乙醇气液两相云雾最低着火温度

孙楚彦，孙 航，张 奇

（北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081）

1 引言

燃料空气炸药（FAE）燃料在抛撒过程中分散为云雾，其介质为气液两相混合状态。除了燃料的分散压力，中心装药的温度是判定窜火现象是否发生的重要指标。当该温度高于最低着火温度，则发生窜火；该温度低于最低着火温度，则不发生窜火。

目前，关于气液两相云雾的最低着火温度，以及云雾的浓度、粒径和流速对于最低着火温度的具体影响，国内外研究仍然处于空白阶段。 目前仅以Godbert‑Greenwald 加热炉为主要仪器的粉尘云最低着火温度实验研究较为充分［1-6］。Godbert‑Greenwald炉是较为成熟的粉尘云最低着火温度的实验仪器，能够精确有效地测试出多种粉尘的最低着火温度规律，满足一定剂量的可燃液体最低着火温度的实验测试。

粉尘云的粉尘粒径为确定值，在实验过程中不发生变化。然而，燃料分散形成气液两相云雾的粒径不固定，云雾的浓度、分散压力均对液滴粒径产生影响，有较大研究难度。因此，对于气液两相云雾，不仅要研究其最低着火温度，还要确定云雾的浓度和分散压力，以确定粒径分布情况，进而研究粒径对最低着火温度的影响规律［7-15］。

为此，本研究建立了以Godbert‑Greenwald 加热炉为基本实验仪器的云雾瞬态浓度粒度测试系统，采用光全散射法（消光法）作为云雾瞬态浓度与粒度分布的测量方法，选用乙醇为实验试剂，通过实验测量得出乙醇气液两相云雾在加热炉中心位置浓度为7000 g·m-³、燃料分散压力0.06～0.10 MPa 条件下的粒度分布情况，并分析讨论了粒度分布、云雾流速对最低着火温度的影响。

2 实验部分

2.1 试剂

主要试剂：乙醇（家用乙醇95% 酒精消毒液，500 mL，瑞康医用科技）

初始环境温度为20 ℃，环境压力为0.1 MPa。

2.2 实验仪器

实验仪器由Godbert‑Greenwald 恒温炉测试装置、云雾瞬态浓度粒度测试系统、五孔喷嘴三部分组成。

Godbert‑Greenwald 恒温炉测试装置由加热炉、温度控制与检测系统、喷射控制系统组成。Godbert‑Greenwald恒温炉测试装置示意图如图1所示。

图1 Godbert‑Greenwald（G‑G）恒温炉测试装置［1］1—空气压缩机，2—压力调节阀门，3—扩散开关，4—电磁阀，5—装样室，6—空气储存器，7—观察玻璃管，8—加热炉，9—热电偶，10—加热控制器Fig.1 Godbert‑Greenwald（G‑G）furnace［1］1—air compressor，2—pressure gauge，3—diffusion switches，4—solenoid valve，5—dust chambers，6—gas tank，7—glass adapter，8—heating furnaces，9—thermocouples，10—temperature controller

云雾瞬态浓度粒度测试系统由Godbert‑Greenwald恒温炉测试装置改造而来。本实验除了测试最低着火温度外，还需考察气液两相云雾的参数（如浓度、粒度等）对于最低着火温度的影响。对于云雾的浓度和粒度，须采用消光法进行实验测量。而本实验中的加热炉炉体部分不透明，无法使激光穿透，难以直接使用消光法获得云雾的浓度和粒度参数。为了构造消光法的使用条件，使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）透明管设置视窗，代替加热炉。参照加热炉内空腔，PMMA 管设计为中空，具体参数如下：管长22 cm，内管直径3.6 cm，外管直径5 cm。在此基础上布置消光法所需的激光单元、光学传感器、信号转换装置，并连接计算机进行数据采集与处理，构建了云雾瞬态浓度粒度测试系统，如图2 所示。

设计了一种五孔喷嘴，布置于钟罩形状的观察玻璃管下方。该喷嘴以厚度为0.2 mm 的铝片为材料，喷嘴直径为4 cm，开孔直径为2 mm。其位置与结构示意图如图3 所示。

图2 云雾瞬态浓度、粒度测试系统硬件构成示意图1—空气压缩机，2—压力调节阀门，3—扩散开关，4—电磁阀，5—装样室，6—空气储存器，7—激光单元，8—观察玻璃管，9—PMMA 管，10—光照度传感器，11—信号转换，12—计算机数据采集Fig.2 Measurement system of instantaneous concentration and particle size1—air compressor，2—pressure gauge，3—diffusion switches，4—solenoid valve，5—dust chambers，6—gas tank，7—laser units，8—glass adapter，9—pmma tube，10—light sensors，11—signal conversion，12—data acquisition

图3 喷嘴位置与结构示意图1—喷嘴，2—观察玻璃管，3—橡胶头，4—调节旋钮，5—装样室Fig.3 Nozzle position and structure 1—nozzle，2—glass adapter，3—rubber，4—knob，5—dust chamber

2.3 实验过程

2.3.1 实验条件的确定2.3.1.1 乙醇云雾的液相浓度的确定

首先布置好云雾瞬态浓度粒度测试系统，启动空气压缩机，向空气储存器里压入一定压力的气体。然后向装样室中加入一定量的乙醇，按动扩散开关，使乙醇云雾喷入亚克力管中。当云雾穿过光路后，基于云雾对光的吸收和散射，引起光强度值衰减，传感器得到光强衰减前后的强度值，通过信号转换，将光强度数据发送到检测系统，检测系统经过计算得出云雾的液相浓度。因此，固定液相浓度不变，调整燃料分散压力与乙醇的加入量，实验测得保持乙醇云雾液相浓度基本不变的实验参数，共计五组。

2.3.1.2 乙醇云雾的液滴直径的确定

确定了乙醇云雾的液相浓度之后，以实现该浓度的燃料分散压力、乙醇加入量等参数为实验条件，重复实验过程，使用云雾瞬态浓度粒度测试系统计算得出云雾的液滴粒径分布情况。云雾在10 cm 处发生燃烧，同时考虑云雾场均匀性的原因，实验分别选取距离亚克力管上侧管口2 cm、10 cm、19 cm 的三个位置，测量得到PMMA 管的不同位置的索特平均直径（Sauter mean diameter，SMD，与该颗粒群的颗粒形状、总体积、总表面积相同，且粒度均匀的一个假想颗粒群的粒径）、D10（颗粒累积分布为10%的粒径）分布、液滴直径频度（落在某个尺寸范围内的颗粒体积或颗粒重量占总量的百分率）分布。

2.3.2 乙醇云雾最低着火温度的确定

使用Godbert‑Greenwald 恒温炉测试装置，在保持乙醇云雾的液相浓度基本不变的情况下，实验测试最低着火温度。进行实验时，通过加热控制器将加热炉升高到一定温度，然后由空气压缩机向空气储存器输入实验所需的燃料分散压力的空气，通过电磁阀控制压力排放，将装样室内的样品喷至加热炉内部的空腔中。通过观察加热炉底部的高度抛光版或顶部的观察玻璃板，来判断是否着火。对于某一恒定温度，重复实验20 次。如果能够观察到明显的火焰，则可以判定为着火；如果没有明显的火焰出现，则判定为不着火。

2.3.3 乙醇云雾流速的确定

使用高速摄像装置，以云雾瞬态浓度粒度测试系统为实验装置，在保持乙醇云雾的液相浓度基本不变的情况下，对乙醇云雾的流动状况进行拍摄。将拍摄的照片进行分析处理，计算出云雾流速。

3 结果与讨论

3.1 实验条件的确定

3.1.1 乙醇云雾的液相浓度的确定

实验测得保持乙醇液相浓度为7000 g·m-³的5 组燃料分散压力、乙醇加入量、实际喷入量参数，结果如表1 所示。在燃料分散压力为0.06～0.10 MPa、实际喷入量为1.56～1.60 mL 时，乙醇在加热炉中心位置处的液相浓度稳定在7000 g·m-³左右，其变化可忽略不计，可认为在该条件下乙醇的浓度不变。据此，以表1中各参数作为实验条件，对乙醇云雾的液滴粒径分布情况、乙醇的最低着火温度和乙醇云雾的流速进行实验测量。

表1 乙醇云雾浓度保持不变的燃料分散压力、乙醇加入量、实际喷入量参数Table 1 Parameters of conditions for keeping the concentra‑tion of ethanol cloud constant

3.1.2 乙醇云雾液滴粒径分布情况

以表1 的五组参数进行实验，实验测得亚克力管的不同位置的索特平均直径，结果如表2 所示。由表2可知，保持乙醇的液相浓度不变，随着燃料分散压力增大，云雾的索特平均直径减小。据此，以表2 中10 cm位置处的SMD 作为粒径参数，对乙醇的最低着火温度变化规律进行讨论。

表2 表1 参数条件下乙醇云雾的索特平均直径Table 2 SMD of ethanol cloud obtained with parameters in Table 1

以表1 的五组参数进行实验，实验测得亚克力管的不同位置的D10与液滴直径频度分布，结果如图4 所示。由图4 可知，乙醇云雾的D10随燃料分散压力的增大而减小。乙醇云雾的D10与液滴直径频度分布补充说明了乙醇云雾的粒径分布情况，证明乙醇云雾的索特平均直径有研究与参考价值，可以作为最低着火温度变化规律的讨论依据。

3.2 乙醇云雾的最低着火温度

以表1 的五组参数进行实验，实验测得不同液滴直径下乙醇云雾的最低着火温度，结果如表3 所示。由于乙醇云雾在加热炉内的实际着火位置靠近加热炉中心，所以取距离上侧管口10 cm 的索特平均直径为最低着火温度的自变量。将着火温度的最低点（即最低着火温度，MIT）连接并绘制曲线，结果如图5 所示；将MIT 曲线以下标示为安全区，对于中心位置处浓度在7000 g·m-³左右、燃料分散压力在0.06～0.10 MPa范围内的乙醇云雾，可以通过索特平均直径和温度值两个坐标来绘制坐标点，进而判断在该条件下是否发生燃烧。若坐标点在安全区以外，则发生燃烧；若坐标点在安全区以内，则不会发生燃烧。

图4 表1 参数条件下乙醇云雾的D10 与液滴直径频度分布曲线Fig.4 D10 and particle size distributions of ethanol obtained with parameters in Table 1

表3 不同索特平均直径下乙醇云雾的最低着火温度Table 3 Tmin of ethanol c loud with different SMD

图5 不同索特平均直径下乙醇最低着火温度Fig.5 MIT of ethanol with different SMD

由表3、图5 可以看出，在浓度保持7000 g·m-³的条件下，随着压力从0.06 MPa 增大到0.10 MPa 时，液滴直径由146.58 μm 减小到70.97 μm，乙醇的最低着火温度先从468 ℃降低到464 ℃，再升高到476 ℃，最终保持在475 ℃。液滴粒径对最低着火温度有重要影响，不同粒径对应不同的最低着火温度。

在浓度保持7000 g·m-³的条件下，乙醇云雾液滴的索特平均直径处于70.97～82.31 μm 时，最低着火温度保持在475 ℃左右。

进一步分析可知，影响液滴云雾点火温度因素有云雾液滴直径、装置内空气的流速和云雾中气化燃料的量。在本实验中采用亚克力管在20 ℃环境温度下进行实验，无法模拟加热炉中的高温环境，而20 ℃下亚克力管中云雾气化燃料的量同加热炉中有显著区别，因此本文暂不涉及。

改变燃料分散压力时，除了乙醇液滴直径的大小会发生改变，装置内空气的流速也将发生明显变化。云雾流速会改变云雾在加热炉和亚克力管中的停留时间，从而影响最低着火温度变化规律。因此有必要实验测量1 条件下的云雾流速。

3.3 乙醇云雾流速的确定

对乙醇云雾的云雾流速进行研究，使用高速摄像装置，拍摄了表1 各条件下的云雾流动过程，计算出云雾流速，结果如表4 所示。

表4 表1 参数条件下乙醇云雾的流动速度Table 4 Flowing velocity of ethanol cloud with parameters in Table 1

由表4 可以看出，在燃料分散压力较低（0.06，0.07 MPa）时，云雾的流速在8 m·s-1左右；在压力较高（0.08～0.1 MPa）时，云雾的流速为15.2～15.7 m·s-1，增加了近一倍。

这一结果也说明，云雾流速对于最低着火温度有重要影响。具体来说，在不考虑浓度的条件下，当压力小于0.07 MPa 时，云雾流速较低，在加热炉停留时间较长，此时影响最低着火温度的主要因素是液滴直径，其规律为：直径越小，最低着火温度越低。当压力大于0.07 MPa 时，云雾流速较高，在加热炉停留时间较短，此时影响最低着火温度的主要因素是云雾流速而不是液滴直径。当压力由0.07 MPa 增加至0.08 MPa 时，云雾流速由8 m·s-1升高至15.2 m·s-1，云雾在加热炉内停留的时间降低，因此需要更多热量才能发生燃烧，最低着火温度从464 ℃升高到476 ℃；而当压力高于0.08 MPa 时，由于云雾流速稳定在15.4 m·s-1左右，所以最低着火温度也稳定在475 ℃。这进一步地解释了图5 中乙醇最低着火温度先降低再升高，最终保持不变的变化规律。

4 结论

（1）保持乙醇的液相浓度不变，随着燃料分散压力增大，云雾的平均液滴直径减小。

（2）在浓度保持7000 g·m-³的条件下，随着燃料分散压力从0.06 MPa 增大到0.10 MPa，索特平均直径由146.58 μm 减小到70.97 μm，乙醇的最低着火温度先从468 ℃降低到464 ℃，再升高到476 ℃，最终保持在475 ℃。

（3）在浓度保持7000 g·m-³的条件下，乙醇云雾液滴的索特平均直径处于70.97～82.31 μm 时，最低着火温度保持在475 ℃左右。

（4）在浓度保持7000 g·m-³的条件下，当燃料分散压力小于0.07 MPa 时，影响最低着火温度的主要因素是液滴直径；当燃料分散压力大于0.07 MPa 时，影响最低着火温度的主要因素是云雾流速。