CN105606485A - 一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈测量系统，由液面稳定机构、液面接受热反馈测量机构、羽流温度测量机构和环形池火辐射热反馈测量机构组成。液面稳定机构，根据采集燃油温度的变化，通过电磁阀控制环形池火燃油补给；其中环形油池由内环和外环构成，环形油池内环所围成的空间是空心结构。液面接受热反馈测量机构，包括热传导测量和热反馈测量。热传导测量主要指环形油池壁面温度和燃油温度测量。热反馈测量是指油池液面接受到的火焰热反馈，含对流和辐射热反馈。可以通过热流计和辐射通量计分别获得。本发明可提供液面稳定条件下的环形油池火热反馈测量系统，获得液面接受到热反馈所包含的三个传热项。

Description

一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈测量系统

技术领域

本发明涉及能源火灾安全科学领域，具体的涉及一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈测量系统。

背景技术

近年来油类火灾事故频繁发生，造成了重大伤亡和财产损失。燃油燃烧实验研究受到国内外学者高度关注，通过实验来研究油类燃烧特性，包含燃油的燃烧速率，火焰热辐射强度，火焰形态等特征参数，用来掌握燃油类火灾发生，发展的规律，用来预防以及探索有效的燃油类火灾灭火方式提供理论依据，对于城市公共安全以及最重要的人员生命安全具有重要科学意义。

燃油燃烧速率和燃油火灾的热反馈参量，是油类火灾最重要的特征，人们对这两种参数做了大量研究，但目前燃油燃烧试验装置大多数液面是非稳定的，随着燃油燃烧，燃油液面逐渐变少，直至燃尽。其中需要注意的是，不同液面深度的油池燃烧特性呈现多样的特征，为此，人们建立了不同稳定液面燃油燃烧试验装置。比如以下的2个稳定液面的燃烧器装置：授权公告号CN202403269U，基于连通器原理发明的一种燃烧器，包括用于燃烧油液的油池以及位于油池旁侧的缓冲油池，油池与缓冲油池间由连通管连通设置，缓冲油池上设置有溢流口，另外溢流口的高度等于油池油液设定高度且大于连通管与油池以及缓冲油池间的连通口高度。公开号CN102879292A提供了一种能够实现液面持续稳定的燃烧实验装置，主体由燃料补给系统、溢流系统和称重系统构成。其燃料补给系统，分为顶层燃料储池和补给燃料池，二者之间由不锈钢软管连接，不锈钢管道上的阀门可以控制油从顶层燃料储池流入补给燃料池的速率大小；溢流系统，包括补给燃料池和底层燃料储池，二者之间亦通过不锈钢软管连接。

通过对已有技术的调研分析可以看出，现有的燃油燃烧试验装置在结构和功能上都具有一定的局限性，往往单独针对圆形油池、方形油池，而在工业燃油火灾中，由于油罐泄露，造成燃油流淌至罐体外部，容易在罐体周围形成了环形状油类火灾，这一方面研究几乎没有，然而环形油类燃烧特征对罐体安全非常重要，通过传导加热和辐射传热影响罐体整体安全。人们对这类燃烧情况下燃油液面接受到的热反馈开展的研究较少，故而，需要建立相关燃烧试验装置，开展环形油池火燃烧试验，获得燃烧速率，热反馈特征参数，对于指导油类火灾防治具有非常重要的科学意义。

发明内容

为了研究基于液面稳定条件下的环形油池液面接受到火焰热反馈，包含热传导项，火焰对流项和液面接受到火焰的热反馈项，本发明提供了一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈测量系统。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈的测量系统由液面稳定机构、液面接受热反馈测量机构、羽流温度测量机构和环形燃烧油池向外辐射量的测量机构组成。

所述液面稳定机构包括环形的燃烧油池17、补给油池2、油箱3和称重天平14；燃烧油池17设于称重天平14上；燃烧油池17的一侧底部通过供油管道13连通着补给油池2的底部，油箱3位于补给油池2的上方；油箱3的底部设有出油管，出油管上设有电磁阀4；燃烧油池17内和燃烧油池17的圆心位置分别设有热流计10；

所述液面接受热反馈测量机构包括热传导测量器件；所述热传导测量器件包括用于测量燃烧油池17的内池壁温度和外池壁温度的一个以上的壁面温度热电偶22，用于测量燃油温度的两个以上的燃油温度热电偶7，两个以上的燃油温度热电偶7分别设于燃烧油池17的外侧池壁和内侧池壁上；

所述羽流温度测量机构包括通过热电偶支架21设于燃烧油池17外部底面的三个以上测量羽流温度的羽流温度热电偶26；

所述环形池火辐射热反馈测量机构包括辐射热流计23和数码摄像机24，所述辐射热流计23和数码摄像机24设于燃烧油池17外部的一侧，用于测量燃烧油池17的火焰向外热辐射情况；

测量时，点燃燃烧油池17中的燃油，打开油箱3出油管上的电磁阀4，燃油由油箱3补给到补给油池2，补给油池2通过供油管道13向燃烧油池17补入燃油；在燃烧过程中，不断补充的燃油使环燃烧油池17内的液面能够维持在固定的高度，多余的燃油从补给油池2的溢出口溢出，燃烧油池17内的液面始终和补给油池2内的液面等高。

进一步的技术方案如下：

所述燃烧油池17包括内池壁8和外池壁9；

所述内池壁8的外侧壁面上开设有内壁盲孔19，内壁盲孔19内设有用于测量内池壁温度的壁面温度热电偶22，内池壁8上还开设有内壁通孔20，内壁通孔20内设有用于测量燃油温度的燃油温度热电偶7；

外池壁9的外侧壁面上开设有外壁盲孔18，外壁盲孔18内设有热电偶；外池壁9上还开设有外壁通孔25，外壁通孔25内设有用于测量燃油温度的燃油温度热电偶7。

壁面温度热电偶22和羽流温度热电偶26均为K型铠装热电偶，燃油温度热电偶7为铂铑R型热电偶；

所述热流计10测量量程为0～50MW/m²，所述辐射热流计23测量量程为0～50MW/m²。

所述热流计10和辐射热流计23上分别罩设有耐高温石英罩15。

所述辐射热流计23、数码摄像机24与燃烧油池17之间的距离大于5倍的燃烧油池17的外径。

所述燃烧油池17的外径为15-60cm，所述内池壁8和外池壁9之间的池宽为5-30cm。

所述称重天平14的测量精度为0.01g，实时测量并采集燃烧油池17质量损失速率，用于获取环形油池火火源功率值。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明建立的环形油池燃烧试验装置是目前第一个针对内外双环油池燃烧液面稳定以及热反馈测量进行研究的综合试验装置。相比于前人控制液面方式，本发明拟根据采集燃油温度的变化，通过电磁阀控制油箱阀门供给到补给油池速度，做到精确控制，操作方便。

2、可以测量环形油池液面以及环形油池中心的热反馈情况，并可测量壁面热传导项，弄清液面接受到火焰的总热流内部的三个变量，液面与壁面之间的热传导项，火焰对流项和液面接受到火焰的热反馈项，分别在环形状油类燃烧过程所占比重。

3、本发明建立的环形油池内环和环形油池外环直径都可以改变，可以实现不同尺寸环形油池火的热反馈现象研究。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的液面稳定条件下的环形油池系统示意图；

图3是图1的局部放大图；

图4是本发明的液面稳定条件下的环形油池系统A-A剖面示意图；

图5是本发明的热电偶布置、火焰向外部热反馈测量和火焰图像拍摄示意图；

附图中各标号代表的部件列表如下：

溢出口1、补给池2、油箱3、电磁阀4、数据采集模块5、计算机6、燃油温度热电偶7、内池壁8、外池壁9、热流计10、供油口11、支架12、供油管道13、称重天平14、耐高温石英罩15、油池底孔16、燃烧油池17、外壁盲孔18、内壁盲孔19、内壁通孔20、热电偶支架21、壁面温度热电偶22、辐射热流计23、数码摄像机24、外壁通孔25、羽流温度热电偶26。

具体实施方式

下面将结合附图，通过实施例对本发明进行进一步地说明。

实施例

如图1所示，一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈的测量系统由液面稳定机构、液面接受热反馈测量机构、羽流温度测量机构和环形燃烧油池向外辐射量的测量机构组成。

如图1、图2所示，液面稳定机构包括环形的燃烧油池17、补给油池2、油箱3和称重天平14。燃烧油池17的外径为40cm，燃烧油池17的内池壁8和外池壁9之间的池宽为20cm。称重天平14的测量精度为0.01g，燃烧油池17安装于称重天平14上。燃烧油池17的一侧底部的中心开设有直径30mm的补给孔，补给孔连接站供油管道13的一端，供油管道13的另一端连通着补给油池2的底部，油箱3位于补给油池2的上方；油箱3的底部连通着出油管，出油管上安装有电磁阀4。燃烧油池17内和燃烧油池17的圆心位置分别安装有热流计10，热流计10的测量量程为0～50MW/m²，每个热流计10上罩装有耐高温石英罩15。

液面接受热反馈测量机构包括热传导测量器件，热传导测量器件包括两个壁面温度热电偶22和两个燃油温度热电偶7，壁面温度热电偶22为K型铠装热电偶，燃油温度热电偶7为铂铑R型热电偶。具体的结构布置参见图3，内池壁8的外侧壁面上开设有一个内壁盲孔19，内壁盲孔19内安装有一个用于测量内池壁温度的壁面温度热电偶22，内池壁8上还开设有一个内壁通孔20，内壁通孔20内安装有一个用于测量燃油温度的燃油温度热电偶7；外池壁9的外侧壁面上开设有一个外壁盲孔18，外壁盲孔18内安装有另一个壁面温度热电偶22；外池壁9上还开设有一个外壁通孔25，外壁通孔25内安装有另一个用于测量燃油温度的燃油温度热电偶7，两个燃油温度热电偶7用于测量燃烧油池17内底部的燃油温度。

内壁盲孔19、内壁通孔20、外壁盲孔18和外壁通孔25的直径均为1mm，其中盲孔的深度是池壁厚度的一半。利用卡套螺丝固定壁面温度热电偶22，同时也能起到密封作用，防止燃油从燃烧油池17的侧壁上的通孔泄漏。

参见图1和图5，羽流温度测量机构包括通过热电偶支架21安装于燃烧油池17外部底面的三个以上测量羽流温度的羽流温度热电偶26；羽流温度热电偶26为K型铠装热电偶。

参见图1和图5，环形池火辐射热反馈测量机构包括辐射热流计23和数码摄像机24。辐射热流计23和数码摄像机24分别安装于燃烧油池17的外部的一侧，用于测量燃烧油池17的火焰向外热辐射情况。辐射热流计23、数码摄像机24与燃烧油池17之间的距离大于5倍的燃烧油池17的外径。

实验测量时，点燃燃烧油池17中的燃油，打开油箱3出油管上的电磁阀4，燃油由油箱3补给到补给油池2，补给油池2通过供油管道13向燃烧油池17补入燃油。在燃烧过程中，燃油不断补充到燃烧油池17内，使燃烧油池17内的液面能够维持固定的高度；多余的燃油从补给油池2的溢出口溢出，燃烧油池17内的液面始终和补给油池2内的液面等高。称重天平14实时测量并采集燃烧油池17质量损失速率，用于获取环形油池火火源功率值。各种数据通过数据采集模块5反馈到采集计算机6上，根据各种数据的变化，控制补给油池2速度。

燃烧油池17液面接受到火焰的热通量分为以下三个部分之和：

${\stackrel{\·}{Q}}_F^{\′\′}={\stackrel{\·}{Q}}_{conduction}^{\′\′}+{\stackrel{\·}{Q}}_{convection}^{\′\′}+{\stackrel{\·}{Q}}_{radiation}^{\′\′}---\left(1\right)$

其中，为液面接受到火焰的总热流，为液面与壁面之间的热传导项，为火焰对流项，为液面接受到火焰的热反馈项。

液面与壁面之间的热传导传热，可用以下公式获得：

${\stackrel{\·}{Q}}_{conduction}^{\′\′}=k_1\mathrm{\π}D(T_w-T_l)---\left(2\right)$

其中k₁为热传导系数，T_w为油池壁面温度，T_l为燃烧温度和油池直径，D为温度有热电偶测得。

针对燃烧油池17，公式(2)变为：

${\stackrel{\·}{Q}}_{conduction}^{\′\′}=k_1\mathrm{\π}(D+d)(T_w-T_l)---\left(3\right)$

其中液面与壁面之间的热传导项中的πD表示环形燃烧油池内池壁8的周长，πd为环形燃烧油池外池壁9的周长。油池油池壁面温度由环形燃烧油池内池壁8和环形燃烧油池外池壁9的壁面温度平均获得。

参见图4，油池液面接受到的火焰热反馈，包括对流热反馈和辐射热反馈。通过可以热流计10和辐射通量计23将环形油池火液面接受到的热反馈共同获取，热流计10测量获得的数据是火焰对液面的总热流强度，为对流热反馈和辐射热反馈之和，而辐射通量计23测量获得的数据是火焰对液面的辐射热反馈强度。在燃烧油池17底部和环形燃烧油池内池壁8之间空心正中间布置测量液面接受火焰热反馈的热流计10和接受辐射热反馈的辐射热流计23，用耐高温石英罩15罩在热流计10和辐射热流计23上方，避免火焰直接炙烤它们。

如图4所示，整个液面接收到的辐射热反馈量为：

${\stackrel{\·}{Q}}_{rad}=S*{\stackrel{\·}{Q}}_{radiation}^{\′\′}---\left(4\right)$

${\stackrel{\·}{Q}}_{radiation}^{\′\′}=(V/K_S)/k---\left(5\right)$

其中S为燃烧油池17液面面积，V为通过辐射热流计所采集得到的电压值，K_S为传感器灵敏度，k为耐高温石英罩15对辐射量透过百分比。

参见图1和图5所示，羽流温度测量机构包括通过热电偶支架21安装于燃烧油池17外部的三个以上测量羽流温度热电偶26，测量羽流温度热电偶26为K型铠装热电偶。

参见图1和图5所示，环形燃烧油池17火焰向外辐射测量机构包括辐射热流计23和数码摄像机24，辐射热流计23和数码摄像机24设于燃烧油池17外部的一侧，其中，用于测量燃烧油池17的火焰向外热辐射情况；辐射热流计23、数码摄像机24与燃烧油池17之间的距离大于5倍的燃烧油池17直径。同时用数码摄像机24拍摄火焰发展情况，便于后期进行环形燃烧油池火焰形态特征研究。

参见图1和图4，称重天平14实时测量并采集燃烧油池17质量损失速率，用于获取环形油池火火源功率值为：

$\stackrel{\·}{Q}=\stackrel{\·}{m}\mathrm{\Δ}H---\left(6\right)$

其中为环形油池火火源功率值，ΔH为燃料的燃烧热值，为燃油的质量损失速率，有称重天平14测量获得。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈的测量系统，其特征在于：所述测量系统由液面稳定机构、液面接受热反馈测量机构、羽流温度测量机构和环形燃烧油池向外辐射量的测量机构组成；

所述液面稳定机构包括环形的燃烧油池（17）、补给油池（2）、油箱（3）和称重天平（14）；燃烧油池（17）设于称重天平（14）上；燃烧油池（17）的一侧底部通过供油管道（13）连通着补给油池（2）的底部，油箱（3）位于补给油池（2）的上方；油箱（3）的底部设有出油管，出油管上设有电磁阀（4）；燃烧油池（17）内和燃烧油池（17）的圆心位置分别设有热流计（10）；

所述液面接受热反馈测量机构包括热传导测量器件；所述热传导测量器件包括用于测量燃烧油池（17）的内池壁温度和外池壁温度的一个以上的壁面温度热电偶（22），用于测量燃油温度的两个以上的燃油温度热电偶（7），两个以上的燃油温度热电偶（7）分别设于燃烧油池（17）的外侧池壁和内侧池壁上；

所述羽流温度测量机构包括通过热电偶支架（21）设于燃烧油池（17）外部底面的三个以上测量羽流温度的羽流温度热电偶（26）；

所述环形池火辐射热反馈测量机构包括辐射热流计（23）和数码摄像机（24），所述辐射热流计（23）和数码摄像机（24）设于燃烧油池（17）外部的一侧，用于测量燃烧油池（17）的火焰向外热辐射情况；

测量时，点燃燃烧油池（17）中的燃油，打开油箱（3）出油管上的电磁阀（4），燃油由油箱（3）补给到补给油池（2），补给油池（2）通过供油管道（13）向燃烧油池（17）补入燃油；在燃烧过程中，不断补充的燃油使环燃烧油池（17）内的液面能够维持在固定的高度，多余的燃油从补给油池（2）的溢出口溢出，燃烧油池（17）内的液面始终和补给油池（2）内的液面等高。

2.根据权利要求1所述一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈的测量系统，其特征在于：所述燃烧油池（17）包括内池壁（8）和外池壁（9）；

所述内池壁（8）的外侧壁面上开设有内壁盲孔（19），内壁盲孔（19）内设有用于测量内池壁温度的壁面温度热电偶（22），内池壁（8）上还开设有内壁通孔（20），内壁通孔（20）内设有用于测量燃油温度的燃油温度热电偶（7）；

外池壁（9）的外侧壁面上开设有外壁盲孔（18），外壁盲孔（18）内设有热电偶；外池壁（9）上还开设有外壁通孔（25），外壁通孔（25）内设有用于测量燃油温度的燃油温度热电偶（7）。

3.根据权利要求1所述一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈的测量系统，特征在于：壁面温度热电偶（22）和羽流温度热电偶（26）均为K型铠装热电偶，燃油温度热电偶（7）为铂铑R型热电偶。

4.根据权利要求1所述一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈的测量系统，其特征在于：所述热流计（10）测量量程为0～50MW/m²，所述辐射热流计（23）测量量程为0～50MW/m²。

5.根据权利要求1所述一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈的测量系统，其特征在于：所述热流计（10）和辐射热流计（23）上分别罩设有耐高温石英罩（15）。

6.根据权利要求1所述一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈的测量系统，其特征在于：所述辐射热流计（23）、数码摄像机（24）与燃烧油池（17）之间的距离大于5倍的燃烧油池（17）的外径。

7.根据权利要求1所述一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈的测量系统，其特征在于：所述燃烧油池（17）的外径为15-60cm，所述内池壁（8）和外池壁（9）之间的池宽为5-30cm。

8.根据权利要求1所述一种基于液面稳定条件下的环形油池火热反馈的测量系统，其特征在于：所述称重天平（14）的测量精度为0.01g，实时测量并采集燃烧油池（17）质量损失速率，用于获取环形油池火火源功率值。