热逃逸微小颗粒物相变过饱和蒸气发生装置、方法及探测装置与应用与流程

1.本发明涉及消防减灾技术领域，具体涉及一种热逃逸微小颗粒物相变过饱和蒸气发生装置、方法及探测设备与应用。


背景技术：

2.目前火灾预警和报警的常用方法是安装设置烟感探头、红外成像测温仪等方式，但此类的探测方法都是基于火灾事实上已经实际发生时才能发挥作用，其能够赢得的预警时间极为有限，因而往往也难以做到及时有效的处理，常常无法避免人员及财产的极大损失。一般而言，火灾自然发展的历程包括不可见预热段、可见烟气段、剧烈明火段、自然熄灭段。而能够及时探知、确定火灾发展的阶段，以采取有针对性的应对措施是人们所期望的，尤其是在火灾可见烟气及明火发生之前进行有效的探测和预警，以赢得更前端的宝贵处理时机，从而将火灾事故消灭于萌芽状态，是人们长期以来渴望解决而又一直未能有效解决的业界难题。
3.可燃物受热后会不断地有肉眼不可见的微小颗粒物从其表面逃逸出来，温度越高则逃逸越剧烈，当可燃物温度接近明火燃烧状态时，则会释放出巨量的热逃逸微小颗粒物；而如果能够准确的测定单位空间里热逃逸微小颗粒物的数量和逃逸速度，则可以提前获知可燃物从可燃段到明火段整个过程的火情发生、发展情况。
4.另一方面，基于过饱和状态蒸气的不稳定性，向其中引入微小颗粒物时，就会发生以微小颗粒物为凝结核凝结形成液滴。当微小颗粒物外围包裹液相成分后，其粒径形成相变放大，从而形成了便于观测的相变颗粒。因此，如何快速低成本的获得持续的过饱和蒸气介质是进行热逃逸微小颗粒物观测的首要前提。
5.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种热逃逸微小颗粒物相变过饱和蒸气发生装置、方法及探测设备与应用，以解决难以低成本的探测可燃物热逃逸微小颗粒物的过饱和蒸气的技术问题。
7.当前技术条件下，产生过饱和蒸气最常用的介质是水，其廉价易得，但液态水在密封、保存、运输及使用等方面也存在着诸多不便，难以直接将其应用于各类移动或便携式测量设备中。
8.水凝胶是一种网状结构的亲水性聚合物，具有亲水集团，可被水溶胀但不溶于水的具有三维网格结构聚合物。水凝胶具有极高的吸水性，其吸水量可达自身重量的数百倍、甚至千倍，其吸水后呈固态凝胶形态，且在一定温度和压力下形态稳定。
9.在密闭容器内放置水凝胶溶胀后的固体块，通过调节水凝胶的光照强度、添加水
凝胶析出盐、加热或加压的方式使其析出水分，并蒸发形成饱和蒸气，待其达到饱和状态后，使密闭腔体内降温或降压以产生过饱和蒸气；再将热逃逸微小颗粒物通过该过饱和蒸气，则在密闭腔体内形成以微小颗粒物为凝结核的液滴，提升了热逃逸微小颗粒物的可观测性。
10.基于此，设计一种热逃逸微小颗粒物相变过饱和蒸气发生装置，包括：密闭容器，其上设有水凝胶溶胀块加入口/门、微小颗粒物导入口、及用以调节密闭容器内压力的压力调节接口；制热或/和制冷件，设于所述密闭容器内，用以实现对密闭容器内介质的升温或降温。
11.所述制热或/和制冷件为设置于密闭容器底部的半导体制热或/和制冷板。
12.设计一种热逃逸微小颗粒物相变过饱和蒸气发生方法，包括如下步骤：（1）水凝胶吸水溶胀后，置于密闭容器中；（2）调节光照强度、添加水凝胶析出盐、加热或/和加压使水凝胶析出水，并蒸发形成饱和蒸气；（3）对所述密闭容器内饱和蒸气实施降温或/和降压，以形成过饱和蒸气。
13.在所述步骤（1）中，水凝胶可为淀粉系(接枝物、羧甲基化等)、纤维素系(羧甲基化、接枝物等)、合成聚合物系(聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系等)几大类；常见的有聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇。
14.设计一种热逃逸微小颗粒物探测设备，包括：密闭容器，其上设有水凝胶溶胀块加入口/门、微小颗粒物导入口、及用以调节密闭容器内压力的压力调节接口；制热或/和制冷件，设于所述密闭容器内，用以实现对密闭容器内介质的升温或降温；微小颗粒物计数器，用以检测所述密闭容器内相变微小颗粒物数。
15.设计一种热逃逸微小颗粒物相变放大检测方法，基于所述热逃逸微小颗粒物探测设备而实施，包括如下步骤：（1）由水凝胶溶胀块加入口向所述密闭容器内加入水凝胶溶胀块；（2）通过调节所述水凝胶的光照强度、添加水凝胶析出盐、制热件加热或/和通过所述正负压调节接口加压，使水凝胶析出水，并蒸发形成饱和蒸气；（3）通过所述制冷件对密闭容器内饱和蒸气实施降温，或/和对密闭容器内饱和蒸气实施降压，以在密闭容器内形成过饱和蒸气；（4）再经所述微小颗粒物导入口将含热逃逸微小颗粒物的待测样品引入所述密闭容器内，使热逃逸微小颗粒物粒径相变放大，再由空气微小颗粒物计数器对其数量及浓度进行测定。
16.与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：1. 本发明巧妙的利用水凝胶溶胀块的特性解决了液态水使用不便的难题，从而可方便的利用廉价易得的水作为过饱和蒸气生成介质。
17.2. 基于本发明的相变放大方法，可实现低成本的探知相变微小颗粒物（液滴）的数量及运动速率，也即获知单位空间内热逃逸微小颗粒物的数量、浓度和逃逸速度，进而可
准确的预测可燃物从不可见预燃到明火燃烧整个过程中火情的发生、发展情况。
附图说明
18.图1为本发明例实施例中热逃逸微小颗粒物探测设备的工作原理示意图。
19.图中，1为密闭容器，2为微小颗粒物导入口，3为水凝胶溶胀块加入口，4为高低温板，5为压力调节接口，6为激光空气微小颗粒物计数器。
具体实施方式
20.下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
21.在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规市售仪器设备；所涉及的检测、测量及试验方法等，如无特别说明，均为常规方法。
22.实施例1：一种热逃逸微小颗粒物探测设备，参见图1，包括：密闭容器1，其上设有水凝胶溶胀块加入口3、微小颗粒物导入口2、及用以调节密闭容器1内压力的压力调节接口5；高低温板（如半导体制冷片，既能制冷又能加热）4，设于所述密闭容器内底部，用以实现对密闭容器内水蒸气介质的升温或降温；激光空气微小颗粒物计数器6，用以检测所述密闭容器内相变-微小颗粒物数。
23.热逃逸微小颗粒物探测设备产生过饱和蒸气的常用介质是水蒸气，装置工作时需要加注液态水，为了装置方便运输及现场使用，本例中采用水凝胶（聚丙烯酰胺）溶胀块存储液态水，并将溶胀块放置于过饱和蒸气发生装置的密闭腔体内。
24.使用测量开始时，通过对溶胀块加热（也可以通过增加光照强度、添加水凝胶析出盐或加压等方式），使水凝胶溶胀块析出液态水，液态水在密闭腔体内蒸发并形成饱和水蒸气，待其达到平衡态后，使密闭腔体内降温或降压以形成过饱和水蒸气。
25.实施例2：基于实施例1所述探测设备的热逃逸微小颗粒物相变放大检测方法抽吸火灾防区的空气，并定量的注入空气样品（含热逃逸微小颗粒物）到充满过饱和蒸气的密闭容器内，过饱和蒸气会以热逃逸微小颗粒物为凝结核形成雾滴，使热逃逸微小颗粒物产生相变放大，然后再让激光空气微小颗粒物计数器发射一定波长的激光束通过密闭容器，激光衰减率与热逃逸微小颗粒物的数量或浓度成正比，基于标定激光衰减率即可获得所测空气中准确的热逃逸微小颗粒物的浓度。
26.大量实践研究发现，以被测环境中正常情况下的热逃逸微小颗粒物浓度为背景值，当测量到热逃逸微小颗粒物浓度达到其背景值的3倍以上时，说明该环境中有可燃物处于受热分解过程，当浓度大于背景值5倍以上时，就有发生潜在明火的可能；当浓度大于背景值10倍以上时，可燃物接近强分解过程，表明距离剧烈燃烧过程已经很近。
27.基于热逃逸微小颗粒物的浓度或逃逸速度，结合相应（如目标环境、可燃物材质等）的试验数据（或数据库等），可以建立精确的火灾预警模型，结合机器学习算法等，以实现更加精准、快速的火灾预警、预报。
28.应用例1：棉花仓库的应用验证棉花由于其自身特性，容易发生阴燃，棉花过火速度极快，也很容易从阴燃演变为
剧烈燃烧，甚至爆炸。棉花稳定存储对存储环境的湿度和通风条件都有着严格的要求。
29.在棉花存储区域开辟安全试验区，采用实施例2所述检测方法测得其正常稳定环境下的背景微小颗粒物数基本上在10万个/cm3以下，当出现棉花阴燃时，测得其热逃逸微小颗粒物的数量很快就会上升到70万个/cm3以上；接近明火燃烧的极少量棉花就会逃逸出900万个/cm3以上的数量。
30.应用例2：配电房内的应用验证电缆从绝缘开始分解于绝缘层材质、通过电流的大小、散热条件、累计发热时间有关。
31.在某厂区配电房内，电缆在其额定电流以下正常工作时，采用实施例2所述热逃逸微小颗粒物探测方法测得的背景微小颗粒物数基本上在3万个/cm3以下；采取安全措施后，在环境温度25℃时，对于1.5 mm2单芯国标电缆，使电流过载1.2倍时，检测热逃逸微小颗粒物的数量会达到50万个/cm3以上；当电流过载1.5倍时，电缆线套变软，但未起火，热逃逸微小颗粒物的数量会达到200万个/cm3以上；当过载电流进一步加大，且电缆绝缘开始变黑时，热逃逸微小颗粒物的数量会达到700万个/cm3以上的水平。
32.以逃逸微小颗粒物背景浓度值的3倍、5倍、和10倍作为判断火灾发展程度是一般经验值，并不能代表所有的材料、所有的环境。在实际的火灾预警工程实施过程，探测设备在安装后，可根据现场的试验验证情况重新调整上述参数，以期达到良好的使用效果。
33.上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关步骤、方法进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。