一、实验方法
1、实验设置
图1为锥形量热仪的结构简图。锥形量热仪通过控制加热炉的温度,可以提供所需大小的辐射热流,且热流大小保持恒定,试样表面几乎能够均匀地接受到同样大小的热流,有效减少了边界效应的影响;通过电火花点火,能够提供能量恒定的点火源,较好解决了因每次实验点火源不一造成的结果不具可比性的不足。实验使用的是锥形量热仪。
木材的点燃性能与其种类、密度、粒径、含水率等自身理化性质有关。本文主要研究外部条件改变对木材点燃性能的影响,为消除木材种类不同以及自身密度、粒径不均等对实验产生的影响,每次实验所用样品均采用同一批次的粒径为50目(0.355mm)的樟松粉末,以使材料自身性质对实验结果的影响程度处于同一水平。木粉试样托盘为厚度为1.5 cm、面积为8 cmx8 cm的正方形。通过调整电子秤的支撑台高度,使试样放上支撑台后上表面和电火花之间的距离分别为3.8 cm、4.7 cm和5.7 cm。支撑台处于不同高度时,通过调整加热锥的加热温度使试样上表面接受到的辐射热流分别为15 kw/m2、20 kw/m2、25kw/m2、30 kw/m2和40 kw/m2。在不同电火花点火高度和不同辐射热流下进行交叉实验,分别测量木材的点燃时间、点燃时的表面温度和质量损失速率,每个工况下的实验重复进行3次,各次测量结果的平均值作为该工况的最终值。
2、数据读取与处理
点燃时间的确定从打开锥形加热器盖板对试样进行加热开始计时到试样表面发生明火燃烧时止。
将热电偶感温部件置于试样托盘中心,紧贴试样表面,热电偶与多路火灾信号检测仪相连,每隔5 s读取并记录一次试样的表面温度值。木材点燃时的表面温度为点燃的临界表面温度。
木材的质量损失速率为木材在单位时间单位面积上损失的质量。锥形量热仪自动生成木材在单位时间损失的质量,该值除以木材试样接受辐射的表面面积得到在每个时刻的质量损失速率。点燃时的质量损失速率为木材点燃的临界质量通量。
二、实验结果
不同条件下的实验结果列于表1。
1、对点燃时间的影响
不同电火花点火高度下木材点燃时间随辐射热流变化的曲线见图2所示。
从图2可以看出:当电火花点火高度一定时,随着外加辐射热流的增大,木材点燃所需时间减少。这可能是因为辐射热流越大,木材热解生成可燃挥发份的速率越大。当外加辐射热流保持恒定时,增大电火花和木材试样的距离,点燃时间变长。这可能是因为木材热解产生的可燃挥发份从木材表面逸出后需要运动更长的距离才能接触到点火源。另一方面,由于向上运动过程中可燃挥发份会向四周扩散,被空气稀释,经过的距离越长,扩散范围越大,被空气稀释的程度越大,因此到达更高的点火源处时浓度相对减小,这也需要更长一段时间才能达到着火浓度。
2、对临界表面温度的影响
不同电火花点火高度下木材点燃时表面温度随辐射热流变化的曲线如图3所示。
从图3可以看出:当电火花点火高度一定时,随着外加辐射热流的增大,木材点燃时的表面温度逐渐减小,这与宋长忠在可燃物着火与热解特性实验台上的研究结果一致。当外加辐射热流保持恒定时,增大电火花和木材试样的距离,木材点燃的临界表面温度升高,这可能是因为随着点燃时间增长,木材表面被加热的时间增长,从而使表面温度升高。
3、对临界质量通量的影响
不同电火花点火高度下木材点燃的临界质量通量随辐射热流变化的曲线如图4所示。从图4可以看到:当电火花点火高度一定时,木材点燃的临界质量通量变化很小。对各个热流强度下的临界质量通量取平均值,发现当电火花距离木材试样的高度分别为3.8 cm、4.7 cm和5.7 cm时点燃的临界质量通量分别为3.2 g/m2s、3.8 g/m2s和4.7 g/m2s。这说明当木材距离点火源的高度一定时,外加热源对其点燃的临界质量通量影响不大,临界质量通量围绕某个固定值上下波动。当外加辐射热流一定时,随着电火花距木材试样高度的增大,点燃的临界质量通量呈增大趋势。这可能是由于可燃物和点火源之间的距离越大,可燃物热解生成的可燃挥发份接触到点火源需要运动的距离越大,运动过程中被空气稀释的程度越大,在相同的外加辐射热流下,以同样速率产生的可燃挥发份运动到较高点火源处的浓度相对减小,因而在较高处要被点燃需要更大的可燃挥发份的产生速率,才能达到着火浓度下限。
三、点燃判据
破坏可燃物着火条件是预防火灾发生的根本途径,前提是了解和掌握可燃物的点燃判据。babrauskas对有关木材点燃温度的文献进行了统计,发现引起木材明火燃烧的点燃温度范围跨度较大,从200e到700e都有可能。babrauskas认为点燃温度存在较大差异可能是因为:不同研究者所使用的点燃定义不同;实验装置和操作环境不同;试样情况不同(例如大小、含水率和放置方位等);木材种类不同等。从图3已经看到,即使对于同一种木材在相同的实验装置上进行实验,点燃的临界表面温度也不是固定值,它与外加热流大小和距离点火源的高度有关。由于存在这些原因,使得很难找出一个普遍使用的温度值作为木材的点燃判据。但是,从图4看到,在电火花点火高度保持不变的情况下,木材点燃的临界质量通量几乎趋于某个固定值。为考察结论对其他木材的普适性,作为对比实验,又选择了不同粒径的樟松粉末和梧桐、白桦粉末进行验证。结果发现,在电火花点火高度保持不变的情况下,粒径不同对结果几乎没有影响,而虽然种类不同的木材点燃时临界质量通量的具体值略有不同(这可能是因为种类不同的木材成份及含量存在差异的缘故),但结论一致,即对自身理化性质(包括种类、
粒径、密度、含水率等)一定的木材,只要电火花点火高度不变,点燃的临界质量通量就保持不变而与外加辐射热流无关。根据这个结论,在实际应用当中,对于堆放在一定场所的木材,当室内发生火灾时,木材受到的来自上部高温热烟气、明火火焰及室内热壁面的辐射热流虽然是变化的,但经过一段时间,当烟气生成速率和排出室外速率相同时,烟气层会在某一高度达到稳定,作为提供点燃所需热源的高温烟气层距离木材的高度几乎不再发生变化,木材热解产生的可燃挥发份向上运动到烟气层的位置,和高温烟气层接触而被点燃,此时木材点燃的临界质量通量应该趋于某个固定值。因此,可以利用临界质量通量作为木材点燃的判据。但不同场景下临界质量通量的具体值与烟气层距离可燃物的高度有关,两者的函数关系有待于进一步研究。
四、结 论
(1)外加辐射热流和电火花点火高度影响木材在锥形量热仪上的点燃性能。其他条件一定,增大外加辐射热流,木材的点燃时间缩短,点燃的临界表面温度减小,但临界质量通量基本不变;其他条件一定,增大电火花的点火高度,木材点燃的时间延长,点燃的临界表面温度升高,临界质量通量增大。
(2)对于堆放在特定场所的木材,当发生室内火灾时,点燃的临界质量通量趋于某个固定值,可作为木材点燃的判据。
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