Brevet FR2690249A1 — publié le 19931022

APPAREIL DE MESURE DE DEBIT CALORIFIQUE D'UN ECHANTILLON EN COMBUSTION L'invention a pour objet un appareil de mesure du débit calorifique d'un échantillon de matériau dans des conditions représentatives de celles d'un incendie. Il est en effet important de connaître, pour déterminer le comportement d'un matériau en cas d'incendie, non seulement la chaleur totale dégagée lors de sa combustion complète, mais aussi la vitesse de libération de la chaleur qui elle-même dépend de la formation de produits gazeux combustibles. Le mode prépondérant de transfert de chaleur vers des matériaux susceptibles de s'enflammer, lors d'un incendie, est le rayonnement. On a en conséquence déjà proposé différents appareils permettant de soumettre des échantillons, généralement de quelques dizaines de grammes, à un flux de rayonnement et de mesurer la chaleur dégagée au cours de leur combustion. Parmi ces appareils on connaît notamment le calorimètre de TEWARSON. A condition de connaître la chaleur nette de combustion totale de l'échantillon, qui peut être déterminée séparément, la mesure du débit et de la teneur en CO et en CO2 permet de calculer le débit calorifique fourni par l'échantillon. Mais l'appareil ne permet pas de déterminer directement quelle est la fraction de la chaleur qui est émise par rayonnement : en effet, le tube joue simplement un rôle de réflecteur qui renvoie le rayonnement et permet de retrouver l'énergie rayonnée sous forme d'énergie supplémentaire ajoutée à l'énergie de convection. I1 s'agit là d'une insuffisance de l'appareil, d'autant plus gênante que l'énergie libérée sous forme de rayonnement est souvent de l'ordre de 40% de l'énergie totale. La présente invention vise notamment à fournir un appareil de mesure du type ci-dessus défini permettant de mesurer directement l'énergie rayonnée, et cela en ne mettant en oeuvre que des moyens simples. Dans ce but, l'invention propose notamment un appareil du type ci-dessus dans lequel ledit tube est muni de moyens d'isolement thermique freinant la transmission de chaleur vers l'extérieur dans le sens radial et de moyens de circulation de liquide de refroidissement et de mesure du débit de liquide et de son élévation de température, le tube étant muni d'au moins une fenêtre de passage d'un faisceau étroit de rayonnement fourni par lesdits moyens de chauffage de l'échantillon, placés hors du tube. La chaleur rayonnée par la flamme et par la surface de l'échantillon est collectée par la paroi du tube et le débit thermique enlevé par la circulation de liquide (eau par exemple) permet de suivre l'évolution du débit thermique rayonné au cours de la combustion. Pour éviter les pertes de chaleur par combustion, la fenêtre de passage du faisceau de rayonnement est avantageusement constituée par un hublot qui est transparent pour le rayonnement émis vers l'échantillon. On peut notamment utilisée une lampe à halogène comme source du faisceau et constituer le hublot en fluorure de calcium. Une circulation d'air de refroidissement et de nettoyage est avantageusement prévue le long du hublot. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en perspective de l'appareil avec un arrachement, sans les moyens de collecte des gaz, montrant une constitution matérielle possible - la figure 2 est un schéma de principe destiné à montrer la circulation des fluides et les opérations de mesure effectuées dans un appareil du genre montré en figure 1 ;; - la figure 3 est une vue de détail à grande échelle, en coupe suivant le plan passant par l'axe de l'enceinte de combustion, montrant le hublot de passage du faisceau de rayonnement - les figures 4 et 5 montrent, respectivement en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 5 et en vue de dessus, la grille d'injection de gaz comburant et le porteéchantillon. L'appareil dont la constitution générale est montrée en figure 1 comporte un bâti 10 qui contient les différentes alimentations et un tronçon d'essai fixe, supporté par le bâti. Le bâti contient également une balance, accessible par une trappe d'accès non représentée, qui supporte un porteéchantillon 11 qui sera décrit plus loin. Le tronçon d'essai peut être regardé comme ayant une enceinte externe cylindrique 12, un tube intérieur 14 formant cheminée, placé à l'intérieur de l'enceinte, et un manchon isolant thermique 16 occupant l'espace compris entre le tube 14 et l'enceinte externe 12. A la face externe du tube 14 sont fixés des moyens de circulation d'un liquide de refroidissement (eau en général) destiné à évacuer la chaleur que l'échantillon 17 porté par le porte-échantillon émet par rayonnement et qui est absorbée par le tube 14. Le tube 14 peut être constitué en tôle mince (par exemple de 0,3 mm d'épaisseur) d'acier inoxydable. Les moyens de circulation peuvent alors être constitués par un serpentin 18 fixé au tube par brasure à l'étain, relié en amont à une source de circulation d'eau et en aval à un rejet à l'égout. L'isolant peut notamment être de la fibre de verre ou céramique. L'enceinte externe 12 sera généralement métallique et mise à la masse. Son extrémité haute est en forme de cône destiné à s'engager dans une hotte de collecte 20 prolongée par un conduit d'évacuation 22 qui peut être équipé d'un détecteur de débit 24, tel qu'un venturi relié à un appareil de mesure de pression différentielle non représenté (figure 2). Des trous radiaux obturables peuvent être ménagés dans le tronçon d'essai. Dans le cas illustré en figure 1, ces trous comportent notamment un trou inférieur 25 placé en face de l'emplacement de l'échantillon et qui permet d'insérer un allumeur. Enfin, conformément à l'invention, au moins une fenêtre 26 de passage d'un faisceau de rayonnement de chauffage de l'échantillon 17 est ménagée à travers le tronçon d'essai. En général toutefois, plusieurs fenêtres seront prévues et régulièrement réparties autour de l'axe du tronçon d'essai. Chaque fenêtre peut avoir la constitution montrée en figure 3 et être délimitée par une chemise plus large que le faisceau qui est émis par une lampe 30 et défini par un diaphragmme. La fenêtre est fermée par un hublot 28, par exemple en fluorure de calcium, qui évite les échappement de fumée à travers la paroi du tronçon d'essai. Le porte-échantillon 11 peut avoir la constitution montrée en figure 4. Il est alors constitué d'un tube ayant à sa partie haute une coupelle de réception de l'échantillon 17 et à sa partie basse un embout destiné à s' engager dans le plateau 32 de la balance. Une fenêtre 34 peut être prévue à la partie basse du tube pour permettre une circulation de gaz comburant. L'alimentation en gaz comburant s'effectue par l'intermédiaire du bâti qui contient un collecteur 34 (figure 2) relié à des sources des différents gaz à utiliser, par exemple une soufflante de refoulement d'air et des bouteilles d'oxygène et d'azote comprimé. Sur chaque alimentation est prévu un détecteur de débit, fournissant une mesure qui est affichée sur une colonne 36 portée par le bâti, à côté du tronçon d'essai amovible. Pour garantir une alimentation homogène en gaz comburant et pour protéger la balance contre les effets thermiques dus à la combustion, une grille de répartition refroidie est placée sur le bâti, à la base du tronçon d'essai. La grille 38 (figures 4 et 5) comporte une plaque 40 en matériau isolant thermique (fibres céramiques par exemple) surmontée d'un disque 42 en matériau présentant une bonne conductibilité thermique (feuille de cuivre de quelques millimètres d'épaisseur par exemple). La plaque 40 et le disque 42 sont percés de trous 44 de passage du gaz comburant amené sous la grille. Ces trous, généralement de quelques millimètres d'épaisseur, sont régulièrement répartis dans la grille. La chaleur provenant du flux émis par les lampes 30 et provenant de la chaleur rayonnée par la flamme de l'échantillon 17 est évacuée par des moyens de circulation de liquide réfrigérant, constitués dans le cas illustré sur la figure 4 par un serpentin en spirale 46 relié à une extrémité à une alimentation en eau, à l'autre extrémité à un rejet. A l'intérieur de la hotte sont généralement placés des moyens de prélèvement, permettant de déterminer la composition des gaz. Ces moyens de prélèvement peuvent notamment être constitués par un tore 48 percé de trous d'aspiration régulièrement répartis, relié par des tubes 50 à une boîte de collection elle-meme reliée à un analyseur, qui peut être porté par la colonne 36, par une conduite 52. Le dispositif sera généralement complété par un fluxmètre thermique susceptible d'être placé au fond de la section d'essai, à la place du porte-échantillon 11, pour mesurer l'énergie thermique amenée par les lampes 30. Le mode d'utilisation du dispositif qui vient d'être décrit est comparable à celui du calorimètre de TEWARSON, si ce n'est que des paramètres supplémentaires, et notamment la chaleur dégagée par rayonnement, sont rendus disponibles. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure du débit calorifique d'un échantillon en combustion, comprenant : une enceinte contenant, dans une partie basse, un porte-échantillon muni de moyens de mesure de la masse de l'échantillon et de moyens d'amenée de gaz comburant permettant la mesure du débit dudit gaz comburant ; un tube entourant le porte-échantillon, en saillie au-dessus de l'échantillon et constituant cheminée ; des moyens de chauffage de l'échantillon par rayonnement ; et un espace de collecte relié à la partie haute de l'enceinte pour recevoir les gaz de combustion, muni de moyens de mesure du débit de ces gaz et éventuellement de leur teneur en CO et CO2, caractérisé en ce que ledit tube (14) est muni de moyens d'isolement thermique (16) freinant la transmission de chaleur de l'extérieur dans le sens radial et de moyens (18) de circulation de liquide de refroidissement et de mesure du débit de liquide et de son élévation de température et en ce que le tube est muni d'au moins une fenêtre de passage d'un faisceau étroit de rayonnement fourni par lesdits moyens de chauffage de l'échantillon, placés hors du tube. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fenêtre ou chaque fenêtre de passage (26) est ménagée à travers le tube (14), les moyens d'isolement (16) et l'enceinte (12) qui constituent ensemble un tronçon d'essai amovible et en ce que les moyens de chauffage de l'échantillon sont constitués par au moins une lampe (30) placée hors du tronçon d'essai. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque fenêtre est obturée par un hublot (28) en matériau transparent pour le rayonnement des moyens de chauffage, par exemple en fluorure de calcium. 4. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de circulation sont constitués par un serpentin (18) fixé à la face externe du tube par brasure, relié en amont à une source de circulation d'eau et en aval à un rejet. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'extrémité haute de l'enceinte est en forme de cône et s'engage dans une hotte (20) prolongée par un conduit d'évacuation (22) équipé d'un détecteur de débit (24). 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que le porte-échantillon (11) comprend une coupelle supérieure de réception d'échantillon et un tube porté par le plateau (32) d'une balance constituant lesdits moyens de mesure de masse, et en ce que ledit tube traverse une grille refroidie (38) de répartition du gaz comburant, qui est amené sous la grille. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la grille (38) comporte une plaque (40) en matériau isolant thermique surmontée d'un disque (42) en matériau présentant une bonne conductibilité thermique et en ce que la plaque (40) et le disque (42) sont percés de trous (44) de passage du gaz comburant, amené sous la grille. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé par un serpentin en spirale (46) relié à une extrémité à une alimentation en eau et à l'autre extrémité à un rejet, fixé à la face inférieure du disque.