一、錐形量熱儀簡介：&sp;
錐形量熱儀(Cone Calorimeter,簡稱CONE)是美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (National Institute of Standards and Technology,簡稱NIST,原美國標(biāo)準(zhǔn)局, National Bureau of Standards,簡稱S) 的V. Babrauskas等人于1982年研制的, 是基于耗氧原理的材料燃燒性能測試儀器。經(jīng)過20多年的不斷改進(jìn)和完善,錐形量熱儀已經(jīng)成為研究材料燃燒性能重要的試驗儀器之一。
目前,表征材料燃燒性能的試驗方法較多,如氧指數(shù)(LOI) 法、UL 標(biāo)準(zhǔn)中的水平燃燒、垂直燃燒法及S 煙箱法等。它們多是傳統(tǒng)的小型試驗方法,試驗操作環(huán)境與真實火災(zāi)相差較大,試驗獲得的數(shù)據(jù)也只能用于試驗條件下材料間燃燒性能的相對比較,不能作為評價材料在真實火災(zāi)中行為的依據(jù)，錐形量熱儀法由于具有參數(shù)測定值受外界因素影響小,與大型實驗結(jié)果相關(guān)性好等優(yōu)點被應(yīng)用于很多領(lǐng)域的研究。
錐形量熱儀是以氧消耗原理為基礎(chǔ)的，新一代聚合物材料燃燒性能測定儀,采用耗氧量原理測量材料的熱釋放速率。所謂耗氧量原理就是：材料燃燒時消耗每一單位的氧氣所釋放的熱量基本是相同的。Hugget在1980年發(fā)表的文章指出建筑業(yè)和商業(yè)中普遍使用的大多數(shù)塑料和其他固體材料都遵循這個規(guī)律，并測出這個值為13.1MJ/kg±5%。在實驗中將燃燒產(chǎn)生的煙氣都收集起來并在排氣管中經(jīng)過充分混合后，的測出其質(zhì)量流量和組分，同時將O2的濃度測出來，通過計算可得到燃燒過程中消耗的氧氣質(zhì)量，運用氧消耗原理，即可得到材料燃燒過程中的熱釋放速率，同時還能給出其它許多參數(shù)。
二、錐形量熱儀可獲取的試驗參數(shù)：
由錐形量熱儀獲得的可燃材料在火災(zāi)中的燃燒參數(shù)有多種,包括釋熱速率(HRR) 、總釋放熱( THR) 、燃燒熱(EHC) 、點燃時間( TTI) 、煙及毒性參數(shù)和質(zhì)量變化參數(shù)(MLR) 等。
1.1、熱釋放速率(Heat Relea se Rate ,簡稱HRR)
HRR 是指在預(yù)置的入射熱流強度下,材料被點燃后,單位面積的熱量釋放速率,HRR 是表征火災(zāi)強度的重要性能參數(shù),單位為kW/m2 ; HRR 的值為熱釋放速率峰值( Peak of HHR ,簡稱pkHRR) ,pkHRR 的大小表征了材料燃燒時的熱釋放程度。HRR 和pkHHR 越大,財材料的燒燒放熱量越大,形成的火災(zāi)危害性就越大。
1.2、總釋放熱(Total Heat Relea se ,簡稱THR)
THR 是指在預(yù)置的入射熱流強度下,材料從點燃到火焰熄滅為止所釋放熱量的總和單位為MJ /m2 。將HRR 與THR 結(jié)合起來,可以更好地評價材料的燃燒性和阻燃性,對火災(zāi)研究具有更為客觀、的指導(dǎo)作用。
1.3、質(zhì)量損失速率(Ma s s Lo s s Rate ,簡稱MLR)
MLR 是指燃燒樣品在燃燒過程中質(zhì)量間的變化率,它反應(yīng)了材料在火強度下的熱裂解、揮發(fā)及燃燒程度。
1.4、煙生成速率( Smoke Produce Rate ,簡稱SPR)
單位為m2/ S ,即SPR =SEA/MLR式中SEA 為比消光面積(Specific Extinion Area) ,SEA表示揮發(fā)單位質(zhì)量的材料所產(chǎn)生的煙,它不直接表示生煙量的大小,只是計算生煙量的一個轉(zhuǎn)換因子SPR 被定義為比消光面積與質(zhì)量損失速率之比。
1.5、燃燒熱( Effeive Heat Combustion ,簡稱EHC)
EHC 表示在某時刻t 時,所測得熱釋放速率與質(zhì)量損失速率之比,它反應(yīng)了揮發(fā)性氣體在氣相火焰中的燃燒程度,對分析阻燃機理很有幫助。
1.6、點燃時間(Time to Ignition ,簡稱TTI)
TTI 是評價材料耐火性能的一個重要參數(shù)(單位:S) ,它是指在預(yù)置的入射熱流強度下,從材料表面受熱到表面持續(xù)出現(xiàn)燃燒時所用的時間。TTI 可用來評估和比較材料的耐火性能。
1.7、 毒性測定
材料燃燒時放出多種氣體,其中含有CO ,HCN ,SO2 ,HCl ,H2S 等毒性氣體,毒性氣體對人體具有大的危害作用,其成分及百分含量可通過錐形量熱儀中的附加設(shè)備收集分析。
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三、錐形量熱儀的構(gòu)造：
錐形量熱儀主要由燃燒室、載重臺、氧分析儀、煙測量系統(tǒng)、通風(fēng)裝置及有關(guān)輔助設(shè)備等六部分組成。
1.1、燃燒室
截斷錐形加熱器、點火器、控制電路、擋風(fēng)罩等構(gòu)成了燃燒室。入射熱流強度可根據(jù)不同的試驗要求適當(dāng)選擇; 樣品放在燃燒平臺上由點火器點燃,燃燒產(chǎn)物由通風(fēng)系統(tǒng)排走。
1.2 氧分析儀
氧分析儀是CONE 的部分,它是一種高的氣體分析儀,由氧分析儀可檢驗燃燒時通氣管道中氧的的百分含量間的變化,進(jìn)而由即時氧氣濃度和氧耗原理測定出材料的燃燒放熱情況。
1.3 載重臺
載重臺是測定樣品質(zhì)量變化的裝置,它可以準(zhǔn)確記錄樣品在燃燒過程中的質(zhì)量變化情況。燃燒時,樣品放置于載重臺的支架上。
1.4 煙測量系統(tǒng)
在靠近燃燒室的通風(fēng)管道中設(shè)有氦氖激光發(fā)射器、復(fù)雜的偽雙電子束測量裝置和熱電偶等裝置,以此可測定煙管道中煙的比消光面積(SEA) 。
1.5 通風(fēng)系統(tǒng)
通風(fēng)系統(tǒng)是指樣品燃燒后,將燃燒產(chǎn)物由燃燒室排出到大氣中的裝置。通風(fēng)裝置的通風(fēng)性能要根據(jù)試驗要求進(jìn)行調(diào)節(jié),氣體流速應(yīng)限制在范圍之內(nèi),否則將影響試驗結(jié)果。
1.6 其它改進(jìn)設(shè)備
根據(jù)不同需要,也可以添加其它分析裝置,如進(jìn)行燃燒產(chǎn)物成分分析時,可增加紅外光譜分析裝置;若測量樣品中溫度分布,須進(jìn)行相應(yīng)的熱電偶或紅外攝像裝置改造。
1.7 輔助設(shè)備
輔助設(shè)備中含有微機處理器、入射熱流強度測量儀、除去CO2 及H2O(氣) 的相應(yīng)裝置等。
四、錐形量熱儀配置清單：
1. 錐形量熱儀采用集成化設(shè)計，配備19寸分析柜以及17寸觸摸屏工業(yè)電腦控制，設(shè)計結(jié)構(gòu)更加合理以及簡約；
2. 自動點火方式，便于記錄點燃時間，同時測試時屏蔽罩可自動打開，配合10KV電火花點火自動點火，引燃揮發(fā)出的可燃性氣體；
3. 0.63mw氦氖激光系統(tǒng)1套，硅光二管接收方式，采用自動校準(zhǔn)模式，可軟件完成0%及100%的自動校準(zhǔn)模式；
4. 可移動式鋼化玻璃觀測窗1套，便于用戶觀察測試，同時可保護(hù)測試人員；
5. 德國西門子O6E氧氣分析儀1臺，量程為0-25%，的響應(yīng)速度，T90響應(yīng)時間為1.5s；
6. 德國西門子U23非色散紅外分析儀1臺，CO2分析儀量程為0-10%，CO分析儀量程為0-1%；
7. 采用研華數(shù)據(jù)采集模塊，采集及分析數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確；
8. 美國AALBORG質(zhì)量流量控制器裝置，可數(shù)值化監(jiān)控氣體流量，便于設(shè)定5KW的甲烷燃燒熱值，便于C-FAOR數(shù)據(jù)的獲?。?br />9. 配備美國MEDTHERM 水冷熱流計1個，提供自循環(huán)冷卻水源1套，用戶無需外接水源；
10. 煙氣處理系統(tǒng)1套，配備過濾系統(tǒng)，以及冷井裝置1套，可為氣體分析儀提供良好的預(yù)處理環(huán)境；
11. 2000g稱重傳感器，0.1g，用于測量材料的熱失重性能；
12. 配備不銹鋼試樣夾5個，已經(jīng)限制性框架裝置，適用于不同的材料樣品；
13. 甲烷校準(zhǔn)燃燒器1個，用于C-系數(shù)的獲?。?br />14. 5000W加熱錐1個，PID溫度控制模式，溫度控制可達(dá)1度；
15. 微壓差傳感器1個，可配合節(jié)流孔板檢測管道內(nèi)風(fēng)速；
16. 不銹鋼吸風(fēng)罩及排煙管路，配備煙氣熱電偶檢測裝置；
17. 配備離心風(fēng)機裝置，可抽取試驗燃燒煙霧，并排至室外；
18. 配備標(biāo)準(zhǔn)軟件測試系統(tǒng)，可提供中英文操作界面。
五、錐形量熱儀合的標(biāo)準(zhǔn)：
ASTM E 1354 、ASTM E 1740 、ASTM E 1550、ASTM D 5485 、ASTM D 6113、ISO 5660 Parts 1 and 2 、NFPA 271、NFPA 264 、CAN ULC 135 、BS 476 Part 15、GB/T 16172等測試標(biāo)準(zhǔn)
六、錐形量熱儀標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)：
1、錐形量熱儀采用分柜式設(shè)計方式，分析柜可移動，既可應(yīng)用于錐形量熱儀測試使用，也可連接大型熱釋放速率測試系統(tǒng)，合ISO 5660、ASTM E1354、GB/T 16172 等現(xiàn)行國內(nèi)外測試標(biāo)準(zhǔn)。
2、集成測試機體和19英寸分析柜，內(nèi)嵌PC型17英寸觸摸屏電腦，用于整個控制和測試過程。
3、錐形加熱器額定功率5000W，熱輸出量0～100 kW/m2，采用PID溫度控制器控制，同時輻射錐可水平或垂直放置；
4、暴露試樣表面的中心部位50X50mm的范圍內(nèi)，于中心處輻照偏差不過±2%；
5、樣品盒可放置100mm x 100mm x 50mm的樣品；
6、樣品稱量范圍 0～2000g；：0.1g；
7、點火系統(tǒng)帶有切斷裝置的高壓火花發(fā)生器，自動定位；
8、氧氣分析 順磁性氧氣分析器，濃度范圍0～25％，氧分析儀應(yīng)呈線性響應(yīng)，在30m in內(nèi)漂移不得大于士50x10-6OO2，T90時間小于3秒
9、非色散CO和CO2分析器 CO：0～1％；CO2：0～10％；
10、煙密度分析使用激光系統(tǒng)測量煙霧密度，系統(tǒng)由光電二管、0.5mW氦氖激光器、主圖形檢波器和輔助圖形檢波器組成
11、排氣系統(tǒng)由風(fēng)機、集煙罩、風(fēng)機的進(jìn)氣與排氣管道及孔板流量計等所組成。排煙風(fēng)機流量0～50g/s可調(diào)，0.1g/s；
12、環(huán)形取樣器應(yīng)裝在距集煙罩685 mm處的進(jìn)氣管道內(nèi),取樣器上應(yīng)有12個小孔以均化氣流組份，小孔與氣流方向相反以避免煙灰沉積；
13、排氣流量應(yīng)通過測量風(fēng)機上方350 mm處的銳緣孔板兩側(cè)的壓差來確定，銳緣孔板的內(nèi)徑為57mm±1mm；
14、氣流的溫度應(yīng)由直徑為1.0mm-1.6 mm封閉節(jié)點的愷裝熱電偶或直徑為3mm的暴露節(jié)點的愷裝熱電偶來測量，熱電偶應(yīng)安裝于測流孔板上方100 mm處；
15、氣體取樣系統(tǒng)包括環(huán)形取樣器、取樣泵、過濾器、冷阱、廢水排泄、水分過濾器和co2過濾器；
16、冷阱: 0~5度，隔膜泵，流量率:33 l/min，真空度: 700 ㎜Hg，壓力: 2.5 bar；
17、控溫儀應(yīng)能在0-1000℃的范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)、控制溫度，設(shè)定分辨力及控溫均為士2度，且應(yīng)帶有熱電偶的自動冷端補償器。
18、應(yīng)選用卡登型箔式(或熱電堆式)熱流計，設(shè)計量程0^100k W/m',輻射接收靶的直徑為12.5 mm，表面覆有耐久的無光澤黑色涂層。輻射接收靶為水冷式。熱流計的準(zhǔn)確度為士3% ，重復(fù)性為士0.5%，附帶可追溯至NIST的校準(zhǔn)一份。
19、原廠配備便攜式水冷卻系統(tǒng)，當(dāng)使用熱流計時，用戶無需外接自來水源和配備水管。
20、為了標(biāo)定整個測試系統(tǒng)的響應(yīng)，采用一個有方形開孔并且斷面也為方形的黃銅管作為標(biāo)定燃燒器
21、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)能記錄氧分析儀、孔板流量計、熱電偶等儀器的輸出。
22、配備軟件操作系統(tǒng)，測試結(jié)果包含：熱釋放速率、煙道氣體流速、C系數(shù)、試樣點燃時間和熄滅時間、總耗氧量、總發(fā)煙量、質(zhì)量損失速率、熱釋放總量、燃燒熱、二氧化碳生成量及一氧化碳生成量。
七、錐形量熱儀的 C-系數(shù)標(biāo)定
通常在測試前，需要獲得合理并具有重現(xiàn)性的C系數(shù)數(shù)值。
、前后兩次C系數(shù)的標(biāo)定，偏差小于5%，第二，C系數(shù)的數(shù)值位于0.035 至 0.045 中間，為，其中又以0.04 為優(yōu)。
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