粉塵云最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，易燃粉塵得到了廣泛應(yīng)用，粉塵爆炸的潛在危險(xiǎn)性也大大增加。粉塵爆炸危害對眾多涉及易燃粉塵制備、使用和處理的行業(yè)，如煤炭、糧食、冶金、化工、紡織等，一直構(gòu)成持續(xù)的威脅。尤其隨著新技術(shù)的應(yīng)用和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，日益頻發(fā)的粉塵爆炸事故造成了嚴(yán)重的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。因此，對粉塵爆炸特性參數(shù)進(jìn)行深入研究就顯得十分必要，對于預(yù)防和控制此類工業(yè)災(zāi)害性事故具有重要的實(shí)際意義和科研價(jià)值。粉塵云最小點(diǎn)火能是重要的粉塵爆炸特性參數(shù)之一，它在

2、粉塵爆炸危險(xiǎn)性評估及如何采取避免有效點(diǎn)火源防爆措施等方面具有重要意義。
　　長期以來從事粉塵防爆工作的科學(xué)家們采用各種方法對粉塵云最小點(diǎn)火能進(jìn)行了測試及研究。目前，對于粉塵云最小點(diǎn)火能的測試主要參照德國工程師協(xié)會VDI2263和國際電工委員會IEC31標(biāo)準(zhǔn)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對粉塵云電火花點(diǎn)火特點(diǎn)、條件及影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與分析，根據(jù)粉塵云電火花點(diǎn)火條件

3、及粉塵云點(diǎn)火機(jī)理建立了完整的粉塵云電火花點(diǎn)火數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了從理論方面對粉塵云點(diǎn)火過程的研究。
　　首先，從設(shè)計(jì)輔助火花觸發(fā)三電極放電系統(tǒng)入手，在全面分析已有的7種電火花觸發(fā)電路基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了火花放電及最小點(diǎn)火能測試系統(tǒng)，自主研發(fā)了集高壓繼電器觸發(fā)雙電極系統(tǒng)、電極移動觸發(fā)雙電極系統(tǒng)、輔助火花觸發(fā)三電極系統(tǒng)于一體的最小點(diǎn)火能測試裝置，可分別實(shí)現(xiàn)不同級別能量的電火花放電，為不同的測試需求提供了選擇。
　　通過實(shí)驗(yàn)測量了玉米淀粉、

4、石松子粉、小麥粉的最小點(diǎn)火能。將實(shí)驗(yàn)測量與大量文獻(xiàn)調(diào)研相結(jié)合，全面、系統(tǒng)地分析了粉塵濃度、點(diǎn)火延遲時(shí)間等敏感條件對最小點(diǎn)火能的影響規(guī)律，結(jié)合電火花放電過程和粉塵云點(diǎn)火機(jī)理詳細(xì)分析了影響規(guī)律的內(nèi)在實(shí)質(zhì)，為實(shí)驗(yàn)中快速、準(zhǔn)確得到測量條件提供了重要而有效的指導(dǎo)。
　　針對粉塵云爆炸指數(shù)測量中使用化學(xué)點(diǎn)火頭的缺點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)了大能量電火花發(fā)生系統(tǒng)，開發(fā)了目前唯一支持10kJ大能量靜電點(diǎn)火的粉塵爆炸參數(shù)測試裝置。通過實(shí)驗(yàn)，研究了電火花點(diǎn)火和化學(xué)

5、點(diǎn)火在測量粉塵爆炸指數(shù)中的區(qū)別，對大能量電火花點(diǎn)火的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)靜電火花點(diǎn)火對傳統(tǒng)化學(xué)點(diǎn)火的替代提供了有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
　　采用示波法，利用高壓探頭和電阻分流器分別對放電電極兩端的電壓和電流進(jìn)行檢測，采用放電功率對時(shí)間積分的方式計(jì)算電火花能量。分析了在電感負(fù)載情況下的電火花放電波形;分析了充電能量對放電波形和火花能量的影響;分析了在不同充電能量情況下能量的轉(zhuǎn)換率以及誤差來源。在點(diǎn)火系統(tǒng)等效電路的基礎(chǔ)上建立了電感負(fù)載情況

6、下的R-C-L放電微分方程，利用龍格-庫塔法模擬了電火花放電過程中電極間隙電阻和間隙電流的變化，通過放電模型計(jì)算了電極間隙放電能量（火花能量）。將放電模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相結(jié)合，為實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火電路參數(shù)的確定提供了有效的指導(dǎo)，為使用火花能量來衡量粉塵云最小點(diǎn)火能提供了重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　其次，在詳細(xì)分析粉塵云點(diǎn)火機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩相流、傳熱學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中粉塵云電火花點(diǎn)火過程，建立了粉塵云最小點(diǎn)火能數(shù)學(xué)模

7、型。依據(jù)不同的點(diǎn)火機(jī)理，分別分析了均相反應(yīng)、非均相反應(yīng)以及均相反應(yīng)和非均相反應(yīng)同步進(jìn)行的點(diǎn)火過程，并提出了點(diǎn)火判據(jù)。模型中粉塵顆粒的燃燒考慮了水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出、氣相反應(yīng)和顆粒表面反應(yīng)，并認(rèn)為顆粒表面反應(yīng)同時(shí)受氧化劑向顆粒表面擴(kuò)散的速率和化學(xué)反應(yīng)的動力速率所控制，模型中還考慮了輻射換熱效應(yīng)。通過渦旋擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算，考慮了湍流對電火花點(diǎn)火過程的影響，克服了已有模型因忽略湍流導(dǎo)致的計(jì)算誤差。利用數(shù)學(xué)模型分析了電火花放電時(shí)間、火花直徑、粉塵

8、濃度、粉塵顆粒粒徑等對粉塵云最小點(diǎn)火能的影響，計(jì)算得到了鋁粉和玉米淀粉的最小點(diǎn)火能，并利用實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果對模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。理論分析表明，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較相符，在不考慮放電沖擊波影響的條件下，電火花放電時(shí)間對計(jì)算結(jié)果影響不大，而火花能量在空間上的分布對結(jié)果有重要影響。
　　開發(fā)的粉塵云最小點(diǎn)火能測試系統(tǒng)具有重要的實(shí)用價(jià)值，通過對實(shí)驗(yàn)過程的分析可進(jìn)一步加深對粉塵云電火花點(diǎn)火過程和機(jī)理的理解;所建立的完整的粉塵云最小點(diǎn)火能數(shù)