CN108254487A - 一种可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置和测试方法，实验装置包括顺次电连通的气体储气瓶组、控制分析平台和阴燃实验台；所述阴燃实验台包括精准密度调控装置、精准角度调节装置、可控辅助加热装置、嵌入式热电偶、热流计；所述控制分析平台包括气体流速控制系统、位移调控盘、角度调控盘、功率调控盘、温度数据采集装置、热流数据采集装置、气体毒性分析装置、数据存储装置、急停按钮、电源按钮以及测定按钮。本发明属于检测技术领域，具体是用于测定多孔介质材料在不同密度、不同气体流速条件下的阴燃燃烧特性参数，为确定阴燃转变成明火燃烧的条件提供基础数据，主要用于火灾科学研究及消防教学。

Description

一种可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置和测试方法

技术领域

本发明用于测定多孔介质材料(如棉花、海绵)在不同密度、不同气体流速条件下的阴燃燃烧特性参数，为确定阴燃转变成明火燃烧的条件提供基础数据，主要用于火灾科学研究及消防教学，属于检测技术领域，具体是指一种可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置和测试方法。

背景技术

阴燃是固体燃烧的一种形式，主要发生在多孔介质材料中，如棉花、海绵，由于其燃烧具有较强隐蔽性、发展较为缓慢，不易被人发现；但当其转变成有焰燃烧时，极易引发大面积火灾，给人们造成严重的经济损失和人员伤亡。如2005年，贵州从江县一村民吸烟引燃棉被诱发火灾，造成3人死亡，227间房屋烧毁；2006年，辽宁沈阳市一工人乱扔烟蒂引燃布料诱发火灾，造成9人死亡；2008年，浙江余杭一纸箱厂发生火灾，消防队员持续作战33h才将筒纸卷的阴燃火扑灭，因此阴燃火灾已经成为火灾领域新的研究热点。目前，国内用于测定阴燃特性的实验装置仅能在某一特定环境下进行特性参数测定，并不能改变可燃物的密度，更不能控制进气气体的流速，而密度、气体流速是多孔介质材料阴燃过程的关键参数，因此现有装置并不能科学、有效的测定不同条件下可燃物阴燃过程的特性参数。如公安部四川消防研究所申请发明的阴燃特性测试装置，包括加热炉、用于放置试样样品的试样架、2个温度传感器及温度控制系统；加热炉包括加热管、加热电阻带、圆柱管；加热炉管安装在圆柱管的中心部位，加热电阻带均匀地缠绕在加热炉管四周，加热炉底部连接空气稳流器，加热炉顶连接气流罩，试样架位于加热炉内部，一个温度传感器位于试样架中心，另一个温度传感器位于试样架与加热炉内壁之间，加热电阻带、温度传感器均与温度控制系统电性连接。

该实验装置仅能对多孔介质材料的阴燃过程进行简单观测，并不能实时监测阴燃过程中试样材料内部温度变化、热流分布及产生的烟气毒性；且实验装置仅能在特定环境下进行阴燃实验，并不能控制试样材料的密度，更不能控制进气气体的流速；再次现有实验装置虽能控制加热装置的温度，但不能控制加热装置的加热面积，使得实验仪器的应用受到极大的限制，因此急需研发一种能有效控制材料密度、气体流速的阴燃特性测定装置。

发明内容

为解决上述现有难题，本发明提供了一种可控材料密度、气体流速的阴燃特性实验装置及测定方法。本发明所提出的可控材料密度、气体流速的阴燃特性实验装置不仅能有效改变试样材料的密度，且能控制进气气体的流速、辅助加热功率及面积等环境条件，同时能改变试样材料阴燃的角度(0～180°，有效间隔为15°)，实验过程中能实时输出试样材料内部温度变化、内部热流分布及烟气毒性。该实验装置提供了更加广泛地实验环境，有效获取了试样材料阴燃过程中的特性参数。

本发明采取的技术方案如下：本发明可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置，包括顺次电连通的气体储气瓶组、控制分析平台和阴燃实验台；所述阴燃实验台包括精准密度调控装置、精准角度调节装置、可控辅助加热装置、嵌入式热电偶、热流计；所述控制分析平台包括气体流速控制系统、位移调控盘、角度调控盘、功率调控盘、温度数据采集装置、热流数据采集装置、气体毒性分析装置、数据存储装置、急停按钮、电源按钮以及测定按钮。

进一步地，所述精准密度调控装置设于阴燃实验台的阴燃腔室内部，可精准改变阴燃实验台的阴燃腔室的体积，进而有效控制试样材料的密度；

所述精准角度调节装置设于阴燃实验台的阴燃腔室外部，可调节阴燃实验台的阴燃腔室的倾斜角度，实现不同倾斜角度的阴燃实验；

所述可控辅助加热装置设于阴燃实验台的阴燃腔室下部，可灵活调整辅助加热的面积及功率，实现不同加热环境的实验条件；

所述嵌入式热电偶设于阴燃实验台的阴燃腔室内部，用于记录阴燃过程中试样材料内部温度变化；

所述热流计设于阴燃实验台的阴燃腔室内部，用于记录阴燃过程中试样材料内部热流变化。

进一步地，所述精准密度调控装置包括单相电机、液压泵、油缸和PLC，PLC分别与单相电机、液压泵和油缸电连通，油缸上设有电磁换向阀，PLC与电磁换向阀电连通，单相电机与液压泵电连通；单相电机带动液压泵工作，压力油通过电磁换向阀进入油缸使油缸上下运动；利用PLC技术精准控制油缸的移动距离，通过改变阴燃腔室的体积控制试样材料的密度。

进一步地，所述气体流速控制系统用于控制氮氧气体比例及气体流入速度；位移调控盘、角度调控盘和功率调控盘分别精准控制试样材料的密度、阴燃腔室的倾斜角度和辅助加热环境条件；温度数据采集装置用于分析试样材料内部温度变化情况；热流数据采集装置用于分析试样材料内部热流变化情况；气体毒性分析装置用于分析阴燃产生气体的毒性成分；数据存储装置用于记录温度测定系统、热流测定系统和烟气毒性分析装置的输出数据。

进一步地，所述气体流速控制系统包括配比阀、均匀腔室和流量阀，配比阀有效调节氮气和氧气的输入比例，进入均匀腔室内进行搅拌，混合均匀后通过流量阀控制气体进入阴燃腔室的速度。

进一步地，所述可控辅助加热装置采用同心圆设计理念，共设置6组互相独立的同圆心、不同半径的电阻丝，可以实现不同加热面积的灵活调控；同时可以调节功率调控盘，实现不同加热功率的灵活调控。

进一步地，所述精准角度调节装置包括主动齿轮、从动齿轮和弹杆，主动齿轮和从动齿轮啮合，弹杆设于从动齿轮上，电动机开启，皮带带动主动齿轮旋转，通过动力传动带动从动齿轮旋转，进而使得阴燃腔室旋转；利用PLC控制主动齿轮和从动齿轮的旋转角度，进而实现有效控制阴燃腔室的旋转角度；如需恢复到垂直状态，将弹杆拔出即可，阴燃腔室会在重力的作用下恢复到垂直状态。

本发明还公开了一种可变密度、气体流速的阴燃特性测试方法，包括如下步骤：

(1)调节试样材料密度，根据实验要求，称取一定质量的试样材料，采用密度＝质量/体积公式求得实验所需调控的体积，利用精准密度调控系统有效控制试样体积，调节至实验所需密度；

(2)调节阴燃腔室角度，在角度调控盘设置所需实验角度，启动角度调节装置的电动机，阴燃腔室在电动机的带动下旋转至实验所需角度；若将阴燃腔室恢复成垂直角度，将弹杆拔出即可，阴燃腔室在重力的作用下恢复垂直，而后松开弹杆即可；

(3)打开氮气和氧气气瓶，调节氮气、氧气输入压力旋钮至指定输入压力，调节氮氧比例旋钮控制氮气、氧气的输入比例，调节流量阀控制气体的输出流速，混合气体通过气体均匀装置以较低流速均匀地进入阴燃腔室内；

(4)通气1min，以确保燃烧室内气体达到指定氮氧比例及气体流速；

(5)开启计算机，打开与该设备相配套的分析软件，分析软件主要用于记录实验过程中烟气毒性分析仪、温度数据采集系统、热流数据采集系统所记录的实验数据；

(6)调节加热条件，调节辅助加热控制系统，选择不同辅助加热模式，6种加热面积，6种加热功率(100kW、300kW、500kW、700kW、900kW、1.0MW)，选择所需加热模式即可；

(7)打开分析控制平台中的开始按钮，实时记录实验过程中试样材料内部温度变化、热流分布及烟气毒性；

(8)持续加热24h，观测试样材料在辅助加热条件下的阴燃现象，并记录试样内部温度变化、热流分布及烟气毒性等参数数据；

(9)关闭氮气、氧气气瓶，关闭气体流速控制阀；关闭辅助加热系统；待温度恢复室温后，打开阴燃腔室出料口，清理阴燃残渣；关闭精准密度调节系统；将阴燃腔体恢复成垂直状态；实验结束；

(10)实验数据分析，分析试样内部温度变化、热流分布及烟气毒性；定量分析对比密度、气体流速、角度、加热条件对阴燃过程的影响，评估试样材料的火灾危险性。

本发明取得的有益效果如下：目前，尚未有可控材料密度、气体流速的阴燃特性实验方法及装置。现有实验装置仅能对阴燃过程进行简单观测，并不能实时获取试样材料内部温度变化、热流分布及烟气毒性，且实验装置仅能在某一特定环境条件下进行阴燃实验，并不能改变试样材料的密度、进气气体的流速、燃烧角度及加热面积等实验条件。本发明1)提出了一种可控材料密度、气体流速的阴燃特性测定方法及装置。提出了针对试样材料在不同密度、不同气体流速、不同倾斜角度、不同加热条件下阴燃特性的测定方法，对不同实验条件下试样材料阴燃过程中的内部温度变化、热流分布及烟气毒性进行实时监测，进而定量分析各因素对试样材料阴燃过程的影响。2)发明了一套与该方法相配套的实验平台。该实验平台的主要特色体现在：实验台增设精准密度调控系统，利用单相电机带动液压泵工作，压力油通过电磁换向阀进入油缸(压力由溢流阀调节)，使油缸上下运动；利用PLC技术精准控制油缸的移动距离，通过改变阴燃腔室的体积控制试样材料的密度；增设气体流速控制系统，利用配比阀有效调节氮气和氧气的输入比例，进入均匀腔室内进行搅拌，混合均匀后通过流量阀控制气体进入阴燃腔室的速度；增设可控辅助加热装置，采用同心圆设计理念，共设置6组互相独立的同圆心、不同半径的电阻丝，可以实现不同加热面积的灵活调控；同时可以调节功率调控盘，实现不同加热功率(100kW、300kW、500kW、700kW、900kW、1.0MW)的灵活调控；增设精准角度调节系统，电动机开启，皮带带动主动齿轮旋转，通过动力传动带动从动齿轮旋转，进而使得阴燃腔室旋转；利用PLC技术精准控制齿轮的旋转角度(可变角度有0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)，进而实现有效控制阴燃腔室的旋转角度；增设温度测定系统、热流测定系统和烟气毒性分析装置可以实时捕捉阴燃过程中试样材料内部的温度变化、热流分布及烟气毒性等参数。

附图说明

图1为现有阴燃特性检测装置原理图；

图2为本发明实验装置的整体结构示意图；

图3为本发明控制分析平台的结构示意图；

图4为本发明精准密度调控装置的原理图；

图5为本发明气体流速控制系统的原理图；

图6为本发明可控辅助加热装置的结构示意图；

图7为本发明精准角度调节装置的局部放大图。

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步详细说明。

首先，现有技术如图1所示，现有阴燃特性检测装置原理图，该装置仅能对阴燃过程进行简单观测，不能对试样内部温度变化、热流分布及产生烟气的毒性进行定量分析；且仅能在某一特性实验条件下进行阴燃实验，不能有效控制试样材料密度、进气气体流速，更不能改变阴燃燃烧的角度及辅助加热的加热面积。

如图2所示，本发明可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置，包括顺次电连通的气体储气瓶组1、控制分析平台2和阴燃实验台3；所述阴燃实验台3包括精准密度调控装置4、精准角度调节装置5、可控辅助加热装置6、嵌入式热电偶7、热流计8；如图3所示，所述控制分析平台2包括气体流速控制系统9、位移调控盘10、角度调控盘11、功率调控盘12、温度数据采集装置13、热流数据采集装置14、气体毒性分析装置15、数据存储装置16、急停按钮、电源按钮以及测定按钮。

所述精准密度调控装置4设于阴燃实验台3的阴燃腔室内部，可精准改变阴燃实验台3的阴燃腔室的体积，进而有效控制试样材料的密度；

所述精准角度调节装置5设于阴燃实验台3的阴燃腔室外部，可调节阴燃实验台3的阴燃腔室的倾斜角度，实现不同倾斜角度的阴燃实验；

所述可控辅助加热装置6设于阴燃实验台3的阴燃腔室下部，可灵活调整辅助加热的面积及功率，实现不同加热环境的实验条件；

所述嵌入式热电偶7设于阴燃实验台3的阴燃腔室内部，用于记录阴燃过程中试样材料内部温度变化；

所述热流计8设于阴燃实验台3的阴燃腔室内部，用于记录阴燃过程中试样材料内部热流变化。

如图4所示，所述精准密度调控装置4包括单相电机17、液压泵18、油缸20和PLC，PLC分别与单相电机17、液压泵18和油缸20电连通，油缸20上设有电磁换向阀19，PLC与电磁换向阀19电连通，单相电机17与液压泵18电连通；单相电机17带动液压泵18工作，压力油通过电磁换向阀19进入油缸20使油缸20上下运动；利用PLC技术精准控制油缸20的移动距离，通过改变阴燃腔室的体积(最大体积为长0.6m*宽0.6m*高0.8m)，控制试样材料的密度。

如图3所示，所述气体流速控制系统9用于控制氮氧气体比例及气体流入速度；位移调控盘10、角度调控盘11和功率调控盘12分别精准控制试样材料的密度、阴燃腔室的倾斜角度和辅助加热环境条件；温度数据采集装置13用于分析试样材料内部温度变化情况；热流数据采集装置14用于分析试样材料内部热流变化情况；气体毒性分析装置15用于分析阴燃产生气体的毒性成分；数据存储装置16用于记录温度测定系统、热流测定系统和烟气毒性分析装置的输出数据。

如图5所示，所述气体流速控制系统9包括配比阀21、均匀腔室22和流量阀23，配比阀21有效调节氮气和氧气的输入比例，进入均匀腔室22内进行搅拌，混合均匀后通过流量阀23控制气体进入阴燃腔室的速度。

如图6所示，所述可控辅助加热装置6采用同心圆设计理念，共设置6组互相独立的同圆心、不同半径的电阻丝，可以实现不同加热面积的灵活调控；同时可以调节功率调控盘，实现不同加热功率(100kW、300kW、500kW、700kW、900kW、1.0MW)的灵活调控。

如图7所示，所述精准角度调节装置5包括主动齿轮24、从动齿轮25和弹杆26，主动齿轮24和从动齿轮25啮合，弹杆26设于从动齿轮25上，电动机开启，皮带带动主动齿轮24旋转，通过动力传动带动从动齿轮25旋转，进而使得阴燃腔室旋转；利用PLC控制主动齿轮24和从动齿轮25的旋转角度(可变角度有0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)，进而实现有效控制阴燃腔室的旋转角度；如需恢复到垂直状态，将弹杆26拔出即可，阴燃腔室会在重力的作用下恢复到垂直状态。

具体的可变密度、气体流速的阴燃特性测试方法如下：

(1)调节试样材料密度，根据实验要求，称取一定质量的试样材料，采用密度＝质量/体积公式求得实验所需调控的体积，利用精准密度调控系统有效控制试样体积，调节至实验所需密度；

(2)调节阴燃腔室角度，在角度调控盘设置所需实验角度，启动角度调节装置的电动机，阴燃腔室在电动机的带动下旋转至实验所需角度；若将阴燃腔室恢复成垂直角度，将弹杆拔出即可，阴燃腔室在重力的作用下恢复垂直，而后松开弹杆即可；

(3)打开氮气和氧气气瓶，调节氮气、氧气输入压力旋钮至指定输入压力，调节氮氧比例旋钮控制氮气、氧气的输入比例，调节流量阀控制气体的输出流速，混合气体通过气体均匀装置以较低流速均匀地进入阴燃腔室内；

(4)通气1min，以确保燃烧室内气体达到指定氮氧比例及气体流速；

(5)开启计算机，打开与该设备相配套的分析软件，分析软件主要用于记录实验过程中烟气毒性分析仪、温度数据采集系统、热流数据采集系统所记录的实验数据；

(6)调节加热条件，调节辅助加热控制系统，选择不同辅助加热模式，6种加热面积，6种加热功率(100kW、300kW、500kW、700kW、900kW、1.0MW)，选择所需加热模式即可；

(7)打开分析控制平台中的开始按钮，实时记录实验过程中试样材料内部温度变化、热流分布及烟气毒性；

(8)持续加热24h，观测试样材料在辅助加热条件下的阴燃现象，并记录试样内部温度变化、热流分布及烟气毒性等参数数据；

(9)关闭氮气、氧气气瓶，关闭气体流速控制阀；关闭辅助加热系统；待温度恢复室温后，打开阴燃腔室出料口，清理阴燃残渣；关闭精准密度调节系统；将阴燃腔体恢复成垂直状态；实验结束；

(10)实验数据分析，分析试样内部温度变化、热流分布及烟气毒性；定量分析对比密度、气体流速、角度、加热条件对阴燃过程的影响，评估试样材料的火灾危险性。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置，其特征在于，包括顺次电连通的气体储气瓶组、控制分析平台和阴燃实验台；所述阴燃实验台包括精准密度调控装置、精准角度调节装置、可控辅助加热装置、嵌入式热电偶、热流计；所述控制分析平台包括气体流速控制系统、位移调控盘、角度调控盘、功率调控盘、温度数据采集装置、热流数据采集装置、气体毒性分析装置、数据存储装置、急停按钮、电源按钮以及测定按钮。

2.根据权利要求1所述的一种可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置，其特征在于，所述精准密度调控装置设于阴燃实验台的阴燃腔室内部，可精准改变阴燃实验台的阴燃腔室的体积，进而有效控制试样材料的密度；

所述精准角度调节装置设于阴燃实验台的阴燃腔室外部，可调节阴燃实验台的阴燃腔室的倾斜角度，实现不同倾斜角度的阴燃实验；

所述可控辅助加热装置设于阴燃实验台的阴燃腔室下部，可灵活调整辅助加热的面积及功率，实现不同加热环境的实验条件；

所述嵌入式热电偶设于阴燃实验台的阴燃腔室内部，用于记录阴燃过程中试样材料内部温度变化；

所述热流计设于阴燃实验台的阴燃腔室内部，用于记录阴燃过程中试样材料内部热流变化。

3.根据权利要求1所述的一种可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置，其特征在于，所述精准密度调控装置包括单相电机、液压泵、油缸和PLC，PLC分别与单相电机、液压泵和油缸电连通，油缸上设有电磁换向阀，PLC与电磁换向阀电连通，单相电机与液压泵电连通；单相电机带动液压泵工作，压力油通过电磁换向阀进入油缸使油缸上下运动；利用PLC技术精准控制油缸的移动距离，通过改变阴燃腔室的体积控制试样材料的密度。

4.根据权利要求1所述的一种可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置，其特征在于，所述气体流速控制系统用于控制氮氧气体比例及气体流入速度；位移调控盘、角度调控盘和功率调控盘分别精准控制试样材料的密度、阴燃腔室的倾斜角度和辅助加热环境条件；温度数据采集装置用于分析试样材料内部温度变化情况；热流数据采集装置用于分析试样材料内部热流变化情况；气体毒性分析装置用于分析阴燃产生气体的毒性成分；数据存储装置用于记录温度测定系统、热流测定系统和烟气毒性分析装置的输出数据。

5.根据权利要求1所述的一种可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置，其特征在于，所述气体流速控制系统包括配比阀、均匀腔室和流量阀，配比阀有效调节氮气和氧气的输入比例，进入均匀腔室内进行搅拌，混合均匀后通过流量阀控制气体进入阴燃腔室的速度。

6.根据权利要求1所述的一种可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置，其特征在于，所述可控辅助加热装置采用同心圆设计理念，共设置6组互相独立的同圆心、不同半径的电阻丝，可以实现不同加热面积的灵活调控；同时可以调节功率调控盘，实现不同加热功率的灵活调控。

7.根据权利要求1或3所述的一种可变密度、气体流速的阴燃特性实验装置，其特征在于，所述精准角度调节装置包括主动齿轮、从动齿轮和弹杆，主动齿轮和从动齿轮啮合，弹杆设于从动齿轮上，电动机开启，皮带带动主动齿轮旋转，通过动力传动带动从动齿轮旋转，进而使得阴燃腔室旋转；利用PLC控制主动齿轮和从动齿轮的旋转角度，进而实现有效控制阴燃腔室的旋转角度；如需恢复到垂直状态，将弹杆拔出即可，阴燃腔室会在重力的作用下恢复到垂直状态。

8.一种可变密度、气体流速的阴燃特性测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)调节试样材料密度，根据实验要求，称取一定质量的试样材料，采用密度＝质量/体积公式求得实验所需调控的体积，利用精准密度调控系统有效控制试样体积，调节至实验所需密度；

(2)调节阴燃腔室角度，在角度调控盘设置所需实验角度，启动角度调节装置的电动机，阴燃腔室在电动机的带动下旋转至实验所需角度；若将阴燃腔室恢复成垂直角度，将弹杆拔出即可，阴燃腔室在重力的作用下恢复垂直，而后松开弹杆即可；

(3)打开氮气和氧气气瓶，调节氮气、氧气输入压力旋钮至指定输入压力，调节氮氧比例旋钮控制氮气、氧气的输入比例，调节流量阀控制气体的输出流速，混合气体通过气体均匀装置以较低流速均匀地进入阴燃腔室内；

(4)通气1min，以确保燃烧室内气体达到指定氮氧比例及气体流速；

(5)开启计算机，打开与该设备相配套的分析软件，分析软件主要用于记录实验过程中烟气毒性分析仪、温度数据采集系统、热流数据采集系统所记录的实验数据；

(6)调节加热条件，调节辅助加热控制系统，选择不同辅助加热模式，6种加热面积，6种加热功率，选择所需加热模式即可；

(7)打开分析控制平台中的开始按钮，实时记录实验过程中试样材料内部温度变化、热流分布及烟气毒性；

(8)持续加热24h，观测试样材料在辅助加热条件下的阴燃现象，并记录试样内部温度变化、热流分布及烟气毒性等参数数据；

(9)关闭氮气、氧气气瓶，关闭气体流速控制阀；关闭辅助加热系统；待温度恢复室温后，打开阴燃腔室出料口，清理阴燃残渣；关闭精准密度调节系统；将阴燃腔体恢复成垂直状态；实验结束；

(10)实验数据分析，分析试样内部温度变化、热流分布及烟气毒性；定量分析对比密度、气体流速、角度、加热条件对阴燃过程的影响，评估试样材料的火灾危险性。