CN104977222A - 一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统 - Google Patents

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贾海林
余明高
解俊杰
路长
李小军
潘荣锟
王健
郑立刚
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Abstract

本发明公开了一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统，它涉及计量火灾发生发展过程中可燃物释热速率大小的测试系统。钢构耐火玻璃受限空间上方安装有隔热集烟罩和自然式排烟道，钢构耐火玻璃受限空间的中心设置有放置在带隔热保护的记录天平上的池火燃烧平台，带隔热保护的记录天平通过质量变化采集器与微型计算机连接，测温热电偶树穿设在钢构耐火玻璃受限空间上，测温热电偶树通过温度数据采集器与微型计算机连接，自然式排烟道的中心线上安装有烟气采样探头，烟气采样探头通过烟气成分分析器与微型计算机连接。本发明受单元模块加工、组装简单，使用方法和操作过程简便，具有一定的现实意义和经济应用价值。

Description

一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统
技术领域
本发明涉及的是一种计量火灾发生发展过程中可燃物释热速率大小的测试系统，具体涉及一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统。
背景技术
开展各种类型火灾的科学研究对于同类火灾后续的有效预防以及降低火灾中的人员伤亡和财产损失具有重要的科学意义，通常对某一特定类型火灾进行火灾描述时，引用一些火灾参数，诸如释热速率、火灾增长速率等其他与火灾有关的可以计量的参数来描述其特征，其中，释热速率被视为是反映火灾场景和数值模拟仿真中评定火灾危险性的重要参数之一。
释热速率是指可燃性试样向外释放热能速率的量值，单位为kw/m2，释热速率越大，燃烧反馈给自身及周围可燃物的热量就越多，造成自身及周围可燃物蒸发或热分解速度加快，生成的可燃性挥发物数量增多，从而加速了火焰的传播，其在开展火灾科学研究中的作用有：(1)释热速率能够描述火势发展速度和提供火灾危害程度的信息，是设定火灾探测、人员逃生和灭火最佳时间的重要依据；(2)释热速率作为计算机数值模拟仿真时的重要输入参数，是计算火场温度和烟气生成量等的重要依据；(3)释热速率曲线的设定是火灾性能化设计与评估火灾场景设计的前提，是决定采取何种消防对策的基本依据。
伴随着火灾科学的兴起与发展，国内外相关研究者已经研究开发出了一些用于测量释热速率的实验系统。传统上最简单的释热速率测试方法是直接测量由热滞后空间绝热环境中烟气的焓，但真正的绝热装置现实难以实现，目前所用的释热速率测试方法多是基于耗氧原理(燃烧时消耗的氧气质量与释放热量之间的比例关系)搭建的试验平台，如比较著名的基于ISO5660标准的小尺寸实验平台锥形量热仪和基于ISO 9705标准的全尺寸测量系统；但基于耗氧原理搭建的测试平台所涉及的燃烧室采用简易的隔热方式，因而得到的释热速率明显低于真实值，另外可燃物的灰分也会对其结果有较大的影响，更先进的设计是使用一个恒温仪器取代燃烧室，在一个能够保持恒温的仪器内对释热速率进行测量，这种设计会得到更好的结果，但实际仪器复杂且价格昂贵。
为了解决上述问题，设计一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统还是很有必要的。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统，试验系统简单，设计合理，受其他因素影响较小，单元模块加工、组装简单，使用方法和操作过程简便，具有一定的现实意义和经济应用价值。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统，包括受限空间及池火燃烧平台、火焰温度采集单元、质量变化测试单元和燃烧烟气测试单元，受限空间及池火燃烧平台由钢构耐火玻璃受限空间、隔热集烟罩、自然式排烟道和池火燃烧平台组成，钢构耐火玻璃受限空间上方安装有隔热集烟罩，隔热集烟罩的上方安装有自然式排烟道，钢构耐火玻璃受限空间、隔热集烟罩、自然式排烟道为整体式结构，用于收集与排出可燃液体燃烧过程中的热烟气，钢构耐火玻璃受限空间的正中心放置有池火燃烧平台，池火燃烧平台为直径0.5m、高0.25m、上端开口的圆柱形耐高温容器，用于盛放可燃液体。
所述的火焰温度采集单元由测温热电偶树、温度数据采集器和实时显示和存储数据的微型计算机组成，测温热电偶树穿设在钢构耐火玻璃受限空间上，测温热电偶树与温度数据采集器的一端连接，温度数据采集器的另一端通过标准通讯接口与微型计算机连接，实时显示和存储各路温度数据。
所述的质量变化测试单元由带隔热保护的记录天平、质量变化采集器和微型计算机组成，带隔热保护的记录天平设置在池火燃烧平台的下方，用于测试池火燃烧平台中液体可燃物的质量变化，带隔热保护的记录天平通过质量变化采集器与微型计算机连接，通过质量变化采集器将其数据传输至微型计算机上，微型计算机能够实时显示和存储池火燃烧平台中可燃物的质量变化情况。
所述的燃烧烟气测试单元由烟气采样探头、烟气成分分析器和微型计算机组成，烟气采样探头安装在自然式排烟道的中心线上，烟气采样探头与烟气成分分析器的一端连接，可实现氧气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、一氧化氮、氮氧化物、二氧化硫、室温、温差、压力、燃烧效率、过剩空气系数等烟气体积分数、温度和成分等参数的测定，烟气成分分析器的另一端通过标准通讯接口与微型计算机连接，通过标准通讯接口烟气成分分析器可将上述数据实时显示和存储在微型计算机上，数据存储格式为Excel标准格式，可供其它软件调用。
作为优选，所述钢构耐火玻璃受限空间的底部和顶部为中空的钢结构玻璃空间，钢构耐火玻璃受限空间的长宽高分别为0.75m、0.75m、1m，钢构耐火玻璃受限空间的框架为钢结构，钢构耐火玻璃受限空间的底部自上0.25m处为与外界相通的开放空间，便于新鲜空气的供给，0.25m向上至1m处的四周均安装有钢化玻璃，便于观察可燃物燃烧情况，其中三面玻璃固定在框架上，另一面玻璃可平抽或平推地安装于框架上，与可移动的玻璃相对的玻璃面上沿着垂直中心线，按0.05m的间隔距离自0.25m开始向上依此开设有七个圆形小孔。
作为优选，所述的测温热电偶树设置有七根测温热电偶，测温热电偶沿着池火可燃物燃烧火羽流中心线，按照0.05m/根的间隔距离自下而上依此布设，每根测温热电偶沿均穿设在钢构耐火玻璃受限空间中固定玻璃的圆形小孔上。
本发明的有益效果：基于质量损失速率的释热速率测试方法，可以有效避免传统方法的弊端，且试验系统简单，受其他因素影响较小，具有一定的现实意义和经济应用价值：
(1)测试系统的各单元模块加工组装简单、使用方法和操作过程简便，测试种类广，可测试各种可燃或易燃性液体；
(2)是能够实现实时测试和显示可燃液体的瞬时释热速率，也可计算获得某一时段内可燃液体的平均释热速率，经相同工况下的多次实验验证，测试结果具有很好的可重复性；
(3)是该系统除具有释热速率的测试功能外，还能够测量或计算获得燃烧过程中烟气成分的变化情况、燃烧效率情况和燃烧火焰高度的变化情况等。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明0-60s内可燃液体自由燃烧状态下释热速率的第一次实验结果图；
图3为本发明0-60s内可燃液体自由燃烧状态下释热速率的第二次实验结果图；
图4为本发明0-60s内可燃液体自由燃烧状态下释热速率的第三次实验结果图；
图5为本发明0-60s内可燃液体自由燃烧状态下释热速率的第四次实验结果图；
图6为本发明0-60s内可燃液体自由燃烧状态下释热速率的四次实验结果对比图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1-6，本具体实施方式采用以下技术方案：一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统，包括受限空间及池火燃烧平台、火焰温度采集单元、质量变化测试单元和燃烧烟气测试单元，受限空间及池火燃烧平台由钢构耐火玻璃受限空间1、隔热集烟罩2、自然式排烟道3和池火燃烧平台7组成，钢构耐火玻璃受限空间1上方安装有隔热集烟罩2，隔热集烟罩2的上方安装有自然式排烟道3，钢构耐火玻璃受限空间1、隔热集烟罩2、自然式排烟道3为整体式结构，用于收集与排出可燃液体燃烧过程中的热烟气，隔热集烟罩2下表面的尺寸为0.75m×0.75m，上表面的尺寸为0.20m×0.20m，隔热集烟罩2高度为0.50m，自然式排烟道3尺寸为0.20m×0.20m×1.00m，钢构耐火玻璃受限空间1的正中心放置有池火燃烧平台7，所述的池火燃烧平台7为直径0.5m、高0.25m、上端开口的圆柱形耐高温容器，用于盛放可燃液体。
所述的钢构耐火玻璃受限空间1的底部和顶部为中空的钢结构玻璃空间，钢构耐火玻璃受限空间1的长宽高分别为0.75m、0.75m、lm，钢构耐火玻璃受限空间1的框架为钢结构，底部自上0.25m处四周不安装玻璃，钢构耐火玻璃受限空间1的底部自上0.25m处为与外界相通的开放空间，便于新鲜空气的供给，这样可以保证池火燃烧平台中的液体可燃物燃烧时氧气供应充足，不至于缺氧窒息；自0.25m向上至1m处的四周均安装有钢化玻璃，便于观察可燃物燃烧情况，其中三面玻璃固定在框架上，另一面玻璃可平抽或平推地安装于框架上，用作添加可燃液体，与可平抽或平推的玻璃相对的玻璃面上沿着垂直中心线，按0.05m的间隔距离自0.25m开始向上依此开设有七个圆形小孔，便于后续安装测温热电偶。
值得注意的是，所述的火焰温度采集单元由测温热电偶树6、温度数据采集器10和实时显示和存储数据的微型计算机11组成，测温热电偶树6设置有七根测温热电偶，测温热电偶沿着池火可燃物燃烧火羽流中心线，按照0.05m/根的间隔距离自下而上依此布设，每根测温热电偶沿均穿设在钢构耐火玻璃受限空间1中固定玻璃的圆形小孔上，测温热电偶树6与温度数据采集器10的一端连接，温度数据采集器10的另一端通过标准通讯接口与微型计算机11连接，实时传送采集的每根热电偶温度数据，微型计算机11实时显示和存储各路温度数据，数据存储格式为Excel标准格式，可供其它软件调用。
值得注意的是，所述的质量变化测试单元由带隔热保护的记录天平8、质量变化采集器9和微型计算机11组成，设置在盛放可燃液体的池火燃烧平台7放置在带隔热保护的记录天平8上，用于测试池火燃烧平台7中液体可燃物的质量变化，当自动点火系统点着池火燃烧平台内的可燃液体后，可燃物因为燃烧反应的发生，其质量会发生变化，带隔热保护的记录天平8通过质量变化采集器9与微型计算机11连接，通过质量变化采集器9将其数据传输至微型计算机11上，微型计算机11能够实时显示和存储池火燃烧平台中可燃物的质量变化情况。
此外，所述的燃烧烟气测试单元由烟气采样探头4、烟气成分分析器5和微型计算机11组成，烟气采样探头4安装在自然式排烟道3的中心线上，烟气采样探头4与烟气成分分析器5的一端连接，可实现氧气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、一氧化氮、氮氧化物、二氧化硫、室温、温差、压力、燃烧效率、过剩空气系数等烟气体积分数、温度和成分等参数的测定，烟气成分分析器5的另一端通过标准通讯接口与微型计算机11连接，通过标准通讯接口烟气成分分析器5可将上述数据实时显示和存储在微型计算机11上，数据存储格式为Excel标准格式，可供其它软件调用。
本具体实施方式提供一种单元模块加工和组装简单、使用方法和操作过程简便、用于测定可燃液体在火灾发生蔓延过程中释热速率的一套实验测试系统，可以有效避免传统方法的弊端，且试验系统简单，受其他因素影响较小，此外其依据的计算公式Q＝φ×m×ΔH中各个参数容易获取，其中ΔH为可燃物完全燃烧时的燃烧热值，可查相关表获得，可燃物的质量燃烧速率m和燃烧效率因子φ可以根据本平台中的可燃物质量变化测试单元和燃烧烟气测试单元计算获得或直接测得，所以，基于质量损失速率原理设计研制的释热速率测试系统具有一定的现实意义和经济应用价值。
本具体实施方式实验前首先检查火焰温度采集单元、质量变化测试单元和燃烧烟气测试单元等是否通电、连接是否完好、工作是否正常，之后将池火燃烧平台放置在带隔热保护的记录天平，待记录天平上读数稳定后清零，之后在池火燃烧平台中倒置一定量的可燃液体，等到记录天平上的读数稳定后，利用点火系统点着可燃液体并计时，各测试单元分别采集火焰温度、质量变化和热烟气参数变化情况。
根据实时显示和存储的可燃物质量变化情况，即可获得可燃物的质量燃烧速率m，根据实时显示和存储的热烟气参数变化情况，即可获得可燃物的燃烧效率因子φ，又知ΔH为可燃物燃烧时的燃烧热值，可查相关表获得，故依据公式Q＝φ×m×ΔH能够实现可燃液体释热速率大小的测试计算，分析四次实验结果可发现(参照图6)，在相同的燃烧状态下(自由燃烧状态下)，可燃液体在相同的观测时间内(0-60s内)的释热速率变化趋势相同，四条实验曲线具有很好的重合性，证实了所发明的实验系统对于可燃液体释热速率的测试是切实可行、可靠科学的，此外该测试系统还能实现可燃物火焰高度的测试。
本系统具有以下特点：一是测试系统的各单元模块加工组装简单、使用方法和操作过程简便，测试种类广，可测试各种可燃或易燃性液体；二是能够实现实时测试和显示可燃液体的瞬时释热速率，也可计算获得某一时段内可燃液体的平均释热速率，经相同工况下的多次实验验证，测试结果具有很好的可重复性；三是该系统除具有释热速率的测试功能外，还能够测量或计算获得燃烧过程中烟气成分的变化情况、燃烧效率情况和燃烧火焰高度的变化情况等。
本具体实施方式所述的集成测试系统，单元模块加工、组装简单，使用方法和操作过程简便，经实验研究表明能够有效测试可燃液体燃烧时的释热速率情况，这对于评定可燃液体在火灾发生蔓延过程中的火灾危险性具有重要意义，具有广阔的市场应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统，其特征在于，包括受限空间及池火燃烧平台、火焰温度采集单元、质量变化测试单元和燃烧烟气测试单元，受限空间及池火燃烧平台由钢构耐火玻璃受限空间(1)、隔热集烟罩(2)、自然式排烟道(3)和池火燃烧平台(7)组成，钢构耐火玻璃受限空间(1)上方安装有隔热集烟罩(2)，隔热集烟罩(2)的上方安装有自然式排烟道(3)，钢构耐火玻璃受限空间(1)、隔热集烟罩(2)、自然式排烟道(3)为整体式结构，用于收集与排出可燃液体燃烧过程中的热烟气，钢构耐火玻璃受限空间(1)的正中心放置有用于盛放可燃液体的池火燃烧平台(7)；
所述的火焰温度采集单元由测温热电偶树(6)、温度数据采集器(10)和实时显示和存储数据的微型计算机(11)组成，测温热电偶树(6)穿设在钢构耐火玻璃受限空间(1)上，测温热电偶树(6)与温度数据采集器(10)的一端连接，温度数据采集器(10)的另一端通过标准通讯接口与微型计算机(11)连接；
所述的质量变化测试单元由带隔热保护的记录天平(8)、质量变化采集器(9)和微型计算机(11)组成，带隔热保护的记录天平(8)设置在池火燃烧平台(7)的下方，带隔热保护的记录天平(8)通过质量变化采集器(9)与微型计算机(11)连接，实时显示和存储池火燃烧平台中可燃物的质量变化情况；
所述的燃烧烟气测试单元由烟气采样探头(4)、烟气成分分析器(5)和微型计算机(11)组成，烟气采样探头(4)安装在自然式排烟道(3)的中心线上，烟气采样探头(4)与烟气成分分析器(5)的一端连接，烟气成分分析器(5)的另一端通过标准通讯接口与微型计算机(11)连接，将上述数据实时显示和存储在微型计算机上，数据存储格式为Excel标准格式，可供其它软件调用。
2.根据权利要求1所述的一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统，其特征在于，所述钢构耐火玻璃受限空间(1)的底部和顶部为中空的钢结构玻璃空间，钢构耐火玻璃受限空间(1)的长宽高分别为0.75m、0.75m、1m，钢构耐火玻璃受限空间(1)的框架为钢结构，钢构耐火玻璃受限空间(1)的底部自上0.25m处为与外界相通的开放空间，0.25m向上至1m处的四周均安装有钢化玻璃，三面玻璃固定在框架上，另一面玻璃可平抽或平推地安装于框架上，与可移动的玻璃相对的玻璃面上沿着垂直中心线，按0.05m的间隔距离自0.25m开始向上依此开设有七个圆形小孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统，其特征在于，所述的池火燃烧平台(7)为直径0.5m、高0.25m、上端开口的圆柱形耐高温容器。
4.根据权利要求1所述的一种基于质量损失速率的可燃液体释热速率测试系统，其特征在于，所述的测温热电偶树(6)设置有七根测温热电偶，测温热电偶沿着池火可燃物燃烧火羽流中心线，按照0.05m/根的间隔距离自下而上依此布设，每根测温热电偶沿均穿设在钢构耐火玻璃受限空间(1)中固定玻璃的圆形小孔上。
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