WYDZIAŁU TECHNIKI MORSKIEJ

Transkrypt

1 P O L I T E C H N I K A S Z C Z E C I Ń S K A WYDZIAŁ TECHNIKI MORSKIEJ Katedra Technicznego Zabezpieczenia Okrętów LABORATORIUM BADAŃ CECH POŻAROWYCH MATERIAŁÓW BADANIE STOPNIA PALNOŚCI POWIERZCHNIOWEJ NIEMETALOWYCH MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH metodą wg Kodeksu FTP, część 5, IMO Res. A. 653(16) IMO:1998 Procedura badawcza PB-KTZ-07 Opracował: dr hab. Zygmunt Sychta, prof. PS dr inż. Krzysztof Sychta Zatwierdził: Dziekan WYDZIAŁU TECHNIKI MORSKIEJ dr hab. inż. Bogusław Zakrzewski, prof. PS Szczecin 2007 r. Adres: Szczecin al. Piastów 41 tel./fax: 48 (091) tel.: 48 (091) Zygmunt.Sychta@ps.pl 2007 Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie, powielanie, przetwarzanie treści, rysunków i programów zawartych w niniejszej witrynie dozwolone wyłącznie za zgodą autorów.

2 Spis treści Strona Spis treści 2 1. WPROWADZENIE Międzynarodowy kodeks procedur prób ogniowych 5 część 5. Rezolucja Międzynarodowej Organizacji Morskiej A. 653(16) 1.2. Zakres stosowania normy Pomiar krytycznego strumienia ciepła dla 5 materiałów i wyrobów stosowanych w kolejnictwie poddanych w pozycji pionowej oddziaływaniu zewnętrznego strumienia ciepła 2. PARAMETRY ODPORNOŚCI MATERIAŁU NA 6 DZIAŁANIE ZEWNĘTRZNYCH ŹRÓDEŁ PODPALANIA 3. METODA BADANIA I KLASYFIKACJA 11 MATERIAŁÓW 3.1. Metoda Parametry pomiaru interpretacja fizyczna Krytyczny strumień promieniowania cieplnego Wskaźnik dynamiki rozprzestrzeniania się płomieni Maksymalna intensywność wydzielania ciepła Ciepło wyzwolone przez próbkę Klasyfikacja materiałów OPIS STANOWISKA Wyposażenie stanowiska Opis ogólny Komin stanowiska Promiennik i układ zasilania Palnik pilotowy Układ do mocowania i wprowadzania próbek w 20 strefę promieniowania Próbka zastępcza Podkład pod próbkę Palnik gazowy do wzorcowania stanowiska Układ do pomiaru natężenia strumienia cieplnego Układ kontrolno-pomiarowy Układ pomiaru temperatury promiennika Układ pomiaru intensywności wydzielania ciepła Korekta błędu dynamicznego Metoda identyfikacji przetwornika do pomiaru 29 2

3 intensywności wydzielania ciepła wg Kodeksu FTP cześć Metoda korekty błędu dynamicznego stanowiska 30 do badań intensywności wydzielania ciepła wg Kodeksu FTP część 5 5. WYMAGANIA OGÓLNE PRZEPROWADZENIA 32 BADAŃ 5.1. Warunki rozkładu termicznego i spalania 32 badanych materiałów 5.2. Przygotowanie próbek Sezonowanie próbek Metodyka badań URUCHOMIENIE STANOWISKA Pomieszczenie do przeprowadzenia badań Podłączenia podzespołów i ich uruchomienie Uruchomienie gazowego promiennika 37 podczerwieni Uruchomienie systemu kontrolno-pomiarowego 37 stanowiska 6.3. Parametry układu pomiarowego stanowiska Parametry wzorcowania Wzorcowanie kanałów pomiarowych Kalibracja kompensatora inercji cieplnej układu do 41 pomiaru intensywności wydzielania ciepła Wyznaczanie równoważnika cieplnego stanowiska Identyfikacja parametrów dynamicznych 47 stanowiska do badania stopnia palności materiałów metodą wg Kodeksu FTP cześć Charakterystyka rozkładu natężenia strumienia 47 ciepła wzdłuż próbki 6.5. Wzorcowanie czujnika i miernika natężenia 48 całkowitego strumienia ciepła 6.6. Zachowanie parametrów Parametry pracy palnika pilotowego Kontrola okresowa Kontrola bieżąca PRZEPROWADZENIE BADAŃ Parametry pomiaru Pomiar Stabilizacja warunków początkowych stanowiska Pomiar parametrów odniesienia Pomiary zasadnicze Zakończenie programu 60 3

4 7.4. Wyłączenie stanowiska OPRACOWANIE WYNIKÓW Obliczenia Przykładowy protokół KONSERWACJA I NAPRAWY 63 ZAŁĄCZNIK - MIĘDZYNARODOWY KODEKS STOSOWANIA PROCEDUR PRÓB OGNIOWYCH (KODEKS FTP) 64 4

5 1. WPROWADZENIE 1.1. Międzynarodowy kodeks procedur prób ogniowych część 5. Rezolucja Międzynarodowej Organizacji Morskiej A. 653(16) RECOMENDATION ON IMPROVED FIRE TEST PROCEDURE FOR SURFACE FLAMMABILITY OF BULKHEAD, CEILING AND DECK FINISH MATERIALS BADANIE PALNOŚCI POWIERZCHNIOWEJ PRZEGRÓD I MATERIAŁÓW WYKOŃCZENIOWYCH ŚCIAN, SUFITÓW I PODŁÓG Ustanowiona przez Międzynarodową Organizację Morską dnia 20 listopada 1989 r Zakres stosowania Metoda BADAŃ PALNOŚCI POWIERZCHNIOWEJ PRZEGRÓD I MATERIAŁÓW WYKOŃCZENIOWYCH ŚCIAN, SUFITÓW I PODŁÓG wg Kodeksu FTP część 5 służy do badania odporności na działanie zewnętrznych źródeł podpalania wszystkich palnych zewnętrznych powierzchni materiałów (wyrobów) i oceny ich przydatności z punktu widzenia stwarzanego przez nie pożarowego zagrożenia dla obiektów morskich. Oznacza to, że badaniom i ocenie podlegają: powłoki malarskie, powierzchnie przegród, okleiny i okładziny ścienne, sufitowe i mebli, wykładziny podłogowe, palne powierzchnie izolacji termicznych, kable elektryczne, rurociągi z tworzyw sztucznych, itd. Zgodnie z Międzynarodową Konwencją o Bezpieczeństwie Życia na Morzu "SOLAS" Rozdział II-2, za materiał wolno rozprzestrzeniający płomień uważa się taki materiał, który stosunkowo dobrze przeciwdziała rozprzestrzenianiu się ognia na jego powierzchni. Odporność na działanie zewnętrznych źródeł podpalania - palność powierzchniową materiału (SURFACE FLAMMABILITY) - określa się w okrętownictwie jako zdolność do rozprzestrzeniania płomieni po powierzchni, przy czym wielkość ta nie oznacza w sensie fizycznym prędkości przesuwania się czoła płomienia po powierzchni materiału. Właściwość rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni opisana została przez warunki termiczne determinujące to rozprzestrzenianie Pomiar krytycznego strumienia ciepła dla materiałów i wyrobów stosowanych w kolejnictwie poddanych w pozycji pionowej oddziaływaniu zewnętrznego strumienia ciepła Metoda badania. pren Kolejnictwo - Ochrona przeciwpożarowa kolejowych pojazdów szynowych - Część 2: Wymagania dotyczące właściwości palnych materiałów i komponentów Metoda badań jest równoważna metodzie badań stopnia palności powierzchniowej materiałów okrętowych metodą wg Kodeksu FTP część 5. W czasie badań określa się tylko krytyczny strumień promieniowania cieplnego. 5

6 2. PARAMETRY ODPORNOŚCI MATERIAŁU NA DZIAŁANIE ZEWNĘTRZNYCH ŹRÓDEŁ PODPALANIA Z punktu widzenia zapobiegania rozprzestrzenianiu się pożaru w dowolnym obiekcie lądowym lub morskim przedmiotem zainteresowania jest między innymi odporność materiału (wyrobu) na działanie zewnętrznych źródeł podpalania oraz analiza możliwości wywołania przez ten materiał pożaru sąsiednich materiałów w następstwie indukcji. Reakcja spalania tworzywa może rozwinąć się jedynie wtedy, gdy ogólny bilans cieplny jest dodatni i temperatura reagentów wzrasta. q + q z q s > 0 gdzie: q - intensywność wydzielania ciepła w czasie rozkładu termicznego i spalania materiału, kw, q z - moc cieplna pochodząca z zewnętrznych źródeł ciepła, kw, q s - straty ciepła w jednostce czasu, kw. W przeciwnym przypadku szybkość reakcji, osiągnąwszy pewną wartość, zaczyna stopniowo maleć w związku ze zmniejszaniem się w tej strefie koncentracji reagentów. Oznacza to, że dla warunku: q + q z q s < 0 spalanie płomieniowe materiału nie zachodzi. Zatem dla każdego materiału istnieje charakterystyczna wartość zewnętrznego strumienia ciepła padającego na jego powierzchnię, przy której zachodzi jeszcze jego płomieniowe spalanie: q + q z _ krytyczne q s = 0 Wielkość tę przyjęto nazywać krytycznym strumieniem ciepła - KSP. Krytyczny strumień ciepła charakteryzuje odporność materiału na działanie zewnętrznych źródeł podpalania. Do spowodowania zapłonu materiału potrzebna jest pewna określona energia cieplna. Wartość tej energii może stanowić miarę odporności na działanie zewnętrznych źródeł podpalania. Wielkość tę przyjęto nazywać ciepłem podtrzymującym płomieniowe spalanie - Qsb. Za miarę ciepła podtrzymującego płomieniowe spalanie materiału przyjęto wartość średnią iloczynu natężenia strumienia cieplnego i czasu jego oddziaływania na powierzchnię materiału, po którym wystąpi jej zapłon. Ważnym parametrem materiału decydującym o pożarowym zagrożeniu dla obiektu morskiego jest (patrz równanie bilansu) intensywność wydzielania ciepła: q = η m c = η m sp sp sp S S c gdzie: η sp - współczynnik niecałkowitości spalania, -, m - masowa szybkość spalania materiału przypadająca na jednostkę jego powierzchni, kg m -2, s S - powierzchnia materiału objęta spalaniem, m 2, 6 sp

7 c sp - ciepło spalania materiału, kj kg -1. Wyzwalana podczas rozkładu termicznego i spalania energia cieplna nagrzewa sąsiadującą z płomieniem powierzchnię materiału, która po uzyskaniu temperatury zapłonu zapala się (rys. 2.1.). Rys Model procesu rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni poziomej Zapłon następuje na małej powierzchni ciała stałego. Wyzwalana energia cieplna nagrzewa sąsiadującą z płomieniem powierzchnię materiału, która po uzyskaniu temperatury zapłonu zapala się. W rezultacie obserwuje się rozprzestrzenianie się płomienia po powierzchni materiału. W przypadku działania płomienia, zapłon następuje w niższej temperaturze i przy niższym stężeniu lotnych produktów rozkładu tworzywa (rys. 2.2.). Rys Intensywność wydzielania ciepła w funkcji czasu dla PCV badanego w obecności i bez płomienia palnika pilotowego W związku z tym temperatura zapłonu może stanowić również kryterium do ustalania stanu objęcia spalania płomieniem określonej powierzchni danego materiału. Stopień nagrzania powierzchni materiału jest efektem działania nie tylko intensywności wydzielania ciepła, ale i czasu ekspozycji na jej działanie zależnego od potencjału cieplnego objętego spalaniem materiału oraz ciepła pochodzącego z zewnętrznych źródeł podpalania (rys 2.3). 7

8 I n t e n syw n o ś ć w yd z ie la n ia cie p ła, kw 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 I = 2 0 kw / m 2 I = 2 5 kw / m 2 I = 3 0 kw / m 2 I = 3 5 kw / m 2 I = 4 0 kw / m 2 I = 4 5 kw / m 2 I = 5 0 kw / m C za s, s Rys Zależność intensywności wydzielania ciepła od natężenia strumienia cieplnego dla wykładziny wełnianej Miarą tego potencjału jest całkowite ciepło wyzwolone w czasie rozkładu termicznego i spalania materiału: t k Q = η m c 0 sp sp dt = η sp m c sp gdzie: m - masa spalonego materiału, kg, c sp - ciepło spalania materiału, kj kg -1, η sp - współczynnik niecałkowitości spalania, -. Źródłem zapłonu kolejnych nie objętych jeszcze pożarem materiałów są (rys. 2.4.) opadające palące się krople stopionego materiału opad kroplisty. Zjawisko charakterystyczne dla większości tworzyw sztucznych, które zanim się zapalą, miękną, tworząc ciekłe warstwy powierzchniowe. Zjawisko opadu kroplistego przyspiesza proces rozprzestrzeniania się pożaru. Ciekłe warstwy powierzchniowe stanowią też dodatkowe niebezpieczeństwo dla ludzi narażonych na kontakt z nimi. Stopiony, gorący materiał przykleja się do ciała ofiary wydłużając czas oddziaływania wysokich temperatur na tkanki ciała ludzkiego. Tworzywa sztuczne w stanie ciekłym są źródłem głębokich poparzeń. Ostatnim składnikiem mającym istotny wpływ na rozkład termiczny i spalanie materiału są straty ciepła. Reakcja spalania tworzywa może rozwinąć się jedynie wtedy, gdy ogólny bilans cieplny jest dodatni: q + q z q s > 0 8

9 Rys Opad kroplisty - opadające palące się krople stopionego materiału Odprowadzając ciepło możemy spowolnić proces rozkładu termicznego i spalania. Wzrost strat ciepła spowodowany odprowadzaniem przez podkład betonowy pod próbkę zmniejsza intensywność rozkładu termicznego i spalania materiału (rys. 2.5). 10 Intensywność wydzielania ciepła, kw M+Al Czas, min M B+Al B Rys Zależność intensywności wydzielania ciepła od czasu przy różnych podkładach pod próbkę wykładziny dywanowej PP (M płyta mineralna, M+Al - płyta mineralna i folia Al, B beton o grubości 35 mm, B+Al - beton o grubości 35 mm i folia Al) 9

10 Czynnik ten ma znaczący wpływ na właściwości wielowarstwowych zestawów materiałowych. Często układ wielowarstwowy nie spełnia wymagania ochrony przeciwpożarowej, mimo że poszczególne składniki te wymagania spełniają (rys. 2.6). Rys Właściwości pożarowe układu wielowarstwowego Zatem do określenia właściwości rozprzestrzeniania się płomieni po powierzchni materiału niezbędna jest znajomość: - gęstości krytycznego strumienia ciepła, - ciepła podtrzymującego płomieniowe spalanie, - intensywności wydzielania ciepła, - ciepła wydzielonego w czasie rozkładu termicznego i spalania, - możliwości tworzenia opadu kroplistego. Pierwsze dwa parametry odpowiadają za odporność materiału (wyrobu) na działanie zewnętrznych źródeł podpalania, pozostałe trzy za możliwość wywołania przez ten materiał pożaru sąsiednich materiałów. 10

11 3. METODA BADANIA I KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW 3.1. Metoda Badanie polega na poddaniu próbki ułożonej pionowo na podkładzie z niepalnej płyty włóknisto-cementowej działaniu zewnętrznego strumienia cieplnego, o znormalizowanym (Tabela 3.1) rozkładzie gęstości wzdłuż próbki, oraz płomienia inicjującego spalanie. Płomień rozprzestrzenia się wzdłuż próbki w kierunku zgodnym z malejącą gęstością strumienia cieplnego, do chwili samoistnego zgaśnięcia. Tabela 3.1. Znormalizowany rozkład gęstości strumienia ciepła Dystans wzdłuż Gęstość strumienia ciepła Punkty kontrolne Numer strefy osi próbki przy powierzchni próbki [mm] [kw/m 2 ] [kw/m 2 ] x x x x x x x x x x x x x x Dla każdego stanowiska określa się w czasie kalibracji wartości strumienia ciepła w funkcji odległości na próbce. Dopuszczalne odchylenie rozkładu gęstości strumienia ciepła wynosi ±10 %. W czasie badań określa się: - czas zapłonu próbki, - czasy przejścia czoła płomienia przez poszczególne strefy na powierzchni próbki, - ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie, - czas palenia się próbki, - intensywność wydzielania ciepła w funkcji czasu, - ciepło wydzielone przez próbkę, - zasięg płomienia lr, - krytyczny strumień promieniowania cieplnego KSP. Na tej podstawie wyznacza się: - krytyczny strumienia ciepła, - ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie, 11

12 - maksymalną intensywność wydzielania ciepła, - ciepło wydzielone przez próbkę w czasie jej rozkładu termicznego i spalania Parametry pomiaru interpretacja fizyczna Krytyczny strumień promieniowania cieplnego Krytyczny strumień promieniowania cieplnego - KSP oznacza najmniejszą wartość natężenia napromienienia cieplnego powierzchni próbki badanego materiału, przy której zachodzi jeszcze płomieniowe jego spalanie. Charakteryzuje odporność materiału na działanie zewnętrznych źródeł podpalania. KSP wyznacza się mierząc zasięg płomienia l r a następnie z charakterystyki rozkładu natężenia strumienia cieplnego wzdłuż próbki ustala się odpowiadającą temu zasięgowi wartość tego natężenia (rys. 3.1.). Rys Zasada pomiaru krytycznego strumienia promieniowania cieplnego Wskaźnik dynamiki rozprzestrzeniania się płomieni Wskaźnik dynamiki rozprzestrzeniania się płomieni - Qsb, wyrażający ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie materiału określa się ze wzoru: Q sb = n I( li) t i n i gdzie: I(li) - natężenie napromienienia cieplnego powierzchni próbki dla i - tej strefy, kw m -2, 12

13 li = 50 i - zasięg płomienia dla i-tej strefy, mm, i = 3, 4,..., n - numery stref, przez które przeszedł płomień t i - czas, po upływie którego czoło płomienia osiągnie i - tą strefę, s, n 8 - ostatnia strefa brana do obliczeń ciepła podtrzymującego płomieniowe spalanie materiału; dla zasięgu płomienia lr 430 mm n = 8. Ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie materiału jest to iloczyn strumienia promieniowania cieplnego i czasu ekspozycji powierzchni materiału na działanie tego strumienia, po upływie którego wystąpi jego zapłon. Ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie charakteryzuje również dynamikę rozprzestrzeniania się płomieni po powierzchni materiału w danych warunkach rozkładu termicznego i spalania. Im mniejsza wartość tego iloczynu tym szybciej płomienie rozprzestrzeniają się po powierzchni Maksymalna intensywność wydzielania ciepła Maksymalną intensywność wydzielania ciepła - qp określa równanie: q p = β(t) (T m T gdzie: ß(T) - równoważnik cieplny przewodu kominowego stanowiska wyznaczany doświadczalnie w czasie jego kalibracji, kw K -1, T m - maksymalna temperatura gazów w przewodzie kominowym, K, T o - temperatura początkowa gazów w przewodzie kominowym, K. Równoważnik cieplny przewodu kominowego stanowiska oznacza moc cieplną, którą należy w sposób ciągły doprowadzać do przewodu kominowego, by utrzymać jednostopniowy przyrost temperatury przepływających przez niego gazów: q β(t) = T T gdzie: q - moc cieplna, kw, m T m - maksymalna temperatur gazów w przewodzie kominowym, K, T o - początkowa temperatura gazów w przewodzie kominowym, K Ciepło wyzwolone przez próbkę Ciepło wyzwolone przez próbkę oblicza się ze wzoru: Qt = tk 0 o ) β(t) (T To) dt gdzie: t k - czas trwania pomiaru, s, T - temperatura gazów w przewodzie kominowym, K, T o - początkowa temperatura gazów w przewodzie kominowym, K Klasyfikacja materiałów Podstawę do oceny przydatności materiału w okrętownictwie stanowią wartości średnie z trzech prób wspomnianych parametrów: - krytyczny strumienia ciepła, KSP, 13 o

14 - ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie, Q sb - maksymalną intensywność wydzielania ciepła, q p, - ciepło wydzielone przez próbkę w czasie jej rozkładu termicznego i spalania, Q t. Zjawisko rozprzestrzeniania się płomieni ku górze (rys. 3.2.) po powierzchniach pionowych (ścian, materiałów wolno zwisających, itp.) może przebiegać lawinowo, to jest ze stale rosnącym przyspieszeniem proporcjonalnym do sumy ilości ciepła wytworzonego w poprzedzającym ten moment okresie oraz ciepła pochodzącego z zewnętrznych źródeł ciepła q z (spalanych w pewnej odległości przedmiotów). Rys Model procesu rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni pionowej Wykładzina podłogowa spełnia wymagania części 5 Kodeksu FTP w zakresie właściwości wolnego rozprzestrzeniania płomieni, gdy równocześnie spełnione są następujące warunki: - krytyczny strumień promieniowania cieplnego KSP 7.0 kw m-2 - ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie Qsb MJ m-2 - maksymalna intensywność wydzielania ciepła qp 10.0 kw - ciepło wydzielone przez próbkę Qt 2.0 MJ Materiał ścienny i sufitowy spełnia wymagania wymienionych przepisów, jeżeli równocześnie spełnione są następujące warunki: - krytyczny strumień promieniowania cieplnego KSP 20.0 kw m-2 - ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie Qsb 1.5 MJ m-2 - maksymalna intensywność wydzielania ciepła qp 4.0 kw - ciepło wydzielone przez próbkę Qt 0.7 MJ 14

15 4. OPIS STANOWISKA 4.1. Wyposażenie stanowiska Opis ogólny Stanowisko do badania i oceny stopnia palności materiałów (wyrobów) okrętowych jest układem pomiarowym typu otwartego, co oznacza możliwość wpływu czynników zewnętrznych na wynik pomiaru (rys. 4.1). Rys Stanowisko do badania stopnia palności powierzchniowej materiałów okrętowych metodą wg Kodeksu FTP cześć 5 W skład stanowiska wchodzą: - komin stanowiska, - promiennik gazowy, - układ zasilania promiennika gazowego, - układ pomiaru temperatury promiennika gazowego, - układ do mocowania i wprowadzania próbek w strefę promieniowania, - palnik pilotowy, - układ zasilania palnika pilotowego, - palnik liniowy do wzorcowania stanowiska, - układ zdalnego sterowania, - układ pomiaru natężenia strumienia cieplnego na powierzchni próbek z chłodzonym wodą czujnikiem tarczowym typu Gardona, - wielopunktowy układ kontrolno-pomiarowy z przetwornikiem analogowo-cyfrowym do pomiaru temperatury i intensywności wydzielania ciepła, - program FTP5. 15

16 Konstrukcję nośną stanowiska (rys. 4.2.) stanowi rama wykonana z rur stalowych o przekroju kwadratu 40 z 40 z 4 mm. Rys Stanowisko do badań palności powierzchniowej materiałów okrętowych wg Kodeksu FTP część 5 IMO Do ramy nośnej, w górnej jej czci, zamontowany jest komin dymowy wyposażony w szereg przegród oraz w termoelementy. Pod kominem w odległości 110 mm poniżej dolnej jego krawędzi umieszczona jest próbka w odpowiednim uchwycie (rys. 4.3.). Wprowadzenie uchwytu wraz z próbką odbywa się na dwóch prowadnicach. Dolną prowadnicę stanowi sześciokątny pręt z wyciętym rowkiem na całej jego długości. Górna prowadnica znajduje się pod kominem i wykonana jest w postaci widełek, które przytrzymuj uchwyt tylko w jednym miejscu. Uchwyt próbki posiada odpowiednie grzebienie, które podczas umieszczania próbki na stanowisku wsuwane są w prowadnice. Rys Ustawienie próbki względem komina 16

17 Bezpośrednio pod dolną prowadnica zamontowany jest wskaźnik stref; wystające pręty wyznaczają strefy dla próbki (szesnaście stref każda 50 mm szerokości). Dla przeprowadzania możliwie dokładnej obserwacji przemieszczania się czoła płomieni wzdłuż osi próbki, naprzeciw próbki zamontowano lustro w oprawie z możliwości ustawienia jego kąta nachylenia, w którym widoczna jest próbka wraz z wskaźnikiem stref. Przed próbką w odpowiedniej odległości i pod kątem ok. 15 o zamocowany jest promiennik (rys.4.4). Rys Promiennik gazowy i jego usytuowanie względem próbki Przed próbką w określonej odległości przy pierwszej strefie zamontowany jest palnik pilotowy inicjujący zapłon powierzchni badanego materiału Komin stanowiska Pomiar intensywności wydzielania ciepła odbywa się w kominie dymowym. Jest on wykonany w kształcie prostopadłościanu o wymiarach zewnętrznych 790 mm x 125 mm 610 mm. Wewnątrz komina znajdują się przegrody, pomiędzy którymi przepływają gorące gazy ze spalającej się w czasie bada próbki. Ściany komina oraz przegrody wykonane są z blachy stalowej o grubości 0,5 mm, komin dymowy wyposażony jest ponadto w termopary pomiarowe kominowe termoparę kompensacyjną. Usytuowanie termopar w kominie przedstawione jest na rysunku 4.5. Rys Komin dymowy 17

18 Promiennik i układ zasilania Źródłem promieniowania cieplnego jest promiennik z płaską powierzchnią promieniującą o szerokości 485 mm i wysokości 280 mm umożliwiający uzyskanie mocy promieniowania na pierwszej strefie próbki 50 kw/m 2 (rys. 4.6). Rys Promiennik gazowy; 1 - komora mieszania gazu propan butan z powietrzem, 2 - płytki ogniotrwałe z otworami, 3 - ekran z prętów stalowych Promiennik zbudowany jest z trzech zasadniczych elementów - komory mieszania gazu z powietrzem, - płyta ogniotrwałej z otworami, - ekranu z prętów stalowych stabilizującego pracę promiennika. Promiennik zasilany jest mieszaniną gazu propan-butan z powietrzem. Natężenie przepływu gazu wynosi w przybliżeniu 0,4-1,5 m 3 /h. Zapotrzebowanie powietrza wynosi około 30 m 3 /h. Układ zasilania i kontroli pracy promiennika zapewnia utrzymanie stałej temperatury powierzchni promieniującej i stałej mocy promiennika podczas badania. Obudowa promiennika przykręcona jest do płyt podtrzymujących promiennik (węzłówki). W pierwotnej wersji węzłówki były połączone z pierścieniem obrotowym. (Taka konstrukcja umożliwiała badanie materiałów w pozycji poziomej i pionowej. W ostatecznej wersja metody wg Rez. A. 653(16) materiały bada się tylko w pozycji poziomej niezależnie od ich praktycznego zastosowania. Regulacji położenia promiennika względem próbki dokonuje się przez obrót pierścienia obrotowego podpartego jest na trzech specjalnych podporach rozmieszczonych w równych odstępach co 120 i umocowanych do ramy nośnej stanowiska.). Usytuowanie promiennika podczerwieni względem próbki badanego materiału musi zapewnić rozkład natężenia strumienia ciepła na jej powierzchni, zgodny z rozkładem znormalizowanym podanym w tabeli 3.1 (rys. 4.7.). 18

19 Natężenie strumienia ciepła, kw/m Norma 40 Odchylenie - Odchylenie + 30 Stanowisko Odległość wzdłuż próbki, mm Rys Wykres krzywej rozkładu natężenia strumienia ciepła dla stanowiska według Kodeksu FTP część 5 znajdującego się w KTZO Natężenie strumienia ciepła wyznacza się przetwornikiem tarczowym typu Gardona z dokładnością do ±0,1 kw m -2. Dopuszczalne odchylenie rozkładu gęstości strumienia ciepła wynosi ±10 % Palnik pilotowy Należy stosować palnik typu dyfuzyjno-kinetyczny o średnicy wylotu 6 mm (Rys. 4.8.), zasilany mieszaniną gazowo-powietrzną. Rys Palnik pilotowy oraz usytuowanie jego płomienia względem próbki w uchwycie Końcówka palnika pilotowego wykonana jest z dwukanałowego izolatora porcelanowego od termopar o średnicy zewnętrznej 6 mm. Płomień palnika, o długości ok. 230 mm, powinien podczas badania znajdować się w odległości 10 mm od powierzchni próbki. Oś palnika prostopadła do osi próbki powinna być oddalona o 10 mm od jej krawędzi pionowej. Położenie palnika względem próbki jest regulowane. Uchwyt palnika pilotowego powinien umożliwiać skierowanie płomienia na powierzchnię próbki materiałów, które nie zapalają się podczas standardowych badań. 19

20 Układ do mocowania i wprowadzania próbek w strefę promieniowania Uchwyt do mocowania próbki, składa się z dwóch oddzielnych elementów: ramy uchwytu oraz listwy dociskającej próbkę. Rama uchwytu o wymiarach 808 mm x 164 mm x 50 mm wykonana jest w całości z blachy nierdzewnej. Uchwyt próbki ogranicza powierzchnię czynną (eksponowaną) próbki na całej długości jej obwodu krawędzią podtrzymującą szerokości 10 mm. Do mocowania próbki w uchwycie służy listwa dociskającą. Rdzeń listwy wykonany jest z ceownika aluminiowego 40 mm x 20 mm x 4 mm. Listwa posiada płytki sprężynujące rozmieszczone w równych odstępach na całej swej długości. Na obu końcach listwy dociskającej znajdują się zatrzaski, które podczas mocowania próbki w uchwycie należy wprowadzić w odpowiednie otwory w ściankach bocznych ramy uchwytu. Dolna prowadnica w kształcie sześciokątnego pręta ma wycięty rowek na całej długości, Górna prowadnica znajduje się pod kominem i wykonana jest w postaci widełek, które przytrzymują uchwyt tylko w jednym miejscu. Uchwyt próbki posiada odpowiednie grzebienie, które podczas umieszczania próbki na stanowisku wsuwane są w prowadnice ustalające próbką w odpowiednim stałym położeniu na stanowisku. Wprowadzanie uchwytu z próbką w strefę oddziaływania strumienia cieplnego odbywa się na dwóch prowadnicach. Operację ułatwia rękojeść, w którą wyposażona jest ramka do jej mocowania. Stanowisko należy wyposażyć w co najmniej trzy uchwyty do mocowania próbki Próbka zastępcza Na wyposażeniu stanowiska są dwie próbki zastępcze o wymiarach 155 mm x 800 x 20 mm wykonane z niepalnej płyty grubości (20 ±2) mm o gęstości ρ = (800 ±100) kg/m 3. Jedna z próbek zastępczych wzdłuż osi podłużnej ma 8 otworów w odległości 100 mm od siebie o średnicy dostosowanej do średnicy czujnika gęstości strumienia ciepła. Pierwszy z otworów znajduje się w odległości 50 mm od krawędzi czynnej. Próbka zastępcza z otworami służy do pomiaru rozkładu gęstości strumienia ciepła i kontroli warunków rozkładu termicznego i spalania przed badaniem każdej próbki Podkład pod próbkę Podczas badania próbka powinna być ułożona na podkładzie o szerokości 155 mm i długości 800 mm, wykonanym z niepalnej płyty włóknisto-cementowej grubości 20 mm i gęstości ρ = 800 ±100) kg/m 3. Należy stosować podkład oczyszczony i ostudzony do temperatury pokojowej. Podkład pod próbkę należy klimatyzować w takich warunkach jak próbki badanego materiału. 20

21 Palnik gazowy do wzorcowania stanowiska Równoważnik cieplny przewodu kominowego wyznacza się doświadczalnie w czasie kalibracji przez spalanie gazu o znanym cieple spalania w warunkach badań próbek badanych materiałów wykorzystując do tego celu palnik liniowy. Palnik wzorcujący należy być wykonany z rury miedzianej o długości 2 m i średnicy wewnętrznej 9,1 mm. Jeden koniec rury należy zaślepić. Od zaślepionego końca należy nawiercić 15 otworów o średnicy 2,0-2,4, w odstępach co 16 mm ułożonych w linii prostej równoległej do osi rurki. Palnik należy zasilać propanem lub mieszaniną propan-butan o znanym cieple spalania, mierząc objętościowy strumień gazu rotametrem o zakresie pomiarowym od 70 dm 3 /h do 450 dm 3 /h, odpowiednim dla rodzaju spalanego gazu. Do palnika należy doprowadzić również powietrze w ilości zapewniającej spalanie gazu płomieniem barwy niebieskiej z dopuszczalnymi żółtymi końcami bez odrywania się od palnika Układ do pomiaru natężenia strumienia cieplnego Gęstość strumienia cieplnego wyznacza się (rys. 4.9) przetwornikiem tarczowym typu Gardona z dokładnością do ±0,1 kw/m 2. Czujnik pomiarowy powinien mieć płaską, nieosłoniętą powierzchnię pomiarową o maksymalnym wymiarze elementu po miarowego nie większym od 20 mm. Wymiar liniowy korpusu czujnika nie powinien przekraczać 30 mm w płaszczyźnie pomiarowej. Elementy czułe (czujniki) mierników gęstości strumienia ciepła mierzą całkowity strumień ciepła będący sumą gęstości konwekcyjnego i radiacyjnego strumienia ciepła: Q c 4 4 q c = = q k + q r = α ( T Tpc ) + σ 0 ε1 2 [ T0 Tpc ] S gdzie: S - powierzchnia czujnika, Q c - całkowity strumień ciepła, q k - gęstość konwekcyjnego strumienia ciepła, q r - gęstość radiacyjnego strumienia ciepła, α - współczynnik przejmowania ciepła, T - temperatura ośrodka w dużej odległości od powierzchni czujnika, T pc - temperatura powierzchni czujnika, T o - temperatura ciał wymieniających energię promienistą z powierzchnią czujnika, σ o - stała promieniowania ciepła doskonale czarnego, ε emisyjność zastępcza (w przypadku gdy powierzchnia ciał otaczających S 2 jest dużo większa od powierzchni czujnika S=S 1, to ε 1-2 ε 1, - emisyjność powierzchni czujnika. ε 1 21

22 Rys Miernik natężenia całkowitego strumienia ciepła Odpowiednio przygotowana powierzchnia czujnika (czarna, lustrzana, osłona konwekcyjna w postaci okienek z kwarcu lub szafiru) umożliwia pomiar gęstości wybranego rodzaju strumienia ciepła. W przypadku radiometrów (układów do pomiaru strumienia radiacyjnego) należy pamiętać o paśmie przepuszczalności promieniowania cieplnego przez okienko osłony konwekcyjnej czujnika. Czujniki gęstości całkowitego strumienia ciepła typu Gardona należą do grupy przetworników pracujących w warunkach ustalonego pola temperatur. Zasadniczy element pomiarowy czujnika Gardona (rys ) stanowi okrągła, cienka płytka przykrywająca w korpusie sondy pomiarowej. Strumień ciepła dochodzący do tarczy jest przewodzony promieniowo do obrzeża. W płytce następuje promieniowe zróżnicowanie temperatury. Maksymalna różnica temperatury występuje pomiędzy osią tarczy a jej obrzeżem i jest dla warunków ustalonych proporcjonalna do gęstości dopływającego całkowitego strumienia ciepła (wzór Gardona): 2 R q c T = Tc To gdzie: 4 λ s R - promień tarczy pomiarowej, s - grubość tarczy pomiarowej, λ - przewodność cieplna tarczy pomiarowej. 22

23 Rys Czujnik tarczowy Gardona W przypadku tarczy pomiarowej z konstantanu osadzonej w miedzianej obudowie uzyskuje się możliwość prostego pomiaru różnicy temperatur. Układ taki stanowi termoelement Cu-Konstantan. Po uzyskaniu równowagi cieplnej gęstość całkowitego strumienia padającego na powierzchnię czujnika jest proporcjonalna sygnału napięciowego U czujnika: q = a + c b U Stałe a i b wyznacza się w czasie kalibracji czujnika Układ kontrolno-pomiarowy Do kontroli pracy stanowiska i badań stopnia palności powierzchniowej materiałów okrętowych zastosowano zintegrowany układ kontrolno - pomiarowy z przetwornikiem analogowo cyfrowym z rejestracją i przetwarzaniem wyników pomiarów cząstkowych (rys ). Rys Schemat układu pomiarowego stanowiska do badań stopnia palności powierzchniowej materiałów okrętowych metodą wg Kodeksu FTP cześć 5 23

24 Układ pomiaru temperatury promiennika - Tp Stałe warunki pracy promiennika gazowego kontroluje się termoelementem NiCr-Ni, o konstrukcji płaszczowej i średnicy zewnętrznej około 4 mm, którego styk pomiarowy znajduje się w środku geometrycznym płaszczyzny promieniującej. Termoelement przymocowany jest do obudowy promiennika. Koniec termoelementu, na długości 50 mm od styku pomiarowego przylega płaszczem do płyty promiennika. Wyjście termoelementu przewodem kompensacyjnym podłączono do wskaźnika termometru. Przewody wyjściowe termoelementu można również podłączyć do wielopunktowego układu kontrolno-pomiarowym stanowiska. Temperatury mierzy się przy pomocy termopar płaszczowych typu 1.0 X15CrNiSi NiCr-Ni ze złączem na obudowie. sygnał napięciowy termopar mierzy komputer i porównuje go z charakterystyką termopar NiCr-Ni wg Pn-81/M Punkty pośrednie dla T<1 oc oblicza metodą aproksymacji liniowej. Taka metoda zmniejsza błąd pomiaru spowodowany nieliniowością charakterystyki termopary NiCr-Ni. Temperaturę w komorze komputer określa według algorytmu: SEM_NiCrNi = A + B OdczytAD SEM _ NiCrNi NiCrNi(i) Temperatura = i + NiCrNi(i + 1) NiCrNi(i) mv O C gdzie: OdczytAD - wartość odczytu z kanału przetwornika analogowo-cyfrowego, -, A, B - stałe wyznaczane doświadczalnie w czasie kalibracji kanału pomiarowego stanowiska, mv, SEM_NiCrNi - sygnał napięciowy termopary NiCr-Ni, mv, NiCrNi(i) - i-ty element charakterystyki termopar NiCr-Ni wg PN-81/M , mv, Układ pomiaru temperatury nie posiada automatycznej kompensacji temperatury odniesienia. W związku z tym wymagana jest zewnętrzna kompensacja temperatury odniesienia To = 0 oc w postaci topniejącego lodu. Pomiar temperatury powierzchni promiennika należy traktować tylko jako wielkość pomocniczą do określania i stabilizacji warunków rozkładu termicznego i spalania badanych materiałów. Podstawowym parametrem, który należy kontrolować przed każdym pomiarem, jest zgodny z normą, rozkład gęstości strumienia promieniowania cieplnego wzdłuż badanej próbki Układ pomiaru intensywności wydzielania ciepła Pomiar intensywności wydzielania ciepła w czasie rozkładu termicznego i spalania badanych materiałów metodą według Kodeksu FTP część 5 odbywa się w układzie otwartym (rys. 4.12) bez wymuszonego przepływu gazów przez komin. 24

25 Rys Widok stanowiska do pomiaru intensywności wydzielania ciepła metodą według Kodeksu FTP część 5 Dla ustalonych warunków początkowych (bez palącej się próbki lub palącego się gazu wzorcowego) ogólny bilans cieplny ma postać: o o Q gpr + Q gp = Q + gk Q strat o o o Q V c T T = V c T ( o ot ) gk T o gk = gk T o Q o strat = 4 3 i= 1 j= 1 Ogólny bilans cieplny dla stanowiska z palącą się próbką lub spalającym się gazem wzorcowym ma postać: Q gpr + Q gp + Q p = Q + gk Q strat Q V c T T = V c T Q o ijo ( g ot ) gk T g gk = gk T g Q = 4 strat Q ijo i= 1 j= 1 3 g o gdzie: o Q - strumień ciepła odprowadzany przez gazy przepływające przez przewód kominowy w gk ustalonych warunkach początkowych, kw, Q gpr - moc cieplna promiennika gazowego, kw, Q gp - moc cieplna gazowego palnika pilotowego, kw o Q - całkowity strumień ciepła odprowadzany do otoczenia w warunkach początkowych, strat kw, o V - natężenie objętościowe przepływu gazów w przewodzie kominowym w warunkach gk początkowych, m 3 s -1, c - średnie ciepło właściwe gazów dla przyrostu temperatur T o, kj m -3 K -1 T o T o - temperatura początkowa gazów w przewodzie kominowym, K, T ot - temperatura otoczenia, K, Q - intensywność wydzielania ciepła podczas rozkładu termicznego i spalania próbki p badanego materiału lub spalania gazu wzorcowego, kw, Q - strumień ciepła odprowadzany przez gazy przepływające przez przewód kominowy, gk kw, - całkowity strumień ciepła odprowadzany do otoczenia, kw, Qstrat V - natężenie objętościowe przepływu gazów w przewodzie kominowym, gk m3 s -1, c - średnie ciepło właściwe produktów rozkładu termicznego i spalania w zakresie T g temperatur T g, kj m -3 K -1 T g - temperatura gazów w przewodzie kominowym, K, Po przekształceniu układu równań na bilans cieplny stanowiska otrzymujemy następujący wzór na intensywność wydzielania ciepła podczas rozkładu termicznego i spalania próbki badanego materiału lub spalania gazu wzorcowego: Q p gdzie: o o o o ( Q gk Q gk ) + ( Q strat Q strat ) = V gk c T Tg V gk c T To + ( Q strat Q strat ) g o Q = β ( T T ) + β ( T T ) = ( β + β ) ( T T ) = p 1 g o Q p 2 = β g ( T ) ( T T ) g 25 g o o 1 2 g o

26 β o ( Tg To ) = V gk c T Tg V gk c T o 1 T o ( T T ) = Q β β ( Tg ) = β1 + β2 2 g o strat Qstrat g Z rozważań powyższych wynika, że całe stanowisko stanowi przetwornik do pomiaru intensywności wydzielania ciepła w czasie rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów. Dobrą powtarzalność wyników pomiarów, można uzyskać zachowując stałość warunków: - wymiany ciepła elementów stanowiska z otoczeniem, - rozkładu termicznego i spalania próbek badanego materiału. Oznacza to bezwzględną konieczność zachowania, określonych normą dla danej metody badań, warunków rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów. Dotyczy to także otoczenia i układu geometrycznego stanowiska, który ma znaczący wpływ na wymianę ciepła między poszczególnymi jego elementami i w strefie rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów. Temperaturę gazów spalinowych w kominie mierzy się w układzie różnicowym z kompensacją inercji cieplnej za pomocą termopar płaszczowych NiCr-NiAl. Zastosowanie dodatkowej termopary tzw. termopary kompensacyjnej (odniesienia) z dzielnikiem potencjału kompensatora inercji cieplnej (rys. 4.13) do pomiaru temperatury odniesienia wyeliminowało z sygnału temperatury spalin w kominie (na tyle na ile jest to możliwe) wpływ długookresowych zmian, wynikających ze stosunkowo wolnych zmian temperatury metalu komina (rys 4.14). o Temperatura spalin T sp U wyj Temperatura odniesienia T od 1k Kompensator Rys Schemat połączeń układu termopar NiCr-NiAl do pomiaru różnicy temperatur z kompensatorem inercji cieplnej 26

27 Przyrost sygnału z kompensacją, mv 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Przyrost sygnału z kompensacją Przyrost temp.bez kompensacji Przyrost temp. bez kompensacji, oc Czas, s Rys Przebieg zmian temperatury gazów spalinowych w kominie i sygnału układu do pomiaru różnicy temperatur z kompensatorem inercji cieplnej Regulację kompensatora należy wykonać w następujących warunkach: - podczas pracy promiennika zgodnej z wymaganiami normy (Tabela 5.1), - impulsowym źródłem ciepła o mocy ok. 7 kw emitowanym przez palnik do wyznaczania równoważnika cieplnego stanowiska umieszczonym wzdłuż osi próbki zastępczej. Włączenie palnika liniowego powoduje dostarczenie dodatkowej ilości ciepła i wzrost sygnału termopar kominowych. Wyłączenie palnika powoduje zmniejszenie tego sygnału. Taka operacja pozwala na uzyskanie impulsowego sygnału prostokątnego (rys. 4.15), przy pomocy którego należy dobrać parametry kompensatora inercji cieplnej przewodu kominowego. Układ kompensacji uważa się za właściwie dobrany, gdy odpowiedź układu pomiaru temperatury na prostokątny impuls cieplny będzie miała również przebieg prostokątny. "Ostrość" odpowiedzi prostokątnej może być zwiększona przez zmianę proporcji między sygnałami termoelementów kominowych i termoelementu kompensacji. Proporcje wartości sygnałów zmienia się przy pomocy potencjometru o oporności 1 kω w układzie połączeń termoelementów pokazanym na rysunku Należy dzielnik potencjału kompensatora ustawić w takim położeniu, aby otrzymane sygnały z termopar kominowych uzyskiwały, po pierwszej minucie wzrostu sygnału przejściowego, szybkie dojścia do stanu ustalonego i utrzymywały stałą wartość przez okres 5 minut, z dopuszczalną odchyłką 7% dla palnika o mocy 7 kw. Po zamknięciu dopływu gazu i powietrza do palnika sygnał powinien szybko obniżyć się i osiągnąć w ciągu 2 27

28 minut wartości stanu ustalanego bez tendencji jego zmian (rys. 4.13). W czasie regulacji kompensacji należy dobrać wartość oporu potencjometru jak najmniejszą z możliwych. Rys Przebieg zmian sygnału napięciowego przetwornika do pomiaru intensywności wydzielania ciepła w funkcji czasu dla różnych mocy palnika metanowego Wielkością mierzoną jest sygnał napięciowy U na wyjściu układu różnicowego, który jest proporcjonalny do intensywności wydzielania ciepła - U = f ( Q p ). Intensywność wydzielania ciepła określa się ze wzoru: Q ( t ) = β( U) [ U( t ) ] p U o gdzie: β(u) - równoważnik cieplny stanowiska wyznaczany doświadczalnie w czasie jego kalibracji, kw mv -1, U - napięcie na wyjściu układu różnicowego do pomiaru intensywności wydzielania ciepła, mv, U o - początkowe napięcie na wyjściu układu różnicowego do pomiaru intensywności wydzielania ciepła, mv. Równoważnik cieplny stanowiska wyznacza się doświadczalnie w czasie kalibracji przez spalanie gazu o znanym cieple spalania w warunkach badań próbek badanych materiałów. Równoważnik cieplny stanowiska oznacza moc cieplną, którą należy w sposób ciągły doprowadzać do przewodu kominowego, by utrzymać jednostkowy przyrost temperatury przepływających przez niego gazów. 28

29 4.4. Metoda korekty błędu dynamicznego stanowiska do badań intensywności wydzielania ciepła wg Kodeksu FTP cześć 5 Podstawą do rozróżnienia pomiarów statycznych od dynamicznych jest zmienność czasowa wielkości mierzonej. Wynikiem pomiaru dynamicznego jest zobrazowanie przebiegu czasowego. Poprawność odwzorowania zależy zarówno od czynników nie związanych ze zmiennością w czasie wielkości mierzonej, jak i od czynników, które są uzależnione od tej zmienności. Spalanie jest procesem dynamicznym, zmiennym w czasie. W związku z tym pomiar intensywności wydzielania ciepła powinien być traktowany także jako pomiar dynamiczny. Wchodzące w skład stanowiska takie elementy jak rama, ramka do mocowania próbek, przewód kominowy, promiennik, itd. charakteryzują się dużą masą i pojemnością cieplną. Wynikiem dużej bezwładności układu pomiarowego spowodowanej dużą pojemnością cieplną stanowiska jest zaniżanie maksymalnych wartości intensywności wydzielania ciepła. Układ pomiarowy nie nadąża za zmianami rzeczywistymi intensywności wydzielania ciepła Metoda identyfikacji przetwornika do pomiaru intensywności wydzielania ciepła wg Kodeksu FTP cześć 5 Postępowanie zmierzające do wyznaczania struktury i związków funkcjonalnych opisujących przetworniki pomiarowe nazywa się identyfikacją. Celem badań jest ustalenie struktury i parametrów równań różniczkowych, wiążących ze sobą wielkości wejściowe i wyjściowe przetworników pomiarowych. Do identyfikacji zastosowano metodę wymuszenia skokowego (palnik metanowy o znanej intensywności wydzielania ciepła). Dla różnych wartości mocy cieplnej palnika metanowego wyznaczono znormalizowaną odpowiedź stanowiska na dane wymuszenie skokowe (rys. 4.16). y(t)/y max 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Moc palnika 2,76 kw Moc palnika 5,47 kw Moc palnika 8,22 kw Moc palnika 10,97 kw Wartości średnie Przebieg teoretyczny Czas, s Rys Zależność obliczonej znormalizowanej odpowiedzi stanowiska do pomiaru intensywności wydzielania ciepła metodą wg Kodeksu FTP część 5 na wymuszenie skokowe 29

30 W celu wyznaczenia stałych czasowych T 1 i T 2 sporządzono wykres (rys. 4.17) funkcji Z1(t): y ( ) ( t ) Z1 t = ln 1 ymax y(t)/y m ax 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 y = -0,0199x + 0,8408 y = -0,0549x + 0,2193 R 2 = 0,9946 R 2 = 0, C zas, s Moc palnika 2,76 kw Moc palnika 5,47 kw Moc palnika 8,22 kw Moc palnika 10,97 kw Wartość średnia Z(t)=ln[1 - y1(t)/ymax] Z(t)=ln[1 - y(t)/ymax] Z2(t)=Z(t)-Z1(t) Liniowy (Z(t)=ln[1 - y1(t)/ymax]) Liniowy (Z2(t)=Z(t)-Z1(t)) Rys Ocena rzędu przetwornika do pomiaru intensywności wydzielania ciepła metodą wg Kodeksu FTP część 5 Dla odcinka prostoliniowego wyznaczono nachylenie i stałą czasową T 1. Zależność Z(t) nie jest funkcją liniową w całym rozpatrywanym zakresie zmian. Stanowisko do pomiaru intensywności wydzielania ciepła metodą wg Kodeksu FTP część 5 nie jest zatem przetwornikiem pierwszego rzędu. W związku z tym wyznaczono funkcję Z2(t) = Z1(t) Z(t) odchyleń od asymptoty Z1(t). Wykres odchyleń jest liniowy. Oznacza to, że układ pomiarowy stanowiska jest przetwornikiem drugiego rzędu. Wykorzystując numeryczne metody regresji nieliniowej wyznaczono parametry przetwornika stanowiska do pomiaru intensywności wydzielania ciepła metodą wg Kodeksu FTP część 5 i jego charakterystykę, określoną następującymi parametrami: - stałą czasową T 1 = 19 s, - stałą czasową T 2 = 4 s, - współczynnik tłumienia ζ = 1,3191, -, - współczynnik pulsacji drgań swobodnych ω o = 0,1147 s Metoda korekty błędu dynamicznego stanowiska do badań intensywności wydzielania ciepła wg Kodeksu FTP część 5 Zależność intensywności wydzielania ciepła od czasu jest funkcją wolnozmienną i nieokresową. W związku z tym do korekty błędu dynamicznego stanowiska wg Kodeksu FTP część 5 należy wykorzystać jego odpowiedź na wymuszenie liniowo narastające i liniowo ,7-1,4-2,1-2,8-3,5-4,2-4,9-5,6-6,3-7 -7,7 ln[1 - y(t)/ y ma x ]

31 malejące. Przyjęto, że w przedziale czasu: ti t < ti < t i + t (gdzie t jest okresem pomiarów) zmierzona intensywność wydzielania ciepła q ( t i ) jest funkcją liniową (rys. 4.18) o stałej w tym przedziale czasu szybkości zmian a i : a i q = ( t ) q ( t ) i+ 1 t i+ 1 t i 1 i 1 Rys Zasada wyznaczania korekty dynamicznej dla wyników pomiaru intensywności wydzielania ciepła metodą wg Kodeksu FTP część 5 Dla przedziału czasu 2 t skorygowaną intensywności wydzielania ciepła tą metodą określa więc wzór: q k q(t ) q(t ) 2 ζ q(t ) q(t + t t ω t t i 1 i 1 i+ 1 i 1 ( t i ) = q(t i ) + = q(t i ) + TA 653 i+ 1 i 1 Metoda korekty błędu dynamicznego intensywności wydzielania ciepła nie ma wpływu na zmierzoną wartość wyzwolonego ciepła. Ilość energii cieplnej wydzielona w czasie tych badań ma ściśle określoną wartość, która nie powinna zależeć od procesu przetwarzania wyników pośrednich wielkości mierzonej. o i+ 1 i 1 ) 31

32 5. WYMAGANIA OGÓLNE PRZEPROWADZENIA BADAŃ 5.1. Warunki rozkładu termicznego i spalania badanych materiałów Badając w warunkach laboratoryjnych stopień palności materiałów, ich dymotwórczość i emisję toksycznych produktów określa się jedynie zachowanie tych materiałów i ich właściwości w określonych umownych warunkach rozkładu termicznego i spalania, nie zaś ich zachowanie i ich właściwości w warunkach rzeczywistego pożaru. Dobrą powtarzalność wyników pomiarów, w granicach dopuszczalnego błędu, można uzyskać zachowując stałość warunków rozkładu termicznego i spalania próbek badanego materiału. Oznacza to bezwzględną konieczność zachowania, określonych normą dla danej metody badań, warunków rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów. Każda, nawet niewielka, zmiana warunków wymiany ciepła może mieć znaczny wpływ na wynik końcowy badań materiałów. Jest to często główna przyczyna rozbieżności wyników badań nawet na tym samym stanowisku, jeżeli dokładnie przed każdym pomiarem nie kontroluje się stałości warunków rozkładu termicznego i spalania badanego materiału. Jest to prawda oczywista, o której jednak nie zawsze się pamięta przy opracowywaniu nowych metod badań stopnia palności materiałów, dymotwórczości i toksyczności produktów ich rozkładu termicznego i spalania. Rozkład gęstości strumienia promieniowania cieplnego wzdłuż próbki musi być zgodny z jego rozkładem standardowym. Spełnienie tego warunku wymaga stosowania mierników całkowitego strumienia ciepła będącego sumą gęstości konwekcyjnego i radiacyjnego strumienia ciepła pozwalających na jednoznaczne określenie. Każda niedokładność w tym przypadku prowadzi do zmiany warunków rozkładu termicznego i spalania badanego materiału i w konsekwencji do błędnych wyników badań. Potwierdziły to również międzynarodowe międzylaboratoryjne badania w trakcie opracowywania metody badań stopnia palności materiałów okrętowych. Głównym czynnikiem decydującym o braku korelacji między wynikami badań były różne metody pomiaru całkowitego strumienia ciepła. Konieczne było ujednolicenie metody jego pomiaru. W okrętownictwie do pomiaru strumienia ciepła stosuje się chłodzone wodą czujniki typu GARDONA lub Schmidta-Boeltera Przygotowanie próbek Badaniu poddaje 3 próbki o wymiarach 155 mm x 800 mm. Grubość próbki wraz z podkładem nie powinna być większa niż 70 mm. Próbki należy pobierać tak, aby reprezentowały rzeczywisty układ użytkowy. Należy badać materiały i ich kompozycje o grubości nominalnej do 50 mm, wykorzystując ich całkowitą grubość. W przypadku materiałów i kompozycji o grubości większej niż 50 mm, należy odciąć odpowiednią warstwę materiału od strony nie eksponowanej tak, aby grubość próbki, zmniejszyć do 50 mm. 32

33 Próbki włókienniczych pokryć podłogowych należy pobierać wzdłuż kierunku wytwarzania materiału. Jeżeli badaniom ma być poddana próbka o jasnych metalicznych powierzchniach należy ją pokryć przed klimatyzacją cienką warstwą ciemnej matowej farby. Na każdej próbce (przed badaniem) należy nakreślić linię, biegnącą wzdłuż powierzchni czołowej i w połowie szerokości próbki. Do zaznaczenia linii nie należy stosować farb lub innych środków chemicznych, które mogłyby wpłynąć na przebieg spalania się próbki Sezonowanie próbek Próbki należy klimatyzować w temperaturze (23 ±2) C i w wilgotności względnej (50 ±10)% co najmniej przez 48 h do czasu uzyskania stanu ustalonej wilgotności. Przez stan ustalonej wilgotności rozumie się taki stan próbki, która podczas dwóch kolejnych ważeń w odstępach 24 godzinnych nie zmienia swojej masy o więcej ni 0,1 masy próbki Metodyka badań Po przygotowaniu próbek i ustabilizowaniu warunków termicznych w stanowiska dla znormalizowanego rozkładu natężenia strumienia ciepła wzdłuż próbki należy: - próbkę przed włożeniem do uchwytu owinąć folią aluminiową o grubości 0,02 mm z wyjątkiem powierzchni czynnej, tj. powierzchni poddawanej oddziaływaniu źródeł podpalania (folia aluminiowa pokrywa krawędzie boczne i powierzchnię tylną próbki oraz pas szerokości 10 mm pod powierzchnią ramki od strony eksponowanej). - przygotowaną próbkę zamocować w zimnym uchwycie próbki na podkładzie z materiału niepalnego (marinit) o grubości 20 ± 2 mm, - zamienić ramkę z próbką zastępczą na ramkę z próbką badaną. Wymiana próbek nie może trwać dłużej niż 10 s, - uruchomić rejestrację czasu i wyników pomiaru temperatury spalin w kominie w funkcji czasu, - zanotować czas zapalenia się próbki (Jeżeli próbka nie zapala się przez 10 min badanie należy zakończyć gasząc płomień pilotowy), - notować czasy przejścia czoła płomienia przez poszczególne strefy na powierzchni próbki, - obserwować maksymalny zasięg czoła płomienia. Pomiar należy wykonywać z dokładnością do ±5 mm. W przypadku próbek, które zapaliły się płomieniem, badanie należy prowadzić do czasu samoistnego zgaśnięcia płomienia wydłużonego o trzy minuty. Maksymalny czas trwania dla badania: - materiałów ściennych i sufitowych wynosi 30 min, 33