УСТАНОВКА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КРИТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВЕЩЕСТВ
APPARATUS FOR DETERMINING CRITICAL VALUE OF RADIANT HEAT FLUX FOR DIFFERENT MATERIALS AND SUBSTANCES

Заявляемое техническое решение предназначено для определения пожароопасных свойств материалов и веществ, а именно определения критической плотности лучистого теплового потока. Под критической плотностью лучистого теплового потока понимается - плотность лучистого теплового потока, при котором происходит самовоспламенение или воспламенение материалов и веществ.
В настоящее время известны установки определения комплекса теплофизических свойств твердых материалов, см., например, патент РФ №2284030 от 20.09.2006. Сущность вышеуказанного решения заключается в следующем. Приводят в тепловой контакт плоские поверхности образцов исследуемого и эталонного материалов, полуограниченных в тепловом отношении. В плоскости контакта располагают линейный источник нагрева и датчик температуры на заданном расстоянии от линии нагрева. Осуществляют мгновенное тепловое импульсное воздействие от линейного источника, при этом измеряют датчиком избыточную температуру от момента подачи теплового импульса до момента регистрации заданного отношения избыточной температуры к скорости нагрева, а также интегральное значение избыточной температуры на данном временном интервале. Для определения теплофизических свойств исследуемого материала используют математическую модель.
Наиболее близким источником является патент РФ №2374631 от 27.11.2009, в котором описана установка по определению критического значения лучистого теплового потока. Данная установка включает: ИК-излучатель, представляющий, по сути, радиационную панель, выполненную в виде плоскости рядов из металлических спиралей, намотанных на керамические трубки; место для образца и измерительную аппаратуру.
Технический результат, решаемый предлагаемым техническим решением, - повышение точности измерений и уменьшение теплопотерь при проведении испытаний.
Технический результат достигается тем, что установка по определению критического значения лучистого теплового потока включает: плоскую радиационную панель, выполненную в виде рядов из металлических спиралей, намотанных на керамические трубки; рамку для образца и измерительную аппаратуру. При этом установка дополнительно содержит блок управления для регулирования теплового потока от радиационной панели, который регулирует тепловой поток в предложенной установке, с помощью термопары, установленной в керамических трубках. Кроме того, измерительная аппаратура представляет собой термопары, закрепленные на испытуемом образце.
Для уменьшения теплопотерь образец с торцов термоизолируется. А термопары закреплены на испытуемом образце по диагонали.
Кроме того, измерительная аппаратура дополнительно включает средства для регистрации температуры на поверхности радиационной панели.
Сущность технического решения поясняется Фиг. 1, на которой представлена предлагаемая установка.
Основными элементами разработанной опытной установки являются: радиационная панель - 2, специальная рамка для образца - 1, блок управления для регулирования теплового потока от радиационной панели - 3 (далее - блок управления) и измерительная аппаратура (4 - шкала для определения расстояния от панели до образца); источник питания электроэнергией - 5 (Фиг. 1).
Радиационная панель 2 представляет собой плоскость из рядов из металлических спиралей, намотанных на керамические трубки, генерирующую тепловой поток с помощью электрической энергии.
Регулирование теплового потока в предложенной схеме опытной установки возможно с помощью термопары, установленной в керамическую трубку через блок управления 3, либо изменением расстояния между радиационной панелью и образцом.
Методика проведения эксперимента при статическом испытании.
На образец подается тепловое импульсное воздействие, осуществляемое лучистым тепловым потоком известной плотности, при проведении статических испытаний изменение лучистого теплового потока возможно через блок управления. На испытуемом образце по диагонали закрепляются термопары для замера температуры на поверхности образца. С торцов образец термоизолируется, чтобы уменьшить теплопотери при проведении испытаний. При проведении испытаний измеряется температура на поверхности радиационной панели и на поверхности испытуемого образца.
При проведении эксперимента производится фиксация времени, с момента закрепления образца в рамку до его самовоспламенения или воспламенения, а также обеспечивается измерение температуры на обогреваемой и необогреваемой поверхностях образца и радиационной панели.
Показателем воспламенения служит искра на поверхности образца, а показателем самовоспламенения - вспышка продуктов пиролиза при поднесении источника зажигания (фитилька) на расстоянии 1 см от облучаемой поверхности.
Расчет действительного критического значения лучистого теплового потока для различных материалов и веществ производится по следующей формуле:
кр
пр
0
1
2
2-1
2
2
4
где q - критическая плотность теплового потока для материалов, Вт/м; ε - приведенная степень черноты системы; σ - постоянная Стефана-Больцмана, 5,7 Вт/(м⋅К); T - температура излучающей поверхности, К; Т - температура на поверхности облучаемой поверхности материалов, К; ϕ - коэффициент облученности между излучающей и облучаемой поверхностями.
Приведенная степень черноты системы определяется по формуле
и
м
где ε - степень черноты излучающей поверхности; ε - степень черноты материала, определяется по справочникам.
Коэффициент облученности между излучающей и облучаемой поверхностями при квадратной форме излучателя и параллельном расположении образца определяется по формуле
где b - ширина излучающей поверхности, м; h - длина (высота) излучающей поверхности, м; r - расстояние между излучающей поверхностью и облучаемой поверхностью, м.
Степень черноты излучающей поверхности определяется по формуле
2
q - максимально возможный лучистый тепловой поток от радиационной панели при данном расстоянии Вт/м (определялся при калибровке панели в начале методики проведения эксперимента).
Методика проведения эксперимента при динамическом испытании.
На образец подается тепловое импульсное воздействие, осуществляемое лучистым тепловым потоком, изменение плотности лучистого теплового потока во времени известно. На испытуемом образце по диагонали закрепляются термопары для замера температуры на поверхности образца. С торцов образец термоизолируется, чтобы уменьшить теплопотери при проведении испытаний. При проведении испытаний измеряется температура на поверхности радиационной панели и на поверхности испытуемого образца.
При проведении эксперимента производится фиксация времени, с момента закрепления образца в рамку до его самовоспламенения или воспламенения, а также обеспечивается запись измерения температуры на обогреваемой и необогреваемой поверхностях образца и радиационной панели во времени.
Показателем воспламенения служит искра на поверхности образца, а показателем самовоспламенения - вспышка продуктов пиролиза при поднесении источника зажигания (фитилька) на расстоянии 1 см от облучаемой поверхности.
Описанное выше техническое решение позволяет быстро и удобно проводить испытания образцов на предмет самовоспламенения или воспламенения материалов, из которых оно состоит.