云母板箱式暖腳器的引燃能力研究

田琛正

(中國(guó)人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

0 引言

在我國(guó)南方地區(qū)，人們經(jīng)常在冬季使用箱式暖腳器進(jìn)行取暖。由于它價(jià)格低廉、使用方便、取暖效果好，深受居民青睞。箱式暖腳器根據(jù)其發(fā)熱體不同，可分為云母板、石英管、鎳鉻合金絲箱式暖腳器[1]。但是，現(xiàn)在市面銷售的箱式暖腳器產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，使用一段時(shí)間后可能會(huì)出現(xiàn)溫度控制器失效等情況[2]。另外，居民在使用完后未及時(shí)關(guān)閉電源，引燃上方覆蓋的可燃物，這也造成了箱式暖腳器火災(zāi)頻頻發(fā)生[3-5]。以貴州省銅仁市為例，從2007年到2014年，全市因箱式暖腳器引發(fā)的火災(zāi)占火災(zāi)總數(shù)的60%以上，造成81人死亡，直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)354余萬元[6]。2016年12月，湖南省株洲市云龍示范區(qū)云田鎮(zhèn)云田村一住宅發(fā)生火災(zāi)，造成3人死亡，2人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失71.4萬元，起火原因?yàn)殡娔X桌下方的箱式暖腳器處于開啟狀態(tài)，引燃覆蓋在上方的可燃物起火[7]。

云母板箱式暖腳器是人們經(jīng)常購(gòu)買的一種箱式暖腳器，其中，云母加熱板是以云母板為骨架(外殼)和絕緣層，輔以鍍鋅板或不銹鋼板作為支撐保護(hù)，中間埋入電阻絲，設(shè)計(jì)功率達(dá)1 kW，可耐600 ℃高溫。本文選用云母板箱式暖腳器為研究對(duì)象，記錄和觀察溫度控制器完好和失效兩種情況，不同功率、可燃物、覆蓋面積條件下可燃物受熱面(直接受熱面)的溫度變化和引燃情況，為預(yù)防和調(diào)查此類火災(zāi)事故提供借鑒和指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)設(shè)備：云母板箱式暖腳器(48 cm×48 cm×15 cm，壁厚2 cm，0～300 W)，K型熱電偶，F(xiàn)luke數(shù)據(jù)采集儀。試驗(yàn)材料：棉被(純棉，淺藍(lán)色)，毛毯(聚酯纖維，紫色)，桌布(棉麻，淺綠色)。

1.2 試驗(yàn)方法

在云母板箱式暖腳器溫度控制器完好和失效兩種前提下，堅(jiān)持單一變量的原則，分別調(diào)整不同功率、可燃物、覆蓋面積，將可燃物受熱面連接K型熱電偶，測(cè)量可燃物受熱面溫度，記錄和觀察1 h內(nèi)的溫度變化和可燃物、踏腳木板的引燃情況。

在進(jìn)行不同功率試驗(yàn)時(shí)，將云母板箱式暖腳器的功率分別調(diào)至100 W、200 W、300 W，云母板箱式暖腳器上方全覆蓋棉被，測(cè)量棉被受熱面的溫度變化，觀察棉被和踏腳木板的引燃情況；在進(jìn)行不同可燃物試驗(yàn)時(shí)，將云母板箱式暖腳器功率調(diào)至300 W，分別測(cè)量棉被、毛毯、桌布在全覆蓋情況下受熱面的溫度變化和引燃情況；對(duì)于不同覆蓋面積試驗(yàn)，將功率調(diào)至300 W，分別調(diào)整棉被的覆蓋面積為全覆蓋、3/4覆蓋、1/2覆蓋，記錄和觀察受熱面的溫度變化和引燃情況。

1.3 溫度測(cè)量點(diǎn)的選取

云母板箱式暖腳器呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，經(jīng)過預(yù)試驗(yàn)得知，在對(duì)稱點(diǎn)測(cè)量的溫度大致相同，故選取圖1所示的9個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置，測(cè)量上方可燃物的溫度。其中，1～6號(hào)測(cè)量點(diǎn)在云母加熱板上方，7～9號(hào)測(cè)量點(diǎn)靠近云母板箱式暖腳器箱體邊界。每組試驗(yàn)結(jié)束后，選取9個(gè)點(diǎn)中溫度最高的點(diǎn)，與其他工況進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 可燃物受熱面溫度測(cè)量點(diǎn)選取示意圖

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 溫度控制器完好條件下的試驗(yàn)

2.1.1 不同功率對(duì)引燃能力的影響

將云母板箱式暖腳器的功率分別調(diào)至100 W、200 W、300 W，上方全覆蓋棉被，棉被受熱面的溫度變化如圖2所示。根據(jù)圖2，云母板箱式暖腳器的功率越大，產(chǎn)生熱量和溫度上升的速率越快。將云母板箱式暖腳器功率調(diào)至300 W，1 h內(nèi)溫度最高可達(dá)105 ℃，云母板箱式暖腳器停止工作6次，6 min時(shí)溫度控制器第一次動(dòng)作，云母板箱式暖腳器停止工作，待溫度降至67 ℃時(shí)恢復(fù)工作。功率調(diào)至200 W時(shí)，溫度最高達(dá)97 ℃，9 min時(shí)云母板箱式暖腳器第一次停止工作，待棉被表面溫度降至68 ℃時(shí)恢復(fù)工作。功率調(diào)至100 W時(shí)，溫度緩慢上升，35 min時(shí)溫度達(dá)到最高值91 ℃，1 h內(nèi)云母板箱式暖腳器停止工作2次。在這三種功率條件下，由于溫度控制器的保護(hù)作用，棉被均未被引燃，但在300 W功率條件下，棉被受熱面有輕微、小面積熏黃的痕跡。

圖2 不同功率條件下棉被受熱面溫度變化情況

2.1.2 不同可燃物對(duì)引燃能力的影響

將云母板箱式暖腳器調(diào)至300 W，棉被、毛毯、桌布在全覆蓋條件下，受熱面溫度變化情況如圖3所示。根據(jù)圖3，在云母板箱式暖腳器功率和覆蓋面積一定的情況下，覆蓋在云母板箱式暖腳器上方的可燃物種類不同，其表面溫度變化情況不同。覆蓋棉被時(shí)，最高溫度達(dá)105 ℃；覆蓋毛毯時(shí)，最高溫度達(dá)94 ℃；覆蓋桌布時(shí)，最高溫度達(dá)74 ℃。在此試驗(yàn)條件下，由于溫度控制器的保護(hù)作用，三種可燃物受熱面溫度均沒有達(dá)到燃點(diǎn)，未被引燃。棉被受熱面有輕微熏黃痕跡，毛毯和桌布未有明顯變化。

圖3 不同可燃物受熱面溫度變化情況

2.1.3 不同覆蓋面積對(duì)引燃能力的影響

將云母板箱式暖腳器調(diào)至300 W，棉被在全覆蓋、3/4覆蓋、1/2覆蓋的情況下，受熱面溫度變化情況如圖4所示。根據(jù)圖4，在云母板箱式暖腳器功率和可燃物一定的條件下，棉被在云母板箱式暖腳器上方的覆蓋面積不同，其受熱面溫度變化有所不同。全覆蓋時(shí)，棉被最高溫度達(dá)105 ℃；3/4覆蓋時(shí)，最高溫度達(dá)96 ℃；1/2覆蓋時(shí)，最高溫度達(dá)78 ℃。除棉被在全覆蓋時(shí)受熱面有輕微熏黃，其余兩種情況棉被表面均未有明顯變化。

圖4 不同覆蓋面積條件下棉被受熱面的溫度變化情況

2.2 溫度控制器失效條件下的試驗(yàn)

2.2.1 不同功率對(duì)引燃能力的影響

將云母板箱式暖腳器的功率分別調(diào)至300 W、200 W、100 W，上方全覆蓋棉被時(shí)受熱面的溫度變化如圖5所示。在云母板箱式暖腳器溫度控制器失效的情況下，云母板箱式暖腳器1 h內(nèi)持續(xù)加熱，棉被受熱面溫度持續(xù)上升，功率不同，達(dá)到的最高溫度有所不同。云母板箱式暖腳器的功率在300 W時(shí)，最高溫度達(dá)252 ℃；功率為200 W時(shí)，最高溫度達(dá)148 ℃；功率為100 W時(shí)，最高溫度達(dá)98 ℃。

圖5 不同功率條件下棉被受熱面溫度變化情況

當(dāng)云母板箱式暖腳器的功率調(diào)至300 W時(shí)，云母板箱式暖腳器的踏腳木板被引燃，覆蓋的棉被出現(xiàn)炭化、引燃，冒出大量白煙，如圖6所示。功率調(diào)至200 W時(shí)，云母板箱式暖腳器的踏腳木板出現(xiàn)略微炭化痕跡，棉被大面積被熏黃，有少量白煙冒出，如圖7所示。功率為100 W時(shí)，未有明顯變化。

圖6 踏腳木板和棉被在300 W條件下的引燃情況

圖7 踏腳木板和棉被在200 W條件下的引燃情況

2.2.2 不同可燃物對(duì)引燃能力的影響

當(dāng)云母板箱式暖腳器功率調(diào)至300 W時(shí)，上方分別全覆蓋棉被、毛毯、桌布時(shí)，受熱面的溫度變化情況如圖8所示。根據(jù)圖8，當(dāng)云母板箱式暖腳器的功率一定時(shí)，覆蓋不同的可燃物，其受熱面可達(dá)到的最高溫度不同。棉被在1 h內(nèi)受熱面最高溫度可達(dá)252 ℃；毛毯的最高溫度可達(dá)181 ℃；桌布的最高溫度可達(dá)172 ℃。全覆蓋棉被時(shí)，云母板箱式暖腳器的踏腳木板被引燃，棉被出現(xiàn)炭化、引燃，冒出大量白煙；毛毯出現(xiàn)熏黃的現(xiàn)象，踏腳木板發(fā)生炭化，如圖9所示；桌布受熱面出現(xiàn)熏黃的痕跡，踏腳木板未有明顯變化。

2.2.3 不同覆蓋面積對(duì)引燃能力的影響

當(dāng)云母板箱式暖腳器功率調(diào)至300 W，調(diào)整棉被的覆蓋面積，其受熱面的溫度變化如圖10所示。根據(jù)圖10，棉被在不同覆蓋面積條件下，覆蓋3/4面積和1/2面積溫度先持續(xù)上升，后保持相對(duì)穩(wěn)定。全覆蓋時(shí)，棉被受熱面溫度高達(dá)252 ℃；3/4覆蓋時(shí)，溫度高達(dá)162 ℃；1/2覆蓋時(shí)，溫度高達(dá)121 ℃。全覆蓋時(shí)，云母板箱式暖腳器的踏腳木板被引燃，覆蓋的棉被出現(xiàn)炭化、引燃，冒出大量白煙；3/4覆蓋時(shí)，踏腳木板出現(xiàn)炭化痕跡，棉被受熱面出現(xiàn)大面積熏黃、輕微炭化的痕跡，有少量白煙冒出，如圖11所示；1/2覆蓋時(shí)，棉被受熱面被輕微熏黃。

圖8 不同可燃物受熱面的溫度變化情況

圖9 全覆蓋毛毯時(shí)踏腳木板的引燃情況

圖10 不同覆蓋面積條件下棉被受熱面的溫度變化情況

圖11 棉被3/4覆蓋時(shí)的引燃情況

3 結(jié)果分析與討論

云母板箱式暖腳器的引燃能力與溫度控制器的完好與否有直接聯(lián)系，同時(shí)受功率、可燃物種類、可燃物覆蓋面積三種因素的影響。

3.1 不同功率對(duì)引燃能力的影響

當(dāng)云母板箱式暖腳器的溫度控制器完好時(shí)，功率越大，升溫速率越快，溫度控制器動(dòng)作越頻繁。當(dāng)功率為300 W時(shí)，棉被受熱面只出現(xiàn)了略微熏黃的現(xiàn)象，但在這三種功率條件下，棉被均未被引燃。當(dāng)溫度控制器失效時(shí)，云母板箱式暖腳器持續(xù)加熱工作，溫度持續(xù)上升，功率為300 W和200 W時(shí)，踏腳木板和棉被均被引燃，有不同程度的白煙冒出。其原因是，在電壓一定的條件下，根據(jù)功率公式P=UI，功率越大，通過云母板箱式暖腳器中云母加熱板的電流越大，并由焦耳定律Q=UIt=I2Rt可知，電流越大，在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多。由于覆蓋的棉被未直接接觸云母加熱板，在棉被受熱過程中，主要存在熱輻射和熱對(duì)流這兩種傳熱方式。功率越大，云母加熱板的溫度越高，對(duì)流傳熱越劇烈，棉被受熱面溫度越高。當(dāng)功率為300 W時(shí)，棉被受熱面達(dá)到的最高溫度為252 ℃，而棉被的燃點(diǎn)為210 ℃左右，高于其燃點(diǎn)，覆蓋的棉被被引燃，其余兩種功率所達(dá)到的最高溫度均未超過燃點(diǎn)，未被引燃。

3.2 不同可燃物對(duì)引燃能力的影響

當(dāng)云母板箱式暖腳器的溫度控制器完好時(shí)，三種可燃物均未被引燃。當(dāng)溫度控制器失效時(shí)，踏腳木板和棉被出現(xiàn)炭化痕跡，有大量白煙冒出；桌布出現(xiàn)大面積熏黃的痕跡。其原因是，在云母板箱式暖腳器功率一定的條件下，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相同，但云母板箱式暖腳器上方覆蓋的可燃物種類不同，燃點(diǎn)不同，表面吸收熱量的能力不同。根據(jù)不同可燃物的溫升曲線，吸收熱量的能力：棉被>毛毯>桌布，在單位時(shí)間內(nèi)棉被受熱面溫度較其他兩者高。同時(shí)，棉被的材質(zhì)為纖維素，其燃點(diǎn)為210 ℃左右，而覆蓋棉被時(shí)最高溫度達(dá)252 ℃，大于其燃點(diǎn)，發(fā)生陰燃起火。毛毯的材質(zhì)為聚酯纖維，其燃點(diǎn)為550 ℃左右，而覆蓋毛毯時(shí)最高溫度達(dá)181 ℃；桌布的材質(zhì)為棉麻，其燃點(diǎn)為200 ℃左右，而覆蓋桌布時(shí)最高溫度達(dá)171 ℃，全覆蓋毛毯和桌布時(shí)1 h內(nèi)最高溫度均未超過各自的燃點(diǎn)，未被引燃。

3.3 不同覆蓋面積對(duì)引燃能力的影響

當(dāng)云母板箱式暖腳器的溫度控制器完好時(shí)，三種覆蓋面積條件下棉被均未被引燃，覆蓋面積越小，溫度控制器動(dòng)作越頻繁，棉被受熱面達(dá)到的最高溫度越低。在溫度控制器失效的情況下，棉被全覆蓋時(shí)，踏腳木板和棉被均被引燃，出現(xiàn)大量白煙；棉被覆蓋3/4面積時(shí)，出現(xiàn)炭化和少量白煙；棉被覆蓋1/2面積時(shí)，未被引燃。其原因?yàn)?，云母板箱式暖腳器功率一定時(shí)，單位時(shí)間產(chǎn)生熱量的能力相同。另外，著火是放熱因素和散熱因素相互作用的結(jié)果。在試驗(yàn)過程中，散熱量受敞開面積影響，可燃物覆蓋面積大時(shí)，放熱占優(yōu)勢(shì)，箱體內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)熱量積累，可燃物表面溫度升高并導(dǎo)致燃燒；可燃物覆蓋面積小時(shí)，散熱占優(yōu)勢(shì)，箱體內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)熱量積累，覆蓋在云母板箱式暖腳器的可燃物不易被引燃。所以，在全覆蓋和覆蓋3/4面積時(shí)棉被發(fā)生引燃情況。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究，可得結(jié)論：(1)當(dāng)云母板箱式暖腳器的溫度控制器完好時(shí)，覆蓋在上方的可燃物和踏腳木板不易被引燃。(2)當(dāng)云母板箱式暖腳器的溫度控制器失效時(shí)，功率調(diào)至300 W且上方全覆蓋或3/4覆蓋棉被時(shí)，具備將可燃物引燃的能力。(3)云母板箱式暖腳器的溫度控制器失效時(shí)，棉被受熱面的最高溫度達(dá)252 ℃。(4)在云母板箱式暖腳器上方全覆蓋不同可燃物時(shí)，由于不同材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同，對(duì)熱量的吸收和積聚能力不同，導(dǎo)致在相同時(shí)間內(nèi)可燃物受熱面所達(dá)到的最高溫度也不盡相同。(5)可燃物在云母板箱式暖腳器的覆蓋面積越小，引燃能力越低，安全隱患越小。