CN1467036A

CN1467036A - 回燃实验装置

Info

Publication number: CN1467036A
Application number: CNA021379602A
Authority: CN
Inventors: 范维澄; 翁文国; 杨立中; 邓志华; 宋虎
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2004-01-14
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: CN1233467C

Abstract

本发明是一种回燃实验装置，它涉及灾害燃烧实验装置。整个实验装置包括腔体、燃料供给系统、点火系统、灭火系统和数据采集系统；腔体可以安装不同开口形式，并通过观察窗显示腔体内部的燃料燃烧情况和火焰传播情况；燃料供给系统用于控制燃料的供应；点火系统用于点燃燃料和腔盖开启后的重力流混合气；灭火系统则用于控制灭火剂的供应；数据采集系统用于采集和处理腔体内热烟气的温度、组分、腔体压力、开口处的气体流量以及火焰图象等数据。通过本发明，可以研究不同的开口形式、通风方式、燃料种类、灭火手段等对产生回燃的各种临界条件的影响，以及抑制回燃产生的可行性和抑制机理等；为进行各种与回燃有关的实验和研究提供了条件。

Description

回燃实验装置

技术领域：

本发明涉及灾害燃烧实验装置。

背景技术：

回燃是在通风受限的建筑火灾进入缺氧燃烧甚至闷烧后，由于新鲜空气的突然大量补充而引起热烟气重新急剧燃烧的现象。回燃现象由于其突然性和强大的破坏性威胁着人类的安全，特别是消防人员的安全。目前，人们对其产生的临界条件和抑制手段还不清楚，特别是腔室的开口形式、通风口的位置及通风方式以及如今较为活跃的灭火手段(细水雾或惰性气体灭火)等对回燃产生的影响均没有详细的报道和明确的实验手段。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能够进行上述实验和研究的回燃实验装置。

本发明的技术解决方案如下：

整个实验装置包括腔体、燃料供给系统、点火系统、灭火系统和数据采集系统；腔体的本体为壳状空腔，底部有支撑，端部和顶部有可开启的腔盖、置于重力流开口处，侧面有观察窗；燃料供给系统包括燃烧器、燃料罐、相应的管路和阀门，燃烧器置于腔体内、通过管路与腔体外的燃料罐相通，管路上设置阀门；点火系统包括点火器及其控制器，点火器置于腔体内的燃烧器上、控制器置于腔体外部；灭火系统包括喷头、灭火剂罐、相应的管路和阀门，喷头置于腔体内、通过管路与腔体外的灭火剂罐相通，管路上设置阀门；数据采集系统由一种以上测量设备构成，包括温度检测仪、压力检测仪、组分检测仪、气流检测仪以及图象记录仪等，它们均含有传感器以及数据采集和处理器。

回燃实验装置的具体结构如下。腔体包括本体、支撑(底脚支架和/或滚动轮子)、腔盖、重力流开口和观察窗。腔体的本体为一个壳状空腔，矩形或其它形状均可，应以金属及隔热材料制作，以使腔体有足够的强度和隔热、密封效果(因为在实验过程中腔体需承受的热烟气最高温度可达1000K，工作压力达5Kpa。而且，隔热性能越好，回燃就越容易产生)。腔体的顶面、底面、端面和侧面均可根据需要布置一些采样口(例如：温度、压力、组分浓度和重力流开口处的气流流量等测量设备的传感器安装口)，以及一些工作口(例如：燃烧器、点火器、灭火喷头的安装口)，还有一些备用口(以供自然排风、机械排风或通风等用途，实验过程中若不需要这些开口，需用相应的堵头密封)。腔体的一个侧面安装透明的观察窗，以观察腔体内燃料燃烧情况和火焰传播情况，图象记录仪应安装在观察窗外、透过观察窗进行记录。观察窗也应采用耐高温和耐高压的材料制作。腔体的端部和/或顶部设置重力流开口(即端部、顶部二者都有或取其一，端部也可以是一端或两端)，重力流开口可采用不同的形式，例如全开口、条开口、门开口及窗开口(其中，条开口和门开口均可以是不同的方向和位置，即横向或纵向，上、下、左、右或中间)；其不同的开口形式可用金属板材制作而成(固定的或可调的均可)、然后用紧固件(螺栓或插销等)固定在腔体上(便于更换或拆卸)。重力流开口处用腔盖封闭，腔盖的材料可与本体一样，其周边压上密封条；腔盖的关闭可采用电子弹簧锁结构(或其它锁结构)，以使密封效果较好，且腔盖的开启可以采用手动或自动、遥控等方式；腔盖上还可设置适当的支撑杆或配重物以使开启时定位，便于更换或拆卸重力流开口以及设置在本体内部的燃烧器、点火器、灭火喷头等。腔体的底部安置适当的支撑，如底脚支架和/或滚动轮子，支架和轮子应能承受整个腔体的重量；支架可用以在实验过程中将腔体固定在地面上，而滚动轮子则可用以将腔体移动(例如改变腔体的安装地点时将其移动)，所以可将底脚支架或滚动轮子做成活动式(例如拆卸式或折收式)，用时装上或打开、不用时收起。燃料供给系统包括燃烧器、燃料罐、相应的管路和阀门，燃烧器置于腔体内(一般位于底面上)、通过管路与腔体外的燃料罐相通，燃烧器的结构应与所使用的燃料相适应、采用通用产品即可；管路上设置阀门、必要时也可设置流量计，阀门可为电磁阀及其控制器(以便于灵活控制)，燃料可以是固体(应预置所需的使用量)，也可以是液体或气体(便于远程控制是否供应及其供应量)，燃料罐上有适当的减压阀。点火系统包括点火器及其控制器，点火器置于腔体内的燃烧器上以点燃燃料，控制器则置于腔体外部以便于操作，可采用打火石、脉冲器、电热丝等常规形式。灭火系统包括喷头、灭火剂罐、相应的管路和阀门，喷头置于腔体内(一般位于顶面上)，喷头通过管路与腔体外的灭火剂罐相通；与燃料供给系统相类似，灭火剂管路上设置相应的阀门和/或流量计，灭火剂可以是液体或气体(例如细水雾或惰性气体)，灭火剂罐上有适当的减压阀和压力计，灭火剂喷头与所使用的灭火剂相适应；整个灭火系统可以采用现有的细水雾或惰性气体灭火装置。数据采集系统应由一种以上测量设备构成(可根据实验需要进行配置)，包括温度检测仪、压力检测仪、组分检测仪、气流检测仪以及图象记录仪等，它们均含有传感器以及数据采集和处理器，其中数据采集和处理器可以是各个测量设备自备、也可以是采集和处理方式相同的集中为一个(例如温度检测仪、压力检测仪、气流检测仪的各传感器均连接到一台数据采集仪上，而组分检测仪、图象记录仪的传感器及数据采集器为单独自备，然后再将采集所得的数据集中到一台计算机上进行处理)。

本发明的工作过程如下：首先，在重力流开口处安装或调整成所需的开口形式，再将腔体密封(即腔盖关闭，各采样口、工作口、备用口等用密封胶或堵头密封)；然后，燃料供给系统供应燃料，点火系统点燃燃料开始燃烧；到一定时间后燃料供给系统关闭，同时开启腔盖，外界的新鲜空气即进入到腔体中、同时热烟气流出，在腔体内外热烟气和新鲜空气混合均形成重力流；此时点火系统一直作用，若腔体内重力流的燃料质量百分比足够大，点火系统就会重新点燃腔体内的混合气，火焰传播到腔体外点燃外界的混合气形成回燃。如果要研究细水雾或惰性气体抑制回燃的效果，应在燃料供给系统供应燃料期间由灭火系统喷入一定量的细水雾或惰性气体，在腔体内形成水蒸气或惰性气体氛围，以抑制回燃的形成。整个过程由数据采集系统采集并处理数据。

通过本发明，可以研究不同的开口形式、通风方式、燃料种类、灭火手段等对产生回燃的各种临界条件的影响，以及抑制回燃产生的可行性和抑制机理等；为进行各种与回燃有关的实验和研究提供了条件。

附图说明：

附图1、回燃实验装置结构示意图。

附图2、腔体结构示意图(外部)。

附图3、腔体结构示意图(内部)。

附图4、重力流端部开口结构示意图(窗开口形式，其中灰色区域为开口，下同)。

附图5、重力流端部开口结构示意图(纵向门中间下开口形式)。

附图6、重力流端部开口结构示意图(纵向条中间开口形式)。

附图7、重力流端部开口结构示意图(横向条上开口形式)。

附图8、重力流顶部开口结构示意图(中间开口形式)。

附图9、端部腔盖开启示意图。

附图10、顶部腔盖开启示意图。

具体实施方式：

以下结合附图说明本发明的实施方式。

腔体1的本体为一个矩形空腔，内腔为1.2m×0.6m×0.6m，壳体为两层2mm厚度的1Cr18Ni9Ti不锈钢板、中间用200mm厚的硅酸铝刺毯棉(或称普法干铝针刺毯棉)作隔热层。腔体的顶面、底面和侧面布置了一些采样口、工作口和备用口，例如：温度检测口2、压力检测口3、组分检测口4、气流检测口5、燃料入口6、点火口7、灭火喷口8以及通风口9等。腔体的前侧面安装以石英玻璃制作的观察窗10，用不锈钢框架焊接固定。腔体的一端和顶部均设置重力流开口11(端部全开口即为整个端面0.6m×0.6m，顶部全开口为条形0.2m×0.6m)以及与之相适宜的可开启腔盖12。重力流开口用金属板材(2mm厚度的1Cr18Ni9Ti不锈钢板)制作成各不相同的固定形式，使用时用螺栓13固定在腔体上。腔盖的材料与本体一样，其周边压上橡胶密封条；端部腔盖的关闭采用弹簧锁14扣紧，顶部腔盖的关闭则利用自身重力压紧，腔盖的开启均采用远程开关控制电磁铁15的通断。腔体的底部安置底脚支架16和滚动轮子17各四个，其中滚动轮子做成折收式，用时打开、不用时收起。燃料采用甲烷气，燃烧器18置于腔体内的底面上、通过管路与腔体外的燃料罐19相通，燃烧器采用通常形式的多孔管以免形成燃料的回火，燃烧器的头部置于一个向上敞口的方形或圆形盒体内以使火焰集中，管路上设置电磁阀20、流量计21，以及燃料罐口处的减压阀22；电磁阀的型号为100-4"、以远程开关控制，流量计为玻璃转子流量计(量程为160～1600L/min)，减压阀为常规产品。点火器23置于腔体内的燃烧器上方，采用普通的1200W电热丝制作，其控制器即普通开关，亦采用远程控制方式。灭火系统采用现有的细水雾灭火装置，喷头24置于腔体的顶面，喷头通过管路与腔体外的灭火剂罐25相通，灭火剂为水、通过压缩空气罐26提供压力、从喷头处以细水雾方式喷入腔体；与燃料供给系统相类似，灭火剂管路上亦设置相应的阀门27、减压阀28和压力计29等，阀门、减压阀和压力计均为常规产品。点火器、腔盖锁、电磁阀的远程控制开关均为普通按钮，只要控制其通断即可；所有开关可集成为一开关盒30、置于腔体外部(例如：与实验室相隔的控制室操作台上)、以导线与被控对象相连。数据采集系统包括了温度检测仪、压力检测仪、组分检测仪、气流检测仪以及图象记录仪等。其中，温度检测仪的传感器为0.2mm镍铬镍硅K型铠装热电偶31，其外层是1mm直径的不锈钢包层，用10支热电偶均匀分布做成热电偶树的形式、垂直置于腔体中间；压力检测仪的传感器为电子压力传感器32(型号为TK97Bs012MIP)，其压力范围150Pa～300Pa，响应时间为500μs，置于腔体后侧面靠近底部的位置；气流检测仪的传感器为双向速度探针及其压差计33(型号为TK97Bs012MIP)，在顶部开口和端部开口处均匀分布(顶部5根、端部15根)；热电偶、压力传感器和压差计的数据均利用一台数据采集仪34(型号为HP E1413)进行采集。组分检测仪采用西门子(Siemens)在线组分分析仪，其整套仪器包括气体采样器35、组分分析仪36和数据采集器37三部分，其中组分分析仪中包括水蒸气分析部分、气体调节部分、ULTRAMAT-23、ULTRAMAT-22(二氧化碳和氧气由ULTRAMAT-23测量，一氧化碳由ULTRAMAT-22测量)，气体采样器置于腔体顶部，其收集到的气样进入置于腔体外的组分分析仪、得到分析数据，然后传送到置于腔体外的数据采集器中进行采集和处理，数据采集器可以是常用的计算机。腔体的观察窗外安装一台摄象机38(型号为Panasonic DS28)作为图象记录仪、透过观察窗进行记录，其图象数据由自带的图象采集卡BS394采集，祯频为25祯/s，然后将采集所得的各种数据集中到计算机上进行处理。组分检测仪和图象记录仪可以使用同一台计算机。各数据采集和处理设备均可安置于操作室内，其控制面板亦可集中于操作台上。

实验1：

首先，配置腔体的开口形式为端部纵向门中间下开口形式；然后，预热并启动数据采集系统中的各设备(如：数据采集仪34、组分分析仪36和计算机37)；开启燃料罐减压阀22；预热并启动点火器23；利用开关盒30启动电磁阀20进行燃料供应(选用甲烷作燃料)，并控制流量计21、使甲烷流速为0.2529×10^-3kg/s，此时甲烷开始燃烧；随后，手工关闭端部腔盖并进行计时；到360s后，利用开关盒30对电磁阀20断电使供气停止，随之让开关控制电磁铁15开启端部腔盖12。经过观察可知，过了15.0s后，点火器附近产生火焰并传播到腔体的外部形成回燃(表明此时腔体内重力流的燃料质量百分比足够大)。整个过程中，利用组分分析仪36和计算机37进行组分含量的数据分析、采集和处理，利用数据采集仪34进行温度、压力和气流流速的数据采集和处理，利用摄象机38和计算机37进行火焰燃烧及回燃形成的图象数据的采集和处理。

实验2：

首先，配置腔体的开口形式为端部纵向门中间下开口形式；然后，预热并启动数据采集系统中的各设备(如：数据采集仪34、组分分析仪36和计算机37)；开启燃料罐减压阀22；预热并启动点火器23；利用开关盒30启动电磁阀20进行燃料供应(选用甲烷作燃料)，并控制流量计21、使甲烷流速为0.2589×10^-3kg/s，此时甲烷开始燃烧；随后，手工关闭端部腔盖并进行计时；到180s后，利用开关盒30对电磁阀20断电使供气停止，随之让开关控制电磁铁15开启端部腔盖12。经过观察可知，点火器附近并未产生火焰，所以回燃没有形成(表明此时腔体内重力流的燃料质量百分比不够大)。整个过程中，利用组分分析仪36和计算机37进行组分含量的数据分析、采集和处理，利用数据采集仪34进行温度、压力和气流流速的数据采集和处理，利用摄象机38和计算机37进行火焰燃烧及回燃未形成的图象数据的采集和处理。

实验3：

首先，配置腔体的开口形式为顶部中间开口形式；然后，预热并启动数据采集系统中的各设备(如：数据采集仪34、组分分析仪36和计算机37)；开启燃料罐减压阀22；预热并启动点火器23；利用开关盒30启动电磁阀20进行燃料供应(选用甲烷作燃料)，并控制流量计21、使甲烷流速为0.1657×10^-3kg/s，此时甲烷开始燃烧；随后，手工关闭顶部腔盖并进行计时；到260s后，利用开关盒30对电磁阀20断电使供气停止，随之让开关控制电磁铁15开启顶部腔盖12。经过观察可知，过了21.0s后，点火器附近产生火焰，但并不传播到腔体的外部，所以回燃没有形成(表明此时腔体内重力流的燃料质量百分比不够大)。整个过程中，利用组分分析仪36和计算机37进行组分含量的数据分析、采集和处理，利用数据采集仪34进行温度、压力和气流流速的数据采集和处理，利用摄象机38和计算机37进行火焰燃烧及回燃未形成的图象数据的采集和处理。

实验4：

首先，配置腔体的开口形式为端部纵向条中间开口形式；然后，预热并启动数据采集系统中的各设备(如：数据采集仪34、组分分析仪36和计算机37)；开启燃料罐减压阀22；预热并启动点火器23；利用开关盒30启动电磁阀20进行燃料供应(选用甲烷作燃料)，并控制流量计21、使甲烷流速为0.1593×10^-3kg/s，此时甲烷开始燃烧；随后，手工关闭端部腔盖并进行计时；到20s后，启动灭火系统的阀门27和减压阀28，这样，压缩空气罐26就压缩灭火剂罐25中的水，并经细水雾喷头24向腔体内喷入细水雾，到40s后关闭阀门27停止细水雾的喷入，在这期间细水雾喷射质量为58×10^-3kg；到390s后，利用开关盒30对电磁阀20断电使供气停止，随之让开关控制电磁铁15开启端部腔盖12。经过观察可知，过了3.6s后，点火器附近产生火焰，但并不传播到腔体的外部，所以回燃没有形成(表明此时由于细水雾的喷入而使腔体内重力流的燃料质量百分比不够大，即灭火剂形成的水蒸气气氛对回燃起到了抑制作用)。整个过程中，利用组分分析仪36和计算机37进行组分含量的数据分析、采集和处理，利用数据采集仪34进行温度、压力和气流流速的数据采集和处理，利用摄象机38和计算机37进行火焰燃烧及回燃未形成的图象数据的采集和处理。

实验5：

首先，配置腔体的开口形式为顶部全开口形式；然后，预热并启动数据采集系统中的各设备(如：数据采集仪34、组分分析仪36和计算机37)；开启燃料罐减压阀22；预热并启动点火器23；利用开关盒30启动电磁阀20进行燃料供应(选用甲烷作燃料)，并控制流量计21、使甲烷流速为0.1782×10^-3kg/s，此时甲烷开始燃烧；随后，手工关闭顶部腔盖并进行计时；到30s后，启动灭火系统的阀门27和减压阀28，这样，压缩空气罐26就压缩灭火剂罐25中的水，并经细水雾喷头24向腔体内喷入细水雾，到40s后关闭阀门27停止细水雾的喷入，在这期间细水雾喷射质量为33.4×10^-3kg；到260s后，利用开关盒30对电磁阀20断电使供气停止，随之让开关控制电磁铁15开启顶部腔盖12。经过观察可知，过了3.49s后，点火器附近产生火焰，并传播到腔体的外部形成回燃(表明此时腔体内重力流的燃料质量百分比足够大，即细水雾的喷入量不够、形成的水蒸气气氛对回燃没有起到抑制作用)。整个过程中，利用组分分析仪36和计算机37进行组分含量的数据分析、采集和处理，利用数据采集仪34进行温度、压力和气流流速的数据采集和处理，利用摄象机38和计算机37进行火焰燃烧及回燃未形成的图象数据的采集和处理。

Claims

1、一种回燃实验装置，其特征在于整个实验装置包括腔体、燃料供给系统、点火系统、灭火系统和数据采集系统；腔体的本体为壳状空腔(1)，底部有支撑(16、17)，端部和顶部有可开启的腔盖(12)、置于重力流开口(11)处，侧面有观察窗(10)；燃料供给系统包括燃烧器(18)、燃料罐(19)、相应的管路和阀门，燃烧器置于腔体内、通过管路与腔体外的燃料罐相通，管路上设置阀门；点火系统包括点火器(23)及其控制器，点火器置于腔体内的燃烧器上、控制器置于腔体外部；灭火系统包括喷头(24)、灭火剂罐(25)、相应的管路和阀门，喷头置于腔体内、通过管路与腔体外的灭火剂罐相通，管路上设置阀门；数据采集系统由一种以上测量设备构成，包括温度检测仪、压力检测仪、组分检测仪、气流检测仪以及图象记录仪等，它们均含有传感器以及数据采集和处理器。