多层网孔结构抑爆性能的研究进展研磨机

多层网孔结构抑爆性能的研究进展

多层网孔结构抑爆性能的研究进展 2011年12月02日 来源： 随着矿业和石油工业的高速发展，因瓦斯等可燃气体的燃烧及爆炸事故而造成的人员及财产损失逐年增大。为此，许多学者致力爆炸波在各种结构中的传播规律的研究，力求找出能可靠有效的抑制爆炸波的结构。网孔结构因其对爆炸时产生的燃烧和压力波具有较好的抑制作用而逐渐被人们所重视。 1网孔结构对燃烧波的抑制作用 1.1 闸明阻火结构能使火焰发生淬熄的理论有两种，一种是器壁效应理论（连锁反应理论），一种是热理论。 （1）器壁效应理论。认为燃烧与爆炸并不是分子间的直接反应，而是由于分子键遭到自由基的碰撞而产生的活化分子，而活化分子又分裂为寿命很短但却很活泼的自由基，自由基与其它分子相撞生成的新的产物，同时也产生新的自由基再继续与其它分子发生反应，如此循环，形成稳定的燃烧；当火焰通过阻火结构的狭窄通道时，由于自由基与通道壁的碰撞几率增大，因与器壁碰撞而被销毁的自由基数量变多，参加反应的自由基减少。当阻火结构的通道宽度减小到一定程度时，自由基与通道宽度减小到一定程度时，自由基与通道壁的碰撞占主导地位，自由基数量急剧减少，反应不能继续进行，火焰发生淬熄。 （2）热理论。认为燃烧的必要条件之一就火焰的温度要高于淬熄温度。当火焰进入阻火结构的细小通道时被细分成若干细小的火焰，在设计阻火结构时要尽可能扩大火焰和通道壁的接触面积，强化传热，使火焰的热量尽可能多地传给金属元件，从而使火焰温度快速降到淬熄温度以下发生淬熄，阻止火焰的传播[1,2]。 1.2 网孔结构的淬熄性能 多层网孔结构具有体积小、重量轻、淬熄性能好的优点。日本的北条英光、津田健等人曾对管内多层网孔结构的淬熄性能做过较为系统的实验研究。 （1）网孔尺寸对淬熄性能的影响。当火焰接触到丝网结构时，火焰被细分后进入各个网孔。由于火焰的温度要远高于金属丝的温度，火焰的一部分热量传给金属丝后，其温度因热量的损失而降低，当温度降至其淬熄温度以下时就会发生淬熄。金属丝散热能力是影响多层网孔结构淬熄性能的重要因素。因此，就丝网本身来说，网孔越小（即目数越大），金属丝越粗，开口比及体积空间率越小，丝网的阻火性能就越好。也就是说，在单位面积或单位体积中，金属所占的比例越大阻火性能就越好。因为金属的比例增大，火焰的流动空间减小，火焰的细分程度加大，火焰与金属丝的接触面积变大，传热得以强化，火焰因被丝结构夺走的热量变多而快速降温到其淬熄温度下而发生淬熄。监界淬熄速度是衡量某一阻火结构阻火性能的重要指标。若火焰的传播速度较慢，通过阻火结构时就会因阻火结构的散热作用而产生的淬熄。当火焰的速度较快时，因其与阻火结构的接触时间短，其温度还未降到淬熄温度以下就已通过阻火结构了。火焰能通过的阻火结构的最小速度称为该阻火结构的临界淬熄速度，用Vc表示。用不同尺寸的丝进行试验，得出关于临界淬熄速度Vc与金属丝网几何参数之间的经验公式为[3]。 Vc·d/ε=3.52×10-10(d/ωε)1.28 (1) 式中ε——体积空间率； ω——丝网目数； d——金属丝直径。 在设计多层网孔结构时，所选网孔的直径要小于管中可燃气的熄灭直径[4]。但随着金属比例的增大，气体的流动阻力也在增大[5]。设计时应同时考虑到设备正常工作时气体的流动阻力和发生爆炸时多层网孔结构的阻火性能，不能顾此失彼。 （2）线网材质对淬熄性能的影响。常见的丝网材质有铁、不锈钢、黄铜等。从实验结果来看，丝网的淬熄性能与其材质基本无关。虽然各种金属的热容不同，但基本上处于同一数量级。加之火焰的传播速度很快，火焰与丝网的接触时间为毫秒级，在如此短暂的接触中，热容的差异体现得不明显。 （3）丝网层数对淬熄性能的影响。丝网层数是影响多层丝网的结构淬熄性能的重要因素。在一定条件下，当丝网层数增加时，其淬熄性能也随之变好。根据实验结果可得出丝网层数与临界淬熄速度之间的关系式： （Vc）N/(Vc)1=exp[0.64(N-1)] N≤6 (2) 式中 N——丝网层数； （Vc）N ——丝网层数为N层时的Vc值。 (Vc)1可由（1）求出，因此根据式（1）、（2）可求出任意层数和任意尺寸的多层丝网结构的临界淬熄速度（Vc）N。当层数>6时临界淬熄速度已不再增大，即使增加层数其淬熄性能也变化不大，同时还会因层数的增加而使气体的流动阻力增大，甚至会因丝网引起的湍流而使火焰速度加快，出现DDT过程（爆燃转爆轰），加剧火焰的传播[6]。根据实验，单层40目丝网的临界淬熄速度可达110m/s。 （4）丝网间距对淬熄性能的影响。通常，多层丝网比间层丝网的淬熄性能好，但这又涉及到丝网间距的问题。研究发现其间距对淬熄性能的影响很大。当两张丝网相距较近时淬熄性能最好，间距变大后其淬熄性能下降，当间距大于某一值时淬熄性能又保持稳定。由此可见，多层金属丝网间的间距存在2个临界值；第一临界间距称为允许间距（Sa），即两丝网间距小于这个值时，其阻火性能同两张网紧靠在一起时的淬熄能力相同。第二临界值称为限间距（Sc），即两丝网间距大于这个值时，其淬熄性能同一张网的性能相同。 丝网的目数越大，允许间距和界限间距越大。设计多层丝网结构时要考虑到间距的问题，尽量使丝网距小于第一临界间距即允许间距（Sa）。丝网间距为零时安装较容易，但易堵塞网眼，清洗率高，影响生产。为避免堵网，多认为两网有少许间距比紧贴在一起好。根据实验，对于20目的丝网，其第一临界间距为2mm，第二临界间距为15mm。而40目的丝网的第一临界间距为6mm，第二临界间距为40mm。 2网孔结构对爆轰波的抑制作用 爆轰波之所以能自持稳定地传播是由于横波的产生和发展。网孔结构具有吸收横波的能力，因此可以有效地破坏爆轰波的传播条件，使爆轰波蜕变成爆燃波。 对于给定的混合气体和网孔结构，在截面形状和尺寸确定的管道中，存在一个初始压力的临界值Pc。初压高于临界值时稳定自持传播的爆轰波仍能通过阻尼段；初压降至临界值时，爆轰波通过阻尼段时是不稳定的，即可能蜕变也可能尚未蜕变成强爆燃；初压低于临界值时，爆轰波肯定蜕变成强爆燃。临界的值低反映了某种网孔材料对爆燃波的衰减能力的大小。 3总结 火焰和压力波同时作用所产生的耦合效果是产生灾害的主要原因，也是揭示爆炸气体在复杂网孔通道中变化规律不可分割的因素。目前开展的研究工作多为只研究火焰的淬熄或只研究压力波的抑制，而同时将淬熄和压力波抑制作为目标的研究工作还很少。因此，应该对火焰和压力的共同效果给予足够的重视，力求找出网孔结构对火焰与压力波之间的耦合作用的抑制效果。网孔结构爆炸波的抑制具有深远的理论意义和广阔的应用前景。解决这一问题，将使爆炸波的研究从宏观走向微观、从实验研究走向实验和理论结合的高级研究阶段，逐步形成新的抑制爆炸波的理论，并开发出具有实用价值的抑爆技术和产品。

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