CN114047225A

CN114047225A - 一种基于温度、热流分布测量非炭化材料燃烧行为的测量装置及测试方法

Info

Publication number: CN114047225A
Application number: CN202111316040.3A
Authority: CN
Inventors: 朱楠; 张晓磊; 胡隆华; 孙协鹏; 黄亚军
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2021-11-08
Filing date: 2021-11-08
Publication date: 2022-02-15

Abstract

本发明公开了一种基于温度、热流分布测量非炭化材料燃烧行为的测量装置及测试方法，测量装置包括燃烧腔室、燃烧平台、点火系统、数据采集处理系统。燃烧平台、点火系统、数据采集装置放置于燃烧腔室内。数据采集系统包括质量监测系统、移动式温度测量系统、视频监测系统、温度定点测量装置、烟气采集分析系统、热流测量系统。燃烧平台包括可燃非炭化材料和防火隔热板。本发明在实验装置测量结果的基础上，结合传热传质理论分析，可以计算出材料燃烧速率、燃烧效率等表征非碳化材料燃烧行为的特征参数及影响燃烧行为的热流分布情况，为深入研究材料燃烧行为、提高材料燃烧效率提供装置支撑及技术指导。

Description

一种基于温度、热流分布测量非炭化材料燃烧行为的测量装置及测试方法

技术领域

本发明涉及火灾安全及能源燃烧技术领域，更具体地说是设计一种基于温度、热流分布测量非炭化材料燃烧行为的测量装置及测试方法，用于研究材料燃烧速率、燃烧效率等表征燃烧行为的特征参数及其影响因素，可用于进一步研究固体火灾防治和能源高效燃烧等前沿科学问题。

背景技术

固体材料燃烧在现实生活中存在广泛的应用。一方面，材料燃烧是能源获取的重要来源，部分能源类固体材料燃烧释放的热能对我国工业发展及居民生活提供巨大动力支撑。材料燃烧释放的能量受到材料燃烧热值、燃烧速率、燃烧效率影响，而对于同一种材料而言，材料的燃烧速率、燃烧效率则是影响能源供给的重要因素，直接影响到能量供给的多少。高燃烧速率、燃烧效率的材料燃烧行为，不仅能增加工业及能源行业的产能产值，同时也对减小环境污染具有重要意义；

另一方面，当燃烧失控时，固体材料的燃烧会转变为火灾，对人民生命财产安全造成重大威胁，并且由于城市建筑的飞速发展，固体材料的燃烧引发火灾蔓延已经成为最常见的火灾形式，发生后火焰会沿材料表面向其他方向传播，从而导致火势的不断扩大。根据前人的研究，火焰蔓延速度、火焰尺度直接受到材料燃烧速率的影响。因此研究材料燃烧速率及其相关影响因素(热流分布等)，对于加强火灾防治、减少火灾损失有重要作用。

基于以上背景，本发明设计了一套可以研究非炭化材料燃烧速率、传热传质行为测量装置及测试方法。根据前期的调研，现有的部分专利或在申请的专利也可以实现材料燃烧速率的测量，但大多是通过仪器设备(如电子天平、标尺等)直接测量质量变化情况(例如专利：申请公布号CN108732058A、授权公告号CN108398355A、授权公告号CN103954623)，没有针对燃烧行为、传热传质过程进行分析，因此难以进行更深层次的研究。国外的一些研究学者在其研究论文“Steady and transient pyrolysis of a non-charring solidfuel under forced flow”、“Local burning rates and heat flux for forced flowboundary-layer diffusion flames”中提及了一些材料燃烧速率及热流的测量方法，基于热流、燃烧速率计算热辐射等，但是实验测量手段存在以下限制：1.测量热对流时，选取的测量值为温度梯度在材料表面处的导数，测量误差较大，且由于部分材料在燃烧时表面有粘性，因此部分材料测量表面温度梯度非常困难；2.由于实验条件的限制，在研究计算过程中忽略了热传导、热损失，因此计算出的热辐射与实际情况存在较大误差，尤其是在特殊边界条件下(如环境风、低压等)；3.没有对材料的热释放速率和燃烧效率进行分析，因此并不能很好的反应材料的传热传质行为，对于后续的分析缺乏数据支持。因此截至目前，国内外尚缺少精确评估材料燃烧行为的测试装置及测试方法。

发明内容

基于上述背景，本发明的目的在于提供一种基于温度、热流分布测量非炭化材料燃烧行为的测量装置及测试方法，该测试装置可以有效分析非炭化材料燃烧速率及传热传质行为。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于温度、热流分布测量非炭化材料燃烧行为的测量装置，包括：燃烧腔室、燃烧平台、点火系统、数据采集处理系统，燃烧平台、数据采集处理系统点火系统、放置于燃烧腔室内；数据采集系统包括质量监测系统、移动式温度测量系统、视频监测系统、温度定点测量装置、烟气采集分析系统和热流测量系统。

所述燃烧腔室为长方体房间，房间面积较小的墙面左右两侧设置有通风窗口，在开展实验时打开，用于保持室内压强稳定及氧气供给，房间长边一侧留有观察用的透明窗口，用于实验中视频监测系统记录燃烧行为。燃烧腔室顶部留有烟气管道，用于排放房间燃烧的烟气。

燃烧平台包括可燃材料和防火隔热板，可燃材料内嵌于防火隔热板内，材料顶部与防火隔热板平齐，防火隔热板根据测量需求置于质量监测系统或热流测量系统上。

点火系统由辐射加热装置组成，所述装置辐射加热面积大于可燃材料上表面积，用于均匀点燃可燃材料，实验时加热装置放置于可燃材料上方，并在点燃后移开。

质量监测系统包括电子天平和3D导轨，用于记录可燃材料燃烧过程中的质量和厚度变化。其中电子天平放置于燃烧腔室地面上，可以实时记录燃烧平台的质量变化(即可燃材料质量变化)；3D导轨放置于燃烧平台一侧，所述导轨由电脑控制，可以在三维空间内实现高精度自由移动，导轨上固定探针，可以根据电脑控制的移动轨迹判断材料燃烧过程中不同位置的厚度变化，从而确定材料局部燃烧速率。

进一步地，本发明的电子天平为高精度电子天平。

移动式温度测量系统由3D导轨、热电偶和数据采集器组成，所述热电偶为R型铂铑热电偶，热电偶丝直径不大于0.2mm，热电偶固定在3D导轨上并由电脑控制测量可燃材料表面火焰温度分布，通过数据采集器连接电脑，进而辅助分析燃烧传热传质过程。

视频监测系统由高帧率摄像机组成，所述高帧率摄像机放置于腔室外侧，从燃烧腔室的观察窗口拍摄可燃材料燃烧过程，主要记录火焰形态参数，进而辅助分析燃烧传热传质过程。

温度定点测量装置由热电偶和数据采集器组成，所述热电偶选用K型铠装热电偶，热电偶丝直径不大于1mm。实验中所述热电偶放置于材料底部不同位置，并与数据采集器相连将测量的材料底部温度记录在电脑上，进而辅助分析燃烧传热传质过程。

烟气采集分析系统由烟气分析仪和抽风机组成，所述抽风机安装在房间顶部通风管道内，并与烟气分析仪相连，用于在燃烧过程中将燃烧释放的烟气以适当的速度收集(保证燃烧过程不受影响)并导入到烟气分析仪中，烟气分析仪与电脑相连，进而辅助分析燃烧传热传质过程。

热流测量系统由水冷热流计组成，使用时，燃烧平台和可燃材料内部不同位置处提前留好与热流计探头相同大小的孔，所述水冷热流计通过孔由可燃材料下方布置在可燃材料内，热流计顶端测量点与材料表面平齐并与电脑相连，在燃烧过程中记录材料燃烧表面不同位置处的辐射热流数据，并实时传输到电脑上，进而辅助分析燃烧传热传质过程。

一种非炭化材料燃烧行为的测试方法，使用如上任一所述的测量装置，所述测试方法包括如下步骤：

燃烧平台放置于电子天平上，由点火系统点燃可燃材料，点燃后将点火系统移开，同时电子天平记录燃烧平台质量变化，视频监测系统记录火焰形态参数，烟气采集分析系统开始采集并分析燃烧释放的烟气，温度定点测量装置记录材料底部温度变化；

待燃烧稳定后(电子天平记录的燃烧平台质量变化速率不变)，通过3D导轨控制R型铂铑热电偶由材料燃烧表面开始测量不同位置处温度分布，并由此计算燃烧对流热。测量结束后扑灭材料表面火焰，由3D导轨固定探针测量材料表面不同位置处厚度变化，并计算对应位置燃烧速率；

将燃烧平台重新放置地面上，并用不燃材料将燃烧平台架高。热流测量系统布置在可燃材料内。材料替换为未燃烧材料，水冷热流计布置在材料表面，然后按照上述步骤重新开始实验，实验中水冷热流计记录辐射热流数据。实验结束后将第一次、第二次实验中3D导轨测量的材料局部燃烧速率、对流热进行对比，若数据相同则认为两次实验有较好的重复性，若重复性不好，则重新开展实验。

将重复性较好的两组实验数据进行对比分析，基于传热传质基础公式计算出材料表面不同位置处燃烧速率、热传导、热对流、热辐射、热损失值，由烟气分析仪计算材料热释放速率和燃烧效率，完成对材料燃烧行为和传热传质过程的分析。后续可根据测量结果对燃烧过程进行分析和研究。

本发明提供的一种基于温度、热流分布测量非炭化材料燃烧行为的测量装置及测试方法，能够精确测量燃烧过程中材料不同位置处的燃烧速率及传热传质过程，基于测量结果计算传热传质的各项热流和燃烧效率，为更好地评估材料燃烧特性提供技术支持，有助于后续进一步研究材料燃烧行为、改进燃烧条件从而控制材料燃烧过程。使用上述非炭化材料燃烧速率、传热传质行为测量装置时，操作简单，实施成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)、图1(b)为本发明实例提供的非炭化材料燃烧行为测量装置结构示意图。

在图图1(a)、图1(b)中：

1-燃烧腔室、2-防火隔热板、3-可燃材料、4-点火装置、5-电子天平、6-3D导轨、7-R型铂铑热电偶、8-K型铠装热电偶、9-数据采集器、10-抽风机、11-烟气分析仪、12-高帧率摄像机、13-水冷热流计、14-电脑、15-不燃材料。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种基于温度、热流分布测量非炭化材料燃烧行为的测量装置及测试方法，该测量装置可以有效实现非炭化可燃材料燃烧速率、传热传质相关参数的精细测量。

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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”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位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中，非炭化材料包括有机玻璃(亚克力)、聚乙烯、聚苯乙烯等。

参照图1，本发明提供的非炭化材料燃烧速率、传热传质行为测量装置包括燃烧腔室1、防火隔热板2、可燃材料3、点火装置4、电子天平5、3D导轨6、R型铂铑热电偶7、K型铠装热电偶8、数据采集器9、抽风机10、烟气分析仪11、高帧率摄像机12、水冷热流计13、电脑14、不燃材料15。防火隔热板2、可燃材料3、点火装置4、电子天平5、3D导轨6、R型铂铑热电偶7、水冷热流计13、以及不燃材料15放置于燃烧腔室1内。K型铠装热电偶8、数据采集器9、抽风机10、烟气分析仪11、高帧率摄像机12、以及电脑14放置在燃烧腔室1外。

可燃材料3内嵌于防火隔热板2内，材料表面与防火隔热板2平齐。防火隔热板2与可燃材料3放置在电子天平5或地面上(使用不燃材料15将防火隔热板2架高)，根据实验测量的需求进行选择。对于第一种实验场景(图1(a)，防火隔热板2与可燃材料3放置在电子天平5上。3D导轨6放于防火隔热板2左侧，并将R型铂铑热电偶7固定在3D导轨6的移动端上，R型铂铑热电偶7与数据采集器9相连并连接电脑14。K型铠装热电偶8根据实验测量需求布置在可燃材料3底部不同位置处(可以单根热电偶或多个热电偶)，与数据采集器9相连并连接电脑14。高帧率摄像机12布置在燃烧腔室1外侧，通过腔室的观察窗口拍摄燃烧过程。燃烧腔室1顶部通风口与管道连接并依次连接抽风机10、烟气分析仪11并最终连接到电脑14。对于第二种实验场景(图1(b)，与第一种实验场景(图1(a))不同之处仅在于，防火隔热板2与可燃材料3放置在地面上，并用不燃材料15进行架高，防火隔热板2于可燃材料3内提前打孔用于放置水冷热流计13，孔的大小与水冷热流计13的测量端大小相同，水冷热流计13由下方布置在可燃材料3内部，测量端顶部与材料表面平齐。其余装置布置方式与图1左侧相同，电子天平5不使用。

为精细测量非炭化可燃材料燃烧速率及传热传质行为，同一材料需开展两次实验，分别使用图1(a)和图1(b)两种实验装置。

第一次实验在图1(a)装置开展，首先将点火装置4放置在可燃材料3正上方，并靠近材料，施加均匀稳定的热辐射点燃材料。点燃后移开点火装置4，电子天平5、高帧率摄像机12、抽风机10、烟气分析仪11、K型铠装热电偶8同时开始记录实验数据。

等待材料燃烧一段时间后(通常150s左右)，燃烧进入稳定状态(通过电子天平5记录的质量变化速率基本稳定不变)，此时控制3D导轨6移动R型铂铑热电偶7到可燃材料3表面指定测量位置处开始测量温度分布，测量方法为：首先将R型铂铑热电偶7停留在材料燃烧表面，测量一定时间(2-5秒，取决于温度数据采集器测量的数据频率多少，一般测量10-20个温度数据)后竖直上升一定距离(一般为0.2-0.5mm，可以根据实验测量需求进行调整)，然后停止上升并测量相同时间，并按照此方法重复上升-测量的实验操作，直至热电偶所测温度达到最大值并开始下降，此时可以停止测量并将R型铂铑热电偶7移动至下一个测点材料表面，并重复此测量过程，根据测量的数据，可以计算材料表面指定位置处的热对流通量：

其中q″_c为对流热通量，表示火焰对材料的对流加热，T_f为火焰温度(单位K)、T_p为热解温度(单位K)，

为(T_f+T_p)/2温度下空气的热导率(单位W/mK)，δ为材料燃烧表面到火焰中温度最大值的距离(单位m)。该公示基于空气热对流、热传导原理做出，T_f、T_p、δ为实验测量值，

可查阅相关参考文献、参考书获得。

燃烧一定时间后(5-10min，根据材料厚度进行调整，一般材料厚度燃烧1/3左右大于4mm，这样燃烧速率受到材料剩余厚度的影响较小，且厚度变化可以较为精确的测量)，熄灭可燃材料3表面火焰，控制3D导轨6移动R型铂铑热电偶7到可燃材料3表面指定测量位置处测量材料厚度变化情况，并根据厚度变化建立燃烧能量守恒方程：

其中Δξ为材料燃烧厚度变化(单位m)，ρ为材料密度(单位kg/m³)，L_v材料蒸发热(单位J/kg)，t_com燃烧时间(单位s)，q″_r为火焰对材料的辐射加热(单位kW/m²)，q″_rr为燃烧表面辐射热损失(单位kW/m²)，q″_cond为固相热传导(单位kW/m²)，q″_cool对流热损失(单位kW/m²)，其中ρ、L_v为材料固有属性，可以通过材料理化实验进行测定，t_com为实验值，q″_rr可以根据辐射经典公式(斯蒂芬-玻尔兹曼定律)进行近似计算：

其中σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，一般为5.67×10^-8Wm^-2K^-4，T_∞为环境温度(单位K)。q″_cond可以通过K型铠装热电偶8测得的材料底部温度进行近似计算：

其中k_s为材料热导率(单位W/mk)，ξ_s为材料剩余厚度(单位m)，T_b为材料底部温度(单位K)，k_s可以通过材料理化实验测得，ξ_s、T_b为实验测量值。

到此，第一组实验结束，第二组实验通过图1(b)装置开展，替换新的可燃材料3并放入防火隔热板2凹槽内，重复第一组实验中的点火步骤，材料点燃后，移开点火装置4，高帧率摄像机12、抽风机10、烟气分析仪11、K型铠装热电偶8、水冷热流计13开始测量。

燃烧过程中，重复第一组实验中的3D导轨6、R型铂铑热电偶7测量顺序，测点位置应与第一组实验相同。燃烧相同时间(与第一组实验相同)后，熄灭火焰，3D导轨6、R型铂铑热电偶7测量材料燃烧厚度，用电脑14读取水冷热流计13测得的火焰辐射q″_r。

实验结束后将第一次、第二次实验中3D导轨6测量的材料指定测点处厚度变化、对流热q″_c进行对比，若数据相同则认为两次实验据有较好的重复性；若重复性不好(一般认为实验误差大于20％)，则重新开展第二组实验；

将重复性较好的两组实验数据进行对比分析，基于传热传质基础公式可以计算材料燃烧表面的对流损失：

通过烟气分析仪11可以得到材料燃烧过程中的热释放速率曲线、峰值热释放速率等参数，热释放速率结合材料质量损失速率可以及计算出材料燃烧效率参数。至此，材料表面不同位置处燃烧速率、热传导、热对流、热辐射、热损失值、燃烧效率、热释放速率等参数全部由实验测得，结合高帧率摄像机12记录的火焰形态参数，可以开展对材料燃烧行为和传热传质过程的分析。有助于后续进一步研究材料燃烧行为、改进燃烧条件从而控制材料燃烧过程。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。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做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于温度、热流分布测量非炭化材料燃烧行为的测量装置，其特征在于，包括：

燃烧腔室(1)、燃烧平台、点火系统、数据采集处理系统；燃烧平台和点火系统放置于燃烧腔室(1)内；数据采集系统包括质量监测系统、移动式温度测量系统、视频监测系统、温度定点测量装置、烟气采集分析系统和热流测量系统。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述燃烧腔室(1)为长方体房间，房间短边左右两侧有通风窗口；房间长边一侧留有观察用的透明窗口；燃烧腔室(1)顶部留有烟气管道。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述燃烧平台包括可燃材料(3)和防火隔热板(2)，可燃材料(3)内嵌于防火隔热板(2)内，可燃材料(3)顶部与防火隔热板(2)平齐，防火隔热板(2)放置于质量监测系统或热流测量系统上。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述点火系统由辐射加热装置组成，所述辐射加热装置辐射加热面积大于可燃材料(3)上表面积，实验时辐射加热装置放置于可燃材料上方，并在点燃后移开。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述质量监测系统包括电子天平(5)和3D导轨(6)，其中电子天平(5)放置于燃烧腔室地面上；3D导轨放置于燃烧平台一侧，所述导轨由电脑(14)控制，导轨上固定探针。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述移动式温度测量系统由3D导轨(6)、热电偶和数据采集器(9)组成，所述热电偶为R型铂铑热电偶7，热电偶丝直径不大于0.2mm，所述热电偶固定在3D导轨(6)上并由电脑(14)控制测量可燃材料表面火焰温度分布，通过数据采集器(9)连接电脑。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述视频监测系统由高帧率摄像机(12)组成，所述摄像机(12)放置于腔室外侧，从燃烧腔室(1)的观察窗口拍摄可燃材料燃烧过程。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述温度定点测量装置由热电偶和数据采集器(9)组成，所述热电偶选用K型铠装热电偶(8)，热电偶丝直径不大于1mm；实验中所述热电偶放置于材料底部不同位置，并与数据采集器(9)相连，将测量的材料底部温度记录在电脑(14)上。

9.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述烟气采集分析系统由烟气分析仪(11)和抽风机(10)组成，所述抽风机(10)安装在房间顶部通风管道内，并与烟气分析仪(11)相连，用于在燃烧过程中将燃烧释放的烟气收集并导入到烟气分析仪(11)中，烟气分析仪(11)与电脑(14)相连。

10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述热流测量系统由水冷热流计(13)组成，使用时，燃烧平台和可燃材料(3)内部不同位置处提前留好与热流计探头相同大小的孔，所述水冷热流计(13)通过孔由可燃材料(3)下方布置在可燃材料(3)内，热流计顶端测量点与可燃材料(3)表面平齐并与电脑(14)相连，在燃烧过程中记录可燃材料(3)燃烧表面不同位置处的辐射热流数据，并实时传输到电脑(14)上。

11.一种基于温度、热流分布测量非炭化材料燃烧行为的测试方法，其特征在于，使用权利要求1-10任一项所述的测量装置，所述测试方法包括如下步骤：

燃烧平台放置于电子天平(5)上，由点火系统点燃可燃材料(3)，点燃后将点火系统移开，同时电子天平(5)记录燃烧平台质量变化，视频监测系统记录火焰形态参数，烟气采集分析系统开始采集并分析燃烧释放的烟气，温度定点测量装置记录材料底部温度变化；

待燃烧稳定后(电子天平记录的燃烧平台质量变化速率不变)，通过3D导轨(6)控制R型铂铑热电偶(7)由材料燃烧表面开始测量不同位置处温度分布，并由此计算燃烧对流热；测量结束后扑灭材料表面火焰，由3D导轨(6)固定探针测量材料表面不同位置处厚度变化，并计算对应位置燃烧速率；

将燃烧平台重新放置地面上，并用不燃材料(15)将燃烧平台架高；热流测量系统布置在可燃材料(3)内；材料替换为未燃烧材料，水冷热流计(13)布置在材料表面，然后按照上述步骤重新开始实验，实验中水冷热流计(13)记录辐射热流数据；实验结束后将第一次、第二次实验中3D导轨(6)测量的材料局部燃烧速率、对流热进行对比，若数据相同则认为两次实验有较好的重复性，若重复性不好，则重新开展实验；

将重复性较好的两组实验数据进行对比分析，基于传热传质基础公式计算出材料表面不同位置处燃烧速率、热传导、热对流、热辐射、热损失值，由烟气分析仪计算材料热释放速率和燃烧效率，完成对材料燃烧行为和传热传质过程的分析。