CN110794000B - 一种辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种辐射‑对流耦合加热可控气氛热解实验系统及测试方法涉及一种辐射及热气流对流耦合加热作用下固体可燃物热解实验装置及该装置下热解和着火特性参数的测试方法。包括配气部分、加热段、加热通风管道、辐射源和控制箱；配气部分和辐射源通过通风管道相连，配气部分位于通风管道前部，辐射源位于通风管道后部，在辐射源上部的通风管道内设有第一气体整流器；在辐射源下部的通风管道底部设有用于放置样件的样件开口；在样件盒右上方设有与控制箱相连的电火花点火器；控制箱内装设有第一温控器、第二温控器和变频器，在控制箱箱体上设有电火花点火器开关、气流加热开关和辐射源开关；控制箱上的第一温控器控制加热段，第二温控器控制辐射源。
Description
技术领域
本发明一种辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统及测试方法涉及一种辐射及热气流对流耦合加热作用下固体可燃物热解实验装置及该装置下热解和着火特性参数的测试方法，特别是涉及一种从惰性到富氧连续可控热对流气氛与辐射耦合加热条件下可燃物的热解着火测试系统及方法。
背景技术
固体可燃物受外界加热会发生热解并产生可燃气，当可燃气条件（浓度、温度等）达到一定条件会发生着火。未燃材料的着火包括最初始从无火焰到有火焰的转变过程及已燃火焰对未燃材料的加热引燃过程。为研究固体可燃物热安全性，现有国际标准用电加热的方法模拟火焰热辐射，如美国国家标准与技术研究院NIST研发的锥型量热仪（Conecalorimeter）用一个倒锥型的电加热器加热可燃物，美国FM Global火焰传播量热仪(FPA)用一组平行放置的卤钨灯管为辐射源，另外国内其他一些科研院所也自行研发了一些辐射源如用硅碳棒、微波等方式制作的辐射源。以上加热源均为辐射加热，测试过程中样件周围为室温静止或有一定速度的空气，空气对样件只有冷却作用。而在实际火灾中，如森林火灾和竖直火蔓延过程中，由于高温燃烧产物会直接接触温度较低的可燃物，对流加热的作用也非常明显且不可忽略。因此，现有标准装置对实际可燃物所处热环境的模拟过于单一和理想，忽略了对流热加的重要影响。
此外，现有装置测试过程中样件周围气体为空气，但在实际火灾中，可燃物表面经常被热解出的气体覆盖，已经有研究表明该区域氧气浓度远低于正常气氛（主要针对氧浓度）。此外，在一些特殊环境中，特别是航空航天领域，工作舱内气氛（气体环境）与自然空气可能也有较大差别，而这些场所内存在的热源较多，容易形成有别于空气气氛的热环境。随着航空航天领域技术的迅速发展，国际空间站内各类新型材料的应用十分广泛，但在这些特殊环境下材料热危险性的研究较为缺乏，现有的常规气氛测试方法不能满足需求，极大限制了此类场所材料热危险性的评估及控制方法研究。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处，提供一种辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统及测试方法，通过加设通风管道提供热风，实现辐射与对流的平行和正交耦合加热过程，通过调节供气管道中氮气与氧气的比例，实现灵活调节对流加热气体气氛的目的；克服了现有标准或自制加热装置只能提供辐射加热而没有对流加热的局限。
本发明是采取以下技术方案实现的：
辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统，包括配气部分、加热段、加热通风管道、辐射源和控制箱；配气部分和辐射源通过通风管道相连，配气部分位于通风管道前部，辐射源位于通风管道后部，在辐射源上部的通风管道内设有第一气体整流器；在辐射源下部的通风管道底部设有用于放置样件的样件开口，在样件开口下部放置有样件盒支架，在样件盒支架下部放有电子天平，上部放置有样件盒，样件放在样件盒内，并且在样件开口对应的通风管道前后均开有透明的观察窗，用于查看实验状态；在样件盒的右方设有电火花点火器，电火花点火器与控制箱相连，由控制系统将220V转24V变压器提供24V电源，电火花点火器的2个直径为2mm的电极间距为1.5 mm；打开电火花点火器开关即可实现电火花点火器持续点火，点火位置为样件右方5mm，高于样件5mm；进一步的，电火花点火器固定在一根中空垂直杆上以方便电线连接，垂直杆底部连接在通风管道的下表面，采用焊接连接保证稳定性。
所述样件开口尺寸为20cm20cm；所述观察窗采用20cm/>9cm（高），厚5mm的耐高温透明石英玻璃观察窗，安全工作温度<1200℃，最高耐热1500℃，观察窗的内壁与通风管道内壁平齐，且与通风管道连接处做耐高温密封处理。
通风管道上设有加热段，在加热段前为冷风管，加热段后为热风管；使用时，当配气完成后，气流经过加热段加热以达到目标热气流温度。
所述热风管为3mm厚表面光滑的310号不锈钢；热风管包括横向的下热风管和成“几”形的上热风管，横向水平的下热风管内部尺寸20cm宽和10cm高，上热风管的内部截面为边长20cm的正方形；下热风管和上热风管的外表面均包裹有1cm厚的石棉隔热层，用以防止热气流温度在传输过程的热量衰减，并防止操作人员与热风管接触造成灼伤事故；热风管的气流转向处均采用圆角弯头以减小风阻；
进一步的，在下热风管内还设有第二气体整流器，第二气体整流器位于辐射源之前；所述第二气体整流器采用蜂窝整流器，在热气流到达样件表面前均通过第二气体整流器，将不规则流动的热气流变为均匀的层流。
进一步的，所述第一气体整流器和第二气体整流器为不锈钢材质，长度均为20cm，六边形孔边长为5mm，壁厚1mm；第一气体整流器采用水平蜂窝整流器，第二气体整流器采用竖直蜂窝整流器；第一气体整流器和第二气体整流器的外部尺寸与所处热风管内部尺寸一致。
在冷风管的端部开有风管门，风管门的直径为38cm，内侧有橡胶垫圈保证气密性；冷风管前部内安装有风机，风机通过控制箱上的变频器控制转速；冷风管的前部为内径38cm、长1m的空心管，冷风管的后部为一段30cm长的渐缩管；冷风管的材料与热风管相同，冷风管外不设保温层。
配气部分设置在风机的左方，所述配气部分包括并联的2个储气瓶，2个储气瓶分别是氮气瓶和氧气瓶；储气瓶分别通过减压阀和流量控制阀连接在干管（输气管道）的进口端，形成支管；减压阀将高压气瓶（储气瓶）中压缩气体减压至接近常压，但略带正压以保证气体流向，流量控制阀用于体积流量控制；两根支管汇聚后与干管相连；干管的出气端与冷风管相连；在干管与流量控制阀之间还设有体积流量计以控制目标流量。
加热段由设置在加热段管道框架内的100根直径为3mm的竖直镍铬加热丝组成，镍铬加热丝为镍铬加热线圈，镍铬丝加热线圈的外径为1cm；垂直于气流方向布有10根镍铬加热丝，每根镍铬加热丝外径间距1cm，最外侧镍铬加热丝距离风管内壁0.5cm；沿气流方向共有10层同样布局的镍铬加热丝，每层距离2cm；加热段管道框架内部尺寸与水平网管相同，即20cm10cm；加热段管道壁厚8mm，加热段管道内壁覆盖有1mm厚耐高温电绝缘陶瓷涂层，框架内侧与加热丝之间填充5mm厚石棉隔热层；所有镍铬加热丝并联连接，镍铬加热丝的端部通过导线相连，所述导线采用GN100耐高温电线。
在加热段的镍铬加热丝中部设有第二电绝缘热电偶，用于测量镍铬加热丝的第2、9层加热面中心点实时温度，第二电绝缘热电偶通过加热段管道框架上方直径为1.2mm的第二热电偶孔连接至控制箱上的第一温控器，所述温控器采用Delta DT320温控器；加热段由第一温控器和气流加热开关控制；当气流加热开关打开时，加热段加热功率由第一温控器控制；当气流加热开关关闭，加热段电源断开，第一温控器失去对加热段的控制。
进一步的，在热风管中共设置5个插板，在热风管上的插板开关处设置有插板开口，插板开口宽6mm，长20cm；在热风管内部对应插板开口部分设有插板槽，用于固定插入的插板，所述插板槽高8mm，插板槽的上下壁的间距为6mm，使得插板与插板槽良好接触以保证气密性；
5个插板分别为第一插板、第二插板、第三插板、第四插板和第五插板，其中第一插板和第四插板分别位于上热风管和下热风管的左边和右边连接处；第二插板位于第二气体整流器之前；第三插板位于第二气体整流器和样件开口之间；第五插板水平插在辐射源下方的样件开口上；第一插板、第二插板、第三插板和第四插板用于控制热气流流向，第五插板用于实验准备过程中隔离样件与热气流及辐射源，防止样件提前受热；所述插板均采用3mm厚表面光滑的310号不锈钢，插板表面同样覆盖1mm厚耐高温电绝缘陶瓷涂层；其中第一插板、第二插板、第三插板和第四插板宽20cm，长度满足能够封闭风管且方便抽取的要求；第五插板沿水平气流方向放置，长25cm，宽度与热风管内表面宽度相同，即20cm，第五插板上表面有一层5mm厚石棉隔热层；第五插板处无插板槽，关闭时第五插板两侧搭在热风管内壁且下表面与热风管内壁平齐；插板均为手动控制，从热风管上的插板开口处插入插板，插板处于关闭状态；抽出插板，插板处于打开状态；插板不得完全抽离热风管，保留一小部分以密封热风管上的插板开口，保证气密性的同时又不影响热风管内热气流的流动。
使用时，当第一插板、第三插板和第四插板关闭，第二插板打开，热气流沿水平方向流动且平行于样件表面，此时样件只受热气流加热，若需同时使用辐射源加热，则打开第四插板，接通辐射源电源，调节辐射源功率至目标大小；当第一插板、第三插板和第四插板打开，第二插板关闭，热气流通过上方风管变向，最后沿垂直方向向下流动，方向垂直于样件表面，可根据需要接通或断开辐射源电源；当第三插板开启时，因为左侧由第二插板封闭，气流撞到第二插板会在样件左侧区域形成涡流等不稳定气流，这些不稳定气流会影响上方风管垂直向下运动的热气流，因此需要在左侧开个口（第三插板开启时即为此开口），方便左侧热气流出去，起到平衡左右气压的作用。
辐射源具有加热源本体和辐射源电源，所述加热源本体为中空无盖的正方体，加热源本体的外部框架采用不锈钢框架，在加热源本体内壁和外壁均设置有耐高温电绝缘陶瓷涂层；在加热源本体相对的两侧壁上各开有均匀分布的6个发热丝安装孔，所述发热丝安装孔设置在同一条直线上；6根发热丝的两端穿过发热丝安装孔，固定在加热源本体的侧壁上；发热丝位于加热源本体的加热面上，在加热源本体内盘成外径2cm的螺旋形加热圈，从而能加大加热面积并提供均匀的辐射热流；在加热源本体内壁与发热丝之间填充有石棉纤维隔热层；所有加热圈处于同一水平面，每根加热圈的中心轴线相距3cm，最外侧两条加热圈的中心轴线距加热源本体内壁2.5cm；加热圈底部与加热源本体下表面在同一水平面，即形成辐射面；发热丝之间采用串联方式连接，以保证电流一致和辐射热流均匀；
在第2、4、6根发热丝中部各设有一个电绝缘热电偶，用于测量加热圈中点顶表面实时温度，电绝缘热电偶通过不锈钢框架两侧开设的直径为1.2mm的热电偶孔连接至控制箱，由控制箱上的第二温控器根据电绝缘热电偶的平均温度及第二温控器的设定值动态调节辐射源加热功率直至最终达到稳定目标值。
控制箱设有辐射源开关，装于控制箱内的辐射源电源通过辐射源开关与辐射源相连，控制箱上有两个温控器，其中第一温控器控制加热段，第二温控器控制辐射源；
当辐射源开关开启，辐射源的加热功率由第二温控器控制；当辐射源开关关闭，辐射源的电源断开，第二温控器失去对辐射源的控制。
所述发热丝采用直径8 mm的镍铬丝，镍铬丝的材质为Cr20Ni80，熔点1400 ℃，长期使用温度极限为1200℃，室温电阻率1.09 Ωmm2/m，密度8.4 g/cm3，导热系数60.3 KJ/m·h·℃。
在固定发热丝时，在发热丝的两端与发热丝安装孔的内侧之间用厚度为2mm的陶瓷圈隔开，使得发热丝不直接接触安装孔，因为如果直接接触了即代表发热丝直接接触外部框架，容易发生漏电等事故，所以需要用陶瓷圈隔开，相邻两根发热丝伸出加热源本体的端部采用直径为8mm的铜芯导线连接，铜芯导线表面设有2mm耐高温绝缘层。
加热源本体壁厚3cm，作为外部框架的不锈钢框架采用5mm厚310号不锈钢；所述耐高温电绝缘陶瓷涂层的厚度为1mm，连续使用温度为1150℃；所述石棉纤维隔热层的厚度为5mm，石棉纤维导热系数0.132W/(mK)，电绝缘，辐射源有效辐射面积为20cm×20cm。
所述发热丝安装孔的内径为12mm。
通过上述系统，可以进行热气流气氛、温度及速度场测定，热流标定及对流换热系数测定，和样件温度或质量测定；其中，热气流气氛、温度及速度场测定和热流标定及对流换热系数测定完成后即认为是工况稳定，无需再测；将样件温度或质量测定进行三次以上重复实验，多次实验所测参数平均值即为可燃物热解着火过程中所测目标参数，从而最终完成辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验。
本发明所用方法和材料均较易实现，目标热流和气氛可连续控制且安全稳定，整套装置体积较小且不同工作条件转换灵活，测试步骤及操作方法简单易行，测试结果重复性和认可度高。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统的系统结构简图；
图2是本发明系统的辐射源结构俯视图；
图3是本发明系统的第一气体整流器（水平蜂窝整流器）的结构示意图；
图4是本发明系统的第二气体整流器（竖直蜂窝整流器）的结构示意图；
图5是本发明系统进行热气流气氛、温度及速度场测定时使用的第一陶瓷纤维板结构俯视图和剖视图；
图6是本发明系统的样件盒结构俯视图和剖视图（内部放置样件）；
图7是本发明系统的样件盒支架结构示意图（放有带样件的样件盒）；
图8是本发明系统进行热流标定及对流换热系数测定时使用的第三陶瓷纤维板结构俯视图和剖视图；
图9是用本发明系统进行辐射与对流平行耦合时实验所测环境温度下不同氧气浓度曲线图（左）、环境氧气浓度和室温下不同风速曲线图（中）和环境氧气浓度和0.4m/s热风速下不同气体温度曲线图（右）；
图10是30kW/m2热流下所测6mm(上)和15mm（下）透明PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）表面温度，辐射源热流恒定为30kW/m2，对应热气流温度20℃、260℃、379℃、427℃，热气流速度分别为0 m/s、0.4 m/s、0.8 m/s、1.2m/s；
图11是40kW/m2热流下所测6mm(上)和15mm（下）透明PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）表面温度，辐射源热流恒定为30kW/m2，对应热气流温度20℃、260℃、379℃、427℃，热气流速度分别为0 m/s、0.4 m/s、0.8 m/s、1.2m/s；
图12是50kW/m2热流下所测6mm(上)和15mm（下）透明PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）表面温度，辐射源热流恒定为30kW/m2，对应热气流温度20℃、260℃、379℃、427℃，热气流速度分别为0 m/s、0.4 m/s、0.8 m/s、1.2m/s；
图13是60kW/m2热流下所测6mm(上)和15mm（下）透明PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）表面温度，辐射源热流恒定为30kW/m2，对应热气流温度20℃、260℃、379℃、427℃，热气流速度分别为0 m/s、0.4 m/s、0.8 m/s、1.2m/s；
图14是30、40、50kW/m2热流下所测6mm PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）质量损失速率；辐射源热流恒定为30kW/m2，对应热气流温度20℃、260℃、379℃，热气流速度为0.8m/s。
图中：1、配气部分，1-1、氮气瓶，1-2、氧气瓶，1-3、减压阀，1-4、流量控制阀，1-5、体积流量计；2、加热段，3、辐射源，3-1、加热源本体，3-2、石棉纤维隔热层，3-3、发热丝，3-4、电绝缘热电偶，3-5、铜芯导线；4、控制箱，4-1、电火花点火器开关，4-2、第一温控器，4-3、第二温控器，4-4、变频器，4-5、气流加热开关，4-6、辐射源开关；5、通风管道，6、第一气体整流器，7、样件盒支架，7-1、手轮，8、样件，9、样件盒，9-1、外盒，9-2、内盒，9-3、手柄，9-4、热电偶孔；10、观察窗，11、电火花点火器，12、风机，13、上热风管，14、下热风管，15、第二气体整流器，16、风管门，17-1、第一插板，17-2、第二插板，17-3、第三插板，17-4、第四插板，17-5、第五插板，18、第一陶瓷纤维板，19、第三陶瓷纤维板，19-1、热流计孔，19-2、热流计。
具体实施方式
下面结合附图1～14和具体实施例，对本发明系统做详细说明。
参照附图1，本发明系统主要包括配气部分1、加热段2、加热通风管道、辐射源3和控制箱4；配气部分1和辐射源3通过通风管道相连，配气部分1位于通风管道前部，辐射源3位于通风管道后部，在辐射源3上部的通风管道内设有第一气体整流器6；在辐射源3下部的通风管道底部设有用于放置样件8的样件开口，在样件开口下部放置有样件盒支架7，在样件盒支架7下部放有电子天平，上部放置有样件盒9，样件8放在样件盒9内，并且在样件开口对应的通风管道前后均开有透明的观察窗10，用于查看实验状态；控制箱4内装设有第一温控器4-2、第二温控器4-3和变频器4-4，在控制箱4箱体上设有电火花点火器开关4-1、气流加热开关4-5和辐射源开关4-6；控制箱4上的第一温控器4-2控制加热段，第二温控器4-3控制辐射源3；所述辐射源电源电压为220V，功率为5kW，热流输出范围为0~100kW/m2；当辐射源开关4-6开启，辐射源3的加热功率由第二温控器4-3控制；当辐射源开关4-6关闭，辐射源3的电源断开，第二温控器4-3失去对辐射源3的控制。
通风管道上设有加热段，在加热段前为冷风管，加热段后为热风管；使用时，当配气完成后，气流经过加热段加热以达到目标热气流温度。
在样件盒9的右方设有电火花点火器11，电火花点火器11与控制箱4相连，由设置在控制箱4内的控制系统将220V转24V变压器提供24V电源，电火花点火器11的2个直径为2mm的电极间距为1.5 mm；打开电火花点火器开关4-1即可实现电火花点火器11持续点火，点火位置在样件8右方5mm，并高于样件8；进一步的，电火花点火器11固定在一根中空垂直杆上以方便电线连接，垂直杆底部连接在通风管道的下表面，采用焊接连接保证稳定性。
所述样件开口尺寸为20cm20cm；所述观察窗10采用20cm/>9cm（高），厚5mm的耐高温透明石英玻璃，安全工作温度<1200℃，最高耐热1500℃，观察窗10的内壁与通风管道内壁平齐，且与通风管道连接处做耐高温密封处理。
所述热风管为3mm厚表面光滑的310号不锈钢；热风管包括横向的下热风管14和成“几”形的上热风管13，横向水平的下热风管14内部尺寸20cm宽和10cm高，上热风管13的内部截面为边长20cm的正方形；下热风管14和上热风管13的外表面均包裹有1cm厚的石棉隔热层，用以防止热气流温度在传输过程的热量衰减，并防止操作人员与热风管接触造成灼伤事故；热风管的气流转向处均采用圆角弯头以减小风阻。
在下热风管14内还设有第二气体整流器15，第二气体整流器15位于辐射源3之前；所述第二气体整流器15采用蜂窝整流器，在热气流到达样件表面前均通过第二气体整流器15，将不规则流动的热气流变为均匀的层流。
在冷风管的端部开有风管门16，风管门16的直径为38cm，内侧有橡胶垫圈保证气密性；冷风管前部内安装有风机12，风机12通过控制箱4上的变频器4-4控制转速；冷风管的前部为内径38cm、长1m的空心管，冷风管的后部为一段30cm长的渐缩管；冷风管的材料与热风管相同，冷风管外不设保温层。
配气部分1设置在风机12的左方，所述配气部分1包括并联的2个储气瓶，2个储气瓶分别是氮气瓶1-1和氧气瓶1-2；储气瓶分别通过减压阀1-3和流量控制阀1-4连接在干管（输气管道）的进口端，形成支管；减压阀1-3将高压气瓶（储气瓶）中压缩气体减压至接近常压，但略带正压以保证气体流向，流量控制阀1-4用于体积流量控制；两根支管汇聚后与干管相连；干管的出气端与冷风管相连；在干管与流量控制阀1-4之间还设有体积流量计1-5，用以控制目标流量。
所述储气瓶气瓶均采用标准40L，15MPa气瓶，储气瓶上有旋转开关；干管和支管均为外径2cm的软铜管（紫铜），与储气瓶出口、阀门出入口及进气口连接处均采用内径20mm铜螺母连接；所有连接处连接过程中均在螺纹上布置生料带以保证气密性；支管与干管之间采用内径2cm的三通和直角弯头连接。
所述风机采用型号SF3-2R的轴流通风机，电压220V，转速上限2800r/min且连续可调以控制风量和风速，全压230Pa，外径360mm，内径310mm。所述变频器采用LSD-B7000变频器。
对于惰性气氛可通过关闭风管门16，配气系统1只提供氮气实现；对于其他情况，风管门16一般为打开状态，配气系统1提供氧气（或氮气）与空气混合以实现目标气氛，风机12同时起到将空气和氮气（氧气）混合均匀的作用。21% 以下氧气体积浓度气氛，可通过纯氮气与空气比例调节实现；对超过21% 氧气体积浓度的目标气氛，可通过氧气与空气比例调节实现。
加热段由设置在加热段管道框架内的100根直径为3mm的竖直镍铬加热丝组成，镍铬加热丝为镍铬加热线圈，镍铬丝加热线圈的外径为1cm；垂直于气流方向布有10根镍铬加热丝，每根镍铬加热丝外径间距1cm，最外侧镍铬加热丝距离风管内壁0.5cm；沿气流方向共有10层同样布局的镍铬加热丝，每层距离2cm；加热段管道框架内部尺寸与水平网管相同，即20cm10cm；加热段管道壁厚8mm，加热段管道内壁覆盖有1mm厚耐高温电绝缘陶瓷涂层，框架内侧与加热丝之间填充5mm厚石棉隔热层；所有镍铬加热丝并联连接，镍铬加热丝的端部通过导线相连。
参照附图3和4，第一气体整流器6和第二气体整流器15的长度均为20cm，六边形孔边长为5mm，壁厚1mm；第一气体整流器6采用水平蜂窝整流器，第二气体整流器15采用竖直蜂窝整流器；第一气体整流器6和第二气体整流器15的外部尺寸与热风管内部尺寸一致。
参照附图1，在热风管中共设置5个插板即第一插板17-1、第二插板17-2、第三插板17-3、第四插板17-4和第五插板17-5，在热风管上的插板开关处设置有插板开口，插板开口宽6mm，长20cm；在热风管内部对应插板开口部分设有插板槽，用于固定插入的插板，所述插板槽高8mm，插板槽的上下壁的间距为6mm，使得插板与插板槽良好接触以保证气密性。第一插板17-1和第四插板17-4分别位于上热风管13和下热风管14的左边和右边连接处；第二插板17-2位于第二气体整流器15之前；第三插板17-3位于第二气体整流器15和样件开口之间；第五插板17-5水平插在辐射源3下方的样件开口上；第一插板17-1、第二插板17-2、第三插板17-3和第四插板17-4用于控制热气流流向，第五插板17-5用于实验准备过程中隔离样件与热气流及辐射源，防止样件提前受热。
使用时，当第一插板17-1、第三插板17-3和第四插板17-4关闭，第二插板17-2打开，热气流沿水平方向流动且平行于样件8表面，此时样件8只受热气流加热，若需同时使用辐射源加热，则打开第四插板17-4，接通辐射源电源，调节辐射源功率至目标大小；当第一插板17-1、第三插板17-3和第四插板17-4打开，第二插板17-2关闭，热气流通过上方风管变向，最后沿垂直方向向下流动，方向垂直于样件表面，可根据需要接通或断开辐射源电源；当第三插板17-3开启时，因为左侧由第二插板17-2封闭，气流撞到第二插板17-2会在样件左侧区域形成涡流等不稳定气流，这些不稳定气流会影响上方风管垂直向下运动的热气流，因此需要在左侧开个口（第三插板17-3开启时即为此开口），方便左侧热气流出去，起到平衡左右气压的作用。
第五插板17-5水平放置在辐射源3下，实验前准备样件过程中放置在热风管中以封闭水平网管和保护样件不被加热，实验开始后抽出该第五插板17-5加热样件8。
参照附图2，辐射源3具有加热源本体3-1和辐射源电源，所述加热源本体3-1为中空无盖的正方体，加热源本体3-1的外部框架采用不锈钢框架，在加热源本体3-1内壁和外壁均设置有耐高温电绝缘陶瓷涂层；在加热源本体3-1相对的两侧壁上各开有均匀分布的6个发热丝安装孔，所述发热丝安装孔设置在同一条直线上；所述发热丝安装孔的内径为12mm；6根发热丝3-3的两端穿过发热丝安装孔，固定在加热源本体3-1的侧壁上；发热丝3-3位于加热源本体3-1的加热面上，在加热源本体3-1内盘成外径2cm的螺旋形加热圈，从而能加大加热面积并提供均匀的辐射热流；在加热源本体3-1内壁与发热丝3-3之间填充有石棉纤维隔热层3-2；所有加热圈处于同一水平面，每根加热圈的中心轴线相距3cm，最外侧两条加热圈的中心轴线距加热源本体3-1内壁2.5cm；加热圈底部与加热源本体3-1下表面在同一水平面，即形成辐射面；发热丝3-3之间采用串联方式连接，以保证电流一致和辐射热流均匀；
在第2、4、6根发热丝中部各设有一个电绝缘热电偶3-4，用于测量加热圈中点顶表面实时温度，电绝缘热电偶3-4通过不锈钢框架两侧开设的直径为1.2mm的热电偶孔连接至控制箱4，由控制箱4上的第二温控器4-3根据电绝缘热电偶3-4的平均温度及第二温控器4-3的设定值动态调节辐射源加热功率直至最终达到稳定目标值；所述第二温控器4-3采用Delta DT320温度控制器。
所述发热丝3-3采用直径8 mm的镍铬丝，镍铬丝的材质为Cr20Ni80，熔点1400 ℃，长期使用温度极限为1200℃，室温电阻率1.09 Ωmm2/m，密度8.4 g/cm3，导热系数60.3KJ/m·h·℃。
在固定发热丝3-3时，在发热丝3-3的两端与发热丝安装孔的内侧之间用厚度为2mm的陶瓷圈隔开，使得发热丝3-3不直接接触安装孔，因为如果直接接触了即代表发热丝3-3直接接触外部框架，容易发生漏电等事故，所以需要用陶瓷圈隔开，相邻两根发热丝3-3伸出加热源本体3-1的端部采用直径为8mm的铜芯导线连接，铜芯导线表面设有2mm耐高温绝缘层。
加热源本体3-1壁厚3cm，作为外部框架的不锈钢框架采用5mm厚310号不锈钢；所述耐高温电绝缘陶瓷涂层的厚度为1mm，连续使用温度为1150℃；所述石棉纤维隔热层3-2的厚度为5mm，石棉纤维导热系数0.132W/(mK)，电绝缘，辐射源有效辐射面积为20cm×20cm。
本发明系统进行测试时，首先进行（测定完才可以知道样件所处的具体实验工况）热气流气氛、温度及速度场测定，由于此时不涉及可燃物样件，因此在该类测定过程中抽出第五插板17-5，在第五插板17-5处放置第一陶瓷纤维板18，所述第一陶瓷纤维板18的尺寸为20cm20cm/>2cm（厚），见附图5。在第一陶瓷纤维板18中心及向两观察窗偏离7cm的位置处开三个2cm直径的圆孔以测定气流气氛、速度和温度。所用气体分析仪为Smart pro 10-O2型多功能泵吸氧气分析仪，量程0%～50%，精度0.1%；风速仪为EF-5型高温风速仪，可同时测风温和风速，风速量程0～100m/s，精度±3%读数，风温上限500℃，精度±0.5%读数，探头外径19mm，可连接电脑，通过现有的数据处理软件显示并下载实时数据。氧体积浓度数据、速度和温度数据的记录频率均为1Hz。标定过程要求第一陶瓷纤维板18上表面与风管内壁平齐，氧气分析仪探头和高温风速探头从第五插板17-5的圆孔中穿过且测点距风管下表面5mm。
热气流气氛、温度及速度场测定的方法，包括如下步骤：
1）关闭第一插板17-1、第三插板17-3和第四插板17-4，打开第二插板17-2，打开风机12，气流水平方向流动；
2）标定气流气氛以实现目标氧气浓度；
3）根据步骤2）设置好所需气流，同时记录三测点（即第一陶瓷纤维板18上的三圆孔对应的三个测试点），保证气流均匀的氧气体积浓度，调节配气系统中氮气（氧气）的流量得到目标气氛气流；
4）当5分钟内氧体积浓度数据变化不超过±1%则认为气流气氛稳定；
5）标定气流温度和风速；打开气体加热段电源，同时记录三测点的风速和温度数据，调节风机和气加热段功率得到目标速度和温度的气流；
6）当10分钟内的风速数据变化不超过±0.1m/s，且温度数据变化不超过±3℃则认为气流稳定。
上述热气流气氛、温度及速度场测定的测定结果如图9所示。竖直向下热气流速度和温度标定方法与水平方向类似。
本发明系统进行样件温度或质量测定，样件盒9包括内盒9-2和外盒9-1，如图6所示。内盒9-2为第二陶瓷纤维板，尺寸为19.8cm19.8cm/>2.9cm（厚），陶瓷纤维导热率和比热分别为0.06W/mK和0.67J/gK。内盒上9-2表面设有与样件尺寸一致的凹槽，用于放置待测样件。为达到样件8上表面所受热流均匀性，要求样件8大小不超过10cm/>10cm。若需测试更小尺寸和不同厚度的样件，只要调整内盒9-2的凹槽尺寸即可。一般可燃物材料超过2cm厚时测试结果不再变化，因此2cm为样件厚度上限。陶瓷纤维板制成的内盒9-2外为1mm厚不锈钢外盒9-1，外部尺寸20cm/>20cm/>3cm。外盒9-1下表面一边中间处有4cm宽，8cm长，1mm厚的手柄9-3方便拿取样件盒9。测试过程中需保证内盒9-2与不锈钢外盒9-1及样件8紧密接触没有空隙，且三者上表面平齐。为实验过程中测量样件表面温度，在样件外盒9-1一侧中点处距离下表面1cm高的位置加工1mm直径的热电偶孔9-4。放置内盒前，先将直径0.5mm的热电偶水平穿过不锈钢外盒9-1，再将热电偶折至竖直向上，放置内盒9-2，将热电偶固定在不锈钢外盒9-1与内盒9-2之间，最后将热电偶超出内盒9-2上表面的部分折至水平，使得热电偶探头接触样件上表面测量表面温度。需要注意的是，测量表面温度时热电偶会影响质量的测量，因此样件温度和质量需分开测量。样件盒9下方为样件盒支架7，如图7所示。样件盒支架7由两块22cm/>22cm见方，1cm厚硬铝光学面板及旋转轴、手轮7-1组成；两块面包板中的一块作为底座放置在高精度天平（电子天平）上；通过旋转手轮7-1使升降台的上板调节至所需的高度，最终实现样件8上表面与风管内壁平齐，不锈钢外盒9-1四周与风管贴合，既不会产生摩擦影响质量测量，也不会产生明显缝隙而影响热气流流动。
本发明系统用于热流标定及对流换热系数测定，采用第三陶瓷纤维板19作为挡板，第三陶瓷纤维板19的尺寸为20cm20cm/>2cm（厚），挡板的正中心有一直径2.5cm的热流计孔19-1，参见图8；在辐射源3正下方风管开口处放置挡板和GTT-25-100-WF/R型高温圆箔式热流计19-2，使得挡板、热流计19-2上表面和风管内壁三者平齐；GTT-25-100-WF/R型热流计带有可拆卸蓝宝石窗口，可测总热流（包括辐射和对流热流）和辐射热流（卸下蓝宝石窗口，热流计测得为总热流；装上蓝宝石窗口，热流计测得为辐射热流），量程0～100kW/m2，传感器吸收率大于0.92，响应时间优于450ms，精度优于3%，冷却方式为水冷，外形尺寸直径2.5cm，长度2.5cm。
热流标定及对流换热系数测定方法，包括如下步骤：
1）标定辐射源的热流；盖上热流计辐射接收靶上方的蓝宝石玻璃窗，固定好热流计19-2，打开辐射源电源，调节第二温控器得到目标热流，热流数据变化不超过±0.3kW/m2则认为热流稳定,记录下温控器的设定参数；
2）标定总热流；在步骤1）辐射热流标定完成后，关闭辐射源3，打开风机12和气流加热器，参照步骤1）的方法标定热气流气氛、速度和温度；
3）抽出辐射源3下开口处第五插板17-5，换上装有热流计19-2的挡板（第三陶瓷纤维板19），打开辐射源电源，按照辐射源热流标定时得到的温控器参数设定温控器，待热流稳定后测定总热流（/>）；随后根据两次测量差值计算对流热流/>；再根据对流换热公式/>计算得到对流换热系数h，其中T为热气流温度，T0为环境温度（这里为热流计冷却水的温度）；此步骤中热流数据采集频率均为1Hz。
本发明系统的测试方法，包括如下步骤：
1）标定热气流气氛、温度和速度以及热流和对流换热系数后，关闭第五插板17-5，放置样件8及样件盒9，调节样件盒支架7高度使得样件8、样件盒9以及风管内壁平齐；由于实验准备过程中样件8上表面与第五插板17-5的下表面直接接触，所以应避免第五插板17-5温度升高加热样件；
2）打开第五插板17-5并同时打开电脑端的数据采集程序（数据采集程序采用现有的开源采集程序）开始实验，数据采集程序记录实验时间和样件实时温度数据（表面温度）或质量数据；
在实验过程中通过观察窗10观察样件热解现象，当样件8表面出现可见稳定火焰后停止数据采集程序，终止实验，关闭第五插板17-5；若在低氧气浓度下900秒内没出现着火则认为该工部下不能着火；
3）将样件温度或质量测定进行三次以上重复实验，多次实验所测参数平均值即为可燃物热解着火过程中所测目标参数。
在30 kW/m2、40 kW/m2、50 kW/m2、60kW/m2热流下所测6mm(上)和15mm（下）透明PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）表面温度如图10～13所示，辐射源热流恒定为30kW/m2，对应热气流温度20℃、260℃、379℃、427℃，热气流速度分别为0 m/s、0.4 m/s、0.8 m/s、1.2m/s。图中可以看出，热流越大、热气流速度越小，PMMA样件表面温度上升越快，着火时间越短；不同厚度的样件（热厚、热薄）温度曲线有所差别。
30 kW/m2、40 kW/m2、50kW/m2热流下所测6mm PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）质量损失速率如图14所示。辐射源热流恒定为30kW/m2，对应热气流温度20℃、260℃、379℃。热气流速度为0.8m/s。在图14中可以看出，热气流温度越高，质量损失峰值越大，从第二个峰值下降越迅速。测试中，辐射和对流为平行耦合，氧浓度为21%。
实验证明了，本发明通过加设通风管道提供热风，实现辐射与对流的平行和正交耦合加热过程，通过调节供气管道中氮气与氧气的比例，实现灵活调节对流加热气体气氛的目的；克服了现有标准或自制加热装置只能提供辐射加热而没有对流加热的局限。
Claims (10)
1.一种辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统，其特征在于：包括配气部分、加热段、加热通风管道、辐射源和控制箱；配气部分和辐射源通过通风管道相连，配气部分位于通风管道前部，辐射源位于通风管道后部，在辐射源上部的通风管道内设有第一气体整流器；在辐射源下部的通风管道底部设有用于放置样件的样件开口，在样件开口下部放置有样件盒支架，在样件盒支架下部放有电子天平，上部放置有样件盒，样件放在样件盒内，并且在样件开口对应的通风管道前后均开有透明的观察窗，用于查看实验状态；在样件盒的右上方设有电火花点火器，电火花点火器与控制箱相连；
控制箱内装设有第一温控器、第二温控器和变频器，在控制箱箱体上设有电火花点火器开关、气流加热开关和辐射源开关；控制箱上的第一温控器控制加热段，第二温控器控制辐射源；
通风管道上设有加热段，在加热段前为冷风管，加热段后为热风管；热风管包括横向的下热风管和成“几”形的上热风管；下热风管和上热风管的外表面均包裹有石棉隔热层；热风管的气流转向处均采用圆角弯头以减小风阻；
在下热风管内还设有第二气体整流器，第二气体整流器位于辐射源之前；所述第二气体整流器采用蜂窝整流器；
第一气体整流器采用水平蜂窝整流器，第二气体整流器采用竖直蜂窝整流器；第一气体整流器和第二气体整流器的外部尺寸与所处热风管内部尺寸一致；
在冷风管的端部开有风管门，风管门内侧有橡胶垫圈保证气密性；冷风管前部内安装有风机，风机通过控制箱上的变频器控制转速；冷风管的前部为空心管，冷风管的后部为一段渐缩管；冷风管的材料与热风管相同，冷风管外不设保温层；
配气部分设置在风机的左方，所述配气部分包括并联的2个储气瓶，2个储气瓶分别是氮气瓶和氧气瓶；储气瓶分别通过减压阀和流量控制阀连接在干管的进口端，形成支管；减压阀将高压气瓶储气瓶中压缩气体减压至接近常压，但略带正压以保证气体流向，流量控制阀用于体积流量控制；两根支管汇聚后与干管相连；干管的出气端与冷风管相连；在干管与流量控制阀之间还设有体积流量计以控制目标流量；
加热段由设置在加热段管道框架内的100根直径为3mm的竖直镍铬加热丝组成，镍铬加热丝为镍铬加热线圈，镍铬丝加热线圈的外径为1cm；垂直于气流方向布有10根镍铬加热丝，每根镍铬加热丝外径间距1cm，最外侧镍铬加热丝距离风管内壁0.5cm；沿气流方向共有10层同样布局的镍铬加热丝，每层距离2cm；加热段管道壁厚8mm，加热段管道内壁覆盖有1mm厚耐高温电绝缘陶瓷涂层，框架内侧与加热丝之间填充5mm厚石棉隔热层；所有镍铬加热丝并联连接，镍铬加热丝的端部通过导线相连；
在加热段的镍铬加热丝中部设有第二电绝缘热电偶，第二电绝缘热电偶通过加热段管道框架上方直径为1.2mm的第二热电偶孔连接至控制箱上的第一温控器；加热段由第一温控器和气流加热开关控制；当气流加热开关打开时，加热段加热功率由第一温控器控制；当气流加热开关关闭，加热段电源断开，第一温控器失去对加热段的控制；
辐射源具有加热源本体和辐射源电源，所述加热源本体为中空无盖的正方体，加热源本体的外部框架采用不锈钢框架，在加热源本体内壁和外壁均设置有耐高温电绝缘陶瓷涂层；在加热源本体相对的两侧壁上各开有均匀分布的6个发热丝安装孔，所述发热丝安装孔设置在同一条直线上；6根发热丝的两端穿过发热丝安装孔，固定在加热源本体的侧壁上；发热丝位于加热源本体的加热面上，在加热源本体内盘成外径2cm的螺旋形加热圈，从而能加大加热面积并提供均匀的辐射热流；在加热源本体内壁与发热丝之间填充有石棉纤维隔热层；所有加热圈处于同一水平面，每根加热圈的中心轴线相距3cm，最外侧两条加热圈的中心轴线距加热源本体内壁2.5cm；加热圈底部与加热源本体下表面在同一水平面，即形成辐射面；发热丝之间采用串联方式连接，以保证电流一致和辐射热流均匀；
在第2、4、6根发热丝中部各设有一个电绝缘热电偶，用于测量加热圈中点顶表面实时温度，电绝缘热电偶通过不锈钢框架两侧开设的直径为1.2mm的热电偶孔连接至控制箱，由控制箱上的第二温控器根据电绝缘热电偶的平均温度及第二温控器的设定值动态调节辐射源加热功率直至最终达到稳定目标值；控制箱的辐射源开关与辐射源相连。
2.根据权利要求1所述的辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统，其特征在于：在热风管中共设置5个插板，在热风管上的插板开关处设置有插板开口；在热风管内部对应插板开口部分设有插板槽，用于固定插入的插板；
5个插板分别为第一插板、第二插板、第三插板、第四插板和第五插板，其中第一插板和第四插板分别位于上热风管和下热风管的左边和右边连接处；第二插板位于第二气体整流器之前；第三插板位于第二气体整流器和样件开口之间；第五插板水平插在辐射源下方的样件开口上；第一插板、第二插板、第三插板和第四插板用于控制热气流流向，第五插板用于实验准备过程中隔离样件与热气流及辐射源，防止样件提前受热；第五插板沿水平气流方向放置，第五插板上表面有一层5mm厚石棉隔热层；第五插板处无插板槽，关闭时第五插板两侧搭在热风管内壁且下表面与热风管内壁平齐；插板均为手动控制，从热风管上的插板开口处插入插板，插板处于关闭状态；抽出插板，插板处于打开状态；插板不得完全抽离热风管，保留一小部分以密封热风管上的插板开口，保证气密性的同时又不影响热风管内热气流的流动。
3.根据权利要求2所述的辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统，其特征在于：所述插板开口宽6mm，长20cm；所述插板槽高8mm，插板槽的上下壁的间距为6mm，使得插板与插板槽良好接触以保证气密性；第一插板、第二插板、第三插板和第四插板宽20cm，长度满足能够封闭风管且方便抽取的要求；第五插板沿水平气流方向放置，长25cm，宽度与热风管内表面宽度相同，即20cm。
4. 根据权利要求1所述的辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统，其特征在于：所述电火花点火器的2个直径为2mm的电极间距为1.5 mm；电火花点火器位于样件右方5mm，高于样件5mm；电火花点火器固定在一根中空垂直杆上以方便电线连接，垂直杆底部固定连接在通风管道的下表面。
5.根据权利要求1所述的辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统，其特征在于：所述样件开口尺寸为20cm×20cm；所述观察窗采用20cm×9cm，厚5mm的耐高温透明石英玻璃观察窗，安全工作温度<1200℃，最高耐热1500℃，观察窗的内壁与通风管道内壁平齐，且与通风管道连接处做耐高温密封处理。
6.根据权利要求1所述的辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统，其特征在于：横向水平的下热风管内部尺寸20cm宽和10cm高，上热风管的内部截面为边长20cm的正方形；风管门的直径为38cm，冷风管的前部空心管内径38cm、长1m，渐缩管的长度为30cm；所述第一气体整流器和第二气体整流器为不锈钢材质，长度均为20cm，六边形孔边长为5mm，壁厚1mm；
所述发热丝采用直径8 mm的镍铬丝；在发热丝的两端与发热丝安装孔的内侧之间用厚度为2mm的陶瓷圈隔开，使得发热丝不直接接触安装孔；相邻两根发热丝伸出加热源本体的端部采用直径为8mm的铜芯导线连接，铜芯导线表面设有2mm耐高温绝缘层；
加热源本体壁厚3cm，作为外部框架的不锈钢框架采用5mm厚310号不锈钢；所述耐高温电绝缘陶瓷涂层的厚度为1mm，连续使用温度为1150℃；所述石棉纤维隔热层的厚度为5mm，石棉纤维导热系数0.132W/(mK)，电绝缘，辐射源有效辐射面积为20cm×20cm；所述发热丝安装孔的内径为12mm。
7.权利要求1所述的辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统的测试方法，其特征在于，进行测试时，首先进行热气流气氛、温度及速度场测定，测定过程中抽出第五插板，在第五插板处放置第一陶瓷纤维板，通过气体分析仪进行热气流气氛测定，风速仪进行风温和风速测定；
热气流气氛、温度及速度场测定的方法，包括如下步骤：
1）关闭第一插板、第三插板和第四插板，打开第二插板，打开风机，气流水平方向流动；
2）标定气流气氛以实现目标氧气浓度；
3）根据步骤2）设置好所需气流，同时记录三测点，保证气流均匀的氧气体积浓度，调节配气系统中氮气和氧气的流量得到目标气氛气流；
4）当5分钟内氧体积浓度数据变化不超过±1%则认为气流气氛稳定；
5）标定气流温度和风速；打开气体加热段电源，同时记录三测点的风速和温度数据，调节风机和气加热段功率得到目标速度和温度的气流；
6）当10分钟内的风速数据变化不超过±0.1m/s，且温度数据变化不超过±3℃则认为气流稳定；
所述第一陶瓷纤维板的尺寸为20cm×20cm×2cm，第一陶瓷纤维板中心及向两观察窗偏离7cm的位置处开三个2cm直径的圆孔以测定气流气氛、速度和温度。
8.根据权利要求7所述的辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统的测试方法，其特征在于，进行热流标定及对流换热系数测定时，采用第三陶瓷纤维板作为挡板，第三陶瓷纤维板的尺寸为20cm×20cm×2cm，挡板的正中心有一直径2.5cm的热流计孔；在辐射源正下方风管开口处放置挡板和热流计，使得挡板、热流计上表面和风管内壁三者平齐；热流计带有可拆卸蓝宝石窗口；
热流标定及对流换热系数测定方法，包括如下步骤：
1）标定辐射源的热流；盖上热流计辐射接收靶上方的蓝宝石玻璃窗，固定好热流计，打开辐射源电源，调节第二温控器得到目标热流，热流数据变化不超过±0.3kW/m2则认为热流稳定,记录下温控器的设定参数；
2）标定总热流；在步骤1）辐射热流标定完成后，关闭辐射源，打开风机和气流加热器，参照步骤1）的方法标定热气流气氛、速度和温度；
3）抽出辐射源下开口处第五插板，换上装有热流计的挡板，打开辐射源电源，按照辐射源热流标定时得到的温控器参数设定温控器，待热流稳定后测定总热流q总，
q总=辐射热流q辐射+对流热流q对流；
随后根据两次测量差值计算对流热流，q对流=q总-q辐射；
再根据对流换热公式q对流=h(T-T0)计算得到对流换热系数h，其中T为热气流温度，T0为热流计冷却水的温度；此步骤中热流数据采集频率均为1Hz。
9.根据权利要求8所述的辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统的测试方法，其特征在于，测试方法包括如下步骤：
1）标定热气流气氛、温度和速度以及热流和对流换热系数后，关闭第五插板，放置样件及样件盒，调节样件盒支架高度使得样件、样件盒以及风管内壁平齐；由于实验准备过程中样件上表面与第五插板的下表面直接接触，所以应避免第五插板温度升高加热样件；
2）打开第五插板并同时打开电脑端的数据采集程序开始实验，数据采集程序记录实验时间和样件实时温度数据或质量数据；
在实验过程中通过观察窗观察样件热解现象，当样件表面出现可见稳定火焰后停止数据采集程序，终止实验，关闭第五插板；若在低氧气浓度下900秒内没出现着火则认为此工况下不能着火；
3）将样件温度或质量测定进行三次以上重复实验，多次实验所测参数平均值即为可燃物热解着火过程中所测目标参数。
10.根据权利要求9所述的辐射-对流耦合加热可控气氛热解实验系统的测试方法，其特征在于，所述样件盒包括内盒和外盒，内盒为第二陶瓷纤维板，内盒上表面设有与样件尺寸一致的凹槽，用于放置待测样件；陶瓷纤维板制成的内盒外为1mm厚不锈钢外盒，外盒下表面一边中间处设有手柄；在样件外盒一侧中点处距离下表面1cm高的位置加工1mm直径的热电偶孔；样件盒下方为样件盒支架；样件盒支架由两块面包板及旋转轴、手轮组成；两块面包板中的一块作为底座放置在电子天平上；通过旋转手轮能使升降台的上板调节至所需的高度，最终实现样件上表面与风管内壁平齐，不锈钢外盒四周与风管贴合。
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