CN102331440A - 一种测量可燃物燃烧性质的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于消防技术领域，具体为一种测量可燃物燃烧性质的装置和方法。其由耐高温地秤、耐高温支架、油盘、微压计、热电偶、双向探针、热辐射计、补偿导线、数据采集系统、引燃盘、整流栅格、送风机、支架、气管组成。该装置置于火灾实验室内，测量的可燃物放在地秤的托盘上，用定功率的引燃盘点燃可燃物后，打开送风机，测量可燃物在不同风速下的质量损失速率、火羽流速度、温度和辐射热。再用氧弹量热计测出的燃烧热乘以燃烧速率得出可燃物的热功率。本发明结构简单，计算方便，受实验室条件、火源功率限制小，适用于进行大型可燃物燃烧性质的测量。

Description

一种测量可燃物燃烧性质的装置和方法

技术领域

本发明属于消防技术领域，具体涉及一种测量可燃物质量损失速率、火羽流速度、辐射热和热功率的装置和方法。

背景技术

火源燃烧速率、热功率、辐射热、火羽流速度是火灾试验的主要参数，本发明可以定量测量可燃物的燃烧过程，实时采集测量数据，分析其燃烧性质。

目前国际上测量可燃物热功率的方法主要是采用锥形量热仪，通过测量耗氧量和烟气成分来计算热功率，对实验室和实验条件有严格要求，计算复杂，造价高，可测的火源功率较小，主要用于试验室内的火灾研究，无法实现对于大型火灾现场的燃烧速率和热功率测量，也无法实现有风条件下的测量。还有一种方法是通过测量可燃物的燃烧速率，也就是质量损失速率，通过测量可燃物在燃烧过程中的质量损失速率随燃烧时间的变化，得出可燃物燃烧速率、热释放速率、热功等可燃物重要燃烧性质。同时还可用热辐射计测量辐射热，得出火灾的辐射热和辐射热系数数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既可以测量燃烧速率、火羽流速度、辐射热，又可以测量热功率的测量装置和测量方法，尤其是一种可以在有风条件下实时测量数据的燃烧测量装置和测量方法。

本发明的测量测量可燃物燃烧性质的装置，由耐高温地秤1、耐高温支架2、微压计4、热电偶5、双向探针6、热辐射计7、补偿导线8、数据采集系统9、引燃盘10、整流栅格11、送风机12、支架14、气管15组成。

本发明中，所述耐高温地秤1置于地面上，所述耐高温支架2置于耐高温地秤1上；固体可燃物13直接放置在耐高温支架2上，对于液体可燃物，放在油盘内，油盘放置在耐高温支架2上（油盘大小和容积根据测量需要可替换）。所述引燃盘10放置在耐高温地秤1上，且位于耐高温支架2正下方。在所述高温地秤1附近设置一送风机12，且保持一定距离；所述整流栅格11设置于高温地秤1和送风机12之间，所述热辐射计7设置于高温地秤1和整流栅格11之间，热辐射计7沿水平方向距离可燃物一定距离，热电偶5、双向探针6通过支架14固定于可燃物上方。所述热辐射计7通过补偿导线8连接到数据采集系统9。所述耐高温地秤1通过RS232数据线8a连接到电脑。

所述双向探针6用于测量火羽流的动压，计算火羽流速度，双向探针6通过气管15和微压计4相连，微压计4通过补偿导线8连接数据采集系统9。双向探针6和热电偶5通过支架14固定在火源上方需要测量火羽流速度处，探头正对来流方向。热电偶5紧靠双向探针6，通过补偿导线8连接到数据采集系统9。

数据采集系统9主要由补偿导线8和数据采集板组成，将采集的试验数据，经过数据采集板转换成计算机信号，传输到终端电脑上，完成测量数据的自动采集、实时监视和数据存储。

本发明中，所述整流栅格11用于整流，使风速稳定。

所述送风机12风量可调，通过调节风量控制不同的风速。

本发明中，所述高温地秤1可以采用如下结构，其由地秤主体1a、地秤外壳2a、重量传感器3a、可调平支点4a、RS232数据线8a、电源线9a、显示仪10a组成。

其中，地秤主体1a直接放置于地面上，可调平支点4a设置于地秤主体1a的下方，用于调节地秤主体的水平；重量传感器3a放置于地秤主体1a内的4个边角处，用于测量可燃物质量；地秤外壳2a涂有防火涂料，套在地秤主体的上方，其4角与4个重量传感器3接触；地秤主体内设有水槽6a，水槽6a内盛放有水，起隔热作用，地秤主体设有放水阀7a和出水阀5a，该放水阀7a和出水阀5a分别与水槽6a相通；测量时，从放水阀7a流入冷水，出水阀5a流出热水，使重量传感器3a的温度不会超过其耐温范围；显示仪通过电源线9a接220V电源；重量传感器3a通过RS232数据线8a同电脑相连；重量传感器3a测得的压力信号通过RS232数据线8a输入到电脑。

测量时，将RS232数据线连到电脑的RS232插口上，电源线插在220V电源上，按显示仪上的开关键，按显示仪上的置零键，将地秤置零；将待测量物体放置于地秤外壳上方，测量时打开电脑的数据采集系统；引燃测量物体，重量传感器测得的信号通过RS232数据线传输到电脑，被数据采集系统记录存储。当测量的温度较高时，打开放水阀，用水管和水龙头相连，从放水阀中缓慢流入冷水；打开出水阀，将冷却后的热水经出水阀流出。

本发明中，所述双向探针6可以采用如下结构，其由空心管2b、迎流管3b和背压管4b组成。其中：

空心管2b为空心短管， 其长径比（长度L/直径D） 为1.5—2.5，其中部被隔断，空心管2b两端形成两个受压口，即迎流口1b和背压口5b。

迎流管3b和背压管4b分别与空心管2b相连通，并且与空心管2b的轴线垂直。

迎流管3b和背压管4b为空心导流管，迎流口1b和迎流管3b内部相通，背压口5b和背压管4b内部相通。

双向探针6b用于探测来自两个方向的气流。 

本发明的测量可燃物燃烧性质的方法，其具体步骤如下：

测量时，首先启动数据采集系统，引燃固体可燃物13（或油盘），耐高温地秤测量可燃物随时间的质量变化m（t）、热电偶测量温度变化T（t）、热辐射计测量热辐射量变化q’’（t）和双向探针6测量火羽流动压                                                

，根据测量结果利用公式（1）对m（t）求导，可算出可燃物的燃烧速率，再用氧弹量热计测出可燃物的热值

，根据热功率对燃烧时间的积分可得出可燃物总的热量。测得的动压和温度T(t)利用公式（3）计算风速v(t)。可根据公式（4）计算辐射系数

。

   （1）

其中：

hrr：燃料的热释放速率（kW）

：有效燃烧热(kJ/kg)

m：质量（kg）

t：时间（t）。

辐射热计算

=

      （4）

：辐射热，单位为kW

：辐射热通量，通过热辐射计测量，单位kW/m²

R：火源中心到热辐射计的水平距离，单位m。

火羽流速计算：

      （3）

其中：

V：火羽流速度（m/s）

：为校正系数，通过计量局风洞实验室标定.

：动压(Pa)

：气体密度（

），

。

本发明装置结构简单，计算方便，受实验室条件、火源功率限制小，非常适用于进行大型可燃物燃烧性质的测量。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明高温地秤的结构示意图。

图3是本发明双向探针的结构示意图。其中左图为正面图示，右图为侧面图示。

具体实施方式

本发明的优选实施例，结合附图说明如下：

实施例1：油盘（内盛放有50L的柴油）放在耐高温支架2上，耐高温支架2放在耐高温地秤1上，热辐射计沿水平方向距离油盘 0.5 m处，热电偶5、双向探针6通过支架固定于油盘正上方1 m处。热辐射计、热电偶5、双向探针6、耐高温地秤1通过补偿导线8，将数据传输到数据采集系统上。

测量时，首先启动数据采集系统，引燃柴油，测量柴油随时间的质量变化、温度变化、热辐射量变化和火羽流动压，根据测量结果得出可燃物的燃烧速率

 kg/s，再用氧弹量热计测出可燃物的热值40.2MJ/kg，根据测出的热值乘以燃烧速率可得出可燃物的热功率为407 kW。

热辐射计测得

为50kW/m²，R为0.5m，则

辐射热=157 kW

辐射系数 ==0.386

火羽流速计算：

热电偶（5）测得温度为800℃，双向探针（6）测得动压为25Pa

根据公式（3），火羽流速度 V为11.5 m/s。

实施例2

测量有风条件下对火源功率的影响，具体实施方法如下：

木垛放在耐高温支架上，耐高温支架放在地秤上，定功率引燃盘放在木垛正下方，位于地秤上，热辐射计沿水平方向距离油盘0.5米，热电偶、双向探针6通过支架固定于油盘正上方1米处。整流栅格沿水平方向距离木垛边缘1米处，送风机位于整流栅格后方，放在打开的门后。热辐射计、热电偶、地秤通过补偿导线，将数据传输到数据采集系统上。双向探针6通过气管连接到微压计上，微压计将数据通过补偿导线传输到数据采集系统上。测量时，首先启动数据采集系统，打开送风系统，用风速计测量栅格和木垛之间的风速，根据需要调节栅格后的风速为2m/s，引燃可燃物，地秤测量可燃物随时间的质量变化m（t）、热电偶测量温度变化T（t）、热流计测量热辐射量变化q（t）、双向探针6测量火羽流动压p（t），根据测量结果算出可燃物的燃烧速率，再根据氧弹量热计测出的热值乘以燃烧速率可得出可燃物的热功率。辐射热、辐射热系数和火羽流速度计算方法同实施例1。

Claims (5)

1.一种测量可燃物燃烧性质的装置，其特征在于由耐高温地秤（1）、耐高温支架（2）、微压计（4）、热电偶（5）、双向探针（6）、热辐射计（7）、补偿导线（8）、数据采集系统（9）、引燃盘（10）、整流栅格（11）、送风机（12）、支架（14）、气管（15）组成；其中： 

所述耐高温地秤（1）置于地面上，所述耐高温支架（2）置于耐高温地秤（1）上；固体可燃物（13）直接放置在耐高温支架（2）上，所述引燃盘（10）放置在耐高温地秤（1）上，且位于耐高温支架（2）正下方；在所述高温地秤（1）附近设置一送风机（12）；所述整流栅格（11）设置于高温地秤（1）和送风机（12）之间，所述热辐射计（7）设置于高温地秤（1）和整流栅格（11）之间，热电偶（5）、双向探针（6）通过支架（14）固定于可燃物上方；所述热辐射计（7）通过补偿导线（8）连接到数据采集系统（9）；

所述双向探针（6）通过气管（15）和微压计（4）相连，微压计（4）通过补偿导线（8）连接数据采集系统（9）；双向探针（6）和热电偶（5）通过支架（14）固定在火源上方需要测量火羽流速度处，探头正对来流方向；热电偶（5）紧靠双向探针（6），通过补偿导线（8）连接到数据采集系统（9）；

所述数据采集系统（9）主要由补偿导线（8）和数据采集板组成；采集的试验数据，经过数据采集板转换成计算机信号，传输到终端电脑上。

2.根据权利要求1所述的测量可燃物燃烧性质的装置，其特征在于所述耐高温地秤（1）由地秤主体（1a）、地秤外壳（2a）、重量传感器（3a）、可调平支点（4a）、RS232数据线（8a）、电源线（9a）、显示仪（10a）组成；其中：

所述地秤主体（1a）直接放置于地面上，可调平支点（4a）设置于地秤主体（1a）的下方，用于调节地秤主体的水平；重量传感器（3a）放置于地秤主体（1a）内的4个边角处，用于测量可燃物质量；地秤外壳（2a）涂有防火涂料，套在地秤主体的上方，其4角与4个重量传感器（3）接触；地秤主体内设有水槽（6a），水槽（6a）内盛放有水，起隔热作用，地秤主体设有放水阀（7a）和出水阀（5a），该放水阀（7a）和出水阀（5a）分别与水槽（6a）相通；显示仪通过电源线（9a）接220V电源；重量传感器（3a）通过RS232数据线（8a）同电脑相连。

3.根据权利要求1所述的测量可燃物燃烧性质的装置，其特征在于所述双向探针（6）由空心管（2b）、迎流管（3b）和背压管（4b）组成；其中：

空心管（2b）为空心短管，中部被隔断，空心管（2b）两端形成迎流口（1b）和背压口（5b）；迎流管（3b）和背压管（4b）分别与空心管（2b）相连通，并且与空心管（2b）的轴线垂直；迎流管（3b）和背压管（4b）为空心导流管，迎流口（1b）和迎流管（3b）内部相通，背压口（5b）和背压管（4b）内部相通。

4.根据权利要求1所述的测量可燃物燃烧性质的装置，其特征在于所述送风机（12）风量可调。

5.一种测量可燃物燃烧性质的方法，其特征在于具体步骤为：

测量时，首先启动数据采集系统，引燃固体可燃物（13）或油盘中的液体可燃物，耐高温地秤测量可燃物随时间的质量变化m（t）、热电偶测量温度变化T（t）、热辐射计测量热辐射量变化                                               

（t），双向探针（6）测量火羽流动压

；根据测量结果利用公式（1）对m（t）求导，算出可燃物的燃烧速率，再用氧弹量热计测出可燃物的热值

，根据热功率对燃烧时间的积分得出可燃物总的热量；测得的动压

和温度T(t)利用公式（3）计算风速v(t)；根据公式（4）计算辐射系数

；其中：

   （1）

式中：hrr：燃料的热释放速率（kW），

：有效燃烧热(kJ/kg)，m：质量（kg），t：时间（t）；

辐射热计算：

=

 ，

      （4）

式中，

：辐射热，单位为kW；

：辐射热通量，通过热辐射计测量，单位kW/m^2，； R：火源中心到热辐射计的水平距离，单位m；

火羽流速计算：

      （3）

式中：V：火羽流速度（m/s）；

：为校正系数，通过计量局风洞实验室标定；

：动压(Pa)；

：气体密度（

），

。

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