CN110044961B - 一种粉尘层火蔓延行为的观测试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种粉尘层火蔓延行为的观测试验装置及方法，属于工业粉尘燃烧技术领域。所述粉尘层火蔓延行为的观测试验装置，包括从下至上依次设置的电子天平、底座、旋转支架和承烧板，承烧板设置有粉尘层、标高刻度尺和水平刻度尺，粉尘层的内部设置有K型热电偶，K型热电偶的上方沿竖直方向设有多个R型热电偶，位于最下面的R型热电偶与粉尘层上表面接触，K型热电偶和R型热电偶均与温度模块连接，粉尘层上表面设置有热流计，热流计与数据采集仪连接，电子天平、温度模块和数据采集仪均与工控机连接。所述粉尘层火蔓延行为的观测试验装置及方法，有效满足在不同堆积形态时常见点火源作用下的层状堆积粉尘着火蔓延行为的观测。

Description

一种粉尘层火蔓延行为的观测试验装置及方法

技术领域

本发明涉及工业粉尘燃烧技术领域，特别涉及一种粉尘层火蔓延行为的观测试验装置及方法。

背景技术

工业粉尘爆炸事故频发，造成了大量的人员伤亡、财产损失、环境污染以及恶劣的社会影响。统计分析结果表明，粉尘爆炸事故表现为分布广泛、后果严重以及所涉点火源、设备工艺和粉尘种类繁多的特点。因此，包括国际标准组织、欧盟、美国、德国、日本以及中国在内的众多国家和组织对此类爆炸事故颁布了相应的防火防爆标准和测试方法。其中，以粉尘云的爆炸特性参数测试标准最为普遍，例如粉尘云最低着火温度、最小点火能量、最大爆炸压力及压力上升速率、爆炸指数、爆炸下限、极限氧浓度等；然而关于粉尘层着火爆炸的关注较少，测试标准仅限于粉尘层最低着火温度以及粉尘层比电阻等特征参数，以至于无法全面表征粉尘层火灾危险性。

粉尘层火蔓延不仅具有火灾危险性，而且还是粉尘爆炸事故的常见点火源，因此国内外学者对此类危险源的表征方法展开了研究。Eckhoff提出了一种判定粉尘层火灾危险性的测试方法，并按粉尘层火蔓延行为的剧烈程度划分了6种粉尘层燃烧性等级；联合国颁布的《关于危险货物运输的建议书-试验和标准手册》基于燃烧速率测定结果给出了可燃性固体颗粒物火灾危险性等级的划分方法；我国现行标准《GB/T 21618-2008危险品-易燃固体燃烧速率试验方法》也提出了一种适用于危险品颗粒物、糊状或粉状物质的燃烧速率测定方法。但以上方法无法真实反映粉尘层火灾危险性，如火蔓延过程中火焰形态结构以及温度热流特征的变化规律。固体连续性介质的火蔓延特性研究证实，对此类燃烧特性参数的表征有助于真实表达固体可燃物的火灾危险性。

因此，亟需一套全新的针对可燃粉尘层着火蔓延特性研究的测试装置及方法，以满足在不同堆积形态时常见点火源(如气体点火、高温热源)作用下的层状堆积粉尘着火蔓延特性参数的测试，用以完善现有可燃粉尘安全评价指标体系，弥补现有可燃粉尘着火蔓延特性研究的空白。

发明内容

为了解决现有技术存在的无法准确表达粉尘层火蔓延过程火焰形态结构、温度以及热流等特征参数的变化规律等技术问题，本发明提供了一种粉尘层火蔓延行为的观测试验装置及方法，有效满足在不同堆积形态时常见点火源作用下的层状堆积粉尘着火蔓延行为的观测。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种粉尘层火蔓延行为的观测试验装置，包括从下至上依次设置的电子天平、底座、旋转支架和承烧板；所述承烧板设置有粉尘层、标高刻度尺和水平刻度尺，所述粉尘层铺设在承烧板上方，所述粉尘层的内部设置有K型热电偶，所述K型热电偶的上方沿竖直方向设有多个R型热电偶，相邻的两个所述R型热电偶之间的垂直距离相等，位于最下面的R型热电偶与粉尘层上表面接触，所述K型热电偶和R型热电偶均与温度模块连接；所述粉尘层上表面设置有热流计，所述热流计与数据采集仪连接；所述电子天平、温度模块和数据采集仪均与工控机连接。

所述粉尘层火蔓延行为的观测试验装置还包括数码相机、高速摄像仪和红外热像仪，所述数码相机设置在粉尘层的侧面，所述高速摄像仪和红外热像仪均设置在粉尘层的上方，所述高速摄像仪和红外热像仪均与工控机连接。

所述粉尘层通过气体点火器或者固体点火头点燃，所述气体点火器与煤气储罐连接，所述固体点火头与直流电源连接。

所述K型热电偶距离粉尘层末端的距离为50～100mm。

所述热流计设置在粉尘层末端，且所述热流计与粉尘层表面等高平行。

所述标高刻度尺设置在承烧板上方，所述水平刻度尺设置在承烧板侧面。

一种粉尘层火蔓延行为的观测试验装置的试验方法，采用粉尘层火蔓延行为的观测试验装置，包括如下步骤：

步骤一、试验准备，在水平基准面上从下至上依次放置所述电子天平、底座、旋转支架和承烧板，设置旋转支架的倾斜角度；在承烧板上铺设粉尘层，保证粉尘层表面平整，调整标高刻度尺和水平刻度尺的位置，以便于观测火焰高度和火焰前沿位置变化；在粉尘层内部铺设K型热电偶，架设多个R型热电偶，使相邻的两个R型热电偶之间的垂直距离相等；在粉尘层表面铺设热流计，使热流计与粉尘层表面等高平行；将K型热电偶和R型热电偶与温度模块连接，将热流计与数据采集仪连接；将数码相机设置在粉尘层的侧面，将高速摄像仪和红外热像仪设置在粉尘层的上方，将高速摄像仪、红外热像仪、电子天平、温度模块和数据采集仪与工控机连接，工控机分别与高速摄像仪、红外热像仪、电子天平、温度模块和数据采集仪对应的软件设置为记录状态；对电子天平进行调零；

步骤二、进行试验，通过气体点火器或者固体点火头点燃粉尘层点火端，通过数码相机和高速摄像仪记录火焰形态结构和火蔓延速率的变化规律，通过红外热像仪记录粉尘层表面热解区域变化规律，通过K型热电偶记录粉尘层内部传热过程，通过R型热电偶记录粉尘层表面温度和火焰温度变化规律，通过热流计记录粉尘层表面对流和辐射传热信息，通过电子天平记录粉尘层质量燃烧速率，通过工控机保存高速摄像仪、红外热像仪、K型热电偶、R型热电偶、热流计和电子天平的测量数据，完成对粉尘层火蔓延行为的观测。

所述步骤二中采用气体点火器点燃粉尘层点火端时，调节煤气储罐，打开气体点火器开关，待气体点火温度稳定后，移动气体点火器至粉尘层点火端，使火焰方向与粉尘层宽度方向一致，以保证线性均匀点火；所述步骤二中采用固体点火头点燃粉尘层点火端时，打开直流电源开关，在12V额定电压下加热固体点火头，待固体点火头温度稳定后，移动固体点火头至粉尘层点火端，使固体点火头方向与粉尘层宽度方向一致，以保证线性均匀点火。

本发明的有益效果：

本发明中的粉尘层火蔓延行为的观测试验装置及方法有效满足在不同堆积状态时常见点火源作用下的层状堆积粉尘着火蔓延行为的观测，通过数码相机和高速摄像仪记录火焰形态结构和火蔓延速率的变化规律，通过红外热像仪记录粉尘层表面热解区域变化规律，通过K型热电偶记录粉尘层内部传热过程，通过R型热电偶记录粉尘层表面温度和火焰温度变化规律，通过热流计记录粉尘层表面对流和辐射传热信息，通过电子天平记录粉尘层质量燃烧速率，有效表达了可燃粉尘层火蔓延行为的特征，有效完善了现有可燃粉尘安全评价指标体系，有效弥补了现有可燃粉尘着火蔓延特性研究的空白。

附图说明

图1是本发明提供的粉尘层火蔓延行为的观测试验装置的结构示意图。

其中，1-旋转支架，2-气体点火器，3-煤气储罐，4-直流电源，5-固体点火头，6-标高刻度尺，7-高速摄像仪，8-红外热像仪，9-工控机，10-数据采集仪，11-数码相机，12-温度模块，13-R型热电偶，14-K型热电偶，15-粉尘层，16-热流计，17-水平刻度尺，18-承烧板，19-底座，20-电子天平。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1所示，本发明提供了一种粉尘层火蔓延行为的观测试验装置，包括从下至上依次设置的电子天平20、底座19、旋转支架1和承烧板18；承烧板18设置有粉尘层15、标高刻度尺6和水平刻度尺17，标高刻度尺6设置在承烧板18上方，水平刻度尺17设置在承烧板18侧面，粉尘层15铺设在承烧板18上方，粉尘层15的内部设置有K型热电偶14，K型热电偶14距离粉尘层15末端的距离为50～100mm，K型热电偶14的上方沿竖直方向设有多个R型热电偶13，相邻的两个R型热电偶13之间的垂直距离相等，位于最下面的R型热电偶13与粉尘层15上表面接触，K型热电偶14和R型热电偶13均与温度模块12连接；粉尘层15上表面设置有热流计16，热流计16设置在粉尘层15末端，且热流计16与粉尘层15表面等高平行，热流计16与数据采集仪10连接；电子天平20、温度模块12和数据采集仪10均与工控机9连接。粉尘层火蔓延行为的观测试验装置还包括数码相机11、高速摄像仪7和红外热像仪8，数码相机11设置在粉尘层15的侧面，高速摄像仪7和红外热像仪8均设置在粉尘层15的上方，高速摄像仪7和红外热像仪8均与工控机9连接。粉尘层15通过气体点火器2或者固体点火头5点燃，气体点火器2与煤气储罐3连接，固体点火头5与直流电源4连接。

本发明中，电子天平20水平放置在基准面上，且与工控机9连接，电子天平20上方放置有底座19，旋转支架1固装在底座19上，承烧板18固装在旋转支架1上，可燃粉尘均匀铺设在承烧板18上方形成粉尘层15，粉尘层15铺设成不同横截面的堆积形态，比如矩形、三角形、半圆形等。粉尘层火蔓延行为的观测试验装置设有数码相机11、高速摄像仪7及红外热像仪8，并且高速摄像仪7和红外热像仪8均与工控机9连接，用以记录粉尘层15火蔓延过程中火焰形态结构以及粉尘层15表面热解区域变化规律。粉尘层火蔓延行为的观测试验装置设有气体点火器2和固体点火头5，用以满足粉尘层15对不同点火源的点火要求。旋转支架1的倾斜角度根据实验目的进行设置，用于模拟具有堆积倾角的粉尘层15的火蔓延行为的观测试验，堆积倾角在安息角的范围内，粉尘层15的尺寸可根据实验目的设置。

本实施例中，如图1所示，可燃粉尘选用1000目PMMA粉，粉尘层15铺设成横截面为矩形的堆积形态；粉尘层15的堆积尺寸为：长200mm，宽20mm，高3mm；气体点火器2的有效点火截面积为：宽100mm，高10mm，固体点火头5采用氮化硅点火棒，固体点火头5的有效点火截面积为：宽24mm，高4mm，气体点火器2和固体点火头5的最高点火温度均为1000℃；电子天平20的型号为ME5002T/02，对应的采集数据软件为LabX direct，电子天平20最大量程为5200g，电子天平20测量精度为0.01g；标高刻度尺6和水平刻度尺17最小刻度均为1mm；K型热电偶14的测温范围-200-850℃，K型热电偶14距离粉尘层15点火端100mm，K型热电偶14距离粉尘层15表面1mm，架设5个R型热电偶13，R型热电偶13为铂铑热电偶，最高测温1400℃，相邻的两个R型热电偶13之间的垂直距离相等，且为20mm，K型热电偶14和5个R型热电偶13均与温度模块12连接，温度模块12型号为DT9805，对应的采集软件为Thermocoupleapplication，最高同时可测7个热电偶数据；热流计16为PH-20和PT-20两个型号的热流计组合使用，其中，PH-20用于测量总热流密度，PT-20用于测量辐射热流密度，热流计16距离粉尘层15末端10mm；数据采集仪10为DAQPRO-5300八通道便携式数据记录器，对应的采集软件为DaqLab；高速摄像仪7的型号为Version 2.07.10，对应的采集软件为Motion Studio，高速摄像仪7最高拍摄每秒2000帧；红外热像仪8的型号为InfraTec JENOPTIK，对应的采集软件为IRBIS 3，红外热像仪8测温最高为1200℃，最高拍摄每秒50帧，数码相机11最高拍摄每秒25帧。

一种粉尘层火蔓延行为的观测试验装置的试验方法，采用粉尘层火蔓延行为的观测试验装置，包括如下步骤：

步骤一、试验准备，在水平基准面上从下至上依次放置电子天平20、底座19、旋转支架1和承烧板18，设置旋转支架1的倾斜角度；在承烧板18上铺设粉尘层15，保证粉尘层15表面平整，调整标高刻度尺6和水平刻度尺17的位置，以便于观测火焰高度和火焰前沿位置变化；在粉尘层15内部铺设K型热电偶14，架设多个R型热电偶13，使相邻的两个R型热电偶13之间的垂直距离相等；在粉尘层15表面铺设热流计16，使热流计16与粉尘层15表面等高平行；将K型热电偶14和R型热电偶13与温度模块12连接，将热流计16与数据采集仪10连接；将数码相机11设置在粉尘层15的侧面，将高速摄像仪7和红外热像仪8设置在粉尘层15的上方，将高速摄像仪7、红外热像仪8、电子天平20、温度模块12和数据采集仪10与工控机9连接，工控机9分别与高速摄像仪7、红外热像仪8、电子天平20、温度模块12和数据采集仪10对应的软件设置为记录状态；对电子天平20进行调零；

步骤二、进行试验，通过气体点火器2或者固体点火头5点燃粉尘层15点火端，通过数码相机11和高速摄像仪7记录火焰形态结构和火蔓延速率的变化规律，通过红外热像仪8记录粉尘层15表面热解区域变化规律，通过K型热电偶14记录粉尘层15内部传热过程，通过R型热电偶13记录粉尘层15表面温度和火焰温度变化规律，通过热流计16记录粉尘层15表面对流和辐射传热信息，通过电子天平20记录粉尘层15质量燃烧速率，通过工控机9保存高速摄像仪7、红外热像仪8、K型热电偶14、R型热电偶13、热流计16和电子天平20的测量数据，完成对粉尘层15火蔓延行为的观测。

步骤二中采用气体点火器2点燃粉尘层15点火端时，调节煤气储罐3，打开气体点火器2开关，待气体点火温度稳定后，气体点火器2出现火焰10s后可达到稳定温度，移动气体点火器2至粉尘层15点火端，使火焰方向与粉尘层15宽度方向一致，以保证线性均匀点火；步骤二中采用固体点火头5点燃粉尘层15点火端时，打开直流电源4开关，在12V额定电压下加热固体点火头5，待固体点火头5温度稳定后，通以12V直流电后，10s内可达到稳定温度，移动固体点火头5至粉尘层15点火端，使固体点火头5方向与粉尘层15宽度方向一致，以保证线性均匀点火。

在进行试验时，如果粉尘层15点火头被加热5s未发生着火，或者着火后火蔓延距离小于等于50mm，说明待测粉尘层15不具有火蔓延行为，需要重新制备粉尘层15，只有待测粉尘层15具有火蔓延行为时，才能继续进行试验。

上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种粉尘层火蔓延行为的观测试验装置，其特征在于，包括从下至上依次设置的电子天平、底座、旋转支架和承烧板；所述承烧板设置有粉尘层、标高刻度尺和水平刻度尺，所述粉尘层铺设在承烧板上方，粉尘层铺设成不同横截面的堆积形态，所述粉尘层的内部设置有K型热电偶，所述K型热电偶的上方沿竖直方向设有多个R型热电偶，相邻的两个所述R型热电偶之间的垂直距离相等，位于最下面的R型热电偶与粉尘层上表面接触，所述K型热电偶和R型热电偶均与温度模块连接；所述粉尘层上表面设置有热流计，所述热流计与数据采集仪连接；所述电子天平、温度模块和数据采集仪均与工控机连接；

还包括数码相机、高速摄像仪和红外热像仪，所述数码相机设置在粉尘层的侧面，所述高速摄像仪和红外热像仪均设置在粉尘层的上方，所述高速摄像仪和红外热像仪均与工控机连接；

所述粉尘层通过气体点火器或者固体点火头点燃，所述气体点火器与煤气储罐连接，所述固体点火头与直流电源连接；

所述K型热电偶距离粉尘层末端的距离为50～100mm；

所述热流计设置在粉尘层末端，且所述热流计与粉尘层表面等高平行；

所述标高刻度尺设置在承烧板上方，所述水平刻度尺设置在承烧板侧面。

2.一种粉尘层火蔓延行为的观测试验装置的试验方法，采用权利要求1所述的粉尘层火蔓延行为的观测试验装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、试验准备，在水平基准面上从下至上依次放置所述电子天平、底座、旋转支架和承烧板，设置旋转支架的倾斜角度；在承烧板上铺设粉尘层，保证粉尘层表面平整，调整标高刻度尺和水平刻度尺的位置，以便于观测火焰高度和火焰前沿位置变化；在粉尘层内部铺设K型热电偶，架设多个R型热电偶，使相邻的两个R型热电偶之间的垂直距离相等；在粉尘层表面铺设热流计，使热流计与粉尘层表面等高平行；将K型热电偶和R型热电偶与温度模块连接，将热流计与数据采集仪连接；将数码相机设置在粉尘层的侧面，将高速摄像仪和红外热像仪设置在粉尘层的上方，将高速摄像仪、红外热像仪、电子天平、温度模块和数据采集仪与工控机连接，工控机分别与高速摄像仪、红外热像仪、电子天平、温度模块和数据采集仪对应的软件设置为记录状态；对电子天平进行调零；

步骤二、进行试验，通过气体点火器或者固体点火头点燃粉尘层点火端，通过数码相机和高速摄像仪记录火焰形态结构和火蔓延速率的变化规律，通过红外热像仪记录粉尘层表面热解区域变化规律，通过K型热电偶记录粉尘层内部传热过程，通过R型热电偶记录粉尘层表面温度和火焰温度变化规律，通过热流计记录粉尘层表面对流和辐射传热信息，通过电子天平记录粉尘层质量燃烧速率，通过工控机保存高速摄像仪、红外热像仪、K型热电偶、R型热电偶、热流计和电子天平的测量数据，完成对粉尘层火蔓延行为的观测；

所述步骤二中采用气体点火器点燃粉尘层点火端时，调节煤气储罐，打开气体点火器开关，待气体点火温度稳定后，移动气体点火器至粉尘层点火端，使火焰方向与粉尘层宽度方向一致，以保证线性均匀点火；所述步骤二中采用固体点火头点燃粉尘层点火端时，打开直流电源开关，在12V额定电压下加热固体点火头，待固体点火头温度稳定后，移动固体点火头至粉尘层点火端，使固体点火头方向与粉尘层宽度方向一致，以保证线性均匀点火。

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