粉尘爆炸损毁评估计算及环境净化分析(8)
表3.1 点火延迟时间实验所得数据表
点火延迟时间/s Pmax/MPa (dp/dt)max/(MPa/s)
8 0.0925 1.75
10 0.0975 2.125
12 0.1005 2.4
14 0.10275 2.525
16 0.105 2.625
点火延迟时间t对铝粉的P max和(dp/dt)max的影响规律如图3.1和图3.2所示。将图3.1和图3.2中的数据进行拟合。可得出点火延迟时间t对铝粉的P max和(dp/dt)max的影响规律的经验公式：
由式(3.1)和式(3.2)可见，t对Pmax和(dp/dt)max的影响规律非常相似。由经验公式和图可以看出，随着t的变化，Pmax和(dp/dt)max随之变化,均随着点火时间的变化而变大。随着点火时间的增加，系统不断地对点火电极阀加热，环境温度和点火能量不断地在增加，使粉尘爆炸释放总能量增加，从而最大爆炸压力Pmax也随之增大。而环境温度的增加，高点火能情况下，粉尘燃烧速度加快，从而使最大爆炸压力上升速率（dp/dt）max也随之增加。
图3.1 点火延迟时间对P max的影响
图3.2 点火延迟时间对（dp/dt）max的影响
3.2.2 粉尘粒度对最大爆炸压力和最大压力上升速率的影响
粉尘粒度对粉尘爆炸的影响主要是通过粉尘氧化程度来影响铝粉爆炸的特性参数。实验将粉尘浓度定为500g/m³，点火延迟时间定为10s，初始压力为0.3Mpa的环境下，改变粉尘粒度，本组实验设置五个变量，分别为75μm、83μm、100μm、125μm、150μm。实验材料有一瓶100目-200目的铝粉，用粉尘筛筛取各粒径铝粉粉尘。完成实验后按照3.1数据处理方法处理实验所得数据。得到粉尘粒度对铝粉的最大爆炸压力P max和最大爆炸压力上升速率(dp/dt)max的数据表（如表3.2）和曲线图（如图3.3和图3.4）。观察曲线，P max和(dp/dt)max均随粒度的减小呈非线性增加，但增大的趋势有很大差异，Pmax增大的趋势越来越小，而(dp/dt)max增大的趋势却越来越大。运用origin软件对粒度与Pmax的关系进行二次反比拟合，得到拟合公式；对粒度与(dp/dt)max关系进行二次幂减函数拟合得到拟合公式。
表3.2 粉尘粒径实验所得数据表
粉尘粒径/μm Pmax/MPa (dp/dt)max/(MPa/s)
75 0.10275 2.475
83 0.1025 2..275
100 0.10125 2.125
125 0.0975 2
150 0.09125 1.925
粉尘粒度D对Pmax和(dp/dt)max的影响规律如图3.3和图3.4所示，将图3.3和图3.4中的数据进行拟合，可得出粉尘粒度D对Pmax和(dp/dt)max的影响规律的经验公式：
从实验结果可以看出，Pmax和(dp/dt)max随铝粉粒度的减小而增大。这是因为粉尘爆炸是气体和固体表面之间发生非均相反应，Pmax和(dp/dt)max不仅与粉尘颗粒表面的燃烧速度有关，还与颗粒的比表面积、氧气向颗粒表面的扩散速率、反应热的传递速率、火焰的传播速度和有效的燃烧放热量有关。当颗粒直径较大时，随着燃烧的快速传播，颗粒内部因缺氧而不能完全燃烧，从而减慢了燃烧热的释放和传递，随着粒度的减小，颗粒比表面积随之增大，氧气向颗粒表面扩散的时间将缩短，颗粒因缺氧而不能完全燃烧的现象随之减弱，燃烧热释放也加快。因此，Pmax和(dp/dt)max随粒度的减小而增大。
图3.3 粒径对P max的影响
图3.4 粒径对（dp/dt）max的影响
3.2.3 粉尘浓度和粒度对最大爆炸压力和最大压力上升速率的影响
本组实验将点火延迟时间定为10s，初始压力为0.3MPa的环境下，改变粉尘浓度和粒径，本组实验浓度和粒径各设置五个变量，浓度分别为200g/m³、400 g/m³、600 g/m³、800 g/m³、1000 g/m³哈特曼管体积为1.2L，既需要称取0.24g、0.48g、0.72g、0.96g、1.2g粒径分别为75μm、83μm、100μm、125μm、150μm的粉尘进行实验。完成实验后按照3.1数据处理方法处理实验所得数据。得到粉尘浓度和粒径对铝粉的最大爆炸压力Pmax和最大爆炸压力上升速率（dp/dt）max的影响数据表（如表3.3和表3.4）和曲线图（如图3.5和图3.6所示）。观察曲线，从图中可以看出，Pmax起初随着粉尘浓度的增加有较明显的上升；当粉尘浓度高于400g/m³以后，Pmax的值逐渐趋于最大值，并在一定范围内相对稳定：当粉尘浓度超过600g/m³以后，Pmax的值随着粉尘浓度的增加开始逐渐减小。最大压力上升速率（dp/dt）max随铝粉浓度的变化与Pmax随铝粉浓度的变化规律相似，当铝粉浓度接近500g/m³时，（dp/dt）max达到最大值，随后随着铝粉浓度的增加（dp/dt）max的值将逐渐减小。因此可以看出，随着铝粉浓度的变化，Pmax和（dp/dt）max存在一个最大值。运用origin软件对浓度与Pmax和（dp/dt）max的关系按y=a〖b^x x〗^c拟合，再将a、b、c与粒度关系拟合，得到拟合公式，将得到的两个拟合公式进行整合得到浓度和粒径对Pmax和（dp/dt）max的影响经验公式。
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