热释放速率测试装置

ZY6243A  10MW 热释放速率测试装置（大型锥形量热仪）

一、适用范围

   适用于建筑物和大型复合体（包括机车车辆，车辆，仓库和构成方式）以及对原料、建筑物和实体模型进行广泛的防火性能试验验证。

二、参考标准：

  根据ISO 9705《Fire tests; full-scale room test for surface products》、ISO5660-1《Reaction to fire tests-Heat release, smoke production and mass loss rate-Part 1: Heat release rate （cone calorimeter method）》设计和制造。

三、性能参数：

大型热量计测得的zui基本的物理量是热释放率。当发生火灾时，要测量不知道化学成分的原料的热量，其基本原理是基于这样的事实，即燃烧热量与所需的氧气量成正比的，每消耗1kg氧气生成热量13.1兆焦耳。该热量的计算方法是通过测量氧气和排出气体的流量来测量热量。
zui基本的物理量是热释放率，产烟率，质量损失率和耗氧量，一氧化碳（CO）和二氧化碳（C02）。热流或可选择性采用的特定气体的浓度。

技术参数：

一、大型热量计的结构和功能

1）防护罩和管道系统
设计防护罩时，主要有两个zui重点：防护罩的形式和大小。与正方形的防护罩相比，圆形的防护罩能将可能沿着防护罩边缘产生的涡流效应zui小化。因此，采用圆形的防护罩，可调节的高度使试验能够根据测试对象燃烧的烟羽流的特性进行操作。此外，由于管道和设备的附件提供足够的均匀流长，燃气能*分散。集尘罩的外直径为10cm，这样可以用zui大量程为10兆瓦的热量计测量实际尺寸的可燃物品和车辆的热释放速率，火灾荷载，需氧量，产生的一氧化碳和二氧化碳的数量，浓度，温度，流量和燃气的成分。

2）测量因素的构成
要测量的因素大概可分为流量/温度、气体浓度和烟密度。测试仪包含了进程控制和数据测量的程序。压差探头，热电偶，十字形的气体收集装置和烟浓度测试仪安装在管道上来测量。

3）流量/温度
当主要用一个皮托管测量通过管道的流量时，烟雾中的颗粒物可能会堵塞管道。因此，使用双向速度探头是合理的。这个探头通过测量洞口两个末端的压力差别来估计流量，因为洞口的形式一般都是相同的。用对数—契比雪夫法（Log-Tehebycheff method）总共安装6个双向速度探头。由于物质密度随着探头周围的温度变化而变化，因此插入双向屏蔽热电偶作为密度补偿。

4）燃气收集和分析
为了计算如上所述的热释放率，我们需要知道氧气浓度。为确定可燃气体的特性，需要分析二氧化碳和一氧化碳。气体收集器制成十字形状，不是一般的O型。在气流的对面设置了一个孔，以防止烟灰阻塞管道。冷凝管是用来凝结气体和消除因冷却收集的燃气至3摄氏度以下而产生的水分，通过冷却凝聚燃气可以在不改变气体的情况下去除杂质，从而供应纯净的燃气到燃气分析仪。燃气在供应到分析仪之前，被很好的再次去除了水分。此外，设置温度控制线路，让来自环境温度的燃气样品从燃气导管供应到预处理装置过程中保持在150摄氏度。在每个燃气分析仪和所有收集管道前部都设置了烟灰过滤器。

5）排烟密度
运用光电池和氦氖激光系统来测量烟雾密度。当用卤素灯作为光源时，考虑到管道的直径，采用激光，因为激光比卤素灯有更好的方向性和更小的衰减率。用光束分离器将该激光光源分为两个。一个作为参考价值，另一个作为辐射以测量烟密度。烟密度的测量采用激光散射法。

6）数据处理系统
为了计算和记录从各种检测仪上获得的热释放率，烟密度和燃气的浓度，用于运行数据处理系统和MFC或打开或关闭各种电磁螺线管阀的测量系统是根据控制程序独立编制的。数据采集系统采用美国国家仪器（NI）的硬件和来自NI的Lab View的软件。

二、大型热量计要求的规格
对于测试下述的10 MW大型热量计的实验装置的zui小安装空间，单个的试验建筑物安装要求：
为了控制大型热量计测试装置，需要一个单独的控制室。该控制室必须确保足够的空间来控制烟气质量和仪表。按如下所述安装启动10MW大型热量计试验的控制室。
对于10MW大型热量计试验的控制室的zui小空间，是从大型热量计内部和外部观察的控制室的空间。
应该为8100（W） x 7100（L） x 3000（H） mm。

在确定实际火灾现象中，用易燃样品或模型进行的小型火灾试验有限制性。然而，在完成建筑原料或家具原料和固定装置的防火特性，以及评估用于建筑物防火灾安全的许多燃烧因素（包括热释放率、燃烧负荷、氧气量、温度、流速、烟密度和燃气成分），这些因素是大型复合材料导致的火灾事件中直接测量的燃烧特性，大型热量计可确保这些燃烧特性的可靠性。

主要特点：

A.分析和控制台
A）19英寸仪表机架
 

选择19"的机柜来安装以下组件：

①其他分析仪（包括氧气，CO2,CO）
②含温度调节器的冷凝管
③烟灰过滤器
④气体采样双头泵Gas Sampling Dual Headed Pump
⑤气体取样管和画图设备Gas Sampling Pipe& Instrument Diagram
⑥温度调节器Heated Line Temperature controller
⑦数据采集记录器Data Acquisition Logger
19"机柜的规格：高度= 1800mm，宽度= 900mm，深度≥600mm。

B）气体分析仪

同时分析氧气消耗量和一氧化碳、二氧化碳产出率。
气体分析仪的分辨率分别是：氧气0~25%，一氧化碳0~1%，二氧化碳0~10%。
对于分析仪传感器的类型，对于氧气，安装顺磁性传感器，对于CO/CO2，安装NDIR传感器。
为快速反应设置旁路By-Pass for quick response.
当在流量或压力驱动控制下测量氧气时，压力补偿和自动控制是激活的。

分析仪的基本结构描述如下：

对于以下校准气体，包含集齐筒（10L）和2个位相的调整器，该调整器可以校准气体分析仪的零点和跨度。
氮气:超过99.99%的高纯度氮气用于零点校准
CO/C02混合气体：为跨度校准的试验选择包含CO（0.8%或更高）和C02（8%或更高）的高纯度气体

含有温度控制器的冷阱

①在试验的气体提炼过程中，充分的将水分移到分析仪。
②5摄氏度冷阱的鼓状物一直包含恒温器和温度显示器。
③包含用德里拉特[干燥用无水硫酸,商品名]和带有指示器的8孔网筛的除潮圆柱，在分析仪和次级除潮剂之间不发生化学中断，使之能够充分地去除收集来供应到分析仪的气体的水分。

D） 除煤烟过滤器

安装58N过滤器来保护气体分析仪，防止其受到燃烧试验期间产生的煤烟的影响。
该过滤器的筛孔为40微米，且外壳被列为能够轻易更换的构造。
安装1~5毫米的吸尘机通气过滤器，用来去除次要的煤烟。
每个过滤器的基本数量为10个（1包）。

E） 气体采样双头泵Gas Sampling Dual Headed Pump

在至少40 PSIG的压力下，气体采样泵可以传送燃烧期间产生的气体样品至约30米远的分析仪。
应用聚四氟乙烯涂层来防止燃烧气体的腐蚀。
该泵采用隔膜法。选择双头泵以确保zui低压力。

F） 气体采样管与画图设备Gas Sampling Pipe & Instrument Diagram

安装在19英寸机架上的气体采样管与画图设备采用具有强防腐蚀的聚四氟乙烯塑料管，使其因腐蚀和热输送而导致的气体样品的化学失真zui小化。
安装可以以3~3.5升每分钟的流速分别测量氧气、一氧化碳、二氧化碳的流量计，目的是核查在导管内测量点的样品气体。
安装过滤系统是为了去除燃烧期间产生的次要焦油。
当测量热释放率和洗涤塔去除燃烧气体中的一氧化碳和二氧化碳时，3-通阀只可计算氧气消耗量。
安装可以设定氧气跨度/零点值以及分析仪的一氧化碳/二氧化碳值的5-通阀。

B.气体采样加热分析管线和每条管线加热器温度控制器（可选项）

加热管线作为可选项可以安装在测量站内，以使依次通过加热过滤器和采样管线的其他保持温度来去除油烟，因为气体样品应保持一定的温度来分析有毒气体。

A） 气体采样加热分析管线Gas sampling heated analytical Line

装置将加热到200摄氏度，来防止燃烧气体通过水蒸气凝结而粘附在气体采样管线中。
气体采样管线至少30米长，且能够维持到主控制室和分析仪的温度（室温~200摄氏度）。
气体采样管线的扁平带状加热器的规格如下：

①宽度:25mm, 长度:5000 mm
②功率:400 W
③电力密度:1.1 W/cm2

B） 气体采样管线加热器温度控制器Gas sampling heated analytical line heater temperature controller

应选择以上提到的可以控制管线加热器（扁平带状加热器）温度的温度控制器。因为管线加热器zui长为5米，在19英寸的机架上可以为30米或更长的气体采样管线安装至少6个管线加热器。

选择具有2个显示器的数字温度控制器，能满足K型热电偶的安装启动和控制达到200摄氏度的要求。

C. 数据采集系统和操作程序Data acquisition system & operating program
A） 数据采集系统

数据采集系统必须制作成与LabView编程语言兼容。
数据采集的附件安装在测量点上。该数据采集系统可以通过NI（美国国家仪器）的数据记录器或现场指针的安装启动来收集数据。

数据采集系统由以下部分组成：

①16位热电偶输入模块
②16位模拟输入模块
③数字输入/输出模块
④12位模拟输出模块
⑤4和8槽底板
⑥连接座
⑦Lab VIEW实时模块
⑧Lab view的Real-Time/Ethernet网络模块
⑨电源24伏5A直流通用电源输入

B） 数据采集计算机

CPU: Pentium 4 630（3.0 GHz） 或更高
RAM:DDR2  1GB或更高
HDD:SATA 100 GB或更高
DVD Combo, CD士RW 52X或更高
监视器:19" LCD或更高
彩色喷墨打印机
运行软件:WINDOWS XP 或更高

（3） 主要部件的尺寸
A） 测试室:3.6M（L） X2.4M（W） X2.4M（H）
B） 防护罩:3M（D） X3M（W） X 1.05M（H）
C） 导管:0.4 M（直径），5M（长，包括导流板）
D） 取样探头:17孔2mm，16 孔3mm （设置在样品流动的方向。）

大型热量计的说明
根据热量释放速率，热量计分为几种类型。zui常见的热量计包括测试10x10cm对象的锥形热量计和评估燃烧的1~3兆瓦的家具热量计（墙角火试验）。然而，用锥形热量计进行的关于小物体（10x10cm）的燃烧性能试验方法虽然能达到测试结果的客观性与公平性，且符合性标准测试方法的规定，但是不适用于评估大型物体的防火性能。因此，不建议作为防火性能的合理标准。为确保防火性能安全，取决于其目的以及建筑物和大型复合体（包括机车车辆，车辆，仓库和构成方式）的规模和防火性能等级的不同，这些防火性能应已通过对原料、建筑物和实体模型进行广泛的防火性能试验验证的。这种测试将减少火灾的生命和财产损失。换句话说，建议采用双锥形热量计（原料）—房角检测器/单一燃烧项目/ISO13784-1（微小模型）—大锥形热量计（实体）的试验来确定防火安全性能的分级标准，并根据燃烧风险、目的和建筑物内设备的规格，是控制广泛的防火安全性能试验。

大型热量计测得的zui基本的物理量是热释放率。当发生火灾时，要测量不知道化学成分的原料的热量，其基本原理是基于这样的事实，即燃烧热量与所需的氧气量成正比的，每消耗1kg氧气生成热量13.1兆焦耳。该热量的计算方法是通过测量氧气和排出气体的流量来测量热量。
zui基本的物理量是热释放率，产烟率，质量损失率和耗氧量，一氧化碳（CO）和二氧化碳（C02）。热流或可选择性采用的特定气体的浓度。

技术参数：

一、大型热量计的结构和功能

1）防护罩和管道系统
设计防护罩时，主要有两个zui重点：防护罩的形式和大小。与正方形的防护罩相比，圆形的防护罩能将可能沿着防护罩边缘产生的涡流效应zui小化。因此，采用圆形的防护罩，可调节的高度使试验能够根据测试对象燃烧的烟羽流的特性进行操作。此外，由于管道和设备的附件提供足够的均匀流长，燃气能*分散。集尘罩的外直径为10cm，这样可以用zui大量程为10兆瓦的热量计测量实际尺寸的可燃物品和车辆的热释放速率，火灾荷载，需氧量，产生的一氧化碳和二氧化碳的数量，浓度，温度，流量和燃气的成分。

2）测量因素的构成
要测量的因素大概可分为流量/温度、气体浓度和烟密度。测试仪包含了进程控制和数据测量的程序。压差探头，热电偶，十字形的气体收集装置和烟浓度测试仪安装在管道上来测量。

3）流量/温度
当主要用一个皮托管测量通过管道的流量时，烟雾中的颗粒物可能会堵塞管道。因此，使用双向速度探头是合理的。这个探头通过测量洞口两个末端的压力差别来估计流量，因为洞口的形式一般都是相同的。用对数—契比雪夫法（Log-Tehebycheff method）总共安装6个双向速度探头。由于物质密度随着探头周围的温度变化而变化，因此插入双向屏蔽热电偶作为密度补偿。

4）燃气收集和分析
为了计算如上所述的热释放率，我们需要知道氧气浓度。为确定可燃气体的特性，需要分析二氧化碳和一氧化碳。气体收集器制成十字形状，不是一般的O型。在气流的对面设置了一个孔，以防止烟灰阻塞管道。冷凝管是用来凝结气体和消除因冷却收集的燃气至3摄氏度以下而产生的水分，通过冷却凝聚燃气可以在不改变气体的情况下去除杂质，从而供应纯净的燃气到燃气分析仪。燃气在供应到分析仪之前，被很好的再次去除了水分。此外，设置温度控制线路，让来自环境温度的燃气样品从燃气导管供应到预处理装置过程中保持在150摄氏度。在每个燃气分析仪和所有收集管道前部都设置了烟灰过滤器。

5）排烟密度
运用光电池和氦氖激光系统来测量烟雾密度。当用卤素灯作为光源时，考虑到管道的直径，采用激光，因为激光比卤素灯有更好的方向性和更小的衰减率。用光束分离器将该激光光源分为两个。一个作为参考价值，另一个作为辐射以测量烟密度。烟密度的测量采用激光散射法。

6）数据处理系统
为了计算和记录从各种检测仪上获得的热释放率，烟密度和燃气的浓度，用于运行数据处理系统和MFC或打开或关闭各种电磁螺线管阀的测量系统是根据控制程序独立编制的。数据采集系统采用美国国家仪器（NI）的硬件和来自NI的Lab View的软件。

二、大型热量计要求的规格
对于测试下述的10 MW大型热量计的实验装置的zui小安装空间，单个的试验建筑物安装要求：
为了控制大型热量计测试装置，需要一个单独的控制室。该控制室必须确保足够的空间来控制烟气质量和仪表。按如下所述安装启动10MW大型热量计试验的控制室。
对于10MW大型热量计试验的控制室的zui小空间，是从大型热量计内部和外部观察的控制室的空间。
应该为8100（W） x 7100（L） x 3000（H） mm。

在确定实际火灾现象中，用易燃样品或模型进行的小型火灾试验有限制性。然而，在完成建筑原料或家具原料和固定装置的防火特性，以及评估用于建筑物防火灾安全的许多燃烧因素（包括热释放率、燃烧负荷、氧气量、温度、流速、烟密度和燃气成分），这些因素是大型复合材料导致的火灾事件中直接测量的燃烧特性，大型热量计可确保这些燃烧特性的可靠性。

主要特点：

A.分析和控制台
A）19英寸仪表机架
 

选择19"的机柜来安装以下组件：

①其他分析仪（包括氧气，CO2,CO）
②含温度调节器的冷凝管
③烟灰过滤器
④气体采样双头泵Gas Sampling Dual Headed Pump
⑤气体取样管和画图设备Gas Sampling Pipe& Instrument Diagram
⑥温度调节器Heated Line Temperature controller
⑦数据采集记录器Data Acquisition Logger
19"机柜的规格：高度= 1800mm，宽度= 900mm，深度≥600mm。

B）气体分析仪

同时分析氧气消耗量和一氧化碳、二氧化碳产出率。
气体分析仪的分辨率分别是：氧气0~25%，一氧化碳0~1%，二氧化碳0~10%。
对于分析仪传感器的类型，对于氧气，安装顺磁性传感器，对于CO/CO2，安装NDIR传感器。
为快速反应设置旁路By-Pass for quick response.
当在流量或压力驱动控制下测量氧气时，压力补偿和自动控制是激活的。

分析仪的基本结构描述如下：

对于以下校准气体，包含集齐筒（10L）和2个位相的调整器，该调整器可以校准气体分析仪的零点和跨度。
氮气:超过99.99%的高纯度氮气用于零点校准
CO/C02混合气体：为跨度校准的试验选择包含CO（0.8%或更高）和C02（8%或更高）的高纯度气体

含有温度控制器的冷阱

①在试验的气体提炼过程中，充分的将水分移到分析仪。
②5摄氏度冷阱的鼓状物一直包含恒温器和温度显示器。
③包含用德里拉特[干燥用无水硫酸,商品名]和带有指示器的8孔网筛的除潮圆柱，在分析仪和次级除潮剂之间不发生化学中断，使之能够充分地去除收集来供应到分析仪的气体的水分。

D） 除煤烟过滤器

安装58N过滤器来保护气体分析仪，防止其受到燃烧试验期间产生的煤烟的影响。
该过滤器的筛孔为40微米，且外壳被列为能够轻易更换的构造。
安装1~5毫米的吸尘机通气过滤器，用来去除次要的煤烟。
每个过滤器的基本数量为10个（1包）。

E） 气体采样双头泵Gas Sampling Dual Headed Pump

在至少40 PSIG的压力下，气体采样泵可以传送燃烧期间产生的气体样品至约30米远的分析仪。
应用聚四氟乙烯涂层来防止燃烧气体的腐蚀。
该泵采用隔膜法。选择双头泵以确保zui低压力。

F） 气体采样管与画图设备Gas Sampling Pipe & Instrument Diagram

安装在19英寸机架上的气体采样管与画图设备采用具有强防腐蚀的聚四氟乙烯塑料管，使其因腐蚀和热输送而导致的气体样品的化学失真zui小化。
安装可以以3~3.5升每分钟的流速分别测量氧气、一氧化碳、二氧化碳的流量计，目的是核查在导管内测量点的样品气体。
安装过滤系统是为了去除燃烧期间产生的次要焦油。
当测量热释放率和洗涤塔去除燃烧气体中的一氧化碳和二氧化碳时，3-通阀只可计算氧气消耗量。
安装可以设定氧气跨度/零点值以及分析仪的一氧化碳/二氧化碳值的5-通阀。

B.气体采样加热分析管线和每条管线加热器温度控制器（可选项）

加热管线作为可选项可以安装在测量站内，以使依次通过加热过滤器和采样管线的其他保持温度来去除油烟，因为气体样品应保持一定的温度来分析有毒气体。

A） 气体采样加热分析管线Gas sampling heated analytical Line

装置将加热到200摄氏度，来防止燃烧气体通过水蒸气凝结而粘附在气体采样管线中。
气体采样管线至少30米长，且能够维持到主控制室和分析仪的温度（室温~200摄氏度）。
气体采样管线的扁平带状加热器的规格如下：

①宽度:25mm, 长度:5000 mm
②功率:400 W
③电力密度:1.1 W/cm2

B） 气体采样管线加热器温度控制器Gas sampling heated analytical line heater temperature controller

应选择以上提到的可以控制管线加热器（扁平带状加热器）温度的温度控制器。因为管线加热器zui长为5米，在19英寸的机架上可以为30米或更长的气体采样管线安装至少6个管线加热器。

选择具有2个显示器的数字温度控制器，能满足K型热电偶的安装启动和控制达到200摄氏度的要求。

C. 数据采集系统和操作程序Data acquisition system & operating program
A） 数据采集系统

数据采集系统必须制作成与LabView编程语言兼容。
数据采集的附件安装在测量点上。该数据采集系统可以通过NI（美国国家仪器）的数据记录器或现场指针的安装启动来收集数据。

数据采集系统由以下部分组成：

①16位热电偶输入模块
②16位模拟输入模块
③数字输入/输出模块
④12位模拟输出模块
⑤4和8槽底板
⑥连接座
⑦Lab VIEW实时模块
⑧Lab view的Real-Time/Ethernet网络模块
⑨电源24伏5A直流通用电源输入

B） 数据采集计算机

CPU: Pentium 4 630（3.0 GHz） 或更高
RAM:DDR2  1GB或更高
HDD:SATA 100 GB或更高
DVD Combo, CD士RW 52X或更高
监视器:19" LCD或更高
彩色喷墨打印机
运行软件:WINDOWS XP 或更高

（3） 主要部件的尺寸
A） 测试室:3.6M（L） X2.4M（W） X2.4M（H）
B） 防护罩:3M（D） X3M（W） X 1.05M（H）
C） 导管:0.4 M（直径），5M（长，包括导流板）
D） 取样探头:17孔2mm，16 孔3mm （设置在样品流动的方向。）