王 悅,白春華

(1.新疆工程學(xué)院安全工程系,新疆 烏魯木齊 830091;2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,北京 100081)

乙醚云霧場燃爆參數(shù)實驗研究*

王 悅1,白春華2

(1.新疆工程學(xué)院安全工程系,新疆 烏魯木齊 830091;2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,北京 100081)

基于自行研發(fā)的20 L二次脈沖氣動噴霧多相爆炸測試系統(tǒng)和全散射粒徑測量系統(tǒng)，對乙醚液體燃料瞬態(tài)霧化云霧場的燃爆參數(shù)進(jìn)行實驗研究。通過調(diào)節(jié)氣動壓力、設(shè)計噴霧劑量，得到了粒徑相同、質(zhì)量濃度不同的乙醚云霧燃爆超壓、溫度及點火延遲時間等燃爆參數(shù)。結(jié)果表明，在索特平均直徑為22.90 μm的條件下：乙醚云霧與空氣混合物的燃爆下限為80.26 g/m3，燃爆上限為417.34 g/m3；最大超壓峰值為0.78 MPa，其出現(xiàn)在云霧質(zhì)量濃度為278.23 g/m3時；最大爆溫峰值為1 260 ℃，其出現(xiàn)在云霧質(zhì)量濃度為228.29 g/m3時；點火延遲時間在燃爆極限范圍內(nèi)呈U型分布。

爆炸力學(xué);燃爆參數(shù);氣動壓力;乙醚云霧;索特平均直徑

近年來，對于云霧燃爆的實驗研究主要集中在氣-液兩相混合物的起爆能量[1]、爆燃轉(zhuǎn)爆轟及爆轟波結(jié)構(gòu)[2-7]等方面。云霧燃爆涉及燃料的物化性能、液滴大小、云霧質(zhì)量濃度、環(huán)境等多種影響因素，當(dāng)前對密閉容器云霧等粒徑條件下，不同質(zhì)量濃度的云霧燃爆性能的研究還較少，尤其是乙醚云霧此方面的研究更少。乙醚自燃溫度為160 ℃，閃點為-45 ℃，可在無火焰或火花的熱表面環(huán)境下點燃。乙醚在氣相狀態(tài)下與空氣混合的燃爆極限為(1.9～36.0)%(體積分?jǐn)?shù))。由于乙醚易于生產(chǎn)、成本低，同時具有高揮發(fā)、低閃點等特性，在軍事、燃油替代等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文中，通過自行研發(fā)的20 L二次脈沖氣動多相爆炸測試系統(tǒng)和全散射粒徑測量系統(tǒng)，對索特平均直徑相同、質(zhì)量濃度不同的乙醚云霧燃爆參數(shù)進(jìn)行實驗研究。

1 實驗裝置

1.1 概 述

圖1(a) 20 L二次脈沖氣動噴霧多相爆炸測試系統(tǒng)照片圖
Fig.1(a) Photo of 20 L pulse pneumatic spray multiphaseexplosion test system

多相爆炸測試系統(tǒng)包括：20 L球型爆炸罐體、雙噴頭二次脈沖氣動霧化子系統(tǒng)、100 J無級可調(diào)火花放電點火子系統(tǒng)[8]、高速數(shù)據(jù)采集處理存儲子系統(tǒng)[9-10]、時序觸發(fā)控制中心。如圖1所示，20 L球型爆炸罐體內(nèi)徑為337 mm,罐體包括一對透明光學(xué)檢測窗口。時序觸發(fā)控制中心可同時控制氣動霧化、點火、數(shù)據(jù)采集、全散射粒徑測量等子系統(tǒng)按實驗要求，不同時間精確觸發(fā)，精度級別1 ms。全散射粒徑測量系統(tǒng)光路通過罐體透明光學(xué)檢測窗口，并穿過球罐中心；激光發(fā)射單元光學(xué)波長分別為447、543、638 nm，功率為50 mW。

圖1(b) 20 L二次脈沖氣動噴霧多相爆炸測試系統(tǒng)示意圖
Fig.1(b) Schematic diagram of 20 L pulse pneumatic spray multiphase explosion test system

1.2 二次脈沖霧化系統(tǒng)

圖2 氣動霧化噴腔結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structural model of pneumatic atomizing chamber

圖3 二次脈沖氣動霧化系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of secondary pulse-pneumatic jet atomization system

為實現(xiàn)瞬態(tài)大張角霧化效果，自行研制了雙噴頭二次脈沖氣動霧化子系統(tǒng)。其組成包括：空氣泵、電磁閥、高壓氣室、儲液室、氣液輸送管段(內(nèi)直徑為20 mm)、球型腔體噴頭(內(nèi)直徑為40mm，前半球表面上布置11 圈直徑為1.0～1.5 mm的小孔119個)、多孔均布空心小球(小球直徑為25 mm;開孔42個,孔徑為3 mm)。氣動霧化噴腔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于在氣液輸送管段高速高壓瞬態(tài)脈動噴射作用下，形成以環(huán)狀流為主的流型結(jié)構(gòu)，即氣相在管道中心形成高速流動的氣芯，液相以液膜形式沿管壁周圍向前運動，如圖3所示。在噴霧腔室加裝均布帶孔小球，上述流型進(jìn)入氣液參混擴散區(qū)后(噴霧腔室)，一部分氣體進(jìn)入小球形成高壓氣腔，并由小球前半部分小孔排出產(chǎn)生二次氣動；另部分氣體沿小球外部形成漩渦，加強氣液摻混；最終由多孔小球排出的帶壓氣體推動氣液摻混區(qū)的液體沿噴頭噴出,形成大張角圓錐體結(jié)構(gòu)的懸浮云霧。

1.3 粒徑測量系統(tǒng)

為實時測量云霧粒徑及質(zhì)量濃度，自行研發(fā)了全散射粒徑測量系統(tǒng)，并同步使用實時噴霧激光粒度儀HELOS-VARIO進(jìn)行了實驗數(shù)據(jù)比較測試，結(jié)果見表1，表中n為測量次數(shù)。2套系統(tǒng)所測得特征直徑D10、D50、D90和索特平均直徑D32的誤差分別為2.85%、4.65%、1.27%、0.24%。結(jié)果證明，研發(fā)的全散射粒徑測量系統(tǒng)能夠滿足實驗測量要求。

表1 2種測量系統(tǒng)的測量結(jié)果Table 1 Measured results by two measuring systems

2 實驗過程

實驗工況為：初始環(huán)境溫度,21 ℃;噴霧時長,50 ms;點火時刻,100 ms;點火能量,40.32 J。首先,通過調(diào)節(jié)氣動壓力和設(shè)計噴霧劑量，在實驗環(huán)境恒定的條件下進(jìn)行等粒徑、不同質(zhì)量濃度的實驗數(shù)據(jù)收集；然后，通過統(tǒng)計獲得一組等粒徑、不同質(zhì)量濃度的實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行云霧燃爆參數(shù)測試實驗，即同步觸發(fā)氣動噴霧、高速攝像機及點火系統(tǒng)；最后，記錄燃爆超壓、溫度、點火延遲等實驗數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 粒徑分布與質(zhì)量濃度

索特平均直徑為22.90 μm，由乙醚云霧不同質(zhì)量濃度ρ數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果(見表2)可知：(1)在噴霧時長50 ms作用下，400～800 kPa不同氣動壓力pp霧化過程完成后100 ms，罐體內(nèi)部壓力pv僅上升2～4 kPa,滿足后期常壓燃爆實驗環(huán)境要求；(2)由實驗測量發(fā)現(xiàn)，噴霧損耗劑量ml不可忽視，其占設(shè)計噴霧劑量md的15%～25%；(3)索特平均直徑22.90 μm為不同質(zhì)量濃度下實測粒徑D32的平均值，其偏差小于5%。

表2 乙醚云霧質(zhì)量濃度和粒徑實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of particle size and mass concentration of diethyl ether mist

3.2 燃爆參數(shù)

在點火能為40.32 J、乙醚云霧索特平均直徑為22.90 μm的條件下，由圖4可知，乙醚云霧燃爆極限范圍為80.26～417.34 g/m3。

乙醚氣相燃爆極限濃度范圍在1.9%～36%(體積分?jǐn)?shù))[11]。在本實驗研究中，按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣相換算云霧體積濃度為2.42%～12.60%(體積分?jǐn)?shù))?？梢妼嶒灚@得的云霧燃爆下限80.26 g/m3(2.42%)比文獻(xiàn)中乙醚純氣相燃爆下限1.9%高；同時，云霧燃爆上限417.34 g/m3(12.60%)比文獻(xiàn)中乙醚氣相燃爆上限36%低，因此可以得出:(1)在乙醚云霧索特平均直徑為22.90 μm的條件下，云霧濃度對乙醚云霧燃爆上、下限有較大影響；(2)燃爆上限的下降是由于隨云霧液滴濃度的增大，液滴群吸熱汽化并燃燒所需的能量逐漸增加，發(fā)生了淬火現(xiàn)象所致。

乙醚氣相與空氣混合(乙醚當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)Cst≈3.39%)化學(xué)反應(yīng)方程如下：

圖4 不同質(zhì)量濃度的乙醚云霧燃爆超壓、溫度變化趨勢Fig.4 Peak overpressure and temperature of diethyl ether mistwith different mass concentrations

理論上，上述方程說明乙醚氣相與空氣混合燃爆超壓峰值p的最大值應(yīng)出現(xiàn)在乙醚當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)為3.99%[12-13]的位置。而實驗獲得最大超壓出現(xiàn)在乙醚云霧質(zhì)量濃度為278.23 g/m3(6.89%(體積分?jǐn)?shù)))時，這說明由于云霧液相顆粒群主要以擴散燃燒模式并促使了對應(yīng)于最大燃爆超壓的乙醚云霧質(zhì)量濃度推遲來臨。

氣相可燃物與空氣混合燃爆超壓和溫度θ變化趨勢同步[14],但在本實驗中，最大火焰擴散溫度出現(xiàn)在乙醚云霧質(zhì)量濃度為228.29 g/m3時；而最大燃爆超壓出現(xiàn)在乙醚云霧質(zhì)量濃度為278.23g/m3時；這表明乙醚云霧液相顆粒群蒸發(fā)擴散燃燒過程對溫度、壓力同步發(fā)生了影響，即最大燃爆溫度對應(yīng)的乙醚云霧質(zhì)量濃度低于最大燃爆超壓對應(yīng)的乙醚云霧質(zhì)量濃度。

3.3 點火延遲時間

對于云霧場燃爆通常由點火時刻到火焰?zhèn)鞑グl(fā)生，存在不同的點火延遲時間ti,d，如圖5所示云霧點火超壓過程示意圖。這是由于:(1)放電火花點火過程發(fā)生的放熱過程及液滴群吸熱過程存在一定的時間；(2)不同物化性能的云霧也是影響點火延遲時間的重要因素；(3)對于不同濃度的云霧場，點火延遲時長也不盡相同。通過高速攝像機以10 000 fps的速度拍攝不同乙醚云霧點火延遲時間及火焰發(fā)展過程，如圖6所示，由不同質(zhì)量濃度下點火延遲時間及趨勢可知，在乙醚云霧質(zhì)量濃度為228.29 g/m3時其點火延遲時長最短，約為15 ms；最長點火延遲時長26 ms發(fā)生在乙醚云霧燃爆上限417.34 g/m3。乙醚云霧與空氣混合點火延遲時長在燃爆極限范圍內(nèi)呈U型分布。

圖5 云霧點火超壓過程示意圖Fig.5 Diagrammatic overpressure processon ignition of the mist

圖6 不同質(zhì)量濃度的乙醚液霧的點火延遲時間Fig.6 Ignition delay time of diethyl ether mist with different mass concentrations

如圖7所示，實驗觀測得到火焰由球罐下半部向整個罐體傳播，分析可得：(1)在霧化完成后，液滴的沉降效應(yīng)導(dǎo)致球罐下半部濃度隨時間而升高；(2)雙噴頭二次脈沖氣動霧化方法，減緩了氣動對罐體內(nèi)部湍流強度，從而使湍流效應(yīng)弱于液滴群沉降效應(yīng)。

圖7 質(zhì)量濃度為278.23 g/m3的乙醚云霧點火及火焰?zhèn)鞑ミ^程Fig.7 Ignition and flame propagation process of diethyl ether mist with the mass concentration of 278.23 g/m3

4 結(jié) 論

建立了20 L二次脈沖氣動噴霧多相爆炸測試系統(tǒng)和全散射粒徑測量系統(tǒng)，通過不同氣動壓力與設(shè)計噴霧劑量的協(xié)調(diào)，獲得了乙醚云霧在索特平均直徑為22.90μm的條件下不同質(zhì)量濃度實驗數(shù)據(jù)，并在點火能為40.32 J、常溫常壓條件下進(jìn)行了燃爆超壓、溫度及點火延遲時間等燃爆參數(shù)的實驗研究，得到結(jié)論如下：

(1)乙醚云霧與空氣混合物燃爆質(zhì)量濃度極限范圍為80.26～417.34 g/m3。

(2)乙醚云霧與空氣混合物燃爆最大超壓0.78 MPa,出現(xiàn)在乙醚云霧質(zhì)量濃度為278.34 g/m3時。乙醚云霧燃爆最大溫度1 260 ℃，出現(xiàn)在乙醚云霧質(zhì)量濃度為228.29 g/m3時。

(3)乙醚云霧與空氣混合物點火延遲時長在燃爆極限范圍內(nèi)呈U型分布，最短點火延遲時長15 ms發(fā)生在乙醚云霧質(zhì)量濃度為228.29 g/m3時；最長點火延遲時長26 ms發(fā)生在乙醚云霧燃爆質(zhì)量濃度上限417.34 g/m3時。

[1] 白春華,梁慧敏,李建平.云霧爆轟[M].北京:科學(xué)出版社,2012:1.

[2] 姚干兵,解立峰,劉家驄.液體碳?xì)淙剂显旗F爆轟特性的實驗研究[J].爆炸與沖擊,2006,26(6):543-549. Yao Ganbing, Xie Lifeng, Liu Jiacong. Experimental study on detonation characteristics of liquid fuel-air mixtures[J]. Explosion and Shock Waves, 2006,26(6):543-549.

[3] 沈曉波,魯長波,李斌,等.液體燃料云霧爆轟參數(shù)實驗[J].爆炸與沖擊,2012,32(1): 108-112. Shen Xiaobo, Lu Changbo, Li Bin, et al. An experimental study of detonation parameters of liquid fuel drops cloud[J]. Explosion and Shock Waves, 2012,32(1):108-112.

[4] Liu Qingming, Bai Cunhua, Dai Wenxi, et al. Deflagration-to-detonation transition in isopropyl nitrate mist/air mixtures[J]. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2011,47(4):448-456.

[5] Liu Qingming, Bai Chunhua, Jiang Li, et al. Deflagration-to-detonation transition in nitromethane mist/aluminum dust/air mixtures[J]. Combustion and Flame, 2010,157(1):106-117.

[6] Moen I. Transition to detonation in fuel-air explosive clouds[J]. Journal of Hazardous Materials, 1993,33(2):159-192.

[7] Stamps D W, Slezak S E, Tieszen S R. Observations of the cellular structure of fuel-air detonations[J]. Combustion and Flame, 2006,144(1):289-298.

[8] Zhang Qi, Li Wei, Zhang Shixi. Effects of spark duration on minimum ignition energy for methane/air mixture[J]. Process Safety Progress, 2011,30(2):154-156.

[9] Liu Xueling, Zhang Qi. Influence of initial pressure and temperature on flammability limits of hydrogen-air[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014,39(12): 6774-6782.

[10] Liu Xueling, Zhang Qi, Ma Qiuju, et al. Limiting explosible concentration of hydrogen-oxygen-helium mixtures related to the practical operational case[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014,29:240-244.

[11] Bai Chunhua, Zhang Bo, Xiu Guangli, et al. Deflagration to detonation transition and detonation structure in diethyl ether mist/aluminum dust/air mixtures[J]. Fuel, 2013,107(9):400-408.

[12] Zhang Qi, Li Wei, Tan Rumei, et al. Combustion parameters of gaseous epoxypropane/air in a confined vessel[J]. Fuel, 2013,105(2):512-517.

[13] Zhang Qi, Li Wei, Zhang Shixi. Effects of spark duration on minimum ignition energy for methane/air mixture[J]. Process Safety Progress, 2011,30(2):154-156.

[14] Liu Xueling, Huang Ying, Wang Yue, et al. Critical explosible oxygen concentration of methanol-saturated vapor/O2/N2mixtures at elevated temperatures and pressures[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014,53(13):5617-5621.

(責(zé)任編輯 張凌云)

Experimental research on explosion parameters of diethyl ether mist

Wang Yue1, Bai Chunhua2

(1.DepartmentofSafetyEngineering,XinjiangInstituteofEngineering,Urumqi830091,Xinjiang,China；2.StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

The Mei extinction detection system and the self-developed 20 L pulse pneumatic spray multiphase explosion test system were applied to experimentally investigate the explosion parameters of the diethyl ether mist/air mixtures. By regulating pneumatic pressure and designing spray dose, the explosion parameters of the diethyl ether mist/air mixtures with the same particle size and different mass concentrations were obtained including explosion overpressure, explosion temperature and ignition delay time. The results show that when the Sauter mean diameter of diethyl ether mist is 22.90 μm, the lower explosion limit of diethyl ether mist/air mixtures is 80.261 g/m3, the upper explosion limit is 417.34 g/m3, the highest peak overpressure is 0.78 MPa which occurs with the mass concentration as 278.23 g/m3, the highest peak temperature is 1 260 ℃ which occurs with the mass concentration as 228.29 g/m3, and the ignition delay time takes on a U-shaped distribution in the explosion limit range.

mechanics of explosion; explosion parameter; pneumatic pressure; diethyl ether mist; Sauter mean diameter

10.11883/1001-1455(2016)04-0497-06

2014-11-18；

2015-02-06

國家自然科學(xué)基金項目(11372044)

王 悅(1975— )，女，博士,講師，726572905@qq.com。

O381國標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A