不同初始压力下可爆预混气体...波纹板阻火器的淬熄特性研究_张炼卓.pdf

DOI：10.11883/bzycj-2021-4058不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性研究*张炼卓，闫兴清，吕先舒，喻健良，李通征，詹潇兵（大连理工大学大学化工学院，辽宁大连116024）摘要：阻火器是一种应用广泛的爆炸阻隔装置。为了深入理解影响阻火器性能的因素，通过实验方法探究了不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性。结果表明，可燃气的活性、体积分数和初始压力均会影响火焰速度稳定性、传播模式以及淬熄难度。实验发现火焰传播具有 3 种模式：直接淬熄、穿过阻火单元后逐渐淬熄、淬熄失败。可淬熄的最大初始压力 plim用以表征火焰淬熄难度，虽然其最小值位于化学计量比，但仍在一定体积分数范围内保持恒定。此外，基于传热作用得到密闭管道中丙烷-空气预混气爆燃阻火速度公式，并进行了实验验证。关键词：波纹板阻火器；预混火焰；淬熄；初始压力；火焰速度中图分类号：O389;TQ569国标学科代码：13035文献标志码：AOn quenching characteristics of combustible premixed gas througha crimped-ribbon flame arrester at different initial pressuresZHANGLianzhuo,YANXingqing,LYUXianshu,YUJianliang,LITongzheng,ZHANXiaobing(School of Chemical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China)Abstract:Thecrimpedflamearresterisacommondisasterpreventionandcontroldevice.Mostoftheresearchfocusesonthehigher-pressure working conditions instead of the pressure lower than 0.1 MPa when it applies in special areas orenvironments.Thispaperexploresthequenchingcharacteristicsofdifferentcombustiblegas-airmixturespassingthroughcrimpedribbonflamearrestersatdifferentinitialpressurestoreplenishthelow-pressureprotectiontestandunderstandthefactorsaffectingtheperformanceoftheflamearresterdeeply.TheexperimentswerecarriedoutintheDN80circularpipe.Andthecrimpedribbonplateslitchannelwithacross-sectionofanapproximatelyequilateraltriangleis38mmlongand0.8mmhigh.Theexperimentalgasesarepremixedpropane-airwithavolumefractionof4.2%andpremixedethylene-airwithdifferentconcentrationsobtainedaccordingtothepartialpressuremethod.Theignitionvoltageis10kV.Itisfoundthattheactivity,concentration,andinitialpressureofcombustiblegaswillaffectthestabilityofflamevelocity,propagationmode,andquenchingdifficulty.Theresultsshowthattherearethreemodesofflamepropagation:directquenching,quenchingafterpassingthroughtheflameretardantunit,andquenchingfailure.Theycanbeexplainedastheflamenotpassingthroughtheslits,theflamepassingthroughtheslitsbutbeingextinguishedbeforereachingthepipeend,andtheflamekeepsspreadinguntilthepipeend.Also,thevelocityoscillationoccursontheunprotectedsideofthepipeline,andthevelocityrisesincrediblywhenthequenchingfailedflamepassesthroughtheprotectedside.Theformulaofdeflagrationflamequenchingvelocityofpremixed propane-air in a closed pipe was established based on the heat transfer effect and verified by the quenchingexperimentofpremixedgaswithavolumefractionof4.2%.Themaximuminitialpressureisdefinedasthelimitpressurethat*收稿日期：2021-11-08；修回日期：2022-04-07 基金项目：国家自然科学基金（52174167）第一作者：张炼卓（1998），女，硕士研究生， 通信作者：喻健良（1963），男，博士，教授，第43卷第1期爆炸与冲击Vol.43,No.12023年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan.,2023012202-1quenchingwouldfailatinitialpressurehigherthanit.Itisproposedtousethelimitpressuretocharacterizethedegreeofquenchingdifficulty.Itisworthremarkingthatquenchingisthemostdifficultatstoichiometricconcentration,wherethelimitpressureisthesmallest,andthelimitpressurewillremainconstantwithinacertainconcentrationrange.Keywords:crimped-ribbonflamearrester;premixedflame;quenching;initialpressure;flamespeed阻火器是一种应用广泛的隔爆阻火装置，其核心元件是内部的阻火单元。深入理解火焰通过不同类型阻火单元的淬熄行为，明确不同规格阻火单元能够淬熄的临界火焰参数特性及其影响因素，是构建阻火器理论与模型、开展结构设计与优化的基础。Payman 等1和 Cubbage2较早进行了煤气阻爆实验，发现火焰传播速度能够显著影响阻火器性能。Palmer 等3、Langford 等4通过化学计量比的丙烷-空气预混气火焰淬熄实验，发现阻火单元的狭缝几何尺寸与火焰进口速度成正比，并将热量传递作为火焰淬熄的原因。Berlad5研究了矩形管道中丙烷-氧-氮混合气火焰淬熄距离随压力的变化规律。Kersten 等6记录了火焰在波纹板阻火器中的传播过程以及爆炸各阶段的火焰速度和压力。Henkel 等7采用湍流模型预测了火焰在阻火器微通道中的传播过程，认为化学动力学机制对火焰淬熄有显著影响。周凯元等8-9开展了平行板狭缝、波纹板阻火器的阻火实验，提出了淬熄长度、淬熄边界层等概念，并推导了A 类气体爆燃火焰的阻火器参数计算公式。陈鹏10模拟了火焰在圆管和平行板狭缝中的淬熄过程，对比了多种惰性气体对淬熄的促进作用。张省漪11总结了多孔隙通道中丙烷-空气预混气体火焰速度与压力的相互影响。孙少辰等12-13开展了不同活性预混气体爆轰火焰在波纹管道阻火器内的传播与淬熄实验，探讨了装置结构参数等因素对传播过程的影响。王鲁庆等14对A 类气体波纹板阻爆燃型阻火器进行了实验研究，得到了阻火速度与狭缝通道的长度、扩张比的平方成正比的结论。在多种阻火器类型中，波纹板阻火器因阻火性能好且受阻力较小15，通常被研究人员采用。调研发现，现有研究多关注常压工况，实验介质大多为化学计量比的丙烷-空气预混气体。实际上，阻火器的设计和选型还要考虑应用环境和气体介质的种类，因此，研究不同活性、不同初始压力下可爆预混气体的淬熄特性，有助于理解阻火器性能及指导科学应用。本文中，参考标准 GB/T133472010石油气体管道阻火器16，以不同体积分数的丙烷-空气、乙烯-空气可燃预混气体为介质开展实验研究，系统探讨不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的火焰传播与淬熄过程。1 实验装置及方法实验装置由圆形管道、阻火器、配气系统、点火系统、测量及数据采集系统等组成，如图 1 所示。圆形管道总长 4000mm，由 4 段长 1000mm 的管道通过法兰连接而成，公称直径 DN80，壁厚 4mm，管道点火端到阻火器入口为未受保护侧管道，长度 L1=3000mm，阻火器出口到管道末端为受保护侧管道，长度 L2=1000mm。阻火器主要由单层波纹板、外壳及附件构成，波纹板通道狭缝近似为正三角形，狭缝高 h=0.8mm，通道长 L=38mm。阻火器外壳内径 165mm，长 L0=420mm。采用分压法配制一定体积分数的预混气体，气体静置 24h 后使用。将整个管道抽至绝对真空状态后充气进行实验。采用 10kV 双电极高压点火，点火持续时间为 1s，点火前管内气体静置 3min。测量及数据采集系统由光电传感器、光电转换电路、高频数据采集卡等组成。光电传感器接收到火焰的光信号后，经转换电路将光信号转换为电信号，采集卡将信号采集、存储并传输至计算机。每段管道布置4 个光电传感器，相邻传感器之间距离 200mm，第 1 个传感器距离管道点火端 1200mm，共布置 12 个光电传感器。两传感器间距与接收信号时间差之比即为火焰速度。实验介质参考标准 GB/T133472010石油气体管道阻火器16选取，表 1 列举了所配制的预混气体类型、可燃气体积分数和当量比。第43卷张炼卓，等：不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性研究第1期012202-22 实验结果与讨论2.1 不同体积分数乙烯-空气预混气体的淬熄特性图 2(a)(c)分别给出了乙烯体积分数为 5.0%、5.5%和 6.5%的乙烯-空气预混气体在不同初始压力p0时的火焰速度曲线。图 2(a)中，当 p0=60kPa 时，阻火器入口火焰速度为 9m/s，阻火器出口后的第 1 个火焰传感器未收到信号，说明淬熄发生于阻火单元内。当 p0=70kPa 时，阻火器入口火焰为 36m/s，阻火单元内火焰速度为 31m/s，即阻火器出口的第 1 个火焰传感器接收到信号，说明火焰穿过阻火单元后仍传播一段距离，淬熄发生于管道末端前。而当 p080kPa 时，火焰则会直接穿过阻火器继续向下游传播，直至管道末端熄灭。因此，将上述 3 种火焰传播模式分别定义为直接淬熄、穿过阻火单元后逐渐淬熄和Measurement and data acquisition systemPhoto-electricconversion circuitVacuum gaugeThe