云母板箱式暖脚器的引燃能力研究

田琛正

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

0 引言

在我国南方地区，人们经常在冬季使用箱式暖脚器进行取暖。由于它价格低廉、使用方便、取暖效果好，深受居民青睐。箱式暖脚器根据其发热体不同，可分为云母板、石英管、镍铬合金丝箱式暖脚器[1]。但是，现在市面销售的箱式暖脚器产品质量参差不齐，使用一段时间后可能会出现温度控制器失效等情况[2]。另外，居民在使用完后未及时关闭电源，引燃上方覆盖的可燃物，这也造成了箱式暖脚器火灾频频发生[3-5]。以贵州省铜仁市为例，从2007年到2014年，全市因箱式暖脚器引发的火灾占火灾总数的60%以上，造成81人死亡，直接财产损失达354余万元[6]。2016年12月，湖南省株洲市云龙示范区云田镇云田村一住宅发生火灾，造成3人死亡，2人受伤，直接财产损失71.4万元，起火原因为电脑桌下方的箱式暖脚器处于开启状态，引燃覆盖在上方的可燃物起火[7]。

云母板箱式暖脚器是人们经常购买的一种箱式暖脚器，其中，云母加热板是以云母板为骨架(外壳)和绝缘层，辅以镀锌板或不锈钢板作为支撑保护，中间埋入电阻丝，设计功率达1 kW，可耐600 ℃高温。本文选用云母板箱式暖脚器为研究对象，记录和观察温度控制器完好和失效两种情况，不同功率、可燃物、覆盖面积条件下可燃物受热面(直接受热面)的温度变化和引燃情况，为预防和调查此类火灾事故提供借鉴和指导意义。

1 试验部分

1.1 试验设备与材料

试验设备：云母板箱式暖脚器(48 cm×48 cm×15 cm，壁厚2 cm，0～300 W)，K型热电偶，Fluke数据采集仪。试验材料：棉被(纯棉，浅蓝色)，毛毯(聚酯纤维，紫色)，桌布(棉麻，浅绿色)。

1.2 试验方法

在云母板箱式暖脚器温度控制器完好和失效两种前提下，坚持单一变量的原则，分别调整不同功率、可燃物、覆盖面积，将可燃物受热面连接K型热电偶，测量可燃物受热面温度，记录和观察1 h内的温度变化和可燃物、踏脚木板的引燃情况。

在进行不同功率试验时，将云母板箱式暖脚器的功率分别调至100 W、200 W、300 W，云母板箱式暖脚器上方全覆盖棉被，测量棉被受热面的温度变化，观察棉被和踏脚木板的引燃情况；在进行不同可燃物试验时，将云母板箱式暖脚器功率调至300 W，分别测量棉被、毛毯、桌布在全覆盖情况下受热面的温度变化和引燃情况；对于不同覆盖面积试验，将功率调至300 W，分别调整棉被的覆盖面积为全覆盖、3/4覆盖、1/2覆盖，记录和观察受热面的温度变化和引燃情况。

1.3 温度测量点的选取

云母板箱式暖脚器呈对称结构，经过预试验得知，在对称点测量的温度大致相同，故选取图1所示的9个点所对应的位置，测量上方可燃物的温度。其中，1～6号测量点在云母加热板上方，7～9号测量点靠近云母板箱式暖脚器箱体边界。每组试验结束后，选取9个点中温度最高的点，与其他工况进行对比分析。

图1 可燃物受热面温度测量点选取示意图

2 试验现象及结果

2.1 温度控制器完好条件下的试验

2.1.1 不同功率对引燃能力的影响

将云母板箱式暖脚器的功率分别调至100 W、200 W、300 W，上方全覆盖棉被，棉被受热面的温度变化如图2所示。根据图2，云母板箱式暖脚器的功率越大，产生热量和温度上升的速率越快。将云母板箱式暖脚器功率调至300 W，1 h内温度最高可达105 ℃，云母板箱式暖脚器停止工作6次，6 min时温度控制器第一次动作，云母板箱式暖脚器停止工作，待温度降至67 ℃时恢复工作。功率调至200 W时，温度最高达97 ℃，9 min时云母板箱式暖脚器第一次停止工作，待棉被表面温度降至68 ℃时恢复工作。功率调至100 W时，温度缓慢上升，35 min时温度达到最高值91 ℃，1 h内云母板箱式暖脚器停止工作2次。在这三种功率条件下，由于温度控制器的保护作用，棉被均未被引燃，但在300 W功率条件下，棉被受热面有轻微、小面积熏黄的痕迹。

图2 不同功率条件下棉被受热面温度变化情况

2.1.2 不同可燃物对引燃能力的影响

将云母板箱式暖脚器调至300 W，棉被、毛毯、桌布在全覆盖条件下，受热面温度变化情况如图3所示。根据图3，在云母板箱式暖脚器功率和覆盖面积一定的情况下，覆盖在云母板箱式暖脚器上方的可燃物种类不同，其表面温度变化情况不同。覆盖棉被时，最高温度达105 ℃；覆盖毛毯时，最高温度达94 ℃；覆盖桌布时，最高温度达74 ℃。在此试验条件下，由于温度控制器的保护作用，三种可燃物受热面温度均没有达到燃点，未被引燃。棉被受热面有轻微熏黄痕迹，毛毯和桌布未有明显变化。

图3 不同可燃物受热面温度变化情况

2.1.3 不同覆盖面积对引燃能力的影响

将云母板箱式暖脚器调至300 W，棉被在全覆盖、3/4覆盖、1/2覆盖的情况下，受热面温度变化情况如图4所示。根据图4，在云母板箱式暖脚器功率和可燃物一定的条件下，棉被在云母板箱式暖脚器上方的覆盖面积不同，其受热面温度变化有所不同。全覆盖时，棉被最高温度达105 ℃；3/4覆盖时，最高温度达96 ℃；1/2覆盖时，最高温度达78 ℃。除棉被在全覆盖时受热面有轻微熏黄，其余两种情况棉被表面均未有明显变化。

图4 不同覆盖面积条件下棉被受热面的温度变化情况

2.2 温度控制器失效条件下的试验

2.2.1 不同功率对引燃能力的影响

将云母板箱式暖脚器的功率分别调至300 W、200 W、100 W，上方全覆盖棉被时受热面的温度变化如图5所示。在云母板箱式暖脚器温度控制器失效的情况下，云母板箱式暖脚器1 h内持续加热，棉被受热面温度持续上升，功率不同，达到的最高温度有所不同。云母板箱式暖脚器的功率在300 W时，最高温度达252 ℃；功率为200 W时，最高温度达148 ℃；功率为100 W时，最高温度达98 ℃。

图5 不同功率条件下棉被受热面温度变化情况

当云母板箱式暖脚器的功率调至300 W时，云母板箱式暖脚器的踏脚木板被引燃，覆盖的棉被出现炭化、引燃，冒出大量白烟，如图6所示。功率调至200 W时，云母板箱式暖脚器的踏脚木板出现略微炭化痕迹，棉被大面积被熏黄，有少量白烟冒出，如图7所示。功率为100 W时，未有明显变化。

图6 踏脚木板和棉被在300 W条件下的引燃情况

图7 踏脚木板和棉被在200 W条件下的引燃情况

2.2.2 不同可燃物对引燃能力的影响

当云母板箱式暖脚器功率调至300 W时，上方分别全覆盖棉被、毛毯、桌布时，受热面的温度变化情况如图8所示。根据图8，当云母板箱式暖脚器的功率一定时，覆盖不同的可燃物，其受热面可达到的最高温度不同。棉被在1 h内受热面最高温度可达252 ℃；毛毯的最高温度可达181 ℃；桌布的最高温度可达172 ℃。全覆盖棉被时，云母板箱式暖脚器的踏脚木板被引燃，棉被出现炭化、引燃，冒出大量白烟；毛毯出现熏黄的现象，踏脚木板发生炭化，如图9所示；桌布受热面出现熏黄的痕迹，踏脚木板未有明显变化。

2.2.3 不同覆盖面积对引燃能力的影响

当云母板箱式暖脚器功率调至300 W，调整棉被的覆盖面积，其受热面的温度变化如图10所示。根据图10，棉被在不同覆盖面积条件下，覆盖3/4面积和1/2面积温度先持续上升，后保持相对稳定。全覆盖时，棉被受热面温度高达252 ℃；3/4覆盖时，温度高达162 ℃；1/2覆盖时，温度高达121 ℃。全覆盖时，云母板箱式暖脚器的踏脚木板被引燃，覆盖的棉被出现炭化、引燃，冒出大量白烟；3/4覆盖时，踏脚木板出现炭化痕迹，棉被受热面出现大面积熏黄、轻微炭化的痕迹，有少量白烟冒出，如图11所示；1/2覆盖时，棉被受热面被轻微熏黄。

图8 不同可燃物受热面的温度变化情况

图9 全覆盖毛毯时踏脚木板的引燃情况

图10 不同覆盖面积条件下棉被受热面的温度变化情况

图11 棉被3/4覆盖时的引燃情况

3 结果分析与讨论

云母板箱式暖脚器的引燃能力与温度控制器的完好与否有直接联系，同时受功率、可燃物种类、可燃物覆盖面积三种因素的影响。

3.1 不同功率对引燃能力的影响

当云母板箱式暖脚器的温度控制器完好时，功率越大，升温速率越快，温度控制器动作越频繁。当功率为300 W时，棉被受热面只出现了略微熏黄的现象，但在这三种功率条件下，棉被均未被引燃。当温度控制器失效时，云母板箱式暖脚器持续加热工作，温度持续上升，功率为300 W和200 W时，踏脚木板和棉被均被引燃，有不同程度的白烟冒出。其原因是，在电压一定的条件下，根据功率公式P=UI，功率越大，通过云母板箱式暖脚器中云母加热板的电流越大，并由焦耳定律Q=UIt=I2Rt可知，电流越大，在相同时间内产生的热量越多。由于覆盖的棉被未直接接触云母加热板，在棉被受热过程中，主要存在热辐射和热对流这两种传热方式。功率越大，云母加热板的温度越高，对流传热越剧烈，棉被受热面温度越高。当功率为300 W时，棉被受热面达到的最高温度为252 ℃，而棉被的燃点为210 ℃左右，高于其燃点，覆盖的棉被被引燃，其余两种功率所达到的最高温度均未超过燃点，未被引燃。

3.2 不同可燃物对引燃能力的影响

当云母板箱式暖脚器的温度控制器完好时，三种可燃物均未被引燃。当温度控制器失效时，踏脚木板和棉被出现炭化痕迹，有大量白烟冒出；桌布出现大面积熏黄的痕迹。其原因是，在云母板箱式暖脚器功率一定的条件下，单位时间内产生的热量相同，但云母板箱式暖脚器上方覆盖的可燃物种类不同，燃点不同，表面吸收热量的能力不同。根据不同可燃物的温升曲线，吸收热量的能力：棉被>毛毯>桌布，在单位时间内棉被受热面温度较其他两者高。同时，棉被的材质为纤维素，其燃点为210 ℃左右，而覆盖棉被时最高温度达252 ℃，大于其燃点，发生阴燃起火。毛毯的材质为聚酯纤维，其燃点为550 ℃左右，而覆盖毛毯时最高温度达181 ℃；桌布的材质为棉麻，其燃点为200 ℃左右，而覆盖桌布时最高温度达171 ℃，全覆盖毛毯和桌布时1 h内最高温度均未超过各自的燃点，未被引燃。

3.3 不同覆盖面积对引燃能力的影响

当云母板箱式暖脚器的温度控制器完好时，三种覆盖面积条件下棉被均未被引燃，覆盖面积越小，温度控制器动作越频繁，棉被受热面达到的最高温度越低。在温度控制器失效的情况下，棉被全覆盖时，踏脚木板和棉被均被引燃，出现大量白烟；棉被覆盖3/4面积时，出现炭化和少量白烟；棉被覆盖1/2面积时，未被引燃。其原因为，云母板箱式暖脚器功率一定时，单位时间产生热量的能力相同。另外，着火是放热因素和散热因素相互作用的结果。在试验过程中，散热量受敞开面积影响，可燃物覆盖面积大时，放热占优势，箱体内就会出现热量积累，可燃物表面温度升高并导致燃烧；可燃物覆盖面积小时，散热占优势，箱体内不会出现热量积累，覆盖在云母板箱式暖脚器的可燃物不易被引燃。所以，在全覆盖和覆盖3/4面积时棉被发生引燃情况。

4 结论

通过试验研究，可得结论：(1)当云母板箱式暖脚器的温度控制器完好时，覆盖在上方的可燃物和踏脚木板不易被引燃。(2)当云母板箱式暖脚器的温度控制器失效时，功率调至300 W且上方全覆盖或3/4覆盖棉被时，具备将可燃物引燃的能力。(3)云母板箱式暖脚器的温度控制器失效时，棉被受热面的最高温度达252 ℃。(4)在云母板箱式暖脚器上方全覆盖不同可燃物时，由于不同材料的结构和性质不同，对热量的吸收和积聚能力不同，导致在相同时间内可燃物受热面所达到的最高温度也不尽相同。(5)可燃物在云母板箱式暖脚器的覆盖面积越小，引燃能力越低，安全隐患越小。