（安全技术及工程专业论文）计算机显示器火灾特性的实验研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , c o m p u t e r sa r ew i d e l yu s e di n o u rl i v e s c o m p u t e r s ，b e e ni no f f i c e s ，h o m e s ，i n t e r a c tb a r sa n de l e c t r i c a lr e a d i n g r o o m s ，n o to n l ym a k el i v e sc o n v e n i e n t ，b u ta l s oi n c r e a s ef i r er i s ki nt h e s ep l a c e t g d t at e c h n i q u ei su s e dt os t u d yp y r o l y s i so fe n c l o s u r em a t e r i a l so fc o m p u t e r m o n i t o ru n d e rd i f f e r e n tk i n d so fe n v i r o n m e n t ( a i ra n dn i t r o g e n ) a n dh e a t i n gr a t e s ( 10 、 3 0 、5 0 。c m i n ) i ti sf o u n dt h a tp y r o l y s i si na i rc a r lb ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ，b u t t h e r ea r eo n l yt w os t a g e sw h e np y r o l y s i si st a k e ni nn i t r o g e n t ，l a c k i n gt h el a s ts t a g e o fo x i d a t i o na n dh e a te m i s s i o ni na i r f u r t h e r m o r e ，w i t ha c t i v a t i o ne n e r g yo fe a c h s t a g ed e c r e a s i n g ，i ti sg a i n e dt h a tt h es t a b i l i t yo ft h ee n c l o s u r em a t e r i a l si sr e d u c i n ga s t e m p e r a t u r ei sr i s i n g i na i r , l o w e rh e a t i n g r a t eb e n e f i t sp y r o l y s i sw h e nt e m p e r a t u r ei s l e s st h a n415 c ，a n di ti sc o n t r a r yw h e nt e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a n4 15 ( 2 l o w e r h e a t i n gr a t eh e l p s t ot h ep y r o l y s i si nn i t r o g e n i s o9 7 0 5s t a n d a r dr o o mi su s e dt of u l l s c a l ee x p e r i m e n ts t u d yo fc o m p u t e r m o n i t o r si nc o n f i n e ds p a c e ，a n dh e a tr e l e a s er a t e ( u p r ) ，t e m p e r a t u r ea tt h ec e n t r e o fd o o r , t e m p e r a t u r ei ns t a n d a r dc o m b u s t i o nr o o m ，e x t i n c t i o nc o e f f i c i e n t ( e x t ) ， s o o tc o n c e n t r a t i o na n dy i e l dr a t ea r em e a s u r e di ni t b a s e do nt h es t u d yo ft h e c o n n e c t i o nb e t w e e nh r ra n dv e n t i l a t i o nf a c t o r , p e a kh r rw i t ht h ev e n t i l a t i o na r e ai s z e r oi sd e f i n e da sn e th e a tr e l e a s er a t e ，w h i c he x p r e s s e st h ep e a kh r r w h e nt h e c o m b u s t i o nh a p p e n e di nt h ec l o s e dr o o m u s i n gt h en e tr e l e a s er a t e ，i ti sr e c e i v e d t h a tt h ec o n n e c t i o nb e t w e e ns e v e r a lp a r a m e t e r sa n dv e n t i l a t i o nf a c t o r m o r e o v e r , o n t h eb a s i so ff i r ec h a r a c t e r i s t i ci nd e f i n e ds p a c e ，c o m b u s t i o np r o c e s sc a nb es i m p l y d i v i d e di n t ot w os t a g e s ：a s c e n d i n gs t a g ea n dd e s c e n ts t a g e ，s ot h er e l a t i o nb e t w e e n s e v e r a lp a r a m e t e r sa n dh r ra r es t u d i e dd u r i n gt h e s et w os t a g e s t h es t u d yo nt h ep y r o l y s i sk i n e t i c sa n df u l l - s c a l ee x p e r i m e n t so fc o m p u t e r m o n i t o r sp r o m o t e st h ek n o w l e d g eo np y r o l y s i sp r o c e s sa n dt h ei n f l u e n c e so fo u t e r f a c t o r st of i r ec h a r a c t e r i s t i c t h es t u d ya l s ob e n e f i t st h ee v a l u a t i o no ff i r er i s ko f c o m p u t e rm o n i t o r sa n dt h ea v o i d a n c eo fc a s u a l t ya n dp r o p e r t yl o s si nf i r e k e yw o r d s ：c o m p u t e rm o n i t o r , p y r o l y s i s ，k i n e t i c s ，f i r ec h a r a c t e r i s t i c ，v e n t i l a t i o n f a c t o r , f u l l - s c a l e i i 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：乙幻勿 刁年n 日 第1 章绪论 1 1 引言 随着经济以及科学技术的迅速发展，计算机作为一种常用的工具在e l 常生活 中不断得到普及。办公室、家庭、网吧、电子阅览室等都存在不同数量的计算机， 大量使用的计算机给人们日常工作带来了便利，但是也增加了其所在场所火灾的 危险性。1 9 9 9 年6 月，北京西城区一处住宅突起火灾，消防队对火灾的调查显 示其起火点为卧室里的一台计算机显示器。1 9 9 9 年1 2 月3 1 日，北京某大厦空 无一人的办公室里计算机发生自燃，幸亏楼内的自动喷淋系统才得以消除火灾隐 患。2 0 0 2 年6 月1 6 同，北京市海淀区学院路2 0 号石油研究院内蓝极速网吧发 生特大火灾，造成2 4 人死亡，1 3 人受伤，这是新中国成立以来，北京市死伤人 员最多的火灾，引起了社会的震惊。由于计算机显示器意外起火而导致的火灾时 有发生，这一安全隐患应该引起足够的重视。 据美国消防管理局的一份调查显示：在2 0 0 3 年，电气问题大约造成了6 7 8 0 0 起住房火灾和86 8 亿美元的损失，而且电气问题大概每年都会造成4 8 5 人死亡 和2 3 0 0 多人受伤( u n i t e ds t a t e sf i r e a d m i n i s t r a t i o n ，2 0 0 6 ) 。此外，由于电器生产 厂商的技术虬及工艺问题，部分电器的设计存在一定的缺陷，而这种缺陷提高了 电器火灾发生的概率。2 0 0 3 年，i b m 公司总菸接收到七例显示器线路板过热的 事故报告，其中一例还造成了财产损失，于是i b m 公司紧急召回了已生产的2 35 万台c r t 显示器。 ( a ) 办公室 ( b ) 家庭 托) 网吧 图1 1 日常生活中的计算机 ( d ) 电子阅览室 近年来，电器火灾呈明显增长趋势，而且火灾中会产生大量有害气体，对人 们的生命财产造成巨大的威胁。电器火灾是一种重要的建筑火灾，是直接由于电 流或者静电引起的f v b a b r a u s k a s ，2 0 0 8 ) 。电器火灾不同于其他类型火灾，其在 燃烧过程中释放热量太、烟气产率高以及毒性气体产量大等方面都将其同其他类 型火灾区分开来，显示出更大的火灾危险性。家用电器引起的火灾安全问题逐渐 为人们所关注是基于以下几个特点：1 ) 材料易受热分解，燃烧时产生大量可燃 气体并伴随着大量热量的释放，缩短轰燃出现的时间，促进室内火灾的发展，从 而对人员安全疏散和灭火救援造成巨大的威胁；2 ) 燃烧产物包含大量有毒烟气， 如c o ，h c i ，h c n 等，这些是火灾中人员致死的主要原因；3 ) 燃烧时材料表面 形成炭层，其表面的火焰扑灭后，残炭层下的热解区如果得不到有效抑制，仍会 不断释放出可燃气体，遇到高温或明火时容易复燃。 1 2 电器火灾的原因 电器火灾发展迅速，一旦由其引发的火灾蔓延到家具，轰燃可在数分钟内发 生，导致的火灾损失将非常严重。因此，无论是经济损失或生命代价，电器火灾 的严重性都不可小视。 对电器火灾案例的调查研究结果表明，引起电器火灾的主要原因有三个：内 部火源、外部火源以及人员误用总结如表12 所示l i n e ，1 9 9 0 ，s k i ，1 9 9 6 ， a n o n y m i t y ，1 9 9 7 ) 表1 2 电器火灾的主要原因 第1 章绪论 主开关触点磨损 电子元件过压 电子元件不均衡导致过热 电容失效 内部火源 高压包故障 电路板设计不良 主引出线 待机功能 夜灯倾斜引燃 外部火源 圣诞装饰品 蜡烛倒塌或在侧面倾斜 闪电 通风不良，特别是当电器嵌入到家具里面时 人员误用 缺乏维护、清除尘垢( 尘垢积聚会导致电子失效) 频繁使用待机功能 对2 0 0 2 年至2 0 0 5 年美国电器火灾原因进行统计，得到此期间由各起火原因 引发的火灾起数统计数据b a b a r u s k a s ，2 0 0 8 ) ，如表1 3 所示。从表中可以看出， 未辨明的电子元件失效或故障、未辨明的短路以及元件缺陷或绝缘导致的短路为 导致电器火灾的三大原因，占总原因的8 3 8 。 表1 32 0 0 2 年至2 0 0 5 年美国电器火灾原因统计表 引起火灾的原因起数 百分比( ) 未辨明的电子元件失效或故障 3 6 3 0 07 未辨明的短路 2 1 4 0 0 4 元件缺陷或者绝缘损坏导致的短路 1 1 4 0 0 2 操作过程中产生的电弧或火花 4 0 0 l 误触或导体损坏导致的电弧 3 6 0 0 l 机械破坏引起的短路 3 4 0 0 l 水引起的短路 1 6 0 0 l 荧光灯适配器8 0 0 1 总计8 2 5 0 0 1 6 3 第1 章绪论 1 3 有关的规范 关于电器的标准有很多，其中美国保险商实验所( u n d e r w r i t e r sl a b o r a t o r i e s i n e ，u l ) 和国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，m c ) 钢j 定 的标准应用最为广泛，主要包括u l9 4 、u l 7 4 6 、u l6 0 0 6 5 、u l6 0 9 5 0 、i e c6 0 9 5 0 以及i e c6 0 0 6 5 。u l 9 4 将电器外壳分为五个等级，由高到低分别为5 v a 、5 v b 、 v - 0 、v - 1 、v - 2 和h b 。u l 6 0 9 5 0 和i e c 6 0 9 5 0 对只是部分涉及到了电器外部火源， 但没有详细的说明。u l 6 0 0 6 5 的内容基于i e c 6 0 0 6 5 ，但他们有着各自的实行的 地理范围，其对电器设备防止火焰传播方面有相应的规定b a b r a u s k a s ，2 0 0 7 ) ： 良好的工程设计及制造以避免潜在着火源； 难燃材料应该用于潜在着火源附近； - 应使用防火屏障阻止火的蔓延。 电器产品外壳一般由聚苯乙烯或者是高抗冲聚苯乙烯制成。为了满足较高的 防火标准，其阻燃系统一般基于溴化阻燃剂或配合三氧化二锑增加剂。对电器外 部点火源的测试表明，u l 9 4 规范中5 v a 、5 v b 、v - 0 、v - 1 、v - 2 几种外壳基本 不燃，而h b 等级的外壳则会引起燃烧( v b a b r a u s k a s ，2 0 0 7 ) 。三星公司最近提 到，要阻止外部火源对电器的影响，外壳材料必须使用v 1 以上等级的材料( h o n g s ，2 0 0 4 ) 。 1 4 火灾特性研究 聚合物燃烧的过程是一个非常复杂的物理化学过程，它不仅具有一般可燃固 体材料燃烧的基本特征，还有一些鲜明的特性。这些特性既反映在聚合物点燃之 前的加热过程中，也反映在点燃和燃烧过程中( 张军，2 0 0 5 ) 。对电器火灾特性的 研究主要可分为两个方面：一方面是电器材料热解动力学研究，分析等温条件与 非等温条件下材料的热解特性；另一方面，电器全尺寸的火灾特性研究，研究在 全尺寸条件下电器的点燃、燃烧至最后熄灭整个过程中的火灾特性。 热解动力学研究一般利用热分析技术，采用热重差热分析仪对材料的热解 情况进行分析，其已广泛应用于材料可燃性和阻燃评价的研究。热重一差热分析 仪常用于聚合物热稳定性的研究，通过热重差热曲线( t g - d t a ) 及对其进行热分 解动力学计算，可以获得更多聚合物分解过程中的信息，从而解决只用t g 或者 只用d t a 技术解决不了的问题。早期的动力学研究工作都是采用定温分析，由 于严格的定温实验很难实现，而且一条非定温的热分析曲线可包含并代替多条定 温曲线的信息和作用，非定温分析逐渐成为热分析动力学( t 的核心( 胡荣祖， 4 第1 章绪论 2 0 0 1 ) 。非定温动力学的不断发展，越来越多的材料都凭借此方法进行材料热解 特性的分析，如p v c 电缆材料( 主蔚，2 0 0 8 ) 、木质家具材料( 孙兰军，2 0 0 4 ) 、装 潢板材材料( 施海云，2 0 0 2 ) 、高分子聚合物材料( a r i g a ，1 9 9 7 ，j z i e l i n s k i ，2 0 0 0 ， r k o t s i l k o v a ，2 0 0 1 ) 等等。 i s o9 7 0 5 墙角火实验台较多的用于全尺寸火灾特性的研究，通过对家用电 器点燃后的热释放速率、温度、比消光系数以及气体浓度进行测量，从而分析其 火灾特性。电器火灾是室内火灾的一个重要组成方面，但由于实验花费的限制， 电器火灾的全尺寸研究不多。a h o n e n ( 1 9 8 4 ) 在i s o9 7 0 5 实验台内做了三台黑白 电视机的燃烧测试，当时的电视机外壳主要材料为木料，只有后盖以及其他零件 中含塑料。t r o i t z s c h ( 1 9 9 9 ) 对阻燃与非阻燃电视机进行了燃烧测试。v t tb u i l d i n g t e c h n o l o g y 的j u k k ah i e t a n i e m i ( 2 0 0 1 ) 示u 用了i s o9 7 0 5 实验台对电视机、洗衣机、 洗碗机以及空调在敞开空间做了燃烧测试实验。爱丁堡大学的c a b e c a s s i s e m p i s ( 2 0 0 7 ) 对整个卧室进行了全尺寸的实验研究，研究了在不同可燃物组合下( 包括计 算机显示器) 的火灾特性。 以上全尺寸实验研究仅仅分析了不同种类电器在受限空间内的火灾特性，缺 乏不同通风开口对火灾特性影响的研究以及特殊毒性气体产物的研究。由于供氧 条件是影响火灾特性的关键因素，通风开口对电器火灾特性存在较大的影响，而 且毒性气体产物是评价电器火灾危险性中一个重要方面，而且故本文对这些方面 进行实验研究。 1 5 毒性气体研究 几乎所有火灾都会产生大量的烟气。烟气的主要组分是燃烧产生的气相产物 与掺混进来的空气，其中混杂着许多微小的固体微粒和液滴。颗粒物的存在使烟 具有很强的遮光性，燃烧产物的不少组分是有毒的，再加上火灾烟气的温度较高， 因而烟气成为火灾中人员安全的最大威胁( 杨立中，2 0 0 1 ) 。烟气的吸入始终是导 致火灾中人员死亡的主要原因( r i c h a r dg g ，2 0 0 8 ) 。1 9 9 4 年一份美国研究报告 表明：过去四年中，火灾中由于吸入烟气导致死亡的比例占总人数的7 0 - 7 5 ， 并且有继续上升的趋势( g a n nr g ，1 9 9 4 ) 。 近二十多年来，国内外对火灾烟气危害性的研究主要以实验研究为主，主要 集中在两个方面( 冯文兴，2 0 0 8 ) ：一是生物实验研究，在各种各样的测试装置内 将不同浓度的有毒成分实施于动物来研究其毒性。通常对实验方法的要求有两点： 1 ) 测试设备能代表真实火灾条件的燃烧状况；2 ) 测试所得的数据可以在火灾风 险评估中得到应用( 杨立中，2 0 0 1 ) 。二是研究材料的燃烧与热解，分析其中特殊 5 第1 章绪论 成分或有害气体的释放机理及过程。表1 4 为不同毒性测试方法下的毒性测试仪 器( j u l i el n ，2 0 0 4 ) 。 表1 4 不同毒性测试方法下的毒性测试仪器 测试方法毒效 l c s ol l 5 0i c 5 0 o t h e r 杯炉 辐射加热炉 管式炉 烟气毒效有几种表示方式，以烟气致死量为例，其可以表示为烟气致死浓度 或致死质量。致死浓度l c 5 0 ( l e t h a l i t yc o n c e n t r a t i o no f5 0 ) 表示为单位体积内在 暴露时段或者是延长暴露时段内杀死5 0 测试动物的样品浓度。致死质量 l l 5 0 ( l e t h a ll o a d i n g5 0 ) 表示为暴露时段内杀死5 0 测试动物的质量。另外， 亚致死量表示为失能浓度i c 5 0 ( i n c a p a c i t a t i o nc o n c e n t r a t i o n5 0 ) ，其表示单位体 积内在暴露时段或者是延长暴露时段内使5 0 测试动物失去能力的样品质量或 者质量消耗。l c 5 0 、l l 5 0 、l c 5 0 这些参数的值并不是固定不变的，它们与暴露 时间有密切的关系，一般情况下，暴露时间越长，参数就越小，反之亦然。多数 试验中，暴露时间为3 0 m i n ，暴露后观察的时间为1 0 m i n - 1 4 d 。在一些试验中， 没有暴露后的观察时间。通常测定时，一般固定暴露时间为3 0 m i n ，暴露后观察 时间为1 4 d ( 黄朝阳，2 0 0 5 ) 。 烟气毒效取决于通风条件。当 c 0 2 i c o l 不小于8 时可认为此时的通风状况 为良好，反之则为通风受限。对已公开发表数据的统计表明，在通风良好状态时 测试老鼠在3 0 分钟暴露时间内的l c 5 0 为3 0 9 m 3 4 - 2 0g m 3 ，同样对于通风受限时 l c 5 0 则为1 5 9 m 3 士5g m 3 。表1 5 为一些材料在空气中燃烧时的气体产物，大量 的烟气毒效数据参见文献( j u l i el n ，2 0 0 4 ) 。 表1 5 一些材料在空气中燃烧时的气体产物( 刘军军，2 0 0 5 ) 材料 燃烧产物( 聚合物) m g 百1 c 0 2 c oc o s s 0 2n 2 0n h 3 h c nc h d c 2 h 4 c 2 h 2 聚乙烯 5 0 21 9 56 5 1 8 7l o 聚苯乙烯 5 9 02 0 77 尼龙6 ，65 6 31 9 4 4 2 63 9 聚丙烯酰胺 7 8 31 7 3 3 2 2 l2 0 6 第1 章绪论 聚丙烯腈 6 3 01 3 25 98 聚氨基甲酸酯6 2 51 6 0 l l1 73 76 聚苯撑硫化物 8 9 22 1 934 5 l 环氧树脂9 6 12 2 833 3 56 脲甲醛树脂9 8 08 02 2 三聚氰胺甲醛 7 0 21 9 02 7 1 3 65 9 树脂 至今为止，六种主要研究的气体产物分别为c o 、c 0 2 、0 2 、h c i 、h b 以及 h c n 。在两组卤化燃烧物的燃烧测试中，发现产生c o 的浓度远大于卤化酸的浓 度( r i c h a r dg g ，2 0 0 4 ) ： 一非塑性p v c 板( 含4 3 质量分数的c 1 ) 。生成的c o 的体积分数为c 0 2 的1 6 ；【c o l ：【h c i 大约为3 ( 考虑了部分h c l 的流失) ； _ 阻燃电视机壳( 含1 2 质量分数的b r ) 产生出相当的c o 和c 0 2 ；c o 与 h b r 体积分数之比为l o 。 然而，一些聚合体材料的燃烧毒性实验表明：c o 产生量在大多情况下是最 多的或者是唯一的毒性气体，但其的重要程度却不如h c l 或者h c n 。p v c 燃烧 具有毒性是因为其在火灾条件下会产生h c i ( t r h u l l ，2 0 0 7 ) 。 几种聚合物样品的毒性气体数据都是由小尺寸仪器( i s ot s1 9 7 0 0 ) 以及全尺 寸仪器( i s o9 7 0 5 ) 来进行测量的，例如聚乙烯、聚丙烯、尼龙以及中密度纤维板。 研究表明：小尺寸数据与由i s o9 7 0 5 测量的全尺寸数据( c 0 2 、c o 、h c n 、n o x 、 碳氢化合物以及烟粒子) 有着较好的一致性( a a s t e c ，2 0 0 8 ) 。 1 6 小结 计算机已成为日常生活的必需品，而且计算机显示器材料都是聚合物材料制 成的，其燃烧会释放大量的有毒气体，从而对人员造成较大的伤亡。导致电器火 灾发生的原因有很多，归纳起来可以分为三类：内部火源、外部火源以及人员误 用。关于电器的标准有很多，其中美国保险商实验所( u n d e r w r i t e r sl a b o r a t o r i e s i n c ) 和国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) $ 1 j 定的标准应 用最为广泛。 烟气毒效一般由l c 5 0 、l l 5 0 、l c 5 0 来表示，但这些参数的值并不是固定 不变的，它们与暴露时间有密切的关系，般情况下，暴露时间越长，参数就越 7 第l 章绪论 小，反之亦然。研究聚合物的六种主要的气体产物分别为c o 、c 0 2 、0 2 、h c i 、 h b 以及h c n 。c o 产生量在大多情况下是最多的或者是唯一的毒性气体产物， 但其重要程度却不如h c l 或者h c n 。 关于电器材料小尺寸的文献有很多，但高昂的花费限制了其全尺寸的实验研 究。因此，计算机的广泛使用以及越来越高比例的烟气致死量使显示器全尺寸实 验研究变的越来越重要。 8 第2 章实验装置与实验基础理论 2 1 概述 第2 章实验装置与实验基础理论 实验研究是科研工作者进行科学研究的基础。“理论指导实践，实践是检验 真理的唯一标准”以及“实践、实践、再实践”均体现了科学实验的重要性。在热 灾害现象的研究和事故后果分析等领域，实验研究及实验诊断新方法和新技术的 应用显得尤为重要( 廖光轩，2 0 0 3 ) 。2 0 0 0 年4 月在美国和7 月在英国分别召开的 国际火灾工程高级论坛( i n t e m a t i o n a lo f r u mw o r k s h o po nf i r ee n g i n e e r i n g ) ，温 度、速度、辐射热通量、热释放速率和组分浓度等参数被与会代表一致确定为必 须通过实验测量获取的火灾科学研究中的主要参数。 本文中全尺寸中所用到的实验主体装置及其配套装置在本章中得到了介绍。 全尺寸实验的主体装置为i s o9 7 0 5 墙角火实验台。i s o9 7 0 5 标准墙角火实验台 是利用室内火量热仪建立起来的国际通用进行室内火灾研究的标准房间，运用该 房间进行热释放速率的测量实验具有典型室内火灾的特征，其实验数据与材料在 真实火情中的燃烧行为具有可比性( 董惠，2 0 0 5 ) 。计算机显示器的主体是由高分 子聚合物构成的，其在燃烧时必然会生成大量的毒性气体。为了对这些气体产物 进行测量，本文中还用到了烟气分析仪。 实验装置是进行实验测量的基础，对实验装置的了解有利于对实验数据进行 正确的分析与研究。为了更好的了解后续章节中的实验过程，本章对全尺寸墙角 火实验台及配套装置和其理论进行了介绍。 2 2 全尺寸热释放速率实验台 全尺寸热释放速率实验台是按照国际标准化组织( i s o ，i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ) 在1 9 9 3 年制定的i s o9 7 0 5 标准实验方法设计建造的( i s o ， 1 9 9 3 ) 。 利用全尺寸热释放速率实验台可以在全尺寸条件下测量受限空间内的热释 放速率，这也是试验台最主要的功能。利用全尺寸实验台不仅可以对电器设备等 室内可燃物的火灾特性进行研究与分析，评价其在火灾中的反应行为，而且还可 以通过测量火灾过程中燃烧室内火灾动力学参数来研究建筑物内火蔓延的机理 和规律，从而为建筑火灾动力学演化理论的研究提供重要的实验平台( x u ， 9 l ，2 0 0 4 ，y a l l g ，y ，2 0 0 4 ) 。全尺寸热释放速率实验台主要由三个部分组成：标准 燃烧室、大型量热计以及数据采集与处理系统，图2i 为i s o9 7 0 5 实验台系统 结构示意图。 2 2 1 标准燃烧室 图2 1 i s 0 9 7 0 5 实验台系统结构示意图 全尺寸热释放速率的主体结构为采用砖混结构的标准燃烧室其内部尺寸为 36 m ( 长) x 24 m ( 宽) x 24 m ( 高) 。在实验的过程叶1 ，标准燃烧室会产生大量高温气 体，高温气体的火焰辐射能对室内结构有较太的损害。标准燃烧室内壁面和顶棚 分别贴有1 5 m m 厚的耐火玻璃棉，从而尽可能减少实验对标准燃烧室结构的损害。 标准燃烧室建立在一个无机械通风、保温而且足够太的室内空间内，从而保证了 实验对环境条件的要求。图2 2 为全尺寸热释放速率实验装置的实物图。 蔓! 望堡墼矍重皇塞墅垂墅矍堡 图2 0 全尺寸热释放速率实验装置的实物圈 标准燃烧室北墙中央开有一个o8 m ( 宽) 20 m ( 高1 的门，气体产物由此流向集 烟罩，集烟罩中的气体产物再由风机排向室外。为了更好的观察实验燃烧的现象， 东墙上开了一个20 m x 20 m 的玻璃框架。 气体点火器装置放置于集烟罩下，其开口面积为o2 m x 02 m ，该装置上层是 细砂，下层是粗砂，中间由金属丝网隔开。为了确保产生均匀稳定的火源，沙子 的上层与点火器的边缘相齐。气体点火器的主要作用是在燃烧实验进行之前对该 装置火源功率的标定。标定采用的气体燃料采用纯度9 5 以上的丙烷( c 3 h 8 ) ，通 过控制燃气的流量确定已知功率的稳定火源，从而来校准实验中实际的火源功率。 本文中实验标定点火器采用的火源功率为1 0 0 k w 。 2 2 2 大型量热计 大型量热计主要由集烟罩、排烟系统和测量段三部分构成。集烟罩开口尺寸 为3 m 3 m ，位于标准燃烧室出口的正上方，如图22 所示。集烟罩上方与排烟 管道相连，下边与燃烧室顶相齐，从而在实验过程中收集标准燃烧室中的气体产 物。设计时将周围三面不锈钢板各向下延伸l m ，从而使使气体产物尽可能多的 进入到集烟罩中。 集烟罩巾的气体产物通过排烟管道排向室外。排烟管一端与变频风机相连， 另一端与集烟罩相连。改变变频风机的流量大小可以在实验中模拟不同的通风状 况，风机流量可以在0 k s 4k g s 范围内调节。为了便于进行流量测量，在排 烟管的两端装有导向叶片，使管道中气流均匀。 测试段是大型量热计的核心部分，其内部安装有：气体成分分析取样探针、 监控体积流量的双向探针、05 m w 光度探测器的h e n e 激光系统和热电偶。图 2 3 为排烟风机设备及其变频控制器。 第2 章实验装置与实验基础理论 图2 3 排烟风机设备及其变频控制器 2 2 3 数据采集与处理系统 数据采集与处理系统包括计算机测量系统和摄像记录系统两部分。计算机测 量系统由、辐射热流计、压差变送器、k 型热电偶和安装有a g i l e n t 采集卡和数 据处理软件计算机等几个部分组成。测试段中的气体采样设备与s e r v o m e x4 0 0 烟气分析仪连接，测量气体产物中的0 2 、c o 、c 0 2 浓度；激光设备用来测量烟 气的浓度。图2 4 给出了气体取样分析流程图，用取样探针采集气体产物，经过 炭黑过滤器过滤后，再由控制台中的冷却柱冷却，经由硅胶干燥，通向s e r v o m e x 4 0 0 烟气分析仪。分析仪中0 2 的量程为0 0 旷2 5 ，c o 的量程为0 - - , 1 ，c 0 2 的量程为o 1 0 。 图2 4 气体分析取样分析流程图 为了对实验过程中实时数据进行采集，a g i l e n t3 4 9 7 0 a 型数据采集卡被安装 于测量段进行数据的采集，其特点是能够支持1 2 0 单端或者4 8 双端采集，扫描 速率最大可达到2 5 0 通道秒。计算机中特定的程序可以通过简单的数据采集和 分析确定测量热释放速率所需的各种参数( 例如时间、气体燃料的质量流量、测 量段的压差、烟气温度、气流温度、激光的相对光强度、0 2 浓度、c o 浓度、c 0 2 浓度、环境压力等) 。数据采集系统的采样间隔为5 秒一次。 全尺寸多功能热释放速率实验台能测量的参数包括热释放速率、有效燃烧热、 总释放热、比消光系数、烟气生成速率以及气体产物( c oic 0 2 ) 浓度等。 2 3 烟气分析仪 1 2 釜2 至塞壁薹墼皇堡鉴墨型垄鲨 烟气分析仪用于生产生活中烟气成分浓度的测量从而评估其危险性。为了更 好的分析和研究计算机显示器的火灾特性，本文采用烟气分析对全尺寸实验条件 下气体产物进行测量与分折。本文中所采用的烟气分析仪为德国m r u g m b h 公 司7 4 1 7 2 n s u o b c r e i s e s h e i m 生产制造的v a r i op l u s 型烟气分析仪。v a i r op l u s 烟 气分析仪用于半连续测量领域： ( 1 ) 适合于便携式连续测量和控制各种工业燃烧装置和锅炉的燃烧； ( 2 ) 适用于便携式连续监测火力发电厂、炼油厂、化工厂、科研实验室、加 热，烘干装置暖通空调等排放监测及燃烧调试： ( 3 ) 适用于连续监测各种能耗设备测试、发动机排放测试、涡轮机测试、汽 车尾气和汽轮机排放测试和锅炉容器观4 试和排放测试。 v a i r o p l u s 烟气分析仪的文物图如图2 5 所示，左右侧示意图盘图2 6 、圈27 所示。 图2 5 烟气分析仪的实物幽 注：i 液晶显示屏：2 键盘；3 挂口，4 电子链接端c l 的右边；5 气体链接端口的左边；6 气体删嚣探头。 烟气分析仪中有毒气体的测量采用电化学传感器或者红外传感器测量原理。 电化学传感嚣采用气体自然扩散技术。氧气浓度的测量采用两个极电化学传感器 而其他气体的测量像c o 、n o 、n 0 2 、s 0 2 、s 等采用三级电化学传感器- 三 极分别为传感器电极、负电极和参比电极。红外传感器测量采用了非扩散红外测 量法，可以测量c o 、c 0 2 和碳氢化合物。红外发射源提供范围为2 m 8 0 m 的 光子信号，红外灯的信号直接通过采样器到光学检测室，可以被调制为2 h z 。通 过过滤器的红外光被收集到一个检测室的多极检测器附近然后根据光强度生成 响应的电信号，检测器通过标准化的红外过滤器通过补偿来测量温度变量。检测 器的模拟信号或者数字信号可以被放大并通过路由器进行传输到控制器里边，从 而进行气体产物浓度的测量。 图2 6 烟气分析仪左侧示意图图2 j 烟气分析仪右侧示意图 注：l a u x 连接端口；2 烟气温度接口： 3 玲凝水输出端口；4 烟尘过滤器；5 采样 气体端口；6 加热探头、软管连接器：7 正压端口；8 负压端口i9 压力输出端口 烟气分析仪可以测量多种气体浓度 如表2 1 所示。 注：i 热敏打印机：2 r s 2 3 2 接口： 3 模拟信号输出：4 主保险；5 通用 供电电压：6 外部供电电压：7p c 键盘连接嚣；8 多媒体闲存卡 而且具有较高的精度，具体的技术参数 表2 1 v a i r o pl u s 烟气分析仪的技术参数 测量成分传感器类型 测量范围 分辨率 精度 0 2 电化学传感器o 2 1o 0 1 0 2 c 0电化学传感器 0 1 0 0 0 0 p p m i p p m 5 p p m 或读数的s 8 0 2 电化学传感器 0 4 0 0 0 p p mi p p m 1 5 p p m 或读数的5 电化学传感器 0 , - - 4 0 0 0 p p mi p p m5 p p m 或读数的5 第2 章实验装置与实验基础理论 n 0 2电化学传感器 0 10 0 0 p p m l p p r n士5 p p m 或读数的士5 h 2 s电化学传感器 o 1 0 0 0 p p ml p p m士1 0 p p m 或读数的士5 c o n d i r 红外传感器 0 h 1 0 0 0 o 0 l 士o 0 5 或读数的士5 c 0 2n d i r 红外传感器 m 之o o o 1 士o 6 或读数的士5 c h 4n d i r 红外传感器0 2 5 0 0 o l 士o 1 或读数的士5 烟气温度n i c r n i 热电偶 0 1 0 0 0 0 1 士1 或读数的士1 环境温度n i c r n i 热电偶 0 1 0 0 l 0 1 士l 或读数的4 - 1 风速测量函数运算 o 4 0 m s0 1 m s 士0 2 m s 或读数的士3 2 4 实验相关理论基础 2 4 1 热释放速率计算 热释放速率( h e a tr e l e a s er a t e ，h r r ) 是火灾研究中的重要参数，表示了单位 时间内样品燃烧时所释放的热量，用来衡量火灾规模的大小。通过调研可以发现， 目前测量热释放速率的方法主要有三种：替代法、重量燃烧热法和氧耗法。其 中氧耗原理是h u g g e t t ( 1 9 8 0 ) 于1 9 8 0 年提出，由于燃烧时释放的热量与消耗的氧 气量成一定的比例，燃烧过程中释放的热量可以通过测量燃烧过程中所消耗的氧 气量来进行分析。全尺寸热释放速率实验台中热释放速率的测量是基于氧耗法原 理，j a n s s e n s ( 1 9 9 1 ) 于1 9 9 1 年提出了这种实验计算热释放速率的方法。热释放速 率的计算基于以下四个假设： ( 1 ) 完全燃烧时消耗单位质量氧气所释放的净热量是常数，h u g g e t t 给出的 经验值为1 3 1 m j k g 一； ( 2 ) 所有气体都是理想气体，即等温等压下单位物质的量的气体体积是常数； ( 3 ) 引入气体的成分包括惰性组分c 0 2 、h 2 0 、n 2 ，这些气体不参与燃烧反 应； 。 ( 4 ) 0 2 、c 0 2 、c o 是通过干法测量的，即水蒸气在分析指前必须去除。 1 9 9 1 年，j a n s s e n s 认为体积流量与特定的温度和压力相关，但不同的参考温 度和压力会造成了一定程度的混乱，计算时应使用质量流量而避免使用体积流量。 假设实验过程中0 2 、c o 和c 0 2 的浓度都可以测量，则氧气消耗因子为( j a n s s e n s ， 1 9 9 1 ) ： = 驾等等掣 ， 。 ( 1 一叉乙一j ，c 仍一义c d ) 彳趁 1 5 第2 章实验装置与实验基础理论 其中： 磙实验前0 2 测量的摩尔分数； 豫实验前c 0 2 测量的摩尔分数； 如实验过程中c o 测量的摩尔分数； 实验过程中c 0 2 测量的摩尔分数； x o , 实验过程中0 2 测量的摩尔分数。 c 诫驴丢南急= 扣等= 扣，等等南口硅 弘2 ， 其中： m c 0 在采样点的质量流速，k g s ； 如g r i 一0 摩尔质量( - - 2 8 k g k m 0 1 ) 。 下游的热释放速率由以下公式给出， 毒刎= e ，褪一而q + c ，玉岛，。 、 c 2 3 ， 其中： q 。, o r 下游的热释放速率。 g 鲥= ( a m 。2 ) 删 ( 2 - 4 ) 其中： 如单位消耗氧气的质量的净热释放量( 1 7 6 m j k g ) 。 因此根据h e s s 定律，采样处的热释放速率是， g = g 捌- q 叫= e ( mo , - m o , ) - ( e c o - e ) ( a m o ：) 倒 ( 2 5 ) 整合方程得到全尺寸多功能热释放速率实验台的热释放速率为： a = 尉一( 一毋1 - 2 x c o j 。+ 纰m 。- 1 ) m 坂o , - ( 1 一硅。) c 2 6 ， 其中： 在干燥的空气中纯碳燃烧，1 1 - - 1 ；纯氢燃烧，a = 1 2 1 ；甲烷燃烧，0 【= 1 1 0 5 。 一般情况下用甲烷的值代替，作为通用的值。 质量流量本身与测试仪器相关，其计算公式为： 1 6 第2 章实验装置与实验基础理论 施如5 4 鱼f ( r e ) 痒 ( 2 - 7 ) 、乙 、。 其中： 么崮 气管道横截面积( m 2 ) ； 恐_ 速率曲线形状因子； 船流体雷诺数； 厶尸l 一经过节流板的压差( p a ) ； 如一节流板处的气体温度( k ) 。 在全尺寸量热装置中，排气管道直径和其中的气体流量比较大，雷诺数一般 超过3 8 0 0 。这时f ( r o 可取常数1 0 8 ，进而大大简化了质量流量的计算。 2 4 2 燃烧室的传热计算 实验过程中，标准燃烧室内的燃料、火焰、烟气、可燃物、墙壁以及周围环 境之间通过对流、传导和辐射三种方式相互交换热量。图2 8 给出了燃烧室内热 平衡示意图。i s o9 7 0 5 标准燃烧室内的热平衡计算由下式给出： q = + 鲸+ q ( 2 - 8 ) 其中：q c 是指燃烧的热释放速率，k w ；q c o 指通过开口对流的热损失，k w ； q w 指传导到周围环境的热