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常見可燃物變熱流輻射引燃特性實驗研究
引言
火災(zāi)中的可燃物材料可分為可燃?xì)怏w、可燃液體和可燃固體三種，其中固體燃料的燃燒占有主導(dǎo)地位，因此，固體可燃物的燃燒一直是火災(zāi)安全科學(xué)領(lǐng)域研究的重要課題[1]。著火是燃燒的初始階段，是火災(zāi)的最主要過程之一。在對火災(zāi)的危險性進(jìn)行分析時，可燃材料的著火時間是最重要的參數(shù)之一。從某種程度上講，對可燃物的著火進(jìn)行深入研究，是對隨后發(fā)生的火災(zāi)發(fā)展和蔓延過程進(jìn)行模擬的關(guān)鍵所在，也為接下來對火災(zāi)危險性的降低和火災(zāi)險情的控制提供了一定的理論基礎(chǔ)。
固體可燃物的燃燒是一種復(fù)雜的化學(xué)物理過程，而火災(zāi)環(huán)境又是多變的，因此，要科學(xué)的認(rèn)識火災(zāi)，評估各種建筑物的安全狀況，預(yù)測火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展、蔓延的情況，就必須研究在不同工況下固體可燃物主要性質(zhì)的變化。盡管迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者對固體可燃物著火已經(jīng)做了大量的研究，并取得了豐富的研究成果，但對于固體可燃物的許多實驗和理論工作多是在外部熱流為恒定值條件下進(jìn)行的，而實際火災(zāi)均經(jīng)過著火、蔓延，直至發(fā)生轟燃的過程，在這一過程中，可燃物受到的熱輻射是不斷變化的，因此，固體可燃物在變熱流條件下的點燃更具有普遍性，研究在變熱流條件下固體可燃物的著火特性對火災(zāi)安全科學(xué)具有重要意義[2 3]。R.Bilbao[4]曾對變化熱流條件下木材的著火性能進(jìn)行了研究，在他的實驗中，變化的熱流是隨時間下降的熱流，這與實際火災(zāi)情況存在很大的不同，本文實驗采用更切合實際的線性上升輻射熱流。基于上述原因，在本文中將對熱厚性固體可燃物木材和熱薄性固體可燃物窗簾以及棉布，在變熱流條件下的著火進(jìn)行實驗研究，通過對實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出相應(yīng)的結(jié)論。
1 實驗方法
1.1 實驗儀器
實驗研究在我校的“變熱流條件下材料著火實驗臺”上完成。實驗系統(tǒng)如圖1 所示：
1.2 實驗原理
實驗系統(tǒng)的工作原理如所示：
1.3 實驗材料的處理
實驗中將木材試樣統(tǒng)一加工成78mm×78mm×24mm 的小方塊，因為受熱方向與紋理方向的關(guān)系會對木材的著火過程產(chǎn)生影響，二者之間的關(guān)系典型的有沿著紋理方向加熱和沿垂直紋理方向加熱[5]，Vyas[6]等人對木材的紋理方向?qū)χ鸬挠绊戇M(jìn)行了研究，他們指出由于木材在不同方向的導(dǎo)熱性能不同，沿紋理方向加熱時著火的發(fā)生早于垂直于紋理方向加熱，在本文實驗中，木塊的受熱方向都是垂直于紋理方向的。為了盡量保證實驗中木塊只有上表面受到熱輻射，4 個側(cè)面和底面基本處于絕熱狀態(tài)，從而可以簡化為一維傳熱問題，在實驗前需要對木材的側(cè)面和底面用鋁箔做絕熱處理。測量木材內(nèi)部溫度時，垂直于受熱表面方向每隔5mm 布置一個熱電偶，兩邊各2 個，共布置4 個熱電偶。
通常將實驗材料——窗簾以及棉布做成100mm×100mm 的正方形試樣，考慮到材料受熱燃燒時燃燒表面可能會發(fā)生翹曲，使得燃燒表面積發(fā)生變化或者使受熱表面受到額外的熱輻射而影響實驗結(jié)果，實驗中需用一種不銹鋼網(wǎng)柵進(jìn)行壓覆。
測量表面溫度時，試樣表面布置2 個熱電偶，底面布置1 個。
1.4 選擇輻射源的輸出功率
根據(jù)輻射熱流量的標(biāo)定，可以選擇15%、20%、30%、40%、50%、70%和90%的熱流功率。為不同加熱功率下的熱流標(biāo)定曲線的匯總。
2 實驗結(jié)果及分析
實驗中沒有采用任何附加的導(dǎo)向點火裝置，即實驗材料是自然著火的。
2.1 著火時間與熱流變化速率
材料在不同熱流條件下的著火時間直接說明了其著火性能。實驗中不同加熱功率下的最大加熱時間與熱流通量標(biāo)定實驗的時間對應(yīng)。若材料被加熱至標(biāo)定時間后著火還不能發(fā)生，則認(rèn)為其在該熱流條件下不能著火。
為不同熱流條件下木材的著火時間，為不同熱流條件下棉布與窗簾的著火時間。
實驗發(fā)現(xiàn)，在不同熱流變化速率下，木材、窗簾和棉布的著火時間變化趨勢一致，它們的著火時間隨著熱流變化速率的降低而增加。對于木材，當(dāng)熱流變化速率為0.015kW（/ m2·s），加熱持續(xù)1200s 著火沒有發(fā)生，因此判斷當(dāng)熱流變化率小于0.015kW/（m2·s）時，熱自燃不能發(fā)生；對于窗簾和棉布，當(dāng)熱流變化速率為0.05325kW/（m2·s），加熱持續(xù)700s 著火沒有發(fā)生，因此判斷當(dāng)熱流變化率小于0.0532 kW/（m2·s）時，材料熱自燃不能發(fā)生；考慮到影響材料著火的不確定性因素很多，如輻射熱流通量的標(biāo)定劃分的不夠精密，要想精確確定材料著火的臨界熱流變化速率很困難。因此這里將0.015kW/（m2·s）和0.0532 kW/（m2·s）分別定義為木材和窗簾、棉布熱自燃發(fā)生的臨界熱流變化速率。
將實驗材料的著火時間與熱流變化速率之間的關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二者能夠很好的符合冪函數(shù)關(guān)系，如表2。其中x 代表熱流變化速率，y 代表著火時間。
2.2 質(zhì)量損失與熱流變化速率
實驗發(fā)現(xiàn)，材料的質(zhì)量損失與熱流變化速率有關(guān)。不同熱流條件下的質(zhì)量變化不同。著火發(fā)生前，熱流變化速率越高，質(zhì)量損失速率越大，這是因為當(dāng)熱流變化速率較高時，溫度上升迅速，同一時刻由于熱解導(dǎo)致的質(zhì)量損失較大；著火發(fā)生時，熱流變化速率越高，總的質(zhì)量損失越小，這主要是因為熱流變化速率大時，著火需要的時間變短。但無論熱流變化速率大小，著火發(fā)生時都會對應(yīng)一個質(zhì)量的突然減小。為熱流變化速率為0.2366 和0.0532kW/（m2·s）時的木塊質(zhì)量變化。
2.3 著火時溫度與熱流變化速率
2.3.1 著火時表面溫度
通過實驗，熱厚性與熱薄性材料表面溫度變化趨勢一致。隨著加熱的進(jìn)行，溫度逐漸升高，然后會出現(xiàn)一個突變，此時對應(yīng)著火發(fā)生。熱流變化率越大，溫度上升速率越快，峰值也越大。
實驗還發(fā)現(xiàn)，隨著熱流變化速率的升高熱厚性與熱薄性材料的著火溫度均降低，這主要是因為當(dāng)熱流變化速率較高時，著火時間變短，材料表面的受熱時間變短；當(dāng)熱流變化速率較低時，著火時間變長，這主要是因為燃燒所需的條件之一——可燃?xì)怏w的濃度達(dá)到燃燒條件后的很長一段時間里，溫度還不能達(dá)到燃燒條件，此時可以觀察到著火發(fā)生前有大量的煙產(chǎn)生。圖8 為不同熱流變化速率下木材著火的表面溫度。
2.3.2 熱厚性材料——木材的內(nèi)部溫度
木塊內(nèi)部溫度的變化直接影響木材內(nèi)部熱解。隨著加熱時間的進(jìn)行，熱量由表面逐漸傳遞到內(nèi)部。與表面的距離越大，受到加熱的影響越晚。如圖9 所示：
隨著熱流變化速率增大，著火時間變短，著火發(fā)生時，木塊內(nèi)部受到外加熱流的影響的程度越小。
3 結(jié)論
本文對線性上升熱流條件下固體可燃物的著火問題進(jìn)行了實驗研究。相比恒定熱流條件，變熱流條件更接近于實際火災(zāi)情況。通過實驗觀察分析，得到如下結(jié)論：
1）固體可燃物的著火時間隨著加熱功率的降低而增加；得出了木材、窗簾和棉布熱自燃發(fā)生的臨界熱流變化速率；對木材、窗簾和棉布的著火時間與熱流變化速率之間的關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二者能夠很好的符合冪函數(shù)關(guān)系。
2）固體可燃物的質(zhì)量損失與熱流變化速率有關(guān)，不同熱流條件下固體可燃物的質(zhì)量變化不同。著火發(fā)生前，熱流變化速率越高，質(zhì)量損失速率越大。著火發(fā)生時，熱流變化速率越高，固體可燃物的總的質(zhì)量損失越小。但無論熱流變化速率大小，著火發(fā)生時都會對應(yīng)一個失重速率的突變。
3）不同熱流條件下，著火發(fā)生前表面溫度上升速率不同。熱流變化速率越高，表面溫度升高越快。但隨著熱流變化速率的升高著火溫度降低。
4）對于熱厚性材料——木材，隨著加熱時間的進(jìn)行，熱量由表面逐漸傳遞到內(nèi)部，與表面的距離越大，受到加熱的影響越晚。隨著熱流變化速率增大，著火發(fā)生時間變短，著火發(fā)生時，內(nèi)部受到外加熱流的影響的程度越小，熱量向內(nèi)部傳遞的距離變短。
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