CN108490027B - 基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法 - Google Patents

基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法，包括以下步骤：S1：选取室内烟气测点，基于三层烟气分区，在燃烧空间上中下三层区域各布置3个烟气分析仪探头，所述烟气分析仪测量一氧化碳和氧气的浓度；S2：在进风口和排烟口处各布置一个烟气分析仪探头，所述烟气分析仪测量氧气浓度；S3：调试步骤一和步骤二中所述的烟气分析仪，确保同时进行测量；S4：数据处理，将步骤一中烟气分析仪测得的数据取平均值；S5：基于耗氧原理计算燃烧过程的热释放速率。本发明能够在进行燃烧测试实验的同时，直接测量并计算燃烧过程的热释放速率，计算热释放速率时不需要考虑测量数据的滞后情况，能够方便简单地进行热释放速率的实时测量。

Description

基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法
技术领域
本发明涉及通风受限空间热释放速率测量方法，更具体地说，涉及一种基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法。
背景技术
目前，火灾热释放速率的实验测定仍是火灾科学的关键问题之一，常见的测量方法和设备有失重法、燃烧烟气分析法和锥形量热仪。失重法是基于燃料的质量损失速率确定的，计算时燃烧效率是一个估计值，但实际上燃烧效率是变化的，受环境因素影响较大；锥形量热仪是进行小尺度测量热释放速率的常用手段，但测量场景与真实火灾场景有一定的差异；燃烧烟气分析法是将实验中所有燃烧产生的烟气都收集起来，然后在排烟管道中经过充分混合后，在另外一个位置测量其质量流量、组分、氧浓度等，通过计算得到燃烧过程中消耗的氧气质量，从而得到材料燃烧过程中的热释放速率，但该过程复杂、耗材较大。
在通风条件下，燃烧尾气的收集和测量无法进行，基于大多数燃料燃烧生成单位质量二氧化碳所释放的热量为一常数，利用烟气分析仪测量燃烧时二氧化碳气体浓度，根据浓度变化确定二氧化碳的生成量，从而计算热释放速率。目前是通过单点测量二氧化碳气体浓度，但燃烧时由于热浮力和通风的影响，烟气的分布并不均匀，因此单点测量并不可靠。
针对以上问题，寻求一种简化测量过程、降低测量耗材和行之有效的热释放速率测量方法具有重要应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种能够直接在进行燃烧测试实验的同时，直接测量并计算燃烧过程的热释放速率，无需收集燃烧烟气后的复杂处理、测量和计算过程的基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法，包括以下步骤：
S1：选取室内烟气测点，基于三层烟气分区，在燃烧空间上中下三层区域各布置3个烟气分析仪探头，所述烟气分析仪测量一氧化碳和氧气的浓度；
S2：在进风口和排烟口处各布置一个烟气分析仪探头，所述烟气分析仪测量氧气浓度；
S3：调试步骤一和步骤二中所述的烟气分析仪，确保同时进行测量；
S4：数据处理，将步骤一中烟气分析仪测得的数据取平均值；
S5：基于耗氧原理计算燃烧过程的热释放速率。
按上述方案，所述S5中，热释放速率的计算基于如下公式进行：
Figure GDA0002330832800000021
其中，
Figure GDA0002330832800000022
——燃烧热释放速率，kW；
Figure GDA0002330832800000023
——燃烧时消耗单位质量氧气所释放的热量，为13.1MJ/kg；
Figure GDA0002330832800000024
——一氧化碳燃烧成二氧化碳消耗单位质量氧气所释放的热量，为17.7MJ/kg；
Figure GDA0002330832800000025
——排烟口/进风口的体积流率；m3/s；
V——燃烧空间的总体积，m3；
ρ1——氧气密度，kg/m3；
ρ2——一氧化碳气体密度，kg/m3；
Figure GDA0002330832800000026
——进风口处氧气体积浓度，％；
Figure GDA0002330832800000031
——排烟口处氧气体积浓度，％；
Figure GDA0002330832800000032
——燃烧空间内氧气体积浓度，％；
CCO——燃烧空间内一氧化碳气体体积浓度，％；
Figure GDA0002330832800000033
——氧气摩尔质量，为32；
MCO——一氧化碳摩尔质量，为28。
按上述方案，所述热释放速率计算公式中进风口/排烟口的体积流率相等，等于机械通风速率。
按上述方案，所述热释放速率计算公式中一氧化碳和氧气密度为燃烧时的密度，不考虑压强变化，根据理想气体定律计算得到。
按上述方案，所述热释放速率计算公式中的空间内烟气一氧化碳气体体积浓度CCO为空间内各烟气分析仪测得数据的平均值
按上述方案，所述热释放速率计算公式中的燃烧空间内氧气浓度
Figure GDA0002330832800000034
为燃烧空间内各烟气分析仪测得数据的平均值。
实施本发明的基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法，具有以下有益效果：
1、本发明基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法是基于耗氧原理，利用烟气分析仪测得的氧气浓度确定燃料燃烧的氧消耗量，从而计算热释放速率。相比于现有的失重法和锥形量热仪，本发明提供的方法能够在真实火灾场景中直接测量热释放速率，也不用考虑燃料的性质。
2、本发明基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法能够直接计算燃烧过程的热释放速率，无需气体抽出后的预处理过程，相比于现有的燃烧尾气分析法，该方法的测量过程更简单，也降低了耗材。
3、本发明基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法，是基于三层烟气分区布置烟气测点，充分考虑了热浮力和通风对烟气分布的影响，测量数据更能真实地反映烟气在空间内的分布情况。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是燃烧测试的火源位于燃烧空间中央，燃料为丙烯气体的热释放速率的计算值与实际燃烧的实验值对比图；
图2是燃烧测试的火源位于墙底，燃料为甲醇油池的热释放速率的计算值与实际燃烧的实验值对比图；
图3是燃烧测试的火源位于墙边，燃料为PMMA固体的热释放速率的计算值与实际燃烧的实验值对比图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法，步骤如下：
S1：选取室内烟气测点，布置烟气分析仪。基于三区烟气分层，在上中下层分别固定3个烟气分析仪探头，同层烟气分析仪探头有适当距离；
S2：将测量氧气浓度的烟气分析仪探头分别固定在排烟口和进风口；
S3：调试所有烟气分析仪，使其测量时间同步，点燃火源；
S4：将室内烟气测点的气体浓度数据取平均值；
S4：基于耗氧原理计算燃烧热释放速率。
本实施例中，燃烧测试的火源位于燃烧空间中央，燃料为丙烯气体。
本实施例中，热释放速率的计算基于如下公式进行：
Figure GDA0002330832800000041
其中，
Figure GDA0002330832800000042
——燃烧热释放速率，kW；
Figure GDA0002330832800000043
——燃烧时消耗单位质量氧气所释放的热量，为13.1MJ/kg；
Figure GDA0002330832800000051
——一氧化碳燃烧成二氧化碳消耗单位质量氧气所释放的热量，为17.7MJ/kg；
Figure GDA0002330832800000052
——排烟口/进风口的体积流率；m3/s；
V——燃烧空间的总体积，m3；
ρ1——氧气密度，kg/m3；
ρ2——一氧化碳气体密度，kg/m3；
Figure GDA0002330832800000053
——进风口处氧气体积浓度，％；
Figure GDA0002330832800000054
——排烟口处氧气体积浓度，％；
Figure GDA0002330832800000055
——燃烧空间内烟气二氧化碳气体体积浓度，％；
CCO——燃烧空间内烟气一氧化碳气体体积浓度，％；
Figure GDA0002330832800000056
——氧气摩尔质量，为32；
MCO——一氧化碳摩尔质量，为28。
根据上述公式，本实施例1热释放速率的计算值与实际燃烧的实验值对比如图1所示。
实施例2
本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：
本实施例中，燃烧测试的火源位于墙底，燃料为甲醇油池。
本实施例热释放速率的计算值与实际燃烧的实验值对比如图2所示。
实施例3
本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：
本实施例中，燃烧测试的火源位于墙边，燃料为PMMA固体。
本实施例热释放速率的计算值与实际燃烧的实验值对比如图3所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选取室内烟气测点，基于三层烟气分区，在燃烧空间上中下三层区域各布置3个烟气分析仪探头，所述烟气分析仪测量一氧化碳和氧气的浓度；
S2：在进风口和排烟口处各布置一个烟气分析仪探头，所述烟气分析仪测量氧气浓度；
S3：调试步骤一和步骤二中所述的烟气分析仪，确保同时进行测量；
S4：数据处理，将步骤一中烟气分析仪测得的数据取平均值；
S5：基于耗氧原理计算燃烧过程的热释放速率；
所述S5中，热释放速率计算公式为：
Figure FDA0002330832790000011
其中，
Figure FDA0002330832790000012
——燃烧热释放速率，kW；
Figure FDA0002330832790000013
——燃烧时消耗单位质量氧气所释放的热量，为13.1MJ/kg；
Figure FDA0002330832790000014
——一氧化碳燃烧成二氧化碳消耗单位质量氧气所释放的热量，为17.7MJ/kg；
Figure FDA0002330832790000015
——排烟口/进风口的体积流率；m3/s；
V——燃烧空间的总体积，m3；
ρ1——氧气密度，kg/m3；
ρ2——一氧化碳气体密度，kg/m3；
Figure FDA0002330832790000016
——进风口处氧气体积浓度，％；
Figure FDA0002330832790000017
——排烟口处氧气体积浓度，％；
Figure FDA0002330832790000018
——燃烧空间内氧气体积浓度，％；
CCO——燃烧空间内一氧化碳气体体积浓度，％；
Figure FDA0002330832790000021
——氧气摩尔质量，为32；
MCO——一氧化碳摩尔质量，为28。
2.根据权利要求1所述的基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法，其特征在于，所述热释放速率计算公式中进风口/排烟口的体积流率相等，等于机械通风速率。
3.根据权利要求1所述的基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法，其特征在于，所述热释放速率计算公式中一氧化碳和氧气密度为燃烧时的密度，不考虑压强变化，根据理想气体定律计算得到。
4.根据权利要求1所述的基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法，其特征在于，所述热释放速率计算公式中的空间内烟气一氧化碳气体体积浓度CCO为空间内各烟气分析仪测得数据的平均值。
5.根据权利要求1所述的基于三区耗氧法的通风受限空间热释放速率测量方法，其特征在于，所述热释放速率计算公式中的燃烧空间内氧气浓度
Figure FDA0002330832790000022
为燃烧空间内各烟气分析仪测得数据的平均值。
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