室内火灾动力学 翻译

3 能量释放速率在很大程度上，室内火灾的能量释放速率控制着火灾形成的环境变化，例如火灾羽流、热烟气温度以及热烟气层向的沉降速度等。

本章以后的其他各章会介绍预测火灾环境参数的各种计算方法。

这些方法都要求读者要有能量释放速率方面的相关知识。

本章介绍火灾情形下能量释放速率的常用计算方法。

3.1 术语燃烧速率或质量损失速率—固体或液体燃料蒸发和燃烧的质量速率。

可以表达为单位时间内的质量流率，典型地为kg/s或g/s，本教材以m∙表示。

也可以表示为质量通量或单位面积上的质量燃烧速率，典型地为kg/（㎡s），这种情况下用m∙”表示。

需要注意的是燃烧速率和质量损失速率（燃料的供给速率）之间的区别，因为所供给的燃料不一定全部燃烧。

对于不受空气供给限制的燃烧物体，则两者的含义相同。

燃烧效率—指有效燃烧热与完全燃烧热之间的比值称为燃烧效率，用χ表示。

能量释放速率或热释放速率—当物体燃烧时，在单位时间内会放出一定量的能量，单位为kW（kJ/s），通常用Q表示。

对大多数材料，其能量释放速率随时间变化，通常也称为热释放速率（有时用HRR表示）。

但是能量释放速率更确切一些，因为严格地说，热量是由于存在温差输运的能量。

但在一般情况下，两者具有相同的含义。

燃烧热—单位质量的物质燃烧时所释放出来的能量多少，单位为kJ/kg或kJ/g。

将完全燃烧热（∆H c）和有效燃烧热（∆H eff）很重要。

前者表示完全燃烧时（不剩余燃料，燃料所有的化学能都得以释放）所释放出的能量，而有效燃烧热更适合于描述火灾过程中的燃烧现象，在火灾过程中可能有部分燃料未参与燃烧，或者燃烧不完全。

有时也称为化学燃烧热。

汽化热—表示单位质量的燃料汽化所需的能量，单位为kJ/kg，用gH3.2引言能量释放速率的单位是瓦特，千瓦或兆瓦等。

表3.1中给出了不同燃料燃烧情况下能量释放速率的典型值，以及各种不同能量输出强弱。

对于火灾发展过程，一般采用能量释放速率随时间的变化来表示。

针对特定的火灾情形，一旦得到该参数关系，就将其称为设计火灾。

表3.1表明，对于不同的设计目标，设计火灾的能量输出在100kW～50MW范围。

对于给定的火灾情形，主要有两种方法来确定相应的设计火灾。

其一是基于最初发生火灾的房间内的可燃物质数量和种类，其二是基于人员密度来加以确定（这种情况下，通常是不知道火灾载荷的详细情况而采用）。

在第一种情况下，假定物体被点燃，然后开始燃烧。

在很多情况下，可以通过过去的实验数据（试验中直接测定其能量释放速率）来估算其能量释放速率随时间的变化关系。

许多文献中对此有数据归纳和总结。

但在许多设计情形下，很少有最初发生火灾的房间内的可燃物数量方面的信息。

此时，必须采用人员密度或其他统计数据和工程判断来确定设计火灾。

在3.3中，我们将讨论室内火灾能量释放速率的控制因素。

在3.4中给出如何利用实验数据来预测燃料及其燃烧产物的实际例子。

最后在3.5中，讨论在给定的火灾情形下，如何利用这些信息来确定设计火灾。

表3.1粗糙的能量释放或来自各种来源图3.1燃烧1.2 m×1.2米不同高度木托盘的能量释放率3.3 室内火灾中能量释放速率的控制因素火灾过程中的能量释放速率主要取决于燃料的种类、数量和布置方位，以及房间对火灾的影响。

能量释放速率会随时间变化，图3.1表示不同堆放高度下木垛燃烧时，能量释放速率随时间变化的示意图。

上述测定通常称为自由燃烧实验，表示可燃物燃烧不受火灾发生房间的影响。

3.3.1燃烧速率与能量释放速率燃烧速率是指固体或液体燃料蒸发和燃烧的质量速率，可用单位时间的质量流率来表示，单位为每秒千克或每秒克，也可以用单位面积上的质量通量或质量燃烧速率来表示，单位为每平方米每秒千克，用m ”表示。

对于稳态燃烧质量通量，一般的预测公式如下：式中∆H g 为汽化热，是火q”焰向燃料传递的净热通量，用于释放挥发份，单位为每平方米千瓦。

汽化热表示单位质量燃料汽化所需的能量，单位为千焦每千克。

对液体燃料，则称为蒸发热即液体达到沸点后蒸发所需的能量。

对固体而言，汽化热并非常数，但对液体燃料，则是液体燃料的基本参数。

由于定量测定燃料得到的净热通量很难测定，所以实际很少采用方程（3.1），一般需要利用实验结果来估算燃烧速率。

图3.2房间对质量损失率的影响3.3.2 房间的影响如果可燃物在室内燃烧，有两个因素会影响能量释放速率和燃烧速率。

第一：炽热烟气会聚集到顶棚附近，并加热顶棚和墙面。

这些表面和热烟气对燃料表面进行热辐射，因此增强了燃烧速率。

第二，房间的开口（如门窗、泄露区）可能限制燃烧所需的氧气输送，这会导致部分燃料无法燃烧，从而使能量释放速率降低，且室内的未燃气体浓度升高。

图3.2表某可燃物燃烧时的示意图。

其中一条曲线表示物体在敞开空间（自由燃烧实验）的燃烧速率，另一条曲线表示该物体在室内燃烧时（一面处于敞开状态），房间对燃烧过程的影响，此时炽热表面和热气体对燃料有传热作用，因此其燃烧速率增加（与自由燃烧实验时的燃烧速率相比）。

但如果敞开的空间较小，由于供氧量受限，会造成燃烧不完全，从而降低了能量释放速率，反过来又会使烟气温度更低，对燃料的传热量更少。

燃料会持续地以稍低的速率释放出挥发份其中只有部分气体发生燃烧并释放出能量，而未燃烧的气体则会聚集到顶棚附近。

未燃气体在流出房间与空气混合后，也会释放能量，从而引起开口外部出现火焰。

总之，室内传热增强了燃料的质量损失速率，而室内空气量的减少又会降低燃料的质量损失速率。

3.4 自由燃烧实验得到的能量释放速率确定燃烧速率或能量释放速率唯一实际可行方法是通过实验测定。

这种测定称为自由燃烧实验测定，表示房间的影响可以忽略；炽热烟气从燃料排放出，而对燃料的空气供给没有任何限制和影响。

在工程实际中，可以利用这些实测数据来确定设计火灾。

对于液体燃料，如果知道液池直径，则可以通过实验数据得到相应的能量释放速率计算公式。

下面简要介绍室内燃烧室外燃烧最常用的测定技术，并讨论液池火灾能量释放速率的计算方法，同时给出实验确定的不同民用和工业可燃物的能量释放曲线。

3.4.1 测定技术与参数测定能量释放速率测定能量释放速率的最常见的方法为耗氧热量计。

该测定方法的基础是，对大多数气体、液体和固体，每消耗单位质量的氧气，其释放出的能量几乎为常数，即每消耗1kg的氧气，其释放的热量约为13100kJ。

对许多碳氢物质而言，由于可燃物质不同，其变化在±5%以内。

图3.3耗氧热量计测定示意图耗氧热量计测定示意图如图3.3所示。

点燃后，将所有燃烧产物收集到烟罩内，并通过排气管排放。

可以在排放管内测定烟气的质量流率和组分，从而得到燃烧所消耗的氧气量。

利用前面给出的常数，即可计算得到能量释放速率。

燃烧速率--测定能量释放速率的另一种常见方法是通过测定燃烧速率或燃料质量损失速率。

在燃料燃烧过程中，称重燃料的重量。

估算能量释放速率需要知道有效燃烧热。

然后，采用下述方程（3.2）计算能量释放速率：式中m 单位为kg/s或g/s，∆H eff为有效燃烧热，单位为kJ/kg或kJ/g。

所得到的能量释放速率单位则为kJ/sec，即千瓦。

需要注意的是，“燃烧速率”实际上是质量损失速率的不确切的叫法，因为当氧气供给不充分时，并非所有蒸发后的燃料都会发生燃烧。

但大多数情况下，可以将两者等同，这里也将两者等同。

另外，还需注意的是在氧气供给不充分的室内火灾中，所有的燃料质量损失都不会发生燃烧。

对许多物质，人们已在自由燃烧实验中测定了其平均燃烧速率，这种燃烧速率以水平方向单位燃烧面积的值来给定的，即每平方米每秒千克。

如果知道燃料表面积，以及有效燃烧热，则方程（3.2）变为：流控开关变频功率分析风扇调节器式中A f是燃料的水平燃烧面积。

注意当以单位面积给出燃烧速率时，则用m ”表示。

不同燃料单位面积的燃烧速率见表3.2。

其他文献也给出了更多物质的类似结果。

如果已按照上述方法测得能量释放速率和质量损失速率，则可以利用方程（3.2）估算有效燃烧热（有时也称化学燃烧热）。

将有效燃烧热和完全燃烧热区分开是非常重要的。

测定完全燃烧热的装臵叫量热弹，在测定过程中，测试样品在较高的压力的纯氧环境中完全燃烧，燃尽后几乎没有余烬，并释放出几乎全部势能。

但这并不代表实际火灾的情形，在实际火灾过程中只有大约70～80%的质量转化为完全燃烧的挥发份，其他为碳或残留物。

另外，某些挥发份也不会发生燃烧，因此在燃烧产物中仍残留有某些可燃组分，如CO、烟尘和未燃的碳氢物质。

为更清楚地理解有效燃烧热和完全燃烧热，我们PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃，）在氧气量不是很充分的条件下燃烧为例来加以说明。

当PMMA完全燃烧时，其反应式为：完全燃烧热为∆H g为24.9kJ/g。

当氧气量较少时，会生成一些一氧化碳，部分碳会生成烟尘粒子。

如果假设反应如下：则其燃烧热为18.2 kJ/g。

如果假设在某室内火灾发生的反应为后者，则可以说在这种火灾条件下，PMMA的有效燃烧热为18.2 kJ/g。

这种情况下，燃烧效率＝0.73。

图3.4是上述含义的示意图。

图3.4 在两种不同反应计量系数下PMMA的燃烧热。

对于室内火灾，很难知道准确的反应化学计量系数，因而人们通常用列表的势能水平形式给出∆H c的值。

但应注意的是有些值是依据自由燃烧实验给出的，因而只适用于通风良好情况下的室内火灾。

许多不同物质的∆H c值可以由相关文献查得，如Tewarson的相关文献。

需要注意的是有些文献的记号和概念稍有不同；有效燃烧热有时也称为化学燃烧热，其符号用∆H ch表示。

完全反应热有时也称为完全燃烧净热，符号为∆H T，其中下标T表示总热量。

在运用不同文献的结果时，必须对相应的术语和符号加以注意。

表3.2列出了一些常见物质的燃烧速率、完全燃烧热，这些数据取自Tewarson，其测试方法见原文。

燃烧效率：有效燃烧热和完全燃烧热之比称为燃烧效率，即：如甲醇等醇类物质燃烧时，肉眼几乎观察不到火焰的存在，这表明在燃烧过程中产生的烟尘很少；因此其燃烧效率接近为1.对许多气体燃料如甲烷等也具有很高的燃烧效率。

对产生大量烟尘的燃料，如石油，其燃烧效率大大降低，典型地约为60～70%之间。

注意在上述讨论中，我们已经假设有足够的氧气供给燃烧；在小型房间通常氧气供给量不能满足要求，其燃烧效率会随着氧浓度的降低而明显减小。

现在，可以运用表3.2中给出的燃烧速率值（直径较大）和完全燃烧热来计算不同燃料燃烧时的能量释放速率。

方程（3.3）变成为：注意到表3.2中的m∙”测定值只对燃料直径大于例3.2中燃料直径的情况成立；可以设想，当燃料直径较小时，m∙”的值变小。

下面将会对此加以介绍。