錐形量熱儀

一、錐形量熱儀簡介： 

錐形量熱儀(Cone Calorimeter,簡稱CONE)是美國國家標準與技術(shù)研究院 (National Institute of Standards and Technology,簡稱NIST,原美國國家標準局, National Bureau of Standards,簡稱NBS) 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多年的不斷改進和完善,錐形量熱儀已經(jīng)成為研究材料燃燒性能最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 標準中的水平燃燒、垂直燃燒法及NBS 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)也只能用于一定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%。在實驗中將所有燃燒產(chǎn)生的煙氣都收集起來并在排氣管中經(jīng)過充分混合后，精確的測出其質(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) 、有效燃燒熱(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)強度的最重要性能參數(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、全面的指導(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)量隨時間的變化率,它反應(yīng)了材料在一定火強度下的熱裂解、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 Extinction 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、有效燃燒熱( Effective 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極大的危害作用,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。

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)物由通風系統(tǒng)排走。

1.2 　氧分析儀
氧分析儀是CONE 的核心部分,它是一種高精度的氣體分析儀,由氧分析儀可精確檢驗燃燒時通氣管道中氧的的百分含量隨時間的變化,進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 　通風系統(tǒng)
通風系統(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。通風裝置的通風性能要根據(jù)試驗要求進行調(diào)節(jié),氣體流速應(yīng)限制在一定范圍之內(nèi),否則將影響試驗結(jié)果。

1.6 　其它改進設(shè)備
根據(jù)不同需要,也可以添加其它分析裝置,如進行燃燒產(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，硅光二極管接收方式，采用自動校準模式，可軟件完成0%及100%的自動校準模式；
4. 可移動式鋼化玻璃觀測窗1套，便于用戶觀察測試，同時可保護測試人員安全；
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-FACTOR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，精度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. 甲烷校準燃燒器1個，用于C-系數(shù)的獲??；
14. 5000W加熱錐1個，PID溫度控制模式，溫度控制精度可達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)風速；

16. 不銹鋼吸風罩及排煙管路，配備煙氣熱電偶檢測裝置；

17. 配備離心風機裝置，可抽取試驗燃燒煙霧，并排至室外；
18. 配備標準軟件測試系統(tǒng)，可提供中英文操作界面。

五、錐形量熱儀符合的標準：

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等測試標準

六、錐形量熱儀標準技術(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)，符合ISO 5660、ASTM E1354、GB/T 16172 等現(xiàn)行國內(nèi)外測試標準。
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<