ПЕЧЬ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ОГНЕСТОЙКОСТЬ И ПОЖАРНУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИНЖЕНЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
FURNACE FOR TESTS ON FIRE RESISTANCE AND FIRE SAFETY OF BUILDING STRUCTURES AND ENGINEERING EQUIPMENT

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для проведения испытаний при высоких температурах, например, строительных конструкций и инженерного оборудования на огнестойкость и пожарную опасность.
Наиболее широко известными конструкциями являются печи, стены которых выполнены из шамотного кирпича, а перекрытие из железобетона без использования внутренних футеровочных слоев из негорючих материалов с низкой теплопроводностью, теплоемкостью и плотностью. Это приводит к тому, что при сжигании топлива обеспечиваются значительные теплопотери из огневого пространства печи в ограждающие конструкции. Происходит нагрев стенок, выполненных из шамотного кирпича, и перекрытий, выполненных из железобетона. В свою очередь значительная аккумуляция остаточного тепла в материалах, из которых изготовлены стенки и перекрытия печей, не позволяет проводить в печах таких конструкций повторные испытания в течение большого количества времени (до нескольких дней), которое определяется полным остыванием печей до начальной температуры.
В испытательных печах как правило используется естественная система удаления продуктов сгорания горелок из огневого пространства печей с помощью дымовой трубы. Это не позволяет обеспечить оптимальную аккумуляцию продуктов сгорания в огневом пространстве печи, поддерживать нормативное избыточное давление в огневом пространстве печи в зависимости от количества работающих горелок. Также отсутствует возможность постоянно подстраиваться под изменение суммарного объемного расхода продуктов сгорания, выделяющихся от включающихся в работу или выключающихся из работы горелок в зависимости от необходимости поддержания заданного температурного режима.
Так в патенте РФ № 58679 «Установка для испытаний объектов на пожаростойкость» (приор. 13.06.2006, опуб. 27.11.2006) описана установка, содержащая рабочую камеру с загрузочным люком и его крышкой. В камере размещены муфель для испытываемого объекта и нагревательное устройство, а вне камеры размещен водоохладитель. Причем рабочая камера является разборной, ее стенки и дно выполнены из внутреннего и наружного слоев жаропрочного кирпича, уложенного без связующего, и проложенной между слоями металлической фольги. Камера имеет теплоизоляционную крышку с продольной прорезью, перекрытой сдвижным утеплителем. При этом установка снабжена загрузочным устройством, состоящим из рельсовых направляющих и установленных на них с возможностью принудительного перемещения кареток с подвешенными к ним держателями объекта и дополнительными верхней и торцевой крышками с присоединенными к ним утеплителями. Недостатками полезной модели являются большой расход топлива, а также общее продолжительное время, необходимое для проведения серии испытаний.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению конструкция, которая выбрана в качестве прототипа, является полезная модель, описанная в патенте CN № 203965359 с приоритетом от 07.07.2014 «Устройство для испытаний на огнестойкость с железобетонным полом». Согласно патенту, устройство испытания на огнестойкость для железобетонного пола включает в себя печь, нагрузку и устройство управления и сбора данных. Нагрузка размещается на испытательном этаже, контроль и сбор данных устройства включает в себя центральный процессор, схему управления пламенем, схему регистрации температуры, схему регистрации смещения и схему регистрации деформации и отличается тем, что испытательное печное устройство включает корпус печи, дно печи, трубу подачи жидкого топлива, встроенную горелку и термопару для определения температуры печи и дымоотводный канал. Корпус печи защищен огнеупорными материалами, включая собранные стенки печи и соединители, а собранные стенки печи соединены соединителями. Корпус печи снабжен монтажными отверстиями горелки. Пространство между верхом и испытательным полом заполнено гибким огнеупорным материалом. Пол печи жестко соединен с нижней частью корпуса печи.
Трубка подачи жидкого топлива соединена с топливным баком, расположена снаружи корпуса печи и окружает корпус печи.
Сопло встроенной горелки расположено с внутренней стороны корпуса печи и установлено на трубе подачи жидкого топлива через монтажное отверстие горелки в корпусе печи, и связано с трубкой подачи жидкого топлива, встроенной горелкой.
Электронный сервоклапан и воспламенитель подключены к точке подключения. Термопара определения температуры печи установлена на внутренней стенке корпуса печи, а канал выпуска дыма подключен к печи. Выпускное отверстие установлено на нижней плите.
Центральный процессор электрически соединен с электронным сервоклапаном и воспламенителем на встроенной горелке, центральный процессор электрически подключен к устройству сбора данных, а прибор сбора данных подключен к термопаре определения температуры печи.
Прибор сбора данных электрически соединен с термопарами, которые измеряют температуру бетонных и стальных стержней, установленных внутри испытательного пола. Датчик перемещения электрически подключен, прибор для сбора данных электрически подключен к тензодатчику для измерения деформации стального стержня, расположенного внутри испытательного пола.
При испытаниях, производимых в печи, выбранной в качестве прототипа, температуру контролируют термопарами, установленными внутри испытательного пола, а регулируют изменением давления подаваемого жидкого топлива и количеством включенных горелок, на воспламенители которых по сигналу с центрального процессора подают электричество.
Такой принцип работы испытательной печи приводит к большому объему использования жидкого топлива. Это связано с тем, что из-за инерционности процесса набора температуры в печи, подбор испытательной температуры производят за счет постоянного включения-выключения подачи топлива и увеличением-уменьшением количества включенных горелок. При этом происходит большой перерасход жидкого топлива из-за неполного сгорания топливовоздушной смеси. Это вызвано трудностями точного подбора в процессе проведения испытаний оптимальных соотношений между расходами жидкого топлива и подаваемого в качестве окислителя воздуха, которые бы обеспечивали полного сгорание топливовоздушной смеси.
Технической задачей является создание экономичной печи для проведения испытаний объектов воздействием высоких температур.
Техническим результатом применения предложенного изобретения, является снижение количества используемого жидкого топлива, например, дизельного топлива.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что печь для проведения испытаний объектов воздействием высоких температур содержит огневую камеру, горелки, работающие на жидком топливе, систему подачи и сжигания топлива в горелках, систему подачи воздуха в огневую камеру и систему удаления продуктов сгорания из огневой камеры. При этом внутренняя поверхность огневой камеры снабжена футеровкой, выполненной из комбинационных слоев негорючих теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью и теплоемкостью. Горелки расположены в стенках огневой камеры группами по меньшей мере по две в группе, причем расстояние между горелками выбрано из условия гарантированного воспламенения топливовоздушной смеси одной горелки от факела работающей соседней горелки. Система подачи и сжигания топлива в горелки снабжена воздуховодами, подающими заранее осушенный воздух. Система подачи воздуха в огневую камеру снабжена механизмом принудительного нагнетания воздуха. При этом система удаления продуктов сгорания снабжена регулируемой системой удаления продуктов сгорания выполненной в виде трубы, соединенной с отверстием, расположенным в верхней части огневой камеры. Внутри трубы установлен элемент для поддержания в огневой камере избыточного давления.
В частном случае качестве жидкого топлива используется дизельное топливо.
В частном случае подача заранее осушенного воздуха в горелки производится постоянно.
В частном случае, по меньшей мере одна горелка из группы горелок снабжена воспламенителем.
В частном случае в качестве механизма принудительного нагнетания воздуха в огневую камеру используется вентилятор.
В частном случае в качестве элемента для поддержания в огневой камере избыточного давления используется вентилятор.
В частном случае в качестве элемента для поддержания в огневой камере избыточного давления используется заслонка.
Использование в качестве внутреннего слоя огневого пространства печи футеровки, выполненной из комбинационных слоев негорючих теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью, теплоемкостью и плотностью, обеспечивает значительное снижение теплопотерь в ограждающие конструкции печи. При этом стены печи могут быть выполнены, например, из керамического кирпича, а перекрытие печи может быть выполнено из жаростойкого бетона. Выполнение внутреннего слоя огневого пространства печи с предложенной в изобретении футеровкой обеспечивает быстрый нагрев огневого пространства печи при включении горелок, что уменьшает количество используемого жидкого топлива. При этом быстрое охлаждение огневого пространства печи в промежутке между очередными испытаниями повышает эффективность работы печи согласно изобретению.
Предварительное осушение воздуха для топливовоздушной смеси, подаваемой в горелки, позволяет стабилизировать пламя каждой горелки, тем самым добиться подачи постоянной тепловой энергии в огневую камеру печи.
Постоянная подача в каждую горелку воздуха с заранее заданным расходом позволяет регулировать подаваемую тепловую энергию в печь только за счет включения необходимого количества горелок. Это включение производится путем подачи топлива отдельно в каждую горелку, причем расход подаваемого в каждую горелку топлива также заранее определен и настроен на максимальную выделяемую горелкой тепловую энергию, что позволяет избежать перерасхода топлива, связанного с необходимостью регулировки подачи воздуха и/или топлива в отдельную горелку в процессе проведения испытаний. Регулировка приводит к неполному сгоранию топливовоздушной смеси из-за трудностей точного подбора в процессе проведения испытаний оптимальных соотношений между расходами топлива и воздуха, которые бы обеспечивали полного сгорание топливовоздушной смеси. Таким образом, постоянная подача осушенного воздуха с заранее заданным расходом для топливовоздушной смеси приводит к общей экономии топлива.
Использование системы подачи воздуха в огневую камеру с механизмом принудительной системы подачи воздуха в огневое пространство печи, например, нагнетающего вентилятора, обеспечивает содержание достаточного количества кислорода в огневом пространстве печи. Наличие кислорода в огневой камере препятствует гашению факелов пламени верхних блоков горелок печи из-за перемешивания с продуктами сгорания нижних блоков горелок печи. Это обеспечивает стабильную работу без произвольного самогашения факелов всех горелок в процессе проведения, что также уменьшает потребление топлива. Применение нагнетающего вентилятора позволяет регулировать количество кислорода, подаваемого в огневое пространство печи, что позволяет снизить объем потребляемого топлива.
Выполнение регулируемой системы удаления продуктов сгорания в виде трубы, соединенной с отверстием, расположенным в верхней части огневой камеры, с, например, установленным внутри трубы вентилятором, позволяет поддерживать и регулировать избыточное давление в огневом пространстве печи. Поддержание в огневой камере заранее выбранного избыточного давления возможно производить за счет изменения скорости вращения вентилятора.
Другим вариантом поддержания в огневой камере заранее выбранного избыточного давления может быть, например, заслонка, установленная в трубе и регулирующая поперечный размер трубы.
В последующем заявляемое техническое решение поясняется подробным описанием конкретного, но не ограничивающего настоящее решение, примера его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
- фиг. 1 изображен общий вид печи;
- фиг. 2 изображен пример выполнения футеровки на внутренней поверхности огневой камеры;
- фиг. 3 изображен вариант конструкции системы подачи воздуха в огневую камеру;
- фиг. 4 изображен вариант конструкции системы удаления продуктов сгорания.
На фиг. 1 показан пример конструкции печи для проведения испытаний объектов воздействием высоких температур. Печь снабжена металлическим каркасом 1, а стены 2 печи выполнены из керамического кирпича. Верхнее перекрытие 3 печи выполнено из жаропрочного бетона и пол 4 печи выполнен из шамотного кирпича.
Все поверхности огневой камеры печи, включая металлический каркас 1, стены 2, верхнее перекрытие 3 и пол 4 печи изнутри изолированы двумя слоями футеровки. Пример выполнения узла стыка футеровки на внутренней поверхности огневой камеры приведен на фиг. 2. В качестве наносимого на поверхности первого футеровочного слоя 5 возможно использование, например, таких материалов, как Cerablanket 128 кг./куб.м толщиной 50 мм или Cerablanket 160 кг./куб.м толщиной 50 мм. В качестве второго футеровочного слоя 6 возможно использование плит из листовых материалов, например, плита Kaowool Boards стекловолокнистая огнеупорная толщиной 50 мм или более, имеющая предельную рабочую температуру 1260°С или плита Kaowool Boards стекловолокнистая огнеупорная толщиной 50 мм или более с предельной рабочей температурой 1400°С. Как варианты, в качестве футеровочного покрытия возможно использование других теплоизоляционных материалов с аналогичными или близкими техническими показателями.
Предложенный вариант выполнения футеровки позволяет при сжигании топлива значительно уменьшить теплопотери из огневого пространства печи в ограждающие конструкции. Также использование, по меньшей мере двух слоев футеровки позволяет проводить в печах конструкции, предложенной в изобретении, многократные повторные испытания в течение небольшого количества времени, которое определяется скорым полным остыванием печей до начальной температуры.
В стенах 2 печи установлены блоки 7 горелок 8. В представленном варианте печи в одном блоке 7 расположено три горелки 8. Расстояние между горелками 8 выбрано из условия гарантированного воспламенения топливовоздушной смеси одной горелки 8 от факела работающей соседней горелки 8. Предложенный конструктив расположения горелок 8 в блоках 7 позволяет создавать заранее рассчитанную мощность тепловыделения в огневом пространстве печи. Это происходит за счет того, что при постоянном горении факела, например, центральной из трех установленных в блоке 7 горелки 8, поддерживающимся постоянно подающимися в горелку топливом и воздухом с предварительно установленными расходами, рассчитанными на максимальное тепловыделение, и постоянно работающим электровоспламенителем горючей смеси на выходе из сопла центральной горелки, возможно подключение одной или двух соседних горелок 8, установленных в том же блоке 7. Так как тепловыделение боковых горелок 8, соседних с центральной горелкой 8, также рассчитано и отрегулировано на максимальное значение, то регулирование общего тепловыделения блока 7 горелок 8 выполняется за счет изменения общего количества работающих горелок 8 в блоках 7. При этом производят постоянную подачу воздуха в боковые горелки 8, осуществляющуюся независимо от подачи топлива. Установка боковых горелок 8 на расстоянии от центральной горелки 8, обеспечивающим возможность при подаче топлива в боковые горелки 8 воспламенение топливовоздушной смеси, выходящей из боковых горелок 8, от факела постоянно работающей центральной горелки 8, позволяет отказаться от использования электровоспламенителя в конструкции боковых горелок 8. Для поджига факела боковых горелок 8 достаточно открыть клапан системы подачи топлива во включаемую горелку 8.
Для гарантии получения стабильного, заранее рассчитанного и отрегулированного на максимальное значение тепловыделения всех горелок 8 блоков 7 в изобретении предложено использовать в качестве окислителя осушенный воздух, подаваемый по системе подачи воздуха, на чертежах не показана, в горелки 8.
Предложенный конструктив блока 7 горелок 8 позволяет получить значительную экономию подаваемого топлива, так как отсутствует необходимость регулировки расхода воздуха и/или топлива, подающихся в горелку 8 в процессе проведения испытаний. Регулировка расхода в процессе проведения испытаний приводит к неполному сгоранию топливовоздушной смеси из-за трудностей точного подбора оптимальных соотношений между расходами горючего и окислителя, которые бы обеспечивали полного сгорание топливовоздушной смеси.
В конструктиве печи также используется принудительная, в конкретном примере механическая, регулируемая система подачи приточного воздуха в огневое пространство. Регулируемая система подачи приточного воздуха состоит из двух отверстий 9 подачи приточного воздуха в огневую камеру, к которым присоединены стальные воздуховоды 10 с установленным в них механическим приточным вентилятором 11, оснащенным регулированием оборотов. Забор приточного воздуха в конкретном примере осуществляется из помещения, где установлена печь. Предложенный вариант конструктива приточной вентиляции обеспечивает содержание кислорода в огневом пространстве печи, препятствующего гашению факелов пламени верхних блоков 7 горелок 8 печи из-за перемешивания с продуктами сгорания нижних блоков 7 горелок 8 печи и обеспечивающих стабильную работу факелов горелок 8 в процессе проведения испытаний, отсутствие без произвольного самогашения факелов горелок 8.
Нормативное избыточное давления в огневом пространстве печи поддерживают за счет использования регулируемой принудительной системы удаления продуктов сгорания горелок 8, обеспечивающей оптимальное удаление образующихся продуктов сгорания и дополнительное аккумулирование нагретой воздушной среды в огневом пространстве печи. Регулируемая принудительная система удаления продуктов сгорания горелок 8 состоит из расположенного вверху огневой камеры отверстия 12, к которому присоединен многослойный утепленный стальной воздуховод 13, выводящий горячий воздух в воздуховод 14, расположенный за пределами здания в уличном пространстве. При этом для охлаждения горячего воздуха, проходящего по воздуховоду 14, в нем установлен патрубок 15 с регулируемым вентилятором 16 для подачи охлажденного уличного воздуха. После места соединения патрубка 15 подачи охлажденного уличного воздуха и воздуховода 13, выходящего из огневого пространства печи, в системе удаления установлен регулируемый дымосос 17 для принудительной вытяжки продуктов горения.
В конкретном варианте конструкции печи, предложенной в описании, также заложены смотровые окна 18.
Таким образом, предложенная в изобретении конструкция печи для проведения испытаний объектов воздействием высоких температур, полностью решает поставленную перед ней задачу, а именно создание экономичной печи, при этом техническим результатом, полученным в результате применения предложенного изобретения, является снижение количества используемого жидкого топлива, например, дизельного топлива.
Предложенная печь имеет достаточно простую конструкцию и может быть использована при проведении испытаний на воздействие высоких температур, например, строительных конструкций и инженерного оборудования на огнестойкость и пожарную опасность.