一种易燃液体蒸气-粉尘混合爆炸实验装置及方法

1.本发明涉及粉尘爆炸测试技术领域，具体公开了一种易燃液体蒸气-粉尘混合爆炸实验装置及方法。


背景技术：

2.可燃液体挥发蒸气由于易挥发、燃点低、易燃爆，其与可燃性粉尘共存条件下发生混合燃爆事故是化工、制药、喷涂等行业需要重点关注的爆炸灾害事故类型，其不同于传统的单一粉尘爆炸事故灾害发生机制，气-液-固多相混杂过程本身就存在着多种复杂因素相互影响相互制约，给研究其爆炸灾害发生机制带来了巨大难度。
3.现有的技术大多数是可燃气体与粉尘这一气-固两相存在方式进行实验操作，比如甲烷-煤粉、氢气-铝粉等等，其可燃气体均是常温下呈气态的物质，其通过与空气的配比通入燃爆装置，并与粉尘混合，其操作过程较容易实现且受外界环境温度等条件的影响较小。例如申请号为2020208610302的实用新型专利就公开了一种粉尘爆炸实验装置，包括装置架；粉尘分散装置；安装在装置架上的燃爆球体、抽真空装置、混尘装置以及进气装置；进气装置与混尘装置内连通，混尘装置出口通过管道连通粉尘分散装置，抽真空装置与燃爆球体内连通，粉尘分散装置能够将进入燃爆球体内的粉尘均匀分散开；粉尘分散装置包括螺旋喷头、粉尘喷嘴以及连接在螺旋喷头和粉尘喷嘴之间的均流器；且粉尘喷嘴为倒锥体。该实用新型公开的实验装置仅限于粉尘和气体的混合爆炸实验，无法满足对易燃液体蒸气-粉尘混合爆炸实验。而对于常温下呈液态但极易挥发的易燃液体溶剂如甲醇、苯、丙酮等，现有试验装置并不能实现其与粉尘混合共存的功能，因此需要对现有的试验装置进行重新设计改造，同时，对于测试方法和手段等方面，可燃液体的挥发蒸气量的控制、其与空气配比、其与可燃粉尘的混合空间状态等均需要解决。针对现有粉尘爆炸实验装置无法解决易燃液体蒸气-粉尘混合爆炸实验的不足，本技术设计一款爆炸试验装置及其试验方法，用于解决液-气
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固这一混杂状态燃爆机制的研究。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对目前大多数研究这类燃爆装置均是气-固两相物质(如甲烷-煤尘、氢-铝粉)的混合过程，不足以满足类似于甲醇、苯、丙酮等极易挥发的液态溶剂与可燃粉尘混合共存并发生燃爆动态测试过程，因此，本发明专利想基于可燃液体蒸气与粉尘共存环境的燃爆过程，设计一款爆炸试验装置及其试验方法，用于解决液-气-固这一混杂状态燃爆机制的研究。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种易燃液体蒸气-粉尘混合爆炸实验装置，包括爆炸实验容器、电子点火系统、数据采集系统、进料配气系统、加热温控装置和控制装置；
7.其中，所述爆炸实验容器包括垂直设置的长方体管道和水平设置的底部管道，所述长方体管道的下端与底部管道之间设置有密封隔板，所述长方体管道的左右两侧面上均
设置有石英玻璃观察窗，所述长方体管道的上端设置有泄爆机构；
8.所述电子点火系统包括设置在长方体管道前后两侧面下端的正点火电极和负点火电极，所述正点火电极和负点火电极均伸入长方体管道的内腔中对齐设置；
9.所述数据采集系统包括设置在长方体管道前后两侧面上端的温度传感器和压力传感器，且温度传感器和压力传感器的感应端均伸入长方体管道的内腔中设置，位于所述长方体管道的旁侧还设置有摄像机支架，所述摄像机支架的顶端设置有朝向石英玻璃观察窗设置的高速摄像机；
10.所述进料配气系统包括设置在底部管道中的储液罐、储粉罐以及设置在底部管道旁侧的真空压缩一体机，所述储液罐的上端连接有伸入长方体管道中的排汽管，所述排汽管上设置有第一电磁阀，所述储粉罐的两端分别连接有进气管和出粉管，所述进气管和出粉管上分别连接有第二电磁阀和第三电磁阀，且进气管伸入长方体管道中设置，所述真空压缩一体机上连接有伸入底部管道中的气体管，所述进气管的端部与气体管相连通，所述气体管上还连接有伸入长方体管道中抽气管，所述抽气管上设置有第四电磁阀；
11.所述温控加热装置包括设置在长方体管道前后两侧内壁上的恒温加热板以及设置在储液罐底部的电磁加热装置；
12.所述控制装置包括设置爆炸实验容器旁侧的控制机柜，所述控制机柜的内部设置有与数据采集系统电性连接的控制模块、ad模块以及视频处理模块，且控制机柜上设置有显示屏和控制面板。
13.作为上述方案的进一步设置，恒温加热板对温度进行恒温控制，采用模糊 pid算法进行控制，具体包括如下步骤：
14.1)设定pid控制器初值：控制器的输出如下式，
[0015][0016]
e(k)＝r(k)-y(k)
[0017]
式中，u(k)为控制器的输出，r(k)为给定的升温速率期望输出，y(k)为实际温升速率输出，e(k)为两者的偏差信号，ts为采样周期，k
p
，ki，kd分别为比例、积分和微分增益；确定采样周期，所述采样周期满足香农采样定理，选取采样周期为20s，设k
p
，ki，kd的初始值分别为k
p0
＝10.96，k
i0
＝0.08，k
d0
＝372.64；
[0018]
2)预估输出：预估控制如下式，
[0019]
y(k)＝a*y(k-1) b*[u(k-1)-u(k-n-1)]
[0020]
式中，y(k)为预估控制器的输出，u(k) 为控制器的输出，ts为采样周期，τ＝68s，t＝205s，k0＝0.33，从而得到模型参数如下式，
[0021]
y(k)＝1.05*y(k-1) 0.0165*[u(k-1)-u(k-8)]
[0022]
3)模糊控制：控制器以温升速率偏差e和温升速率偏差变化ec作为输入，通过模糊控器制规则在线对pid参数进行调整，并输出pid参数值；控制器首先要对输入量升温速率偏差e，升温速率偏差变化ec进行模糊化处理，根据恒温加热板的温度范围及精度要求，设置模糊控制器各语言变量论域为：
[0023]
|e|：{0，1，2，3}，|ec|：{0，1，2，3}
[0024]kp
：{0，1，2，3}，ki：{0，1，2，3}，kd：{0，1，2，3}
[0025]
各输入输出语言变量的的论域均取语言值“大”(b)，“中”(m)，“小”(s)，“零”(z)4种，选用三角函数作为各变量的隶属度函数；反复调试控制温升速率，根据温升速率的控制经验设计模糊控制查询表，并由样偏差e和偏差变化ec经过模糊推理可以得到k
p
，ki，kd的模糊值，采用重心法解模糊，输出调整后的k
p
，ki，kd值，进行pid参数的自适应调整；
[0026]
4)将pid控制输出值、散热补偿值以及预估补偿值共同加载到恒温加热板，实现对恒温加热板温度的闭环控制。
[0027]
作为上述方案的进一步设置，所述泄爆机构包括与长方体管道上端相连通的泄爆管，所述泄爆管的上端连接有第一法兰盘，所述第一法兰盘的外沿呈环形阵列状开设有多个通孔，所述第一法兰盘的上方设置有密封盖，所述密封盖的下端连接有第二法兰盘，所述第二法兰盘的下表面呈环形阵列状连接有与每个通孔相对应的导向杆，所述导向杆的下端连接有端块，所述端块上连接有压缩弹簧，且压缩弹簧的上端与第一法兰盘相连接，所述密封盖的上表面设置有永磁铁，所述长方体管道的上表面连接有立柱，所述立柱的顶端连接有顶板，所述顶板的下表面设置有与永磁铁相对应的电磁铁。
[0028]
作为上述方案的进一步设置，所述第一法兰盘的上表面开设有环形密封槽，所述第二法兰盘的下表面设置有与环形密封槽相对应的密封圈。
[0029]
作为上述方案的进一步设置，所述长方体管道和底部管道均由不锈钢材料制成。
[0030]
作为上述方案的进一步设置，所述电子点火系统为远程线控的正点火电极和负点火电极。
[0031]
作为上述方案的进一步设置，所述摄像机支架包括下套杆和上伸缩杆，所述下套杆上设置有定位销，所述上伸缩杆上间隔开设有与定位销对应的定位孔。
[0032]
作为上述方案的进一步设置，所述摄像机支架的顶端设置有摄像机安装座，所述高速摄像机设置在摄像机安装座中。
[0033]
作为上述方案的进一步设置，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀均与控制模块电性连接。
[0034]
一种使用上述易燃液体蒸气-粉尘混合爆炸实验装置的方法，包括如下步骤：
[0035]
s1:对易燃液体蒸气-粉尘混合爆炸实验装置进行气密性与安全性检查，确保无误后进行下一步操作；
[0036]
s2:打开加热温控装置设置理想温度，同时将易燃液体加入储液罐，将粉尘加入储粉罐中；
[0037]
s3:等待爆炸实验容器内部加热至设定温度后，打开第四电磁阀将长方体管道中抽至真空状；
[0038]
s4：打开第一电磁阀，通过负压作用将储液罐中的易燃液体完全气化，使得易燃液体蒸汽进入长方体管道中，然后再打开通过真空压缩一体机将储粉罐中的粉尘吹入长方体管道使两者混合；
[0039]
s5:关闭所有电磁阀，通过电子点火系统进行点火引爆；
[0040]
s6:在爆炸过程中通过压力传感器记录爆炸压力，温度传感器记录温度变化，高速摄影机捕获火焰图像，获取爆炸过程中的火焰传播图像；
[0041]
s7：等待反应结束，继续重复上述步骤进行3-5次实验，确保实验和数据采集的准确性和可靠性。
[0042]
作为上述方案的进一步设置，所述步骤1和步骤2之间还包括：通过真空压缩一体机向整个回路通入干燥空气使其洗净爆炸实验容器，并洗净储液罐、储粉罐，再打开泄爆机构将气体排出。
[0043]
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
[0044]
1)本发提供一种将易燃液体气化与粉尘混合爆炸实验装置，可以进行气化易燃液体与粉尘混合爆炸，并且可以将气化液体保持恒定温度，采用密闭的正方体管道作为反应容器，通过恒温加热板使易燃液体气化，通过真空气泵将易燃气体与粉尘混合均匀，能够确保可燃液体汽化粉尘在反应容器内处于相对稳定均匀的情况，能够与实际情况更接近，能够更真实的揭示实际可燃液体气化后与粉尘爆炸规律，为混合介质抑爆、泄爆提供理论依据。
[0045]
2)本发明还对泄爆机构进行特殊设计，其不仅在实验过程中具有优异的密封性，当爆炸产生的压力过大易引起设备损坏时，该泄爆机构中的密封罐能够克服压缩弹簧的作用力自动将其打开，从而防止实验过程中的意外发生。同时，在试验前对其内部进行洗净时，可通过电磁铁的作用自动将泄爆机构进行排气，该泄爆机构的结构设计合理，使用效果优异、安全性较高。
[0046]
3)通过对恒温加热板采用模糊pid算法进行温度控制，从而极大提高温控精度。
附图说明
[0047]
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的附图。
[0048]
图1为本发明的第一立体角度结构示意图；
[0049]
图2为本发明的第二立体角度结构示意图；
[0050]
图3为本发明中爆炸实验容器的主视内部平面结构示意图；
[0051]
图4为本发明中爆炸实验容器的侧视内部平面结构示意图；
[0052]
图5为本发明中泄爆机构的主视平面结构示意图；
[0053]
图6为本发明中泄爆机构的下部件立体结构示意图；
[0054]
图7为本发明中泄爆机构的上部件立体结构示意图；
[0055]
图8为本发明中摄像机支架、高速摄像机的立体结构示意图；
[0056]
图9为本发明图3中a处的放大结构示意图；
[0057]
图10为本发明的原理模块图。
[0058]
其中：
[0059]
101-长方体管道，102-底部管道，103-密封隔板，104-石英玻璃观察窗；
[0060]
200-泄爆机构，201-泄爆管，202-第一法兰盘，2021-通孔，2022-环形密封槽，203-密封盖，204-第二法兰盘，205-导向杆，206-端块，207-压缩弹簧，208
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永磁铁，209-立柱，210-顶板，211-电磁铁，212-密封圈；
[0061]
301-正点火电极，302-负点火电极；
[0062]
401-温度传感器，402-压力传感器，403-摄像机支架，404-高速摄像机，4031
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下套杆，4032-上伸缩杆，4033-定位销，4034-定位孔，405-摄像机安装座；
[0063]
501-储液罐，502-储粉罐，503-真空压缩一体机，504-排汽管，505-第一电磁阀，506-进气管，507-出粉管，508-第二电磁阀，509-第三电磁阀，510-气体管，511-抽气管，512-第四电磁阀；
[0064]
601-恒温加热板，602-电磁加热装置；
[0065]
700-控制机柜，701-显示屏，702-控制面板。
具体实施方式
[0066]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
[0067]
在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、
[0068]“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0069]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1～10，并结合实施例来详细说明本技术。
[0070]
实施例1
[0071]
本实施例1公开了一种易燃液体蒸气-粉尘混合爆炸实验装置，参考附图1 和附图2，其实验装置由爆炸实验容器、电子点火系统、数据采集系统、进料配气系统、加热温控装置和控制装置六个部分组成。
[0072]
参考附图3和附图4，该爆炸实验容器包括垂直设置的长方体管道101和水平设置的底部管道102，长方体管道101的下端与底部管道102之间设置有密封隔板103，为了保证爆炸实验的安全性，该长方体管道101和底部管道102均由不锈钢材料制成。同时还在长方体管道101的左右两侧面上均设置有石英玻璃观察窗104，方便高速摄像机捕捉爆炸时的画面。
[0073]
本爆炸实验容器还在长方体管道101的上端设置有泄爆机构200，具体泄爆机构200的结构可参考附图4、附图5、附图6和附图7，该泄爆机构200包括与长方体管道101上端相连通的泄爆管201，泄爆管201的上端连接有第一法兰盘202，第一法兰盘202的外沿呈环形阵列状开设有多个通孔2021。
[0074]
位于第一法兰盘202的上方设置有密封盖203，密封盖203的下端连接有第二法兰盘204，第二法兰盘204的下表面呈环形阵列状连接有与每个通孔2021 相对应的导向杆205，在导向杆205的下端连接有端块206，端块206上连接有压缩弹簧207，并且压缩弹簧207的上端与第一法兰盘202相连接。通过压缩弹簧207的作用能够使得在受较大外力的作用下
密封盖203通过两个法兰与泄爆管 201密封连接。同时，为了进一步增加两者的气密性，还在第一法兰盘202的上表面开设有环形密封槽2022，第二法兰盘204的下表面设置有与环形密封槽2022 相对应的密封圈212，通过密封圈212嵌入环形密封槽2022即可极大提高两者连接时的密封性。
[0075]
另外，还在密封盖203的上表面设置有永磁铁208，长方体管道101的上表面连接有立柱209，立柱209的顶端连接有顶板210，顶板210的下表面设置有与永磁铁208相对应的电磁铁211。当需要打开泄爆机构200进行排气时，向电磁铁211中通过电，通过电磁铁211对永磁铁208的磁力吸附作用将整个密封盖 203向上提升，从而将泄爆机构200打开。
[0076]
参考附图4，电子点火系统包括设置在长方体管道101前后两侧面下端的正点火电极301和负点火电极302，正点火电极301和负点火电极302均伸入长方体管道101的内腔中对齐设置。并且为了实验点燃爆炸时的人员安全性，该电子点火系统为远程线控的正点火电极301和负点火电极302。
[0077]
参考附图4和附图8，数据采集系统包括设置在长方体管道101前后两侧面上端的温度传感器401和压力传感器402，且温度传感器401和压力传感器402 的感应端均伸入长方体管道101的内腔中设置，位于长方体管道101的旁侧还设置有摄像机支架403，摄像机支架403的顶端设置有朝向石英玻璃观察窗104设置的高速摄像机404。同时，为了方便调节高速摄像机404的高度位置，实现全方位的贯穿，该摄像机支架403包括下套杆4031和上伸缩杆4032，下套杆4031 上设置有定位销4033，上伸缩杆4032上间隔开设有与定位销4033对应的定位孔4034。另外，还在摄像机支架403的顶端设置有摄像机安装座405，高速摄像机404设置在摄像机安装座405中，从而方便调节高速摄像机的倾斜角度。
[0078]
参考附图1、附图5和附图9，该进料配气系统包括设置在底部管道102中的储液罐501、储粉罐502以及设置在底部管道102旁侧的真空压缩一体机503，储液罐501的上端连接有伸入长方体管道101中的排汽管504，排汽管504上设置有第一电磁阀505，储粉罐502的两端分别连接有进气管506和出粉管507，在进气管506和出粉管507上分别连接有第二电磁阀508和第三电磁阀509，并且进气管506伸入长方体管道101中设置。在真空压缩一体机503上连接有伸入底部管道102中的气体管510，进气管506的端部与气体管510相连通，气体管 510上还连接有伸入长方体管道101中抽气管511，抽气管511上设置有第四电磁阀512。其中，第一电磁阀505、第二电磁阀508、第三电磁阀509和第四电磁阀512均与控制装置中的控制模块电性连接。
[0079]
参考附图4，该温控加热装置包括设置在长方体管道101前后两侧内壁上的恒温加热板601以及设置在储液罐501底部的电磁加热装置602；该恒温加热板 601能够对爆炸前的温度进行控制，该电磁加热装置602过法拉第的电磁感应理论中的涡流热效应给予液相可燃物加热使其气化进行实验。给螺线圈通入交变电压使其产生变化的电磁场，与其相接触的金属底座会产生很多涡流点，进行加热液相可燃物使其气化为气体可燃物，从而进行实验。
[0080]
作为一个示例，恒温加热板601对温度进行恒温控制，采用模糊pid算法进行控制，具体包括如下步骤：
[0081]
1)设定pid控制器初值：控制器的输出如下式，
[0082][0083]
e(k)＝r(k)-y(k)
[0084]
式中，u(k)为控制器的输出，r(k)为给定的升温速率期望输出，y(k)为实际温升速率输出，e(k)为两者的偏差信号，ts为采样周期，k
p
，ki，kd分别为比例、积分和微分增益；确定采样周期，所述采样周期满足香农采样定理，选取采样周期为20s，设k
p
，ki，kd的初始值分别为k
p0
＝10.96，k
i0
＝0.08，k
d0
＝372.64；
[0085]
2)预估输出：预估控制如下式，
[0086]
y(k)＝a*y(k-1) b*[u(k-1)-u(k-n-1)]
[0087]
式中，y(k)为预估控制器的输出，u(k) 为控制器的输出，ts为采样周期，τ＝68s，t＝205s，k0＝0.33，从而得到模型参数如下式，
[0088]
y(k)＝1.05*y(k-1) 0.0165*[u(k-1)-u(k-8)]
[0089]
3)模糊控制：控制器以温升速率偏差e和温升速率偏差变化ec作为输入，通过模糊控器制规则在线对pid参数进行调整，并输出pid参数值；控制器首先要对输入量升温速率偏差e，升温速率偏差变化ec进行模糊化处理，根据恒温加热板的温度范围及精度要求，设置模糊控制器各语言变量论域为：
[0090]
|e|：{0，1，2，3}，|ec|：{0，1，2，3}
[0091]kp
：{0，1，2，3}，ki：{0，1，2，3}，kd：{0，1，2，3}
[0092]
各输入输出语言变量的的论域均取语言值“大”(b)，“中”(m)，“小”(s)，“零”(z)4种，选用三角函数作为各变量的隶属度函数；反复调试控制温升速率，根据温升速率的控制经验设计模糊控制查询表，并由样偏差e和偏差变化ec经过模糊推理可以得到k
p
，ki，kd的模糊值，采用重心法解模糊，输出调整后的k
p
，ki，kd值，进行pid参数的自适应调整；
[0093]
4)将pid控制输出值、散热补偿值以及预估补偿值共同加载到恒温加热板，实现对恒温加热板温度的闭环控制。
[0094]
参考附图1和附图2，控制装置包括设置爆炸实验容器旁侧的控制机柜700，控制机柜700的内部设置有与数据采集系统电性连接的控制模块、ad模块以及视频处理模块，且控制机柜700上设置有显示屏701和控制面板702，其中各个电气部件与控制装置的连接原理示意图可参考附图10。
[0095]
实施例2
[0096]
本实施例2公开了一种使用实施例1中所述的易燃液体蒸气-粉尘混合爆炸实验装置的方法，包括如下步骤：
[0097]
s1:对易燃液体蒸气-粉尘混合爆炸实验装置进行气密性与安全性检查，确保无误后进行下一步操作；
[0098]
s2:打开加热温控装置设置理想温度，同时将易燃液体加入储液罐，将粉尘加入储粉罐中；
[0099]
s3:等待爆炸实验容器内部加热至设定温度后，打开第四电磁阀将长方体管道中抽至真空状；
[0100]
s4：打开第一电磁阀，通过负压作用将储液罐中的易燃液体完全气化，使得易燃液体蒸汽进入长方体管道中，然后再打开通过真空压缩一体机将储粉罐中的粉尘吹入长方体管道使两者混合；
[0101]
s5:关闭所有电磁阀，通过电子点火系统进行点火引爆；
[0102]
s6:在爆炸过程中通过压力传感器记录爆炸压力，温度传感器记录温度变化，高速摄影机捕获火焰图像，获取爆炸过程中的火焰传播图像；
[0103]
s7：等待反应结束，继续重复上述步骤进行3-5次实验，确保实验和数据采集的准确性和可靠性。
[0104]
另外，为了防止外在因素对整个实验造成影响，还在步骤1和步骤2之间还包括：通过真空压缩一体机向整个回路通入干燥空气使其洗净爆炸实验容器，并洗净储液罐、储粉罐，再打开泄爆机构将气体排出。
[0105]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。