锥形量热仪测试固体材料燃烧温度分布的实验装置_于健

第 31 卷 第 7 期 2012 年 7 月 实 验 室 研 究 与 探 索 RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY Vol． 31 No． 7 Jul． 2012 锥形量热仪测试固体材料燃烧温度分布的实验装置 于 健 (青岛科技大学 环境与安全工程学院，山东 青岛 266042) 摘 要:在原有的样品燃烧盒基础上稍加改造，结合其特点再制作一套固定装置，相互组合成一套 完整的实验测试装置。应用锥形量热仪的变热流辐射功率特点以及与多通道数据采集仪相组合，就可 以同时把多支测温热电偶安装在样品燃烧盒的固定装置上，对固体板状材料内部温度分布进行测试。 这种简捷、有效测定固体材料温度场分布的实验方法。 关键词:锥形量热仪;数据采集仪;热电偶;固体材料;温度分布;实验测试装置 中图分类号:TQ 016． 5;TH 873 文献标志码:A 文章编号:1006 － 7167(2012)07 － 0029 － 03 Experimental Device for Solid Material Combustion Temperature Distribution Test on Cone Calorimeter YU Jian (College of Environment and Safety Engineering，Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266042，China) Abstract:In experimental tests，there is no precedent of timely testing and recording of the internal temperature distribution and the temperature gradient for testing materials in the cone calorimeter test function in the heating process． The sample combustion box is too simple，and the thermocouple is easy to loose，which often results in the poor reproducibility of the test data． Therefore，the sample combustion box is slightly modified based on the original sample combustion box． And in view of its characteristics，a set of fixtures was designed to form a complete set of experimental device． Applying the variable heat radiated power characteristics of the cone calorimeter，and combining multi-channel data logger phase，many thermocouples can be installed in the sample combustion box to test the internal temperature distribution of the solid plate material． This simple and effective experimental method for determination of solid materials temperature distribution is an advanced testing technique for the study of combustion，decomposition，weight loss，and the combustion process and mechanism of solid materials． Key words:cone calorimeter instrument;data collection instrument; thermocouple;solid material; temperature distribution;experimental instrument 收稿日期:2011 － 11 － 21 作者简介:于 健(1956 －) ，男，山东青岛人，高级实验师，现主要 从事实验室与设备管理以及实验技术工作。 Tel．:0532-84022701 15589890260;E-mail:yujianqd@ qust． edu． cn 0 引 言 锥形量热仪在测试材料燃烧的阻燃性能方面由于 测试范围宽、项目多、数据准确、方法便捷真实等特点， 愈来愈受到人们的重视。其测试材料内容有点燃时 间、热释放速率、有效燃烧热、总释热量、质量损失、质 量损失速率、比消光面积、生烟速率、总烟产量等［1］。 用锥形量热仪对所测试材料的试样时，在受热过程其 内部温度场的分布状态以及温度梯度的变化能否及时 的测试和有效的记录下来，这在锥形量热仪的测试功 能中尚无先例［2］。 本文根据锥形量热仪变热流辐射功率的特点，把 多通道数据采集仪与其相连接组合，再用多支测温热 电偶与多通道数据采集仪相连接。热电偶的测温端安 装在样品燃烧盒的固定装置上，对固体板状材料内部 温度分布进行测试。这是一种简捷、有效的实验测试 实 验 室 研 究 与 探 索 第 31 卷 方法。 1 功能与测试条件 研制的锥形量热仪结构主要由锥形量热仪、样品 件燃烧盒、多通道数据采集仪、计算机、铠装测温热电 偶等部件组成。 测试时，热电偶测温端从样品件下端面向上插入 内部，与样品件一起放在样品燃烧盒上，热电偶另一端 与多通道数据采集仪相连接。样品燃烧盒、样品件、测 温热电偶组合，共同放置在锥形量热仪的称量装置上， 通过多通道数据采集仪，将采集到的测试数据传送到 计算机进行整理记录，如图 1 所示。 1 －激光测烟器，2 －烟尘集灰器，3 －排气管，4 －排气罩，5 －锥形 加热器，6 －测温热电偶，7 －测试样品，8 －样品盒，9 －称量装置， 10 －多通道数据采集仪，11 －计算机 图 1 锥形量热仪测试功能拓展示意图 这种测试方法因原有的样品燃烧盒过于简单，测 温热电偶易于松动，经常会出现测试数据不准、重现性 差等现象。对此，在原样品燃烧盒基础上稍加改造，再 结合其特点，设计制作一些安装固定用的部件，组合成 一套完整的实验测试装置。应用锥形量热仪的变热流 辐射功率的特点，与多通道数据采集仪、多支测温热电 偶相连接，并把多支热电偶的测温端安装在样品燃烧 盒的固定装置上，对固体板状材料内部温度分布进行 测试。 实验测试的样品件应为固体板状，外形尺寸为［3］ 100 mm ×100 mm ×(10 ～ 20)mm。热电偶测温端插入 固体板状样品件内部的不同深度，在燃烧时各点 随时间变化的温度值。由于多支热电偶在 10 ～ 20 mm 插入深度不同，当固体材料燃烧时，上表面燃烧层的温 度会不断地向下面材料内部传递，其不同厚度层的温 度均有差异，从而会形成一个材料内部的温度梯度，或 曰受热温度场［4］。燃烧时，不同的固体材料内部会有 不同的温度梯度变化或温度场变化［5］。 要保证样品件燃烧时各测量点的准确性以及热电 偶的固定方式等，这些都是在长期的实验测试过程中 所遇到的棘手问题，直接影响到实验测试的成功与否， 影响到测试数据的准确性、可靠性。 2 测试结构 (1)样品件。在固体板状测试样品底部均匀分布 钻孔数个。在测试样品厚度范围钻孔的深度不同，便 于使用多支热电偶，同时测量测试样品燃烧时，不同厚 度层温度变化的状况。 (2)样品盒与衬垫材料。在原样品盒盖侧面一处 开设一矩形槽口，便于多支测温热电偶从此槽口处引 出，与多通道数据采集仪的信号输入端相连接。样品 盒座与原来用的样品盒相同，在盒座内放一些具 有耐燃、隔热、柔软的衬垫材料，用于固定引出测温热 电偶，以及调整样品件与样品盒盖之间的高度。 (3)测温热电偶。选用外圆直径为 2 mm 的铠装 热电偶数支(5 ～ 8 支) ，测温范围:室温 ～ 1 000 ℃。热 电偶测温端按所需测量高度范围进行弯曲，然后再插 入样品件下端面不同深度的(事先钻好的)小孔内，共 同放置在衬垫材料里，调整好高度后，把样品盒盖压 上，用于定位固定。数支热电偶的另一端分别与多通 道数据采集仪的各个输入端口相连接，每个输入端口 均标注有易于识别的代号。 (4)多通道数据采集仪。多通道数据采集仪设有 16 个各自独立的输入端口，各个端口分别标注不同的 编号，输出端口用一条数据线与计算机相连接。数据 采集仪的操作控制软件与计算机、锥形量热仪控制软 件相兼容，尤其是时间显示与控制要相互同步一致。 (5)称量装置、锥形加热器、排气罩等。均采用锥 形量热仪的原有配置。 3 测试步骤与测试过程出现的问题 3． 1 测试步骤 (1)锥形量热仪开机，预热，锥形加热器件升温至 设定温度。 (2)计算机开机，多通道数据采集仪开机，打开数 据采集仪控制软件，编写好需要测试的样品件名称、编 号等［8］。 (3)先把样品盒整体放在锥形量热仪的称量装置 上称重、归零后，取下样品盒盖。再将测温热电偶插进 样品件下面钻好的孔内，一起放在样品盒上，调整好样 品件、热电偶、衬垫材料之间的高度后，再把样品盒盖 合上。然后整体一同放置在称量装置上。观察锥形量 热仪的质量显示(样品件连同热电偶的质量) ，等到显 示数字稳定后，再在控制软件里作好记录。 (4)点击计算机屏幕上数据采集仪控制软件的 “开始”按钮，开始测试。 3． 2 测试过程出现的问题 由于测温热电偶插入样品件底部的孔内，必须经 过弯曲后才能顺畅的引出，与数据采集仪相连接。 03 第 7 期 于 健:锥形量热仪测试固体材料燃烧温度分布的实验装置 测试样品在安装放置时，测温热电偶样品件与衬 垫材料之间由于没有准确地定位固定，经常会出现松 动、插入深度不够等现象。这样就会导致热电偶测温 端不到位、测试数据不准确;同种材料的样品件在相同 测试条件下的测试数据重复性差，规律性与可信性难 以把握［S］(见图 2)。 1 －样品盒盖，2 －样品件，3 －衬垫材料，4 －样品盒座，5 －测温热电偶 图 2 测试样品安装示意图 尤其是聚合物材料，在受到锥形加热器的热辐射 后，引起的蠕动变形，更是易于导致松动现象的产生， 不利于测试数据的准确。 4 解决 针对上述现象，结合锥形量热仪的应用以及固体 材料燃烧温度场测试的特点，设计制造了如图 3 所示 的实验装置。 1 －样品件，2 －隔热板，3 －固定支座台，4 －测温热电偶，5 －锁紧螺钉， 6 －固定填料，7 －样品盒底座，8 －内六角螺钉，9 －样品盒盖 图 3 固体材料燃烧温度分布实验装置示意图 4． 1 结 构 根据锥形量热仪配备的样品燃烧盒底座，再设计 制作一个热电偶的固定支座台。在固定支座台上钻出 数个均布的同心大小孔(阶梯孔) ，小孔直径略大于热 电偶直径(Φ2 mm) ，大孔直径与 M8 螺孔底径相同，并 加工出 M8 螺孔。 在固定支座台的四角，等距均布钻孔 4 个，并加工 出 M8 的螺纹通孔，配装内六角螺钉 M8 × 50、六角螺 母 M8。螺钉与螺母用于调节固定支座台水平平面度 和高度。 再设计加工数个尾端带方柄的锁紧螺钉，作为热 电偶安装用的紧固件。锁紧螺钉头部呈 90°锥角，螺 钉外径为 M8，中心钻通孔，直径略大于选用热电偶的 外径。在隔热板上钻孔，其直径、数量、位置均与固定 支座台小孔相同，便于热电偶安装通过。 样品燃烧盒盒盖的一侧面处加工出一矩形长槽 口，便于从样品件下端面插入的热电偶弯曲伸出，与多 通道数据采集仪输入端连接，便于采集的信号进入计 算机控制系统。 4． 2 工作原理 在标准的样品燃烧盒上，应用圆型细电偶可弯曲 的特点、机械方面的锁紧原理、标准件的易于选用和简 单的机械加工，设计组合成一套操作简捷、有效实用的 实验测试装置。 把与多通道数据采集仪、计算机相连接的测温热 电偶弯曲，并穿过锁紧螺钉，固定支座台、隔热板，露出 所需要测量的高度。固定填料应选用韧性好、耐热性 好、强度高、易于压缩的材料，填充在固定支座台的 M8 螺孔处。应用固定填料可压缩的特点，将锁紧螺钉对 其进行压缩，把测温热电偶定位固定。在拧紧锁紧螺 钉时，应使每个测温热电偶的伸出高度调整达到测量 的尺寸。 在样品件上钻出数个直径相同、深度不同、分布均 匀的孔，孔的数量与分布距离应与固定支座台、隔热板 相同。将样品件上的孔与固定支座台、隔热板上的孔 一一对准，再把热电偶分别插入样品件，放置稳妥，保 证热电偶的顶端与孔深的底部完全接触，拧紧锁紧螺 钉，固定热电偶，共同放在样品盒底座内，盖上样品盒 盖。再把整套装置放置在锥形量热仪称量装置的燃烧 支撑架上，即可对受辐射燃烧的样品材料内部不同深 度层，温度场的变化进行准确的测量，对样品件燃烧过 程的质量损失进行计量。彻底消除了样品件受到锥形 加热器热辐射后，由于蠕动变形，而导致的热电偶松动 脱开现象。 5 特点与效果 该实验测试装置的最大特点是:① 在不改变锥形 量热仪任何零部件的及其功能情况下，通过设计制作 专用的实验装置、增加数据采集仪、测温热电偶，运用 在样品材料内部，设置不同深度测温热电偶的方法，来 实现变热流条件下样品材料温度分布的测试实验。② 运用机械方面的技术原理，加工应用和通用标准件，采 用投资少、结构简捷的方式，设计出结构紧凑、操作简 便、经济实用的实验测试装置［14-15］。 实验测试装置与锥形量热仪、多同道数据采集仪 相结合，能方便、灵活、准确地解决多支热电偶同时测 量样品件不同厚度处的温度变化，测试定位准确、测量 (下转第 48 页) 13 实 验 室 研 究 与 探 索 第 31 卷 4 结 语 实践证明该改造后的实验台运行可靠，实验数据 精确，提高了实验精度。另外扩充了实验台的内容，改 造后的实验台除了可以继续完成空气调节处理过程实 验中空气处理过程演示，设备制冷量和制热量的测定， 还可作为表冷器热工性能测试实验台及表冷器额定工 况实验台，同时也可以作为冷热源加以利用，因此利用 率大大提高。 通过对该系统进行测试分析可以看出，表冷器的 热工性能受到风量、水量等多种因素的影响，但是其 影响程度各不相同。在实际工况中，应合理调节各影 响因素，使表冷器热工性能满足具体使用要求。 参考文献(References): ［1］ 连之伟，张寅平，陈宝明．热质交换原理与设备［M］． 2 版．北京: 中国建筑工业出版社，2006:198-206． ［2］ 童钧耘． 工程热力学［M］． 4 版． 北京:高等教育出版社，2007: 375-380． ［3］ 张学学，李桂馥． 热工基础［M］． 北京:高等教育出版社，2000: 117-125． ［4］ 任秀宏，王 林，郑立国．空调表冷器热工性能测试系统的研制 ［J］．实验室研究与探索:2011，30(5) :26-27． ［5］ 孟凡茂，孙付伟，王发挥，等．制冷压缩机性能试验台的改造及应 用［J］．河南科技大学学报(自然科学版) ，2009，30(2) :62-64． ［6］ 吴凤英，王学涛，褚玉林，等．中央空调制冷实验设备的设计研究 ［J］．河南科技大学学报(自然科学版) ，2007，28(5) :43-45． ［7］ GB 10223-88．空调冷却器与空气加热器系能实验方法［S］． 北 京:中国建筑工业出版社，2000． ［8］ 王志远，王海峰，盛 伟，等． 制冷原理与应用［M］． 北京:机械 工业出版社，2009:201-210． ［9］ 王健石．工业用热电偶及补偿导线技术手册［M］．北京:中国计 量出版社，2003． ［10］ 方修睦，姜永成，张建利．建筑环境测试技术［M］． 2 版．北京:中 国建筑工业出版社，2008:69-80． ［11］ 张子慧．热工测量与自动控制［M］．北京:中国建筑工业出版社， 1996:74-75． ［12］ 朱瑞琪． 制冷装置自动化［M］． 西安:西安交通大学出版社， 1993． ［13］ 陈光明，陈国邦．制冷与低温原理［M］． 北京:机械工业出版社， 2010． ［14］ 邵 峰，谷 波，白 伟．空调箱表冷器性能仿真模型研究［J］． 流体机械，2010，38(7) 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