[发明专利]一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置

权利要求书

1.一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置，其特征在于，整个试验装置包括高压供气系统、高压储罐和下游管道系统、安全防护系统、动态图像记录系统、数据采集系统以及电磁阀控制系统，高压供气系统主要用于向高压储罐内连续稳定的充装试验气体，同时还可为试验前气密性的检验、试验后促进装置内尾气的排放提供气源；高压储罐和下游管道系统中包含爆破片夹持器装置，该装置内装有爆破片，高压储罐内充装试验气体至一定压力用于模拟高压气体的储存，当储存压力大于爆破片承受压力时，爆破片破裂，试验气体通过下游管道或直接排放到防护箱中；安全防护系统主要由防护箱构成，防护箱用于积聚可燃性气体，防止随意扩散；动态图像记录系统用于记录下游管道管口处激波、激波诱导点火、气体射流以及射流火焰的动态发展变化过程；数据采集系统记录高压储罐内压力变化以及下游管道内压力变化和自燃点火信号，并可向动态图像记录系统输入触发信号；试验装置中电磁阀的开闭由电磁阀控制系统进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置，其特征在于，该试验装置的具体结构如下：高压供气系统主要由高压试验气体气瓶（1）、氮气瓶（2）、第一、第二开关阀（3），（4）、第一、第二稳压阀（5），（6）、第一、第二、第三电磁阀（7），（8），（9）、压力表（10）、主高压管道（11）和第一真空泵系统组成；在主高压管道（11）的前端有三个垂直布置的第一、第二、第三电磁阀（7）、（8）、（9），高压试验气体气瓶（1）通过第一开关阀（3）、第一稳压阀（5）后与上端的第一电磁阀（7）相连，同样氮气气瓶（2）通过第二开关阀（4）和第二稳压阀（6）后与中间的第二电磁阀（8）相连，下端的第三电磁阀（9）为备用阀，用于排放装置内气体；三个垂直安装的电磁阀即上端的第一电磁阀（7）、中间的第二电磁阀（8）和下端的第三电磁阀（9）通过管道连接汇集到主高压管道（11）上；主高压管道（11）上安装有压力表（10）和第一真空泵系统，压力表（10）用来检测管道内压力变化，第一真空泵系统由针阀（12）、真空泵（13）和真空表（14）组成，真空泵（13）通过管道与真空表（14）和针阀（12）相连，再由管道连接到主高压管道（11）上，第一真空泵系统用于实验前抽取试验装置内的气体，高压储罐和下游管道系统主要由高压储罐（15）、爆破片（17）、爆破片夹持器（18）和下游管道（21）构成；主高压管道（11）与高压储罐（15）相连，高压储罐（15）末端连接爆破片夹持器（18），爆破片夹持器（18）另一端与下游管道（21）相连；该夹持器（18）内装有一定设计压力的爆破片（17），当储罐（15）内试验气体压力达到爆破片爆破压力时，爆破片（17）破裂，试验气体通过下游管道（21）或直接喷射到防护箱（25）内，安全防护系统主要由转换接头（22）、法兰（23）、防护箱（25）以及空压机（44）、第二真空泵系统等组成；下游管道（21）末端直接与防护箱（25）内大气相通，下游管道（21）与防护箱（25）通过转换接头（22）和法兰（23）实现连接；防护箱（25）上开设有排气口（37）和进气口（47）并安装有第二真空泵系统；防护箱（25）主要用于集聚可燃性气体，防止在室内随意扩散；防护箱（25）内发生意外爆炸向外泄压以及尾气排放均通过排气口（37）排到室外，排气口（37）的开闭由第四电磁阀（38）控制；通过空压机（45）由进气口（47）向防护箱内鼓吹空气挤压可燃性气体彻底排至室外，进气口（47）的开闭由第五电磁阀（46）控制；第二真空泵系统由真空表（39）、真空泵（40）和针阀（41）组成，主要用于激波诱导点火试验开始前，抽除防护箱（25）内气体至真空；防护箱（25）内可人为的通入一定量的可燃性预混气体，研究高压气体泄漏时产生的激波诱导可燃性预混气体的点火过程，高压试验气体既可为高压可燃性气体也可为高压非可燃性气体，研究激波诱导点火过程时，首先使用第二真空泵系统抽除防护箱（25）内气体至真空状态，然后将可燃性预混气体由进气口（47）通入防护箱（25）内；防护箱（25）的左右两个侧面安装透明玻璃窗（24），石英玻璃（44）通过法兰嵌装到玻璃窗（24）里，下游管道喷口处在玻璃窗（24）的视野范围内，纹影仪光学系统产生的平行光路通过该玻璃窗（24）；防护箱末端开设一扇门（42），用于下游管道（21）出口处外部泄漏环境以及激波诱导点火试验环境的设置，门（42）的开闭通过门把手（43）来操作，动态图像记录系统，又称作高速纹影拍摄系统，主要由纹影仪和高速摄像机（33）组成；纹影仪主要由以下几部分组成：光源（26）、聚焦镜片（27）、第一、第二反射镜（28），（31）、第一、第二凹面镜（29），（30）和刀口（32）；当玻璃窗（24）视野范围即管口下游一定距离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（32）平面上产生一个偏离的光源像，高速摄像机（33）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（33）通过记录流场密度变化图像来反映喷口外激波的形成、自燃点火、射流变化以及喷射火焰的发展情况，数据采集系统主要由压力变送器（16）、第一压力传感器（19）、光电二极管（20）、第二压力传感器（36）和数据采集仪（34）组成；压力变送器（16）安装在高压储罐（15）上，用于测量储罐内压力的变化情况；下游管道上下两侧分别装有一定数量的第一压力传感器（19）和光电二极管（20），第一压力传感器（19）为ICP压力传感器，该ICP压力传感器（19）用于记录管道内的压力变化，监测激波的形成和发展；光电二极管（20）用于检测管道内自燃点火发生情况以及自燃火焰的传播过程；第二压力传感器（36）用于监测箱体内压力的变化情况，第二压力传感器（36）为ICP压力传感器；由压力变送器（16）、两个ICP压力传感器（19），（36）和光电二极管（20）所测的物理信号均通过数据采集仪（34）进行记录，当压力变送器（16）测量值骤降或第一压力传感器（19）测量值突升时，输出触发信号，启动高速摄像机（33）开始工作，电磁阀控制系统主要由电磁阀控制柜（35）构成，电磁阀控制柜内设置有五个电磁阀开关S1-S5，分别控制第一、第二、第三、第四、第五电磁阀（7）、（8）、（9）、（38）、（46）的开闭，由于涉及高压以及可燃性气体，整套试验装置需要有良好的气密性。

3.根据权利要求1或2所述的一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置，其特征在于，该装置的工作过程如下：

（一）高压可燃性气体泄漏自燃点火研究

1、根据实验要求将爆破片安装到夹持器内，爆破片夹持器前后两端分别与高压储罐、一定规格的下游管道进行装配连接，下游管道另一端与防护箱相连，管口处于防护箱观察窗视野范围内，第一压力传感器和光电二极管分别安装到下游管道的上下两侧；2、打开氮气瓶开关阀门以及中间电磁阀，向高压储罐内充装氮气至一定压力，检查装置的气密性；3、若气密性良好，打开备用电磁阀排除装置内氮气，之后利用第一真空泵系统抽取高压储罐以及通气管道内的氮气，当实验管道和高压储罐内达到一定真空度后，关闭真空泵；4、开启数据采集仪、高速摄像机，打开纹影仪光源，经反射镜和凹面镜形成一束平行光，该平行光经过防护箱观察窗，保证管道出口在纹影仪拍摄视野内；5、打开高压可燃性气体气瓶阀门，调节稳压阀出口压力至爆破片设计压力值，然后开启上端电磁阀连续稳定的向高压储罐内充装可燃性气体，储罐内达到一定压力时，爆破片破裂，可燃性气体射流或射流火焰喷射到防护箱内，此时迅速关闭上端电磁阀和可燃性气体气瓶开关阀；6、压力变送器检测到储罐内压力骤降或第一压力传感器侦测到压力突变后产生触发信号，启动测量设备开始工作，记录激波、自燃点火、射流火焰等实验现象；7、实验测量结束后，打开氮气瓶开关阀门和中间电磁阀向试验装置内通入氮气，用以稀释防护箱内可燃性气体浓度；并打开防护箱上排气口的电磁阀开关将防护箱内可燃性气体通过排气口排到室外，经过一段时间后，打开空压机及其电磁阀开关向防护箱内鼓吹空气彻底排净防护箱内的可燃性气体；

（二）激波诱导点火过程研究

1、根据实验要求安装爆破片，爆破片夹持器前后两端分别与高压储罐、下游管道进行装配连接，下游管道另一端与防护箱相连，管口处于防护箱观察窗视野范围内，第一压力传感器和光电二极管分别安装到下游管道的上下两侧；2、打开氮气瓶开关阀门以及中间电磁阀，向高压储罐内充装氮气至一定压力，检查装置的气密性；3、若气密性良好，打开备用电磁阀排除装置内氮气，之后利用第一真空泵系统抽取高压储罐以及通气管道内的氮气，当实验管道和高压储罐处于真空状态时，关闭真空泵；4、检查防护箱的密封性，通过进气口向防护箱内充入一定量的氮气，保持一段时间，观察箱体内压力变化情况，若无显著变化，表明防护箱装置气密性良好；5、打开防护箱上控制排气口开关的电磁阀，排出箱体内氮气，然后利用第二真空泵系统抽取箱体内气体至真空，关闭真空泵；6、通过进气口向防护箱内充入一定量的可燃性预混气体；7、开启数据采集仪、高速摄像机，打开纹影仪光源，经反射镜和凹面镜形成的平行光束经过防护箱观察窗；8、打开高压试验气体气瓶开关阀门，调节稳压阀出口压力至爆破片设计压力值，然后开启上端电磁阀连续稳定的向高压储罐内充装试验气体，储罐内达到一定压力时，爆破片破裂，气体射流喷射到防护箱内，此时迅速关闭上端电磁阀和气瓶开关阀；9、压力变送器检测到储罐内压力骤降或第一压力传感器侦测到压力突变后产生触发信号，启动测量设备开始工作，记录激波、点火等实验现象以及利用第二压力传感器记录防护箱内压力变化；10、实验测量结束后，打开氮气瓶开关阀门和中间电磁阀向试验装置内通入氮气，用以稀释防护箱内可燃性气体浓度；并打开防护箱上排气口的电磁阀开关将防护箱内可燃性气体通过排气口排到室外，经过一段时间后，打开空压机及其电磁阀开关向防护箱内鼓吹空气彻底排净防护箱内的可燃性气体。