CN108645957A - 一种测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置及实验方法，包括壳体、进气系统、排气系统、电缆支撑系统、点火系统、燃烧参数测试系统、氧气监测系统、数据采集系统。进气系统安装在外壳底部，排气系统安装在外壳顶部，电缆支撑系统固定在外壳上，通过坩埚盛放实验材料，点火系统由电热丝布置在坩埚内壁加热材料，燃烧参数测试系统包括辐射热流计、热电偶和烟气成分传感器，氧气监测系统由舵机控制氧气传感器，监测坩埚附近的氧气浓度，数据采集系统由计算机、多功能数据采集卡、模数转换模块采集各个传感器数据，并发出控制指令。本发明结构简单，可操作性强，为研究富氧环境下的电缆燃烧特性提供了一种简单易行的实验装置，测试结果准确且重复性较好。
Description
技术领域
本发明涉及火灾燃烧研究领域，具体涉及一种测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置及实验方法。
背景技术
随着经济的发展和生活水平的提高，生产、生活电气化水平的提升，电气火灾事故也随之增加。根据《中国火灾统计年鉴》，近十年来，电气火灾在所有火灾成因中居首位，其中每年发生的电气火灾由于电线电缆引发的火灾占50%以上，居各类火灾之首，造成的人员伤亡及财产损失也最为严重。
根据徐晓楠等人《电线电缆火灾及阻燃处理》研究，大部分电线电缆的绝缘及护套材料由各种聚合物组成,如聚氯乙烯(PVC)、乙烯共聚物(PE)、乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚丙烯(PP)、氯丁二烯等共聚物,在实际火灾中存在生烟雾量大、燃烧剧烈、易产生有毒气体等危害。因此急需开展电缆燃烧特性研究，以研发更为阻燃、安全的电线电缆。
在通常环境下研究电缆燃烧特性，可采用锥形量热仪、热重分析等仪器，这些研究方法和实验设备较为成熟。而在一些特殊环境下，如由于氧气瓶泄露而形成富氧环境下，电缆的火灾危险性、燃烧特性以及烟气产物成分和通常环境下会有明显不同。氧气瓶大量应用于航空航天、医疗、船舶、工业焊接等场所。每年都会发生数起由于氧气泄露而导致的火灾事故。但是针对在富氧环境下电缆火灾的燃烧特性研究，国内外相关文献较少，相关的实验装置也非常缺乏。
发明内容
本发明提出的一种测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置及实验方法，装置简单、可操作性强，实验结果重复性好。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置，包括壳体、进气系统、排气系统、电缆支撑系统、点火系统、燃烧参数测试系统、氧气监测系统、数据采集系统。
壳体由圆筒状不燃材料组成，底部和四周密封，顶部开口；
进气系统分为氧气进气系统和氮气进气系统，每个系统均由气瓶、进气管、流量控制器组成，进气管一端和气瓶密封连接，另一端和壳体密封连接，流量控制器安装在进气管的中部；
排气系统由排烟风机和排气管道组成，排烟风机安装在排气管道内部，排气管道安装在壳体外部，和壳体顶部开口密封连接；电缆支撑系统包括支架、坩埚，支架一端固定在壳体上面，支架另一端在壳体内部中心有托盘，托盘上放置坩埚，准备测试的电缆切成段放在坩埚内；
点火系统由开关、电线、高温陶瓷管、电热丝组成，电热丝布置在坩埚底部，电线从壳体侧壁开孔伸进壳体内部，电线在壳体内部穿过高温陶瓷管；
燃烧参数测试系统由热电偶束、气体传感器、辐射热流计组成，热电偶束布置在坩埚上方，和坩埚的垂直距离以热电偶束能测到电缆火焰中心线温度为准，气体传感器布置在电缆火焰上方烟气羽流区域，气体传感器可测量二氧化碳、一氧化碳、氯化氢等燃烧烟气中的气体；
辐射热流计固定在壳体的内壁面，与电缆火焰处于水平位置，辐射热流计的辐射接收面正对火焰；
氧气监测系统由舵机、转向臂、氧气传感器组成，转向臂连接舵机和氧气传感器，舵机固定在壳体上，舵机控制板在壳体外部，舵机控制板和舵机通过控制线连接，舵机可控制转向臂水平旋转，使氧气传感器在紧挨着坩埚位置和贴近壳体内壁面区域间移动；
数据采集系统包括计算机、多功能数据采集卡、数模转换模块组成，多功能数据采集卡模拟量输入端连接热电偶、各种气体传感器、辐射热流计等所需要测量的模块，输出端连接计算机，计算机通过数模转换模块连接流量控制器、舵机控制信号线、点火信号控制线、风机等装置。
具体实验方法步骤如下：
步骤1：将系统各配件组装、安装牢固；
步骤2：调试数据采集系统，保证各模块数据采集和控制功能正常，并进行系统整体通电预热30分钟以上；
步骤3:将测试用的电缆切成段状，放置于坩埚内的电热丝上；
步骤4:开启进气系统，并调节进气比例，使壳体内部舱室形成富氧环境，用舵机控制氧气传感器处于坩埚附近，测试坩埚附近的氧气含量后，然后将氧气传感器移到靠近壳体内壁面；
步骤5:开启点火开关，电热丝加热测试电缆，电热丝持续加热，引燃测试电缆后，关闭点火开关，开启排烟风机；
步骤6：记录热电偶束的数据、气体传感器的数据及辐射热流计的数据，即可获得测试电缆在富氧环境下燃烧的火焰温度、火焰辐射，以及产生的烟气中二氧化碳、一氧化碳、氯化氢等气体浓度；
步骤7：测试电缆燃尽后，关闭气瓶，保存实验数据，关闭数据采集系统相关模块，关闭风机，待坩埚温度降至常温后，清理坩埚；
步骤8：整理数据，获得不同富氧环境下电缆燃烧的火焰温度、火焰辐射、烟气成分若干燃烧特性，为分析富氧环境下电缆的火灾危险性分析提供依据。
由上可知，本发明进气系统安装在外壳底部，由流量控制器调节氧气和氮气进气量，排气系统安装在外壳顶部，由风机调节风量，电缆支撑系统固定在外壳上，通过坩埚盛放实验材料，点火系统由电热丝布置在坩埚内壁加热材料，燃烧参数测试系统包括固定在外壳内壁面的辐射热流计、火焰上方的热电偶和烟气成分传感器组成，氧气监测系统由舵机控制连接在转向臂上的氧气传感器，监测坩埚附近的氧气浓度，数据采集系统由计算机、多功能数据采集卡、模数转换模块采集各个传感器数据，并发出控制指令。
本发明的有益效果为：
1、本发明装置可通过流量控制器方便调节壳体内部舱室内的氧气含量，创造富氧环境，为研究富氧环境下的材料燃烧特性提供了一种简单易行的实验装置。
2、本发明装置采用在坩埚中布置电热丝的点火方式，避免了电火花点火、明火点火等点火方式对燃烧特性测试结果的影响，点火结构简单，操作便捷，提高点火效率与燃烧测试结果的准确性。
3、本发明装置集成了电缆材料燃烧火焰温度、火焰辐射、烟气成分参数，可方便获得该电缆材料在富氧环境下的燃烧特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的点火系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本实施例所述的测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置，包括壳体1，所述壳体1上设置进气系统、排气系统、电缆支撑系统、点火系统、燃烧参数测试系统、氧气监测系统及数据采集系统。
所述的壳体1由直径50cm、壁厚2mm、高120cm的不锈钢材质组成，壳体1底部密封，顶部开直径100mm的口；
所述的进气系统包括氧气进气系统和氮气进气系统，每套系统均由气瓶2、进气管道3、流量控制器4组成，两个10mm粗的进气管道3螺纹连接在不锈钢壳体1上；
排气系统的排气管道6直径100mm，和壳体1在顶部开口焊接，排气管道6内安装有耐高温的排烟风机5；
电缆支撑系统由支架7焊接在不锈钢壳体1的内壁面，位于进气管的上方，支架7的另一端上放置坩埚8；
如图2所示，点火系统由开关10、电线11、高温陶瓷管12、电热丝13组成，电热丝采用镍铬电热丝，加热温度可达900℃左右，电热丝12布置在坩埚8的内部，贴近坩埚8内表面布置，测试电缆9切成段放在电热丝上，电线11从壳体1侧壁开孔伸进壳体1内部，电线11在壳体1内部穿过高温陶瓷管12，高温陶瓷管12保护电线11不被高温火焰烧坏；
燃烧参数测试系统由热电偶束14、气体传感器15、辐射热流计16组成，热电偶束14布置在坩埚8上方，和坩埚8的垂直距离以热电偶束14能测到电缆9火焰中心线温度为准，气体传感器15布置在电缆9火焰上方烟气羽流区域，气体传感器15可测量二氧化碳、一氧化碳、氯化氢等燃烧烟气中的气体，辐射热流计16固定在壳体1的内壁面，与电缆9火焰处于水平位置，辐射热流计16的辐射接收面正对火焰；
氧气监测系统由舵机17、转向臂18、氧气传感器19、舵机控制板23组成，转向臂18连接舵机17和氧气传感器19，舵机17固定在壳体1上，舵机控制板23在壳体1外部，舵机控制板23和舵机17通过控制线连接，舵机可控制转向臂18水平旋转，使氧气传感器19在紧挨着坩埚8位置和贴近壳体1内壁面区域间移动；
数据采集系统设置在壳体1外部，包括计算机20、多功能数据采集卡21、数模转换模块22，多功能数据采集卡21模拟量输入端连接热电偶束14、各种气体传感器15、辐射热流计16等所需要测量的模块，输出端连接计算机20，计算机20通过数模转换模块22连接流量控制器4、舵机控制板23、点火开关10、风机5等装置。
本发明实施例具体实验方法包括以下步骤为：
1、将各系统配件组装、安装牢固。
2、调试计算机20和多功能数据采集卡21、模数转换模块22之间的连接，多功能数据采集卡21能够采集到热电偶束14、气体传感器15和辐射热流计16的数据，计算机20通过数模转换模块22可控制点火系统开关10、气体流量控制器4、排烟风机5和舵机控制板23，保证各系统数据采集和控制功能正常，并进行系统整体通电预热30分钟以上。
3、将测试用的电缆9切成30mm长的段，放置于坩埚8内的电热丝13上。
4、分别开启氧气和氮气气瓶2，开启氧气和氮气流量控制器4，调节氧气和氮气进气比例，使壳体1内部舱室形成富氧环境，用舵机17控制氧气传感器19处于坩埚8附近，测试坩埚附近的氧气含量，然后将氧气传感器19移到贴近壳体1内壁面，避免坩埚8内火焰温度过高烧坏氧气传感器19。
5、开启点火开关10，电热丝13加热测试电缆9，电热丝13的温度可达到900℃，引燃测试电缆9后，关闭点火开关10，开启排烟风机5。
6、记录热电偶束14数据，气体传感器15数据，辐射热流计16数据，可获得测试电缆在富氧环境下燃烧的火焰温度、火焰辐射，以及产生的烟气中二氧化碳、一氧化碳、氯化氢等气体浓度。
7、电缆9燃尽后，关闭气瓶2，保存实验数据，关闭数据采集相关模块，关闭风机5，待坩埚8温度降至常温后，清理坩埚。
8、整理数据，获得不同富氧环境下电缆燃烧的火焰温度、火焰辐射、烟气成分等燃烧特性，为分析富氧环境下电缆的火灾危险性分析提供依据。
本实施例结构简单，可操作性强，为研究富氧环境下的电缆燃烧特性提供了一种简单易行的实验装置，测试结果准确且重复性较好。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置，包括壳体（1），其特征在于：还包括进气系统、排气系统、电缆支撑系统、点火系统、燃烧参数测试系统、氧气监测系统及数据采集系统；
所述的进气系统包括气瓶（2）、进气管道（3）及流量控制器（4），流量控制器（4）设置在进气管道（3）上，进气管道（3）一端连接气瓶（2），另一端连通到壳体（1）内；
所述排气系统包括排气管道（6）和排烟风机（5），排气管道（6）设置在壳体（1）顶部并与壳体（1）连通，排气管道（6）内部安装有耐高温的排烟风机（5）；
所述电缆支撑系统包括支架（7），支架（7）的一端横向设置在壳体（1）的内壁上，位于进气管道（3）的上方，支架（7）的另一端设置坩埚（8）；
所述点火系统包括开关（10）、电线（11）、高温陶瓷管（12）及电热丝（13），开关（10）、电线（11）及电热丝（13）依次连接，电热丝（13）布置在坩埚（8）的内部，测试电缆（9）切成段放在电热丝（13）上，电线（11）从壳体（1）侧壁开孔伸进壳体（1）内部；
所述燃烧参数测试系统包括热电偶束（14）、气体传感器（15）、辐射热流计（16），热电偶束（14）布置在坩埚（8）上方，热电偶束（14）能测到电热丝（13）上设置的测试电缆（9）的火焰中心线温度，气体传感器（15）设置在测试电缆（9）火焰上方烟气羽流区域，辐射热流计（16）固定在壳体（1）的内壁上；
所述氧气监测系统包括舵机（17）、转向臂（18）、氧气传感器（19）及舵机控制板（23），转向臂（18）连接舵机（17）和氧气传感器（19），舵机（17）固定在壳体（1）上，舵机（17）控制板（23）设置在壳体（1）外部，舵机控制板（23）和舵机（17）通过控制线连接，舵机（17）可控制转向臂（18）水平旋转，使氧气传感器（19）在紧挨着坩埚（8）位置；
所述数据采集系统设置在壳体（1）外部，包括计算机（20）、多功能数据采集卡（21）、数模转换模块（22），多功能数据采集卡（21）模拟量输入端分别连接热电偶束（14）、气体传感器（15）及辐射热流计（16），多功能数据采集卡（21）的输出端连接计算机（20），计算机（20）分别连接流量控制器（4）、舵机控制板（23）、点火开关（10）及风机（5）。
2.根据权利要求1所述的测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置，其特征在于：所述的进气系统包括氧气进气系统和氮气进气系统，每套系统均包括气瓶（2）、进气管道（3）、流量控制器（4）。
3.根据权利要求2所述的测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置，其特征在于：所述电热丝（13）采用镍铬电热丝，加热温度可达900℃。
4.根据权利要求3所述的测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置，其特征在于：所述电线（11）在壳体（1）内部穿过高温陶瓷管（12）。
5.根据权利要求4所述的测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置，其特征在于：所述气体传感器（15）可测量二氧化碳、一氧化碳、氯化氢气体。
6.根据权利要求5所述的测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置，其特征在于：所述辐射热流计（16）与测试电缆（9）火焰处于水平位置。
7.根据权利要求6所述的测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置，其特征在于：所述计算机（20）通过数模转换模块（22）连接流量控制器（4）、舵机控制板（23）、点火开关（10）及风机（5）。
8.一种测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置的实验方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤1：将系统各配件组装、安装牢固；
步骤2：调试数据采集系统，保证各模块数据采集和控制功能正常，并进行系统整体通电预热30分钟以上；
步骤3:将测试用的电缆（9）切成段状，放置于坩埚（8）内的电热丝（13）上；
步骤4:开启进气系统，并调节进气比例，使壳体（1）内部舱室形成富氧环境，用舵机（17）控制氧气传感器（19）处于坩埚（8）附近，测试坩埚附近的氧气含量后，然后将氧气传感器（19）移到靠近壳体（1）内壁面；
步骤5:开启点火开关（10），电热丝（13）加热测试电缆（9），电热丝（13）持续加热，引燃测试电缆（9）后，关闭点火开关（10），开启排烟风机（5）；
步骤6：记录热电偶束（14）的数据、气体传感器（15）的数据及辐射热流计（16）的数据，即可获得测试电缆（9）在富氧环境下燃烧的火焰温度、火焰辐射，以及产生的烟气中二氧化碳、一氧化碳、氯化氢等气体浓度；
步骤7：测试电缆（9）燃尽后，关闭气瓶（2），保存实验数据，关闭数据采集系统相关模块，关闭风机（5），待坩埚（8）温度降至常温后，清理坩埚（8）；
步骤8：整理数据，获得不同富氧环境下电缆燃烧的火焰温度、火焰辐射、烟气成分若干燃烧特性，为分析富氧环境下电缆的火灾危险性分析提供依据。
9.根据权利要求8所述的一种测量富氧环境下电缆燃烧特性的实验装置的实验方法，其特征在于：
所述步骤2还包括：调试计算机（20）和多功能数据采集卡（21）、模数转换模块（22）之间的连接，使多功能数据采集卡（21）能够采集到热电偶束（14）、气体传感器（15）和辐射热流计（16）的数据，计算机（20）通过数模转换模块（22）可控制点火系统开关（10）、气体流量控制器（4）、排烟风机（5）和舵机控制板（23），保证各系统数据采集和控制功能正常，并进行系统整体通电预热30分钟以上。
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