燃烧假人法中闪火生成系统设计.pdf

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1、第3 0 卷第6 期 2 0 0 9 年6 月 纺织学报 J o u n l a lo fT b x t i l eR e s e a r c h V 0 1 3 0N o 6 J u n 2 0 0 9 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 9 ) 0 6 0 1 2 2 0 4 燃烧假人法中闪火生成系统设计 蒋毅，陈强，谌玉红，梅安华 ( 总后勤部军需装备研究所，北京1 0 0 0 8 2 ) 摘要对燃烧假人法中闪火生成系统的燃烧系统、控制系统及安全监控系统进行探讨，用于设计闪火生成系统。 根据战场燃烧环境及战时人体烧伤统计，确定系统产生热流量范围为6 7 8 4k w

2、 ，m 2 ，持续时间为4s 。依据丙烷燃 烧热值计算公式，计算得燃气喷头与模拟实验人之间的距离为O 7 5 lm ，燃气压力范围为3 4 2 0 r 7k P a 。根据气体 压力与体积关系设计体积为3 5 4L ，工作压力为3 0 0k P a 的大容量缓冲罐，稳定管道气体工作压力波动小于5 。采 用嵌入式集中控制系统，构建一体式图形化的人机界面，直观显示系统各环节运行状态。采用多种监控装置和安 全系统，实现系统的安全稳定运行。 关键词燃烧假人；闪火；热流量；控制系统 中图分类号：仰1 8文献标志码：A D e s i g no fn a s h6 r eg e n e r a t i o

3、 ns y s t e mi nP y r o m a n J L A N GY i ，C H E NQ i a n g ，S H E NY u h o n g ，M E IA n h u a ( Q 抛啦册砸灯勖却胱眦加如姚o ，舭c P 以G e ，l e 蒯如扣如D 印。一删眦，咖增 1 0 0 0 8 2 ，傩i M ) A b s t r a c tT h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ed e s i g no fc o r n b u s t i o ns y s t e m ，c o n t m ls y s t e ma n ds 小哆s

4、y s t e mi nn a s h6 r e g e n e m t e ds y s t e mo ft h eP y m m a n B a s e do nt h e6 r ee n v i m n m e n ta n d6 r ed a m a g ei nb a t t l e6 e l d ，t h eh e a tn u x o ft h en 鹊hf i r ei sd e t e n Y l i n e dt ob e6 7 8 4k W m 2i n4s B a s e do “h ef 0 珊u l a o re a l c u l a t i n gt h eh

5、e a tv a l u e o fp r o p a n eb u m i n g ，i ti sc o m p u t e dt h a tt h ed i s t a n c eb e t w e e nb u m e ra n dP y m m a ni 80 7 5 一lm 粕dt h e p r e s s u r eo fb u m e ri s3 4 2 0 7k P a D e p e n d i n go nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r e s s u r ea n dv o l u I m ，ab 血f

6、 e r t 肌kw i t ht h ev o l u m eo f3 4 5La n dw o r k i n gp r e s s u r eo f3 0 0k P ai sd e s i g n e d ，e q u i p p e dw i t hs t a b l eg 嬲s u p p l y l i n eW i t hg a sp r e s s u r ef l u c t u a t i o n 证t h i n5 r I 1 1 ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mi sa d 叩t e dt op r o V i d ei

7、n t e 铲a t e d g m p h i c a l 嘲n 一坩，c h i n ei n t e d a c e ，a Uo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n 88 r ev i s u a ld i r e c t l y M o n i t o r i n ga n ds a f e t ys y s t e m s a r em o u n t e da n ds a f 宅o p e r a t i o ni se n 8 u r e d K e yw o r d sP y T 0 n 枷；n a s hf i r e ；h e a t

8、n u x ；c o n t “s y s t e m 服装阻燃性能测试主要检测纤维和织物的热物 理性质，同时还应包括服装的结构设计和整体配套 层次。燃烧假人法采用真实的模拟火场环境，实 现了服装整体热防护性能的定性和定量评估。在评 估阻燃服性能的标准测试方法燃烧假人法中， 具体的描述是：通过热流量、火焰的分布和持续时间 均可控的模拟闪火，描述单层外衣或防护服的整体 阻燃性能，适用于测量和描述材料、产品或组合物在 可控条件下对热量和火焰的反应。其测试结果亦可 作为着火危害评估或着火风险评估因素拉1 。如何设 计精确可控的闪火生成系统，是实现燃烧假人法测 试阻燃性能的基础。 1 9 4 0 年，

9、B a k e r 和S I I l i t h 设计出第1 个燃烧假 人，主要用于比较衬衫燃烧后受损比例。1 9 6 2 年， 美国海军首次采用仪器化燃烧假人进行服装测试。 测试中通过温度传感器和熔点指示器配合开展燃烧 实验，实现了假人测试法定性与定量相结合的重大 突破。1 9 7 2 年，他们首次使用飞机发动机燃油作为 收稿日期：2 0 0 8 一0 7 0 2修回日期：2 0 0 8 一l O 1 3 基金项目：国家科技支撑计划项目( 2 0 0 6 B A K 0 4 A 0 9 ) 作者简介：蒋毅( 1 9 7 9 一) ，男，工程师，硕士。研究方向为系统分析与集成、电气电子、控制技

10、术及嵌入式计算机技术等。 E 瑚i l ：j i 8 n g y i m y a l o o 。c o m c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第6 期蒋毅等：燃烧假人法中闪火生成系统设计 1 2 3 热源对全尺寸的仪器化假人进行测试。后来美国杜 邦公司在此基础上研制了一种仪器化燃烧假人，称 之为“火人”【3 5 1 ，从此，采用燃烧器短时间喷射火焰 的闪火生成方式得以逐步推广。 目前北卡罗莱那州立大学纺织学院是世界上少 数几个将燃烧假人应

11、用于服装阻燃性能测试的单位 之一，其闪火生成系统来源于杜邦公司J ，应用效果 如图l 所示。1 9 9 6 年上海消防研究所在我国率先 研制了“消防假人”实验装置，并用于评价消防员防 护服的热防护性能，该实验系统使用油盆产生火焰， 模拟火场环境，通过调节火盆的移动速度，控制火焰 与测试物的接触时间，进而实现对服装整体阻燃性 能的定性测试。在使用过程中，由于油盘火受环境 影响较大，热流量不稳定，热接触面积不确定，热辐 射屏功率不足等诸多问题，导致实验精度不高，结果 可重复性差等缺陷“ 1 。 图l北卡罗莱那州立大学的闪火应用效果图 F i g 1 F 1 a s h6 r eo fP y r o

12、 m s y s t e m ，N C S U 总后军需装备研究所正在进行服装阻燃抗燃性 能测试技术研究，建设单兵装备燃烧工程实验室。 其目的在于通过采用可控闪火形式模拟战场燃烧环 境，为单兵阻燃装备热传递机制研究、单兵装备阻燃 面料研究、阻燃方式装备的结构与款式设计、特种功 能单兵阻燃防护服研究及阻燃性能评估提供实验室 手段J ，同时也可应用于相关服装检测领域。为此， 本文探讨了闪火生成系统的设计。 1 闪火生成系统总体结构概述 闪火生成系统主要由燃烧系统、控制系统及安 全监控系统三大子系统组成。系统间通过控制信号 及状态数据联系，完成闪火的精确生成、灵活控制及 安全保障。系统总体框图如图2

13、 所示。 燃烧系统主要通过管道、阀门、气体缓冲稳压装 图2 冈火生成系统结构 F i g 2 S u c t u r eo fn 鹊hf i r eg e n e m t o r 置、点火装置及燃烧装置等一系列设备，完成从液态 丙烷到闪火生成全过程的燃料供给。其难点在于系 统内气体压力特别是管道内气体压力的均匀稳定。 控制系统主要监控燃烧状态的动态过程，包括 对各部分气体压力的监控、燃气通断的控制、点火时 间的控制，以及系统安全监控信号的处理，是整爪，系 统的核心。 安全监控系统是闪火生成系统的重要组成部 分，是系统安全运行的基础。主要包括：可燃气体的 监控，防止可燃气体的泄漏及累积；点火监控

14、装置主 要对点火火焰进行监控，在其熄灭时关断燃烧器的 供气阀门；通排风装置保证实验室内气体的流通，同 时在实验结束后快速排除燃烧室内废气；灭火装置 是在实验室发生火灾等异常情况下，快速进行灭火 等紧急处理。 2 闪火生成系统关键技术探讨 2 。l 闪火热流量及燃烧时间确定 战场燃烧环境来源于单兵燃烧类武器、大威力 纵火杀伤武器及纵火武器引起的二次火场眇 ，燃烧 系统设计的首要目标是实现对单兵可能面临的大部 分火场环境进行模拟。 单兵燃烧武器产生的热流平均值约为 7 0k 猁m 2 ；大威力纵火杀伤武器爆炸瞬间温度和热 流密度非常高，战时紧急情况下难以进行有效防护， 但其衰减速度很快，1s 后在

15、1 2m 的距离内热流密 度就降至8 4k W ，m 2 ；二次火场主要由木材、干草等易 燃物产生，其热流密度均比较小。根据战场实际燃 烧环境及其可能对士兵造成的伤害，结合美国标准 的规定，闪火系统设计热流密度为8 4k W ，m 2 ，燃烧时 问为4s ，这也是对皮肤造成三度烧伤的燃烧条件。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 2 4 纺织学报 第3 0 卷 丙烷燃烧器布局如图3 所示。6 组共1 2 个燃烧 器固定于6 个滑动轨道上，燃烧假人固

16、定在燃烧器 所形成圆的圆心上。通过凋节燃烧器与假人的距 离、燃烧器喷射火焰的角度及管道供气压力，控制火 焰的强度及到达燃烧假人的热流量密度，即可真实 模拟战场火场环境对人体皮肤的烧伤面积、烧伤程 度，进而推导得出热流量强度与皮肤烧伤等级及服 装阻燃性能之间的关系。燃气压力与燃烧热的关系 见表l 。 图3 燃烧器布置图 F 培3 P b 萌t i o no fb 啪e r 表l 燃气压力与燃烧热关系表 T a b 1 R e I a 伽鹏m pb e t 唧蛐p r e 娜r ea n d h e a t 丙烷燃烧热值为9 31 2 7k J m 3 ，通过概要计算当 燃气喷头与模拟实验人之间的

17、距离为0 7 5 1m 时，燃气压力在3 4 2 0 7k P a 之间调节，在假人表面 可生成热流密度为6 7 8 4k w m 2 的热流量。 2 2 热流量稳定的关键技术 稳定燃烧过程中的热流量即稳定燃气的流量， 燃烧系统管道气体压力和阻力是关键因素。管道阻 力按定量标准调试后基本固定不变，因此，燃气的流 量取决于管道气体的压力。 由于燃烧过程只有4s ，常规的调节系统在如此 短的时间内对这种脉冲性负荷难以实现压力的稳定 调节。如果要对流量进行定量控制，就必须采用加 大前端气容，即增加缓冲罐的容积来实现。本文方 案设计中采用加大缓冲罐容积方式进行稳定n0 | 。 当燃气压力设定为1 2

18、4k P a 时，1 2 个燃气喷头 同时燃烧5s ，燃气消耗量约为0 0 1 18m 3 。设计采 用3 个标称容积为1 1 8L 的丙烷气体贮罐形成缓冲 气罐组，合计容积为3 5 4L ，其工作压力控制在 3 0 0k P a ，贮气量约为1 0 6 2m 3 。每次实验消耗燃气 量约为贮气量的1 。根据上述计算可以看出，即 使上游不再补充燃气，就3 个缓冲罐的气容可保证 管道内气体压力的波动仅为】2 ，由此而引起 流鼍的波动小于5 ，再加上调节阀在压力调节回 路作用下实时给予3 个缓冲罐补充燃气，热流量的 波动范围即可控制在5 以内。 2 3 控制系统设计 控制系统采用嵌入式集中控制方式

19、，并对各分 系统状态数据进行采集与监控。主要功能包括：对 燃料存储系统进行检测，测量气体纯度等相关信息； 对输送系统管道气体压力进行检测，在不满足实验 条件时进行预警，同时切断供气回路。在管道压力 正常时，控制点火系统点燃引导火焰，通过控制供气 回路的送气时间控制燃烧时间；采集室内可燃气体 浓度数据，防止可燃气体的累积；控制通排风系统对 不同的实验阶段采用不同的送风等级，提供不同的 通风量。嵌入式集中控制系统结构见图4 。 图4 控制系统结构 F i g 4 S t m c t u r eo fc o n 咖ls y s t e m 总线 总线 总线 该系统具有以下主要功能： 1 ) 系统完成

20、与数据采集站的通信，将过程数据 送入嵌入式计算机进行处理，并通过嵌入式监控站 将压力调节阀、电磁阀及电动机等相关控制信号送 至现场执行器。 2 ) 系统提供友好的人机界面，对整个燃烧工艺 系统进行监控。采用嵌入式u N U x 操作系统，系统 开销小，运行速度快，基本上无病毒入侵的危险。 3 ) 系统集成丰富、成熟的算法，包括缓i 申罐压力 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第6 期蒋毅等：燃烧假人法中闪火生成系统设计 1 2 5 调节所需的防积分饱

21、和、快速调节、系统辨识等处理 能力。 4 ) 嵌人式计算机采用低功耗的器件及无硬盘的 结构设计，实现无风扇、无可动部件，可靠性高，又便 于进行防腐防爆等处理。必要时可直接安装于爆炸 危险区的防爆式监控站。 5 ) 具有良好的网络功能，便于功能扩展，同时可 以与其他系统进行通信。 2 4 安全监控系统设计 安全是实验室运行的前提，安全监控系统设计 是系统设计的重点。安全监控系统设计主要包括燃 烧室建筑防火防爆装置、可燃气体监控系统、引导火 焰状态监控系统、通排风系统及安全灭火系统等。 通过对气体存储、燃烧过程、燃烧后废气处理等整个 实验流程的安全控制，实现系统可靠稳定运行。系 统还设置了灭火系统

22、以防止意外情况的发生。 3结语 闪火生成系统是以燃烧假人法为基础的实验手 段。采用环形燃烧器布局，产生的热流量范围为 6 7 8 4k w m 2 ，且可调；采用大容量缓冲罐，燃烧过 程中热流量波动小于5 ；采用嵌入式集中控制系 统，构建一体式图形化的人机界面，直观显示系统各 环节运行状态；采用多种监控装置和安全系统，实现 系统的安全稳定运行。燃烧工程实验室的建设，可 为军队装备特别是阻燃装备的整体阻燃、抗燃性能 测试提供一种有效的手段。删 参考文献： 1 全凤玉，纪全。夏延致，等阻燃粘胶纤维的研究及其 进展 J 纺织学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 1 ) ：1 2 l 一1 2 3 Q

23、u A NF e n g y u ，J IQ u a n ，x L AY a n z l l i ，e ta 1 n a m e r e t a r d 8 n tv i s c o 鸵f i b e ro fr e 8 e a r c ha n dd e v e l o p m e n t 【J J o u m 以o f T e x t i l eR e s e a r c h ，2 0 0 4 ，2 5 ( 1 ) ：1 2 l 1 2 3 2 毛晓舟浅谈阻燃纺织品的检测 J 江苏纺织， 2 0 0 6 ( 7 ) ：4 3 4 6 M A 0 ) 【i a o z h o u T e s

24、 t i n go ff 盯e 他t a m 姐tt e x m e s 【JJ J i a n g s uT 叙m e s ，2 0 0 6 ( 7 ) ：4 3 4 6 S O N GG u o w e n M o d e l j n g 山e m l a lp r o t e c t i o no u 伍t sf o rf i r e e x p o 眦船 D N o n I lc a r o l i 腿：N o r d lc a r o l i n as t a t e U n i v e r s i t y ，2 0 0 | 2 N O R T O NMJT ，K A D O L P

25、 HSJ ，J O H N S O NRF ，e ta J D e s i g n ， c o 璐t r u c t i o n ，如du s eo fm i n n e s o t aw o m e n ， a t h e n a li n 吕t r u m e n t e dm a n n e q u i n J ，T e x l i l eR e s e a r e h J o u m a l ，1 9 8 5 ( 5 5 ) ：5 1 2 s 1 o L LAM ，C H I A N T AMA H e a tn 丑n s f e r t h r o u g l lf a b r i

26、c s a sr e l a t e dt ot 1 1 e m I a li n j u r y J T r a n s a c t i o n so fI h eN e w Y b r kA c 8 d e m yo f S c j e n c e s ，1 9 7 l ，3 3 ：6 4 9 6 6 9 陈人哲现代纺织晶的阻燃体系及测试方法 J 国际 纺织导报，2 0 0 7 ，3 5 ( 7 ) ：5 8 6 0 C H E NR e m 南e M o d e m n a m er e t a r d a t i o ns y s t e m sf o rt e x t i l e s

27、 a n dt e 8 tm e t h o d 8 【J M e u i a n d c h i l l a ，2 0 0 7 ，3 5 ( 7 ) ： 5 8 6 0 李双会，朱华阻燃抗热防护服装材料及其检测手段 的现状及发展趋势 J 中国安全生产科学技术， 2 0 0 6 ，2 ( 6 ) ：1 0 1 3 U S h u a n g h u i ， Z H UH u a 7 I 飞ec u r r e n ts t a t ea n d d e v e l o p m e n tt r e n do fm a t e r i a l sf o rn a m e r e t a r d

28、a n ta n dh i g h t e m p e r a t u r er e s i 8 t a n tg 删e n t sa n dt h et e s tm e t l l o d sf o rt h e i r p e 而r n l a n c e 8 J J o u r n a l o f S 疵t y S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，2 ( 6 ) ：l O 1 3 谌玉红，陈强蒋毅燃烧假人测试系统及其应用前 景 J 中国个体防护装备，2 0 0 7 ( 1 ) ：4 0 4 2 s H E NY u h o

29、n g ，C H E NQ i a I l g ，J l A N GY i n 锄em a I l i l 【i n t e s “n gs y s t e ma n d 印p l i c a t i o np r o s p e c t JJ C h i 眦P e r s o n a l P m t e c t i v eE q u i p m e n t ，2 0 0 7 ( 1 ) ：加一4 2 谌玉红，郝俊勤，蒋毅，等战场燃烧环境与单兵阻燃 防护 J 中国个体防护装备，2 0 0 7 ( 2 ) ：1 9 2 1 S H E NY u h o n g ，H A OJ u n q i n

30、 ，n A N GY i ，e ta 王F i r e i nd t e b a t d e 矗e l da n ds o l d i e rp r o t e c t i n g Jj c h i n aP e r s o n a l P m t e c t i v eE q u i p m e n t ，2 0 0 1 7 ( 2 ) ：1 9 2 1 蒋毅。谌玉红，陈强燃烧假人测试方法中燃烧系统 研究【J 中国个体防护装备，2 0 0 7 ( 5 ) ：5 8 J I A N GY i ， S H E NY u h o n g ，C H E NQ i a m g R e s e a I

31、ho n d e s i g I l i n gb u m i n gs y s t e m i nt e s tm e t h o d u s i n g 胁 i n s t r 岫e n l e dm a n i k i n J C h i 髓P e r s o n a IP r o t e c t i v e E q I I i p m e n t ，2 0 0 7 ( 5 ) ：5 8 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1J，J 1 j 3 4 5 6 7 8 9 K r L r L r L r L r L r L r L r - 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark