锥形量热仪的工作原理及应用
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MLR 是指燃烧样品在燃烧过程中质量随时间的
变化率 ,它反应了材料在一定火强度下的热裂解 、 挥 发及燃烧程度 。 MLR 值由 5 点数值微分方程算出 ,即
25 m 0 - 48 m 1 + 36 m 2 - 16 m 3 + 3 m 4 ( 7) 12Δt 10 m 0 + 3 m 1 - 18 m 2 + 6 m 3 - 3 m 4 ・ ( 8) - [ m ]i =1 = 12Δt - mi - 2 + 8 mi - 1 - 8 mi + 1 - mi + 2 ・ ( 9) - [ m ]i = 12Δt - 10 mn - 3 mn - 1 + 18 mn - 2 - 6 mn - 3 + mn - 4 ・ - [ m ]i = n - 1 = t 12Δ - [ m ]i =0 =
ΔHC
r0
mα
・
MO2 x O2 - xO2 Mα
・
A
0
A
1 - xA O2
M O2 x O2 - x O2
A
0
=
ΔHC
r0
me [ 1 + < (α- 1) ] Mα me
・
A
1 - xA O2
( 2)
・ ・
=・Biblioteka ・ΔHCr0A A MO2 x O2 - xO2 A Mα α - β x O2
・ ・
x O2 - xO2
A A x O2 1 - x O 2
0
A
0
A
。
若取 E = 13 . 1 × 103 kJ / kg , MO2 / Ma = 32/ 28 . 95 =
1 . 1 , xA O2 = 0 . 2095 , m e = c
0
・
ΔP
Te
( ΔP 为压力差 ; Te 为
烟道中温度 ; C 为标定常数 ) , 则当 α = 1 . 105 ,β = 1 . 5 ( 甲烷燃烧气体) 时 , 锥形量热仪计算燃烧时的释放热 量公式为
HRR 是指在预置的入射热流强度下 ,材料被点燃
后 ,单位面积的热量释放速率 ,即
・
q 1 ΔHC q″ = = × 1 . 10 ×c A A r0
・
ΔP
Te
x02 - xO2
0
1 . 105 - 1 . 502
( 6)
HRR 是表征火灾强度的最重要性能参数 ,单位为 kW/ m2 ; HRR 的 最 大 值 为 热 释 放 速 率 峰 值 ( Peak of HHR ,简称 pkHRR) ,pkHRR 的大小表征了材料燃烧时
The Principle and Application of the Cone Calorimeter
Wang Qingguo ,Zhang Jun ,Zhang Feng
(Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao 266042 , China)
的最大热释放程度 。HRR 和 pkHHR 越大 , 财材料的 烧烧放热量越大 ,形成的火灾危害性就越大 。 312 总释放热 ( Total Heat Relea se ,简称 THR)
THR 是指在预置的入射热流强度下 ,材料从点燃
单位为 m2 / S ,即 SEA ( 12) SPR = MLR 式中 SEA 为比消光面积 ( Specific Extinction Area) ,SEA 表示挥发单位质量的材料所产生的烟 ,它不直接表示 生烟量的大小 , 只是计算生烟量的一个转换因子 , 单 位为 m2/ kg ,SEA 可由下列公式表示 OD ・ V f low ( 13) SEA = MLR OD — 光密度 , Vflow — 体积流速 。 同样 ,总生烟量 ( Total Smoke Rate) 可由积分得到 , TSR = ∫ SPR ,TSR 表示单位样品面积燃烧时的累积生 烟总量 ,单位为 m2 / m2 。 315 有效燃烧热 ( Effective Heat Co mbustio n , 简称 EHC)
・
q = 13 . 1 × 10 × 1 . 1 ×c
3
ΔP
Te
0 . 2095 - xA O2 1 . 105 - 1 . 5 xA O2
( 5)
3 锥形量热仪 ( CONE) 法中燃烧性能的测定
应用 CONE 可 以 得 到 燃 烧 试 样 的 多 个 性 能 参 数 ,如 ,热释放速率 、 质量损失速率 、 烟生成速率 、 有 效燃烧热 、 点燃时间以及关于燃烧气体的毒性和腐蚀 性等 。这些性能参数的测定是在稳定 、 真实 、 易于控 制的条件下得到的 , 且能够在不同时间 、 地点重复操
[5 ]
2 锥形量热仪 ( CONE) 的工作原理
CONE 是一种根据氧耗原理设计的测定材料燃烧
放热的仪器 。所谓氧耗原理是指 ,物质完全燃烧时每
现代科学仪器 2003 6
37
作 ,因此 ,可以作为文献参考数据备用 ,为进一步研究 材料的燃烧过程提供文献数据 。 311 热释放速率 ( Heat Relea se Rate ,简称 HRR)
仪器技术与应用
锥形量热仪的工作原理及应用
王庆国 张军 张峰
( 青岛科技大学高分子科学与工程学院 青岛 266042)
E2mail :qgwang @263. sina. com
摘 要 锥形量热仪是当前能够表征材料燃烧性能的最为理想的试验仪器 ,它的试验环境同火灾材料的真实燃 烧环境接近 ,所得试验数据能够评价材料在火灾中的燃烧行为 。本文介绍了锥形量热仪的结构 、 工作原理和应用 ,并 就燃烧性能在材料评价 、 材料设计和火灾预防等方面的重要意义作了阐述 。 关键词 锥形量热仪 ; 氧耗原理 ; 燃烧性能 中图分类号 TH89
收稿日期 :2002 - 8 - 28 基金项目 : 本课题属 “973” 国家重大基础研究项目 (2001CB40960103) 。
区 ,如瑞典等也正在积极地制定相应的使用标准 。 以 CONE 为试验仪器 [1 ] , 我国已参照 ISO 非等效 地制定了有关燃烧标准 。但由于众多方面的原因 ,此 标准并没有真正在我国得到推广应用 。可以相信 ,随 着我国工业的不断发展和对材料阻燃性能的需要 ,
=
・
氧分析仪是 CONE 的核心部分 , 它是一种高精度 的气体分析仪 ( 精确到 10 - 4) ,由氧分析仪可精确检验 燃烧时通气管道中氧的的百分含量随时间的变化 ,进 而由即时氧气浓度和氧耗原理测定出材料的燃烧放 热情况 。 113 载重台 载重台是测定样品质量变化的装置 ,它可以准确 记录样品在燃烧过程中的质量变化情况 。燃烧时 ,样 品放置于载重台的支架上 。 114 烟测量系统 在靠近燃烧室的通风管道中设有氦氖激光发射 器、 复杂的伪双电子束测量装置和热电偶等装置 , 以 此可测定烟管道中烟的比消光面积 ( SEA) 。 115 通风系统 通风系统是指样品燃烧后 ,将燃烧产物由燃烧室 排出到大气中的装置 。通风装置的通风性能要根据 试验要求进行调节 , 气体流速应限制在一定范围之 内 ,否则将影响试验结果 。 116 其它改进设备 根据不同需要 , 也可以添加其它分析装置 , 如进 行燃烧产物成分分析时 , 可增加红外光谱分析装置 ; 若测量样品中温度分布 ,须进行相应的热电偶或红外 摄像装置改造 。 117 辅助设备 辅助设备中含有微机处理器 、 入射热流强度测量 仪、 除去 CO2 及 H2O ( 气) 的相应装置等 。
Abstract The cone calorimeter has more advantages than the conventional instruments in measuring the combus 2 tion properties of materials in real fire. The principle and application of the cone calorimeter are introduced in this pa 2 per. Also , the combustion properties obtained by using the cone calorimeter can be used for the material designing and fire forecasting. Key words Cone calorimeter ; oxygen depletion principle ; combustion property
0
m e = m N 2 + m O2 + m H2 O + m CO2 + m CO mα =
・0 m N2
・
( 3) ( 4)
+
・0 m O2
+
・0 m H2 O
+
・0 m CO2
上式中 ,α为氧耗空气部分的体积膨胀因子 ,α = 1 + A A β xO2 - xO2 ,β 为燃烧产物同所需耗氧摩尔数之比 ; < 为体积分数表示的氧耗率 , < =
CONE 必定会在我国的材料阻燃和火灾预防等领域起
到越来越重要的作用 。
1 锥形量热仪 ( CONE) 的构造
CONE 主要由燃烧室 、 载重台 、 氧分析仪 、 烟测量
系统、 通风装置及有关辅助设备等六部分组成 ,见图 1 。 111 燃烧室 截断锥形加热器 、 点火器 、 控制电路 、 挡风罩等构 成了燃烧室 。入射热流强度可根据不同的试验要求 适当选择 ; 样品放在燃烧平台上由点火器点燃 , 燃烧 产物由通风系统排走 。
r0
。对不同材料 , ΔHC 与 r0 的值各
不相同 , 若 ΔHC 与 r0 已知 , 可以求算相应的燃烧热 。 在实际测量中 , 通过测定 O2 的体积分数变化以求得
变化率 ,它反应了材料在一定火强度下的热裂解 、 挥 发及燃烧程度 。 MLR 值由 5 点数值微分方程算出 ,即
25 m 0 - 48 m 1 + 36 m 2 - 16 m 3 + 3 m 4 ( 7) 12Δt 10 m 0 + 3 m 1 - 18 m 2 + 6 m 3 - 3 m 4 ・ ( 8) - [ m ]i =1 = 12Δt - mi - 2 + 8 mi - 1 - 8 mi + 1 - mi + 2 ・ ( 9) - [ m ]i = 12Δt - 10 mn - 3 mn - 1 + 18 mn - 2 - 6 mn - 3 + mn - 4 ・ - [ m ]i = n - 1 = t 12Δ - [ m ]i =0 =
ΔHC
r0
mα
・
MO2 x O2 - xO2 Mα
・
A
0
A
1 - xA O2
M O2 x O2 - x O2
A
0
=
ΔHC
r0
me [ 1 + < (α- 1) ] Mα me
・
A
1 - xA O2
( 2)
・ ・
=・Biblioteka ・ΔHCr0A A MO2 x O2 - xO2 A Mα α - β x O2
・ ・
x O2 - xO2
A A x O2 1 - x O 2
0
A
0
A
。
若取 E = 13 . 1 × 103 kJ / kg , MO2 / Ma = 32/ 28 . 95 =
1 . 1 , xA O2 = 0 . 2095 , m e = c
0
・
ΔP
Te
( ΔP 为压力差 ; Te 为
烟道中温度 ; C 为标定常数 ) , 则当 α = 1 . 105 ,β = 1 . 5 ( 甲烷燃烧气体) 时 , 锥形量热仪计算燃烧时的释放热 量公式为
HRR 是指在预置的入射热流强度下 ,材料被点燃
后 ,单位面积的热量释放速率 ,即
・
q 1 ΔHC q″ = = × 1 . 10 ×c A A r0
・
ΔP
Te
x02 - xO2
0
1 . 105 - 1 . 502
( 6)
HRR 是表征火灾强度的最重要性能参数 ,单位为 kW/ m2 ; HRR 的 最 大 值 为 热 释 放 速 率 峰 值 ( Peak of HHR ,简称 pkHRR) ,pkHRR 的大小表征了材料燃烧时
The Principle and Application of the Cone Calorimeter
Wang Qingguo ,Zhang Jun ,Zhang Feng
(Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao 266042 , China)
的最大热释放程度 。HRR 和 pkHHR 越大 , 财材料的 烧烧放热量越大 ,形成的火灾危害性就越大 。 312 总释放热 ( Total Heat Relea se ,简称 THR)
THR 是指在预置的入射热流强度下 ,材料从点燃
单位为 m2 / S ,即 SEA ( 12) SPR = MLR 式中 SEA 为比消光面积 ( Specific Extinction Area) ,SEA 表示挥发单位质量的材料所产生的烟 ,它不直接表示 生烟量的大小 , 只是计算生烟量的一个转换因子 , 单 位为 m2/ kg ,SEA 可由下列公式表示 OD ・ V f low ( 13) SEA = MLR OD — 光密度 , Vflow — 体积流速 。 同样 ,总生烟量 ( Total Smoke Rate) 可由积分得到 , TSR = ∫ SPR ,TSR 表示单位样品面积燃烧时的累积生 烟总量 ,单位为 m2 / m2 。 315 有效燃烧热 ( Effective Heat Co mbustio n , 简称 EHC)
・
q = 13 . 1 × 10 × 1 . 1 ×c
3
ΔP
Te
0 . 2095 - xA O2 1 . 105 - 1 . 5 xA O2
( 5)
3 锥形量热仪 ( CONE) 法中燃烧性能的测定
应用 CONE 可 以 得 到 燃 烧 试 样 的 多 个 性 能 参 数 ,如 ,热释放速率 、 质量损失速率 、 烟生成速率 、 有 效燃烧热 、 点燃时间以及关于燃烧气体的毒性和腐蚀 性等 。这些性能参数的测定是在稳定 、 真实 、 易于控 制的条件下得到的 , 且能够在不同时间 、 地点重复操
[5 ]
2 锥形量热仪 ( CONE) 的工作原理
CONE 是一种根据氧耗原理设计的测定材料燃烧
放热的仪器 。所谓氧耗原理是指 ,物质完全燃烧时每
现代科学仪器 2003 6
37
作 ,因此 ,可以作为文献参考数据备用 ,为进一步研究 材料的燃烧过程提供文献数据 。 311 热释放速率 ( Heat Relea se Rate ,简称 HRR)
仪器技术与应用
锥形量热仪的工作原理及应用
王庆国 张军 张峰
( 青岛科技大学高分子科学与工程学院 青岛 266042)
E2mail :qgwang @263. sina. com
摘 要 锥形量热仪是当前能够表征材料燃烧性能的最为理想的试验仪器 ,它的试验环境同火灾材料的真实燃 烧环境接近 ,所得试验数据能够评价材料在火灾中的燃烧行为 。本文介绍了锥形量热仪的结构 、 工作原理和应用 ,并 就燃烧性能在材料评价 、 材料设计和火灾预防等方面的重要意义作了阐述 。 关键词 锥形量热仪 ; 氧耗原理 ; 燃烧性能 中图分类号 TH89
收稿日期 :2002 - 8 - 28 基金项目 : 本课题属 “973” 国家重大基础研究项目 (2001CB40960103) 。
区 ,如瑞典等也正在积极地制定相应的使用标准 。 以 CONE 为试验仪器 [1 ] , 我国已参照 ISO 非等效 地制定了有关燃烧标准 。但由于众多方面的原因 ,此 标准并没有真正在我国得到推广应用 。可以相信 ,随 着我国工业的不断发展和对材料阻燃性能的需要 ,
=
・
氧分析仪是 CONE 的核心部分 , 它是一种高精度 的气体分析仪 ( 精确到 10 - 4) ,由氧分析仪可精确检验 燃烧时通气管道中氧的的百分含量随时间的变化 ,进 而由即时氧气浓度和氧耗原理测定出材料的燃烧放 热情况 。 113 载重台 载重台是测定样品质量变化的装置 ,它可以准确 记录样品在燃烧过程中的质量变化情况 。燃烧时 ,样 品放置于载重台的支架上 。 114 烟测量系统 在靠近燃烧室的通风管道中设有氦氖激光发射 器、 复杂的伪双电子束测量装置和热电偶等装置 , 以 此可测定烟管道中烟的比消光面积 ( SEA) 。 115 通风系统 通风系统是指样品燃烧后 ,将燃烧产物由燃烧室 排出到大气中的装置 。通风装置的通风性能要根据 试验要求进行调节 , 气体流速应限制在一定范围之 内 ,否则将影响试验结果 。 116 其它改进设备 根据不同需要 , 也可以添加其它分析装置 , 如进 行燃烧产物成分分析时 , 可增加红外光谱分析装置 ; 若测量样品中温度分布 ,须进行相应的热电偶或红外 摄像装置改造 。 117 辅助设备 辅助设备中含有微机处理器 、 入射热流强度测量 仪、 除去 CO2 及 H2O ( 气) 的相应装置等 。
Abstract The cone calorimeter has more advantages than the conventional instruments in measuring the combus 2 tion properties of materials in real fire. The principle and application of the cone calorimeter are introduced in this pa 2 per. Also , the combustion properties obtained by using the cone calorimeter can be used for the material designing and fire forecasting. Key words Cone calorimeter ; oxygen depletion principle ; combustion property
0
m e = m N 2 + m O2 + m H2 O + m CO2 + m CO mα =
・0 m N2
・
( 3) ( 4)
+
・0 m O2
+
・0 m H2 O
+
・0 m CO2
上式中 ,α为氧耗空气部分的体积膨胀因子 ,α = 1 + A A β xO2 - xO2 ,β 为燃烧产物同所需耗氧摩尔数之比 ; < 为体积分数表示的氧耗率 , < =
CONE 必定会在我国的材料阻燃和火灾预防等领域起
到越来越重要的作用 。
1 锥形量热仪 ( CONE) 的构造
CONE 主要由燃烧室 、 载重台 、 氧分析仪 、 烟测量
系统、 通风装置及有关辅助设备等六部分组成 ,见图 1 。 111 燃烧室 截断锥形加热器 、 点火器 、 控制电路 、 挡风罩等构 成了燃烧室 。入射热流强度可根据不同的试验要求 适当选择 ; 样品放在燃烧平台上由点火器点燃 , 燃烧 产物由通风系统排走 。
r0
。对不同材料 , ΔHC 与 r0 的值各
不相同 , 若 ΔHC 与 r0 已知 , 可以求算相应的燃烧热 。 在实际测量中 , 通过测定 O2 的体积分数变化以求得
