仿白橡板燃烧性能的锥形量热仪

仿白橡板燃烧性能的锥形量热仪研究[摘要]：本文运用锥形量热仪研究了仿白橡板的点燃时间、热释放速率（HRR）、质量损失速率、发烟量、一氧化碳的产率等燃烧特性，并与三夹板和天然松木板的燃烧性能进行了比较。实验结果表明仿白橡板具有较好的燃烧性能，与三夹板、松木板相比，其在内装修中具有更好的适用性。[关键词]：锥形量热仪仿白橡板热释放速率点燃时间比消光面积一氧化碳产率质量损失速率发烟量1.前言1993年，国际标准化组织（ISO）正式出版了一个利用锥形量热仪测试材料的标准----ISO5660。至今，锥形量热仪已成为火灾科学研究领域最为重要的小比例试验仪器，可用来研究材料的热释放速率（HRR）、点燃时间、烟密度、质量损失速率、一氧化碳产率等燃烧特性。由于锥形量热仪的实验数据与材料在大比例火灾实验（如ISO9705室内墙角火实验）的对应数据具有相关性，因此锥形量热仪的实验数据可用于对材料在火灾中的燃烧特性进行预测和评价，从而为建筑性能化防火设计和火灾模拟提供数据基础。2.锥形量热仪及其实验原理部分2.1锥形量热仪的主要组成部分：(1)锥形加热器：一个截取掉顶端的圆锥形加热器，额定电压为240V，额定功率为5000W，且能在水平和垂直方向上产生100kW﹒m-2的热流。(2)样品夹持器：能沿水平和垂直方向，承载长、宽、高为100㎜×100㎜×50㎜的试件。(3)载荷池：用于测量样品的质量，其精度为0.1g,量程为3.5kg。载荷池应当封闭，以免因温度变化对它产生影响。(4)点火器：带有安全熔断装置的10kV电子点火器。(5)排气系统：由不锈钢材料制成。它包括一个护罩、气样环形探头、排气扇和孔板式流量测试系统。(6)气体样品采集：包括环形采样器、冷凝管、泵、气体干燥管和流量控制部分。(7)氧气分析器：顺磁性氧气分析器，它可分析氧气的浓度范围为0～25%，该分析仪器的精度大于50ppm。(8)烟密度测试体系：用于测试试验过程中排气管中烟气的光密度。(9)热流计：用于锥形加热器向试件表面辐射的热流量。(10)校正燃烧器：它用纯度为99.5%的甲烷气体来校正由设备测得的热释放速率。2.2锥形量热仪的实验原理曾锥形量热仪采槐用耗氧量原理衰测量材料的热摊释放速率，所积谓耗氧量原理巷就是：材料燃亮烧时消耗每一文单位的氧气所令释放的热量基丘本上是一样的拔。达Hugget颤t普在渔198递0壁年发表文章，竭指出建筑业和膏商业中普遍使爸用的大多数塑俯料和其他固体眼材料都遵循这样个规律，并测讲出这个值蒙为匀13.1MJ嫩/kgO纵2昼±5琴%俊。盒实验过程中将贺材料燃烧的所寸有产物收集起项来并经过一个选排气管道。气暑体经过充分混顺合后，测出其谅质量流量和组怜分。测量时，脱至少要刷将驱O稿2划的体积分数测忆出来，要得到玉更精确的结果姿则还要测卸出竭C梢O爸，跟CO痒2跑的体积分数。乞这样通过计算冒可得到燃烧过叛程中消耗的氧府气质量，运用僻耗氧量原理，冬就可以得到材政料燃烧过程中幕的热释放速率唯。叉图游2.怎2差是锥形量热仪摧气体取样流程歇简图。枕图螺2.2昆投锥形量热仪气针体取样流程图固2.铲3拒锥形量热仪的校实验方法掌2.3.他1箭试样的受热表桐面积和厚度泥试样的受热表棍面积和厚度对脉点燃性和热释年放速率的测试冰都有影响。锥量形量热仪标准赶规定，一般情避况下，试样的减受热表面积滥为评100mm×掠100m移m春，这个值比较卷适合小尺寸试鉴验，是经船过精心选择的荷。钩锥形量热仪主果要用来测试真欲实物体的热释回放速率，因此惹试样的厚度最禾好为测试物体脉的原厚才度于,邀但其受热面要抚比较平整。试轰样的厚度对点剃燃性和热释放抚速率的影响可夹以用热厚度踪来区分，当试戏样的物理厚度尘大于热厚度时兄可以称其为热顶厚性试样，反圆之则称为热薄弊性试样。热喉厚度爪可由下式确掠定魔:队=0.沿6语ρ房/q版”桃其志中茫ρ帝为材料的密度绳（杰kg/m哪3捉），肯q目”彻为热释放速率赔的最大值敬（悼k油W德﹒旬m捡-2红）。师对于热厚性材康料（如木材）室，它的几何厚辟度的变化对点村燃性和热释放驶速率的测试没按有多大的影响抽，而对于热薄染性材料，几何抖厚度对点燃性拆和热释放速率饭的影响很大，剑需要小心处理肉材料背面的热她边界条件。寨2.3.盏2牛试样热和质量耕边界条件的处密理方法参在全尺寸试验暖中，热量和质清量的输运仅发肆生在试件的受尾热表面，非受爽热面没有热量缠和质量的损失形。因此为了使稿锥形量热仪试寻验尽可能地与颗全尺寸试验的糊热边界条件一殊致，需要采取朋一些措施来保课证热量和质量级在非受热面的望损失最小。在参试验中，将试望样用铝箔包裹阶其背面和侧面阴以减少质量损研失。摆有些材腐料零(也如木材，某些桃聚合物疏等提)瞎在燃烧时燃烧工表面会发生翘老曲，使得燃烧闷表面积发生变舅化或者使受热炭表面受到额外阶的热辐射而影校响试验结果，枣对于这种材料愉在试验中使用稍一种不锈钢网多栅夹住试样的瓦表面以保证材侍料的平表面燃苹烧。告所有的试样实悬验时在其背部就都垫有一种碌厚互13m扑m然，密度江为位650kg/斗m求3前的热阻很大的晋陶瓷纤维毯，圈这样保证了一纺种标准的背面耍热边界条件。帽2.3.拦3知热辐射能量的膜确定得当室内发生火嫌灾时，热量从界高温火焰和烟顺气传播到其它丈临近物体上的悉主要途径是热希辐射，或者说南热辐射是火灾敲发展和传播的瞒主要传热方式纪，所以要对各愉种热辐射强度摧条件下，可燃中物的燃烧特性咬开展实验研究庙。梢本实验所采用器的热辐射强度汗有要20k狂W扮﹒忆m聋-2悲，戴25k裳W兔﹒洋m书-2饥，弊30k智W扩﹒辛m者-2淹，喂35k状W避﹒柱m再-2穿，涝40k涨W原﹒幻m芝-2匠，代50k赤W允﹒词m歉-2洁等。这些热辐礼射水平可以代纹表小规模火灾芦的热辐射水平砍。馋3本.情木材燃烧特性乘3.楼1零木材的热分解喂加热目到形10淘0娇—舌26稼0欣℃芒时，不稳定的河纤维素和木质就素发生分解，翼分解产物有可钞燃性气体（一请氧化碳、甲烷指、乙烷、氢气锻、有机酸和醛刃等）与不燃性制气体（水蒸汽厘、二氧化碳）布。蓬3.拉2致木材的燃烧过嘱程碑木材燃烧的一狗般过程是：在未外部热源的作拒用下，木材受朽热，先析出水恼分，随后发生耀热解、气化反供应析出可燃性众气体，热分解晃产生的可燃物不与一定的比例纳的空气混合并趟达到着火温度秀时，便开始燃枯烧。燃烧放出吧的燃烧热一方爆面可加速木材写的分解，另外陆也可以提供维喊持燃烧所魔需的能量。觉4门.短实验结果的分茎析与讨论倒4.拦1访实验材料粘三种实验样品选（仿白盈橡贞板、三夹板、芝松木板）均由丰廊坊市宏昌公胜司提供。其基死本参数见虾表涂4.书1殖。竭表甘4.1充岁三种样品的基佳本参数劫表面积免(五㎝融2哥)尼厚度初(短㎜拢)涌辐射强度潮(致k凭W室﹒务m披-2值)信质量谅(基g私)迈密度碑(幸k定g爽﹒郑m蒙-3图)筹仿厦白宋橡误板暂88.4学16.00钓25没130.1屯9声.额2冻×10悉-4促88.4冬16.00番30表138.9方9坝.洪8猾×10病-4早88.4兵16.00阅35郊132.0捐9航.奶3抖×10叨-4梅88.4覆16.00熊40泼130.0共9纵.棋2拌×10鉴-4乞88.4鸡16.00里50扭132.7余9竞.病4面×10沈-4毛三夹板兄88.4允3.000套35晶26.30慎9止.部9焰×10涛-4饱松木板择88.4早20.00色35鸟62.30叹3仗.杏5岛×10睁-4技4.侦2肺仿白象板的燃娇烧特性液4.2.陶1室点燃时间废实验时，将样雹品放入样品夹些持器后，打开宰电子点火器点厘火。从电子点既火器开始打火浸并冲击板材表辞面进行加热时战起到板材表面愉着火后坚箩持幅4盏秒钟不熄灭的忧这段时间称为糠点燃时间袜（警t辣ig洪）。粘表肉4.2.1符王拌不同辐射强度假下仿白橡板的埋点燃时间稍辐射强缠度阀(k戚W披﹒济m便-2严)嗽25劈30衣35绪40指50怨点燃时宣间龙(踏s)半395异281究175晋118芳86饺表级4.2.撤1静列出了不同辐鱼射强度下仿白男橡板的点燃时泪间。由此可以醉看出其点燃时智间是随着辐射瞧强度的增大而目减少的。运若以辐射强度听为急y亩轴，点燃时间摔的根方倒数纪（云t主ig光-1/2卖）天为斜x他轴，进行线性肤回归，可以得性到灵回归方程掉（洗1筒）和黄图臂4.2.摸1轨所示的拟合曲昆线。壤Y=4.因66011估+406.哨48365情*X秋------抗--细-器（攀1真）少图钩4.2.1贸比桂辐射强度与点神燃时间根方倒猛数曲线害由方程里（承1械）可知在实验翻条件下，能够疮将仿白橡板点紧燃的最小辐射积强度约厅为换Y=湾4.6601棵1袜k销W歪﹒闪m窜-2梳。如果在真实沿火灾情况下，竞仿白橡板只要腰受到等于或大谢于最小辐射强丽度的热量就会究被点燃。其他添材料在实验条愁件下的最小辐怀射强度也可测头出。因此，可末以通过比较实鲜验条件下的最叼小辐射强度大廉小来选择合适检的材料，以降招低其火灾危险摆性。基4.2.饼2赚热释放速率狭材料的热释放孔速率是评价其摘燃烧性能的最容重要的指标之月一。锥形量热捆仪实验中的材肿料的热释放速陵率与实体房间板火灾特性关系各比较密切。一谨般说来，在小窗比例实验中热朱释放速率值高誓、引燃时间短毅、燃烧速度快蒙的材料在实体酬房间火实验中纤所反映出来的矛火灾危险性就知大，发生轰然反的可能性就大璃。处在辐射强度税为嘴25k绍W牺﹒模m师-2育、胸30k恩W低﹒造m屑-2毛、井35k烫W奋﹒梦m裁-2歇、读40k雾W锹﹒喂m蚊-2奋、盗50k晶W厦﹒停m亚-2糊的实验条件下并，可以得出仿鹰白橡板的一组雷热释放月速腿率曲线。如搜图盆4.2.荒2誉所示。昼图故4.2.2惹照不同辐射强度劈下的热释放速磁率曲线煌从总体上看，福曲线的形状十淡分相似：点燃插后由于易燃的奴热解物快速燃阔烧会很快出现会一鹿个艇“浴陡朋峭仪”叛的峰，随着木悬材的炭化，由损于炭层的隔绝者作用，热释放普速率减小。假太如木材足够厚更，热释放速率降将处于一个稳策定的状态。通域常木材的厚度尤是有限的，在疏燃烧结束前剩军余的木材温度糟会迅速地提高禁，使得热解速挥率也大大提高芬，从而产生了涝热释放速率的遣第二个峰。疤辐射强早度厌(k酬W跑﹒酷m罪-2穷)义25杠30垦35怒40牛50假平井均添HRR(k删W韵﹒廊m昼-2窃)示89.28船78.47饿73.15宇116.23愁绒108.95立烫最买大三HRR(k食W践﹒见m肌-2许)悔199滔.泳27散166.37袖178.52卷241.35踢192.6拾表肥4.2.2吐写不同辐射强度腿下的热释放速酷率朽从染表数4.2.棵2扬中可以看出，包平均热释放速肃率平均值和极路值的总体发展止趋势是随着辐这射强度的增加种而增加的。但曾它的平均值和志极值在辐射强仰度罗为吼35k众W底﹒监m岔-2棍附近出现最小着值，而在辐射千强度践为更25k奴W姨﹒封m透-2闹时出现一个较仰大值。筹这与点燃过程篇有关，当辐射并强度小为芦25k忆W倚﹒醋m嗽-2诱时，点燃时间撕长，木材内部寺温度的分布比架较均匀，并且旷相对其它辐射堆强度的温度要取高，内部的水患分基本上都在事燃烧前蒸发出碍去，而且瞧因为挥发物的您产生使木材内善部的结构也发溜生了变化，新造的结合物产生显了并阻止木材滩的收缩，从而荒生成了大量的辫内部裂纹，增胡加了燃烧面积卫，热分解速度率极大地加快，垂所以矮在飘25k怠W蜻﹒撕m炸-2被的辐射强度下够，热释放率反胞而较大。值得吸说明的一点是信，由于所有的其数据是在单次付实验情况下得延出的，其中不滴免有所误差。核特别是辐射强室度渴为涂40k摧W附﹒沸m蜂-2赴时的热释放速辞率。漫4.2.总3鼻质量损失速率探表贝4.2.3存姥不同辐射强度彼下的座平均质量损失危速率骤辐射强洒度酿(腥kw.m坏-2蕉)落25远30赚35费40绕50蔑平均质量损失灿速伟率芳(胆g/s)难6.89车7.76样7.30谣7.择11那9.89深在传表歉4.2.未3座中列出了仿白猜象板看在文25k抛W罗﹒旋m羊-2跟、宣30k激W饼﹒塔m洒-2捆、船35k振W池﹒福m农-2用、阀40k串W丝﹒牵m经-2疤、出50k机W樱﹒石m兆-2貌辐射强度下的柏质量损失率的掌大小。由于辐慧射强度的增大慢，木板的热分限解速度也极大鸦地加快，单位陶时间内可燃气剂体或挥发性物委质产生得较多俊，质量消耗也乐就越快。因此许，其质量损失刷率是随着辐射绸强度的增大而府增大纺的来.笑质量损失率大惩的物质在真实拦火灾情况榆下阀,参其火焰传播速陵度也将比较快始，其火灾危险思性也就越大。她4.2.司4袜比消光面积冷烟气密度的大揭小可用比消光级面积来表征。饮比消光面积是燃由嫂氦右-嘱氖激光穿过烟择气后的衰减量路转化而来的。走图乒4.2.4.侧1撑布辐射强度测为汤25k怕W菊﹒你m供-2攻时的烟释放速蓝率明火灾烟气中，条烟粒子对可见迅光是不透明的寨，有完全遮蔽轿的作用。当烟洗气弥漫时，可缠见光因受到烟慈粒子的遮蔽而营大大减静弱勇,型能见度大大降润低。而且烟气供一般集中在疏积散通道的上部福空间，导致人政员看不清周围渗的环境，辨认每目标和疏散方匹向的能力大大鼠降低，严重妨姿碍了安全迅速胸的疏散和扑救性活动。疗根据热释放率勤曲线和告烟铁释放率曲线（露图唉4.2.4.题1寒）对应比较，井可以看出：撤烟围释放丛率是随着热释坡放率增大而增挑大的，并且在袄热释放率皮达偷“就峰血顶原”批时出现一个最慰大值；尔后，施又随着热释放侄率的降低而减侧小。抢图饭4.2.4.耕2遍手不同辐射强度庄下的比消光面窜积租根据助图坏4.2.4.栗2真和伪表丘4.2.坡4割中的数据可以伟看出，烟气的瞧平均比消光面共积是随着辐射怪强度的增加而侄增加的。辐射萝强度越大，其袜热分解速度加式快，燃烧速度趋也越大，单位明时间的燃烧产剥物增多，烟气盯密度也就越大饥。比消光面积捐的极值在辐射样强度宰为赌35钓k面W夕﹒势m熄-2袄时出现最大值挪。这是因为在纽35芬k敬W章﹒涌m怨-2伙时燃烧的热释昆放速率最小，禾产物燃烧不充本分；而在小于恰35液k锅W接﹒衡m多-2翼时，由于辐射利强度较低，分货解速度较小，凭产物较少，烟映气密度也就小傲；在大于粥35敲k屑W标﹒伟m凉-2朝时，热释放速绕率较大，燃烧者充分，烟气密源度也相应减小携。凭表布4.2.4坑羽佩不同辐射强度掠下的平均比消贱光面积笔辐射强颤度势(k新W或﹒牛m月-2惯)糊25国30抽35议40揉50怖平均比消光面栽积盐(龟m蹲2肃/kg)躺27.80皮36.54男37.92撞34.71种48.64蚀4.2.晌5卸一氧化碳的产若率酱在火灾初期，塑除了上述研究渡的烟密度之外淋，影响人员安隆全疏散的另外舌一个重要因素此是烟气的毒性风。纵观近几年溉来国内外的大昂小火灾，绝大炕多数人员死亡叔是因为烟气中诸毒。其中，最行常见的是一氧馅化碳中毒。不惯同辐射强度下仁的滥一氧化碳产率跨见循图兴4.2.甩5滩。的表控4.2.5宵锤不同辐射强度忌下的先一氧化碳平均犹产挎率件(挤kg/kg)缴25k霞W扬﹒信m默-2祸30k奶W石﹒目m液-2册35k论W锣﹒遍m威-2红40k株W纱﹒走m标-2颗50k概W爸﹒扛m忙-2要1浅分钟女0.2040榜0.0142锤0.0143甲0.0107律0.0094扁2立分钟贩0.0134饲0.0113阴0.0110亿0.0088逢0.0087言3坑分钟吨0.0109躁0.0100马0.0095稿0.0078年0.0078爬4兔分钟尝0.0095蝴0.0094情0.0091销0.0070诸0.0070妖5渠分钟摇0.0088幼0.0086低0.0065未0.0065耻0.0091双6汪分钟休0.0087杜0.0083陪0.0062蝴0.0061粘0.0089春从家表添4.2.买5上中可以看出，捧随着辐射强度墓的增大，一氧凑化碳的产率将色减小；随着火李势的增大，其专产率也会减小肤。根据此规律屡，在真实火灾醒初期，由于热杯辐射强度不大番、火势较小，称会有大量的一粪氧化碳产生，盐将严重影响人幕员的安全疏散影。因此，研究扯小型实验中一呜氧化碳产率对肯指导真实火场浙的安全疏散有群着重要的意义杂。蹄图磨4.2.5逃骗不同辐射强度甚下的鼠一氧化碳产率颂曲线谱4.腹3盛仿白橡板与三汗夹板、松木板故的燃烧性能比杜较挥选取在辐射强源度香为庭35踢k罚W烤﹒床m博-2姓时背三种材料馋的点燃时间、般平均热释放速疗率、平均比消扑光面积、一氧佛化碳产率等燃愁烧性能进行比赌较。拨4.3.葱1破点燃时间的比铅较岸表谣4.3.1训糕考三种材料的点醒燃时间析仿白橡板痛三夹板眼松木板罗点燃时间绢（纪s每）魄175嫩87巩55潜如渡表母4.3.舞1寨所示，仿白橡宝板的点燃时间默较三夹板、松膀木板的要长，更表明与另两种厕材料相比，在抱火灾条件下其如不易被点燃，忽具有一定的不断然性。无4.3.井2羽热释放速率的创比幼较如层图仪4.3.2率架盖三种材料的热枯释放速率曲线吹图陈4.3.暴2载和午表脱4.3.砍2植显示了三种材朵料的热释放速叹率与时间的曲尖线关系以及平誓均热释放速率星值和最大热释仰放速率值。葡表飘4.3.2搬朴税三种材料的热弹释放速率（怎k差W靠﹒旧m冠-2支）罗仿白橡板塞三夹板提松木板叮平均热释放速尸率诱73.15靠118.52有99.4窜最大热释放速系率固178.52来410.95狭178.4既可以看出，仿仰白橡板的平均步热释放速率比佳三夹板、松木板板的要小；其窑热释放速率的搏最大值比三夹犹板的要小，比玉松木板的比较胡接近。总体上左看，其在真实反火灾中反映出杏来的火灾危险歪性比其它两种滋材料的要小，士发生轰然的可嫌能性也比其它艇两种材料的要叨小。躁4.3.煮3源质量损失速率赤的比较垒仿白橡板的质箱量损失速率比叼松木板的要大纳，但比三夹板许的要小。见心表妻4.3.些3窃。说明其在真晕实火灾条件下抄，具有较小的桌火焰传播速度宾，有较小的火境灾危险性。锁表咽4.3.3捆亦三种材料的质伸量损失速率假（训g/戏s领）饭仿白橡板漆三夹板撒松木板歉平均质量损失为速率址0.065丘0.103搭0.055才最大质量损失妻速率怜0.178为0.355除0.133肺4.3.舌4搜比消光面积的讨比较责图错4.3.4庸妖颜三种材料的比捏消光面积曲线殊上图是三种材效料的比消光面段积的曲线。由政表箭4.3.弯4筛可知，仿白橡货板的平均比消调光面积居中，冠但其最大值要申大于其它两种小材料的极值。礼仿白橡板燃烧假产物的密度总鬼体上比三夹板留、松木板的要吨大。因此，来烟粒子的遮蔽事作用也比三夹蹲板、松木板的猾要大得多。寇表舍4.3.4葵乓挖三种材料的比挑消光面积（怎m塘2细/kg弦）趋仿白橡板辅三夹板穿松木板局平均比消光面朽积牌37.92凯54.26毫22.24固最大比消光面敢积诊384.7耕164.67级112.18列4.3.插5艰一氧化碳产率相的比较盘三种材料的一坚氧化碳产率曲来线见酬图丈4.3.认5捉。其平均值和葱最大值也在兰表绞4.3.欲5映中列出。仿白耍橡板一氧化碳查产率的平均值隐和最大值都比付三夹板、松木楚板的要大得多僵。因此，其烟肤气毒性也要大耗得多。奇图汗4.3.5帽悼贱三种材料的一耕氧化碳产率曲闸线蠢表过4.3.5吩还源三种材料的一边氧化碳产率舰（我kg/k脱g蜜）将仿白橡板奸三夹板处松木板母平均一氧化碳净产率舍0.0192匆0.0098拢0.011拖最大一氧化碳参产率伶1.2012息0.1982姑0.53865．结论雨通过对仿白橡膜板的锥形量热协仪实验和分析蝴，评价其燃烧稻特性，并且与灰三夹板、松木锦板的燃烧特性沾比较，可以得荷出下列结论：怕点燃时间随辐塞射强度增大而队减小；能够将批仿白橡板点燃滔的最小辐射强于度约旋为公4.6601守1扮k像W货﹒鸽m校-2调。主平均热释放速抛率总体上随辐率射强度的增加亭而增加。拥质量损失速率宣随着辐射强度级的增大而增大某。湿烟释放速率随灿热释放速率增上大而增大，减鼻小而减小。挠消光面积随辐样射强度增大而咐增大。要一氧化碳产率舒随辐射强度增具大和火势的发贿展而减小。听仿白橡板与三鬼夹板、松木板肆相比，具有较算好的不燃性，河但其燃烧产物牧较多、毒性较些大。在一定的折应用条件下要颈优于其它两种庭板材。研锥形量热仪的尊实验环境相对肤于实际火灾环恩境时比较稳定季，火灾时的氧践气浓度往往会位偏亚低，直接应用成锥形量热仪的虽实验结果来预车测实际火灾时率的燃烧特性会坊产生一些偏差俯。因此需要进背一步研究材料盾在各种氧气环姿境下的燃烧性逼能，对模型进苏行修正。参考文献狐[1]Tos拥hiroH枣arada抱;Time雷