Εισαγωγή
Η ανάλυση της συμπεριφοράς των υλικών στη φωτιά αποτελεί βασικό μέρος της μηχανικής ασφάλειας. Το θερμιδόμετρο κώνου TCC 918 (εικόνα 1) είναι μια καθιερωμένη συσκευή δοκιμών που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό βασικών παραμέτρων, όπως ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας (HRR), η απώλεια μάζας και οι εκπομπές καπνού. Η χημική σύνθεση ενός υλικού, καθώς και φυσικές παράμετροι, όπως η γεωμετρία του δείγματος και η συμπεριφορά στη φωτιά, μπορούν να επηρεάσουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων.
Σύμφωνα με το ISO 5660-1, οι τυπικές διαστάσεις για τα δοκίμια δοκιμής είναι 100 mm × 100 mm, με πάχος μεταξύ 6 mm και 50 mm. Η παρούσα έρευνα αποσκοπεί στην ανάλυση της επιρροής του πάχους του δοκιμίου στα αποτελέσματα των μετρήσεων.
Εγκατάσταση και συνθήκες δοκιμής
Εξετάστηκαν εννέα δείγματα PMMA με πάχη 7 mm, 14 mm και περίπου 19 mm (τρεις μετρήσεις ανά πάχος).
Τα δείγματα τοποθετήθηκαν σε οριζόντια υποδοχή δείγματος, η οποία ήταν τοποθετημένη σε ζυγαριά για να είναι δυνατή η συνεχής καταγραφή της απώλειας μάζας. Η θερμότητα εφαρμόστηκε με τη χρήση ηλεκτρικού κωνικού θερμαντήρα με σταθερή πυκνότητα ροής θερμότητας 50 kW/m². Η ανάφλεξη γινόταν μέσω αναφλεκτήρων σπινθήρων μόλις απελευθερώνονταν επαρκή αέρια πυρόλυσης. Τα παραγόμενα καυσαέρια αναλύθηκαν για τον προσδιορισμό του ρυθμού ροής μάζας, της θερμοκρασίας των καυσαερίων και των συγκεντρώσεων O₂, CO₂ και CO. Η πυκνότητα του καπνού προσδιορίστηκε με τη φωτοδιαπερατότητα. Το σύστημα ανάλυσης αερίων (Siemens Oxymat/ Ultramat) βαθμονομήθηκε πριν από τη σειρά μετρήσεων και ο συντελεστής C¹ επικυρώθηκε με τη χρήση καυστήρα μεθανίου. Οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Δοχείο δείγματος | Οριζόντια |
| Δείγματα και πάχη | PMMA περίπου 7, 14, 19 mm |
| Ροή θερμότητας | 50 kW/m2 |
| Ονομαστικός ρυθμός ροής θερμότητας | 24.0 l/s |
| Απόσταση από τον κωνικό θερμαντήρα | 25 mm |
1Οσυντελεστής C, που ορίζεται στο ISO 5660-1, είναι μια σταθερά βαθμονόμησης που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ρυθμού έκλυσης θερμότητας (HRR). Συνδέει το σήμα από τον αναλυτή οξυγόνου με την πραγματική θερμική ενέργεια που απελευθερώνεται.
Αποτελέσματα μέτρησης
Χρόνος ανάφλεξης (TOI) και χρόνος καύσης μέχρι την εκπνοή (TOF)
Όπως αναμενόταν, ο χρόνος ανάφλεξης (TOI) είναι ο ίδιος για όλα τα δείγματα και είναι 22 δευτερόλεπτα. Αυτό υποδηλώνει ότι η ανάφλεξη επηρεάζεται κυρίως από τις ιδιότητες της επιφάνειας και όχι από το πάχος του υλικού.
Αντίθετα, ο χρόνος καύσης μέχρι την πλήρη κατάσβεση (Time of Flame-off, ή TOF) εξαρτάται σαφώς από το πάχος του δείγματος. Τα δείγματα των 7 mm κάηκαν κατά μέσο όρο 597 δευτερόλεπτα, τα δείγματα των 14 mm κατά μέσο όρο 857 δευτερόλεπτα και τα δείγματα των 19 mm κατά μέσο όρο 1108 δευτερόλεπτα (βλ. πίνακα 2). Αξίζει να σημειωθεί ότι, με την ομοιόμορφη αύξηση του πάχους του δείγματος, παρατηρήθηκαν επίσης ομοιόμορφες χρονικές διαφορές στην TOF. Αυτό επιτρέπει την εξαγωγή μιας σχεδόν γραμμικής σχέσης μεταξύ TOF και πάχους δείγματος, επιτρέποντας την απλή παρεμβολή για περαιτέρω πάχη.
Πίνακας 2: Μέσοι χρόνοι ανάφλεξης και καύσης μέχρι την εξαφάνιση
| Πάχος δείγματος | TOI | TOF |
|---|---|---|
| 7 mm | 22 s | 597 s |
| 14 mm | 22 s | 857 s |
| 19 mm | 22 s | 1108 s |
Απελευθέρωση θερμότητας (HRR, THR)
Η βασική πτυχή της ανάλυσης είναι ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας (HRR), ο οποίος ορίζεται ως η ποσότητα θερμότητας που εκλύεται ανά μονάδα χρόνου.
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται οι καμπύλες HRR για δείγματα PMMA διαφορετικού πάχους: 7 mm (μπλε), 14 mm (πράσινο) και 19 mm (κόκκινο). Η αξιολόγηση της HRR αποκαλύπτει σαφείς διαφορές μεταξύ των παχών των δειγμάτων.
Ενώ το μέγιστο HRR είναι συγκρίσιμο για όλα τα πάχη των δειγμάτων (~880 kW/m²), το σημείο στο οποίο εμφανίζεται μετατοπίζεται συστηματικά σε μεταγενέστερο χρόνο καθώς αυξάνεται το πάχος του δείγματος. Αυτό ήταν αναμενόμενο, καθώς τα παχύτερα υλικά απαιτούν περισσότερο χρόνο για να θερμανθούν πλήρως και να υποστούν πυρόλυση. Στα λεπτότερα δείγματα, τα πτητικά συστατικά απελευθερώνονται νωρίτερα.
Η συνολική θερμότητα που απελευθερώνεται (THR) κατά την καύση αντιστοιχεί στο ολοκλήρωμα της HRR με την πάροδο του χρόνου. Στο σχήμα 3 παρουσιάζονται οι καμπύλες THR. Όπως αναμενόταν, οι τιμές THR αυξάνονται με το πάχος του δείγματος.
Το Σχήμα 4 δείχνει τη γραμμική σχέση μεταξύ του πάχους του δείγματος και α) του χρόνου του μέγιστου HRR και β) της συνολικής έκλυσης θερμότητας. Η συσχέτιση επιβεβαιώνει ότι, με πλήρη καύση, η THR καθορίζεται ουσιαστικά από την ποσότητα του υλικού που χρησιμοποιείται. Η γραμμική σχέση μεταξύ του πάχους του δείγματος, του χρόνου καύσης μέχρι την πλήρη εξάλειψη (TOF) και της THR δείχνει ότι όλα τα δείγματα μετατράπηκαν σχεδόν πλήρως. Δύο μεμονωμένες μετρήσεις με διαφορετικά πάχη δειγμάτων μπορούν εύκολα να μετατραπούν σε αντίστοιχες τιμές για άλλα πάχη δειγμάτων.
Παραγωγή καπνού (SPR, TSP)
Μια άλλη σημαντική πτυχή της έρευνας είναι η καταγραφή της εξέλιξης του καπνού. Αυτό επιτυγχάνεται με τη μέτρηση της μετάδοσης του φωτός στη ροή των καυσαερίων. Μια δέσμη λέιζερ οδηγείται μέσω του σωλήνα καυσαερίων (βλέπε σχήμα 5). Η μείωση της διαπερατότητας υποδηλώνει αύξηση της πυκνότητας του καπνού.
Ομοίως με την HRR, παρατηρήθηκε ότι χρειαζόταν μεγαλύτερο χρονικό διάστημα για να επιτευχθεί ο μέγιστος ρυθμός παραγωγής καπνού (SPR) καθώς αυξανόταν το πάχος του δείγματος. Όπως φαίνεται στο σχήμα 6, οι καμπύλες SPR δείχνουν ότι τα λεπτότερα δείγματα απελευθερώνουν γρήγορα ποσότητες καπνού large, ενώ τα παχύτερα δείγματα απελευθερώνουν καπνό για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Αυτό αντικατοπτρίζει την καθυστερημένη διαδικασία πυρόλυσης, σύμφωνα με την οποία τα παχύτερα δείγματα χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να αποσυντεθούν πλήρως.
Η συνολική παραγωγή καπνού (TSP), που παρουσιάζεται στο σχήμα 7, αυξάνεται με την αύξηση του πάχους του δείγματος, όπως αναμενόταν.
Το Σχήμα 8 δείχνει τη σχεδόν γραμμική σχέση μεταξύ του πάχους του δείγματος και της TSP. Αυτό επιβεβαιώνει ότι, αφού η μάζα του δείγματος έχει μετατραπεί πλήρως, η συνολική παραγωγή καπνού καθορίζεται ουσιαστικά από την ποσότητα του υλικού που υπάρχει.
Περίληψη
Το πάχος του δείγματος επηρεάζει σημαντικά τις παραμέτρους πυρκαγιάς στο θερμιδόμετρο κώνου. Ενώ ο χρόνος ανάφλεξης παραμένει σε μεγάλο βαθμό σταθερός, ο χρόνος καύσης, η THR και η TSP αυξάνονται σχεδόν γραμμικά με την αύξηση του πάχους του δείγματος.
Τα αποτελέσματα αυτά υπογραμμίζουν τη σημασία της χρήσης πάντοτε πανομοιότυπων παχών δειγμάτων για συγκριτικές δοκιμές υλικών, ώστε να εξασφαλίζονται αξιόπιστα και συγκρίσιμα αποτελέσματα. Χάρη στην παρατηρούμενη γραμμικότητα, τα αποτελέσματα των μετρήσεων που βασίζονται σε δύο μόνο πάχη μπορούν επίσης να μεταφερθούν σε άλλα πάχη με απλή παρεμβολή ή παρέκταση.
Δεδομένου ότι στην πράξη χρησιμοποιούνται συχνά υλικά διαφορετικού πάχους για τις ίδιες εφαρμογές, είναι λογικό να διεξάγονται δοκιμές υπό συνθήκες συγκεκριμένης εφαρμογής, όπως με τυπικά πάχη εξαρτημάτων ή πραγματικές καταστάσεις εγκατάστασης, για να επιτευχθεί μια ρεαλιστική αξιολόγηση της πυροπροστασίας. Αυτός είναι ο μόνος τρόπος για την αξιόπιστη αξιολόγηση της πραγματικής συμπεριφοράς στη φωτιά και την πραγματοποίηση τεκμηριωμένων επιλογών υλικών.