Установка для определения пожарной опасности конденсированных материалов при их термическом разложении

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике физико-химического исследования конденсированных материалов (твердых и жидких) и может быть использована при комплексной оценке пожарной опасности применяемых в промышленности, в быту и строительстве конденсированных материалов при их термическом разложении, в том числе для определения показателя токсичности конденсированных материалов, концентрации токсичных газов, удельного выхода токсичных газов, удельного коэффициента поглощения кислорода, массовой скорости выгорания конденсированных материалов, коэффициента дымообразования конденсированных материалов, коэффициента теплопотерь при термическом разложении конденсированных материалов.
Известна установка для проверки огнезащитных свойств материалов на распространение пламени, состоящая из испытательной камеры, платформы, держателя образца, дымохода, вытяжного зонта, источника огневого воздействия, дверцы со смотровым окном, причем стены камеры выполнены из огнеупорного кирпича, потолок из железобетонных плит, дымоход круглого сечения, две противопожарные двери (KZ 23779 А4, 15.03.2011, G01N 25/00, 25/24, 33/38).
Известен комплекс для исследования процессов терморазложения неметаллического материала, содержащий печь для разложения образца материала с температурным блоком, пробоотборник и блоки управления газовыми потоками, термоанализатор, датчики измерения температуры (RU 134650 U1, 20.11.2013, G01N 25/00).
Известна установка для анализа газовой токсичности газов сгорания образцов материалов, которая содержит печь с образцом, камеру сбора дыма с мешалкой и воздухозаборником, газоанализатор, камеру сбора газов с мешалкой, отсек для животных (JP 5451887 А, 24.04.1979, G01N 33/00).
Известно устройство для исследования воспламенения и горения полимерных материалов, содержащее герметичный реактор с нагревателем, датчики температуры, соединенные с узлом регулирования и программного изменения температуры в реакторе и регистратором, загрузочную камеру с держателем образца, штуцеры для подвода и отвода газов, приемник излучения, световод, расположенный со стороны штуцера для подвода газа между держателем образца и приемником излучения (SU 1658055 А1, 23.01.1991, G01N 25/50).
Известна установка для проверки огнезащитных свойств материалов на токсичность, состоящая из камеры сгорания, держателя образца, электронагревательного излучателя, заслонки, переходного рукава, предкамеры, вентилятора, подвижной секции экспозиционной камеры, термометра и клетки для подопытных животных, предкамера (KZ 23780 А4, 15.03.2011, G01N 25/00, 25/24, 33/38).
Известна установка для исследования термической деструкции материалов, включающая печь с камерой сгорания, побудитель тяги, приборы контроля температуры и аппаратуру для измерения содержания газовой фазы (фотоколориметр и хроматограф), образующейся при термической деструкции, трубу с шиберами, охладителем, измерителем задымленности и фильтрами для улавливания аэрозольной фазы (RU 14083 U1, 27.06.2000, G01N 25/00).
Наиболее близким аналогом полезной модели является устройство комплексной оценки пожарной опасности материалов, содержащее камеру сгорания с источником нагрева, подвижным держателем образца, датчиками температуры, газоанализаторами кислорода и оксидов углерода и механизмом регулирования подачи воздуха, две экспозиционные камеры переменного объема, которые отделены от камеры сгорания подвижными отсекающими заслонками, клетки с подопытными животными, расположенные в углублениях стенок экспозиционных камер, блок оценки содержания дисперсной и конденсированной фазы в продуктах горения, блок оценки тепловыделения (SU 1784236 А1, 30.12.1992, А62С 3/10, 37/00).
Недостатком указанных выше решений являются недостаточная достоверность определяемых параметров или невозможность проведения исследования конденсированных веществ и материалов.
Технической задачей полезной модели является создание установки, позволяющей производить комплексную оценку показателей пожарной опасности конденсированных веществ, в том числе твердых и жидких материалов при их термическом разложении.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности и достоверности определения пожарной опасности конденсированных материалов при их термическом разложении.
Технический результат достигается тем, что установка для определения пожарной опасности конденсированных материалов при их термическом разложении, включает камеру сгорания, с размещенными в ней электронагревательным излучателем, и держателем образца конденсированного материала, выполненным с возможностью измерения его массы и экспозиционную камеру. При этом камера сгорания выполнена теплоизолированной со смотровым окном в боковой стенке и шиберным отверстием для регулирования доступа кислорода, оснащена датчиком контроля температуры и соединена с упомянутой экспозиционной камерой теплоизолированным переходным рукавом с подвижной заслонкой. Упомянутый электронагревательный излучатель установлен на верхней стенке камеры сгорания параллельно ее нижней стенке, а упомянутый держатель образца конденсированного материала установлен посредством втулки в нижней стенке камеры сгорания напротив электронагревательного излучателя с возможностью изменения расстояния между образцом конденсированного материала и электронагревательным излучателем.
Экспозиционная камера представляет собой камеру с верхней стенкой в виде вытяжного зонта, и имеет дверь со смотровым окном, шиберные отверстия для регулирования доступа кислорода, и для продувки ее объема и оснащена зондом газоанализатора, термопарами, вентилятором, размещенным в ее нижней части, для перемешивания газовой среды, лазерным источником света, закрепленным в вытяжном зонте, и приемником света в виде фотодиода, установленным на нижней стенке напротив лазерного источника света, и датчиками теплового потока, расположенными с внутренней стороны каждой из боковых стенок. Кроме того к вытяжному зонту экспозиционной камеры присоединена расположенная горизонтально вытяжная труба, оснащенная на входе подвижной заслонкой, а на выходе - вытяжным вентилятором, при этом в стенке вытяжной трубы установлены зонд термоанемометра, термопара и зонд отбора газовой среды.
Указанные выше термопары предпочтительно должны быть установлены равномерно по объему экспозиционной камеры на трех горизонтальных уровнях, по девять термопар на каждом уровне.
Экспозиционную камеру, как правило, выполняют теплоизолированной изнутри материалом типа «минерит» с толщиной листа 10-25 мм, кубической формы с размером грани 800 мм с верхней стенкой в виде вытяжного зонта высотой 150-250 мм.
Держатель образца конденсированного материала выполняют таким образом, чтобы он позволял изменять расстояние между образцом конденсированного материала и электронагревательным излучателем в диапазоне 50-120 мм.
Длина вытяжной трубы выбирается в пределах 5500-6500 мм, а внутренний диаметр - 50-55 мм.
Зонд термоанемометра, термопара и зонд отбора газовой среды устанавливают в стенке вытяжной трубы последовательно от экспозиционной камеры на участке длиной 500 мм от выхода из нее.
Камеру сгорания, преимущественно, изготавливают в форме параллелепипеда из нержавеющей стали с толщиной стенок 2 мм, при этом для теплоизоляции внутреннюю поверхность камеры облицовывают плитами из «минерита» толщиной 20-25 мм. Электронагревательный излучатель, преимущественно размером 120×120 мм, смонтирован на верхней стенке камеры сгорания параллельно ее нижней стенке. Измерение параметров тока и напряжения на электронагревательном излучателе, преимущественно, обеспечивается с помощью измерителя ПИД-регулятора с классом точности 0,25 (используется как контроллер-индикатор температуры). Образец размещают в держателе, который может быть установлен на весах для обеспечения возможности контроля веса образца. Держатель установлен посредством втулки в нижней стенке камеры сгорания, при этом держатель выполнен подвижным с возможностью изменения расстояния между образцом и электронагревательным излучателем в диапазоне 50-120 мм.
На выходе из камеры сгорания установлен переходной рукав с подвижной заслонкой. Внутреннюю поверхность переходного рукава, преимущественно, выполняют с облицовкой из «минерита» толщиной 20-25 мм для обеспечения равномерного градиента температуры в установке. Размеры экспозиционной камеры обусловлены количеством дымовой и газовой смеси, выделяющейся при термическом разложении экспонируемого образца конденсированного материала.
Экспозиционная камера представляет собой корпус кубической формы предпочтительно с размером грани 800±5 мм, преимущественно, из нержавеющей стали толщиной 2 мм, верхняя стенка которого выполнена в виде вытяжного зонта высотой 200 мм.
-1
В нижней части экспозиционной камеры размещен вентилятор для перемешивания газовой среды в камере, преимущественно, используют четырехлопастной вентилятор диаметром 400 мм, имеющий частоту вращения 5 сек. Внутри экспозиционной камеры на стенках равномерно установлены двадцать семь (27) термопар, эти термопары размещены преимущественно, на трех горизонтальных уровнях, соответствующих трем горизонтальным плоскостям, причем на каждом уровне размещено по девять (9) термопар. Преимущественно, термопары располагают на трех следующих уровнях: 90-110 мм от нижней стенки экспозиционной камеры, также в середине камеры на 390-410 мм и на 690-710 мм от нижней стенки, соответственно. Такое размещение термопар обеспечивает максимально точные измерения локальных значений температуры, а также ее среднеобъемных значений. Фотометрическая система в экспозиционной камере состоит из источника и приемника света, причем в вытяжном зонте установлен лазерный источник света, а на нижней стенке камеры напротив лазерного источника света установлен приемник в виде фотодиода. Кроме того, в экспозиционной камере по центру на каждой из ее боковых стенок с внутренней стороны установлены датчики теплового потока.
Для непрерывного контроля состава газовоздушной среды в объеме экспозиционной камеры применяется, преимущественно, автоматический проточный газоанализатор.
К вытяжному зонту экспозиционной камеры присоединена расположенная горизонтально вытяжная труба длиной 5500-6500 мм и внутренним диаметром 45-55 мм. Длина трубы должна быть не менее 100 диаметров трубы. Труба на входе оснащена шиберной заслонкой, а на выходе из трубы для интенсификации вытяжки установлен вентилятор. Шиберная заслонка, преимущественно должна обеспечивать скорость потока дымовых газов от 0,5 до 10 м/с. В стенке трубы на участке длиной 500 мм от выхода установлены последовательно от экспозиционной камеры зонд термоанемометра, термопара и зонд отбора газовой среды. Зонд термоанемометра должен находиться в невозмущенном другими зондами потоке для уменьшения погрешности измерения скорости потока.
Пожарная опасность конденсированных материалов определяется следующими различными показателями, в том числе показателем токсичности Нт, который определяется по формуле:
i
i,кр
3
3
3
3
3
3
3
где N - число токсичных газов, ρ - плотность i-го токсичного газа, кг/м; ρ - критическое значение плотности i-го токсичного газа, кг/м;  - плотность кислорода в атмосферном воздухе, кг/м;  - плотность кислорода, кг/м;  - критическое значение плотности кислорода, кг/м;  - плотность диоксида углерода, кг/м;  - критическое значение плотности диоксида углерода, кг/м.
А также плотностями токсичных газов, кислорода и диоксида углерода, коэффициентом дымообразования и удельной массовой скоростью выгорания.
Показатель токсичности - токсикометрический показатель, показывающий степень вредного воздействия химического вещества на живой организм. Плотность газа равна массе газа в единице объема при давлении и температуре газовой смеси. Плотность токсичных газов, кислорода и диоксида углерода характеризуют токсичность продуктов горения конденсированного материала при его термическом разложении.
Коэффициент дымообразования - величина, характеризующая оптическую плотность дыма, образующегося при сгорании образца в объеме помещения. Для ее вычисления используется лазерный источник света, фотодиод и проводится измерение массы конденсированного материала к площади поверхности горения.
Удельная массовая скорость выгорания образца - масса вещества, сгорающего в единицу времени с единицы площади. Для ее вычисления используются измерения массы конденсированного материала и площади поверхности горения.
Установка, схематично изображенная на фиг. 1, позволяет произвести все необходимые измерения для определения упомянутых показателей. На чертеже позициями обозначены следующие конструктивные элементы:
Определение пожарной опасности конденсированных материалов в предлагаемой установке осуществляется преимущественно по проточной схеме термогазодинамики пожара. Для проведения испытаний исследуемый образец предварительно подготавливают: кондиционируют, взвешивают, измеряют геометрические характеристики, определяют плотность и помещают на держатель 10. Подключают систему взвешивания 26, расположенную на станине стенда 30, производится ее калибрование. Затем включают контур термостатирования (охлаждения) нагревательного элемента (радиационной панели) 27. Включают приборы для регистрации теплового потока и устройства контроля температуры 28, устанавливается напряжение на радиационной панели электронагревательного излучателя 9, соответствующее заданной температуре и тепловому потоку на экспонируемой поверхности образца. Включают вентилятор (при необходимости) 17 в экспозиционной камере, и термоанемометр 21 на измерительном участке, задают скорость воздушного потока, регулируя скорость вращения вытяжного вентилятора 24. Запускают систему лазерной фотометрии: включается лазерный источник света 18, устанавливают начальное значение светопропускания, соответствующее верхнему пределу измерений регистрирующего прибора 19 (фотодиодного преобразователя) и принимаемое за 100%. Включают прибор для регистрации концентраций газов 29 с зондов отбора 15/23, запускают насос для отбора воздушно-газовой среды с необходимого измерительного участка.
Исследуемый материал помещают в камеру сгорания 1, на держатель образца 10, который установлен на подвижной платформе, за время не более 5 секунд, закрывают дверцу камеры сгорания, после воспламенения образца открывают заслонку 4 переходного рукава, параллельно с этим запускают запись данных с приборного блока 28, включающего в себя следующие приборы: измеритель 8-канальный с аварийной сигнализацией (ОВЕН УКТ38); амперметр, вольтметр щитовой цифровой постоянного тока (ЩО2П); измеритель ПИД-регулятор (ОВЕН ТРМ10), и преимущественно, автоматического проточного газоанализатора  X-am 7000 29 на АРМ (автоматизированное рабочее место), включающее в себя вычислительную станцию (ПК) 31, посредством специализированных компьютерных программ, до полного сгорания (терморазложения) образца.
По окончанию эксперимента запись данных останавливают и сохраняют на ПК в графическом и табличном виде для последующей обработки и анализа. Измерительные приборы отключают в обратной последовательности.