不同溫溼度、氧濃度條件下可燃物火蔓延特性實驗方法與流程
2023-04-29 23:59:11
本發明涉及不同溫溼度、氧濃度條件下可燃物火蔓延特性實驗方法，主要用於消防教學與科研工作中，屬於實驗教學領域。
背景技術：
隨著我國經濟的快速發展，豎向布置的大面積可燃物越來越多地出現在城市建築中。例如城市建築裝修、大型娛樂商場內部懸掛的裝飾用品、建築外牆大型廣告牌、影劇院幕布等。這些薄型可燃物大多處於公眾聚集場所，極易接觸點火源，一旦被引燃，火焰將會快速地蔓延並引燃相鄰可燃物，形成難以控制的大面積立體火災。可燃物豎向燃燒火災的發生給建築防火專家們帶來了新的研究課題，可燃物豎向火災防治措施需要新的實驗研究方法和設備的支持。目前，國內可燃物傾斜(豎向)燃燒特性實驗方法僅能在某一特定環境下進行特性參數的測定，並不能模擬不同環境條件，如不同溫溼度、不同氧濃度，因此不能科學的反映可燃物在不同環境(如高原環境、高溼度環境)條件下燃燒過程的危害性。
現有可燃物火蔓延特性實驗方法通常只能調整可燃物的傾斜角度及可燃物的尺寸，且只能在特定氧濃度及恆定的溫溼度環境下進行，並不能測定不同環境(如高原環境、高溼度環境)條件下可燃物多角度傾斜燃燒的特性參數，無法揭示溫溼度效應、氧濃度效應對可燃物燃燒的影響機制。可知現有實驗方法測得的數據較為單一，對實驗地開展有極大的限制作用，因此急需研發一種能夠有效控制氧濃度、氣體溫溼度的可燃物火蔓延特性實驗方法。
技術實現要素：
本發明針對現有技術的不足設計了不同溫溼度、氧濃度條件下可燃物火蔓延特性實驗方法，發明能夠在不同溫溼度、氧濃度的環境條件下進行可燃物的火蔓延特性實驗，實驗過程中能夠實時輸出可燃物燃燒的質量損失速率、煙氣毒性、試樣表面溫度，使得儀器所提供的實驗環境更加的寬泛，從而得到更加全面、真實的火蔓延特性參數，揭示溫溼度效應、氧濃度效應對可燃物火蔓延過程的影響機制。
本發明為實現以上目的，採用如下方案：不同溫溼度、氧濃度條件下可燃物火蔓延特性實驗方法，實現該方法的裝置包括實驗臺、分析控制櫃、氣體儲氣瓶組，所述實驗臺包括燃燒室、氣體均勻裝置、試樣架、傾斜角度調節裝置、可調節式可燃物固定裝置、稱重傳感器、線性點火裝置、嵌入式熱電偶、煙氣採集裝置、集煙罩和煙道，所述燃燒室的內部形成一個上部開口的容納空間，所述集煙罩設置在所述燃燒室的上方並連接所述燃燒室的開口部，所述煙道與所述集煙罩連接，所述氣體均勻裝置、試樣架、傾斜角度調節裝置、可調節式可燃物固定裝置、稱重傳感器、線性點火裝置、嵌入式熱電偶、煙氣採集裝置設置在所述燃燒室內，所述稱重傳感器用於記錄可燃物燃燒過程中的質量變化，所述線性點火裝置用於引燃可燃物，所述嵌入式熱電偶用於記錄試樣表面溫度，所述煙氣採集裝置採集煙氣試樣輸送到所述分析控制櫃，所述分析控制櫃包括操作主面板、氣體調控系統、煙氣毒性分析儀、溫度數據採集裝置、計算機主機、計算機顯示器、滑鼠鍵盤，所述氣體調控系統用於控制氣體混合比例及溫溼度，所述煙氣毒性分析儀接收所述煙氣採集裝置採集的煙氣試樣，分析煙氣成分並將分析結果輸出至計算機主機，所述溫度數據採集裝置接收所述嵌入式熱電偶記錄的數據，分析試樣表面溫度並將分析結果輸出至計算機主機，所述計算機主機記錄煙氣毒性分析儀、溫度數據採集裝置以及稱重傳感器數據，所述滑鼠鍵盤與所述計算機主機連接，所述計算機顯示器與所述計算機主機連接，實驗方法步驟如下：
1)調節試樣架尺寸，根據實驗尺寸要求，調整可調節式可燃物固定裝置的位置，所述可調節式可燃物固定裝置為2對豎向夾板，所述試樣架的上下邊框均勻設有螺孔，所述豎向夾板的兩端通過螺釘與所述試樣架連接，當進行較窄尺寸試驗時，即需要減小豎向夾板間的寬度，調節至實驗所需的位置，擰緊螺釘，當進行較寬尺寸試驗時，即需要增大豎向夾板間的寬度，調節至實驗所需的位置，擰緊螺釘；
2)調節試樣架傾斜角度，所述傾斜角度調節裝置包括基座、旋轉軸承、固定銷釘，所述基座套接在所述旋轉軸承上，所述旋轉軸承與所述試樣架的豎邊框固定連接，當所述旋轉軸承沿水平軸線旋轉時帶動所述試樣架旋轉，所述基座和所述旋轉軸承的圓周上均勻設有36個通孔，當所述試樣架調節至合適角度時，所述固定銷釘穿過所述基座和所述旋轉軸承上對應的通孔完成固定，調節時將固定銷釘從通孔中拔出，旋轉試樣架，每轉動一個孔洞距離，試樣架轉動10度，當調節至合適角度後，將固定銷釘插入所述基座通孔，穿過旋轉軸承的通孔，即可實現所需實驗角度的固定任務；
3)將可燃物直接固定在可調節式可燃物固定裝置中，完成可燃物的懸掛工作；
4)打開所述分析控制櫃電源開關，啟動氣體調控系統和氣體均勻裝置，打開氮氣和氧氣氣瓶，調節氮氣、氧氣輸入壓力旋鈕至指定輸入壓力，調節氮氧比例旋鈕控制氮氣、氧氣的輸入比例，並以一定壓力輸出到恆溫恆溼腔室內，調節溼度控制盤、溫度控制盤，直至腔室內混合氣體達到指定的溫溼度，調節壓力輸出旋鈕，控制氣體的輸出壓力和流速，混合氣體通過氣體均勻裝置以較低流速均勻地進入燃燒室內；
5)開啟計算機，打開與該設備相配套的分析軟體，分析軟體主要用於記錄實驗過程中煙氣毒性分析儀、溫度數據採集系統、質量損失測定系統所記錄的實驗數據；
6)打開操作主面板中的開始按鈕，實時記錄實驗中的試樣表面溫度、質量損失速率以及煙氣毒性；
7)通氣30s，以確保燃燒室內氣體達到指定氮氧比例及溫溼度，打開甲烷氣瓶，按下試樣點火按鈕，線性點火裝置點火，並點燃可燃物；
8)可燃物著火，關閉所述線性點火裝置和甲烷氣瓶，火焰延可燃物向上蔓延，當可燃物延燒完畢，整個燃燒過程結束，關閉氮氣、氧氣氣瓶，關閉氣體調控系統和氣體均勻裝置，將實驗所得數據統一輸出，保存實驗數據，關閉計算機，關閉分析控制櫃電源開關，實驗結束；
9)實驗數據分析，對不同溫溼度、不同氧濃度條件下可燃物燃燒過程中的各燃燒性能參數進行定量分析，重點分析試樣表面溫度、質量損失速率以及煙氣毒性參數，其分析結果可以直接用於計算機仿真模擬，建築火災危險評估等火災風險評估應用中。
進一步的，所述氣體調控系統主要包括氮氣輸入端、氧氣輸入端、配比閥、電磁閥、恆溫恆溼腔室、加溼裝置、加熱裝置、溼度傳感器、溫度傳感器，所述配比閥調節氮氣和氧氣的輸入比例，氣體均勻混合後通過電磁閥進入恆溫恆溼腔室，所述加溼裝置、加熱裝置分別調節所述混合氣體的溼度和溫度，所述溼度傳感器、溫度傳感器採集所述恆溫恆溼腔室內的溼度、溫度數據，所述氣體調控系統通過PID控制。
進一步的，所述氣體均勻裝置包括氣體打散裝置和氣體輸出板，所述氣體打散裝置設置在所述氣體輸出板一側，所述氣體打散裝置為一個可以繞中心軸旋轉的圓盤，所述圓盤沿圓周均勻設有若干扇形通孔，所述圓盤平行於所述氣體輸出板，所述氣體輸出板上均勻設有若干通孔，氣體經過所述氣體打散裝置均勻打散流動方向，然後通過所述氣體輸出板上的通孔進入所述燃燒室。
進一步的，所述操作主面板主要包括溫度調控盤、溼度調控盤、氮氣輸入壓力錶盤及調節旋鈕、氧氣輸入壓力錶盤及調節旋鈕、混合氣體輸出壓力錶盤及調節旋鈕、氮氧比例錶盤及調節旋鈕、急停按鈕、電源開關按鈕和開始測量按鈕。
本發明和現有技術相比，具有如下優點和有益效果：
1、利用氣體混合控制元件和恆溫恆溼控制元件實現氣體混合和加溫、加溼過程，從而能夠有效控制氣體中氮氧比例及溫溼度，對不同環境(不同溼度、不同氧濃度)條件下可燃物燃燒過程中的質量損失速率、試樣表面溫度以及煙氣毒性進行實時、定量評估和分析，以此對該可燃物的傾斜燃燒特性進行定量評估；
2、傾斜角度調節裝置實現試樣架不同傾斜角度(0～180°，有效間隔為10°)的調整，調整角度更精確；增設氣體均勻裝置，可以確保混合氣體以較低流速均勻進入燃燒室內。
附圖說明
圖1為本發明所述實驗裝置的整體結構示意圖；
圖2為分析控制櫃示意圖；
圖3為氣體調控系統的原理圖；
圖4為氣體均勻裝置結構示意圖；
圖5為試樣架、傾斜角度調節裝置、可調節式可燃物固定裝置結構示意圖；
圖6為傾斜角度調節裝置放大示意圖；
圖中：1、實驗臺，2、分析控制櫃，3、氣體儲氣瓶組，4、燃燒室，5、氣體均勻裝置，6、稱重傳感器，7、線性點火裝置，8、嵌入式熱電偶，9、集煙罩，10、煙道，11、操作主面板，12、氣體調控系統，13、煙氣毒性分析儀，14、溫度數據採集裝置，15、計算機主機，16、計算機顯示器，17、滑鼠鍵盤，18、恆溫恆溼腔室，19、氣體打散裝置，20、氣體輸出板，21、基座，22、旋轉軸承，23、豎向夾板，24、試樣架，31、氮氣輸入端，32、氧氣輸入端，33、配比閥，34、電磁閥，35、加溼裝置，36、加熱裝置，37、溼度傳感器，38、溫度傳感器，39、球閥，40、壓力控制器，41、壓力表，42、平衡閥，43、單向閥，44、節流閥，45、風扇。
具體實施方式
結合圖1至圖6所示的實現本實驗方法的實驗裝置，包括實驗臺1、分析控制櫃2、氣體儲氣瓶組3，所述實驗臺1包括燃燒室4、氣體均勻裝置5、試樣架24、傾斜角度調節裝置、可調節式可燃物固定裝置、稱重傳感器6、線性點火裝置7、嵌入式熱電偶8、煙氣採集裝置、集煙罩9和煙道10，所述燃燒室4的內部形成一個上部開口的容納空間，所述集煙罩9設置在所述燃燒室4的上方並連接所述燃燒室4的開口部，所述煙道10與所述集煙罩9連接，所述氣體均勻裝置5、試樣架24、傾斜角度調節裝置、可調節式可燃物固定裝置、稱重傳感器6、線性點火裝置7、嵌入式熱電偶8、煙氣採集裝置設置在所述燃燒室4內，所述稱重傳感器6用於記錄可燃物燃燒過程中的質量變化，所述線性點火裝置7用於引燃可燃物，所述嵌入式熱電偶8用於記錄試樣表面溫度，所述煙氣採集裝置採集煙氣試樣輸送到所述分析控制櫃，所述分析控制櫃2包括操作主面板11、氣體調控系統12、煙氣毒性分析儀13、溫度數據採集裝置14、計算機主機15、計算機顯示器16、滑鼠鍵盤17，所述氣體調控系統12用於控制氣體混合比例及溫溼度，所述煙氣毒性分析儀13接收所述煙氣採集裝置採集的煙氣試樣，分析煙氣成分並將分析結果輸出至計算機主機15，所述溫度數據採集裝置14接收所述嵌入式熱電偶8記錄的數據，分析試樣表面溫度並將分析結果輸出至計算機主機15，所述計算機主機15記錄煙氣毒性分析儀13、溫度數據採集裝置14以及稱重傳感器6數據，所述滑鼠鍵盤17與所述計算機主機15連接，所述計算機顯示器16與所述計算機主機15連接。所述操作主面板11主要包括溫度調控盤、溼度調控盤、氮氣輸入壓力錶盤及調節旋鈕、氧氣輸入壓力錶盤及調節旋鈕、混合氣體輸出壓力錶盤及調節旋鈕、氮氧比例錶盤及調節旋鈕、急停按鈕、電源開關按鈕和開始測量按鈕。
實驗方法步驟如下：
1)調節試樣架24尺寸，根據實驗尺寸要求，調整可調節式可燃物固定裝置的位置，所述可調節式可燃物固定裝置為2對豎向夾板23，所述試樣架24的上下邊框均勻設有螺孔，所述豎向夾板23的兩端通過螺釘與所述試樣架24連接，當進行較窄尺寸試驗時，即需要減小豎向夾板間的寬度，調節至實驗所需的位置，擰緊螺釘，當進行較寬尺寸試驗時，即需要增大豎向夾板間的寬度，調節至實驗所需的位置，擰緊螺釘；
2)調節試樣架24傾斜角度，所述傾斜角度調節裝置包括基座21、旋轉軸承22、固定銷釘，所述基座21套接在所述旋轉軸承22上，所述旋轉軸承22與所述試樣架24的豎邊框固定連接，當所述旋轉軸承22沿水平軸線旋轉時帶動所述試樣架24旋轉，所述基座21和所述旋轉軸承22的圓周上均勻設有36個通孔，當所述試樣架24調節至合適角度時，所述固定銷釘穿過所述基座21和所述旋轉軸承22上對應的通孔完成固定，調節時將固定銷釘從通孔中拔出，旋轉試樣架24，每轉動一個孔洞距離，試樣架24轉動10度，當調節至合適角度後，將固定銷釘插入所述基座通孔，穿過旋轉軸承的通孔，即可實現所需實驗角度的固定任務；
3)將可燃物直接固定在可調節式可燃物固定裝置中，完成可燃物的懸掛工作；
4)打開所述分析控制櫃電源開關，啟動氣體調控系統和氣體均勻裝置，打開氮氣和氧氣氣瓶，調節氮氣、氧氣輸入壓力旋鈕至指定輸入壓力，調節氮氧比例旋鈕控制氮氣、氧氣的輸入比例，並以一定壓力輸出到恆溫恆溼腔室內，調節溼度控制盤、溫度控制盤，直至腔室內混合氣體達到指定的溫溼度，調節壓力輸出旋鈕，控制氣體的輸出壓力和流速，混合氣體通過氣體均勻裝置以較低流速均勻地進入燃燒室內；
5)開啟計算機，打開與該設備相配套的分析軟體，分析軟體主要用於記錄實驗過程中煙氣毒性分析儀、溫度數據採集系統、質量損失測定系統所記錄的實驗數據；
6)打開操作主面板中的開始按鈕，實時記錄實驗中的試樣表面溫度、質量損失速率以及煙氣毒性；
7)通氣30s，以確保燃燒室內氣體達到指定氮氧比例及溫溼度，打開甲烷氣瓶，按下試樣點火按鈕，線性點火裝置點火，並點燃可燃物；
8)可燃物著火，關閉所述線性點火裝置和甲烷氣瓶，火焰延可燃物向上蔓延，當可燃物延燒完畢，整個燃燒過程結束，關閉氮氣、氧氣氣瓶，關閉氣體調控系統和氣體均勻裝置，將實驗所得數據統一輸出，保存實驗數據，關閉計算機，關閉分析控制櫃電源開關，實驗結束；
9)實驗數據分析，對不同溫溼度、不同氧濃度條件下可燃物燃燒過程中的各燃燒性能參數進行定量分析，重點分析試樣表面溫度、質量損失速率以及煙氣毒性參數，其分析結果可以直接用於計算機仿真模擬，建築火災危險評估等火災風險評估應用中。
如圖3所示，所述氣體調控系統12主要包括氮氣輸入端31、氧氣輸入端32、配比閥33、電磁閥34、恆溫恆溼腔室18、加溼裝置35、加熱裝置36、溼度傳感器37、溫度傳感器38，所述配比閥33調節氮氣和氧氣的輸入比例，氣體均勻混合後通過電磁閥34進入恆溫恆溼腔室18，該腔室由調溫和增溼兩部分組成，通過內部溫、溼度傳感器採集的數據，傳至溫、溼度控制器進行編輯處理，最終達到氣體控制所需的溫溼度，同時設有氣體攪拌裝置，以確保腔室內氣體加溫、加溼的均勻性。當該腔室內壓力下降到設定的壓力時，氣體調控系統12工作，當壓力達到設定的上限值時，氣體調控系統12停止工作。所述加溼裝置35、加熱裝置36分別調節所述混合氣體的溼度和溫度，所述溼度傳感器37、溫度傳感器38採集所述恆溫恆溼腔室18內的溼度、溫度數據，所述氣體調控系統通過PID控制。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護範圍。