一种测定气体着火延迟时间的装置的制作方法

本发明涉及化工安全技术领域，具体涉及一种测定气体着火延迟时间的装置。

背景技术：

着火延迟时间指的是可燃气体从达到燃烧初始条件到发生燃烧所经历的时间，是气体的重要参数之一。掌握并合理利用可燃气体的着火延迟时间在汽车、航空航天、化工等多个行业具有重要意义，例如，在化工行业中可以根据气体的着火延迟时间进行设备的本质安全化设计及安全控制参数的确定。

由于可燃气体着火过程涉及温度较高，时间较短，反应机理复杂，目前主要通过chemkin等软件进行数值计算，而由于实验手段等方面的欠缺，许多相关机理仍不明确。为精确测量可燃气体指定条件下的着火延迟时间，须使混合气体在极短时间内达到指定的高温与高压条件，否则在气体升温过程中发生的氧化反应及积累的能量对着火延迟时间具有非常大的干扰，因此实验装置应快速提供均匀、等温、等压点火或自点火实验环境；测试设备须能同步开展高时间分辨率的测量与记录，从而确定着火延迟过程的起止时间。

目前测量气相着火延迟时间的实验装置主要有定容弹、激波管等设备，有研究者通过蠕动泵滴加燃烧剂后采用电火花点火的方式测量点火延迟时间(cn107703178a)，也有研究者发明了在燃爆反应容器利用电火花和光电倍增管进行测定的方法(cn105115920b)；激波管(cn105699306b)是采用爆炸产生的能量对介质进行加热，同时由反射激波进行点火，其优点是升温速度快，但是其持续时间较短，控制难度相对较大，同时激波的层层反射与相互作用也可能对测量过程进行干扰。

利用不涉及化学反应的等熵压缩方法实现待测气体的升温是测量着火延迟时间的新思路，该方法的原理是采用压缩气体推动活塞迅速压缩待测气体，其优点是该过程为近似等熵压缩的物理过程，温度和压力易于控制，是测定着火延迟时间的理想方法，具有可观的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种测定气体着火延迟时间的装置，适用范围广，升温与点火快，测量精度高，无复杂内构件，操作简单且安全系数高。

本发明采用以下的技术方案：

一种测定气体着火延迟时间的装置，包括压缩单元、实验单元和用以对实验单元进行测量的测量系统，压缩单元包括压缩段、活塞和与压缩段相连的气源；实验单元包括限位段、测试段和与测试段相连的预混系统；活塞在压缩段与测试段之间运动，限位段用以对活塞的位置进行限定。

进一步地，所述气源包括驱动气瓶和压缩机，驱动气瓶通过压缩机通向压缩段。

进一步地，所述压缩段上设有压力表，用以实时监测压缩段内的气体压力。

进一步地，所述预混系统包括待测气瓶、助燃气瓶、混合罐和气路控制装置；待测气瓶和助燃气瓶通过气路控制装置与混合罐相连，混合罐通过气路控制装置与测试段相连。

预混系统包括待测气瓶、助燃气瓶、混合罐及气路控制装置，实验前将待测气与助燃气(氧气、空气或不同浓度的富氧空气)按照需要的当量比通入混合罐进行混合，混合完成后通入测试段。

进一步地，所述助燃气瓶内为氧气、空气或不同浓度的富氧空气。

进一步地，所述测量系统包括信号发生与传输装置和对测试段内待燃气体进行测量的测量装置。

进一步地，所述测量装置为接触式测量装置和/或非接触式测量装置；测量装置与信号发生与传输装置相连。

进一步地，所述接触式测量装置设置于测试段内；所述测试段上设有透明视窗，所述非接触式测量装置设置于透明视窗的上方。

测试段开有一个或多个石英玻璃窗口，用于光学信号的输入及输出。

进一步地，所述接触式测量装置为热电偶或压力传感器；所述非接触式测量装置为光学测量与信号收集设备。

测量系统根据不同待测体系特点可选择接触式测量设备(热电偶、压力传感器)或非接触式测量设备(光纤系统、纹影、高速摄像、原子吸收光谱等)，其中接触式测量设备安装于测试段腔体内，非接触式测量设备通过测试段的石英玻璃窗口传输及接收相关信号；最后通过信号发生与传输装置进行控制。

进一步地，所述测试段上设有真空泵和用以测定测试段内气体压力的压力表。

进一步地，所述测试段的尾端设有泄压舱，所述泄压舱为大容积金属腔体，泄压舱与测试段通过爆破片或安全阀连接，用以防止或减少爆炸能量过大时对外界造成的影响。

泄压舱为大容积金属腔体，泄压舱与测试段通过爆破片或者安全阀连接，其目的是防止或减少爆炸能量过大时对外界造成的影响。

进一步地，所述压缩段和测试段均为圆管状金属腔体。

进一步地，所述压缩段的直径大于100mm。

进一步地，所述测试段的圆管状金属腔体为顺次缠绕有加热带和隔热层；测试段的直径大于80mm。

测试段的腔体外缠绕加热带与隔热层，直径大于80mm，厚度须满足实验过程最大耐压需求。在设计时，测试段右侧可以为体积改变段，连接不同长度的体积调节段，就可以改变测试段的剩余体积，以达到不同的体积压缩比。

本发明具有的有益效果是：

提出了一种能够测定气体着火延迟时间的装置，相对于传统测量装置，能够更加快速、准确地为待测气体的升温提压缩量，加热过程短，大幅降低了加热环节对反应过程的干扰；

本装置具有稳定可靠、安全性能高等优点，无复杂内构件，使用方便，实验完成后清理简单；适用范围广，可适用于不同体系，对于精确测定气体燃烧特性、保障相关工艺过程安全运行具有应用推广价值；

通过压缩气体推动活塞迅速加热待测气体，利用气体自点火，同时借助测试系统实现全过程的捕捉与记录，从而实现可燃气体着火延迟时间的测定。

附图说明

图1为测定气体着火延迟时间的装置的结构示意图；

图2为活塞驱动原理示意图；

图3为基于本发明装置的气体着火延迟时间测试结果图。

其中，1为压缩段，2为活塞，3为限位段，4为真空泵，5为光学测量与信号收集设备，6为测试段，7为泄压舱，8为信号发生与传输装置，9为待测气瓶，10为助燃气瓶，11为驱动气瓶，12为压缩机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明：

参阅图1，一种测定气体着火延迟时间的装置，其特征在于，包括压缩单元、实验单元和用以对实验单元进行测量的测量系统，压缩单元包括压缩段、活塞和与压缩段相连的气源；实验单元包括限位段、测试段和与测试段相连的预混系统；活塞在压缩段与测试段之间运动，限位段用以对活塞的位置进行限定。

活塞材质为金属，其功能是将高压气体内能转换为活塞动能，再转换为待测气体内能，活塞质量越大，其运动过程中的速度就越小，其能量转换效率就越高。

活塞压缩过程示意图如图2所示，其中r为压缩段体积，活塞向测试段移动i体积，m为测试段体积。近似为等熵压缩方法，可产生指定压力和温度的实验气体，进而利用被压缩的气体进行自燃、喷射、点火等研究。活塞表面采用o型圈和压缩管内壁构成径向密封，阻止实验气体经o型圈方式泄漏至活塞下游；活塞为分体式，由前段(被止退)和后段(主要质量)组成；后段活塞表面布有导向带，用于支撑重活塞和压缩管尽可能同心。

限位段可以为气缸式重活塞止退装置，利用卡止装置与气缸实现活塞的减速及固定。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述气源包括驱动气瓶和压缩机，驱动气瓶通过压缩机通向压缩段。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述压缩段上设有压力表，用以实时监测压缩段内的气体压力。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述预混系统包括待测气瓶、助燃气瓶、混合罐和气路控制装置；待测气瓶和助燃气瓶通过气路控制装置与混合罐相连，混合罐通过气路控制装置与测试段相连。

预混系统包括待测气瓶、助燃气瓶、混合罐及气路控制装置，实验前将待测气与助燃气(氧气、空气或不同浓度的富氧空气)按照需要的当量比通入混合罐进行混合，混合完成后通入测试段。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述助燃气瓶内为氧气、空气或不同浓度的富氧空气。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述测量系统包括信号发生与传输装置和对测试段内待燃气体进行测量的测量装置。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述测量装置为接触式测量装置和/或非接触式测量装置；测量装置与信号发生与传输装置相连。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述接触式测量装置设置于测试段内；所述测试段上设有透明视窗，所述非接触式测量装置设置于透明视窗的上方。

测试段开有一个或多个石英玻璃窗口，用于光学信号的输入及输出。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述接触式测量装置为热电偶或压力传感器；所述非接触式测量装置为光学测量与信号收集设备。

测量系统根据不同待测体系特点可选择接触式测量设备(热电偶、压力传感器)或非接触式测量设备(光纤系统、纹影、高速摄像、原子吸收光谱等)，其中接触式测量设备安装于测试段腔体内，非接触式测量设备通过测试段的石英玻璃窗口传输及接收相关信号；最后通过信号发生与传输装置进行控制。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述测试段上设有真空泵和用以测定测试段内气体压力的压力表。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述测试段的尾端设有泄压舱，所述泄压舱为大容积金属腔体，泄压舱与测试段通过爆破片或安全阀连接，用以防止或减少爆炸能量过大时对外界造成的影响。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述压缩段和测试段均为圆管状金属腔体。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述压缩段的直径大于100mm。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述测试段的圆管状金属腔体为顺次缠绕有加热带和隔热层；测试段的直径大于80mm。

测试段的腔体外缠绕加热带与隔热层，直径大于80mm，厚度须满足实验过程最大耐压需求。在设计时，测试段右侧可以为体积改变段，连接不同长度的体积调节段，就可以改变测试段的剩余体积，以达到不同的体积压缩比。

工作过程：

本发明通过等熵压缩对待测气体进行迅速加热升温，同时开启测量系统记录待测气体状态，从而测定待测气体的着火延迟时间。

本装置具体实施方式如下：

(1)根据实验具体要求确定所需活塞质量与压缩速度，确定方法可采用理论计算或实验验证，其中实验验证时测试段通入气体须为不可燃体系，实验测定指定压缩过程温度与压力变化，从而确定活塞及压缩比。

(2)根据实验压力条件选择并安装活塞于正确位置。实验前，重活塞位于充气腔位置，活塞两端o型密封圈将预先进入充气腔的高压空气和压缩管内气体隔开；重活塞外径小于压缩管内径，当重活塞在压缩管内运动时，重活塞与压缩管不同心，重活塞会稍微重心向下，需采用导向带；被压缩实验气体达到高温高压状态，考虑到导向带耐温偏低，可在活塞前面加上可承受高压和高温的活塞环，密封由o型圈完成。

(3)根据实验设置或安装测量系统，若采用接触式测量设备需确认测试元件满足实验可能的最大温度或压力条件。

(4)检查压缩单元、实验单元所有相关阀门、法兰等是否处于完好或正确状态。

(5)进行气体置换，检查压缩单元、实验单元气密性。

(6)对待测气体及助燃气进行混合，混合完成后通入测试段，通过加热带与真空泵调节测试体系至指定温度压力条件。

(7)开启压缩机，准备驱动气体。

(8)开启阀门，利用驱动气体推动活塞进行实验。

(9)排气后进行气体置换，取出活塞，清理实验设备。

实施例1

采用本发明设计的实验装置测定甲烷的着火延迟时间，其中压缩段材料为不锈钢304，内径200mm、厚度22mm、长度8m，；高压气罐材料q345，直径约418mm，厚度20mm，带有压力表、安全阀、支架等；测试段为锻造不锈钢304，直径内径80mm，厚度50mm、外径200mm，带石英测量窗口；限位段包括气缸式止推板；活塞材质为q345钢和不锈钢304，头部为不锈钢，本体为碳钢，由于活塞剩余速度难以精确控制，活塞配置了吸能材料制作的防撞环，通过防撞环变形以吸收活塞冲击的能量，从而有效地保护实验装置。

首先通入氮气置换，然后将装置与气体控制管路抽真空，真空度小于20pa，从而降低残余气体的干扰。按实验所需化学计量配比将单次实验所需的气体通入测试段，然后利用压缩气体驱动活塞开始试验，同时利用同步器控制测量设备记录时间及相关物理量。测试结果见图3所示。结果表明，待测气在1000k温度及初始压力0.5mpa压力条件下的着火延迟时间为20ms，与文献数据非常接近，验证了本发明的可靠性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。