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名稱：圓錐量熱儀試體幾何配置效應之研究 學術類別：性能設計驗證與實驗 作者： 蔡匡忠 助理教授 陳榮俊碩士生 單位：國立高雄第一科技大學 環境與安全衛生工程系 住址： 811高市楠梓區卓越路 2號 電話： (06)601-1000轉 2329 傳真： (06)601-1061 信箱 ：tsaikc@ccms.nkfust.edu.tw 1 圓錐量熱儀試體幾何配置效應之研究 1 1 陳榮俊 國立高雄第一科技大學 環安系 學生 2 2 蔡匡忠國立高雄第一科技大學 環安系 助理教授 摘要 圓錐量熱儀是國際間最被肯定及使用之小尺寸火災測試儀。其內之錐形加熱器模擬 一加熱環境，藉由電子點火器及其他分析設備，可量測材料受熱後之火害反應參數，包 括引燃時間、熱釋放率等。無庸置疑地，此受熱環境需符合欲模擬之真實火場環境，本 研究針對不同熱流場進行探討，分析其加熱環境，希望可以提昇圓錐量熱儀數據使用 之 正當性 (validity) 。圓錐量熱儀所模擬之熱流場可分水平及垂直兩種配置，而先前研究者 在運用圓錐量熱儀所測得之數據時，常與實際熱流場有所差異。為探討不同試體幾何配 置熱流環境是否有所差異？本研究針對引燃臨界熱通量、特定加熱強度下之引燃時間、 表、背面溫度、熱釋放率與燃燒時間參數進行分析比較。本研究結果顯示，發現水平、 垂直配置之引燃時間、表、背面溫度、熱釋放率與燃燒時間參數間有明顯之差異，並發 現先前研究者在運用圓錐量熱儀之數據時有所誤用，因此運用圓錐量熱儀之實驗結果應 選用適合實際熱流場之配置。 關鍵字：水平、垂直熱流場、臨界熱通量、引燃時間、熱釋放率 ㄧ、前言 火災為造成人命及財物損失的重大危害 ，欲降低火災之發生 ，選擇適當之防火材料 為預防火災擴大重要的一步。而材料防火性能之評估有賴合宜之材料火害反應測試及準 確 之火災現象模擬 。 在評估材料之耐燃性時，Babrauskas [1] 指出：「熱釋放率」是最重要的參數，因為 （1）熱釋放率高的材料，其熱釋放會直接造成物質表面溫度的提升，加速材料分子的 熱解，材料暴露於高熱通量造成高質量損失率又加速熱量釋放、（2 ）可燃物燃燒後之產 物均與「熱釋放率」直接相關。為了能準確評估材料燃燒之熱釋放率，20世紀初期，相 關研究即已開始進行， Thornton [2]發現絕大部分的有機液體與氣體在完全燃燒後，消 耗每單位氧氣的熱釋放率趨近一個定值，顯示可以利用量測氧氣的消耗，來計算一燃燒 系統所產生的淨熱釋放率。 Parker[3]首先應用氧氣消耗原理從事材料表面燃燒特性之研究，之後 Huggett [4]驗 證此原理也可適用於有機固體，且其單位氧氣消耗之熱量釋放趨近於常數 E =13.1 MJ/kg 。 使用小型熱釋放率量熱儀的構想，最初是由美國俄亥俄州州立大學(OSU) Smith [5] 教授所提出，經改良後NBC （現今之NIST ）於1982 年研發出一套利用氧氣消耗法量測 熱釋放率的小尺度（bench-scale ）設備，即圓錐量熱儀(cone calorimeter)[6] ，因其不僅能 準確量測熱釋放率，並具有良好之再現性及重複性，自此成為測量材料熱釋放率的主 流，為國際上最被肯定及使用的小尺寸火災測試儀器。 圓錐量熱儀 （如圖1 ）量測材料在受熱後遇一引火源之燃燒行為，試體大小為 100mm×100mm ，置放於一天平上，以一圓錐形加熱器模擬熱提供源，加熱器為圓錐形 2 乃因其可提供材料均勻輻射熱。試驗開始後，加熱器即不斷加熱試體，其上有一引火源， 待產生之可燃性蒸氣局部達可燃下限，材料即被引燃起火