單體燃燒測試準(zhǔn)確性探討

施初陽

（杭州華測檢測技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310018）

單體燃燒測試基于耗氧測量原理，通過測量燃燒前后的煙氣中的氧氣含量來換算樣品的熱釋放量，即建材完全燃燒所消耗的每單位質(zhì)量的氧氣會(huì)釋放幾乎恒定的凈熱量。所以如何準(zhǔn)確測量煙氣中氧氣的參數(shù)非常關(guān)鍵，如下論述了三個(gè)影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性的因素。

1 專用空氣脫水劑

1.1 耗氧測量原理

耗氧技術(shù)正在成為一種強(qiáng)大的工具，可用于確定多種防火測試應(yīng)用中的熱釋放速率，包括房間火測試，耐火性測試，隧道測試以及各種放熱率量熱儀。根據(jù)測試的限制，所需的精度，儀器和計(jì)算設(shè)備的可用性以及是否愿意忍受實(shí)驗(yàn)上的不便，已經(jīng)考慮了許多儀器選項(xiàng)，每個(gè)選項(xiàng)都需要不同的計(jì)算程序。

研究表明對(duì)于大量有機(jī)液體和氣體，完全燃燒所消耗的每單位質(zhì)量氧氣釋放的凈熱量幾乎恒定。美國Huggett發(fā)現(xiàn)對(duì)于有機(jī)固體也是如此，并獲得了該常數(shù)E 的平均值，即13.1 MJ/kg 氧氣。該值可用于實(shí)際應(yīng)用，準(zhǔn)確度極少，誤差在5%以內(nèi)。該規(guī)則意味著測量燃燒系統(tǒng)中消耗的氧氣就足以確定釋放的凈熱量。這是在燃燒試驗(yàn)中測量放熱率的耗氧法的基礎(chǔ)。

耗氧技術(shù)在火災(zāi)研究中的首次應(yīng)用是帕克在ASTM E84 隧道試驗(yàn)中的應(yīng)用。在1970 年代末和1980 年代初，耗氧技術(shù)在美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS，現(xiàn)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院，或NIST)得到改進(jìn)。耗氧量法現(xiàn)在被認(rèn)為是測量實(shí)驗(yàn)火災(zāi)放熱率的最準(zhǔn)確和最實(shí)用的技術(shù)，它在世界范圍內(nèi)廣泛用于小規(guī)模和大規(guī)模應(yīng)用。

1.2 脫水劑的作用

空氣中含有一定量的水蒸氣，水分子H2O 含有氧元素，在燃燒的測量和計(jì)算過程中會(huì)影響氧氣濃度的計(jì)量，如下公式：

Xa_O2=O2*[1-H/100 * exp{23.2-3816/(T-46)}/p]

Xa_O2中的a，代表環(huán)境空氣，燃燒前的空氣狀態(tài)。

xO2為儀器傳感器直接測量的環(huán)境空氣的氧氣濃度，如20.95%左右。

空氣中含有水蒸氣，影響氧氣濃度的測量和計(jì)算，所以通過測量空氣參數(shù)來消除水蒸氣的影響。

即，Xa_O2=O2*(1-H2O%）

如下部分代表空氣中水蒸汽的“體積”濃度比例，H2O%：

p 為環(huán)境空氣的大氣壓，如標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101325Pa，要用大氣壓表測量。

H 為相對(duì)濕度，如50%，即水蒸氣的相對(duì)比例，用溫濕度表測量。

水蒸氣的含量=H/100 * (p 水/p 空)

水的蒸汽壓，參照安托因（Antoine）三參數(shù)方程，描述純液體飽和蒸汽壓的方程。

p 水=A-B/(T+C)

大意是水的蒸汽壓同溫度相關(guān)聯(lián)。

注意這個(gè)公式有不同的版本算法和單位，A,B,C 會(huì)不同，

當(dāng)用e 為底數(shù)，壓力單位是Pa，溫度單位是K時(shí)，

A= 23.2，B= 3816，C= -46

即p 水=exp{23.2-3816/(T-46)}

單體燃燒借助于冷卻器單元和干燥劑以兩個(gè)步驟進(jìn)行脫水，即要去除樣氣中的水蒸氣。由于干燥劑對(duì)于精確測量氧氣和二氧化碳的濃度至關(guān)重要，因此要特別注意。實(shí)際上，當(dāng)水分蒸氣壓增加時(shí)，測得的氧氣濃度降低，從而導(dǎo)致影響測量的氧氣消耗和最終的放熱速率。另外，某些產(chǎn)品（如硅膠）往往會(huì)先吸收二氧化碳，然后再釋放回去，這會(huì)導(dǎo)致緩慢的響應(yīng)曲線，可以通過使用無水硫酸鈣等產(chǎn)品來確保測試精度。

如圖1，無水硫酸鈣能夠強(qiáng)力脫水，吸水后由藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色。當(dāng)測試儀器使用的是普通圓形顆粒硅膠吸水劑時(shí)，儀器的精準(zhǔn)度就沒有保證了。硅膠吸水劑用途是靜態(tài)的干燥皿吸水，相對(duì)較慢，而非動(dòng)態(tài)的氣流脫水，溫度升高后飽和的硅膠還會(huì)釋放二氧化碳，會(huì)影響耗氧量的計(jì)算。特別是潮濕天氣，空氣中的水分含量高，不充分除濕就會(huì)影響測試結(jié)果的計(jì)算。

圖1

2 燃燒器的熱輸入

2.1 燃燒器的標(biāo)定

在樣品開始燃燒前，標(biāo)定傳感器的空氣氧濃度，20.95%。如下標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的示意圖（圖2）。雖然不同品牌的氧氣傳感器，設(shè)置方式不同，有在儀表上手動(dòng)設(shè)置，有在電腦軟件上設(shè)置。但要求都一致，將實(shí)驗(yàn)室的空氣人為設(shè)置成20.95%的基準(zhǔn)。

圖2

測試開始后，輔助燃燒階段，煙道內(nèi)的煙氣氧氣濃度下降，下降到20.65%左右。如果顯示的氧氣濃度數(shù)據(jù)在20.65%左右，對(duì)應(yīng)“熱量”的測量基本準(zhǔn)確。這個(gè)參數(shù)，不受樣品的影響，容易檢查儀器基本狀態(tài)是否正常。大致在20.63-20.67%左右波動(dòng)（圖3）。

圖3

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定丙烷氣體通過砂盒燃燒器并產(chǎn)生(30.7±2.0)kw的熱輸出。在輔助燃燒階段，熱量輸出在30kW 左右波動(dòng)，示意線段基本平直，（圖3）。上述兩個(gè)參數(shù)如果在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則儀器狀態(tài)良好，如果超標(biāo)，則需要維護(hù)找原因。如果儀器軟件沒有這些數(shù)據(jù)，建議協(xié)調(diào)廠家開放。

2.2 燃燒系統(tǒng)的校準(zhǔn)

庚烷校準(zhǔn)是SBI 單體燃燒試驗(yàn)中重要的校準(zhǔn)辦法之一，通過庚烷穩(wěn)定的熱值和產(chǎn)煙，從另一個(gè)角度驗(yàn)證SBI 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。在庚烷校準(zhǔn)試驗(yàn)中有一些講究和技巧，在這里做個(gè)簡單介紹操作步驟：

步驟1：調(diào)節(jié)排煙系統(tǒng)體積流速；步驟2：準(zhǔn)備好用于安裝鋼盆的支架，并測量擺放位置；步驟3：在鋼盆中加入2kg水，并開始試驗(yàn)軟件記錄；步驟4：約150s 時(shí)開始注入庚烷2840g；步驟5：在約300 秒后開始點(diǎn)火；步驟6：試驗(yàn)直到火焰熄滅；步驟7：火焰熄滅后300 秒停止記錄，并保存報(bào)告。

標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)準(zhǔn)備過程舉例；放置一塊硅酸鈣底板放在托盤下，啟動(dòng)試驗(yàn)記錄（300 秒后點(diǎn)燃庚烷），加入庚烷（2840g），庚烷密度比水低，需要好幾瓶。準(zhǔn)備點(diǎn)火工具。注意倒入庚烷后需要做一定的保護(hù)，庚烷蒸發(fā)較快。記錄時(shí)間到達(dá)300 秒后點(diǎn)火，特別注意的是庚烷易燃，點(diǎn)火時(shí)小心，用長一些的點(diǎn)火器。分析測試數(shù)據(jù)，最終得到一次庚烷的k值為0.84。

如果燃燒器入射熱通量主要是輻射的，則更容易創(chuàng)建恒定和均勻的暴露條件。為此目的使用多孔氣體面板以及電加熱元件?？梢酝ㄟ^改變加熱器的功率或改變加熱器與試樣之間的距離來調(diào)節(jié)輻射熱通量。如果使用第二種方法，則可以創(chuàng)建輻射熱通量水平范圍的實(shí)際上限和下限。如果加熱器離試樣太近，對(duì)流傳熱會(huì)變得很重要。因此，上限對(duì)應(yīng)于必須保持的最小距離，以確保主要是輻射傳熱。下限由入射輻射熱通量的均勻性決定，隨著加熱器和試樣之間距離的增加而下降。確切的限制取決于幾何配置、加熱器的功率以及被認(rèn)為可接受的入射熱通量分布的不均勻程度。

另一個(gè)重要方面是燃燒器在測試期間將輻射熱通量保持在恒定水平的能力。如果加熱器在恒定功率水平下運(yùn)行，則入射輻射熱通量在測試期間會(huì)發(fā)生變化。在測試開始時(shí)，插入一個(gè)冷樣品。試樣充當(dāng)散熱器，導(dǎo)致加熱器溫度降低，從而降低入射輻射熱通量。點(diǎn)火后，試樣釋放的熱量導(dǎo)致加熱器溫度和入射輻射熱通量增加。

為了在測試期間保持入射輻射熱通量，因此有必要保持燃燒器的溫度恒定。這對(duì)于氣體面板來說非常困難，但對(duì)于電加熱元件來說相對(duì)簡單。使用氧氣消耗方法，使用氣體面板的另一個(gè)缺點(diǎn)是其燃燒產(chǎn)物導(dǎo)致氧氣消耗，通常比樣品燃燒消耗的氧氣大得多。因此，面板流量的微小波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致測得的熱釋放率出現(xiàn)顯著誤差。這種“基線”問題可以通過為燃燒器使用單獨(dú)的排氣系統(tǒng)來避免。

3 風(fēng)壓傳感器

3.1 分壓傳感器結(jié)構(gòu)

圓形排氣管中的質(zhì)量流速是通過橫截面的單點(diǎn)速度測量獲得的。這就需要對(duì)管道軸線上的速度進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，并且需要了解管道橫截面上的速度分布和密度分布。迄今為止，在耐火測試應(yīng)用中，探頭因數(shù)幾乎始終保持恒定，而忽略了管道上密度不均勻的影響。

速度測量是通過適用于測量火災(zāi)中雙向流動(dòng)的類似Pitot 的差壓探頭進(jìn)行的。雙向探頭設(shè)計(jì)用于在著火條件下測量流速，在這種情況下，不需要知道流動(dòng)方向或保持恒定流動(dòng)方向。例如，安裝在門口中，根據(jù)高度的不同，首先會(huì)夾帶空氣進(jìn)入火中，而隨后在測試中，隨著熱煙層的增加和降低，熱的燃燒氣體可能會(huì)離開同一門口。該設(shè)計(jì)已被復(fù)制用于HRR 測試應(yīng)用，因?yàn)樗哂袌?jiān)固性，假定的角度和雷諾獨(dú)立性，而沒有徹底研究探頭的缺點(diǎn)。然而，對(duì)于SBI 應(yīng)用而言，這些對(duì)于俯仰和偏航角變化以及雷諾依賴性的敏感性是不可忽略的。

標(biāo)準(zhǔn)GBT20284-2006[1]中關(guān)于風(fēng)壓的雙向探頭有說明，只要能提高“精度”，就可以替換升級(jí)。若能保證流量測量的不確定度相同或更小,可以拆卸排煙管道中180"的彎頭或更換管道中的雙向壓力探頭。如圖4。

圖4

更 新 的 標(biāo) 準(zhǔn)EN13823-2020[2]，將 原來的雙向探頭傳感器改為半球傳感器，Hemispherical probe。如圖5。

圖5

不銹鋼半球殼體直徑D=30mm（D 可小到20mm），壁厚（1±0.5mm）。不銹鋼管直徑3mm（外徑可到5mm，*內(nèi)徑無指定，不堵塞即可），30°≤β≤45°。

3.2 風(fēng)壓測量原理

風(fēng)壓傳感器是測量排煙管內(nèi)的煙氣壓力，會(huì)換算出煙的體積流量，影響煙密度和熱釋放的計(jì)算結(jié)果。修改是為了提高測量精度。傳感器對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)參數(shù)kρ 要改為1.24；原來的kρ 為雙向探頭的雷諾校正系數(shù)是1.08（圖6）。

圖6

雙向風(fēng)壓探頭始于航空領(lǐng)域，對(duì)風(fēng)向很敏感，必須嚴(yán)格平行于風(fēng)向，傳感器稍微有角度偏差，就會(huì)造成測量的風(fēng)壓風(fēng)速煙量偏小。在儀器長期使用中，由于煙管的震動(dòng)，熱脹等作用，可能造成雙向探頭傳感器的角度有偏移錯(cuò)位，形成誤差。新升級(jí)的半球探頭能減少煙氣流量方向的影響，獲得更高的壓差信號(hào)，從而減少不確定度，風(fēng)壓傳感器的的微小錯(cuò)位將不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。

在精確確定質(zhì)量流量和/或改善抽氣系統(tǒng)（管道直徑，導(dǎo)葉等）方面僅投入了有限的精力?；馂?zāi)測試社區(qū)中只有少數(shù)人似乎知道質(zhì)量流對(duì)整體放熱率和煙霧釋放率測量的準(zhǔn)確性的影響。證明用于評(píng)估電纜的防火性能；以及用于評(píng)估鐵路材料的防火性能汽車。尤其是在第二種標(biāo)準(zhǔn)中，人們希望使用可應(yīng)對(duì)高達(dá)1 MW 的火災(zāi)的硬件設(shè)計(jì)測量低至7 kW的熱釋放速率以及小于1 kW的熱釋放速率變化（風(fēng)管f=400 毫米；在298 K 時(shí)提取速率為1.5m3/s）。在給定情況下，在7 kW級(jí)別的耗氧量僅為250 ppm，在測量噪聲中幾乎消失了。

通常，從其他標(biāo)準(zhǔn)（即ISO 9705）到新開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)都有很高的重復(fù)性，而無需在這些新情況下重新評(píng)估該方法。ISO 9705 是一種全面測試方法，旨在評(píng)估室內(nèi)應(yīng)用的表面產(chǎn)品對(duì)火勢增長的貢獻(xiàn)。就其本身而言，有必要對(duì)中小型測試方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s減。除了不適當(dāng)?shù)目s小比例外，某些物理現(xiàn)象或進(jìn)行測量的方式可能會(huì)增加總體不確定性。

通過所謂的雙向壓力探頭進(jìn)行速度測量，該探頭基于皮托管靜態(tài)原理。雙向探針最初是設(shè)計(jì)用于測量與中小型火災(zāi)相關(guān)的（浮力驅(qū)動(dòng)）火災(zāi)引起的氣流的低速。它已被“復(fù)制”為各種國際標(biāo)準(zhǔn)，被認(rèn)為是測量燃燒氣體質(zhì)量流量的最新技術(shù)。盡管該探頭適合在惡劣的環(huán)境和高溫下工作，但其主要缺點(diǎn)是，它最初高估了測得的速度每度的俯仰角或偏航角大約1%。這可能是由于探頭與氣流的對(duì)準(zhǔn)不正確或排氣流中的徑向速度分量引起的。

SBI 標(biāo)準(zhǔn)中使用的探頭[3]經(jīng)過稍微修改的設(shè)計(jì)對(duì)角度的敏感度較低，但與標(biāo)準(zhǔn)雙向探頭相反，雷諾依賴于此。由于燃燒氣體的溫度不斷變化以及所述氣體的變化速度，在大多數(shù)火災(zāi)測試中，與探頭外徑相關(guān)的雷諾數(shù)將在大約3.103 至3.104 的范圍內(nèi)變化。進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可以在測試標(biāo)準(zhǔn)中查詢到。到目前為止，這些影響已被忽略，導(dǎo)致不確定性區(qū)間的估計(jì)值過低。這些發(fā)現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，從而得出了一種新的速度壓力探頭設(shè)計(jì)，該探頭在很寬的范圍內(nèi)都具有低角度靈敏度和雷諾獨(dú)立性。

4 結(jié)論

產(chǎn)品的防火技術(shù)特性是引發(fā)和火災(zāi)增長的決定因素。因此，對(duì)燃燒性能的測量以及對(duì)它們與實(shí)際危害的關(guān)系的了解對(duì)于消防安全至關(guān)重要。耗氧原理雖然易懂，但算法涉及的氣體參數(shù)很復(fù)雜，需要先確保各種氣體傳感器的可靠性，才能獲得“正確”的計(jì)算參數(shù)。各種機(jī)電測量技術(shù)也是不斷在進(jìn)步，盡量利用最新的技術(shù)來降低測量不確定度，從而獲得穩(wěn)定的測試結(jié)果。