CN117054139B - 一种火灾实验场景下的实时质量损失采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，包括尾板、水冷机构、称重机构和装载机构；水冷机构放置在尾板上形成水冷空间；称重机构设置于水冷空间中；装载机构一端设置于水冷空间外侧、另一端穿过水冷机构与称重机构固定连接。该实时质量损失采集装置旨在解决以往火灾实验中由于火场温度过高，导致火源质量损失无法采集或者因环境高温作用导致采集数据失真的问题，尤其针对腔室温度高达到500^oC甚至以上的场景。

Description

一种火灾实验场景下的实时质量损失采集装置

技术领域

本发明涉及消防安全技术领域，尤其涉及一种火灾实验场景下的实时质量损失采集装置。

背景技术

建筑腔室火灾频发，给人民的生命与财产安全带来了巨大的威胁。认识腔室火灾动力学行为对其火灾的防治具有极其重要的意义。火源热释放速率、火场温度、有毒有害气体浓度、热辐射等物理量是研究腔室火灾的关键参数。其中，热释放速率是火灾最基本的参数，决定了火源释放的热量和火灾规模，进一步决定了一系列燃烧特性参数，如火焰高度、火场温度等。然而，在火灾实验中，随着火源不断的释放热量，腔室内温度不断升高，有些情况下可能会发生轰燃，导致腔室顶部温度高达500^oC甚至更高。高温热烟气、热空气对热释放速率的采集造成重要影响。因此，如何获取实验中的实时火源热释放速率成为腔室火灾研究的一个难题。

在火灾研究领域，热释放速率主要通过氧耗法和质量损失法两种方法进行测量。其中，氧耗法测量原理是当燃料完全燃烧时每消耗单位质量的氧气会产生相同的热量，通过测量消耗的氧气量推算热释放速率，实际火灾实验过程中，燃料往往并非完全燃烧，因此氧耗法测量所得热释放速率会存在一定偏差。质量损失法是利用燃料质量损失速率和燃料燃烧热值来计算热释放速率，质量损失速率是燃料在燃烧过程中质量随时间的变化率，实验中可通过在线测量燃料质量来获得。

目前，在火灾实验中，常采用精密天平进行测量。一般而言，高精度天平量程往往较小，难以满足大尺度池火实验需求，且精密天平费用昂贵，容易在火灾实验中受到损坏。通常在火灾实验中，实验人员会采用防火隔热棉、铝箔纸等介质对天平进行防护，防护介质难免会触地（若不触地，防护介质无法对天平底部进行防护），因此天平会通过防护介质与地面接触，介质的质量会对天平称重产生严重影响。另一方面，火场环境下的高温热作用会对天平的称重准确性产生一定的影响，但这一影响往往会被忽视。此外，对于一些腔室火灾动力学实验，腔室发生轰燃时，腔室顶部烟气层温度可达到500^oC，甚至更高，高温导致天平无法在该环境下使用。

现有技术的热防护设施的特点大体如下：（1）防护设施单一、防护部位不完整；（2）防护设施表述不明确；（3）无防护设施。如CN202066575U，仅在地秤外壳涂防火涂料，地秤主体、电源线、数据线等其他元件仍暴露于高温火场之中，尽管地秤主体内设有水槽，且水槽盛放水（并非循环冷却水系统），但是，若在腔室火灾实验的高温热作用下（500^oC甚至更高），水槽内水的存在反而成了吸热的主体，不利于地秤的热保护，无法抵御500^oC甚至更高温度的热作用；如CN105929103A，提及防火毯及冷却水管作为热防护措施，但称重传感器、信号线等仍暴露在火灾中，亦无法抵御500^oC甚至更高温度的热作用；如CN115683920A、CN114674584A、CN104977222A仅提到隔热保护措施，但并未明确具体防护结构和材料；如CN101514917A并未提及热防护措施。

综上，现有技术难以解决火场温度超过500^oC的实验场景下的燃料质量损失的精确采集。如何采集高温条件下的燃料质量损失成为建筑火灾研究的一个难题。因此，当前腔室火灾发生轰燃时的热释放速率均是采用其他方法进行粗略的估计值，尚无通过测量燃料质量损失而获得相对精确值的办法。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，旨在解决以往火灾实验中由于火场温度过高（尤其是火场温度超过500^oC的场景）而导致火源质量损失无法采集或者因环境高温作用导致采集数据失真的问题。

本发明提出的一种火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，包括尾板、水冷机构、称重机构和装载机构；水冷机构放置在尾板上形成水冷空间，称重机构设置于水冷空间中，装载机构一端设置于水冷空间外侧、另一端穿过水冷机构与称重机构固定连接。

进一步地，水冷机构包括上部水冷机构和下部水冷机构；下部水冷机构包括下水冷板、下进水管和下出水管，下进水管和下出水管分别与下水冷板的中空腔体连通，下水冷板与尾板固定连接；上部水冷机构包括上水冷板、上进水管和上出水管，上水冷板设置于下水冷板的上方并与下水冷板之间形成上水冷空间，上进水管和上出水管分别与上水冷空间连通，装载机构依次穿过上水冷板、下水冷板设置。

进一步地，上水冷空间中开设孔道，孔道的上方穿出上水冷板、下方伸入下水冷板设定距离后穿出下水冷板，孔道与下水冷板之间形成环绕孔道的局部水冷域，装载机构穿过孔道设置，孔道长度与孔道孔径比值不小于10。

进一步地，上水冷板、下水冷板在与外界连接的面上涂覆有第一热防护结构，下水冷板的内侧面设置有第二热防护结构。

进一步地，所述装载机构包括载物台、立柱和固定于称重机构上方的连接板，载物台设置于上水冷空间上方，立柱的一端与载物台固定连接、另一端穿过孔道与连接板固定连接。

进一步地，所述立柱为四至多个，相邻立柱之间通过连接板连接，连接板固定于称重机构固上。

进一步地，所述称重机构包括称重底座、称重传感器和称重台，称重底座设置于尾板上，称重传感器设置于称重底座上且感应端与称重台连接，连接板与称重台固定连接。

进一步地，称重底座与尾板之间设置有脚板，称重传感器连接有供电电池。

进一步地，尾板上还设置有数据采集仪和数据转换器，数据采集仪的输入端与称重传感器电连接、输出端与数据转换器的输入端连接。数据采集仪和数据转换器连接供电电池。

进一步地，尾板下部设置有万向轮和调平机构。

本发明提供的一种火灾实验场景下的实时质量损失采集装置的优点在于：本发明提供的一种火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，将水冷机构与称重机构及装载机构连成一体，便于运输、携带。装载机构通过水冷板开设的竖向孔道贯穿水冷板，装载机构上方平台承载燃料盘，下方平台与称重机构固定一起。水冷板上孔道的长度与孔径比不小于10，可大大衰减外界热烟气、热空气、火焰与整个水冷空间内空气的热对流作用，确保整个水冷空间内的低温度环境；可以解决火灾实验场景下，腔室温度超过500^oC条件下的实时质量损失采集问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为称重机构的结构示意图；

图3为上部水冷板上开设孔道的结构示意图；

图4为孔道竖向截面示意图；

图5为孔道所在竖向截面的温度分布图；

图6为孔道所在竖向截面的温度曲线图，其中M对应图5中的M区域；

图7为图4中A的局部放大图；

其中，1-尾板，2-下部水冷机构，3-称重机构，4-装载机构，5-上部水冷机构，6-万向轮，7-调平机构，21-下水冷板，22-下进水管，23-下出水管，24-第一热防护结构，25-第二热防护结构，31-称重底座，32-称重传感器，33-称重台，34-脚板，35-数据采集仪，36-数据转换器，37-供电电池，38-调节螺钉，41-载物台，42-立柱，43-连接板，51-上水冷板，52-上进水管，53-上出水管，54-孔道。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1至7所示，本发明提出的一种火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，包括尾板1、水冷机构、称重机构3和装载机构4；水冷机构放置在尾板1上形成水冷空间，称重机构3设置于水冷空间中，装载机构4一端设置于水冷空间外侧、另一端穿过水冷机构与称重机构3固定连接。

其中，水冷机构包括上部水冷机构5和下部水冷机构2，尾板1与下部水冷机构2构成环状的下水冷空间，称重机构3设置于该下水冷空间中，另将数据采集仪35和数据转换器36设置于该下水冷空间中，与下部水冷机构2外部火场环境隔绝，可以避免系统电气元件与火场环境的接触，可大大降低被损坏的风险。火灾发生时，火场温度逐步上升，可能达到500^oC甚至更高，本发明的下部水冷机构2通过通入流动冷却水，来实现对下水冷空间内部降温，以降低称重机构3所处的温度环境，从而提高了称重机构3的使用寿命。另外，当火场温度500^oC甚至更高时，下部水冷机构2的下水冷空间内温度仅为几十度，在内外温差的作用下，通过孔道54可能会发生对流而迫使整个水冷空间（包括上水冷空间和下水冷空间）温度升高。为了衰减这一对流作用，本发明的上部水冷机构5通过通入流动冷却水，可以有效的衰减这一对流作用。本实施例通过设置水冷机构旨在解决以往火灾实验中由于火场温度过高而导致火源质量损失无法采集或者因环境高温作用导致采集数据失真的问题。

在本实施例中，下部水冷机构2包括下水冷板21、下进水管22和下出水管23，下进水管22和下出水管23分别与下水冷板21的中空腔体连通，下水冷板21与尾板1固定连接，下水冷板21为环状中空结构，下水冷板21在周向通过下进水管22和下出水管23形成下水冷通道。下进水管22设置于下水冷板21一侧的下端部，下出水管23设置于下水冷板21另一侧的上端部，冷水可以尽可能贯穿下水冷板21的腔体，称重机构3设置于该下水冷空间中，提高了称重机构3中各个元器件的所感知环境温度的均匀性，进而避免称重机构3中各个元器件由于温差问题引起的测量不准的缺陷。

上部水冷机构5包括上水冷板51、上进水管52和上出水管53，上水冷板51设置于下水冷板21的上方并与下水冷板21之间形成上水冷空间，上进水管52和上出水管53分别与上水冷空间连通，装载机构4依次穿过上水冷板51、下水冷板21设置。通过增加上水冷板51与下水冷板21之间上水冷空间的高度，以扩大上水冷空间的水冷区域，从而进一步增大冷却效果。

在本实施例中不排除上水冷板51为一个中空的腔体，此时上水冷板51的内侧面涂覆有第二热防护结构25，上进水管52和上出水管53分别与水冷机构5的中空腔体连通，将上水冷板51设置于下水冷板21上方，两者可以通过外部螺钉固定或者焊接连接。

上水冷板51、下水冷板21在与外界连接的面上涂覆有第一热防护结构24，可以衰减火场火焰、热烟气及热空气的热作用。为了更进一步的衰减外界热作用，在下水冷板21的内侧面设置有第二热防护结构25。因此，第一热防护结构24、下水冷板21及第二热防护结构25的三重热衰减措施可确保在火灾实验中燃料质量损失数据的完整采集。

特别说明的是，由于下进水管22和下出水管23均与下水冷板21的中空腔体连通，因而在下进水管22和下出水管23的外侧也涂覆第一热防护结构24，以进一步衰减火场火焰、热烟气及热空气的热作用；同理由于上进水管52和上出水管53均与上水冷板51连通，因而在上进水管52和上出水管53的外侧也涂覆第一热防护结构24，以进一步衰减火场火焰、热烟气及热空气的热作用。

第一热防护结构24采用防火涂料，第二热防护结构25采用真空绝热板，下水冷板21为双层不锈钢腔体结构，水冷板51为不锈钢U型结构，水冷板51的U型开口处与下水冷板21固定连接从而上形成水冷空间；防火涂料作为第一热防护结构24，喷涂于下水冷板21和上水冷板51与外界空气接触侧的不锈钢外表面，可以确保不锈钢不与空气中的氧气直接接触，耐火极限不低于2.5小时，且防火涂料的导热系数较低，可以延缓高温热作用向不锈钢材料的传导速率，可有效的衰减火场中火焰、热烟气及热空气对水冷却罩外表面的热伤害。其次，真空绝热板作为第二热防护结构25，可有效地避免空气对流引起的热传递，其导热系数极低，约为0.002-0.004W/m·k，仅为传统保温材料导热系数的1/10，可进一步确保水冷板21内部腔体结构的低温环境。

需要说明的是，为了衰减火场高温热烟气及热气体与整个水冷空间内部腔体内的低温空气热对流作用，在上水冷板51与下水冷板21之间形成的上水冷空间中开设孔道54，孔道54的上方穿出上水冷板51、下方伸入下水冷板21设定距离后穿出下水冷板21，孔道54与下水冷板21之间形成环绕孔道54的局部水冷域，用于对通过孔道54进热气的温度衰减，装载机构4穿过孔道54设置，孔道54长度与孔道54孔径比值不小于10。

孔道54的设置个数与装载机构4的立柱42数量一致，用于立柱42向外伸出，孔道54为狭长结构，且孔道长度与孔径比不小于10，可大大衰减外界热烟气、热空气、火焰与水冷装置腔体内空气的热对流作用，确保腔体内的低温度环境。

需要说明的是，孔道54与下水冷板21之间形成环绕孔道54的局部水冷域，由于上进水管52、上水冷空间、上出水管53之间形成的上水流通道为水平流动，同时局部水冷域为向下水冷板21延伸形成，上出水管53的设置高度明显要高于局部水冷域的上端部，因而可以保证局部水冷域处的水为活水，随着上进水管52进冷水，局部水冷域处的水会流向上出水管53，从而保证局部水冷域处的水始终处于冷水状态，以进一步保证腔体内的低温度环境。

需要说明的是，上部水冷机构5主要用于对顶部降温，下部水冷机构2主要用于对周向降温，两者上下独立设置，避免了两者合为一个水冷机构时，由于水对流，底部进水难以上至顶部，即使能上升至顶部，也会存在如下问题：一方面上升到顶部的冷水在上升过程中温度有升高，造成顶部冷却效果不好，另一方面上升到顶部的冷水速率较小，难以替换局部水冷域中的水，造成局部水冷域中的水成死水，影响整个装置的冷却效果，从而造成实时质量损失计算准确性不高。

为了验证本设计冷却效果的合理性，本发明对火场温度为600^oC的场景进行了模拟计算，计算结果如图4至7所示（其中图4为孔道竖向截面的示意图，图5为经过孔道54的竖向截面的温度分布图，图6为孔道54的竖向截面的温度曲线图），计算模拟案例初始参数如下，火场温度为600^oC，整个水冷空间初始温度为25^oC，水冷机构冷却水初始温度为20^oC，流速为0.1m/s，系统材料的各类输入参数使用304不锈钢的物性参数，钢板厚度为5mm，计算时间600s（各处温度已达到稳定状态）。其中图4中的a表示孔道54在竖向截面的温度分布，与图4左侧设置的温度区间对应，可以直观看出a的大部分区域的温度均不高，a的A区域为靠近外接火场区域，该区域的温度变化较大，详见图7的A的局部放大图，b处的温度变化最大（与图4左侧的温度对应），根据模拟计算结果，当系统外火场温度高达600℃时，整个水冷空间内的温度最高升至43^oC，因此该设计冷却效果显著。

需要说明的是，图5中的c和图4中的a表示的含义一致，均是表示孔道54竖向截面的温度分布，图4的a、图5的c、图7的a和b均是表示温度变化，为了与图4中左侧的温度区间变化对应，以填充的形式表示。

特别说明，在图6的温度曲线图中可以看出，从距离尾板1的距离上算，在整个孔道54的长度范围内，温度上升趋势几乎为一条水平直线，如图4中a的下部大部分区域，随着到达孔道54的上端部，该上端部与外界火场环境连接，温度以几乎垂直的曲线向上延伸，表明温度在短时间内急剧上升，如图7的b，因而整个水冷空间初始温度为25度，在外部高温作用下，最高温度仅升高18度，即整个水冷空间最高温度仅为43度。换一种方式说明：如图5和6所示，沿着孔道54端部到底部，温度从600度开始衰减，初期为急剧衰减，后期为平滑缓慢衰减；能解决腔室温度超过500^oC的条件下的实时质量损失采集问题。

在本实施例中，装载机构4包括载物台41和立柱42，载物台41设置于上水冷空间上方，立柱42的一端与载物台41固定连接、另一端穿过孔道54与称重机构3固定连接，立柱42可以所设置为可伸缩结构，通过立柱42的伸缩性调节，可以调节载物台41与称重机构3之间的距离。以适用不同的火灾实验要求。

为了提高载物台41的稳定性以及称重机构3的受力均匀性，立柱42为四至多个，相邻立柱42之间通过连接板43连接，连接板43通过调节螺钉38固定于称重台33上，通过调节调节螺钉38的旋入深度，可以微调称重台33与连接板43的水平度；优选设置四个立柱42，则孔道54对应设置有四个。

在本实施例中，称重机构3包括称重底座31、称重传感器32和称重台33，称重底座31设置于尾板1上，称重传感器32设置于称重底座31上且感应端与称重台33连接，连接板43与称重台33固定连接，称重传感器32可根据实验需要更换所需量程及精度的传感器。

称重传感器32与数据采集仪35和数据转换器36通过数据传输导线连接形成实时质量损失采集系统，可实现燃料质量损失的实时采集功能，且实时质量损失采集系统内置于下水冷空间中，可有效避开火场高温热烟气、热空气及火焰的热作用，确保燃料质量损失的数据顺利采集。实时质量损失采集系统通过自带的供电电池37进行供电，且实时质量损失采集系统的所有元件均置于下水冷空间内部腔体内，与整个水冷空间外部火场环境隔绝，可以避免系统元件与火场环境的接触，可大大降低被损坏的风险。

需要说明的是，在进行火灾实验时，针对不同火灾实验的目的，火源大小往往不同即燃料总质量不同，需要根据燃料总质量确定称重传感器的量程。另外，燃料质量损失的测量误差取决于称重传感器32的测量精度，即误差=称重传感器32的测量精度/燃料质量损失。因此，称重机构3带来的误差主要取决于称重传感器32的测量精度与量程。本发明称重传感器32拆卸、安装便捷，可根据实验需要，更换量程及测量精度符合实验需求的称重传感器32。称重机构3可通过更换不同称重传感器32实现称重精度达到0.01g，0.1g，1g及10g的火灾实验精度需求。

需要说明的是，由于不同的火灾实验，其火源大小即燃料质量不同，但一般称重设备的量程与精度相关，小量程下的精度较高，能达到0.01g，但大量程下的精度可能仅为10g，因此，很多情况下，二者很难全部满足。现有技术一般均为固定量程和精度的设备，例如CN114674584A，其量程为100kg，精度为1g。以火源热释放速率设计值为300kW的庚烷火为例，该技术可能会带来14.4%的误差（=，庚烷燃烧热为46.4MJ/kg）。若更换称重传感器32的精度为0.01g，可将误差降低至1.55%。因此，本发明的结构设计可实现便捷更换称重传感器32以满足精度和量程的双重需求，可尽可能降低由于称重精度带来的误差。

因而该称重机构3的结构简单，易于制作，经济实用，可替代价格相对昂贵的精密测量天平，极大程度地降低了火灾实验中高温及热烟气作用而损坏价格昂贵的质量损失测量系统的成本。

在结构上，称重底座31与尾板1之间设置有脚板34，脚板34一方面对称重底座31进行一定的缓冲（采集装置运动对称重底座31的冲击力）。

为了便于整个装置的运输及现场布置，在装置底部即尾板1下部处安装多个万向轮6。此外，为了调平整个装置的平行度，尾板1下方安装有可用于调整装置平衡的调平机构7，实验布置时，可通过调平机构7及水平仪确定装置处于水平的状态。

综上：本实施例将下部水冷机构2和上部水冷机构5与称重机构3及装载机构4连成一体，便于运输、携带。装载机构4通过水冷板51开设的竖向孔道54贯穿水冷板51，装载机构4上方平台承载燃料，下方平台与称重机构3固定一起。孔道54的长度与孔径比不小于10，可大大衰减外界热烟气、热空气、火焰与整个水冷空间内空气的热对流作用，确保整个水冷空间内的低温度环境。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，其特征在于，包括尾板（1）、水冷机构、称重机构（3）和装载机构（4）；水冷机构放置在尾板（1）上形成水冷空间，称重机构（3）设置于水冷空间中，装载机构（4）一端设置于水冷空间外侧、另一端穿过水冷机构与称重机构（3）固定连接；

所述水冷机构包括上部水冷机构（5）和下部水冷机构（2）；

下部水冷机构（2）包括下水冷板（21）、下进水管（22）和下出水管（23），下进水管（22）和下出水管（23）分别与下水冷板（21）的中空腔体连通，下水冷板（21）与尾板（1）固定连接；

上部水冷机构（5）包括上水冷板（51）、上进水管（52）和上出水管（53），上水冷板（51）设置于下水冷板（21）的上方并与下水冷板（21）之间形成上水冷空间，上进水管（52）和上出水管（53）分别与上水冷空间连通，装载机构（4）依次穿过上水冷板（51）、下水冷板（21）设置；

所述上水冷空间中开设孔道（54），孔道（54）的上方穿出上水冷板（51）、下方伸入下水冷板（21）设定距离后穿出下水冷板（21），装载机构（4）穿过孔道（54）设置，孔道（54）长度与孔道（54）孔径比值不小于10；

上水冷板（51）、下水冷板（21）在与外界连接的面上涂覆有第一热防护结构（24），下水冷板（21）的内侧面设置有第二热防护结构（25）。

2.根据权利要求1所述的火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，其特征在于，孔道（54）与下水冷板（21）之间形成环绕孔道（54）的局部水冷域。

3.根据权利要求2所述的火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，其特征在于，所述装载机构（4）包括载物台（41）、立柱（42）和固定于称重机构（3）上方的连接板（43），载物台（41）设置于上水冷空间上方，立柱（42）的一端与载物台（41）固定连接、另一端穿过孔道（54）与连接板（43）固定连接。

4.根据权利要求3所述的火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，其特征在于，所述立柱（42）为四至多个，相邻立柱（42）之间通过连接板（43）连接。

5.根据权利要求4所述的火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，其特征在于，所述称重机构（3）包括称重底座（31）、称重传感器（32）和称重台（33），称重底座（31）设置于尾板（1）上，称重传感器（32）设置于称重底座（31）上且感应端与称重台（33）连接，连接板（43）与称重台（33）固定连接。

6.根据权利要求5所述的火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，其特征在于，称重底座（31）与尾板（1）之间设置有脚板（34），称重传感器（32）连接有供电电池（37）。

7.根据权利要求5所述的火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，其特征在于，所述称重机构（3）还包括设置于尾板（1）上的数据采集仪（35）和数据转换器（36），数据采集仪（35）的输入端与称重传感器（32）电连接、输出端与数据转换器（36）的输入端连接，数据采集仪（35）和数据转换器（36）连接供电电池（37）。

8.根据权利要求1-6任一所述的火灾实验场景下的实时质量损失采集装置，其特征在于，尾板（1）下部设置有万向轮（6）和调平机构（7）。