CN104764769A - 一种多路并联热释放速率测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路并联热释放速率测试系统及测试方法，旨在提供一种运用多路并联的方式，对燃烧面积大、热释放速率高的火灾进行准确量热的系统及测试方法。包括燃烧室、数据采集器、数据处理器和多个测试单元；每个测试单元包括烟气收集系统、烟气流量测量系统和烟气采样系统，烟气收集系统包括排烟管道、整流栅、取样段和排烟风机；烟气流量测量系统包括双向皮托管、差压传感器和热电偶；烟气采样系统包括烟气采样管、冷凝器、烟气过滤器、干燥装置、取样泵、转子流量计、氧传感器、CO₂传感器、CO传感器；每个测试单元中的排烟管道并联连接。本发明可应用于隧道火灾的热释放速率测试，也可用于对汽车、列车火灾的热释放速率的测试。

Description

一种多路并联热释放速率测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及一种热释放速率测试系统，更具体的说，是涉及一种测量大功率火源热释放速率的多路并联热释放速率测试系统及测试方法。

背景技术

热释放速率是可燃物燃烧时单位时间内释放出的热量。一直以来，热释放速率都被视为反映火灾场景、表征火灾过程的最重要的参数。通过不同形式的实验，人们发展了多种测量热释放速率的方法，目前被大家广为接受的测量方法主要是失重法和耗氧法，而耗氧法是进行火灾研究的主流方法。

耗氧法是指，净燃烧热和燃烧所消耗的氧气质量呈比例，这个关系是每消耗1kg氧气所释放出的热量大约为13.10×10³kJ，在实际应用中就是利用这种方法来计算可燃物在燃烧过程中所释放出来的能量。

目前，现有的热释放速率测量装置的量程基本上都是固定值，当火源热释放速率大小变化较大时，很难同时满足测量结果对量程和精度的要求。因此有必要研究一种多路并联的热释放速率测试系统，当所研究的火灾规模较小时，采用单条排烟管路进行烟气收集，从而满足系统对精度的要求；当火源功率较大时，采用多条排烟管路并联的方法进行烟气收集，从而满足系统对量程的要求。

目前，为进行热释放速率研究所设计的系统基本上都是针对面积较小的燃烧物，当燃烧物面积较大时，所产生的烟气范围较大，而单个排烟风机所能排放的烟气流量有限，并且单条排烟管道受到空间及尺寸的限制，烟气不能被排烟管道完全收集，会使测量结果不准确。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种能够提高热释放速率测试的量程和精度，能够应用在不同场合，能够实时、准确反映燃烧过程中热释放速率变化情况的多路并联热释放速率测试系统。

本发明的另一个目的是提供一种使用简单、方便的测试方法，对燃烧面积大、热释放速率高的火灾进行准确量热，并且利用多路集烟管道的开启和关闭，实现量程调节，在火源功率较小时也能准确量热。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种多路并联热释放速率测试系统，包括燃烧室、数据采集器、数据处理器和多个测试单元；每个所述测试单元包括烟气收集系统、烟气流量测量系统和烟气采样系统，所述烟气收集系统包括排烟管道、整流栅、取样段和排烟风机；所述烟气流量测量系统包括双向皮托管、差压传感器和热电偶；所述烟气采样系统包括烟气采样管、冷凝器、烟气过滤器、干燥装置、取样泵、转子流量计、氧传感器、CO₂传感器、CO传感器；所述排烟管道分别通过排烟口与所述燃烧室连通，每个所述测试单元中的所述排烟管道并联连接；所述取样段设置于所述排烟管道内部烟气充分混合的位置，所述整流栅安装于所述排烟管道内部，所述排烟风机安装于所述排烟管道的出口端；所述取样段内安装有所述双向皮托管、热电偶和烟气采样管，所述双向皮托管与所述差压传感器连接；所述烟气采样管的烟气输出端依次与所述冷凝器、烟气过滤器、干燥装置、取样泵、转子流量计、氧传感器、CO₂传感器和CO传感器连接，所述热电偶、差压传感器、氧传感器、CO₂传感器和CO传感器的信号输出端分别与所述数据采集器的信号输入端连接，所述数据采集器的信号输出端与所述数据处理器的信号输入端连接。

所述排烟口位于所述燃烧室的侧壁，每个所述测试单元的排烟管道分别与所述燃烧室平行设置。

所述燃烧室两端分别安装有挡烟垂壁。

所述排烟口位于所述燃烧室的顶部，每个所述测试单元的排烟管道分别通过所述排烟口与所述燃烧室连通。

所述燃烧室两端分别安装有挡烟垂壁。

所述双向皮托管安装于所述排烟管道的中心线上。

所述氧传感器采用氧化锆传感器，所述氧化锆传感器的探头部分安装于金属测试腔内，所述氧化锆传感器带有加热元件，所述加热元件与直流电源连接。

所述取样泵与转子流量计之间安装有三通接头，所述三通接头的支管与外部环境连通；所述排烟风机与变频器连接。

一种使用所述的多路并联热释放速率测试系统实现热释放速率测试的方法，包括下述步骤：

(1)当所测试燃烧物的热释放速率峰值小于系统设计量程的45％时，使用一个测试单元工作；当所测试燃烧物的热释放速率峰值大于或等于系统设计量程的45％时，使用多个并联的测试单元同时工作；

(2)在实验开始前，首先打开排烟风机，待风机运转稳定后，打开取样泵，调节转子流量计，使流过转子流量计的样气流量为0.5～2L/min；

(3)将氧传感器、CO₂传感器、CO传感器接入电源，预热5min，然后采集氧传感器输出的电压，将此电压作为氧传感器计算时的本底电势值；

(4)点燃可燃物，数据采集器采集热电偶、差压传感器、氧传感器、CO₂传感器和CO传感器的数据送到数据处理器，数据处理器分别计算出各测试单元所测出的热释放速率变化，再将各测试单元的热释放速率相加即可得到燃烧物的热释放速率变化；每个测试单元的热释放速率由下式计算；

$Q=E^1{q}_v{X}_{O_2}^a\left[\frac{\mathrm{\Φ}}{\mathrm{\Φ}(\mathrm{\α}-1)+1}\right]$

其中：

$X_{O_2}^a=X_{O_2}^0$

$\mathrm{\Φ}=\frac{X_{O_2}^0(1-X_{{\mathrm{CO}}_2}-X_{\mathrm{CO}})-X_{O_2}(1-X_{{\mathrm{CO}}_2}^0)}{X_{O_2}^0(1-X_{{\mathrm{CO}}_2}-X_{O_2}-X_{\mathrm{CO}})}$

式中：Q-热释放速率，MW；

E¹-消耗单位体积氧气所释放的热量，17.3MJ/m³；

-氧气的环境摩尔百分数，％；

-空气中氧浓度，％

Φ-耗氧系数；

α-燃烧反应的耗氧扩展系数，α＝1.105；

-空气中CO₂浓度，％；

-烟气中CO₂浓度，％；

X_CO-烟气中CO浓度，％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的多路并联热释放速率测试系统中，用仪器分别测出排烟管路中烟气的流量、氧气的浓度、CO₂的浓度、CO的浓度，将这些数据代入热释放速率的耗氧法计算公式中即可计算出各支路所测出的热释放速率变化，再将各支路的热释放速率相加即可得到燃烧物的热释放速率变化。

2.本发明的多路并联热释放速率测试系统采用多条排烟管路并联的方式对烟气进行收集，增大了所能收集的烟气的总流量，并且能够降低每条排烟管路和每个风机的负荷，降低了实验对设备的要求。

3.本发明的多路并联热释放速率测试系统的排烟管路的风机采用变频控制系统，频率由变频器控制，根据排风量进行计算而定。

4.本发明的多路并联热释放速率测试系统中，测量取样段必须设置在排烟管路中烟气充分混合的位置，即排烟管路直线段长度至少是直径的8倍以上。

5.本发明的多路并联热释放速率测试系统中，排烟管路中烟气的体积流量利用皮托管和差压传感器测量。

6.本发明的多路并联热释放速率测试系统中，烟气取样及分析系统管路中设置有冷凝器、烟气过滤及干燥装置，用以降低烟气温度、除去烟气中含有的颗粒物和水分，以保证测试仪器对样气的要求。

7.本发明的多路并联热释放速率测试系统中，烟气取样及分析系统管路中的压力由取样泵提供、流量由转子流量计调节，取样泵和转子流量计之间连接一个三通接头，三通接头的支管用于排出管路中多余烟气。

8.本发明的多路并联热释放速率测试系统中，烟气取样及分析系统中各部件均可拆卸更换，使用更方便。

9、本发明的成测试方法使用简单、方便，对燃烧面积大、热释放速率高的火灾进行准确量热，并且利用多路集烟管道的开启和关闭，实现量程调节，在火源功率较小时也能准确量热。

10.本发明的多路并联热释放速率测试系统，根据其结构不同，可以适用于多种场合，比如铁路隧道、公路隧道、地铁隧道、大型商场、车站、地下室、隧道救援站等场合。

附图说明

图1所示为本发明排烟口位于侧壁多路并联热释放速率测试系统的俯视图；

图2所示为排烟口位于侧壁的烟气收集系统断面图；

图3所示为排烟口位于顶棚的烟气收集系统示意图；

图4所示为氧传感器的示意图；

图5所示为烟气流量测试系统示意图；

图6所示为圆形排烟管道内风速测点分布示意图；

图7所示为矩形排烟管道内风速测点分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明多路并联热释放速率测试系统的示意图如图1所示，包括燃烧室18、数据采集器17、数据处理器21和多个测试单元。；所述燃烧室18内放置有可燃物2。每个所述测试单元包括烟气收集系统、烟气流量测量系统和烟气采样系统。所述烟气收集系统包括排烟管道1、整流栅23、取样段19和排烟风机4；所述烟气流量测量系统包括双向皮托管6、差压传感器7和热电偶22；所述烟气采样系统包括烟气采样管5、冷凝器8、烟气过滤器9、干燥装置10、取样泵11、转子流量计13、氧传感器14、CO₂传感器15、CO传感器16。所述排烟管道1分别通过排烟口3与所述燃烧室18连通，每个所述测试单元中的所述排烟管道1并联连接。所述取样段19设置于所述排烟管道1内部烟气充分混合的位置，所述整流栅23安装于所述排烟管道1内部，所述排烟风机4安装于所述排烟管道1的出口端。为了实现变频控制，所述排烟风机4与变频器25连接。所述取样段19内安装有所述双向皮托管6、热电偶22和烟气采样管5，所述双向皮托管6与所述差压传感器7连接。所述烟气采样管5的烟气输出端依次与所述冷凝器8、烟气过滤器9、干燥装置10、取样泵11、转子流量计13、氧传感器14、CO₂传感器15和CO传感器16连接，所述热电偶22、差压传感器7、氧传感器14、CO₂传感器15和CO传感器16的信号输出端分别与所述数据采集器17的信号输入端连接，所述数据采集器17的信号输出端与所述数据处理器21的信号输入端连接。所述双向皮托管6安装于所述排烟管道1的中心线上。

图2所示为排烟口位于侧壁的烟气收集系统断面图，所述排烟口3位于所述燃烧室18的侧壁，每个所述测试单元的排烟管道1分别与所述燃烧室18平行设置。本实施例中，所述燃烧室18断面为矩形结构，燃烧室18两端不封闭，必要时在燃烧室18两端安装挡烟垂壁，排烟口3位于燃烧室18的侧壁上，烟气通过排烟口3进入排烟管道1。排烟管道1内安装有整流栅23，以使排烟道内烟气流动均匀。排烟管道1断面为矩形，与燃烧室18平行设置。这种烟气收集系统可应用于公路隧道、铁路隧道、地铁隧道等场合，将隧道的行车道作为燃烧室，通过隧道内的排烟系统对烟气进行收集和测量，从而可以计算出隧道内火灾的热释放速率。

图3所示为排烟口位于顶棚的烟气收集系统示意图，所述排烟口3位于所述燃烧室18的顶部，每个所述测试单元的排烟管道1分别通过所述排烟口3与所述燃烧室18连通。所述燃烧室18两端不封闭，为了防止烟气溢出烟气收集系统，在燃烧室18两端安装挡烟垂壁24，多个排烟口3位于燃烧室18的顶棚，烟气通过排烟口3分别进入多条排烟管道1。排烟管道1内安装有整流栅23，以使排烟道内烟气流动均匀。排烟管道1可以是矩形管道，也可以是圆形管道。这种烟气收集系统可以应用于大型商场、车站、隧道救援站等场合，将建筑内空间作为燃烧室，通过建筑内设置的排烟系统对烟气进行收集和测量，从而可以计算出建筑内火灾的热释放速率。

所述取样泵11与转子流量计13之间安装有三通接头12，所述三通接头12的支管与外部环境连通，用于排出管路中多余的烟气。

所述氧传感器14采用氧化锆传感器，其示意图如图4所示，所述氧化锆传感器的探头部分26安装于金属测试腔27内，所述氧化锆传感器带有加热元件，所述加热元件与直流电源连接。所述氧化锆传感器能够将烟气中氧浓度的变化转化为电压信号，传感器的信号输出线与数据采集器连接。

氧气浓度由下式计算。

$E=\left(\frac{\mathrm{RT}}{4F}\right)\ln \left(\frac{X_{O_2}^0}{X_{O_2}}\right)$

式中：-烟气中氧气浓度，％；

E-氧化锆传感器输出电势值，V；

R-理想气体常数，8.314J/(mol·K)；

F-法拉第常数，96500C/mol；

T-氧化锆传感器的绝对温度，K；

-空气中氧浓度，％。

所述排烟管道烟气流量测试系统的示意图如图5所示，由于需要测量的物理量是排烟管道内断面的平均风速，所以需要在使用前对排烟管道内断面风速分布进行测试。当所述排烟管道1断面为圆形时，断面风速测点分布示意图如图6所示，图中D为排烟管道直径。。将排烟管道断面分成4个同心圆，各圆的直径相对大小如图6所示，每个小圆的圆周方向上平均分布8个测点，共24个测点。当所述排烟管道1断面为矩形时，断面风速测点分布示意图如图7所示，图中L为排烟管道矩形断面的长度，H为排烟管道矩形断面的高度。测试时，打开排烟风机14，待风机运转稳定后，测出各测点位置处的风速，然后求出其算术平均值，该算术平均值即为排烟管道断面平均风速，记为再在相同的工况下测出排烟管道中心位置处的风速v，v与的比值记为：

$k=\frac{\stackrel{\‾}{v}}{v};$

调整风机频率，测出不同风速下的k值变化。在试验时，只需要测出排烟管道中心线上风速，再将其乘以k，即可计算出排烟管道内断面的平均风速。所述排烟管道中心线上的风速使用双向皮托管6和差压传感器7进行测量。所述双向皮托管6安装在排烟管道中心线上，测得的压差由差压传感器7转换为电信号。双向皮托管6附近的气体温度由热电偶测量，热电偶不应对双向皮托管附近的气流形成扰动。排烟管道内烟气流量由下式计算。

$\mathrm{qv}=\mathrm{Ak}\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}$

其中：

ρ＝1.29499-0.00455t+1.35716×10^-5t²-

2.99531×10^-8t³+4.40209×10^-11t⁴-

3.96413×10^-14t⁵+1.95412×10^-17t⁶-

4.01125×10^-21t⁷

式中：q_V-排烟管道内烟气的体积流量，m³/s；

A-排烟管道横截面积，m²；

Δp-排烟管道内压差，Pa；

ρ-排烟管道内烟气的密度，kg/m³；

t-排烟管道内烟气的温度，℃。

使用时，如果所测试燃烧物2的热释放速率峰值小于系统设计量程的45％，为满足实验对精度的要求，则使用一个测试单元(单路)测量，只打开一侧的排烟风机4；如果所测试燃烧物的热释放速率峰值大于或等于系统设计量程的45％，为满足实验对量程的要求，则使用多个测试单元采用多路并联的测量方法，同时打开多侧的排烟风机4。在实验开始前，首先打开排烟风机4，待风机运转稳定后，打开取样泵11，调节转子流量计13，使流过转子流量计的样气流量为0.5～2L/min。将氧传感器14、CO₂传感器15、CO传感器16接入电源，预热5min，然后采集氧传感器输出的电压，将此电压作为氧传感器计算时的本底电势值。测出本底电势值后，保持各仪器持续供电，即可开始实验。点燃可燃物2，数据采集器17采集热电偶22、差压传感器7、氧传感器14、CO₂传感器15、CO传感器16的数据，数据处理器21根据这些数据可分别计算出各测试单元支路所测出的热释放速率变化，再将各测试单元支路的热释放速率相加即可得到燃烧物的热释放速率变化。

热释放速率由下式计算。

$Q=E^1{q}_v{X}_{O_2}^a\left[\frac{\mathrm{\Φ}}{\mathrm{\Φ}(\mathrm{\α}-1)+1}\right]$

其中：

$X_{O_2}^a=X_{O_2}^0$

$\mathrm{\Φ}=\frac{X_{O_2}^0(1-X_{{\mathrm{CO}}_2}-X_{\mathrm{CO}})-X_{O_2}(1-X_{{\mathrm{CO}}_2}^0)}{X_{O_2}^0(1-X_{{\mathrm{CO}}_2}-X_{O_2}-X_{\mathrm{CO}})}$

式中：Q-热释放速率，MW；

E¹-消耗单位体积氧气所释放的热量，17.3MJ/m³；

-氧气的环境摩尔百分数，％；

Φ-耗氧系数；

α-燃烧反应的耗氧扩展系数，α＝1.105；

-空气中CO₂浓度，％；

-烟气中CO₂浓度，％；

X_CO-烟气中CO浓度，％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多路并联热释放速率测试系统，其特征在于，包括燃烧室、数据采集器、数据处理器和多个测试单元；每个所述测试单元包括烟气收集系统、烟气流量测量系统和烟气采样系统，所述烟气收集系统包括排烟管道、整流栅、取样段和排烟风机；所述烟气流量测量系统包括双向皮托管、差压传感器和热电偶；所述烟气采样系统包括烟气采样管、冷凝器、烟气过滤器、干燥装置、取样泵、转子流量计、氧传感器、CO₂传感器、CO传感器；所述排烟管道分别通过排烟口与所述燃烧室连通，每个所述测试单元中的所述排烟管道并联连接；所述取样段设置于所述排烟管道内部烟气充分混合的位置，所述整流栅安装于所述排烟管道内部，所述排烟风机安装于所述排烟管道的出口端；所述取样段内安装有所述双向皮托管、热电偶和烟气采样管，所述双向皮托管与所述差压传感器连接；所述烟气采样管的烟气输出端依次与所述冷凝器、烟气过滤器、干燥装置、取样泵、转子流量计、氧传感器、CO₂传感器和CO传感器连接，所述热电偶、差压传感器、氧传感器、CO₂传感器和CO传感器的信号输出端分别与所述数据采集器的信号输入端连接，所述数据采集器的信号输出端与所述数据处理器的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的多路并联热释放速率测试系统，其特征在于，所述排烟口位于所述燃烧室的侧壁，每个所述测试单元的排烟管道分别与所述燃烧室平行设置。

3.根据权利要求2所述的多路并联热释放速率测试系统，其特征在于，所述燃烧室两端分别安装有挡烟垂壁。

4.根据权利要求1所述的多路并联热释放速率测试系统，其特征在于，所述排烟口位于所述燃烧室的顶部，每个所述测试单元的排烟管道分别通过所述排烟口与所述燃烧室连通。

5.根据权利要求4所述的多路并联热释放速率测试系统，其特征在于，所述燃烧室两端分别安装有挡烟垂壁。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的多路并联热释放速率测试系统，其特征在于，所述双向皮托管安装于所述排烟管道的中心线上。

7.根据权利要求6所述的多路并联热释放速率测试系统，其特征在于，所述氧传感器采用氧化锆传感器，所述氧化锆传感器的探头部分安装于金属测试腔内，所述氧化锆传感器带有加热元件，所述加热元件与直流电源连接。

8.根据权利要求7所述的多路并联热释放速率测试系统，其特征在于，所述取样泵与转子流量计之间安装有三通接头，所述三通接头的支管与外部环境连通；所述排烟风机与变频器连接。

9.一种使用权利要求1-8中任一项所述的多路并联热释放速率测试系统实现热释放速率测试的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)当所测试燃烧物的热释放速率峰值小于系统设计量程的45％时，使用一个测试单元工作；当所测试燃烧物的热释放速率峰值大于或等于系统设计量程的45％时，使用多个并联的测试单元同时工作；

(2)在实验开始前，首先打开排烟风机，待风机运转稳定后，打开取样泵，调节转子流量计，使流过转子流量计的样气流量为0.5～2L/min；

(3)将氧传感器、CO₂传感器、CO传感器接入电源，预热5min，然后采集氧传感器输出的电压，将此电压作为氧传感器计算时的本底电势值；

(4)点燃可燃物，数据采集器采集热电偶、差压传感器、氧传感器、CO₂传感器和CO传感器的数据送到数据处理器，数据处理器分别计算出各测试单元所测出的热释放速率变化，再将各测试单元的热释放速率相加即可得到燃烧物的热释放速率变化；每个测试单元的热释放速率由下式计算:

$Q=E^1{q}_v{X}_{O_2}^a\left[\frac{\mathrm{\Φ}}{\mathrm{\Φ}(\mathrm{\α}-1)+1}\right]$

其中： $X_{O_2}^a=X_{O_2}^0$

$\mathrm{\Φ}=\frac{X_{O_2}^0(1-X_{{\mathrm{CO}}_2}-X_{\mathrm{CO}})-X_{O_2}(1-X_{{\mathrm{CO}}_2}^0)}{X_{O_2}^0(1-X_{{\mathrm{CO}}_2}-X_{O_2}-X_{\mathrm{CO}})}$

式中：Q-热释放速率，MW；

E¹-消耗单位体积氧气所释放的热量，17.3MJ/m³；

-氧气的环境摩尔百分数，％；

-空气中氧浓度，％

Φ-耗氧系数；

α-燃烧反应的耗氧扩展系数，α＝1.105；-空气中CO₂浓度，％；

-烟气中CO₂浓度，％；

X_CO-烟气中CO浓度，％。