单体燃烧测试准确性探讨

施初阳

（杭州华测检测技术有限公司，浙江 杭州 310018）

单体燃烧测试基于耗氧测量原理，通过测量燃烧前后的烟气中的氧气含量来换算样品的热释放量，即建材完全燃烧所消耗的每单位质量的氧气会释放几乎恒定的净热量。所以如何准确测量烟气中氧气的参数非常关键，如下论述了三个影响测量结果的准确性的因素。

1 专用空气脱水剂

1.1 耗氧测量原理

耗氧技术正在成为一种强大的工具，可用于确定多种防火测试应用中的热释放速率，包括房间火测试，耐火性测试，隧道测试以及各种放热率量热仪。根据测试的限制，所需的精度，仪器和计算设备的可用性以及是否愿意忍受实验上的不便，已经考虑了许多仪器选项，每个选项都需要不同的计算程序。

研究表明对于大量有机液体和气体，完全燃烧所消耗的每单位质量氧气释放的净热量几乎恒定。美国Huggett发现对于有机固体也是如此，并获得了该常数E 的平均值，即13.1 MJ/kg 氧气。该值可用于实际应用，准确度极少，误差在5%以内。该规则意味着测量燃烧系统中消耗的氧气就足以确定释放的净热量。这是在燃烧试验中测量放热率的耗氧法的基础。

耗氧技术在火灾研究中的首次应用是帕克在ASTM E84 隧道试验中的应用。在1970 年代末和1980 年代初，耗氧技术在美国国家标准局(NBS，现为美国国家标准与技术研究院，或NIST)得到改进。耗氧量法现在被认为是测量实验火灾放热率的最准确和最实用的技术，它在世界范围内广泛用于小规模和大规模应用。

1.2 脱水剂的作用

空气中含有一定量的水蒸气，水分子H2O 含有氧元素，在燃烧的测量和计算过程中会影响氧气浓度的计量，如下公式：

Xa_O2=O2*[1-H/100 * exp{23.2-3816/(T-46)}/p]

Xa_O2中的a，代表环境空气，燃烧前的空气状态。

xO2为仪器传感器直接测量的环境空气的氧气浓度，如20.95%左右。

空气中含有水蒸气，影响氧气浓度的测量和计算，所以通过测量空气参数来消除水蒸气的影响。

即，Xa_O2=O2*(1-H2O%）

如下部分代表空气中水蒸汽的“体积”浓度比例，H2O%：

p 为环境空气的大气压，如标准大气压为101325Pa，要用大气压表测量。

H 为相对湿度，如50%，即水蒸气的相对比例，用温湿度表测量。

水蒸气的含量=H/100 * (p 水/p 空)

水的蒸汽压，参照安托因（Antoine）三参数方程，描述纯液体饱和蒸汽压的方程。

p 水=A-B/(T+C)

大意是水的蒸汽压同温度相关联。

注意这个公式有不同的版本算法和单位，A,B,C 会不同，

当用e 为底数，压力单位是Pa，温度单位是K时，

A= 23.2，B= 3816，C= -46

即p 水=exp{23.2-3816/(T-46)}

单体燃烧借助于冷却器单元和干燥剂以两个步骤进行脱水，即要去除样气中的水蒸气。由于干燥剂对于精确测量氧气和二氧化碳的浓度至关重要，因此要特别注意。实际上，当水分蒸气压增加时，测得的氧气浓度降低，从而导致影响测量的氧气消耗和最终的放热速率。另外，某些产品（如硅胶）往往会先吸收二氧化碳，然后再释放回去，这会导致缓慢的响应曲线，可以通过使用无水硫酸钙等产品来确保测试精度。

如图1，无水硫酸钙能够强力脱水，吸水后由蓝色转变为红色。当测试仪器使用的是普通圆形颗粒硅胶吸水剂时，仪器的精准度就没有保证了。硅胶吸水剂用途是静态的干燥皿吸水，相对较慢，而非动态的气流脱水，温度升高后饱和的硅胶还会释放二氧化碳，会影响耗氧量的计算。特别是潮湿天气，空气中的水分含量高，不充分除湿就会影响测试结果的计算。

图1

2 燃烧器的热输入

2.1 燃烧器的标定

在样品开始燃烧前，标定传感器的空气氧浓度，20.95%。如下标准内的示意图（图2）。虽然不同品牌的氧气传感器，设置方式不同，有在仪表上手动设置，有在电脑软件上设置。但要求都一致，将实验室的空气人为设置成20.95%的基准。

图2

测试开始后，辅助燃烧阶段，烟道内的烟气氧气浓度下降，下降到20.65%左右。如果显示的氧气浓度数据在20.65%左右，对应“热量”的测量基本准确。这个参数，不受样品的影响，容易检查仪器基本状态是否正常。大致在20.63-20.67%左右波动（图3）。

图3

标准规定丙烷气体通过砂盒燃烧器并产生(30.7±2.0)kw的热输出。在辅助燃烧阶段，热量输出在30kW 左右波动，示意线段基本平直，（图3）。上述两个参数如果在标准范围内，则仪器状态良好，如果超标，则需要维护找原因。如果仪器软件没有这些数据，建议协调厂家开放。

2.2 燃烧系统的校准

庚烷校准是SBI 单体燃烧试验中重要的校准办法之一，通过庚烷稳定的热值和产烟，从另一个角度验证SBI 系统的准确性。在庚烷校准试验中有一些讲究和技巧，在这里做个简单介绍操作步骤：

步骤1：调节排烟系统体积流速；步骤2：准备好用于安装钢盆的支架，并测量摆放位置；步骤3：在钢盆中加入2kg水，并开始试验软件记录；步骤4：约150s 时开始注入庚烷2840g；步骤5：在约300 秒后开始点火；步骤6：试验直到火焰熄灭；步骤7：火焰熄灭后300 秒停止记录，并保存报告。

标准依据准备过程举例；放置一块硅酸钙底板放在托盘下，启动试验记录（300 秒后点燃庚烷），加入庚烷（2840g），庚烷密度比水低，需要好几瓶。准备点火工具。注意倒入庚烷后需要做一定的保护，庚烷蒸发较快。记录时间到达300 秒后点火，特别注意的是庚烷易燃，点火时小心，用长一些的点火器。分析测试数据，最终得到一次庚烷的k值为0.84。

如果燃烧器入射热通量主要是辐射的，则更容易创建恒定和均匀的暴露条件。为此目的使用多孔气体面板以及电加热元件。可以通过改变加热器的功率或改变加热器与试样之间的距离来调节辐射热通量。如果使用第二种方法，则可以创建辐射热通量水平范围的实际上限和下限。如果加热器离试样太近，对流传热会变得很重要。因此，上限对应于必须保持的最小距离，以确保主要是辐射传热。下限由入射辐射热通量的均匀性决定，随着加热器和试样之间距离的增加而下降。确切的限制取决于几何配置、加热器的功率以及被认为可接受的入射热通量分布的不均匀程度。

另一个重要方面是燃烧器在测试期间将辐射热通量保持在恒定水平的能力。如果加热器在恒定功率水平下运行，则入射辐射热通量在测试期间会发生变化。在测试开始时，插入一个冷样品。试样充当散热器，导致加热器温度降低，从而降低入射辐射热通量。点火后，试样释放的热量导致加热器温度和入射辐射热通量增加。

为了在测试期间保持入射辐射热通量，因此有必要保持燃烧器的温度恒定。这对于气体面板来说非常困难，但对于电加热元件来说相对简单。使用氧气消耗方法，使用气体面板的另一个缺点是其燃烧产物导致氧气消耗，通常比样品燃烧消耗的氧气大得多。因此，面板流量的微小波动会导致测得的热释放率出现显着误差。这种“基线”问题可以通过为燃烧器使用单独的排气系统来避免。

3 风压传感器

3.1 分压传感器结构

圆形排气管中的质量流速是通过横截面的单点速度测量获得的。这就需要对管道轴线上的速度进行准确的测量，并且需要了解管道横截面上的速度分布和密度分布。迄今为止，在耐火测试应用中，探头因数几乎始终保持恒定，而忽略了管道上密度不均匀的影响。

速度测量是通过适用于测量火灾中双向流动的类似Pitot 的差压探头进行的。双向探头设计用于在着火条件下测量流速，在这种情况下，不需要知道流动方向或保持恒定流动方向。例如，安装在门口中，根据高度的不同，首先会夹带空气进入火中，而随后在测试中，随着热烟层的增加和降低，热的燃烧气体可能会离开同一门口。该设计已被复制用于HRR 测试应用，因为它具有坚固性，假定的角度和雷诺独立性，而没有彻底研究探头的缺点。然而，对于SBI 应用而言，这些对于俯仰和偏航角变化以及雷诺依赖性的敏感性是不可忽略的。

标准GBT20284-2006[1]中关于风压的双向探头有说明，只要能提高“精度”，就可以替换升级。若能保证流量测量的不确定度相同或更小,可以拆卸排烟管道中180"的弯头或更换管道中的双向压力探头。如图4。

图4

更 新 的 标 准EN13823-2020[2]，将 原来的双向探头传感器改为半球传感器，Hemispherical probe。如图5。

图5

不锈钢半球壳体直径D=30mm（D 可小到20mm），壁厚（1±0.5mm）。不锈钢管直径3mm（外径可到5mm，*内径无指定，不堵塞即可），30°≤β≤45°。

3.2 风压测量原理

风压传感器是测量排烟管内的烟气压力，会换算出烟的体积流量，影响烟密度和热释放的计算结果。修改是为了提高测量精度。传感器对应的数学参数kρ 要改为1.24；原来的kρ 为双向探头的雷诺校正系数是1.08（图6）。

图6

双向风压探头始于航空领域，对风向很敏感，必须严格平行于风向，传感器稍微有角度偏差，就会造成测量的风压风速烟量偏小。在仪器长期使用中，由于烟管的震动，热胀等作用，可能造成双向探头传感器的角度有偏移错位，形成误差。新升级的半球探头能减少烟气流量方向的影响，获得更高的压差信号，从而减少不确定度，风压传感器的的微小错位将不会对结果产生明显影响。

在精确确定质量流量和/或改善抽气系统（管道直径，导叶等）方面仅投入了有限的精力。火灾测试社区中只有少数人似乎知道质量流对整体放热率和烟雾释放率测量的准确性的影响。证明用于评估电缆的防火性能；以及用于评估铁路材料的防火性能汽车。尤其是在第二种标准中，人们希望使用可应对高达1 MW 的火灾的硬件设计测量低至7 kW的热释放速率以及小于1 kW的热释放速率变化（风管f=400 毫米；在298 K 时提取速率为1.5m3/s）。在给定情况下，在7 kW级别的耗氧量仅为250 ppm，在测量噪声中几乎消失了。

通常，从其他标准（即ISO 9705）到新开发的标准都有很高的重复性，而无需在这些新情况下重新评估该方法。ISO 9705 是一种全面测试方法，旨在评估室内应用的表面产品对火势增长的贡献。就其本身而言，有必要对中小型测试方法进行适当的缩减。除了不适当的缩小比例外，某些物理现象或进行测量的方式可能会增加总体不确定性。

通过所谓的双向压力探头进行速度测量，该探头基于皮托管静态原理。双向探针最初是设计用于测量与中小型火灾相关的（浮力驱动）火灾引起的气流的低速。它已被“复制”为各种国际标准，被认为是测量燃烧气体质量流量的最新技术。尽管该探头适合在恶劣的环境和高温下工作，但其主要缺点是，它最初高估了测得的速度每度的俯仰角或偏航角大约1%。这可能是由于探头与气流的对准不正确或排气流中的径向速度分量引起的。

SBI 标准中使用的探头[3]经过稍微修改的设计对角度的敏感度较低，但与标准双向探头相反，雷诺依赖于此。由于燃烧气体的温度不断变化以及所述气体的变化速度，在大多数火灾测试中，与探头外径相关的雷诺数将在大约3.103 至3.104 的范围内变化。进一步的细节可以在测试标准中查询到。到目前为止，这些影响已被忽略，导致不确定性区间的估计值过低。这些发现的结果进行了进一步的研究，从而得出了一种新的速度压力探头设计，该探头在很宽的范围内都具有低角度灵敏度和雷诺独立性。

4 结论

产品的防火技术特性是引发和火灾增长的决定因素。因此，对燃烧性能的测量以及对它们与实际危害的关系的了解对于消防安全至关重要。耗氧原理虽然易懂，但算法涉及的气体参数很复杂，需要先确保各种气体传感器的可靠性，才能获得“正确”的计算参数。各种机电测量技术也是不断在进步，尽量利用最新的技术来降低测量不确定度，从而获得稳定的测试结果。