TCC 918 Kartiokalorimetri - tulen ja puun reaktio

Johdanto

Nykyaikaiset rakennusmääräykset ja turvallisuusstandardit edellyttävät, että rakennusmateriaalit ovat paitsi rakenteellisesti turvallisia myös paloturvallisia. Puu, hyväksi todettu rakennusmateriaali, tarjoaa monia etuja, mutta siihen liittyy myös riskejä, sillä se voi syttyä small lämmönlähteistä, kuten kipinöistä, ja vapauttaa savukaasuja.

Koska savun hengittäminen on yleisin kuolinsyy tulipaloissa ja tiheä savu vaikeuttaa suunnistusta ja pakenemista, on tärkeää analysoida puun palokäyttäytymistä ja savupäästöjä.

Puun soveltuvuus rakennusmateriaaliksi tältä kannalta edellyttää laajoja palotestejä ja sertifiointia.

Mittausolosuhteet

Paloteknisen käyttäytymisen tutkimiseksi kuusipuun koekappaleita (100 x 100 x 17 mm³) testattiin NETZSCH TCC 918 -konekalorimetrissä. Tämä laite rekisteröi lämmön vapautumisnopeuden (HRR), massahäviön sekä syntyvien savukaasujen tiheyden ja koostumuksen.

Puunäytteet asetettiin vaakasuoraan näytetelineeseen, joka oli kiinnitetty kuormituskennoon, jotta massahäviö voitaisiin tallentaa jatkuvasti mittauksen aikana. Sähkölämmityskartio lämmitti näytteitä yläpuolelta ja käynnisti puun pyrolyysin. Kun pyrolyysikaasuja oli vapautunut riittävästi, sytytys tapahtui kipinäsytyttimellä. Syntyneet palamiskaasut virtasivat lämmityskartion läpi ja kerättiin poistojärjestelmään.

Savukaasun massavirtaa, lämpötilaa sekä O₂-, CO₂- ja CO-pitoisuuksia mitattiin jatkuvasti pakokaasujärjestelmässä. Lisäksi savun TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys määritettiin laservalon läpäisyn avulla. Kaasuanalysaattori (Siemens Oxymat/Ultramat) kalibroitiin ennen mittauksia, ja ^C-kerroin1 tarkistettiin metaanipolttimella. Mittausolosuhteet on esitetty taulukossa 1.

Lämmityskartion lämmittämisen jälkeen suljin suljettiin ja valmisteltu näyteteline asetettiin pohjalevylle. Mittaus aloitettiin avaamalla suljin automaattisesti, ja vapautuvat kaasut sytytettiin automaattisella sytytysjärjestelmällä. Kuvassa 2 esitetään näytteen valmistelu- ja mittausjärjestelyt.

^1C-kerroinon kartiokalorimetriassa keskeinen kalibrointiparametri, joka on määritelty ISO 5660-1 -standardin mukaisesti. Se toimii vakiona lämmön vapautumisnopeuden (HRR) tarkassa määrittämisessä määrittämällä happianalysaattorin signaalin ja tosiasiallisesti vapautuneen lämpöenergian välinen suhde.

Taulukko 1: Mittausolosuhteet

Mittaustulokset

Kuvassa 3 esitetään kolmen puunäytteen massahäviö palamisen aikana. Heti syttymisen jälkeen tapahtuu nopea massahäviö, joka johtuu haihtuvien komponenttien, kuten veden ja helposti palavien orgaanisten aineiden, palamisesta. Liekin sammumisen jälkeen alkaa hidas hehkutusprosessi, joka johtaa pienempään, jatkuvaan massahäviöön.

Kuvassa 4 esitetään näytteiden lämmön vapautumisnopeuden (HRR⁾² kulku. Välittömästi sytytyksen jälkeen kaikkien näytteiden HRR nousee jyrkästi ja saavuttaa maksiminsa noin 170 ^kW/m2. Kun herkästi syttyvät komponentit ovat kuluneet, HRR laskee merkittävästi, mikä viittaa vähemmän voimakkaaseen palamiseen. Tämä osoittaa myös, että haihtuvat aineet on suurelta osin kulutettu ja että kiinteiden jäännösten (puuhiilen) palaminen on hallitsevaa. Juuri ennen liekin sammumista tapahtuva HRR:n lisäys on tyypillistä puulle, ja se johtuu puuhiilikerroksen hajoamisesta, jolloin vapautuu lisää haihtuvia komponentteja, jotka sitten palavat. Noin 20 minuutin kuluttua arvot vakiintuvat alemmalle tasolle. Tämä osoittaa, että suurin osa palavasta aineesta on käytetty loppuun, jolloin jäljelle jää lähinnä hiiltyneitä jäänteitä. Nämä jäännökset jatkavat palamistaan hitaasti ja tasaisesti, mikä johtaa jatkuvaan mutta vähäiseen lämmön vapautumiseen.

² Lämmön vapautumisnopeus (Heat Release Rate, HRR) on mitta, joka kertoo materiaalin palamisen aikana vapautuvan lämmön määrän aikayksikköä kohti(https://analyzing-testing.NETZSCH.com/en/products/fire-testing/tcc-918)

Toinen analyysin keskeinen näkökohta on savunmuodostus, joka määritetään mittaamalla läpäisykyky. Läpäisevyyden väheneminen osoittaa savun tiheyden lisääntymistä. Kuvassa 5 esitetään näytteiden savumittaukset ja korostetaan savunmuodostuksen ja lämmön vapautumisen välistä korrelaatiota. Aluksi savunmuodostusnopeudessa (SPR) on selvä maksimi, mikä osoittaa nopeaa syttymistä ja palavien kaasujen ja hiukkasten vapautumista large. Tämä alkuhuippu kuitenkin laskee nopeasti, mikä on ominaista haihtuvien komponenttien palamiselle, joka johtaa nopeasti savun muodostumiseen.

Tulokset antavat arvokasta tietoa puun monimutkaisista palamisprosesseista, erityisesti massahäviön, lämmön vapautumisen ja savunmuodostuksen osalta.

Näytteiden väliset erot ovat vähäisiä, ja ne voidaan selittää puun luonnollisilla vaihteluilla, kuten eroilla rakenteessa, kosteudessa tai tiheydessä.

Yhteenveto

Yhteenvetona voidaan todeta, että puu on arvokas ja monipuolinen rakennusmateriaali, jolla on luonnollinen ulkonäkö, kestävyys ja mekaaninen lujuus. Puun palonkestävyyttä parantaa hiilloskerroksen muodostuminen, joka eristää puun sisäistä rakennetta ja hidastaa palamista. Tämä hiilloskerros edistää puuosien mittapysyvyyttä ja lujuutta, minkä ansiosta puurakennukset pysyvät palotilanteessa rakenteellisesti vakaina pidempään kuin monet muut materiaalit.

Puun alhainen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus vähentää lämmön haihtumista, mikä tukee osien mittapysyvyyttä ja lujuutta. Näiden ominaisuuksien ansiosta puurakennusten rakenne säilyy ehjänä pidempään tulipalon sattuessa, mikä selittää palomiesten sanonnan "puu palaa turvallisesti". On kuitenkin tärkeää, että puun palonkestävyyttä tutkitaan ja optimoidaan edelleen, jotta voidaan varmistaa puurakenteiden turvallisuus ja pitkäikäisyys nykyaikaisessa rakentamisessa.