材料燃烧特性和烟气分析实验指导书

实验二材料燃烧特性和烟气分析实验指导书

1 实验目的

(1) 利用锥形量热仪测量材料燃烧时的热释放速率，掌握锥形量热计的基本使用方法，了解

炭化材料和非炭化材料燃烧过程中的热释放速率规律，了解热释放速率与外界施加的热流之间的关系。

(2) 利用烟气分析仪对材料燃烧产物中气体产物的组成和浓度、烟和烟密度、气体产物的毒性

等进行分析，掌握烟气分析仪的基本使用方法。

(3) 通过综合实验结果分析所选材料的燃烧特性。

2 实验原理

锥形量热仪及其实验原理

1993年，国际标准化组织(ISO)正式出版了一个利用锥形量热仪测试材料的标准—ISO 5660。至今，锥形量热仪已成为火灾科学研究领域最为重要的小比例测试仪器，可用来研究材料的热释放速率(Heatrelease rate)、点燃时间(Time to ignition)、烟密度(Smoke ratio)、质量损失速率(Mass loss rate)、一氧化碳(Carbonmonoxide yield)产率等燃烧特性。

如下图所示，锥形量热仪由以下几部分组成：

注：凡图中标有*记号的尺寸均为关键性尺寸，并且公差应为±1mm。其他尺寸均为推荐尺寸，应尽量采用。

1—电机；2—风机；3—孔板（孔径57mm）；4—导压管；5—热电偶；6—环形取样器；

7—排气管道（内径114mm）；8—孔板（孔径57mm）；9—集烟罩；10—试样；11—辐射锥

图1 锥形量热仪实验装置示意图

(1) 锥形加热器：一个截取掉顶端的圆锥形加热器，额定电压为240 V，额定功率5000 W，且

能在水平和垂直方向上产生100 KW/m2的热流。

(2) 样品夹持器：能沿水品和垂直方向，承载长、宽、高为100 mm×100 mm×50 mm的试件。

(3) 荷载池：用于测量样品的质量，其精确度为0.1 g，量程为3.5 kg。载荷池应当封闭，以免

因温度变化对它产生影响。

(4) 点火器：带有安全熔断装置的10 KV电子点火器。

(5) 排气系统：由不锈钢材制成。它包括一个护罩、祁阳环形探头、排气扇和孔板式流量测试

系统。

(6) 气体样品采集：包括环形采样器、冷凝管、泵、气体干燥管和流量控制部分。

(7) 氧气分析器：顺磁性氧气分析器，它可分析氧气的浓度范围为0%～25%，该分析仪器的

精度大于50×10-6。

(8) 烟密度测试体系：用于测试试样过程中排气管中烟气的光密度。

(9) 热流剂：用于锥形加热器向试件表面辐射的热流量。

(10) 校正燃烧器：它用纯度%的甲烷气体来校正由设备测得的热释放速率。

1－热电偶；2－外锥壳；3－内锥壳；4－电热管；5－低密度陶瓷纤维；6－顶板；

7－底板；8－支柱；9－锥铰接固定架（可调节锥的高度）

图辐射锥

1－风机；2－孔板（孔径57mm）；3－导压管；4－热电偶；5－环形取样器（进气孔朝向风机）；6－孔

板（孔径57mm）

图排气系统示意图

锥形量热仪采用耗氧量原理测量材料的热释放速率。所谓耗氧量原理就是材料燃烧时消耗每一单位的氧气所释放的热量基本上是一样的。Huggett在1980年发表文章，指出建筑业和商业中普遍使用的大多数塑料和其他固体材料都遵循这个规律，并测出这个值为MJ/kg的O2。实验过程中将材料燃烧的所有产物收集起来并经过一个排气管道。气体经过充分混合后，测出其质量流量和组分。测量时，至少要O2的体积分数测出来，要得到更精确的结果还要测

出CO、CO2的体积分数。这样通过计算可得到燃烧过程中消耗的氧气质量，运用耗氧量原理，就可以得到材料燃烧过程中的热释放速率。

图锥形量热仪气体取样流程

烟气分析仪及其实验原理

WJ-60B烟气分析仪，该机采用进口定电位电解传感器监测污染源中的有害气体，并利用高精度进口差压传感器测量管道风速、铂电阻测量烟气的温度、湿度传感器测量污染源的含湿量、输入烟道截面自动计算污染物的排放量。

主要特点：

(1) 主机(可独立工作亦可在手操器控制下工作)

内置七个传感器插位，可同时分析O2、CO、NO、NO2、SO2等。内置汽水分离装置，可有效去除烟气中的水分和颗粒物，确保污染物的测量精度。开机仪器自检、空气标定传感器零点、测量后传感器自动清洗。

(2) 手操器

采用嵌入式计算机控制主板，背光触摸屏实时控制，可显示各种污染物实时监测曲线图。可直接显示O2、CO、NO、NO2、SO2、温度、压力等测量参数；计算CO2、NOx、燃烧效率λ、损失等。

(3) 探针

探针采用耐腐蚀的不锈钢材料，标准配置800mm。长度可选。温度探针采用铂电阻，测量范围宽、线性好、精度高。含湿量传感器可测量烟气湿度。

3 实验程序

(1) 选取、制备至少三种材料，每种材料应有3个试样进行实验。尺寸为100 mm×100 mm的

正方形，用单层铝箔包住试样底面和侧面，将其放进安装架。

(2) 打开总电源，预热磁氧分析仪，不少于3小时。

(3) 打开电脑，点击界面“设备清零”，进行设备清零。把温度调到预定的温度（对应的辐射

强度）下，注意温升不能过快，辐射锥加热每200℃设定一次温度。

(4) 空载情况下，采集基线数据。

(5) 点击界面“开始实验”，观察实验现象，测定材料的热释放速率、点燃时间（将样品放入

样品夹持器后，打开电子点火器点火。从电子点火器开始打火并冲击板材表面进行加热时起到板材表面着火后坚持4 s不熄灭的这段时间）、质量损失速率等特性参数。

(6) 当氧浓度不再降低的时候，结束实验。

(7) 将实验数据存盘保存。

(8) 通过烟密度分析仪测定材料燃烧过程的烟气组分、烟气密度等。