一种氢气射流火试验装置

技术领域

本发明涉及易燃易爆气体安全技术领域，尤其涉及一种氢气射流火试验装置。

背景技术

大量以化石能源为主的高能源消费和二氧化碳排放的急剧增加给全球经济的可持续发展带来了严峻的挑战。为实现能源结构转型，许多国家对新型清洁能源开展了大量研究，在所有引入的绿色能源替代方案中，氢气作为清洁、绿色、高效的二次能源，在地球上资源丰富，被各国认为是人类理想的能源之一。长远来看，氢能有很好的发展前景，尤其是在发电供热、工业原料和交通运输等领域有着显著增长的应用趋势。因此，随着氢燃料汽车和加氢站的大规模推广应用，急需一套完善的模拟氢气射流火实验装置，通过开展相应的实验研究，探究氢气射流火的行为特征，来解决高压储氢过程中的关键安全技术问题。

例如，专利CN 113092528 A公开了一种可变向高压氢气射流燃烧的实验装置，其适用于不同角度下高压氢气射流燃烧实验，氢气排放的角度可任意调整，以便模拟和评估氢燃料汽车和加氢站内高压氢气泄漏燃烧形成的危险范围。然而，现有技术中的实验装置，其燃烧室内环境压力不可调整，不能够模拟高海拔低压低氧环境下的氢气射流火实验。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种氢气射流火试验装置，用以解决现有技术中实验装置不能够模拟高海拔低压低氧环境下的氢气射流火实验的技术问题。

本发明提供一种氢气射流火试验装置，该氢气射流火试验装置包括：

试验舱，具有试验腔，所述试验腔的侧壁设有观察窗；

抽气系统，包括抽吸泵、及连通所述抽吸泵与所述试验腔的抽吸管道，所述抽吸泵用以调整所述试验腔内的气压，所述抽吸管道上设有抽气调节阀；

进气系统，包括氢气储罐、输氢管道、氧气储罐及输氧管道，所述输氢管道连通所述氢气储罐及所述试验腔、且其上设有氢气调节阀，所述输氧管道连通所述氧气储罐及所述试验腔、且其上设有氧气调节阀；

点火系统，包括设于所述试验腔内的点火电极，所述点火电极对应于所述输氢管道连通所述试验腔的一端；以及，

采集系统，包括设于所述试验腔内的温度采集部件、及设于所述试验腔外的摄像部件，所述摄像部件对应于所述观察窗。

可选地，所述点火系统还包括：

点火基座，设于所述试验腔内、并对应于所述输氢管道连通所述试验腔的一端，所述点火基座上设有第一导轨，所述第一导轨水平设置、并沿远离所述输氢管道的方向延伸设置，且所述第一导轨上滑动设有第一滑块；以及，

第二导轨，设于所述第一滑块、并沿竖直方向延伸设置，且所述第二导轨上滑动设有第二滑块，其中，所述点火电极设于所述第二滑块。

可选地，所述温度采集部件包括热电偶及热辐射计。

可选地，所述热电偶设有多个，所述温度采集部件还包括设于所述试验腔内的第三导轨，所述第三导轨对应于所述输氢管道连通所述试验腔的一端、并沿竖直方向延伸设置，且其上滑动设有多个第三滑块，相邻的两个所述第三滑块之间的距离可调；

其中，多个所述热电偶与多个所述第三滑块一一对应，各所述热电偶设于对应的所述第三滑块。

可选地，所述温度采集部件还包括多个第一伸缩杆，多个所述第一伸缩杆与多个所述第三滑块一一对应，各所述第一伸缩杆的长度可调整，且一端固定于对应的所述第三滑块；

其中，多个所述热电偶与多个所述第一伸缩杆一一对应，各所述热电偶设于对应的所述第一伸缩杆远离所述第三滑块的一端。

可选地，所述热辐射计设有多个，所述温度采集部件还包括设于所述试验腔内的第四导轨，所述第四导轨对应于所述输氢管道连通所述试验腔的一端、并沿竖直方向延伸设置，且其上滑动设有多个第四滑块，相邻的两个所述第四滑块之间的距离可调；

其中，所述第三导轨与所述第四导轨呈相对设置，且多个所述热辐射计与多个所述第四滑块一一对应，各所述热电偶设于对应的所述第四滑块。

可选地，所述温度采集部件还包括多个第二伸缩杆，多个所述第二伸缩杆与多个所述第四滑块一一对应，各所述第二伸缩杆的长度可调整，且一端固定于对应的所述第四滑块；

其中，多个所述热辐射计与多个所述第二伸缩杆一一对应，各所述热辐射计设于对应的所述第二伸缩杆远离所述第四滑块的一端。

可选地，所述输氢管道连通所述试验腔的一端伸入所述试验腔内，以形成出氢端；

所述进气系统还包括喷嘴底座、及多个喷头，所述喷嘴底座连接于所述出氢端，多个所述喷头的尺寸各异，且各所述喷头与所述喷嘴底座可拆卸连接。

可选地，所述氧气调节阀包括沿氧气输送方向依次设置的第一减压阀、第一质量流量控制器及第一电磁阀；和/或，

所述氢气调节阀包括沿氢气输送方向依次设置的第二减压阀、第二质量流量控制器、第二电磁阀及阻火器。

可选地，所述输氧管道包括输氧主管、及多个连通所述输氧主管的输氧支管，多个所述输氧支管沿上下向依次连通所述试验腔；

其中，所述第一减压阀、第一质量流量控制器及第一电磁阀设于所述输氧主管。

与现有技术相比，本发明提供的氢气射流火试验装置在进行试验时，先关闭氢气调节阀及氧气调节阀，并打开抽气调节阀，然后启动抽吸泵开始抽气，同时能够借助调整抽气调节阀的开度，使得试验腔内的气压降低到目标气压水平，以能够模拟高海拔低压低氧环境，再关闭抽气调节阀；然后打开氢气调节阀向试验腔内输送氢气，同时控制点火电极点火以点燃氢气，在氢气燃烧过程中，打开氧气调节阀、并通过控制氧气调节阀的开度以向试验腔内不断供给氢气燃烧消耗的氧气，维持试验腔内部气氛稳定，进而维持氢气射流火的长时间稳定燃烧；在氢气燃烧过程中，温度采集部件能够实时采集氢气燃烧火焰的温度参数，且摄像部件能够实时记录火焰图像，以便于对氢气射流火开展全面分析。如此，对深入了解高海拔地区氢气泄漏射流火的演变发展规律有着重大意义，有利于充分评估其危险特性，并提出针对性的解决措施。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如下。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的氢气射流火试验装置的一实施例的结构示意图；

图2为图1中点火系统、输氢管道及氢气储罐的结构示意图；

图3为图1中试验舱、抽吸系统、氧气储罐及输氧管道的结构示意图；

图4为图3中试验舱另一角度的结构示意图；

图5为图1中电控系统及外围设备的结构示意图；

图6为图1中采集系统的结构示意图；

图7为图6中热电偶的安装示意图；

图8为图7中第一伸缩杆的结构示意图；

图9为图7中热辐射计的安装示意图。

附图标记说明：

100-氢气射流火试验装置、1-试验舱、1a-试验腔、11-舱体、12-舱门、13-观察窗、14-氧气浓度传感器、2-抽气系统、21-抽吸泵、22-抽吸管道、23-抽气调节阀、3-进气系统、31-氢气储罐、32-输氢管道、321-出氢端、33-氧气储罐、34-输氧管道、341-输氧主管、342-输氧支管、35-氢气调节阀、351-第二减压阀、352-第二质量流量控制器、353-第二电磁阀、354-阻火器、36-氧气调节阀、361-第一减压阀、362-第一质量流量控制器、363-第一电磁阀、37-喷嘴底座、38-喷头、4-点火系统、41-点火电极、42-点火基座、43-第一导轨、44-第一滑块、45-第二导轨、46-第二滑块、5-采集系统、51-温度采集部件、511-热电偶、512-热辐射计、513-第三导轨、514-第三滑块、515-第一伸缩杆、516-第四导轨、517-第四滑块、518-第二伸缩杆、52-摄像部件、53-数据采集仪、6-通风扇叶、61-通风管道、62-泄压阀、7-电控系统、71-PLC控制柜、72-配电柜、73-供电线缆、74-通信线缆、75-工作站、8-外围设备、81-配电系统、82-供水系统、83-废水排污系统。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参见图1，本氢气射流火试验装置100包括试验舱1、抽气系统2、进气系统3及点火系统4；试验舱1具有试验腔1a，试验腔1a的侧壁设有观察窗13；抽气系统2包括抽吸泵21、及连通抽吸泵21与试验腔1a的抽吸管道22，抽吸泵21用以调整试验腔1a内的气压，抽吸管道22上设有抽气调节阀23；进气系统3包括氢气储罐31、输氢管道32、氧气储罐33及输氧管道34，输氢管道32连通氢气储罐31及试验腔1a、且其上设有氢气调节阀35，输氧管道34连通氧气储罐33及试验腔1a、且其上设有氧气调节阀36；点火系统4包括设于试验腔1a内的点火电极41，点火电极41对应于输氢管道32连通试验腔1a的一端；采集系统5包括设于试验腔1a内的温度采集部件51、及设于试验腔1a外的摄像部件52，摄像部件52对应于观察窗13。

本发明提供的氢气射流火试验装置100在进行试验时，先关闭氢气调节阀35及氧气调节阀36，并打开抽气调节阀23，然后启动抽吸泵21开始抽气，同时能够借助调整抽气调节阀23的开度，使得试验腔1a内的气压降低到目标气压水平，以能够模拟高海拔低压低氧环境，再关闭抽气调节阀23；然后打开氢气调节阀35向试验腔1a内输送氢气，同时控制点火电极41点火以点燃氢气燃烧，在氢气燃烧过程中，打开氧气调节阀36、并通过控制氧气调节阀36的开度以向试验腔1a内不断供给氢气燃烧消耗的氧气，维持试验腔1a内部气氛稳定，进而维持氢气射流火的长时间稳定燃烧；在氢气燃烧过程中，温度采集部件51能够实时采集氢气燃烧火焰的温度参数，且摄像部件52能够实时记录火焰图像，以便于对氢气射流火开展全面分析。如此，对深入了解高海拔地区氢气泄漏射流火的演变发展规律有着重大意义，有利于充分评估其危险特性，并提出针对性的解决措施。

需要说明的是，在本实施例中，试验舱1外板采用优质碳钢材质，內覆工字钢和矩管型材作为加强筋以增强试验舱1的强度，其中间部分填塞有保温岩棉，内侧安装有不锈钢多孔装饰板，起到防火隔热的效果。此外，试验舱1由舱体11和舱门12组成，舱门12与舱体11之间用硅胶材质的异形密封圈实现密封效果，观察窗13分别安装在舱体11左右侧面的中央位置，其材质为钢化玻璃，观察窗13通过橡胶与金属窗框接触固定。此外，在本实施例中，试验腔1a内还设有氧气浓度传感器14，以实时监测试验腔1a内的氧气浓度，进而便于准确调整氧气调节阀36的开度。另，抽吸泵21设置为变频真空泵。

进一步地，在试验腔1a的顶部还设有通风系统，通风系统包括通风扇叶6、及通风管道61，通风管道61上设有泄压阀62。通风扇叶6使用防爆电机驱动，通风管道61分为小口径管和大口径管两部分，前者用于安装泄压阀62，后者用于扩大通风截面。此外，氢气射流火试验装置100还包括电控系统7及外围设备8，电控系统7包括PLC控制柜71、配电柜72、供电线缆73、通信线缆74和工作站75，PLC控制柜71与工作站75通过通信线缆74连接，实现数据通信和过程控制，配电柜72用于实验用电的电能转换及控制，工作站75集成了试验装置的控制程序，人员通过工作站75进行试验装置的操作控制；外围设备8包括配电系统81、供水系统82和废水排污系统83，配电系统81接入市政供电，供水系统82接入市政供水，废水排污系统83接入地下排污通道。

进一步地，点火系统4还包括点火基座42及第二导轨45；点火基座42设于试验腔1a内、并对应于输氢管道32连通试验腔1a的一端，点火基座42上设有第一导轨43，第一导轨43水平设置、并沿远离输氢管道32的方向延伸设置，且第一导轨43上滑动设有第一滑块44；第二导轨45设于第一滑块44、并沿竖直方向延伸设置，且第二导轨45上滑动设有第二滑块46，其中，点火电极41设于第二滑块46。在本实施例中，第一滑块44能够沿水平方向滑动设于第一导轨43，同时第二滑块46能够沿竖直方向滑动设于第二导轨45，如此，使得点火电极41能够沿水平方向及竖直方向活动，进而调整点火电极41的位置，使得点火更加可靠。

进一步地，温度采集部件51包括热电偶511及热辐射计512，以通过热电偶511和热辐射计512监测氢气射流火焰轴线上的温度分布和热辐射值。具体地，摄像部件52包括三角支架、及设于三角支架的CCD摄像机，以记录火焰形态变化，提供火焰长度和火焰脉动频率计算的基本视频图像数据。

更进一步地，热电偶511设有多个，温度采集部件51还包括设于试验腔1a内的第三导轨513，第三导轨513对应于输氢管道32连通试验腔1a的一端、并沿竖直方向延伸设置，且其上滑动设有多个第三滑块514，相邻的两个第三滑块514之间的距离可调；其中，多个热电偶511与多个第三滑块514一一对应，各热电偶511设于对应的第三滑块514。本方案中，热电偶511设有多个，并与多个第三滑块514一一对应，以形成热电偶树，提高火焰温度监测准确性。同时，单个热电偶511的高度可调整，且相邻两个热电偶511之间的距离也可调整，以使得热电偶树对氢气温度监测更加灵活，适用于不同环境压力，提高数据采集的精确度。

具体地，温度采集部件51还包括多个第一伸缩杆515，多个第一伸缩杆515与多个第三滑块514一一对应，各第一伸缩杆515的长度可调整，且一端固定于对应的第三滑块514；其中，多个热电偶511与多个第一伸缩杆515一一对应，各热电偶511设于对应的第一伸缩杆515远离第三滑块514的一端。本实施例中，能够通过调整第一伸缩杆515的长度，来调整热电偶511到火焰的距离，使得热电偶511的温度监测更加精准。需要说明的是，在本实施例中，各第一伸缩杆515包括多个依次套设的中空杆，相邻的两个中空杆能够沿其长度方向活动，以使得第一伸缩杆515的长度能够调整，且其中空内部用于走线。

同样的，热辐射计512设有多个，温度采集部件51还包括设于试验腔1a内的第四导轨516，第四导轨516对应于输氢管道32连通试验腔1a的一端、并沿竖直方向延伸设置，且其上滑动设有多个第四滑块517，相邻的两个第四滑块517之间的距离可调；其中，第三导轨513与第四导轨516呈相对设置，且多个热辐射计512与多个第四滑块517一一对应，各热电偶511设于对应的第四滑块517。本方案中，热辐射计512设有多个，并与多个第四滑块517一一对应，以形成热辐射计树，提高火焰热辐射值的监测准确性。同时，单个热辐射计512的高度可调整，且相邻两个热热辐射计512之间的距离也可调整，以使得热辐射计树对氢气热辐射值监测更加灵活，适用于不同环境压力，提高数据采集的精确度。

具体地，温度采集部件51还包括多个第二伸缩杆518，多个第二伸缩杆518与多个第四滑块517一一对应，各第二伸缩杆518的长度可调整，且一端固定于对应的第四滑块517；其中，多个热辐射计512与多个第二伸缩杆518一一对应，各热辐射计512设于对应的第二伸缩杆518远离第四滑块517的一端。本实施例中，能够通过调整第二伸缩杆518的长度，来调整热辐射计512到火焰的距离，使得热辐射计512的热辐射值监测更加精准。需要说明的是，在本实施例中，各第二伸缩杆518包括多个依次套设的中空杆，相邻的两个中空杆能够沿其长度方向活动，以使得第二伸缩杆518的长度能够调整，且其中空内部用于走线。

进一步地，输氢管道32连通试验腔1a的一端伸入试验腔1a内，以形成出氢端321；进气系统3还包括喷嘴底座37、及多个喷头38，喷嘴底座37连接于出氢端321，多个喷头38的尺寸各异，且各喷头38与喷嘴底座37可拆卸连接。本实施例中，多个喷头38的出气孔径不同，并能够灵活拆换喷头38，以进行不同流量的氢气射流试验。且无需拆卸喷嘴底座37即可实现喷头38的灵活拆换，提高便捷性。具体地，在本实施例中，各喷头38与喷嘴底座37之间螺接连接，以便于拆换。

进一步地，氧气调节阀36包括沿氧气输送方向依次设置的第一减压阀361、第一质量流量控制器362及第一电磁阀363；和/或，氢气调节阀35包括沿氢气输送方向依次设置的第二减压阀351、第二质量流量控制器352、第二电磁阀353及阻火器354，以提高安全性能，在阻止火焰传播的同时又能允许氢气通过。具体地，本实施例的试验步骤如下：

(1)关闭第一减压阀361、第二减压阀351、泄压阀62和抽气调节阀23，第一电磁阀363和第二电磁阀353处于切断状态，确保气体管道和阀门连接牢固紧密，关闭舱门12；

(2)调节变频真空泵的气压表的调压指针至要模拟的低气压水平，通过工作站75上的控制界面设定抽气流量，启动变频真空泵开始抽气，抽气调节阀23自动调节开度，当气压表中的测压指针转动到调压指针的位置处，试验腔1a内部达到目标气压水平，自动关闭变频真空泵和抽气调节阀23，然后静置等待2min；

(3)打开氧气储罐33旋钮，调节第一减压阀361出口压力，打开氢气储罐31旋钮，调节第二减压阀351的出口压力和第二质量流量控制器352的出口流量，开启第二电磁阀353后，PLC控制柜71延迟1s触发点火电极41，点火结束后点火电极41滑动至远离喷头38的位置；

(4)点火结束后，采集系统5的数据采集仪53开始记录热电偶511和热辐射计512的监测数据，CCD摄像机开始记录火焰视频图像，氧气浓度传感器14开始工作，第一电磁阀363开启，第一质量流量控制器362自动调节输氧管道34的内部流量，氧气储罐33向试验腔1a内部不断供给氢气燃烧消耗的氧气，维持试验腔1a内部的气氛稳定；

(5)实验结束后，依次关闭第二电磁阀353和第二减压阀351，切断氢气燃料供应，待火焰熄灭后，再次开启第二电磁阀353释放输氢管道32内部残余氢气，并同时启动通风系统置换试验腔1a内气体环境。

更进一步地，输氧管道34包括输氧主管341、及多个连通输氧主管341的输氧支管342，多个输氧支管342沿上下向依次连通试验腔1a；其中，第一减压阀361、第一质量流量控制器362及第一电磁阀363设于输氧主管341。本实施例中，设置多个输氧支管342，以使得氧气的输送更加均匀。具体地，在本方案中，试验舱1的顶部设置为棱台状，且输氧支管342设有三根，两根输氧支管342沿上下向间隔连接于试验舱1的顶部，另一个输氧支管342连接于试验舱1的中部。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。