Θερμιδόμετρο κώνου

Το θερμιδόμετρο κώνου (αγγλ. Cone calorimeter) είναι εργαστηριακή συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μελέτη της θερμικής συμπεριφοράς στη φωτιά μικρών δειγμάτων διαφόρων οργανικών υλικών. Χρησιμοποιείται ευρέως στον τεχνολογικό τομέα της Μηχανικής Πυρασφάλειας (Fire engineering).

Τεχνικές πληροφορίες 
Το όργανο συγκεντρώνει δεδομένα σχετικά με το χρόνο ανάφλεξης, την απώλεια μάζας, τα προϊόντα καύσης, το ρυθμό απελευθέρωσης της θερμότητας και άλλες παραμέτρους που σχετίζονται με τις ιδιότητες καύσης του δείγματος (ήτοι: υλικού προς δοκιμή πυραντοχής). Η αρχή για τη μέτρηση του ρυθμού απελευθέρωσης της θερμότητας βασίζεται στην αρχή του Huggett, δηλ. ότι η «μη καθαρή» θερμότητα καύσης οποιουδήποτε οργανικού υλικού σχετίζεται άμεσα με την ποσότητα οξυγόνου που απαιτείται για την καύση.

Η θερμιδομετρία κατανάλωσης οξυγόνου έχει κάνει τη μέτρηση του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας μιας πυρκαγιάς ως «φυσιολογική διαδικασία» των δοκιμών φωτιάς τόσο για έρευνα όσο και για συμμόρφωση με τους ισχύοντες κανονισμούς. Ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας είναι ένα βασικό μέτρο μεγέθους της φωτιάς, που είναι θεμελιώδες στη σύγχρονη μηχανική πυροπροστασίας (fire protection engineering). Η συσκευή επιτρέπει σε ένα δείγμα να εκτίθεται σε διαφορετικές ροές θερμότητας στην επιφάνειά του. Η ειδική ονομασία του προέρχεται από το κωνικό σχήμα του θερμαντικού σώματος που παράγει μια σχεδόν ομοιόμορφη ροή θερμότητας στην επιφάνεια του υπό μελέτη δείγματος (υλικού).

Το θερμιδόμετρο κώνου -σήμερα- θεωρείται το σημαντικότερο όργανο κλίμακας πάγκων στον τομέα των δοκιμών αντοχής στη φωτιά. Αυτό τεκμηριώθηκε το 2016 από το βραβείο DiNenno ύψους 50.000 δολαρίων, το οποίο αναγνώρισε τη θερμιδομετρία κατανάλωσης οξυγόνου ως σημαντικό τεχνικό επίτευγμα που είχε σημαντικό αντίκτυπο στη δημόσια ασφάλεια.

Το βραβείο Philip J. DiNenno του 2016 απονεμήθηκε στον Dr. William Parker, ο οποίος διεξήγαγε την έρευνά του για το θερμιδόμετρο κώνου στο Εθνικό Ινστιτούτο Προδιαγραφών & Τεχνολογίας (National Institute of Standards and Technology, NIST) των ΗΠΑ. Επίσης επιδόθηκε ειδικός έπαινος στον αποβιώσαντα συνεργάτη του NIST, τον Δρ. Clayton Huggett. Η εταιρεία Fire Testing Technology Limited (FTT) είναι σήμερα ο μεγαλύτερος κατασκευαστής τέτοιων θερμιδόμετρων κώνου στην παγκόσμια αγορά.

Ασφάλεια έναντι της φωτιάς 
Ένα θερμιδόμετρο κώνου είναι μια χρήσιμη συσκευή για τη δοκιμή και την έρευνα της φωτιάς. Επιτρέπει το χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων πυραντοχής μικρών δειγμάτων υλικών (περίπου 100 mm x 100 mm). Τα χαρακτηριστικά ανάφλεξης ενός υλικού μπορούν να προσδιοριστούν από διαφορετικά πρότυπα - μοντέλα του θερμιδόμετρου κώνου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση διαφορετικών ιδιοτήτων των εύφλεκτων υλικών. Η έρευνα που χρησιμοποιεί τα θερμιδόμετρα κώνου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δοκιμή ασφάλειας προϊόντων, περιβάλλοντος και υπηρεσιών υγείας.

Η συσκευή είναι σημαντική κατά την αντιμετώπιση θεμάτων ασφάλειας έναντι της φωτιάς. Χρησιμοποιώντας τη συσκευή, είναι πιο εύκολο να δούμε πως τα διαφορετικά υλικά (ιδίως, τα νέα πολυμερικά υλικά ή σύνθετα υλικά) αντιδρούν με τη φωτιά. Γνωρίζοντας αυτές τις πληροφορίες, οι κανονισμοί ασφαλείας μπορούν να βελτιωθούν.

Είναι σημαντικό να αποκτιέται πολύτιμη γνώση για την ευφλεκτότητα, τη θερμότητα της καύσης, την αναφλεξιμότητα, την απελευθέρωση θερμότητας και την παραγωγή καπνού καθώς και επιβλαβών τοξικών καυσαερίων, κατά την καύση πολλών και διαφορετικής χημικής σύστασης υλικών προκειμένου να διατηρηθεί ένα ασφαλές περιβάλλον. Το θερμιδόμετρο κώνου είναι μια συσκευή μικρής, εργαστηριακής κλίμακας.

Εφαρμογές 
Πολλές συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν πριν από την εφεύρεση του θερμιδόμετρου κώνου ήταν γνωστό ότι ήταν πολύ ελαττωματικές και είχαν πολλά πειραματικά σφάλματα. 

Ωστόσο, η έρευνα βελτιώθηκε με την προσθήκη του θερμιδόμετρου κώνου το 1982. Σε αντίθεση με οποιαδήποτε άλλη συσκευή, το θερμιδόμετρο κώνου εισήγαγε «ένα σύστημα μέτρησης οπτικού καπνού και σταδιακής απόδοσης σε αιθάλη». Οι αλλαγές στο σχεδιασμό επέτρεψαν τη λειτουργία της συσκευής να γίνει πολύ πιο εύκολη και τα δεδομένα πάρα πολύ πιο αξιόπιστα. Τώρα θεωρείται μία από τις πιο σημαντικές συσκευές για τις δομικές φωτιάς αλλά και την πυροπροστασία. Η δε χρήση της στην έρευνα σήμερα έχει αυξηθεί δραματικά, με την πάροδο των χρόνων.

Το θερμιδόμετρο περικλείει ένα μικρό δείγμα (υλικού προς δοκιμή) σε αλουμινόχαρτο και σε ένα πλαίσιο συγκράτησης που αναφλέγεται κάτω από μια κουκούλα εξάτμισης. Ένας κωνικός θερμαντήρας τοποθετείται ενδιάμεσα για την καύση των υλικών. Το στοιχείο θέρμανσης σε σχήμα κώνου παρέχει μια ελεγχόμενη ροή θερμικής ακτινοβολίας στο δείγμα, μετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια σε θερμότητα. Η αναφλεξιμότητα ενός δείγματος μπορεί να χαρακτηριστεί ως συνάρτηση της ροής θερμότητας πάνω σε ένα δείγμα. Ο κωνικός θερμαντήρας είναι ανοιχτός στο κέντρο του, επιτρέποντας στα παραγόμενα προϊόντα καύσης να ρέουν προς τα πάνω σε έναν αγωγό εξάτμισης. Αυτά συλλέγονται και αναλύονται στη συνέχεια.

Ο εξαερισμός είναι επίσης ένα πολύ σημαντικό μέρος της συσκευής, καθώς και η ηλεκτρική ισχύς για τη λειτουργία του κωνικού θερμαντήρα. Απαιτείται μια μικρή παροχή νερού για την ψύξη και ρύθμιση της θερμότητας στο σύστημα της συσκευής. Δεδομένου ότι η θερμοκρασία και η πίεση αξιολογούνται, χρειάζονται δύο διαφορετικά εργαλεία μέτρησης στον σωλήνα εξάτμισης. 

Δείγματα αερίου, μετρήσεις καπνού και συλλογές της αιθάλης λαμβάνονται επίσης μέσω αυτής της συσκευής.

Τεχνικές προδιαγραφές 
 ASTM E 1354 
 ASTM D 5485
 CAN/ULC-S135
 ISO 5660-1
 NFPA 271

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι 
 U.S. National Bureau of Standards "NBS Special Publication 745: User Guide for Cone Calorimeter" 1988
 Cone Calorimeter by Fire Testing Technology Ltd
 Diagram of a cone calorimeter
 Color diagram of a cone calorimeter
 Ten Years of Heat Release Research with the Cone Calorimeter by Dr. Vyto Babrauska of Fire Science and Technology, Inc
 "Cone calorimeter analysis of UL-94 V-rated plastics" Fire Mater. 2007; 31:257–283

Πυροπροστασία
Όργανα μέτρησης
Εργαστηριακός εξοπλισμός