CN116026981A - 固体火灾灭火剂效能的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固体火灾灭火剂效能的检测装置及检测方法，检测装置包括玻璃板与底板围成高度数毫米的试验通道，燃料板置于试验通道底部，空气与灭火剂混合气由试验通道上游端引入，在下游端线状点火，以构成缓慢逆向蠕动火焰蔓延。采集火焰长度、蔓延速度、燃烧温度、燃烧产物种类和浓度及样品失重，通过对比实验分析灭火剂对蠕动火焰蔓延特征及燃烧产物产生的影响。基于检测设置的流动结构和施药方式，能够保证灭火剂投放精准到位，且具有一致性和可重复性；简化的流场以及火焰区与燃料间的传热机制使得采集的数据具有显著的物理意义，可以直接用于推导灭火动力学过程，分析灭火药剂作用机理以及产生毒性产物的规律，拓宽检测结果适用场景。

Description

固体火灾灭火剂效能的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及灭火剂性能检测和评估领域，尤其是涉及一种适用于固体燃料火灾灭火场景气体与液体灭火药剂以及表面阻化剂效能的检测装置及检测方法。

背景技术

在火灾场合，固相可燃物燃烧较为普遍，不但经常出现在居民住宅和商业场所，还经常发生在工业生产车间及仓储基地。针对这类固体火灾的扑救，气态或气化的灭火药剂有广泛应用，尤其是在一些高端和特种生产车间。检测气体灭火剂的有效性是筛选灭火剂和设计高效灭火系统的关键所在，其中涉及到特定灭火剂的灭火机理以及发挥效能的根源认证。

目前此类测试是在理想化气相系统背景下进行。该系统在实验室规模的层流预混火焰实验中添加抑制剂，相应观测层流火焰燃烧速度变化或可燃性极限。层流扩散火焰，抑或是对撞流还是同向流（即杯形燃烧器）的物理布局和结构，均为研究气体灭火提供了可选的实验配置。就使用的气体燃料、火焰类型和熄灭时的应变率而言，杯式燃烧器火焰具有相对较强的可控性。不过，这类检测技术提供的是标准气体火源，而不是固体材料自身燃烧产生的火焰。

固体材料表面的气相火焰与气体介质在燃料与氧化剂交汇界面上形成的火焰存在重大差异。一方面在于，燃料表面参与化学反应的气相成分和种类与现有的测试系统采用的气体成分相比完全不同，也复杂许多，相应形成的燃烧链式反应体系不具备可比性；另一方面则是，其火焰赖以维持的机制源于建立的火焰区与固体表面热解所存在的动态能量平衡。已有的认识表明，通过削弱火焰区温度破坏供应固体材料外部气相火焰的物质来源是扑救固体火灾的重要灭火方式，而这些都无法由用于评估灭火剂效果所设计的纯气体流动系统来替代。

目前亟待解决的技术问题是开发一种测试设备，在受控条件下对气态灭火剂灭固体火灾的有效性进行分级评定，但由于固体火灾基本特质和属性，使得开发相应的检测技术面临诸多难以逾越的挑战。一方面，固相可燃物种类繁多，其形状和在空间的分布千差万别；另一方面，由于处于开放环境中，其形成的火焰多受环境风以及自然对流的影响，难以形成具有高度可重复性的稳定火焰。再则，火蔓延是固体燃料燃烧的最重要标志之一，并且火蔓延本身随固体燃料的类型、其厚度、水分含量、纹理分布、样品接收的热通量以及气体来流的成分和速度而变化。对于上述问题，目前没有一种有效检测和评估适用于固体燃料火灾的灭火剂效能的检测装置及检测方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，根据本发明一个方面的发明构思，提供一种固体火灾灭火剂效能的检测装置，包括：

底板；

两个条形垫片，分别沿所述底板的长度方向设置在所述底板的两个侧边上，所述条形垫片的高度为2~5mm；

上玻璃板，设置在两个所述条形垫片上，所述上玻璃板与所述底板、两个所述条形垫片共同围设成一个两端开口的试验通道，所述试验通道的底面为待测可燃物；

扩散整流器，设置在所述试验通道的上游端，所述扩散整流器适用于将添加有灭火剂的气体以均匀流速分散在所述试验通道的横截面上；

线状点火器，设置在所述试验通道内与所述上游端相对的下游端，所述线性点火器被构造成引燃所述待测可燃物，以使所述待测可燃物形成垂直所述试验通道轴线方向的火线，从而在所述试验通道内形成二维层流的逆流蠕动火焰蔓延；

摄像机，设置在所述上玻璃板的上方以获取所述待测可燃物的燃烧图像信息。

可选的，所述底板包括下玻璃板和待测燃料层，所述待测燃料层设置在所述下玻璃板上，所述待测燃料层为柔性材质燃料或所述待测燃料层的厚度小于10mm。

可选的，所述底板包括待测试的固相燃料板，所述固相燃料板的厚度大于或等于10mm。

可选的，所述检测装置包括：

气体成分分析仪，探头设置在所述试验通道内靠近所述下游端的中心轴线上；

多组热电偶组件，沿所述试验通道的中心轴线方向等间距固定在所述上玻璃板，多组所述热电偶组件设置在靠近所述试验通道下游端的区域；

标尺，设置在所述上玻璃板的下表面，所述标尺设置在所述上玻璃板的中心轴线上。

可选的，每组所述热电偶组件包括两个热电偶，两个热电偶的探头分别距离所述底板的上表面1mm和2mm。

可选的，所述检测装置还包括：

气源，用于提供O₂和N₂的混合气体；

一对质量流量控制器，一端分别连通所述气源，另一端连通所述扩散整流器，用于设定混合气含氧量和流量；

灭火剂源，用于提供灭火剂；

转子流量计，一端与所述灭火剂源连通，另一端连通所述扩散整流器，用于调节混合气灭火剂含量。

可选的，所述检测装置还包括：

固定底座；

支撑柱，竖直的设置在所述固定基座上，所述支撑柱的顶端与所述底板的下表面铰接；

角度盘，设置在所述底板与所述支撑柱的上端之间，所述角度盘适用于调节所述底板与水平面的夹角。

根据本发明另一个方面的发明构思，提供一种固体火灾灭火剂效能的检测方法，采用如上所述的检测装置，包括步骤：

将待测可燃物平铺放置在试验通道内，调整条形垫片使得待测可燃物的上表面与上玻璃板的距离为2~5mm；

将气源提供的O₂和N₂的混合气体以及灭火剂以预设氧浓度和流量通入到扩散整流器内；

在试验通道的出口端通过线性点火器点燃所述待测可燃物，使得所述待测可燃物在所述试验通道内形成二维层流的逆流蠕动火焰蔓延；

采集记录所述待测可燃物的燃烧数据；

调整所述混合气体和灭火剂比例，重复执行上述步骤，采集记录不同比例下所述待测可燃物的燃烧数据。

可选的，采集记录不同比例下所述待测可燃物的燃烧数据之后还包括：对燃烧数据进行处理以获得火蔓延特征、量化灭火剂产生的影响以及灭火药剂的灭火机理和有毒有害气体的释放量。

可选的，检测方法还包括步骤：

保持混合气体成分和流速恒定，以未施加灭火剂的测试为对照组，改变灭火剂的含量进行测试，获得不同灭火剂含量下火蔓延速率和火焰的长度；

根据所述火蔓延速率或火焰的长度计算对应含量的灭火剂的灭火效率，包括：

h _e  =[(V _f0 –V _fi )/V _f0 ]×100% （1）

或

h _e  =[(L _f0 –L _fi )/L _f0 ]×100% （2）

其中， h _e 表示灭火效率， V _f0 为未施加灭火药剂的对照组的火蔓延速率， V _fi 为相同实验条件下施加特定浓度灭火剂的测试组的火蔓延速率， L _f0  为未施加灭火药剂的对照组的火焰长度， L _fi 为相同实验条件下施加特定浓度灭火剂的测试组的火焰长度。

可选的，所述采集所述待测可燃物的燃烧数据包括：

采集火焰燃烧后的气体产物，分析气体成分及含量；

对燃烧后的固体产物的成分及含量进行分析，获得毒性产物的数据。

可选的，所述待测可燃物为聚甲基丙烯酸甲酯板，采集所述待测可燃物的燃烧数据之后还包括步骤：

测量聚甲基丙烯酸甲酯板燃烧前后的厚度变化，以得到火蔓延过程中燃料表面热解层厚度。

通过底板、条形垫片配合上玻璃板形成高度毫米级试验通道，构建特定固相燃料逆向流火蔓延场景，以高度精准的施药和作用方式展开对比试验，实现对气态灭火剂灭火机理和效能的量化评估以及燃烧产物释放效率的标定，具有如下优势。

（1）通过在数毫米高通道底面布置与实际火灾现场可燃物相符的固相燃料，加上通道的倾角调整机构，可以随意设置具有不同倾角固相可燃物表面稳定火蔓延的工况。

（2）可模拟任何含氧空气氛围，从特种加工车间的贫氧环境到航天器中的富氧环境，都可以通过装置中的一组质量流量控制器分别调节O₂和N₂气源出气量来实现，由配备的氧浓度分析仪予以标定和确认。

（3）测试样品适用性强，检测用的固相可燃物包括多种类型材料，从柔软的布料到窗帘、地毯和挂毯，从牛皮纸到硬纸板，从品种繁多的木材到各种类型的塑料，都可以制成标准试样予以检测；样品表面可以事先做过阻化处理，如布置阻化涂层等。

（4）实验燃料试样采用同一供货渠道和同一批次生产和加工的标准尺寸的产品，并采用相同的干燥方式和安装方式，使得检测过程中形成的标准逆流蠕动火焰具有高度的一致性、足够长的持久性以及极佳的可重复性；蔓延速度可控制在毫米每秒量级。

（5）经过窄缝上游由载体施药在二维流动体系中直接与火焰区反应物质作用，其作用火焰区域不受单次测试的影响，并且基于沿火焰长度方向充分混合作用，能够确保灭火药剂的作用效果不受作用时间影响。

（6）检测方法中提取平行对比实验的火蔓延速率、火焰长度和温度以及试样失重量，可以直接用于对比不同灭火药剂针对特定种类固相材料的灭火效能并确认其最佳配比，为各类产品的灭火效能标定和产品定型提供科学依据。

（7）在试验通道中营造固体燃料层流扩散火焰，火焰区对固相燃料的传热过程由简单的热传导控制，简化的流动体系和传热过程为研究灭火剂相互作用的动力学过程提供方便，在通道出口端加入气体成分的同步检测，可以使其成为开辟新型灭火方法和灭火机理的便捷检测工具。

（8）作为一种具有高度可重复性的火蔓延构造，由于其气流进出口设计独特，非常适合开辟相应的火蔓延过程中有毒有害气体的释放效率标定，以及可以用作评估固相可燃物燃烧碳排放的检测工具。

（9）整个测试过程中用气量非常有限，易于对燃烧产物进行集中处理和排放，有效降低测试过程对环境造成的危害。

（10）本发明提出的检测方法，相应的经费投入较低，单次试验所用燃料试样制作准备和气源的成本也很低。

（11）本发明的检测方法和相应的装置具有较强的可操作性，易于技术人员掌握和使用。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的固体火灾灭火剂效能的检测装置的工作原理及工作流程框图；

图2是根据本发明的示例性实施例的固体火灾灭火剂效能的检测装置的系统框图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1-气源；

2-灭火剂源；

3-质量流量控制器；

4-转子流量计；

5-控制阀；

6-三通球阀；

7-干燥过滤器；

8-导气阀；

9-氧浓度分析仪；

10-扩散整流器；

11-试验通道；

12-待测可燃物；

13-固定基座；

14-支撑柱；

15-角度盘；

16-低压调压器；

17-热电偶组件；

18-摄像机；

19-多通道数据采集器；

20-气体成分分析仪；

21-燃烧产物过滤和分析单元；

22-气体产物种类和浓度检测及数据处理单元；

23-数据后端处理单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1是根据本发明的示例性实施例的固体火灾灭火剂效能的检测装置的工作原理及工作流程框图。

如图1所示，本发明巧妙运用Hele-Shaw（赫尔-肖氏）单元，在底板构建稳定的蠕动火焰蔓延，灭火药剂直接由试验通道（窄缝）上游输入，并由运载气流输送至火焰区发挥作用。试验通道高度只有几毫米（例如3mm），底板上附有固体燃料层或板作为测试样品。具有特定浓度的O₂/N₂混合气由气体扩散整流器导入试验通道，在试验通道另一侧开口端（下游端）用线状点火器将燃料（试样）点燃，以形成逆流蠕动火焰 (Creeping flame)。火焰建立后在燃料表面以与气流相反的方向以稳定的速度向上游移动。基于窄缝壁面粘性阻力占据主导地位，高度为毫米级的试验通道中的流动是层流并且为二维的，这为研究固体燃料上的火焰传播和测试灭火剂对火焰传播的影响提供了方便。本发明的技术方案通过对反应过程以及反应结果的观测、记录和分析，例如，通过数码摄像拍摄火焰蔓延的速度和轨迹，通过测温点阵记录不同位置的温度，含水量的确定以及测试前后重量变化，燃烧坡度角的改变，气态反应产物的检测和分析，利用计算机进行控制以及数据处理，开展灭火对比实验以及灭火能效量化评定等，可以为多种类型的固相材料及其表面阻化剂的阻燃特性提供统一的检测途径，还可以用于灭火机理的认定以及毒性气体和碳排放效能的评估，为相关检测技术的标准化铺平道路，以及用于标定含水量对火焰传播和测试灭火剂对火焰传播的影响。

图2是根据本发明的示例性实施例的固体火灾灭火剂效能的检测装置的结构示意图。

根据本发明一个方面的发明构思，提供一种固体火灾灭火剂效能的检测装置，如图2所示，包括：底板、条形垫片、上玻璃板、扩散整流器10、线状点火器和摄像机18。两个条形垫片，分别沿底板的长度方向设置在底板的两个侧边上，条形垫片的高度为2~5mm。上玻璃板设置在两个条形垫片上，上玻璃板与底板、两个条形垫片共同围设成一个两端开口的试验通道11，试验通道11的底面为待测可燃物。扩散整流器10设置在试验通道11的上游端，扩散整流器10适用于将添加有灭火剂的气体以均匀流速分散在试验通道11的横截面上。线状点火器设置在试验通道11内与上游端相对的下游端，线状点火器被构造成引燃待测可燃物，以使待测可燃物形成垂直试验通道11轴线方向的火线，从而在试验通道11内形成二维层流的逆流蠕动火焰蔓延。摄像机18设置在上玻璃板的上方以获取待测可燃物的燃烧图像信息。

在本实施例中，通过底板、条形垫片配合上玻璃板形成高度毫米级试验通道11构建特定固相燃料逆向流火蔓延场景，以高度精准的施药和作用方式展开灭火对比试验，实现对气体灭火剂灭火机理和效能的量化评估以及燃烧产物释放效率的标定，可重复性高，适用性广。在不同气体流速与含氧量下对不同种类可燃物的灭火对比实验，拓宽检测结果适用场景。

根据本发明的一些实施例，上玻璃板为耐高温石英玻璃板。

根据本发明的一些实施例，试验通道11的两侧面涂有密封胶，以保证试验通道11两侧面的密封性能。

根据本发明的一些实施例，线状点火器包括镍铬合金丝。镍铬合金丝沿试验通道11的宽度方向设置在待测可燃物上，镍铬合金丝由低压调压器16供电，充电的镍铬合金丝可以形成热量均匀的线状热源，在接触待测可燃物后迅速形成线状火焰。可选的，点火成功后将镍铬合金丝撤出试验通道11。

根据本发明的一些实施例，高分辨率数码摄像机设置在上玻璃板的正上方，摄像机18的镜头朝向上玻璃板，保持摄像机18与上玻璃板的距离适中，使得试验通道11全貌清晰呈现在观察视野之中。

根据本发明可选的一些实施例，底板包括待测试的固相燃料板，也即，固相燃料板为所述的待测可燃物，固相燃料板的厚度大于10mm。在本实施例中，固相燃料板的厚度较大，有着足够的结构强度以及热厚特性。

根据本发明可替换的一些实施例，底板包括下玻璃板和待测燃烧层。待测燃烧层设置在下玻璃板上，待测燃烧层为柔性材质燃料或厚度小于10mm，例如，薄纸板、柔软布料、编织物等。

根据本发明的一些实施例，测试用的燃料试样可以是火灾现场较常见固相可燃性材料，包括各类木材、纸板和塑料，较柔软的壁纸、布料以及地（挂）毯等。

根据本发明的一些实施例，测试用的燃料试样的表面可以喷涂阻化涂层，以便于观测阻化涂层的阻燃效果。可选的，对于较硬的测试用的燃料试样，将其预先制作成标准大小，厚度保持10 mm，确保火蔓延过程中呈热厚特性，从而简化热边界条件。

根据本发明的一些实施例，根据测试需求，测试用的燃料试样可以进行干燥处理，或干燥至特定的程度，以探索样品的水分含量对火焰蔓延的影响。样品干燥在 105°C 的烘箱中放置 48 h以上，然后在装有硅胶的密封盒中冷却。根据需要，可以计量干燥和未干燥样品的尺寸以确定其表观密度。

根据本发明的一些实施例，检测装置还包括气体成分分析仪20，气体成分分析仪20的探头设置在试验通道11内靠近下游端的中心轴线上。

在本实施例中，根据检测的气体种类，配备相应的气体成分检测单元。气体成分分析仪20与气体产物种类和浓度检测及数据处理单元22连接，将分析结果传输给数据后端处理单元23，例如计算机。

根据本发明的一些实施例，气体成分分析仪20与气体产物种类和浓度检测及数据处理单元22之间还包括燃烧产物过滤和分析单元21，用于对燃烧后的产物进行过滤以及检测或分析。

根据本发明可选的一些实施例，在摄像机18的上方设置有集烟罩（未示出），集烟罩上设置有风机或者连通负压装置，用于将试验通道11内燃烧产生的废气、烟雾等排出到室外。

根据本发明的一些实施例，检测装置还包括标尺，标尺设置在上玻璃板的下表面，标尺设置在上玻璃板的中心轴线上。

根据本发明可选的一些实施例，标尺蚀刻在上玻璃板的下表面上。可选的，标尺的最小测量单位为毫米。在本实施例中，介于试验通道11上玻璃板到底板的距离很近，在摄像机18取景框中观察到的刻度分布完全等效于布置在待测可燃物表面刻度分布情况。

根据本发明的一些实施例，检测装置还包括多组热电偶组件17，多组热电偶组件17沿试验通道11的中心轴线方向等间距固定在上玻璃板，多组热电偶组件17设置在试验通道11靠近下游端区域。

在本实施例中，多组热电偶组件17适用于测量火焰传播经过不同位置时温度分布。可选的，多组热电偶组件17与多通道数据采集器19连接，多通道数据采集器19将采集到的温度信息传输给数据后端处理单元23，例如计算机，并由计算机控制数据采集系统驱动热电偶组件17的检测过程。

根据本发明的一些实施例，每组热电偶组件包括两个热电偶，两个热电偶的探头分别距离底板的上表面高出1mm和2mm。

根据本发明的一些实施例，检测装置还包括气源1、质量流量控制器3、灭火剂源2和转子流量计4。气源1用于提供O₂和N₂的混合气体。质量流量控制器3的一端连通气源1，另一端连通扩散整流器10，用于控制混合气体的氧浓度和流量。灭火剂源2用于提供灭火剂。转子流量计4的一端与灭火剂源2连通，另一端连通扩散整流器10，用于调节灭火剂供给量。

根据本发明的一些实施例，灭火剂源2提供的灭火剂包括三氟碘甲烷。

根据本发明的一些实施例，气源1包括一个用于存放压缩空气的压缩气瓶，或两个用于分别用于存放压缩氮气和压缩氧气的压缩气瓶。一个或两个压缩气瓶通过质量流量控制器3将预设浓度氧气含量的混合气体以预设的流量通入到扩散整流器10中。

根据本发明可选的一些实施例，检测装置还包括三通球阀6和氧浓度分析仪9，一个或两个压缩气瓶将混合气体通入到三通球阀6，三通球阀6分别通过两条气路将混合气体通到氧浓度分析仪9或扩散整流器10中。在测试准备期间，可以根据氧浓度分析仪9反馈的数据调整质量流量控制器3的开度将混合气体中氧气含量调整至预设值。

根据本发明可选的一些实施例，在导入扩散整流器10的气路中，由转子流量计4以预设的供给量（流速）将灭火剂加入到上述混合气体中。气流通过扩散整流器10导入高度毫米级试验通道11，该扩散整流器10能将进入的气体以均匀流速分散在试验通道11的横截面上。可选的，在转子流量计4之后的气路上，还设置有控制阀5。

根据本发明可选的一些实施例，扩散整流器10前端的气路上还设置有干燥过滤器7和导气阀8，干燥过滤器7适用于对混合气体进行干燥，以降低湿度对测试结果的影响；导气阀8用于开启和关闭最终进入到扩散整流器10的混合气体。

根据本发明的一些实施例，检测装置还包括固定基座13、支撑柱14和角度盘15。支撑柱14竖直的设置在固定基座13上，支撑柱14的顶端与试验通道底板的下表面铰接。角度盘15设置在底板与支撑柱14的上端之间，角度盘15适用于调节试验通道底板与水平面的夹角。

在本实施例中，配合角度盘15转动试验通道，使通道底板与水平面成预设的夹角，从而模拟实际火灾现场不同空间方位角火灾蔓延的场景。

根据本发明另一个方面的发明构思，提供一种固体火灾灭火剂效能的检测方法，采用如上的检测装置，包括步骤：

将待测可燃物12平铺放置在试验通道11内，调整条形垫片使得待测可燃物12的上表面与上玻璃板的距离为2~5mm；

将气源1提供的O₂和N₂混合气体以及灭火剂通入到扩散整流器10内；

在试验通道11的出口端通过线性点火器点燃待测可燃物12，使得待测可燃物12在试验通道11内形成二维层流的逆流蠕动火焰蔓延；

采集记录待测可燃物12的燃烧数据；

调整混合气体和灭火剂比例，重复执行上述步骤，采集记录不同比例下待测可燃物12的燃烧数据。

根据本发明的一些实施例，采集记录不同比例下所述待测燃烧物待测可燃物的燃烧数据之后还包括对燃烧数据进行处理获得火蔓延特征、量化灭火剂产生的影响以及灭火药剂的灭火机理和有毒有害气体的释放量。

根据本发明的一些实施例，组装试验通道11，开启质量流量控制器3，经氮气稀释剂调节的 39.9% 氧气混合物开始流过通道，将三氟碘甲烷添加到混合气体中，通过线性点火器引燃待测可燃物12，观察火焰均匀地穿过通道。每次测试都由高分辨率数码摄像机记录，并启动温度检测装置（热电偶组件17）和气体成分分析仪20对传播中火焰温度以及通道下游气体组分进行分析。

根据本发明可选的一些实施例，采用高灵敏度天平计量测试待测可燃物样品测试前后的质量变化，并根据过火区域面积和残留物情况作进一步的运算。实验完成后称量待测可燃物样品测试后剩余质量，并测定过火区域面积。

对特定添加剂的灭火效果检测，包括在选定气流含氧量和流速控制前提下没有施加添加剂的对比实验。相应提取的火焰传播速率和火焰的长度以及火焰温度均可以作为参照。根据施加量的增加以观察检测参数的变化趋势，由此求得最佳灭火剂配比。不同灭火药剂的作用效果对比则可以通过对平行实验观察到的检测参数值差异以量化确认。定义灭火效率参数 h _e ,可以分别由火蔓延速率或火焰尺度下降幅度计算：

h _e  =[(V _f0 –V _fi )/V _f0 ]×100% （1）

或

h _e  =[(L _f0 –L _fi )/L _f0 ]×100% （2）

其中， V _f0 为没有施加灭火药剂的火蔓延速率， V _fi 则为相同实验条件下施加特定浓度添加剂后检测到的火蔓延速率。 L _f0  和 L _fi 为对应的火焰长度。

针对纸板和塑料测试表明，火蔓延过程中观测到的火蔓延速率与火焰长度呈线性相关。这是由于在如此狭窄的试验通道中，火焰区被高度压制成贴近待测可燃物表面的蠕动火焰，火焰区向邻近固体燃料供热主要依赖热传导，而热传导的效率则主要受火焰区长度控制，这导致火蔓延速率随火焰长度下降而线性减弱。在施加灭火药剂后，火焰区温度场变化不明显的前提下，上述两种评估指标结果完全可以互换。

根据本发明可选的一些实施例，待测燃烧物待测可燃物为聚甲基丙烯酸甲酯板，采集待测可燃物的燃烧数据之后还包括步骤：测量聚甲基丙烯酸甲酯板燃烧前后的厚度变化，以得到火蔓延过程中燃料表面热解层厚度。

在高度毫米级试验通道中，流动边界层被抑制；被拉长火焰区，让火焰与灭火剂充分作用，保证混合时间远低于在火焰区中的驻留时间；稳定的火焰长度，则保证对相关检测参数实施准确计量。更重要的是，由于热解过程的完全均匀分布，热解层厚度和分布完全均匀，导致可以根据测试前后的质量变化除以过火区域的面积和燃料的密度，获得热解过程中消耗掉的可燃物厚度。对于直接挥发性固相可燃物来说，这就是燃料热解层厚度。

根据热解层厚度信息、气相火焰温度以及同步检测到的气体产物种类和浓度数据，还可以确定灭火药剂或表面阻化剂的灭火机理。开展特定灭火剂释放毒性成分分析。根据气体成分分析仪数次采样数据，分别计算不同有毒有害气体的释放量，并由测试过程中燃料损失质量计算单位燃料质量消耗产生的毒性气体量。另外，可以由采集到的火焰尺度以及火焰温度信息，计算特定火蔓延过程中火焰燃烧的强度，由此计量设定火灾场景及实验条件下有毒有害气体的释放效率。

下面结合以具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的阐述，需要理解的是，该具体实施例仅为便于本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，而不应当作为对本发明保护范围的不当限定。

随着快递业的迅猛发展，大量纸箱被生产、使用、存储并进入再循环。作为一种易燃材料，针对纸箱火灾扑救处置以及相关的灭火药剂的开发和定型有现实的意义。在本实施例中，以Hanlon替代品为灭火药剂针对纸板燃烧灭火效能进行检测。

装置试验通道上下底板由两块厚度10mm防火玻璃板构成，试验通道的长度为375毫米，宽度为110毫米。两根厚度3mm的铝制垫片在两侧隔开，以限定试验通道的高度。燃料样品为一块纸板，放置在底部玻璃板上，并在纸板和顶部玻璃板之间插入垫片以保持通道的高度始终保持为3mm。

气源由两个G尺寸钢瓶组成，分别为高纯O₂和N₂。它们由1/4英寸的不锈钢管经减压阀导入一组质量流量控制器，再合并进相同尺寸的钢管以调制成O₂/N₂混合气体。两个质量流量控制器将氧气浓度和气流流速保持在预先设定的值，确保混合气处于稳定的浓度值。质量流量控制器首选Brooks Instrument，量程40L/min。混合气体导入通道前设置一副三通阀门，在配气过程中将通路切换至氧浓度分析仪。该型设备可以是氧浓度分析仪(OxygenAanlyser, ADC7000)，分辨率为±0.005%，用以检测和标定气流中O₂的浓度。精密转子流量计用于设定供给量，以不同份额将灭火剂加入到O₂/N₂混合物中。由于其含量很低（一般不超过5%），其导入造成混合气体氧浓度变化可以忽略不计。混合气体通过扩散整流器进入高度毫米级试验通道。气体扩散整流器前端为倒三角结构，后面连接20mm长的长方形腔体。在其横截面方向布设孔径50目不锈钢丝网，以将进入的气流均匀地分布在试验通道的横截面上。腔体内截面与试验通道对接严丝合逢，以保证气密性。

数码摄像机首选Canon C100高清专业摄像机，固定在可以调节上下位置的固定支架上，确保可以清晰记录实验期间火焰传播的图像以及实验全过程。由Omega公司提供镍铬-镍硅热电偶丝五组，丝径125mm，穿双孔细陶瓷管( f=1mm)外加Swagelok连接件固定位置。探测点位分别在通道中心截面和偏上游20mm横截面上。多通道中速数据采集器(National Instruments)连接到电脑驱动和控制数据采集过程。实验通道出口处安装气体种类和浓度检测系统的采样探头。气体种类和浓度分析可以采用程控自动进气双柱式气相色谱仪或残留气体分析仪(RGA)。测试单元上方安装小型集烟罩，将实验中产生的烟雾和燃烧气体排放到外部，其排气速率确保与钢瓶导入通道的气体流量完全一致。

从原料纸板上切下，制作成宽120mm、长400mm标准尺寸测试样品。对干燥和未干燥的样品分别进行试验，观测样品的水分含量对火焰蔓延的影响。干燥的样品在105°C的烘箱中制备48h，然后在装有硅胶的密封盒中冷却。未干燥的样品检测出含有8.2%水分。干燥和未干燥样品的表观密度分别为0.58g/cm³和0.63g/cm³。在扩散整流器周围以及铝制垫片和顶部玻璃板之间涂抹了多用途密封剂，以防止泄漏。然后将试验通道组件夹在一起再做水平定位。选用三氟碘甲烷(CF₃I)开展灭火抑制试验。

由氮气稀释的39.9%氧气混合物开始流过试验通道，由低压调压器16供电的镍铬合金线充当点火器。镍铬合金丝在通道的开口端横跨纸板的宽度，然后点燃纸板形成条状火线，均匀地穿过通道。每个测试都由摄像机记录，火焰传播速度和火焰长度的数据从慢动作回放中提取。实验以切断O₂/N₂混合气流入通道装置而终止。在抑制测试中则将灭火剂通道阀门打开，将CF₃I添加到O₂/N₂混合物中，重复点燃实验。

为观察气流速率和氧浓度含量对试验通道中逆向蠕动火焰传播的影响，设定不同气流流量和氧浓度条件下开展对比实验。可选的，在当前通道尺寸条件和使用的燃料试样条件下，针对灭火剂效能检测的混合气流流量控制在6-8L/min之间，效果较佳。氧浓度可以控制在常规情形下。系列测试表明，随着混合气中CF₃I浓度增大，火蔓延速率显著下降；当CF₃I浓度达到4.5%，火蔓延速率下降幅度达到40%；更大的灭火剂添加量则直接导致熄火现象发生。

本装置可以直接用于检测不同材质硬纸板的难燃特性，尤其是添加阻燃剂或表面涂层硬纸板的难燃特性。对不同阻燃剂添加的样品可以在相同流动条件和点火条件下开展对比实验，观测几个检测参数的变化，由此判断其添加剂产生的效果和测定最佳投放量。

对于普通布料以及窗帘布、挂毯和地毯火灾来说，其在火灾场合都因为厚度有限基本呈现为热薄型材料。作为检测燃料完全可以与纸板火灾灭火剂效能检测方法相同。对于木块和塑料等材料来说，有时会因材质较厚而呈现为热厚特性，并且缘于材质致密和硬度较高，在构建高度毫米级试验通道时，完全可以用燃料板直接代替底板。其在通道开口处稍突出，留着线状点火用。

测试过程中观察到的火焰长度和温度变化以及测试前后燃料试样的失重均可以用来度量灭火剂添加对固体燃料燃烧强度的影响。在针对聚甲基丙烯酸甲酯（又称作亚克力或有机玻璃）板开展系列实验过程中，确认了高度毫米级试验通道独特的流动特性以及被拉伸和匍匐于燃料表面的火焰结构，并可以据此计算出火蔓延过程中燃料表面火蔓延过程中热解层厚度。实验测试发现，火焰的尺度与样品的失重量呈完全的线性相关性，这是由于蠕动匍匐火焰与燃料表面间的热量交换主要靠热传导进行，并且其热交换的水平与火焰的长度高度一致。

依据亚克力板点燃实验后过火区域面积和过火区烧蚀厚度均匀的特性，相应计算出试验通道中逆向火蔓延热解层厚度值。在设定的氧浓度从49.8%至纯氧间来流条件下，测定出热解层厚度在0.03mm至0.24mm之间变化。该参数长期以来一直作为理论假设，而没有实验检测数据。在本发明提供的检测装置中，使得这项参数的检测和验证成为现实。目前的检测和计算方法只适用于燃料表面受热时直接出现热解产物气化的情形，其表面成碳和驻留明显时则误差较大。换句话说，对于厚木板材料开展实验时，采用同样的算法则会产生较大的偏差，因为木板属于积碳型燃料。

气流输运的气态反应产物很容易地在Hele-Shaw几何结构的下游进行采集和分析，由此可以勾画灭火药剂以及固体表面阻化剂的灭火或阻火机理，还可以用于燃料释放毒性气体和燃烧副产物的测试，评估来自燃料本身和灭火剂中间产物的毒性和环境污染问题。将燃料本身和灭火剂（或阻化剂）相互作用生成的毒性副产物和碳排放量除以燃料的消耗量（失重）即可确定出具体有毒有害气体的排放效率。

总之，通过底板、条形垫片配合上玻璃板形成高度数毫米试验通道，构建特定固相燃料逆向流火蔓延场景，以高度精准的施药和作用方式展开对比试验，实现对气态灭火剂灭火机理和效能的量化评估以及燃烧产物释放效率的标定，可重复性高，适用性广。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本发明的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10%的变化、在一些实施例中±5%的变化、在一些实施例中±1%的变化、在一些实施例中±0.5%的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固体火灾灭火剂效能的检测装置，其特征在于，包括：

底板；

两个条形垫片，分别沿所述底板的长度方向设置在所述底板的两个侧边上，所述条形垫片的高度为2~5mm；

上玻璃板，设置在两个所述条形垫片上，所述上玻璃板与所述底板、两个所述条形垫片共同围设成一个两端开口的试验通道，所述试验通道的底面包括待测可燃物；

扩散整流器，设置在所述试验通道的上游端，所述扩散整流器适用于将添加有灭火剂的气体以均匀流速分散在所述试验通道的横截面上；

线状点火器，设置在所述试验通道内与所述上游端相对的下游端，所述线状点火器引燃所述待测可燃物，以使所述待测可燃物形成垂直所述试验通道轴线方向的火线，从而在所述试验通道内形成二维层流的逆流蠕动火焰蔓延；

摄像机，设置在所述上玻璃板的上方以记录和获取所述待测可燃物的燃烧图像信息。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述底板包括：

下玻璃板；

待测燃料层，设置在所述下玻璃板上，所述待测燃料层为柔性材质燃料或所述待测燃料层的厚度小于10mm。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述底板包括待测固相燃料板，所述待测固相燃料板的厚度大于或等于10mm。

4.根据权利要求1至3任一项所述的检测装置，其特征在于，还包括：

气体成分分析仪，探头设置在所述试验通道内靠近所述下游端的中心轴线上；

多组热电偶组件，沿所述试验通道的中心轴线方向等间距固定在所述上玻璃板，多组所述热电偶组件设置在靠近所述试验通道下游端的区域；

标尺，蚀刻在所述上玻璃板的下表面，所述标尺设置在所述上玻璃板的中心轴线上。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，每组所述热电偶组件包括两个热电偶，两个热电偶的探头分别距离所述底板的上表面1mm和2mm。

6.一种固体火灾灭火剂效能的检测方法，其特征在于，采用如权利要求1至5任一项所述的检测装置，包括步骤：

将待测可燃物平铺放置在试验通道内，调整条形垫片使得待测可燃物的上表面与上玻璃板的距离为2~5mm；

将气源提供的O₂和N₂的混合气体以及灭火剂以预设流量通入到扩散整流器内；

在试验通道的出口端通过线性点火器点燃所述待测可燃物，使得所述待测可燃物在所述试验通道内形成二维层流的逆流蠕动火焰蔓延；

采集所述待测可燃物的燃烧数据；

调整所述混合气体与灭火剂比例，重复执行上述步骤，采集记录不同比例下所述待测可燃物的燃烧数据。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，采集记录不同比例下所述待测可燃物的燃烧数据之后还包括：

对燃烧数据进行处理获得火蔓延特征、量化灭火剂产生的影响以及灭火药剂的灭火机理和有毒有害气体的释放量。

8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，还包括：

保持混合气体成分和流量/流速恒定，以未施加灭火剂的测试为对照组，改变灭火剂的含量进行测试，获得不同灭火剂含量下火蔓延速率和火焰的长度；

根据所述火蔓延速率或火焰的长度计算对应含量灭火剂的灭火效率，包括：

h _e  =[(V _f0 –V _fi )/V _f0 ]×100% （1）

或

h _e  =[(L _f0 –L _fi )/L _f0 ]×100% （2）

其中，h _e 表示灭火效率，V _f0 为未施加灭火药剂的对照组的火蔓延速率，V _fi 为相同实验条件下施加特定浓度灭火剂的测试组的火蔓延速率，L _f0 为未施加灭火药剂的对照组的火焰长度，L _fi 为相同实验条件下施加特定浓度灭火剂的测试组的火焰长度。

9.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，采集所述待测可燃物的燃烧数据包括：

采集火焰燃烧后的气体产物，分析气体成分及含量；

对燃烧后的固体产物的成分及含量进行分析，获取毒性产物的数据。

10.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述待测可燃物为聚甲基丙烯酸甲酯板，采集所述待测可燃物的燃烧数据之后还包括步骤：

测量聚甲基丙烯酸甲酯板燃烧前后的厚度变化，以得到火蔓延过程中燃料表面热解层厚度。

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