Heat Release Rate in Fire Title Cover

火灾热释放率

燃烧率

燃烧率计算

ṁ” = q̇”net/L

ṁ” 是单位面积燃烧速率 (g/m 2·s)
q̇” net 是燃料表面的净热通量 (净热通量, kW/m 2)
L 为气化比热 (Specific heat of gasification, kJ/g)

气化比热 (Specific Heat of Gasification, L) 是固体或液体转变为气体所需的能量。这个热值是热力学 (Thermodynamics) 性质。对于液体燃料来说，对于固体燃料，热值会随时间变化，例如木材，随着时间的推移会变成具有燃烧隔热性的炭，因此固体的 L 值是不确定的。

L 值越高，燃烧越困难

气化热值表

燃料

L (kJ/g)
液体：

汽油

0.33

己烷

0.45

庚烷

0.5

煤油

0.67

乙醇

1.00

甲醇

1.23
热塑性：

聚乙烯

1.8 – 3.6

聚丙烯

2.0 – 3.1

聚甲基丙烯酸甲酯

1.6 – 2.8

尼龙 6/6

2.4 – 3.8

聚苯乙烯泡沫

1.3 – 1.9

柔性聚氨酯泡沫

 1.2 – 2.7
成炭物

聚氯乙烯

1.7 – 2.5

刚性聚氨酯泡沫

 1.2 – 5.3

惠特曼滤纸 3 号

3.6

瓦楞纸

2.2

木材

4 – 6.5
  • 一般燃料的燃烧率在 5~50 g/m2·s 之间
  • 如果燃烧率低于 5 g/m2·s，燃烧将无法持续
  • 最大燃烧率 (Maximum Burning Rate)

最大燃烧率是每种燃料在充足氧气条件下（燃料限制燃烧）通过实际燃烧测试得到的最大燃烧限值。

最大燃烧通量值表

燃料

ṁ (g/m2·s)
液化丙烷 100-130
液化天然气 80-100
苯 90
丁烷 80
己烷

70-80
二甲苯

70
JP-4 50-70
庚烷 65-75
汽油 50-60
丙酮

40

甲醇 22
聚苯乙烯（颗粒） 38
聚甲基丙烯酸甲酯（颗粒）

28
聚乙烯（颗粒） 26
聚丙烯（颗粒）

24
刚性聚氨酯泡沫 22-25
柔性聚氨酯泡沫

21-27
聚氯乙烯（颗粒）

16
瓦楞纸箱

14
木材堆 11

热释放率 (Heat Release Rate)

热释放率可以通过以下公式计算火灾的热释放率

Q̇ = ṁ”f AX∆HC

ṁ” f 是单位面积燃烧速率 (g/m 2·s)
Q̇ 为能量释放率 (kW)
X 为燃烧效率 ~60-70%
∆H C 为燃烧热 (Heat of combustion, kJ/g)

各种材料的单位面积燃烧率和完全燃烧热表

材料

特氟龙

∆HC

脂肪族碳氢原子

聚乙烯

0.026

43.6

聚丙烯

0.024

43.4

重燃油 (2.6-23 m)

 0.036

——

煤油 (30-80 m)

0.065

44.1

原油 (6.5-31 m)

 0.056 ——

正十二烷 (0.94)

0.036

44.2

汽油 (1.5-223 m)

0.062

——

JP-4 (1-5.3 m)

 0.067

——
JP-5 (0.6-1.7 m) 0.055 ——
正庚烷 (1.2-10 m)

0.075

44.6
正己烷 (0.75-10 m)

0.077

44.8

变压器油 (2.37 m)

 0.025-0.030

——

芳香族碳氢原子
聚苯乙烯 (0.93 m) 0.034

39.2
二甲苯 (1.22 m)

0.067

39.4
苯 (0.75-6.0 m) 0.081

40.1
脂肪族碳氢氧原子

聚甲醛

 0.016

15.4
聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA (2.37 m)

0.03

25.2

甲醇 (1.2-2.4 m)

0.025

20
丙酮 (1.52 m)

0.038

29.7

脂肪族碳氢氧氮原子
柔性聚氨酯泡沫

0.021-0.027

23.2-27.2

刚性聚氨酯泡沫

0.022-0.025

25.0-28.0

脂肪族碳氢卤素原子

聚氯乙烯

 0.016

16.4

特氟隆 (ETHE)

 0.014

12.6

特氟隆 (FEP)

0.007

4.8

有效燃烧热表

燃料

∆HC (kJ/g)
甲烷

50
乙烷

47.5
乙烯

50.4
丙烷

46.5
一氧化碳

10.1
正丁烷

45.7
环己烷

43.8
庚烷

44.6
汽油

43.7
煤油

43.2
苯

40
丙酮

30.8
乙醇

26.8
甲醇

19.8
聚乙烯

43.3
聚丙烯

43.3
聚苯乙烯

39.8
聚碳酸酯

29.7
尼龙 6/6

29.6
聚甲基丙烯酸甲酯

24.9
聚氯乙烯

16.4
纤维素

16.1
葡萄糖

15.4
木材

13-15

表 A.8.2.6 商品单位热释放率

商品

热释放率
(每平方米地面面积 kW)*
木托盘，堆高 0.46 m（含水率 6%-12%）

1,420
木托盘，堆高 1.52 m（含水率 6%-12%）

4,000
木托盘，堆高 3.05 m（含水率 6%-12%）

6,800
木托盘，堆高 4.88 m（含水率 6%-12%）

10,200
邮袋，装满，堆高 1.52 m

400
纸箱，分隔，堆高 4.5 m

1,700
PE 信件托盘，装满，在推车上堆高 1.5 m

8,500
纸箱中的 PE 垃圾桶，堆高 4.5 m

2,000
纸箱中的 FRP 淋浴间，堆高 4.6 m

1,400
分隔纸箱中的 PE 瓶，堆高 4.5 m

6,200
纸箱中的 PE 瓶，堆高 4.5 m

2,000
PU 绝缘板，硬质泡沫，堆高 4.2 m

1,900
分隔纸箱中的 PS 罐，堆高 4.5 m

14,200
纸箱中的嵌套 PS 盆，堆高 4.2 m

5,400
纸箱中的 PS 玩具零件，堆高 4.2 m

2,000
PS 绝缘板，硬质泡沫，堆高 4.2 m

3,300
分隔纸箱中的 PVC 瓶，堆高 4.5 m

3,400
分隔纸箱中的 PP 盆，堆高 4.5 m

4,400
PP 和 PE 膜卷，堆高 4.1 m

6,200
蒸馏酒，桶装，堆高 6.10 m

740
汽油

2,500
煤油

1,700
2 号燃料油

1,700

池火燃烧率

池火燃烧率

ṁ” = ṁ”∞ (1-e-kßD)

ṁ” 是火堆燃烧速率 (g/m 2•s)
ṁ” ∞ 是火堆的渐近燃烧速率 (g/m 2•s)
kß 为取决于燃料类型的火池参数 (m -1)
D 为火池直径 (m)
D eq = √4A/π

火池直径与燃烧率关系图

图 - 火池直径与燃烧率关系图

图 - 池火特征

图 - 池火特征 来源：https://pubs.acs.org

池火燃烧率表

材料

 密度 (kg/m3) ṁ” (kg/m2s) ∆HC (MJ/kg)

kß (m-1)
低温液体

液态 H2

70

 0.017 120

6.1
液化天然气（主要为 CH4）

415

 0.078 50

1.1

液化石油气（主要为 C3H8）

585

 0.099 46

1.4
醇类

甲醇（CH3OH）

796

 0.017 20

a

乙醇（C2H5OH）

794

 0.015 26.8

b

简单有机燃料
丁烷（C4H10）

573

 0.078 45.7

2.7
苯（C6H6）

874

 0.085 40.1

2.7

己烷（C6H14）

650

 0.074 44.7

1.9
庚烷（C7H16）

675

 0.101 44.6

1.1
二甲苯（C8H10）

870

 0.09 40.8

1.4
丙酮（C3H6O）

791

 0.041 25.8

1.9
二恶烷（C4H8O2）

1035

 0.018 26.2

5.4b
乙醚（C4H10O）

714

 0.085 34.2

0.7
石油产品

轻汽油

740

 0.048 44.7

3.6
汽油

740

 0.055 43.7

2.1
煤油

820

 0.039b 43.2

3.5

JP-4

760

 0.051 43.5

3.6
JP-5

810

 0.054 43

1.6
变压器油，烃类

760

 0.039 46.4

0.7
重燃料油

940-1000

 0.035 39.7

1.7

原油

830-880

 0.022-0.045 42.5-42.7

2.8
固体

聚甲基丙烯酸甲酯（C5H8O2）n

1184

0.02 24.9

3.3

聚丙烯（C3H6）n

905

 0.018 43.2

聚苯乙烯（C8H8）n

1050

0.034 39.7

a 在湍流状态下与直径无关的值

b 由于只有两个数据点，估计值不确定

示例 1

发生事故导致 20 升变压器油（Transformer oil）溢出并覆盖约 2 平方米的地面区域。油开始燃烧，请计算能量释放率（Energy Release rate）和燃烧持续时间。

解法

从变压器油的池火表中可得

ρ = 760 kg/m3 ṁ”∞ = 0.039 kg/m3•s kß = 0.7 m-1 ∆Hc = 46.4 MJ/kg

计算等效面积为 2 平方米的圆的直径

D = Deq = √4A/π = √4×2/π = 1.6 m

变压器油每单位面积的能量释放率为

ṁ” = 0.038 x (1- e-(0.7×1.6)) = 0.026 kg/m2•s

总能量释放率为

Q̇ = ṁ”f AX∆HC = (0.026)(2)(0.7)(46.4) = 1.69 MW

总燃烧速率 ṁ = Aṁ” = 0.052 kg/s

溢出的变压器油总质量 m = ρV = 760(20×10-3) = 15.2 kg

总燃烧时间 t = m/ṁ = 15.2/0.052 = 292 s ≈ min

实际燃料燃烧能量释放率估算

实际燃料燃烧能量释放率的估算，在实践中我们使用称为氧气消耗量热仪（Oxygen Consumption Calorimeter）或家具量热仪（Furniture Calorimeter）的设备进行测试。

锥形量热仪测量能量释放率的方法

锥形量热仪（Cone Calorimeter Test）是根据锥形量热仪理论进行热量测量的设备。其原理基于消耗的卡路里与氧气消耗量成正比，消耗 1 g 氧气会产生 13.1 kJ 的热量。

锥形量热仪

图 - 锥形量热仪

家具量热仪测试测量能量释放率的方法

家具量热仪测试使用与锥形量热仪相同的原理，但具有更大的锥体，用于燃烧各种家具。

T-平方火

T-平方火是指从物体着火开始（增长阶段），燃烧会随时间的平方快速扩展。

Q̇ = αt2

Q̇ 为能量释放率 (kW)
α 为增长因子 (kW/s 2)
t 为从物体着火开始计算的燃烧时间 (s)

增长因子 α
tg 是物体从开始着火到能释放 1000 kW 热量所需的时间，其中

α = 1000/tg2

这是表示各类燃料火势蔓延速率的指标

NFPA 204 烟气和热通风标准将增长因子分为 4 个 等级

火势蔓延速度分类表

等级

达到 1000 kW 所需时间 (s)
超快速

75
快速

150
中等

300
缓慢

600
Conceptual Illustration of Continuous Growth Fire

图 - T-平方火

growth factor NFPA 204

图 - 增长因子

Rates of Energy Release for t squared Fire

图 - t-平方火能量释放率

不同燃料具有不同的增长因子

增长因子 α 表

燃料

增长时间 (s)
木托盘，堆高 0.46 m（含水率 6%-12%）

160-320
木托盘，堆高 1.52 m（含水率 6%-12%）

90-190
木托盘，堆高 3.05 m（含水率 6%-12%）

80-120
木托盘，堆高 4.88 m（含水率 6%-12%）

75-120
邮袋，装满，堆高 1.52 m

190
纸张，垂直卷，堆高 6.10 m

60
棉花（也包括 PE、PE/棉、丙烯酸/尼龙/PE），货架上的服装，高 3.66 m

17-28
纸箱，分隔，堆高 4.57 m

22-43
“普通可燃物”货架存储，高 4.57 m – 9.14 m

40-270
纸制品，纸箱中密集包装，货架存储，高 6.10 m

470
PE 信件托盘，装满，在推车上堆高 1.52 m

180
纸箱中的 PE 垃圾桶，堆高 4.57 m

55
纸箱中的 FRP 淋浴间，堆高 4.57 m

85
分隔纸箱中的 PE 瓶，堆高 4.57 m

85
分隔纸箱中的 PE 瓶，堆高 4.57 m

75
PE 托盘，堆高 0.91 m

150
PE 托盘，堆高 1.83 m-2.44 m

32-57
PU 床垫，单人，水平

120
PU 绝缘板，硬质泡沫，堆高 4.57 m

8
分隔纸箱中的 PS 罐，堆高 4.5 m

55
纸箱中的嵌套 PS 盆，堆高 4.2 m

110
纸箱中的 PS 玩具零件，堆高 4.2 m

120
PS 绝缘板，硬质泡沫，堆高 4.2 m

7
分隔纸箱中的 PVC 瓶，堆高 4.5 m

9
分隔纸箱中的 PP 盆，堆高 4.5 m

25-40
PP 和 PE 膜卷，堆高 4.1 m

40
蒸馏酒，桶装，堆高 6.10 m

25-40

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