一種簡易煤樣瓦斯吸附與解吸實驗平臺的設計

李彬彬，程永強

(太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024)

從近幾年的煤礦事故分析認為，造成煤礦事故的很大一部分原因是煤礦瓦斯爆炸，因而，研究煤礦瓦斯的吸附與解吸特性[1-3]，并根據其吸附、解吸特性采取針對性的措施[4-5]，來防范瓦斯爆炸顯得尤為重要。作為高校，開設瓦斯吸附與解吸實驗十分必要，但是現有的瓦斯吸附、解吸實驗設備價格十分昂貴，使得諸多院校望而卻步，從而也導致了攻克瓦斯爆炸難題的進程緩慢。所以，一套簡易、低廉的煤樣瓦斯吸附與解吸實驗平臺極其符合高校的需求。本文旨在介紹一種簡易的煤樣瓦斯吸附與解吸實驗平臺，旨在拋磚引玉，希望能夠有更多的性價比高的實驗平臺出現，不斷促進人才的培養。

1 實驗平臺系統整體介紹

實驗平臺主要包括硬件裝置和專用軟件兩大部分。該實驗裝置從功能上看，主要由真空脫氣系統、等溫吸附平衡系統[6]、閥門控制系統、流量記錄系統、壓力傳感系統、微機控制系統和一些常規裝置組成。真空脫氣系統主要由真空泵和真空管路組成；等溫吸附平衡系統由恒溫水浴、煤樣吸附罐、氣體凈化器和高純甲烷氣瓶組成；閥門控制系統主要由5只球閥組成，用來控制各路管路的開啟和關閉；流量記錄系統是由量管組和升降系統組成，采用平衡排水法來記錄甲烷的體積，進而記錄甲烷的吸附量和解析量；壓力傳感系統是由氣壓傳感器和與其相應的數據采集卡組成，用以將壓力值轉換為相應的電信號，從而以量化的電信號來表征甲烷氣體的氣壓值；微機控制系統分為兩部分，一部分是將氣壓傳感系統的電信號通過標準的USB接口連接到微機上，由微機來控制數據采集卡的采集頻率和直觀實時顯示氣壓值，另一部分是微機的一個數據分析處理系統，用以將實驗記錄的數據加以分析整理，繪制出吸附解吸曲線，并求出吸附常數a、b值[7]。在微機控制系統中，必須配置相應的驅動程序和應用軟件。常規裝置包括溫度計、氣壓表、電子天平、扳手、干燥鍋等，主要用以記錄溫度、環境大氣壓、安裝、測量質量、干燥儲存煤樣。實驗裝置原理圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置原理圖

1.1 專用設備

(1) 吸附缸。盛裝實驗煤樣的高壓容器，容積約為300 mL，式樣為圓柱體缸體。

(2) 量管組(包括水準瓶)。用以測量解吸或吸附瓦斯體積。其中，低壓吸附用量管容積為200 mL±0.1 mL；高壓吸附用量管容積為1 000 mL±5 mL，使用飽和食鹽水作為封閉液。

(3) 高壓瓦斯瓶。內裝壓力5 066 kPa以上的純甲烷。

(4) 氣體凈化器。內裝變色硅膠。

1.2 通用設備

主要的通用設備如表1所示。

表1 通用設備

1.3 軟件系統

軟件系統包括數據采集實驗軟件和曲線分析軟件兩部分。

2 主要硬件裝置

2.1 吸附缸及其組件

吸附缸主要是用來盛裝實驗煤樣的高壓容器，對壁厚要求比較高，此外就是對密封性的要求。它里面要盛有實驗煤樣，還得填充好幾十個大氣壓的甲烷氣體。為了保證氣體的嚴密性，吸附缸的設計關鍵包括：(1)壁厚足夠；(2)密封墊圈；(3)6個對稱螺絲緊固。特別值得注意的是在緊固螺絲時要平衡施力，以保證受力平衡。吸附缸設計為容積約300 mL式樣的圓柱體空心缸體，吸附缸蓋做成標準的接口，用以與壓力表或壓力傳感器相匹配，并且配有合適的旋轉閥門和接口。接口配置了2個不同的配套接嘴，一個是用來抽真空和連接量管組時使用，另一個是用于高壓充氣時使用。具體吸附缸及其組件設計如圖2所示。

2.2 氣體凈化器及其組件

氣體凈化器的作用主要是凈化甲烷氣體中的水分[8]，主要部件是一個上下連通的筒體，在其內部填入變色硅膠，用以吸收凈化甲烷氣體中的水分。此外，還必須配置相應的閥門，用以完成洗氣等實驗功能。具體設計如圖3所示。

2.3 量管組及其升降系統

量管組及其升降系統是該實驗系統的核心裝置，用排水法來測量甲烷氣體的體積。主要包括2個量管和2個與其對應的水準瓶，還有2套升降裝置。升降裝置的控制器是用升降晾衣桿的控制器代替，其具有自鎖功能。具體設計如圖4所示。

圖2 吸附缸及其組件

圖3 氣體凈化器及其組件

圖4 量管組及其升降裝置

3 軟件系統

3.1 氣壓數據采集控制系統

當數據采集卡把氣壓值轉化為電信號時，用USB屏蔽連接線將信號連接至微機上。微機上由一套氣壓采集控制系統來采集控制數據采集卡的采集參數。該系統主要基于LabVIEW平臺開發[9-10]，具有面向對象的友好界面，可以設置采樣頻率、實時顯示電壓值和氣壓值、直觀顯示氣壓變化曲線圖，并具有視圖縮放功能，可以根據實際需要有選擇性地來查閱所需局部曲線；另外還具有定時保存數據功能，可以將氣壓數據導出為Excel表格形式。具體數據采集控制系統界面如圖5所示。

圖5 氣壓數據采集控制系統界面

3.2 實驗數據分析系統

實驗數據分析系統是利用C++編寫的一個應用軟件[11-12]，用以分析實驗數據，繪制出吸附曲線和解析曲線，并求出相應的煤樣瓦斯吸附常數a、b值。它需要輸入環境溫度、環境氣壓、煤樣的真比重、灰分、水分等參數，還需要輸入量管組記錄的甲烷氣體的體積數及相對應的氣壓值。具體實驗數據分析系統界面如圖6所示。

圖6 瓦斯吸附、解吸實驗數據分析系統界面

4 結束語

由于篇幅有限，具體的實驗平臺操作步驟及注意事項不再一一詳述。該實驗平臺具有簡單、實用等優點，能夠基本滿足煤樣瓦斯吸附和解吸實驗的需求。利用該平臺，投資成本低，能夠很好地滿足資金不足院校的瓦斯吸附、解吸實驗平臺的建設，進而推進我國礦業安全事業的發展。實驗平臺尚存在一些不足，有待在以后的實踐中進一步改進。

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