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卡车燃油箱防爆技术研究

2015-01-03范广龙舒勇

汽车实用技术 2015年2期
关键词:混合气体燃油箱网状

范广龙,舒勇

(陕西重型汽车有限公司,陕西 西安 710200)

卡车燃油箱防爆技术研究

范广龙,舒勇

(陕西重型汽车有限公司,陕西 西安 710200)

随着科学技术的发展燃油箱防爆技术更多的运用在车辆上,抑爆效果是防爆技术的重要指标。本文从抑爆材料的工作原理、材料的性能、填充方式、以及实验几方面来探讨影响抑爆效果的因素,供广大设计工作者参考。

燃油箱防爆技术;抑爆原理;性能特点;填充方式;实验分析

CLC NO.: U461.91 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-18-03

引言

油箱及贮油设施的防火抑爆是人们一直需要解决的重要问题,随着燃油的消耗,燃油箱内会形成一定大小的空腔,燃油汽化挥发后在空腔内会产生油气混合易燃易爆气体,一旦油箱受到打击或者出现火花,易燃易爆气体极易产生爆炸,必须采取抑爆措施保证乘员安全。

1、抑爆材料

1.1 网状聚氨酯泡沫结构

网状聚氨酯泡沫(以下称“网泡”)材料是由普通开孔的柔性聚氨酯泡沫材料经网化处理而成,微观结构是五边形十二面体,面与面的交线称为经络,经络间面膜经网化处理后消失,形成整体上的立体骨架结构。

1.2 网状聚氨酯抑爆材料工作原理

在燃料箱中,燃料水平线以下(耗损量)的空间里包含有爆炸性气体和空气,如果被点燃,就会在耗损量处发生爆炸。箱中燃料水平线越低,蒸汽量越大,当存在一个点燃源(一个火花),靠近火花的蒸气就会迅速点燃(如1),形成一种燃烧的“链式反应”,最终蔓延到整个蒸气(如2)空间,在罐内壁形成持续增大的压力波,从而使爆炸的威力持续增大(如3),箱体在微秒内发生爆炸。

在箱中填充网状聚氨酯抑爆材料可以阻止这种链式反应的传递,在点火源周围可以明显抑制蒸气被点燃(如4),泡沫可以使火焰和压力波减少到蔓延水平以下(如5),因此可以阻止灾难性的爆炸发生(如6)。

2、网状聚氨酯泡沫的性能特点

2.1 机械强度

网状泡沫也和一般聚氨酯泡沫一样,根据原料配方调节可获得一定性能的泡沫,从表1数据可看出,网状泡沫比一般泡沫抗张强度及伸长率要大而压缩强度与密度均低。由表2可知,单位长度上的空数越大,则抗张强度与伸长率也越高。

2.2 开孔率与孔径

网状泡沫具有非常高的开孔率,通常为97%以上。网状泡沫的泡孔数是单位直线距离(25mm)上泡孔的个数,一般6~70孔,所以泡孔的孔径在0.3~3mm范围。

2.3 透气性能

透气性能是泡沫通过流体能力的大小,它与泡沫的开孔、孔径及厚度有关。一般开孔率高的聚氨酯泡沫也能通气,但由于在泡孔上残留泡壁,则透气阻力大,而网状泡沫透气性好,压力损失非常小。

3、抑爆材料填充方式

有两种经过实践验证的燃油箱泡沫材料填充方法:完全填充和部分填充(“中空”填充)。前者具有最大的防护作用,但增加的网泡质量和吸附的燃油量也较大;后者减少了材料的使用量和燃油的吸附量,但要求油箱本身能够承受一定的内部正压载荷,两种方法各有优劣,下文分析中空填充网泡的抑爆原理。

4、中空填充网状聚氨酯泡沫抑爆原理

4.1 压力比的推导

图2为抑爆模型。

其中,Vc为燃烧体积;Vf为淬熄体积,减压体积Vr是淬熄材料所占体积的一部分,假如淬熄材料的厚度足以隔离火焰的传播,那么淬熄材料后面空间的体积是减压体积,如B图,此时减压体积就是Vr与Vf之和。

由于燃油的蒸发,在燃油的液面之上存在燃油和空气的爆炸性混合气体。当爆炸性混合气体被点燃,立即形成一个小火球,并以燃烧波的形式向四周传播;燃烧波面上的火焰离开中心火焰并点燃波面外部的预混气体,形成一个新的燃烧波面;如此下往,空间中的预混气全部被点燃。由于油箱是一个密闭的空间,气体燃烧会使压力急剧增加,终极超过油箱的强度而导致油箱的爆炸解体,整个过程仅需几毫秒。由于烃类混合物在燃烧过程中,燃气均匀分子量或分子总摩尔数变化很小或基本无变化,有下式成立:

式中下标1、2分别表示油箱内气体的初态和末态。对于大多数的碳氢燃料和空气的混合物,化学计量混合时的T2/T1的比率一般为7.7~8.2,而与模型中其他的参数无关。由于是等容过程,热力方程就可以写为:

以上方程对等容过程是成立的,但当油箱中只是有限体积的混合气体发生燃烧,同时大量气体尽热膨胀时,上述模型就不适用了,此时可以假设仅有一部分Vx体积混合气体燃烧膨胀,将Vc中原有的一部分混合气体通过泡沫压进Vr中。在模型中引进Vx,如图3所示。等体积均匀分布的网泡材料将模型分隔成n个小室。某一小室中的一部分混合气体Vx发生燃烧反应,尽热膨胀为Vc体积,用以下方程描述:

式中,P2为终态压力,N为比热比,取值在1.3-1.4之间。

未反应的混合气体绝热压缩过程用方程(5-5)描述

联立(4-4)(4-5),求得油箱内初、终态压力比P2/P1为:

4.2 压力比与中空比率的关系

设模型中空体积所占的比率为a,则:

将(4-8)式带入(4-6)式得

(4-9)式反映了压力变化与模型中空系数a、分隔出的小室数目n的关系。n反映了油箱中网泡填充结构的不同,所以压力变化和油箱内的泡沫填充结构有关。对不同的填充结构和填充比率的油箱,可以依据以上分析过程进行分析,将得到与(5-9)式类似的公式,可用于计算油箱内终极压力与初始压力的比值。

以上的理论分析模型适用于理想气体尽热过程,未考虑活动阻力。分析中假设网泡材料无烧蚀,因此理论结果压力比偏低。

5、防爆性能实验分析

5.1 填充材料时燃爆压力与时间的关系

石油气的爆炸极限为1.5%~9.5%(体积分数)。液化石油气在混合气中的体积分数处于爆炸下限或爆炸上限时,混合气体遇火源一般只是发生爆燃。爆燃所产生的压力不会超过405KPa。当液化石油气在混合气中的体积分数超过爆炸下限,达到约4.0%,爆炸时所产生的压力可达800KPa。

装填网状抑爆材料时(以留空率5%,填充密度25kg/m3为例),燃爆压力随时间的变化如图4所示。由图4可知,填装材料时爆炸产生的最大压力为50kPa,远小于液化石油气未填装网状抑爆材料时的爆炸压力,说明材料具有良好的抑爆性能。

5.2 不同填装密度和不同留空率对燃爆压力的影响

不同填充密度和不同留空率对燃爆压力影响实验数据见表3。

表3 不同填充密度和不同留空率对燃爆压力影响的实验数据

不同填装密度对燃爆压力影响的测试结果如图5所示。

由图5可知:填充密度一定时,留空率增加,燃爆压力增加。留空率一定时,填充密度增加,燃爆压力降低。填充密度由25kg/m3增加到30 kg/m3时,燃爆压力的下降大于由30kg/m3增加到35kg/m3时的燃爆压。说明留空率一定时,填充密度增加,抑爆效果的增加幅度减小。

不同留空率对燃爆压力影响的测试结果如图6所示。

由图6可以看出,留空率增大,燃爆压力增高。曲线填充密度为25kg/m3在填充密度为30kg/m3和35kg/m3之上,曲线填充密度为35kg/m3在填充密度25kg/m3和30kg/m3之下,说明当留空率一定时,填充密度增大,抑爆效果增加,反之,填充密度降低,抑爆效果降低。

试验中保持填充密度不变而改变留空率,则填充量改变。抑爆材料的原理是材料对燃爆气体的阻滞和吸热效能,随着填装量的减少,吸热效能必然下降,再加上留空率的增加。因此,要保证一定的抑爆性能,不仅要使抑爆材料的留空率适当,而且要保证一定的填装量。填充密度、留空率及燃爆压力间的关系

6、结论

通过以上计算分析,油箱中空填充网状聚氨酯泡沫,为防止油箱爆炸有明显效果。

[1] 《机械设计手册》4卷 新版,机械设计手册编委会编著。 机械工业出版社,2004.8.

[2] 《机械设计手册》5卷 第四版,主编 成大先。 化学工业出版社,2002.1.

The disquisition of the fuel oil box's prevent-blasting on truck

Fan Guanglong, Shu Yong
(Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200)

With the development of the technology,the fuel oil box's prevent-blasting are putting into action on the vehicles more and more. The effection of prevent-blasting is the important target of the prevent-blasting. The article discusses the factors of influence on prevent-blasting from the material elements、material performance、the mode of filling and the experimentation, the article offers reference for many devisers.

the fuel oil box's prevent-blasting; prevent-blasting elements; capability; the mode of Filling; the analyse of the experimentation

U461.91

A

1671-7988(2015)02-18-03

范广龙,就职于陕西重型汽车有限公司。

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