阻火器性能和研究
阻火器由外殼、阻火芯及附屬配件組成。其基本原理為淬熄,當火焰、熱氣體快速穿過阻火器時,通過阻火元件的孔壁向外釋放熱量,火焰、熱氣體在完全穿過阻火器之前充分冷卻,實現(xiàn)阻火。其應用的場所包括可燃氣體輸送系統(tǒng)、可燃氣體及液體儲罐等等,安裝在轉(zhuǎn)運可燃氣體的管道網(wǎng)中,防止在非正常條件下氣體爆燃或爆轟火焰沿管道傳播,但不影響氣體通過,所以工業(yè)上期望獲得較小流阻而能有效阻火的高性能阻火器。
阻火器分類方式有很多種,按阻火器結構分為金屬網(wǎng)型、波紋型、平行板型、多孔板型等。較典型的分類方式是按可燃預混氣體燃燒環(huán)境不同進行的,有以下3類:
(1)無約束空間爆燃過程?;鹧嬖趦藁蚬艿劳馊紵?,此時采用“管端型”阻燃阻火器,它安裝在管道的頂端,作為放空通大氣,阻止大氣中火焰?zhèn)魅牍艿纼?nèi)。
(2)受限空間爆燃過程?;鹧嬖诠艿乐袀鞑?,起初以亞音速沿管道傳播,此時使用“管線型”阻燃阻火器,它安裝在管道線路上,其兩側與管道相接,用于阻止亞音速火焰從上游傳入下游管道。
(3)爆轟過程?;鹧嬉砸羲偕踔脸羲傺刂艿纻鞑?,并伴隨著沖擊波,此時使用“管線型”阻爆轟阻火器,用于阻止超音速火焰通過。
目前,阻火結構能夠使火焰淬熄的理論有兩種,這在文獻中有詳細敘述。一種是熱理論,火焰和器壁進行熱量傳遞,降低了通過介質(zhì)的溫度;一種是連鎖反應理論(器壁效應),即火焰在結構表面上碰撞失去了自由基,從而燃燒反應停止,阻止了火焰?zhèn)鞑?。而對于阻火結構的壓力波抑制理論則未見報道。
煤礦瓦斯爆炸時的火焰多以超音速傳播,因此能用于煤礦的必須是上述第3種阻火結構,金屬網(wǎng)結構和波紋結構就是其中的代表。
金屬網(wǎng)結構是由具有一定目數(shù)和孔徑的單層或多層的金屬網(wǎng)重疊起來組成的,阻火效果取決于層數(shù)和目數(shù)。一般同一目數(shù)的金屬網(wǎng),隨著層數(shù)增加,阻火效果也隨之增加,但有一定限度。金屬網(wǎng)目數(shù)過多或者層數(shù)過多,都會增加流體的阻力。因其體積小、重量輕、誶熄性能好,多層絲網(wǎng)結構成為了最常用的阻火結構,許多學者也致力于爆炸波在絲網(wǎng)結構中傳播的研究。日本的北條英光、津田健等人曾對管內(nèi)多層絲網(wǎng)結構的淬熄性能做過系統(tǒng)的研究,研究發(fā)現(xiàn)臨界淬熄速度與金屬絲網(wǎng)幾何參數(shù)(體積空間率、絲網(wǎng)目數(shù)、金屬絲直徑等)之間有一定的關系,還發(fā)現(xiàn)絲網(wǎng)的淬熄性能與其材質(zhì)無關。網(wǎng)孔結構對火焰的淬熄作用也可用熱理論和連鎖反應理論(器壁效應)兩種理論來解釋。王振成和小川輝繁就不同的火焰速度,用適合的金屬網(wǎng)參數(shù)進行了研究,得出臨界消焰速度和金屬網(wǎng)形狀參數(shù)系數(shù)(線徑/孔寬)以及金屬網(wǎng)層數(shù)之間的實驗公式,指出金屬網(wǎng)結構不僅有消焰性能,而且具有泄壓作用。喻健良等人在前人基礎上,研究了多層不銹鋼絲網(wǎng)結構在內(nèi)徑為81mm、長度從1.4-2.9m可調(diào)的圓形管內(nèi)對乙炔一空氣爆炸火焰和壓力波傳播的影響,確定臨界淬熄速度、臨界淬熄壓差是衡量某一抑爆結構淬熄性能的重要指標,首次提出臨界淬熄量和臨界淬熄壓差的概念,得到了金屬網(wǎng)的幾何參數(shù)與臨界淬熄速度、臨界淬熄壓差、淬熄量和最大超壓值下降比率之間關系的經(jīng)驗公式。此研究未能確定火焰發(fā)生淬熄的原因究竟是熱理論還是連鎖反應理論(器壁效應),依據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗公式以及火焰淬熄和壓力波抑制方面的一些結論都是基于對40目和60目2種不銹鋼絲網(wǎng)而言的,不具普適性。
波紋型阻火器的阻火層由鋁、銅、黃銅、不銹鋼、銅鎳合金等材料壓制成的薄波紋板組成,如將一條波紋薄帶與一條薄平板帶繞在芯子上,則可形成小三角形的通道,即組成了波紋型阻火器。如圖3所示是一種高效換熱器,當火焰穿過三角形單元時,其前沿和阻火器內(nèi)壁發(fā)生能量交換,把熱量從燃燒著的氣體中盡快移走,氣體溫度迅速降至安全水平(低于自燃點),阻止裝置某部位發(fā)生的爆炸或火災傳遞到另一部位。其使用特點:有效截面大、流動阻力小、阻爆燃的范圍比較大、阻火層易置換清洗;但制造技術要求高、成本較高;適用于石油儲罐、油氣系統(tǒng)及其他燃氣輸送系統(tǒng)的管道。
最具發(fā)展?jié)摿Φ氖遣y阻火器,生產(chǎn)時很容易變換其結構形狀,達到有效淬熄火焰的目的,因此在沒有找到完全新型結構之前它不失為一種良好的阻火結構。燃燒爐/火炬系統(tǒng)過程中用于抑爆的不銹鋼波紋板阻火器盤,它由平滑和波紋鋼帶交替纏繞而成,二者間所形成的微小空隙即為介質(zhì)或火焰的通道。圖中空隙尺寸即為阻火盤標準化生產(chǎn)的重要參數(shù)。火焰一旦抵達阻火盤,即被切割成無數(shù)小塊,通過火焰和鋼帶間的熱傳導作用,火焰被冷卻、熄滅,達到滅火目的。根據(jù)阻火器的安裝位置離火源的距離,即所謂管道長與直徑比(L/D),我們可選擇阻爆轟型或者阻爆燃型阻火器。阻爆燃型阻火器適用于L/D<50,阻爆轟型阻火器則可安裝在管道任何位置,無需顧及L/D值。朝向火焰的阻火盤上通常要安插一溫度探測計,以探測可能發(fā)生在阻火盤上的穩(wěn)定燃燒。
對于波紋結構(三角形孔)的研究,早在1963年K.N.Palmer和Tonkin就研究了丙烷空氣爆燃火焰通過這種阻火結構時的淬熄規(guī)律,并給出了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c三角形孔徑(體現(xiàn)在單位面積上三角形孔的數(shù)量)及淬熄長度的關系,并得到實驗結果的支持。1972年Rogowski和Ames研究了波紋板阻火器表面的駐定火焰燃燒現(xiàn)象,即阻火器的耐燒實驗,給出了在一定燃氣流量下阻火芯表面溫升與時間的關系。1997年周凱元等人基于丙烷一空氣爆燃火焰在平行板狹縫中淬熄現(xiàn)象的理論研究結果,采用相似的實驗裝置對我國在20世紀80年代末期新研制的波紋板阻火器的阻火性能做了實驗研究,并從理論模型研究中所得到的結論出發(fā)導出了正三角形波紋高h,波紋板阻火器的阻火芯厚度L與爆燃火焰速度的關系,給出了適用于ⅡA類可燃氣與空氣混合物爆燃火焰的阻火器參數(shù)計算公式。