專利名稱：一種熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于火災(zāi)安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及對熱塑性材料火災(zāi)情況下熔融流動燃燒現(xiàn)象進(jìn)行研究的實驗?zāi)M裝置。
背景技術(shù)：
近年來，聚合物在建筑物中大量應(yīng)用，因此帶來的消防隱患也引起了廣泛關(guān)注。對于熱塑性聚合物在火災(zāi)情況下有一個很重要的熔融流動燃燒現(xiàn)象，即材料在燃燒過程中并不是直接由固體氣化后燃燒，而是先融化成液體，然后進(jìn)一步分解燃燒。熔融后燃燒著的液體可以將火源帶到下方，引燃下方的可燃物。使火災(zāi)情況下熱塑性材料的燃燒不僅呈現(xiàn)出向上蔓延的現(xiàn)象，也同時向下蔓延，加快了火災(zāi)的蔓延速率。同時，如果熱塑性材料的下方是地板，熔融滴落后的液體在熱塑性材料的下方形成油池火，油池火與上方熱塑性材料的燃燒會形成相互促進(jìn)的耦合環(huán)效應(yīng)。油池火的發(fā)展會促進(jìn)熱塑性材料的燃燒熔融，加快熱塑性材料的燃燒，熱塑性材料燃燒加快后會有更多熔融滴落的液體補充下方油池火，促進(jìn)油池火的發(fā)展。針對這種耦合環(huán)效應(yīng)的研究，對于認(rèn)識熱塑性材料的火災(zāi)危險性有重要意義，同時可以為消防設(shè)計提供可靠依據(jù)。目前針對熱塑性材料熔融流動燃燒的耦合環(huán)效應(yīng)的研究尚缺乏有效的實驗手段。 當(dāng)前有一種Kebab實驗裝置，該裝置將熱塑性材料做成卷筒狀，通過兩個電子天平分別測量熱塑性材料卷筒和下方熔融滴落的液體的質(zhì)量，點火源采用7號歐洲標(biāo)準(zhǔn)火。該裝置可以有效測量兩部分的質(zhì)量，但是對于火災(zāi)中最重要的參數(shù)熱釋放速率卻缺乏有效的表征手段，兩部分熱釋放速率的獲取僅能通過質(zhì)量損失速率與燃燒熱值推測獲取，對總的熱釋放速率的表征必然存在很大誤差，同時，由于實驗裝置過大，移動不便，影響了實驗參數(shù)的調(diào)整設(shè)計。還有一種實驗裝置是將熱塑性材料板直接貼附在IS09705燃燒室壁面進(jìn)行燃燒， 這種辦法可以有效獲取燃燒的總的熱釋放速率，卻無法表征兩部分的熱釋放速率，對于液固兩種狀態(tài)的耦合作用體現(xiàn)的不是很明顯。還存在一種T型槽的實驗裝置，該裝置通過在熱塑性材料板下方布置一個T型槽來考察不同熱塑性材料火災(zāi)情況下熔融滴落后流淌的距離，該裝置適用于研究初期對熱塑性材料熔融流動能力的定性研究，無法對耦合環(huán)效應(yīng)做出有效表征。熱塑性材料研究還有一種實驗裝置是將熱塑性材料板布置在IS09705集煙罩下方自由燃燒，這種裝置可以有效測量總的熱釋放速率，也體現(xiàn)了耦合環(huán)效應(yīng)對熱塑性材料燃燒的影響，但是對油池火任其自由發(fā)展，未能有效定量表征兩部分的熱釋放速率。

發(fā)明內(nèi)容
為解決目前針對熱塑性材料熔融流動燃燒的耦合環(huán)效應(yīng)尚無有效實驗研究手段的問題，本發(fā)明提供一種用于研究熱塑性材料熔融流動燃燒行為的實驗裝置，以便可以對熱塑性材料熔融流動燃燒的耦合機(jī)理開展定量研究。本發(fā)明解決該問題的技術(shù)方案一種熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，包括煙氣收集裝置及測量裝置，所述煙氣收集裝置包括集煙罩，所述集煙罩下方設(shè)實驗材料固定裝置，所述實驗材料固定裝置包括承重架體；在所述承重架體內(nèi)側(cè)下方設(shè)質(zhì)量損失速率測量裝置，所述質(zhì)量損失速率測量裝置包括油盤和電子天平；在所述承重架體外側(cè)設(shè)溫度測量裝置，所述溫度測量裝置包括熱電偶樹和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所述承重架體為框式結(jié)構(gòu)，由底座、承重梁和承重柱構(gòu)成；所述承重梁上設(shè)固定架體和移動架體，所述移動架體上端通過支撐軸鉸接于所述固定架體的上端部，在固定架體和移動架體之間設(shè)支撐梁調(diào)節(jié)支撐角度并固定。在固定架體和移動架體之間還設(shè)有量角標(biāo)尺，其測量范圍為0-120度；所述支撐軸上設(shè)固定墊片。所述集煙罩上依次連接彎管、穩(wěn)流管段、測試管段和排煙管段。所述的測試管段上面設(shè)煙氣采樣孔。所述排煙管段的末端連接變頻抽風(fēng)機(jī)。所述熱電偶樹包括底盤和承重支柱，所述承重支柱底端固定在底盤上，承重支柱上布設(shè)若干熱電偶安裝架。所述熱電偶安裝架包括固定在承重支柱上的延伸段，延伸段尾端固定熱電偶套管。所述測量裝置為量熱儀及氣體分析儀。該模擬實驗裝置還設(shè)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其包括工業(yè)相機(jī)和三腳架。所述的固定架體長度滿足實驗材料固定裝置的穩(wěn)定性要求。所述移動架體采用支撐軸與底座相連，同時移動架體角度可變。所述的集煙罩完全覆蓋實驗材料固定裝置上方區(qū)域，實驗中產(chǎn)生的煙氣可以全部收集。所述的穩(wěn)流管段采用幾片穩(wěn)流網(wǎng)實現(xiàn)穩(wěn)流，所述的測試管段上面打孔用于煙氣采樣， 通過氧耗法測量總的熱釋放速率，通過煙氣分析儀測量各種氣體組分。所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集軟件。所述的質(zhì)量損失速率測量裝置還設(shè)有計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集軟件。防火板位于油盤和電子天平中間，降低油盤對電子天平的熱危害。所述的視頻監(jiān)控系統(tǒng)還設(shè)有計算機(jī)和錄像軟件。本發(fā)明的有益效果為
(1)可分別測量熔融流動燃燒中總的熱釋放速率和油池火的熱釋放速率。(2)可分析多種因素對熔融流動燃燒的影響，如材料、厚度、角度、材料距離油盤距
宣坐兩寸。(3)可測量多種參數(shù)受熔融流動燃燒的影響。如熱釋放速率、質(zhì)量損失速率、溫度場分布和煙氣濃度等。(4)設(shè)計安裝方便。


下面結(jié)合附圖，通過具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。圖1為實驗裝置總體示意2為實驗材料固定裝置示意圖
圖3為實驗材料固定裝置細(xì)部示意4為熱電偶樹細(xì)部示意中
1-集煙罩；2-彎管；3-穩(wěn)流管段；4-測試管段；5-排煙管段；6-承重架體；6a-承重梁；6b-承重柱；7-固定架體；8-移動架體；9-底座；10-支撐梁；11-量角標(biāo)尺；12-支撐軸；13-固定墊片；14-油盤；15-電子天平；16-底盤；17-承重支柱；18-延伸段；19-熱電偶套管；20-固定螺絲；22-工業(yè)相機(jī)；23-三腳架。
具體實施例方式如圖1-4所示，本發(fā)明包括實驗材料固定裝置、煙氣收集及測量裝置、溫度測量裝置、質(zhì)量損失速率測量裝置和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。實驗材料固定裝置包括承重架體6、固定架體7、移動架體8、底座9、支撐梁10、量角標(biāo)尺11、支撐軸12和固定墊片13。承重架體6為框式結(jié)構(gòu)，采用鋼條或角鋼制作，由底座9、承重梁6a和承重柱6b構(gòu)成；承重梁6a上設(shè)固定架體7和移動架體8。承重架體兩邊承重柱6b的距離應(yīng)大于實驗設(shè)計的最大油盤尺寸10-30cm，高度應(yīng)根據(jù)實驗測量的尺寸設(shè)計，一般應(yīng)保證實驗材料尺寸距離地面5-lOcm，如果實驗中考慮材料距離地板距離的影響， 可以將高度適當(dāng)加大，通過調(diào)整支承軸12的位置來調(diào)節(jié)距離。固定架體7主要是起到支撐點的作用，方便移動架體8作角度調(diào)節(jié)。固定架體7采用角鋼結(jié)構(gòu)，上面打有槽孔，主要是方便支撐梁10在上面可以連續(xù)移動，以便移動架體8和固定架體7之間的角度可以連續(xù)調(diào)節(jié)。支撐梁10—端固定在固定架體7上，另一端固定在移動架體8上。在固定時采用三片固定墊片13固定在固定架體7和移動架體8的槽中或者直接固定在孔中。采用三片的目的是有效固定，如果采用單片固定墊片13，在支撐時會帶來滑動的問題。量角標(biāo)尺11焊接在固定架體7上，量角標(biāo)尺11的范圍應(yīng)不低于90度，材料為鋼等耐高溫材料。在實驗使用中，量角標(biāo)尺11的測量角度應(yīng)做校正，確保在材料板垂直向下時，對應(yīng)的量角標(biāo)尺角度校準(zhǔn)為0度。煙氣收集及測量裝置包括集煙罩1、彎管2、穩(wěn)流管段3、測試管段4、排煙管段5和量熱儀及氣體分析儀等設(shè)備。集煙罩1的尺寸應(yīng)可以收集實驗中所有產(chǎn)生的煙氣，集煙罩1 下方為垂直擋板，上部為導(dǎo)流狀結(jié)構(gòu)，使收集的煙氣可以順利通過彎管2收集到管道中。管道設(shè)置一段穩(wěn)流管段3，穩(wěn)流管段中放置若干片整流網(wǎng)。穩(wěn)流段主要是讓煙氣混合均勻，方便測試管段4中煙氣組分等參數(shù)的測試。測試管段4中打孔設(shè)置抽氣管，通過抽氣泵將煙氣抽取，經(jīng)干燥過濾后測量氧氣、一氧化碳和二氧化碳等組分濃度，通過氧耗法計算總的熱釋放速率。為保證煙氣及時排除，在排煙管段5末端設(shè)變頻抽風(fēng)機(jī)。溫度測量裝置，包括熱電偶樹和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。熱電偶樹包括底盤16，承重支柱 17和若干熱電話偶安裝架，該裝置包括延伸段18、熱電偶套管19和固定螺絲20。在實驗中通過固定螺絲20來調(diào)節(jié)熱電偶的布置位置，使熱電偶在熱電偶樹上等距分布。采集的溫度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集模塊后，采用RS232接口與電腦連接，通過數(shù)據(jù)采集軟件獲取實時溫度數(shù)據(jù)。質(zhì)量損失速率測量裝置包括油盤14和電子天平15。油盤14放在實驗材料板地下方，用于收集燃燒熔融后的流淌液體，模擬熔融流動燃燒耦合環(huán)效應(yīng)中油池火的作用，油盤 14的大小應(yīng)能完全收集所有的流淌液體，同時油盤14的尺寸不宜過大，如果過大將因散熱過快等原因，無法有效觀察耦合環(huán)效應(yīng)，油盤14的大小應(yīng)以剛好收集全部流淌液體為宜。電子天平15與油盤14之間放置防火板，以降低燃燒對電子天平的熱危害。電子天平的量程范圍應(yīng)在一二百千克。電子天平應(yīng)與電腦連接，并通過數(shù)據(jù)采集軟件獲取實時質(zhì)量變化， 通過質(zhì)量損失速率可以計算出油池火的熱釋放速率。視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括工業(yè)相機(jī)22和三腳架23，實驗中通過調(diào)節(jié)三腳架23的高度使工業(yè)相機(jī)22與實驗裝置持平，用于實時記錄實驗過程。工業(yè)相機(jī)22與計算機(jī)相連，并通過錄像軟件進(jìn)行實時錄像記錄拍攝的實驗過程。
實施例如圖1-4所示，本發(fā)明通過固定熱塑性材料板和下方的油池火燃燒模擬熱塑性材料熔融流動燃燒的耦合環(huán)效應(yīng)。在本實施例中熱塑性材料板的尺寸為lm*0. 6m，承重架體6 的高度為1. 3m，兩側(cè)的距離為0. 9m,固定架體7的長度為0. 8m，兩側(cè)的距離為0. 61m，移動架體8的長度為0. 8m，移動架體8上面和側(cè)面均設(shè)置槽孔，移動架體8采用角鋼制作，上面通過螺絲安裝熱塑性實驗材料板。移動架體8側(cè)面通過支撐梁10與固定架體7相連。固定架體7和支撐梁10均設(shè)置槽孔。槽的長度為10cm，孔的大小滿足螺絲安裝需要。固定架體7和支撐梁10的安裝以及移動架體8和支撐梁10的安裝均采用三片固定墊片13進(jìn)行螺絲安裝的方式，若支撐梁10與固定架體7和移動架體8的安裝位置剛好在孔處，則可以采用一塊固定墊片13打孔安裝，若安裝位置在槽處，為防止滑動，需要采用上中下三塊固定墊片13，支撐梁的螺絲打孔安裝位置在中間的固定墊片13上，上下兩片固定墊片13起到防止滑動的作用。實驗用的熱塑性材料板安裝在移動架體8上，通過調(diào)整移動架體8的高度和角度改變熱塑性材料板地高度和角度。移動架體8與固定架體7的角度通過量角標(biāo)尺 11測量，量角標(biāo)尺11焊接在固定架體7上。實驗前進(jìn)行角度校準(zhǔn)，確保熱塑性材料板垂直放置時角度為0。量角標(biāo)尺11的角度范圍為0-120度。熱塑性材料板離地板的高度可通過改變支承軸12在固定架體7上的位置來調(diào)節(jié)。集煙罩1的尺寸為3m*;3m，垂直擋板高度為lm，將整個燃燒部分的裝置覆蓋在集煙罩1下，確保煙氣可以全部收集。彎管2穿過集煙罩1，并與集煙罩1密封焊接，通過彎管2 將實驗收集的煙氣輸送至穩(wěn)流管段3，穩(wěn)流管段3設(shè)置了三片網(wǎng)狀穩(wěn)流網(wǎng)，對來流的煙氣進(jìn)行穩(wěn)流。測試管段4與穩(wěn)流管段3中間有一段普通管段，距離約為2m，測試管段4上打孔設(shè)置抽氣管，通過抽氣泵將煙氣抽出，經(jīng)干燥過濾后測量氧氣、一氧化碳和二氧化碳等組分濃度，通過氧耗法原理測量總的熱釋放速率。溫度場分布的測量通過熱電偶樹和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取。底盤16采用實心鋼結(jié)構(gòu)， 厚度約為5cm，承重支柱17高1. 3m，等距分布6只熱電偶。熱電偶的高度通過承重支柱17 上的固定螺絲20調(diào)節(jié)，熱電偶伸出熱電偶套管19的長度可通過熱電偶套管19上面的固定螺絲20調(diào)節(jié)。熱電偶獲得的溫度信號進(jìn)入17018數(shù)據(jù)采集模塊，模塊通過RS485轉(zhuǎn)232接口后，再使用USB/串口轉(zhuǎn)接口與計算機(jī)相連，數(shù)據(jù)采集軟件采用建筑火災(zāi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 實時獲取采集的溫度信號。油盤14的尺寸為0. 7m*0. 7m*0. lm,油盤14置于熱塑性材料板下方，收集燃燒過程中產(chǎn)生的流淌液體。油盤14與電子天平間15放置防火板，隔絕燃燒時對電子天平15的熱危害。電子天平的量程為100kg，精度為O.lg，用于精確測量油池火的質(zhì)量變化。電子天平在使用前需去皮，以消除油盤14和防火板的重量影響。電子天平與計算機(jī)連接，數(shù)據(jù)采集軟件為用VB根據(jù)電子天平通訊協(xié)議自編的軟件。視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括工業(yè)相機(jī)22和三腳架23。工業(yè)相機(jī)22拍攝速率為61fts，采用1394B接口，分辨率為780*580。三腳架最高工作高度為1675mm，最低工作高度為485mm， 角架節(jié)數(shù)為4節(jié)，最大負(fù)荷12kg。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明做任何形式的限制。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)和方法實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的技術(shù)和方法方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，包括煙氣收集裝置及測量裝置， 其特征在于所述煙氣收集裝置包括集煙罩(1)，所述集煙罩(1)下方設(shè)實驗材料固定裝置，所述實驗材料固定裝置包括承重架體(6)；在所述承重架體(6)內(nèi)側(cè)下方設(shè)質(zhì)量損失速率測量裝置，所述質(zhì)量損失速率測量裝置包括油盤(14)和電子天平(15)；在所述承重架體 (6)外側(cè)設(shè)溫度測量裝置，所述溫度測量裝置包括熱電偶樹和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，其特征在于 所述承重架體(6)為框式結(jié)構(gòu)，由底座(9)、承重梁(6a)和承重柱(6b)構(gòu)成；所述承重梁 (6a)上設(shè)固定架體(7)和移動架體(8)，所述移動架體(8)上端通過支撐軸(12)鉸接于所述固定架體(7)的上端部，在固定架體(7)和移動架體(8)之間設(shè)支撐梁(10)調(diào)節(jié)支撐角度并固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，其特征在于 在固定架體(7)和移動架體(8)之間還設(shè)有量角標(biāo)尺(11)，其測量范圍為0-120度；所述支撐軸(12)上設(shè)固定墊片(13)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，其特征在于 所述集煙罩(1)上依次連接彎管(2)、穩(wěn)流管段(3)、測試管段(4)和排煙管段(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，其特征在于 所述的測試管段(4)上面設(shè)煙氣采樣孔，所述排煙管段(5)的末端連接變頻抽風(fēng)機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，其特征在于 所述熱電偶樹包括底盤(16)和承重支柱(17)，所述承重支柱(17)底端固定在底盤(16)上， 承重支柱(17 )上布設(shè)若干熱電偶安裝架。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，其特征在于 所述熱電偶安裝架包括固定在承重支柱(17)上的延伸段(18)，延伸段(18)尾端固定熱電偶套管(19)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，其特征在于 所述測量裝置為量熱儀及氣體分析儀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，其特征在于 在所述油盤(14)和電子天平(15)之間設(shè)防火板。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項所述的熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，其特征在于該模擬實驗裝置還設(shè)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其包括工業(yè)相機(jī)(22)和三腳架(23)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱塑性材料熔融流動燃燒行為模擬實驗裝置，包括煙氣收集裝置及測量裝置，所述煙氣收集裝置包括集煙罩，所述集煙罩下方設(shè)實驗材料固定裝置，所述實驗材料固定裝置包括承重架體；在所述承重架體內(nèi)側(cè)下方設(shè)質(zhì)量損失速率測量裝置，所述質(zhì)量損失速率測量裝置包括油盤和電子天平；在所述承重架體外側(cè)設(shè)溫度測量裝置，所述溫度測量裝置包括熱電偶樹和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本發(fā)明可測量多種參數(shù)受熔融流動燃燒的影響。同時可以研究多種因素對熔融流動燃燒的影響，如材料、厚度、角度、材料距離油盤距離等。通過本發(fā)明的使用，可以為熱塑性材料熔融流動耦合環(huán)效應(yīng)的研究提供有效的研究工具和測量手段。
文檔編號G01N33/22GK102323392SQ20111025377
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者夏恩亮, 張和平, 王學(xué)貴, 程旭東, 陳彥偉 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)