多層網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)抑爆性能的研究進展

多層網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)抑爆性能的研究進展
隨著礦業(yè)和石油工業(yè)的高速發(fā)展，因瓦斯等可燃氣體的燃燒及爆炸事故而造成的人員及財產(chǎn)損失逐年增大。為此，許多學(xué)者致力爆炸波在各種結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律的研究，力求找出能可靠有效的抑制爆炸波的結(jié)構(gòu)。網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)因其對爆炸時產(chǎn)生的燃燒和壓力波具有較好的抑制作用而逐漸被人們所重視。
1網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)對燃燒波的抑制作用
1.1閘明阻火結(jié)構(gòu)能使火焰發(fā)生淬熄的理論有兩種，一種是器壁效應(yīng)理論（連鎖反應(yīng)理論），一種是熱理論。
（1）器壁效應(yīng)理論。認為燃燒與爆炸并不是分子間的直接反應(yīng)，而是由于分子鍵遭到自由基的碰撞而產(chǎn)生的活化分子，而活化分子又分裂為壽命很短但卻很活潑的自由基，自由基與其它分子相撞生成的新的產(chǎn)物，同時也產(chǎn)生新的自由基再繼續(xù)與其它分子發(fā)生反應(yīng)，如此循環(huán)，形成穩(wěn)定的燃燒；當(dāng)火焰通過阻火結(jié)構(gòu)的狹窄通道時，由于自由基與通道壁的碰撞幾率增大，因與器壁碰撞而被銷毀的自由基數(shù)量變多，參加反應(yīng)的自由基減少。當(dāng)阻火結(jié)構(gòu)的通道寬度減小到一定程度時，自由基與通道寬度減小到一定程度時，自由基與通道壁的碰撞占主導(dǎo)地位，自由基數(shù)量急劇減少，反應(yīng)不能繼續(xù)進行，火焰發(fā)生淬熄。
（2）熱理論。認為燃燒的必要條件之一就火焰的溫度要高于淬熄溫度。當(dāng)火焰進入阻火結(jié)構(gòu)的細小通道時被細分成若干細小的火焰，在設(shè)計阻火結(jié)構(gòu)時要盡可能擴大火焰和通道壁的接觸面積，強化傳熱，使火焰的熱量盡可能多地傳給金屬元件，從而使火焰溫度快速降到淬熄溫度以下發(fā)生淬熄，阻止火焰的傳播[1,2]。
1.2網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的淬熄性能
多層網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)具有體積小、重量輕、淬熄性能好的優(yōu)點。日本的北條英光、津田健等人曾對管內(nèi)多層網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的淬熄性能做過較為系統(tǒng)的實驗研究。
（1）網(wǎng)孔尺寸對淬熄性能的影響。當(dāng)火焰接觸到絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)時，火焰被細分后進入各個網(wǎng)孔。由于火焰的溫度要遠高于金屬絲的溫度，火焰的一部分熱量傳給金屬絲后，其溫度因熱量的損失而降低，當(dāng)溫度降至其淬熄溫度以下時就會發(fā)生淬熄。金屬絲散熱能力是影響多層網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)淬熄性能的重要因素。因此，就絲網(wǎng)本身來說，網(wǎng)孔越小（即目數(shù)越大），金屬絲越粗，開口比及體積空間率越小，絲網(wǎng)的阻火性能就越好。也就是說，在單位面積或單位體積中，金屬所占的比例越大阻火性能就越好。因為金屬的比例增大，火焰的流動空間減小，火焰的細分程度加大，火焰與金屬絲的接觸面積變大，傳熱得以強化，火焰因被絲結(jié)構(gòu)奪走的熱量變多而快速降溫到其淬熄溫度下而發(fā)生淬熄。監(jiān)界淬熄速度是衡量某一阻火結(jié)構(gòu)阻火性能的重要指標。若火焰的傳播速度較慢，通過阻火結(jié)構(gòu)時就會因阻火結(jié)構(gòu)的散熱作用而產(chǎn)生的淬熄。當(dāng)火焰的速度較快時，因其與阻火結(jié)構(gòu)的接觸時間短，其溫度還未降到淬熄溫度以下就已通過阻火結(jié)構(gòu)了?；鹧婺芡ㄟ^的阻火結(jié)構(gòu)的最小速度稱為該阻火結(jié)構(gòu)的臨界淬熄速度，用Vc表示。用不同尺寸的絲進行試驗，得出關(guān)于臨界淬熄速度Vc與金屬絲網(wǎng)幾何參數(shù)之間的經(jīng)驗公式為[3]。
Vc•d/ε=3.52×10-10(d/ωε)1.28(1)
式中ε――體積空間率；
ω――絲網(wǎng)目數(shù)；
d――金屬絲直徑。
在設(shè)計多層網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)時，所選網(wǎng)孔的直徑要小于管中可燃氣的熄滅直徑[4]。但隨著金屬比例的增大，氣體的流動阻力也在增大[5]。設(shè)計時應(yīng)同時考慮到設(shè)備正常工作時氣體的流動阻力和發(fā)生爆炸時多層網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的阻火性能，不能顧此失彼。
（2）線網(wǎng)材質(zhì)對淬熄性能的影響。常見的絲網(wǎng)材質(zhì)有鐵、不銹鋼、黃銅等。從實驗結(jié)果來看，絲網(wǎng)的淬熄性能與其材質(zhì)基本無關(guān)。雖然各種金屬的熱容不同，但基本上處于同一數(shù)量級。加之火焰的傳播速度很快，火焰與絲網(wǎng)的接觸時間為毫秒級，在如此短暫的接觸中，熱容的差異體現(xiàn)得不明顯。
（3）絲網(wǎng)層數(shù)對淬熄性能的影響。絲網(wǎng)層數(shù)是影響多層絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)淬熄性能的重要因素。在一定條件下，當(dāng)絲網(wǎng)層數(shù)增加時，其淬熄性能也隨之變好。根據(jù)實驗結(jié)果可得出絲網(wǎng)層數(shù)與臨界淬熄速度之間的關(guān)系式：
（Vc）N/(Vc)1=exp[0.64(N-1)]N≤6(2)
式中N――絲網(wǎng)層數(shù)；
（Vc）N――絲網(wǎng)層數(shù)為N層時的Vc值。
(Vc)1可由（1）求出，因此根據(jù)式（1）、（2）可求出任意層數(shù)和任意尺寸的多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的臨界淬熄速度（Vc）N。當(dāng)層數(shù)>6時臨界淬熄速度已不再增大，即使增加層數(shù)其淬熄性能也變化不大，同時還會因?qū)訑?shù)的增加而使氣體的流動阻力增大，甚至?xí)蚪z網(wǎng)引起的湍流而使火焰速度加快，出現(xiàn)DDT過程（爆燃轉(zhuǎn)爆轟），加劇火焰的傳播[6]。根據(jù)實驗，單層40目絲網(wǎng)的臨界淬熄速度可達110m/s。
（4）絲網(wǎng)間距對淬熄性能的影響。通常，多層絲網(wǎng)比間層絲網(wǎng)的淬熄性能好，但這又涉及到絲網(wǎng)間距的問題。研究發(fā)現(xiàn)其間距對淬熄性能的影響很大。當(dāng)兩張絲網(wǎng)相距較近時淬熄性能最好，間距變大后其淬熄性能下降，當(dāng)間距大于某一值時淬熄性能又保持穩(wěn)定。由此可見，多層金屬絲網(wǎng)間的間距存在2個臨界值；第一臨界間距稱為允許間距（Sa），即兩絲網(wǎng)間距小于這個值時，其阻火性能同兩張網(wǎng)緊靠在一起時的淬熄能力相同。第二臨界值稱為限間距（Sc），即兩絲網(wǎng)間距大于這個值時，其淬熄性能同一張網(wǎng)的性能相同。
絲網(wǎng)的目數(shù)越大，允許間距和界限間距越大。設(shè)計多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)時要考慮到間距的問題，盡量使絲網(wǎng)距小于第一臨界間距即允許間距（Sa）。絲網(wǎng)間距為零時安裝較容易，但易堵塞網(wǎng)眼，清洗率高，影響生產(chǎn)。為避免堵網(wǎng)，多認為兩網(wǎng)有少許間距比緊貼在一起好。根據(jù)實驗，對于20目的絲網(wǎng)，其第一臨界間距為2mm，第二臨界間距為15mm。而40目的絲網(wǎng)的第一臨界間距為6mm，第二臨界間距為40mm。
2網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)對爆轟波的抑制作用
爆轟波之所以能自持穩(wěn)定地傳播是由于橫波的產(chǎn)生和發(fā)展。網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)具有吸收橫波的能力，因此可以有效地破壞爆轟波的傳播條件，使爆轟波蛻變成爆燃波。
對于給定的混合氣體和網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，在截面形狀和尺寸確定的管道中，存在一個初始壓力的臨界值Pc。初壓高于臨界值時穩(wěn)定自持傳播的爆轟波仍能通過阻尼段；初壓降至臨界值時，爆轟波通過阻尼段時是不穩(wěn)定的，即可能蛻變也可能尚未蛻變成強爆燃；初壓低于臨界值時，爆轟波肯定蛻變成強爆燃。臨界的值低反映了某種網(wǎng)孔材料對爆燃波的衰減能力的大小。
3總結(jié)
火焰和壓力波同時作用所產(chǎn)生的耦合效果是產(chǎn)生災(zāi)害的主要原因，也是揭示爆炸氣體在復(fù)雜網(wǎng)孔通道中變化規(guī)律不可分割的因素。目前開展的研究工作多為只研究火焰的淬熄或只研究壓力波的抑制，而同時將淬熄和壓力波抑制作為目標的研究工作還很少。因此，應(yīng)該對火焰和壓力的共同效果給予足夠的重視，力求找出網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)對火焰與壓力波之間的耦合作用的抑制效果。網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)爆炸波的抑制具有深遠的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。解決這一問題，將使爆炸波的研究從宏觀走向微觀、從實驗研究走向?qū)嶒灪屠碚摻Y(jié)合的高級研究階段，逐步形成新的抑制爆炸波的理論，并開發(fā)出具有實用價值的抑爆技術(shù)和產(chǎn)品。