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锥形量热仪
概述

    目前,表征材料燃烧性能的试验方法较多,如氧指数(LOI)法、UL标准中的水平燃烧、垂直燃烧法及NBS烟箱法等。它们多是传统的小型试验方法,试验操作环境与真实火灾相差较大,试验获得的数据也只能用于一定试验条件下材料间燃烧性能的相对比较,不能作为评价材料在真实火灾中行为的依据。
    为能客观地评价真实火灾中材料的燃烧性能,1982年Babrauskas等人开发设计了锥形量热仪(ConeCalorimeter,简称CONE)这一先进的试验仪器。CONE的燃烧环境极相似于真实的燃烧环境,其试验结果与大型燃烧试验结果之间存在很好的相关性,能够表征出材料的燃烧性能,在评价材料、材料设计和火灾预防等方面具有重要的参考价值。
    经不断研制和改进,CONE现在已成为研究火灾和评定材料燃烧性能的理想试验仪器。国际标准组织(ISO)及美国、英国等国家已制定出应用CONE测定各种材料燃烧性能参数的标准,另外一些国家和地区,如瑞典等也正在积极地制定相应的使用标准。
    以CONE为试验仪器,我国已参照ISO非等效地制定了有关燃烧标准。但由于众多方面的原因,此标准并没有真正在我国得到推广应用。可以相信,随着我国工业的不断发展和对材料阻燃性能的需要,CONE必定会在我国的材料阻燃和火灾预防等领域起到越来越重要的作用。

锥形量热仪(CONE)的工作原理

    CONE是一种根据氧耗原理设计的测定材料燃烧放热的仪器。所谓氧耗原理是指,物质完全燃烧时每消耗单位质量的氧会产生基本上相同的热量,即氧耗燃烧热(E)基本相同。这一原理由Thornton在1918年发现,1980年Huggett应用氧耗原理对常用易燃聚合物及天然材料进行了系统计算,得到了氧耗燃烧热(E)的平均值为13.1kJ/g,材料间的E值偏差为5%。所以,在实际测试中,测定出燃烧体系中氧气的变化,就可换算出材料的燃烧放热。

    这里,。对不同材料,ΔHC与r0的值各不相同,若ΔHC与r0已知,可以求算相应的燃烧热。在实际测量中,通过测定O2的体积分数变化以求得热释放率()。

    上式中,α为氧耗空气部分的体积膨胀因子,α = 1+,β为燃烧产物同所需耗氧摩尔数之比;ø为体积分数表示的氧耗率,
    若取E = 13.1×103kJ/kg,MO2/Ma=32/28.95=1.1,(ΔP为压力差;Te为烟道中温度;C为标定常数),则当α=1.105,β=1.5(甲烷燃烧气体)时,锥形量热仪计算燃烧时的释放热量公式为

锥形量热仪(CONE)的构造

    CONE主要由燃烧室、载重台、氧分析仪、烟测量系统、通风装置及有关辅助设备等六部分组成:
    1、燃烧室
    截断锥形加热器、点火器、控制电路、挡风罩等构成了燃烧室。入射热流强度可根据不同的试验要求适当选择;样品放在燃烧平台上由点火器点燃,燃烧产物由通风系统排走。
    2、氧分析仪
    氧分析仪是CONE的核心部分,它是一种高精度的气体分析仪(精确到10-4),由氧分析仪可精确检验燃烧时通气管道中氧的的百分含量随时间的变化,进而由即时氧气浓度和氧耗原理测定出材料的燃烧放热情况。
    3、载重台载重台是测定样品质量变化的装置,它可以准确记录样品在燃烧过程中的质量变化情况。燃烧时,样品放置于载重台的支架上。
    4、烟测量系统在靠近燃烧室的通风管道中设有氦氖激光发射器、复杂的伪双电子束测量装置和热电偶等装置,以此可测定烟管道中烟的比消光面积(SEA)。
    5、通风系统通风系统是指样品燃烧后,将燃烧产物由燃烧室排出到大气中的装置。通风装置的通风性能要根据试验要求进行调节,气体流速应限制在一定范围之内,否则将影响试验结果。
    6、其它改进设备根据不同需要,也可以添加其它分析装置,如进行燃烧产物成分分析时,可增加红外光谱分析装置;若测量样品中温度分布,须进行相应的热电偶或红外摄像装置改造。
    7、辅助设备辅助设备中含有微机处理器、入射热流强度测量仪、除去CO2及H2O(气)的相应装置等。

 

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