CN103792249A - 一种模拟不同燃烧环境的材料燃烧实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟不同燃烧环境的材料燃烧实验装置，其特征在于：包括样品加热系统、混合箱和压力控制系统；样品加热系统包括石英管和管式炉；石英管内放置有石英舟；石英管的尾端通过法兰密封，法兰上设置有进气口，前端连接在混合箱上；混合箱上设置有气体采样口和二次进气口；压力控制系统用于调节混合箱和石英管内的压力。本发明的实验装置可以控制材料在不同环境下（温度、氧浓度、压力等）进行稳态燃烧，通过采样口引入各类烟气测试仪器，从而对材料在不同环境下的燃烧过程及其产物进行研究，特别是压力控制系统的存在填补了相关研究领域的技术空白，对于减少和控制高原、高空火灾事故的发生具有重要意义。

Description

一种模拟不同燃烧环境的材料燃烧实验装置
技术领域
本发明涉及一种材料燃烧实验装置，特别是测试材料不同压力下燃烧状态的实验装置。
背景技术
随着高分子材料科学与技术的发展，新型聚合物及其复合材料越来越广泛应用于建筑、电气、交通、国防等领域。然而大部分高分子材料属于易燃材料，在空气中易被点燃并引发火灾，不仅造成巨大的物质财产损失，同时其燃烧产生的有毒烟气更会危及人民的生命安全，同时对生态环境造成严重影响。据统计，火灾中70%-80%的死亡者是由于吸入有毒烟气中毒窒息而死亡的。火灾烟气毒性危害问题已经成为当代消防急需解决的重大课题之一。
在某些特殊环境下，如高原及高空的低压、低氧环境等，材料的燃烧速率、燃烧时间及燃烧所产生的气、固相产物等都将发生改变。大飞机、载人飞船等场所中材料所处的环境较恶劣，缺乏外界空气补给，一旦内部发生着火，会大量消耗舱内空气，形成低压缺氧燃烧或阴燃。另外，近年来，我国西部地区的经济发展迅速，其火灾安全防治问题逐步凸显。
20世纪70年代到90年代，美国国家标准和技术研究所(National Instituteof Standard andTechnology，NIST)、英国国防部和德国标准机构等研制了很多针对材料燃烧性能测试的装置，特别是火灾烟气毒性测试的小尺度试验装置，如NBS烟密度箱、锥形量热仪、DIN53436管式炉等，上述装置能够对材料燃烧环境中的温度、氧浓度、通风情况等进行一定的调控，但是却均无法调控大气压这一重要的环境因素，因此，无法模拟低压、低氧等场景下材料的燃烧过程，从而使得高原及高空等特殊环境下火灾防治的研究很少。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种模拟不同燃烧环境的材料燃烧实验装置。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明模拟不同燃烧环境的材料燃烧实验装置，其特点在于：包括样品加热系统、混合箱和压力控制系统；
所述样品加热系统包括石英管和套在石英管外并可沿石英管轴向移动的管式炉；所述石英管内放置有用于装载待测材料的石英舟；所述石英管的两端在管式炉内贯穿形成前端管和尾端管；所述尾端管通过法兰密封，所述法兰上设置有用于向石英管内通气的进气口；所述前端管连接在混合箱上并通过高温密封圈密封；
所述混合箱上设置有气体采样口和二次进气口；
所述压力控制系统用于调节混合箱和石英管内的压力。
本发明的实验装置，其特点也在于：所述样品加热系统还包括用于实现管式炉沿石英管轴向移动的管式炉步进装置；所述管式炉步进装置包括底座、竖立在底座上的支架及驱动单元，所述管式炉放置在底座上，并通过支架支撑石英管，所述底座上沿石英管轴向设置有滑轨，驱动单元控制滑轨带动管式炉移动。驱动单元可以控制管式炉进行匀速移动，从而匀速加热石英舟内的被测材料。
所述管式炉加热区域的长度不小于石英舟的长度。
所述气体采样口有多个，并均匀排布在混合箱表面。多个气体采样口按不同位置和角度间隙分布
混合箱的上设置有可开启密封门，在实验完成后，可以打开可开启密封门，对混合箱进行清理。
所述混合箱呈圆柱形。圆柱状相比其他形状抗压性能更好。
所述混合箱内设置有探测混合箱内烟密度的激光探测装置。激光探测装置连接电脑，直接在电脑上显示变化曲线，混合箱内每分钟通入有固定体积的气体以稀释烟密度，激光探测装置探测到稀释后烟密度后，电脑软件自动转换为未稀释烟密度，并通过电脑显示。
所述压力控制系统包括压强控制设备、抽气管道、维持真空泵和主抽真空泵；
所述抽气管道上依次连接有第一自动补气阀、手动补气阀、第三自动阀门、第一真空表及第二烟尘过滤器，所述第二烟尘过滤器连接于混合箱；
位于手动补气阀和第三自动阀门之间的抽气管道上依次通过第一自动阀门和第一止回阀连接在主抽真空泵的一端，主抽真空泵的另一端连接在排气管道；
位于手动补气阀和第一自动阀门之间的抽气管道依次通过第二自动阀门和第二止回阀连接在维持真空泵的一端，维持真空泵的另一端连接在排气管道；
在所述混合箱上还连接有第二自动补气阀；
所述压强控制设备分别通过数据线控制主抽真空泵、维持真空泵、第一止回阀、第二止回阀、第一自动阀门、第二自动阀门、第三自动阀门、第一自动补气阀、第二自动补气阀及第二真空表的开关状态；
所述第二真空表经电容压力计和第一烟尘过滤器连接在混合箱上。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明提供了一种模拟不同燃烧环境的材料燃烧实验装置，一次进气管可连接不同氧浓度的气体，从而提供不同的燃烧气氛，管式炉可设置不同的加热温度，压力控制系统能够调控不同的大气压环境，因此可以控制材料在不同环境下（温度、氧浓度、压力等）进行稳态燃烧，通过采样口引入各类烟气测试仪器，从而对材料在不同环境下的燃烧过程及其产物进行研究，特别是压力控制系统的存在填补了相关研究领域的技术空白，对于减少和控制高原、高空火灾事故的发生具有重要意义；
2、本发明压力控制系统通过电容压力器向压强控制设备反馈混合箱和石英管内的压力值，压强控制设备根据压力值开启或关闭真空泵和自动阀门，使得混合箱和石英管内部的压力可以保持动态平衡；
3、本发明管式炉通过匀速移动加热石英舟内的样品，使得样品能够出现稳态燃烧状态，由于管式炉具有足够长的加热区域，已进入加热区域的样品的燃烧环境能够保持一致；
4、本发明二次进气口能够稀释燃烧产生的有毒烟气的浓度，使得混合箱内的气体浓度在多数气体检测仪器测试范围内，避免了气体的进一步处理；
5、本发明混合箱上的多个采样口，可连接多种烟气检测设备，减少了多次样品采集的时间，提高了工作效率和经济性。
附图说明
图1为本发明实验装置的结构示意图；
图2为本发明压力控制系统的结构示意图；
图中标号：1管式炉；2石英管；3石英舟；4法兰；5底座；6滑轨；7驱动单元；8支架；9混合箱；10二次进气口；11高温密封圈；12气体采样口；13压力控制系统；14主抽真空泵；15维持真空泵；16排气管道；17抽气管道；18-1第一止回阀；18-2第二止回阀；19-1第一自动阀门；19-2第二自动阀门；19-3第三自动阀门；20-1第一自动补气阀；20-2第二自动补气阀；21手动补气阀；22-1第一真空表；22-2第二真空表；23压力控制设备；24电容压力器；25第一烟尘过滤器；26第二烟尘过滤器。
具体实施例
如图1所示，本实施例的模拟不同燃烧环境的材料燃烧实验装置包括样品加热系统、混合箱9和压力控制系统13；
样品加热系统包括石英管2和套在石英管2外并可沿石英管2轴向移动的管式炉1；石英管2内放置有用于装载待测材料的石英舟3；石英管2的两端在管式炉内贯穿形成前端管和尾端管；尾端管通过法兰4密封，法兰4上设置有用于向石英管内通气的进气口；前端管连接在混合箱9上并通过高温密封圈11密封；
所述混合箱9上设置有气体采样口12和二次进气口10；
所述压力控制系统用于调节混合箱9和石英管2内的压力。
样品加热系统还包括用于实现管式炉1沿石英管2轴向移动的管式炉步进装置；管式炉步进装置包括底座5、竖立在底座5上的支架8及驱动单元7，管式炉放置在底座5上，并通过支架8支撑石英管2，底座5上沿石英管2轴向设置有滑轨6，驱动单元7控制滑轨6带动管式炉1移动。
驱动单元可以控制管式炉进行匀速移动，从而匀速加热石英舟内的被测材料。
管式炉1加热区域的长度不小于石英舟3的长度。
所述气体采样口12有多个，并均匀排布在混合箱9表面。多个气体采样口按不同位置和角度间隙分布
混合箱9的上设置有可开启密封门，在实验完成后，可以打开可开启密封门，对混合箱进行清理。
混合箱9呈圆柱形，圆柱状的相比其他形状抗压性能更好。
混合箱9内设置有探测混合箱内烟密度的激光探测装置。激光探测装置连接电脑，直接在电脑上显示变化曲线，混合箱内每分钟通入有固定体积的气体以稀释烟密度，激光探测装置探测到稀释后烟密度后，电脑软件自动转换为未稀释烟密度，并通过电脑显示。
压力控制系统包括压强控制设备23、抽气管道17、维持真空泵15和主抽真空泵14；
所述抽气管道17上依次连接有第一自动补气阀20-1、手动补气阀21、第三自动阀门19-3、第一真空表22-1及第二烟尘过滤器26，所述第二烟尘过滤器26连接于混合箱9；
位于手动补气阀21和第三自动阀门19-3之间的抽气管道17上依次通过第一自动阀门19-1和第一止回阀18-1连接在主抽真空泵14的一端，主抽真空泵14的另一端连接在排气管道16；
位于手动补气阀21和第一自动阀门19-1之间的抽气管道17依次通过第二自动阀门19-2和第二止回阀18-2连接在维持真空泵15的一端，维持真空泵15的另一端连接在排气管道16；
在所述混合箱9上还连接有第二自动补气阀20-2；
所述压强控制设备23分别通过数据线控制主抽真空泵14、维持真空泵15、第一止回阀18-1、第二止回阀18-2、第一自动阀门19-1、第二自动阀门19-2、第三自动阀门19-3、第一自动补气阀20-1、第二自动补气阀20-2及第二真空表22-2的开关状态；
所述第二真空表22-2经电容压力计24和第一烟尘过滤器25连接在混合箱29上。
本发明的工作过程如下：将管式炉1温度设定并维持在实验所需值；将被测材料均匀置于石英舟3内，并将石英舟放置于石英管2中；通过密封法兰4上的进气口通入气体，用以模拟材料燃烧的气氛，混合箱上的二次进气口10亦通入气体，用以稀释材料燃烧所产生的烟气；开启压力控制系统13，并设置实验所需大气压；通过管式炉步进系统匀速移动管式炉1从而加热被测材料；通过混合箱上的气体采样口12采集并测试、分析材料燃烧所产生的烟气。
压力控制系统的工作原理为：混合箱9中的空气经主抽真空泵14抽吸后，由排气管道16排出系统外，从而实现混合箱9和石英管2内的快速降压；通过止回阀18-1、18-2防止气体回流；抽气管道17中的气流量通过第一自动阀门19-1控制，实现抽气管道17的切断或接通；主抽真空泵所在气路的开关及流量大小由第二自动阀门控制19-2。
在主抽真空泵14抽气完毕停机后，通过维持真空泵15保持补气量和抽气量的动态平衡，维持石英管2内的低气压环境和真空度值的稳定；维持真空泵15所在气路的开关及流量大小由第二自动阀门19-2控制。
压力控制系统中的补气量通过第一自动补气阀20-1控制；进入混合箱内空气中的杂质通过过滤器去除；在试验完成后通过第二自动补气阀20-2将外界空气经过滤器25过滤后抽吸进混合箱9和石英管2内，使混合箱9和石英管2内外压力值达到平衡。
电容压力器24和真空表22-2用来测量混合箱9内的压力值，并向压强控制设备23输入反馈信号；压强控制设备23用来控制主抽真空泵14、维持真空泵15、止回阀18-1、18-2、自动阀门19-1、19-2、抽气管道17、排气管道16、自动补气阀20-1、20-2、真空表22-1、22-2的开启或关闭。

Claims (8)

1.一种模拟不同燃烧环境的材料燃烧实验装置，其特征在于：包括样品加热系统、混合箱（9）和压力控制系统（13）；
所述样品加热系统包括石英管（2）和套在石英管（2）外并可沿石英管（2）轴向移动的管式炉（1）；所述石英管（2）内放置有用于装载待测材料的石英舟（3）；所述石英管（2）的两端在管式炉内贯穿形成前端管和尾端管；所述尾端管通过法兰（4）密封，所述法兰（4）上设置有用于向石英管内通气的进气口；所述前端管连接在混合箱（9）上并通过高温密封圈（11）密封；
所述混合箱（9）上设置有气体采样口（12）和二次进气口（10）；
所述压力控制系统用于调节混合箱（9）和石英管（2）内的压力。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述样品加热系统还包括用于实现管式炉（1）沿石英管（2）轴向移动的管式炉步进装置；所述管式炉步进装置包括底座（5）、竖立在底座（5）上的支架（8）及驱动单元（7），所述管式炉放置在底座（5）上，并通过支架（8）支撑石英管（2），所述底座（5）上沿石英管（2）轴向设置有滑轨（6），驱动单元（7）控制滑轨（6）带动管式炉（1）移动。
3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述管式炉（1）加热区域的长度不小于石英舟（3）的长度。
4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述气体采样口（12）有多个，并均匀排布在混合箱（9）表面。
5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：混合箱（9）的上设置有可开启密封门。
6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述混合箱（9）呈圆柱形。
7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述混合箱（9）内设置有探测混合箱内烟密度的激光探测装置。
8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述压力控制系统包括压强控制设备（23）、抽气管道（17）、维持真空泵（15）和主抽真空泵（14）；
所述抽气管道（17）上依次连接有第一自动补气阀（20-1）、手动补气阀（21）、第三自动阀门（19-3）、第一真空表（22-1）及第二烟尘过滤器（26），所述第二烟尘过滤器（26）连接于混合箱（9）；
位于手动补气阀（21）和第三自动阀门（19-3）之间的抽气管道（17）上依次通过第一自动阀门（19-1）和第一止回阀（18-1）连接在主抽真空泵（14）的一端，主抽真空泵（14）的另一端连接在排气管道（16）；
位于手动补气阀（21）和第一自动阀门（19-1）之间的抽气管道（17）依次通过第二自动阀门（19-2）和第二止回阀（18-2）连接在维持真空泵（15）的一端，维持真空泵（15）的另一端连接在排气管道（16）；
在所述混合箱（9）上还连接有第二自动补气阀（20-2）；
所述压强控制设备（23）分别通过数据线控制主抽真空泵（14）、维持真空泵（15）、第一止回阀（18-1）、第二止回阀（18-2）、第一自动阀门（19-1）、第二自动阀门（19-2）、第三自动阀门（19-3）、第一自动补气阀（20-1）、第二自动补气阀（20-2）及第二真空表（22-2）的开关状态；
所述第二真空表（22-2）经电容压力计（24）和第一烟尘过滤器（25）连接在混合箱（29）上。
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