CN114217007A - 一种基于锥形量热仪的外焰点火平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于锥形量热仪的外焰点火平台，该外焰点火平台主要利用丙烷气瓶中的可燃气体点燃后产生的火焰对样品盒中的待测样品进行点火。本发明提供的新型外焰点火平台拓展了传统锥形量热仪电火花+热辐射的点火方式，丰富了锥形量热仪能够模拟的火灾场景，并且更加贴切现实火灾。该外焰点火平台还具有搭建简单、生产及使用成本低、操作简单、经济安全等诸多优点，尤其适合一般实验室进行火灾或燃烧模拟实验。

Description

一种基于锥形量热仪的外焰点火平台

技术领域

本发明涉及测量仪器及消防技术领域，具体涉及一种基于锥形量热仪的外焰点火平台。

背景技术

日常生活中火灾事故层出不穷，对火灾造成的生命和财产损失进行评估十分必要。近年来，政府机关及消防部门对火灾的研究愈发重视，目前研究火灾的最主要方法还是实验室模拟实验。锥形量热仪作为一种常用的测试材料燃烧性能的实验设备，被认为最能代表实际火灾的燃烧环境，常被用于模拟材料在真实火灾情况下的着火性能。锥形量热仪是以氧耗原理为基础的，所谓的氧耗原理是指物质完全燃烧时每消耗单位质量的氧会产生基本上相同的热量，即氧耗燃烧热基本相同。锥形量热仪依据氧耗原理测量材料的热释放速率，而热释放速率是表征火灾强度最重要的性能参数。市售的锥形量热仪通常采用顺磁氧分析器对氧气浓度进行分析，采用烟测量系统测定管道中烟的比消光面积，采用激光束光度计测量烟气灰暗度，采用非色散红外线CO和CO₂分析器对烟气中的CO和CO₂进行分析。

目前市面上的锥形量热仪的点火方式基本为电火花点火，如中国专利CN206450344U、CN205317710U等。电火花是一种高电压作用在气体介质上，使其电离击穿发出热能、光能和声能的现象。样品表面经热辐射处理后挥发出可燃性气体，当可燃性气体浓度达到着火上限时样品就会被电火花燃，然后就能够测试其可燃性能和点燃时间。在燃烧过程中还可以确定样品的质量损失率，将燃烧气体收集在随附管道和排气罩中，通过采集烟气压差、气体浓度和温度的变化，可以自动测试样品的热释放速率等指标。

锥形量热仪测试是一种集安全、快速、准确为一体的检测方法，该方法虽然能够较为真实、准确的模拟材料在火灾中的行为规律，但是也存在一些问题，主要表现在点火方式上。现有的锥形量热仪通过锥形加热器对样品施加稳定的热辐射，然后利用电火花引燃样品，这种研究方式对于实验室来说较为友好，然而真实火灾场景中的热辐射十分不稳定，导致锥形量热仪测试与实际火灾场景在引燃方式上存在巨大差异，使得利用锥形量热仪还原火灾场景存在较大的局限性。对于主要由火焰燃烧引起物品燃烧的火灾类型，现有的锥形量热仪测试并不能真实、有效的还原实际火灾环境。由于其他测定材料燃烧性能的实验方法在还原火灾真实现场效果方面与锥形量热仪测试存在一定差距，因而丰富锥形量热仪在模拟不同场景下的引燃方式，拓展其火灾模拟场景十分必要。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于锥形量热仪的外焰点火平台，该点火平台包括锥形量热仪1、载物台2、气瓶3、气体流量计4、燃烧器5。其中气体流量计4通过管道分别与气瓶3、燃烧器5相连，锥形量热仪1、燃烧器5均正对载物台2上的待测样品；气瓶3内的可燃气体沿着管道进入气体流量计4，调节好流量和稳定性后进入燃烧器5中燃烧，燃烧器5点燃载物台2上的待测样品，锥形量热仪1采集燃烧数据完成测试。

进一步的，测试时锥形量热仪1位于载物台2正上方，燃烧器5位于载物台2周边。燃烧器5设置成水平或者倾斜朝向载物台2，优选为水平。

进一步的，所述锥形量热仪1为分柜式设计方式，其主要包括温度及压力采集处11、鼓风机12、激光束光度计13、气体采集处14、烟尘试样过滤器15、集烟罩16；其中集烟罩16通过管道与鼓风机12相连通，温度及压力采集处11设置在鼓风机12出风口的管道上，烟尘试样过滤器15、气体采集处14、激光束光度计13依次设置在鼓风机12入风口的管道上。

更进一步的，所述温度及压力采集处11、激光束光度计13、气体采集处14、烟尘试样过滤器15分别通过管道或线缆与锥形量热仪主机相连，用于传输采集到的样品或者数据。

进一步的，所述载物台2包括样品夹21、样品盒22、托盘23、天平24、托架25，在托架25上设置有天平24，托盘23位于天平24上，在托盘内放置有样品盒22，待测样品通过样品夹21固定在样品盒22内。

更进一步的，所述样品盒22竖直放置在托盘23上，所述样品夹21位于样品盒22的左右两侧或者上下两侧，优选为上下两侧。样品盒竖直放置便于样品采用垂直燃烧法进行测试，不锈钢材质的托盘用于承接样品燃烧掉落的残渣。

进一步的，气瓶3内填充的可燃气体具体为丙烷或甲烷等，所述气体流量计4具体为热式气体质量流量计。

进一步的，所述燃烧器5包括燃烧器壳体、点火装置51、外喷口多孔板52、石英砂53、筛网54、玻璃球55、连接管56；所述点火装置51、外喷口多孔板52设置在燃烧器壳体端面，在燃烧器壳体内部填充有石英砂53、玻璃球55并且用筛网54隔开，燃烧器5内部通过与气瓶连通的连接管56供气。

更进一步的，燃烧器壳体内部沿气流方向依次为空腔、筛网54、玻璃球55、筛网54、石英砂53、外喷口多孔板52。石英砂和玻璃球的主要作用是整流可燃气体，使通过火焰出口的可燃气体更加均匀，有助于材料均匀受热。

本发明对现有锥形量热仪的点火系统进行了改进，提供一种新型配套的外焰点火平台。该点火平台利用丙烷气瓶提供可燃气体，利用热式气体质量流量计控制可燃气体的压力和作用于样品的火焰热流量，利用分段填充玻璃球、石英砂的燃烧器整流并点燃可燃气体，由此产生的外焰进一步点燃待测样品进行垂直燃烧试验。

与现有锥形量热仪常用的电火花+热辐射的点火方式相比，本发明提供的这种外焰点火平台极大的拓展了传统锥形量热仪的点火方式，丰富了其能够模拟的火灾场景，并且这种外焰点火方式更加贴切现实发生的火灾，更能还原真实的火灾场景，与现实的相关性更强。此外本发明提供的这种由丙烷气瓶、热式气体质量流量计、燃烧器组成的外焰点火平台，搭建简单、操作简单、经济安全，更适合一般实验室的火灾模拟实验。

附图说明

图1为本发明外焰点火平台的整体结构示意图；

图2为本发明外焰点火平台的锥形量热仪结构示意图；

图3为本发明外焰点火平台的载物台结构示意图；

图4为本发明外焰点火平台的气瓶结构示意图；

图5为本发明外焰点火平台的气体流量计结构示意图；

图6为本发明外焰点火平台的燃烧器结构示意图。

其中1-锥形量热仪；2-载物台；3-气瓶；4-气体流量计；5-燃烧器；11-温度及压力采集处；12-鼓风机；13-激光束光度计；14-气体采集处；15-烟尘试样过滤器；16-集烟罩；21-样品夹；22-样品盒；23-托盘；24-天平；25-托架；31-减压阀；32-瓶身；33-出气口；41-电源接口；42-数据传输口；43-进气口；44-调节阀；45-出气口；51-点火装置；52-外喷口多孔板；53-石英砂；54-筛网；55-玻璃球；56-连接管。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。

如图1-6所示的一种基于锥形量热仪的外焰点火平台，主要由锥形量热仪1、载物台2、气瓶3(填充有丙烷或甲烷)、气体流量计4(类型：热式气体质量流量计)、燃烧器5等零部件组装而成。气瓶3主要用于提供可燃气体，并利用其自身燃烧产生的火焰点燃待测样品，气体流量计4和燃烧器5主要用于调控点火的火焰大小，载物台2主要提供待测样品的固定和点火场所，锥形量热仪1主要用于收集燃烧产生的烟气作进一步分析处理。

锥形量热仪1采用分柜式设计(包含多个柜体)，其主机包括排气系统、一体化气体预处理系统、顺磁性氧气分析器、非色散红外线CO和CO₂分析器、SB型热流计、便携式水冷却系统、数据采集系统、软件操作系统等(具体结构可参考市售同类产品)。排气系统由风机、集烟罩、排气管道及孔板流量计等组成。一体化气体预处理系统包括取样泵、过滤器、冷凝器、蠕动泵、水分过滤器等。SB型热流计设计量程为0-100kW/m，准确度为±3％，重复性为±0.5％，均符合出厂标准。当使用热流计时无需外接自来水源和配备水管，由便携式水冷却系统进行冷却。所述数据采集系统可自动记录气体分析仪、孔板流量计、热电偶等仪器或传感器的输出信号。所述软件操作系统用于控制系统运行，并记录和分析测试结果，所述测试结果包含：热释放速率、烟道气体流速、C系数、试样点燃时间和熄灭时间、总耗氧量、总发烟量、质量损失速率、热释放总量、有效燃烧热、二氧化碳生成量及一氧化碳生成量等。该锥形量热仪具体使用过程如下：首先对锥形量热仪1进行系统开机并预热一小时，预热结束后开始进行气体传感器校准、C系数校准和光路系统校准。校准工作完成后称取并记录样品净质量，用铝箔覆盖样品各侧面及底面并用样品夹21固定样品，将样品盒22放置在不锈钢材质的托盘23中，用天平24进行称重，完成后用点火装置51点燃燃烧器末端的丙烷气体，利用产生的火焰引燃样品。

载物台2上的样品盒22垂直放置在托盘23(不锈钢材质)上，然后整体置于天平24上，天平24的底下为支撑用的托架35(不锈钢材质)。测试时将待测样品通过样品盒22上下两端的样品夹21固定住防止其脱落，然后用管子将气瓶3、气体流量计4、燃烧器5依次连接起来，其中外喷口多孔板52对准样品盒22上的样品。这种样品固定方式对应于垂直燃烧法，托盘能够承接样品燃烧过程中掉落的固体残渣，托架保证了样品处于合适的高度。气瓶3主要包括减压阀31、瓶身32、出气口33。气瓶瓶身采用单层结构，减压阀的作用是保证瓶内的液态丙烷减压后气化成可燃丙烷气体，然后通过管道输送到燃烧器中点燃。所述气体流量计4主要包括电源接口41、数据传输口42、进气口43、调节阀44、出气口45，内部结构主要包括调节器、驱动器、比较器、放大器、传感器等。其中传感器探头由两种传感元件组成──速度传感器和温度传感器，利用其自动校正温度及压力变化产生的影响。仪表电路将速度传感器加热到高于气体温度的一个常数值，然后测量气体流量的WT气体质量流量控制器冷却效果，通过测量保持恒定温差所消耗的电功率与气体的质量流量成正比的原理计算出气体流量。燃烧器5主要包括设置在火焰出口处的点火装置51、外喷口多孔板52、石英砂53、筛网54(金属材质)、玻璃球55、连接管56。该燃烧器属于带状燃烧器，从左到右(与气流方向相反)依次是火焰出口、石英砂、筛网、玻璃球、金属。

上述锥形量热仪外焰点火平台的使用方法如下：首先打开锥形量热仪主机进行一系列检测和校正，然后将待测材料放置在竖直摆放的样品盒22中并用样品夹21固定住，接着将气瓶3、气体流量计4、燃烧器5依次连接起来。气体流量计4与电源和锥形量热仪主机的电脑连接好，设置可燃气体的流量等参数，在开始实验前将气体流量计4预热20分钟并检查零点。接下来打开气瓶3，待气体流量计4稳定后，调整燃烧器5的角度使其出口对准待测样品，待丙烷气体稳定后用点火装置51进行点火并引燃待测样品。与此同时点击锥形量热仪主机电脑的开始实验按钮，锥形量热仪的集烟罩16收集燃烧产生的烟气作进一步分析处理，最终得出样品在外焰点火条件下的燃烧特性。

以上描述即为本发明结合具体附图所进行的实验步骤，但本发明并不局限于上述有限的具体实验方式，上述的具体实验方式仅用于示范，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于锥形量热仪的外焰点火平台，其特征在于：该点火平台包括锥形量热仪(1)、载物台(2)、气瓶(3)、气体流量计(4)、燃烧器(5)；其中气体流量计(4)通过管道分别与气瓶(3)、燃烧器(5)相连，锥形量热仪(1)、燃烧器(5)均正对载物台(2)上的待测样品；气瓶(3)内的可燃气体沿着管道穿过气体流量计(4)后进入燃烧器(5)中燃烧，燃烧器(5)点燃载物台(2)上的待测样品，锥形量热仪(1)采集燃烧数据完成测试。

2.如权利要求1所述的外焰点火平台，其特征在于：测试时锥形量热仪(1)位于载物台(2)正上方，燃烧器(5)位于载物台(2)周边。

3.如权利要求1所述的外焰点火平台，其特征在于：所述锥形量热仪(1)包括温度及压力采集处(11)、鼓风机(12)、激光束光度计(13)、气体采集处(14)、烟尘试样过滤器(15)、集烟罩(16)；其中集烟罩(16)通过管道与鼓风机(12)相连通，温度及压力采集处(11)设置在鼓风机(12)出风口的管道上，烟尘试样过滤器(15)、气体采集处(14)、激光束光度计(13)依次设置在鼓风机(12)入风口的管道上。

4.如权利要求3所述的外焰点火平台，其特征在于：所述温度及压力采集处(11)、激光束光度计(13)、气体采集处(14)、烟尘试样过滤器(15)分别通过管道或线缆与锥形量热仪主机相连，用于传输采集到的样品或者数据。

5.如权利要求1所述的外焰点火平台，其特征在于：所述载物台(2)包括样品夹(21)、样品盒(22)、托盘(23)、天平(24)、托架(25)，在托架(25)上设置有天平(24)，托盘(23)位于天平(24)上，在托盘内放置有样品盒(22)，待测样品通过样品夹(21)固定在样品盒(22)内。

6.如权利要求1所述的外焰点火平台，其特征在于：所述样品盒(22)竖直放置在托盘(23)上，所述样品夹(21)位于样品盒(22)的左右两侧或者上下两侧。

7.如权利要求1所述的外焰点火平台，其特征在于：气瓶(3)内填充的可燃气体具体为丙烷或甲烷，所述气体流量计(4)具体为热式气体质量流量计。

8.如权利要求1所述的外焰点火平台，其特征在于：所述燃烧器(5)包括燃烧器壳体、点火装置(51)、外喷口多孔板(52)、石英砂(53)、筛网(54)、玻璃球(55)、连接(56)；所述点火装置(51)、外喷口多孔板(52)均设置在燃烧器壳体端面，在燃烧器壳体内部填充有石英砂(53)、玻璃球(55)并且用筛网(54)隔开，燃烧器(5)内部通过与气瓶连通的连接管(56)供气。

9.如权利要求8所述的外焰点火平台，其特征在于：燃烧器壳体内部沿气流方向依次为空腔、筛网(54)、玻璃球(55)、筛网(54)、石英砂(53)、外喷口多孔板(52)。

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