真空腔体积对真空腔抑制瓦斯爆炸性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国矿业大学安全工程学院 作者:邵昊

  为了研究真空腔体积与真空腔抑制瓦斯爆炸性能的关系,设计了瓦斯爆炸 L 型试验管道,并制作了能调节真空腔体积的装置:“圆板”。依次进行了真空腔体积由大到小的系列真空腔抑制瓦斯爆炸试验。试验结果表明:1) 真空腔的抑爆效果取决于真空腔体积与临界体积的关系,当真空腔体积大于临界体积时,真空腔有很好的抑爆效果;而当真空腔体积小于临界体积时,真空腔非但没有抑爆效果,瓦斯爆炸压力和火焰信号强度反而比没有真空腔时还强;2) 对于本试验管道,真空腔的临界体积为0.026 m3,占试验管道总体积的43%。当真空腔体积大于试验管道总体积的43%时,真空腔有抑爆效果,反之,则没有抑爆效果。

  瓦斯爆炸是容易造成重大人员伤亡和财产损失的煤矿事故之一。瓦斯爆炸发生后,如何尽快地熄灭爆炸火焰、阻止爆炸过程的传播、降低爆炸超压是瓦斯爆炸抑爆技术研究的最终目的。当前的瓦斯抑爆技术的基本原理是当瓦斯爆炸发生后,触发抑爆装置,释放出抑爆材料,用来抑制爆炸链式反应或稀释瓦斯和氧气体积分数,扑灭爆炸火焰或衰减激波,从而达到抑制或减轻爆炸灾害作用范围和程度的目的。瓦斯抑爆技术主要研究瓦斯抑爆装置和瓦斯抑爆材料2 个方面。

  瓦斯抑爆装置的研究目的是当爆炸发生后,如何将抑爆材料及时、准确、均匀的喷洒到瓦斯爆炸反应介质中。Ye Jingfang 等[1]研究了水雾抑爆装置的不同布局对抑制爆炸效果的影响。Klemens R,Szatan B,Gieras M 等对粉尘抑爆装置进行了研究,探索如何提高抑爆系统的抑爆性能。对于抑爆材料,主要研究抑爆材料的抑爆原理、抑爆性能影响因素及改进方法。

  目前,经试验证实比较有效的抑爆材料有水雾、惰性气体、惰性粉尘、多孔材料。关于对水雾的研究,Thomas G O,Parra T 等研究了水雾抑爆效果与爆炸强度的关系;Chelliah H K 等研究了水雾粒径对抑爆效果的影响;Jingfang Ye,Catlin C,毕明树等研究了水雾密度、分布范围等对抑爆效果的影响。关于对惰性气体的研究,Saito N 等[9]研究了氮气、氩气、二氧化碳及其混合气体对正庚烷、甲烷、丙烷与空气混合气体的熄火效果。喻健良等研究了氦气、氮气、水蒸气和二氧化碳等惰性气体对爆燃火焰的惰化性能和惰化机理。对于惰性粉尘的研究,

  Linteris G T,Krasnyansky M 等对新型抑爆粉尘材料的抑爆原理、抑爆效果进行了研究,Chen Z,Liu Q对常见的不同抑爆粉尘材料的抑爆效果进行了对比研究。对于多孔抑爆材料的研究,Nie B等对泡沫陶瓷的抑爆机理和抑爆效果进行了研究,孙建华等的研究认为金属丝网、泡沫陶瓷、多孔泡沫铁镍金属几种多孔材料均有很好的衰减瓦斯爆炸火焰温度的作用。

  本课题组通过试验找到了一种新的瓦斯抑爆原理—真空腔,在瓦斯爆炸管路的侧面加一腔体,利用弱面板将其与瓦斯爆炸管路隔开,并将其抽成真空状态。当瓦斯爆炸发生时,弱面板破裂,在真空抽吸作用下,瓦斯爆炸火焰熄灭,爆炸被抑制。试验表明,该装置能够显著降低爆炸超压,具有吸波吸能的效果,可以认为是一种效果理想的主动防御的抑爆装置。在以往的试验中也发现,真空腔体积是影响真空腔抑爆性能的关键,但并没有进行定量的研究,为此,本文设计了瓦斯爆炸L型试验管道,并制作了能调节真空腔体积的装置:“圆板”,利用pvc 软板制作“圆板”,将圆板放入真空腔中,放入的圆板数量越多,真空腔体积越小。通过研究在不同体积下真空腔的抑爆效果,对比研究了真空腔体积与真空腔抑爆性能的关系。

  1、真空腔抑爆试验

  1.1、试验系统

  系统主要由瓦斯爆炸试验管道、真空腔、充配气系统、可燃气体点火系统、动态数据采集分析系统、瓦斯爆炸压力测量系统、火焰测量系统、撞针、圆板等部分组成,该系统的组成如图1 所示。系统布置实物图如图2 所示,系统管路布置及传感器布置图如图3 所示。实验管道是由不同长度的截面为80 mm×80 mm 的平直方管组合而成。在L 型实验管道的拐弯处,距瓦斯爆炸点火端3 m 的位置上安装真空腔。如图2,3 所示。

实验系统组成

图1 实验系统组成

实验系统组成

图2 系统布置图

实验系统组成

图3 实验管道及传感器布置位置图 (mm)

  真空腔是直径为300 mm,长度为0.5 m 圆柱形腔体,真空腔一端封闭,另一端为一接头,接头与爆炸管路相接,在接头和爆炸管路之间放入弱面板。此弱面板是嵌有一定厚度退火玻璃的法兰盘,利用退火玻璃易碎且具有一定硬度的特点,将其作为真空腔与实验管道交界面的弱面层。当瓦斯爆炸冲击波经过时,此面能迅速破裂,使真空腔发挥泄爆作用。为了增强爆炸反应速度,在距实验管道点火端0.5 m 范围内设置了加速环。本次只对开口爆炸进行实验,所以,实验管道的点火端封闭,出口端完全开放。

  4、结论

  1) 利用瓦斯爆炸L 型实验管道,以及能调节真空腔体积的装置圆板,依次进行了真空腔体积由大到小的系列瓦斯爆炸实验。实验结果表明,当向真空腔中放入的圆板数量在12 片或12 片以下时,真空腔能很好地抑制瓦斯爆炸,熄灭爆炸火焰,降低爆炸超压,且抑爆效果都基本相同。当向真空腔中放入14 片圆板时,在相同条件下进行的多次实验表明,真空腔在此体积下的抑爆效果处于一种临界状态,在有的实验中,真空腔有抑爆效果,与真空腔中放入12 片及以下数量圆板时的抑爆效果相同;在有的实验中,真空腔没有抑爆效果,只是造成了火焰拉伸,并出现了二次爆炸,且二次爆炸的爆炸威力比不加真空腔时还强了。

  2) 对于本文中的实验管道,当向真空腔中放入14 片圆板时的真空腔有效空间体积为真空腔的临界体积。本实验管道的真空腔临界体积为0.026 m3,实验管道总体积为0.061 m3。真空腔体积占实验管道总体积的43%。对于本文中的实验管道,当真空腔体积大于实验管道总体积的43%时,真空腔有抑爆效果,反之,则没有抑爆效果。

  3) 真空腔的抑爆效果取决于真空腔体积与临界体积的关系,当真空腔体积大于临界体积时,真空腔有很好的抑爆效果;而当真空腔体积小于临界体积时,真空腔非但没有抑爆效果,瓦斯爆炸压力和火焰信号强度反而比没有真空腔时还强。

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