抑制可燃气体爆炸的装置

1.本实用新型涉及一种削弱可燃气体爆炸能量的技术，尤其涉及一种利用磁场抑制可燃气体爆炸的装置。


背景技术：

2.在工业灾害事故中，气体爆炸燃烧带来的灾害占有很大比重，气体爆炸也一直是学术界关注的课题，针对民用和工业防爆，主要研究防止可燃气体爆炸，尽最大的可能降低爆炸威力、减少爆炸损失，针对性的开展研究并提出有效的阻隔防爆措施。
3.目前，针对气体爆炸的阻隔防爆措施有添加水雾、惰性气体、抑制剂、碳纤维、铝合金、铜丝、铁丝、镍丝、铝丝等等不同阻隔防爆材料。
4.上述这些气体爆炸阻隔防爆技术，效率低、速度慢、经济成本高。
5.有鉴于此，特提出本实用新型。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供了一种利用磁场抑制可燃气体爆炸的装置，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
7.本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
8.本实用新型的利用磁场抑制可燃气体爆炸的装置，包括气体爆炸管道、磁场装置、爆速仪、压力采集装置、配气系统和点火系统；
9.所述气体爆炸管道为密闭圆形管道，管道上设有磁极、光纤传感器、压力传感器、出气阀门、进气阀门和点火头，所述点火头和出气阀门设于管道的一端，所述进气阀门设于管道的另一端。
10.与现有技术相比，本实用新型所提供的利用磁场抑制可燃气体爆炸的装置，利用外加磁场抑制和削弱可燃气体爆炸的能量和威力、显著减缓爆炸燃烧火焰传播速度。可以对可燃气体展开爆炸特性包括爆炸强度、爆炸压力、爆炸压力上升速率、爆炸指数、爆炸火焰传播速度等等测量研究，为解释气体爆炸特性、寻求抑制可燃气体爆炸新技术具有重要意义。
附图说明
11.图1为本实用新型实施例提供利用磁场抑制可燃气体爆炸装置的原理示意图；
12.图2为本实用新型实施例一5.7％乙烷-空气爆炸压力图；图3为本实用新型实施例一磁场下5.7％乙烷-空气爆炸压力图；
13.图4为本实用新型实施例二6.5％乙烯-空气爆炸压力图；
14.图5为本实用新型实施例二磁场下6.5％乙烯-空气爆炸压力图；
15.图6为本实用新型实施例三7.7％乙炔-空气爆炸压力图；
16.图7为本实用新型实施例三磁场下7.7％乙炔-空气爆炸压力图。
17.图中：
18.1-实验管道(气体爆炸管道)、2-法兰、3-磁极、4-电压调节器、5-光纤传感器、6
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固定调节器、7-爆速仪、8-压力传感器、9-压力采集器、10-数据处理电脑、11-出气阀门、12-进气阀门、13-气泵、14-冲压机、15-气瓶、16-气体流量计、17-阀门、18-压力表、19-点火头、20-高能点火台
具体实施方式
19.下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本实用新型的限制。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型的保护范围。
20.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
21.术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，x和/或y表示既包括“x”或“y”的情况也包括“x和y”的三种情况。
22.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
23.术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
24.术语“质量份”是表示多个组分之间的质量比例关系，例如：如果描述了x组分为x 质量份、y组分为y质量份，那么表示x组分与y组分的质量比为x:y；1质量份可表示任意的质量，例如：1质量份可以表示为1kg也可表示3.1415926kg等。所有组分的质量份之和并不一定是100份，可以大于100份、小于100份或等于100份。除另有说明外，本文中所述的份、比例和百分比均按质量计。
25.除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
26.当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和 7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
27.术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
28.本实用新型实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本实用新型实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本实用新型实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
29.本实用新型的利用磁场抑制可燃气体爆炸的装置，包括气体爆炸管道、磁场装置、爆速仪、压力采集装置、配气系统和点火系统；
30.所述气体爆炸管道为密闭圆形管道，管道上设有磁极、光纤传感器、压力传感器、出气阀门、进气阀门和点火头，所述点火头和出气阀门设于管道的一端，所述进气阀门设于管道的另一端。
31.所述磁场装置包括电压调节器，所述电压调节器设有电闸，所述电压调节器并联连接有至少一组所述的磁极，多组磁极沿所述气体爆炸管道的侧壁轴向均布。
32.所述爆速仪连接有至少一个光纤传感器，多个光纤传感器沿所述气体爆炸管道的侧壁轴向均布；
33.所述压力采集装置连接有至少一个压力传感器，所述压力传感器与光纤传感器上下对应布置于所述气体爆炸管道的侧壁。
34.所述光纤传感器为全反射感光元件，伸进所述预混可燃气体爆炸管道部分的光纤传感器为耐高温部件；
35.所述光纤传感器通过固定和调节光纤传感器位置和高度的固定调节器固定于所述气体爆炸管道的侧壁。
36.所述压力采集装置连接有至少一个压力传感器，所述压力传感器与光纤传感器上下对应布置于所述气体爆炸管道的侧壁。
37.所述配气系统包括气瓶、气体流量计、阀门、冲压机和气泵，气瓶和气体流量计连接，气体流量计与进气阀门连接，冲压机和气泵与进气阀门和出气阀门连接。
38.所述点火系统包括高能点火台，所述高能点火台与所述点火头连接。
39.所述爆速仪和压力采集器分别与数据处理电脑连接。
40.上述的利用磁场抑制可燃气体爆炸的装置实现利用磁场抑制可燃气体爆炸方法，包括步骤：
41.a、安装光纤传感器，将光纤传感器安装到固定调节器上，起到保护光纤传感器不受高压和高温的保护作用，将光纤传感器和固定调节器安装到实验管道上，光纤传感器与实验管道齐平或超出实验管道少许部分，不局限于材料和方法，安装多个光纤传感器和固定调节器到实验管道上；
42.b、将光纤传感器另一头连接好爆速仪，设置爆速仪测量参数，将爆速仪设置成测量状态；
43.c、设置压力采集频率，将压力采集器设置带测量状态；
44.d、关闭进气阀，打开出气阀，开启冲压机和气泵，是管道形成负压，用压力表进行气密性测试，确保管道有良好的气密性；
45.e、确保实验装置气密性良好，用冲压机和气泵使管道内形成负压，关闭出气阀，打开进气阀，连接配气系统，向管道内注入计算体积的气体，并补足空气形成常压；
46.f、待管道内气体混合均匀后，点火；
47.g、待爆炸结束后，打开出气阀，尾气进行无害化处理，收集爆炸后压力数据和爆炸火焰传播速度数据。
48.利用磁场抑制可燃气体爆炸的方法，进行以下任一种实验及其数据分析：
49.3-15.5％v/v乙烷-空气气体爆炸强度和火焰传播速度研究；
50.2.8-32％v/v乙烯-空气气体爆炸强度和火焰传播速度研究；
51.1.5-100％v/v乙烷-空气气体爆炸强度和火焰传播速度研究；
52.任一种在爆炸极限范围内的可燃气体爆炸强度和火焰传播速度研究；
53.不同强度磁场下在爆炸极限范围内的可燃气体爆炸强度和火焰传播速度研究。
54.本实用新型实施例涉及磁场的种类，可以是永久磁场，也可以是电磁场；可以是直流电磁场，也可以是交流电磁场或其他感应磁场。
55.本实用新型利用外加磁场抑制和削弱可燃气体爆炸的能量和威力，显著减缓爆炸燃烧火焰传播速度，其原理是：
56.气体爆炸反应是自由基反应，而自由基由于具有单电子结构是顺磁性物质，在外磁场的作用下参与气体爆炸反应的顺磁性自由基运动和传播受到发生干扰和变化。由于磁场的存在和变化是与电场同步并且以光速传播，因此本实用新型比以往所有气体爆炸阻隔防爆技术高效、快速、经济，是一种全新的气体爆炸阻隔防爆技术。
57.利用爆速仪测定气体爆炸速度支持了本项实用新型。爆速仪常用于测固体爆轰速度，杨学山等用一种爆速仪测得雷管的爆轰速度为3000m/s左右。郭亚飞等人用高精度多段智能爆速仪测量了雷管爆轰的速度为7000m/s左右；学者多用高速摄像测气体爆炸速度，高建村等人在1m的圆形管道用高速摄像得出了苯的火焰传播特性，苯蒸气的浓度在 3.2％时，火焰的平均速度为4.63m/s。杜增晖等用高速摄像测量了 260mm*260mm*315mm的方形管道的甲烷-空气燃爆速度为1.103m/s。魏旭星等用高速纹影摄像法测量了直径130mm、长310mm的圆形管道甲烷的爆炸火焰速度为 1.162m/s。用爆速仪测气体爆炸速度比高速摄像更为精确，爆速仪可精确到0.01μs。
58.为了更加清晰地展现出本实用新型所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本实用新型实施例所提供的进行详细描述。
59.一、实验准备与步骤：
60.如图1所示，实验系统主要由实验管道、磁场装置、爆速仪、固定调节器、压力采集装置、配气系统和点火系统组成，本实施例以下面为例，但不限于此装置和设备。
61.1、实验管道为不限于自行设计加工的密闭圆形管道。
62.2、爆速仪为高精度多段式爆速仪，可以连接8个光纤传感器但不仅限于此数量，测量多段爆炸火焰燃烧的速度。测量爆炸火焰速度的方法也不仅限于爆速仪。
63.3、固定调节器为固定光纤传感器和调节光纤传感器高度、保证实验管道气密性良好的元件，固定调节器做耐高温处理，不局限于材料和方法。
64.4、压力采集装置可以采集气体爆炸压力数据，通过数据处理可以计算爆炸压力上升速率和爆炸指数。
65.5、配气系统由气瓶、气体流量计、阀门、冲压机和气泵组成，可以抽取管道负压、吹出爆炸后尾气进行收集处理，也可以控制进气速度和进气量。
66.6、点火系统由高能点火系统和点火电极组成。
67.7、实验材料：
68.根据化学反应当量摩尔比计算结果，配制乙烷-空气预混气体浓度为5.7％(v/v)、乙烯-空气预混气体浓度为6.5％(v/v)，乙炔-空气预混气体浓度为7.7％(v/v)。
69.c2h6 7/2o2＝2co2 3h2o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ△
h＝-1559.88kj/mol
70.c2h4 3o2＝2co2 2h2o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ△
h＝-1410.97kj/mol
71.c2h2 5/2o2＝2co2 h2o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ△
h＝-1299.63kj/mol
72.二、实施例(以以下实验为例，不限于以下实验，证明磁场可以抑制可燃气体爆炸)
73.实施例1磁场抑制5.7％乙烷-空气爆炸实施例：
74.1、磁场下1m管道5.7％乙烷-空气爆炸压力，如图2、图3所示：
75.3条曲线代表了3个压力传感器测的实时压力数据。每条压力曲线到达压力峰值后出现骤降的原因是火焰到达压力传感器由于高温导致传感器表面隔膜变形，出现骤降，管道内压力是高的，短暂变形后会压力回弹。
76.由图2可知，压力波经37.242ms到达第一个瞬态压力传感器，压力峰值为56kpa；经过43.170ms后又到达第二个传感器，压力峰值为93kpa；经过71.000ms后，到达第三个瞬态压力传感器，压力峰值为204kpa。
77.图3显示压力波经38.170ms触及第一个瞬态压力传感器，压力峰值27kpa；经 42.610ms后到达第二个传感器，压力峰值46kpa；经73.490ms后到达第三个瞬态压力传感器，压力峰值98kpa。在磁场作用下，第一个压力峰值降低了19kpa，减弱了33.9％，第二个压力峰值降低了47kpa，减弱了50.5％，最高压力峰值降低了106kpa，减弱了 52.0％。
78.2、磁场下1m管道5.7％乙烷-空气爆炸火焰传播速度：
79.在1m的管道内2100gs-3300gs磁场下测量5.7％乙烷-空气爆炸火焰传播速度，测得3组数据，如表1、2所示：
80.表1 1m管道5.7％乙烷-空气爆炸火焰传播速度
[0081][0082]
表2磁场下1m管道5.7％乙烷-空气爆炸火焰传播速度
[0083][0084]
由表1可知，在1m管道内5.7％乙烷-空气爆炸火焰传播第一段的平均速度为 1.58149m/s，第二段的爆炸火焰传播速度为6.65708m/s。
[0085]
由表2可知，在磁场下，5.7％乙烷-空气爆炸火焰传播第一段的平均速度为 1.49576m/s，第二段的爆炸火焰传播速度为5.19974m/s。在磁场作用下，两段的爆炸火焰传播速度均有所减小，最大减少1.45734m/s。
[0086]
实施例2磁场抑制6.5％乙烯-空气爆炸实施例：
[0087]
1、磁场下1m管道6.5％乙烯-空气爆炸压力，如图4、图5所示：
[0088]
由图4可知，压力波经过23.42ms到达第一个瞬态压力传感器，压力峰值为65kpa；再经过22.19ms后又到达第二个传感器，压力峰值为114kpa；又经过36.49ms后，到达第三个瞬态压力传感器，压力峰值为295kpa。
[0089]
图5显示压力波用时24.58ms触及第一个瞬态压力传感器，压力峰值37kpa；再经过 23.905ms后到达第二个传感器，压力峰值74kpa；经37.925ms后到达第三个瞬态压力传感器，压力峰值183kpa，在磁场作用下，第一个压力峰值降低了28kpa，减弱了43.7％，第二个压力峰值降低了40kpa，减弱了35.1％，最高压力峰值降低了112kpa，减弱了 38.0％。
[0090]
2、磁场下1m管道5.7％乙烷-空气爆炸火焰传播速度：
[0091]
在1m的管道内有无磁场下测量6.5％乙烯-空气爆炸火焰传播速度，测得3组数据，如表3、4所示：
[0092]
表3 1m管道6.5％乙烯-空气爆炸火焰传播速度
[0093][0094]
表4在磁场下1m管道6.5％乙烯-空气爆炸火焰传播速度
[0095][0096]
由表3可知，在1m管道内6.5％乙烯-空气爆炸火焰传播第一段的平均速度为 4.68596m/s，第二段的爆炸火焰传播速度为76.42691m/s。
[0097]
由表4可知，在磁场下，6.5％乙烯-空气爆炸火焰传播第一段的平均速度为 62.09439m/s，第二段的爆炸火焰传播速度为14.88211m/s。在磁场作用下，第一段爆炸火焰传播速度增加57.40843m/s，第二段的爆炸火焰传播速度均减少61.54480m/s。不添加磁场，乙烯的爆炸火焰平均传播速度是40.55644m/s，添加磁场乙烯的爆炸火焰平均传播速度是38.48825m/s，在磁场作用乙烯的爆炸火焰平均传播速度降低2.06819m/s。
[0098]
实施例3磁场抑制7.7％乙炔-空气爆炸实施例：
[0099]
1、磁场下1m管道7.7％乙炔-空气爆炸压力，如图6、图7所示：
[0100]
由图6可知，压力波经过10.07ms到达第一个瞬态压力传感器，压力峰值为40kpa；经过17.9ms后又到达第二个传感器，压力峰值为111kpa；又经过30.42ms后，到达第三个瞬态压力传感器，压力峰值为367kpa。
[0101]
图7显示压力波用时10.40ms触及第一个瞬态压力传感器，压力峰值26kpa；经过17.96ms后到达第二个传感器，压力峰值133kpa；经35.43ms后到达第三个瞬态压力传感器，压力峰值340kpa，在磁场作用下，第一个压力峰值降低了24kpa，减弱了60％，第二个压力峰值降低了22kpa，减弱了19.8％，最高压力峰值降低了131kpa，减弱了35.7％。
[0102]
2、磁场下1m管道7.7％乙炔-空气爆炸火焰传播速度：
[0103]
在1m的管道内有无磁场下测量7.7％乙炔-空气爆炸火焰传播速度，测得3组数据，如表5、6所示：
[0104]
表5 1m管道7.7％乙炔-空气爆炸火焰传播速度
[0105][0106]
表6在磁场下1m管道7.7％乙炔-空气爆许火焰传播速度
[0107][0108]
由表5可知，在1m管道内7.7％乙炔-空气爆炸火焰传播第一段的平均速度为 30.46987m/s，第二段的爆炸火焰传播速度为130.49421m/s。
[0109]
由表6可知，在磁场下，7.7％乙炔-空气爆炸火焰传播第一段的平均速度为 66.06428m/s，第二段的爆炸火焰传播速度为25.11982m/s。在磁场作用下，第一段爆炸火焰传播速度增加35.59441m/s，第二段的爆炸火焰传播速度均减少105.37439m/s。不添加磁场，乙炔的爆炸火焰平均传播速度是80.48204m/s，添加磁场乙炔的爆炸火焰平均传播速度是45.59205m/s，在磁场作用乙炔的爆炸火焰平均传播速度降低34.88999m/s。
[0110]
从上述3个可以看出，磁场能明显抑制爆炸压力和爆炸火焰传播速度，大大的降低了爆炸破坏，磁场不仅限于抑制这3种气体，磁场能抑制任何可燃气体爆炸。
[0111]
磁场能削弱碳氢分子间联系，这被学者认同，乙烯含有c＝c键，乙炔含有c≡c键，磁场产生的力能加速c＝c键和c≡c键断裂，所以在第一段爆炸火焰传播速度急剧增加。气体爆炸反应式自由基之间的碰撞反应，自由基存在孤对电子，自由基都是顺磁性的且活化能高，
·
oh、
·
o和
·
h都是爆炸反应中数量大又重要的自由基，
·
oh在磁场作用下聚集在一起，减少了
·
oh和其它自由基的碰撞，自由基之间的反应就会减少。离子之间的反应仅次于自由基之间的反应，离子的活化能没有自由基高，离子和物质有顺磁性的和抗磁性的，顺磁性的物质如：o2、no和oh*，抗磁性的如n2、no2、h*、co
x
等等，在磁场作用下，抗磁性物质向n极运动，顺磁性物质向s极运动，撞到管道壁，产生器壁效应，反应终止，最终导致爆炸压力和爆炸火焰传播速度下降。爆炸压力和爆炸火焰传播速度降低会大大降低爆炸产生的破坏，起到抑制爆炸的作用。这项技术能应用于保护生产、人身和财产安全。
[0112]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本实用新型的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。