Способ испытания древесных материалов по температуре сгорания
Владельцы патента RU 2406079:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Марийский государственный технический университет (RU)
Изобретение относится к лесопользованию и рационализации пользования древесными ресурсами и отходами от переработки древесного сырья в условиях промышленных предприятий и различных типов котельных, работающих на древесном топливе, а также к профилактике лесных пожаров и пожаров на складах древесины и древесных материалов. Предложенный способ реализуется испытаниями в лабораторных условиях образцов древесного топлива и проб лесных горючих материалов, прежде всего проб из куч опилок и пожароопасных материалов из лесной подстилки, для экспериментального определения группы горючих твердых веществ и материалов по действительной температуре их сгорания. Измерения температуры сгорания проводят по отношению к времени сгорания образца от ввода образца в камеру прибора типа ОТМ до образования зольных веществ, причем после достижения максимальной температуры продолжают дискретные или непрерывные измерения времени сгорания и соответствующей температуры самостоятельного горения до завершения горения и последующего остывания золы от образца, а после окончания испытания результаты дискретных или непрерывных измерений температуры сгорания относительно шкалы времени подвергают статистическому моделированию с выявлением тренда и дополнительных к нему волновых закономерностей изменения температуры сгорания в зависимости от времени сгорания. Технический результат - повышение точности испытаний, а также расширение функциональных возможностей способа для оценки способности лесных и древесных материалов к воспламенению и способности их поддерживать лесные пожары. 5 з.п. ф-лы, 9 ил., 4 табл.
Изобретение относится к лесопользованию и рационализации пользования древесными ресурсами и отходами от переработки древесного сырья в условиях промышленных предприятий и различных типов котельных, работающих на древесном топливе, а также к профилактике лесных пожаров и пожаров на складах древесины и древесных материалов. Предложенный способ реализуется испытаниями в лабораторных условиях образцов древесного топлива и проб лесных горючих материалов, прежде всего проб из куч опилок и пожароопасных материалов из лесной подстилки с определением действительной температуры сгорания этих материалов на установке для определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов ("ОТМ") (Перечень приборов и установок для определения пожаровзрывоопасности веществ и материалов, изготавливаемых ФГУ ВНИИПО МЧС России [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www/URL: http://www.vniipo.ru/orders/products/ustanovki.htm. - 15.05.2010 г.) по ГОСТ 12.1.044-89.
Известен способ определения высшей теплоты сгорания и вычисления низшей теплоты сгорания по ГОСТ 147-05 (ИСО 1928-76).
Метод основан на полном сжигании массы испытуемого топлива в калориметрической бомбе в изотермическом и адиабатическом режимах. Испытания проводят при постоянном объеме в среде сжатого кислорода и измерении подъема температуры калориметрического сосуда за счет теплоты, выделившейся при сгорании топлива и вспомогательных веществ.
На практике топливо сгорает при постоянном (атмосферном) давлении и влага не конденсируется, а в виде пара уносится дымовыми газами. При таких условиях действительная теплота сгорания - это низшая теплота сгорания при постоянном давлении. Можно вычислить также низшую теплоту сгорания при постоянном объеме. В описании способа по ГОСТ 147-05 (ИСО 1928-76) даны формулы для расчета этих величин.
По аналогу в ГОСТ 147-05 (ИСО 1928-76) даются следующие определения применяемым по результатам испытаний показателям.
Высшая теплота сгорания при постоянном объеме - количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы твердого топлива в калориметрической бомбе в среде кислорода в установленных стандартом условиях. При этом остаточными продуктами являются газообразный кислород, диоксид углерода, диоксид серы, азот и вода в виде жидкости, которая находится в равновесии с водяным паром и насыщена диоксидом углерода, и твердая зола.
Низшая теплота сгорания при постоянном объеме - количество тепла, выделившееся при полном сгорании единицы массы твердого топлива в среде кислорода при постоянном объеме. При этом остаточными веществами являются кислород, диоксид углерода, азот, водяной пар и зола при температуре 25°С.
Низшая теплота сгорания при постоянном давлении - количество тепла, выделившееся при полном сгорании единицы массы твердого топлива в среде кислорода при постоянном давлении. При этом остаточными веществами являются кислород, диоксид углерода, диоксид серы, азот, водяной пар и зола при температуре 25°С.
Эффективная теплоемкость системы - количество тепла, необходимое для повышения температуры калориметрической системы на единицу в условиях анализа.
Сущность метода заключается в следующем.
Высшая теплота сгорания. Навеску пробы твердого топлива сжигают в среде кислорода в калориметрической бомбе в стандартных условиях. Высшую теплоту сгорания вычисляют по подъему температуры воды в сосуде калориметра и средней эффективной теплоемкости системы.
Для расчета требуется определять теплоту сгорания зажигающего материала, термохимические поправки и, если необходимо, потери тепла в водяной оболочке.
Низшая теплота сгорания. Низшие значения теплоты сгорания топлива при постоянном объеме и при постоянном давлении определяют расчетным путем исходя из высшей теплоты сгорания при постоянном объеме, полученной с помощью анализа пробы. Для расчета низшей теплоты сгорания при постоянном объеме требуются данные о содержании влаги и водорода в анализируемой пробе, для расчета этой величины при постоянном давлении необходимо также знать содержание кислорода в топливе.
Недостатками аналога являются сложность процесса испытания, а также высокая опасность проведения опытов с кислородом под давлением. Кроме того, для котельных и пожарной профилактики требуется узнать о низшей теплоте сгорания на основе испытаний, а не на основе расчетов. При этом недостатком является также и сложность проведения расчетов, необходимость дополнительных опытов по определению теплоты сгорания зажигающего материала.
Известен также способ испытания теплоты сгорания у строительных материалов с использованием прибора ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89 для экспериментального определения группы горючих твердых веществ и материалов по разделу 4.3, в частности, с измерениями в дискретном режиме или с использованием самопищущих полуавтоматических устройств действительной температуры сгорания образцов топлива.
По выбранному прототипу для испытания готовят 3 образца материала длиной 60±1 мм, высотой 150±3 мм и фактической толщиной, но не более 30 мм. Для сыпучих веществ готовят 3 корзиночки прямоугольной формы длиной 60±1 мм, шириной 10±1 мм, высотой 150±3 мм, в которые помещают 90±1 см вещества. Корзиночки должны быть выполнены из сетки с размерами ячеек не более 1,0 мм; материал сетки - проволока из жаростойкой стали диаметром 0,55 мм. Материалы, способные при нагревании плавиться, помещают в мешочки прямоугольной формы длиной 65±1 мм, шириной 10±1 мм, высотой 160±1 мм. Мешочки делают из стеклоткани толщиной 0,10-0,15 мм, швы сшивают негорючими нитками или металлическими скрепками.
Пригодность установки к работе проверяют по стандартному образцу - древесине глубокой пропитки, потеря массы которого после испытания должна составлять 20,6±1,4%. Стандартные образцы изготавливают согласно ГОСТ 16363.
Образец исследуемого материала закрепляют в держателе и при помощи шаблона проверяют положение образца относительно его вертикальной оси. Включают прибор для регистрации температуры, зажигают газовую горелку и регулируют расход газа так, чтобы контролируемая в течение 3 мин температура газообразных продуктов горения составляла 200±5°С. Держатель с образцом вводят в камеру за время не более 5 с и испытывают в течение 300±2 с или до достижения максимальной температуры отходящих газообразных продуктов горения материала, при этом регистрируют время ее достижения.
Если при испытании максимальная температура не превышает 260°С, то продолжительность испытания составляет 300±2 с. После чего горелку выключают. Образец выдерживают в камере до полного остывания (комнатной температуры). Остывший образец извлекают из камеры и взвешивают.
Если при испытании максимальная температура превысила 260°С, то продолжительность испытания определяется временем достижения максимальной температуры. Горелку выключают, образец извлекают из камеры и после остывания взвешивают.
Недостатком прототипа является учет только первого этапа горения образца, когда изучается процесс воспламенения и горения только летучих веществ материала образца. А определение теплоты сгорания требует полного сжигания образца до образования золы, причем в расчетах сложных тепловых показателей используют только максимумы приращения температуры сгорания летучих веществ образца топлива. Это, в свою очередь, приводит к грубому анализу процесса горения только по трем уровням: трудновоспламеняемые, средней воспламеняемости и легковоспламеняемые твердые горючие материалы.
Недостатком является также то, что горение на втором этапе после выключения газовой горелки испытания на приборе ОТМ может происходить с гораздо большей температурой по сравнению с максимальной температурой и ее максимальным приращением на первом этапе до момента выключения горелки.
Кроме того, недостатком также является и то, что из-за высокой грубости трехуровневой классификации горючих материалов испытание по аналогу получает низкую точность, что не позволяет применить прототип при оценках теплотворной способности древесного топлива, а также при оценках пожарной опасности в лесу из-за готовности к воспламенению материала лесной подстилки в конкретных погодных условиях.
Из-за этих недостатков измерения проводятся относительно температуры, например, при повышении до максимального приращения через 50°С, когда при каких-то «круглых» значениях температуры сгорания измеряется время с момента ввода образца в камеру прибора ОТМ. В итоге неизвестна предпочтительная шкала измерения времени, относительно которой следует регистрировать температуру горения образца.
Технический результат - повышение точности испытаний каждого из образцов древесного топлива на действительную в динамике сгорания образца температуру горения, а также расширение функциональных возможностей способа для оценки способности лесных и древесных материалов к воспламенению и способности их поддерживать лесные пожары.
Этот технический результат достигается тем, что способ испытания древесных материалов по температуре сгорания, включающий использование прибора ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89 для экспериментального определения группы горючих твердых веществ и материалов по разделу 4.3, измерения в дискретном режиме или с использованием самопищущих полуавтоматических устройств температуры сгорания образцов топлива, причем испытание проводят до максимальной температуры воспламенения и горения летучих веществ образца с измерением продолжительности достижения максимальной температуры, после чего горелку выключают, образец выдерживают в камере до полного остывания до комнатной температуры, затем образец извлекают из камеры и взвешивают, способ отличается тем, что измерения температуры сгорания проводят по отношению к времени сгорания образца от ввода образца в камеру прибора типа ОТМ до образования зольных веществ, причем после достижения максимальной температуры продолжают дискретные или непрерывные измерения времени сгорания и соответствующей температуры самостоятельного горения до завершения горения и последующего остывания золы от образца, а после окончания испытания результаты дискретных или непрерывных измерений температуры сгорания относительно шкалы времени подвергают статистическому моделированию с выявлением тренда и дополнительных к нему волновых закономерностей изменения температуры сгорания в зависимости от времени сгорания.
Для повышения точности готовых статистических закономерностей время регистрируют с интервалами не более чем 5-10 секунд, включая время от начала ввода держателя с образцом в камеру сгорания прибора типа ОТМ, а измерения завершают после полного остывания образца и камеры сгорания прибора.
Шкалу времени принимают неравномерной, когда в момент ввода держателя с образцом в камеру интервалы времени принимают не более 5 с, аналогично такие же частые измерения проводят до и после выключения газовой горелки, а в промежутках между началом испытания и выключением горелки, а также после выключения горелки и остывания золы образца принимают интервалы времени, например, через 10 с.
Для повышения точности измерения максимальной температуры сгорания и максимального приращения температуры горения летучих веществ совместно с компонентами твердого вещества образца, в частности, у образцов, изготовленных из древесных топливных гранул и брикетов, предел максимальной температуры горения в приборе типа ОТМ доводят до уровня не менее 1100°С.
Результаты измерений времени и температуры сгорания образца из древесного топлива подвергают статистическому моделированию для выявления биотехнических закономерностей динамики температуры сгорания в зависимости от времени сгорания образца до образования золы по формуле:
t=tmp+t1+t2,
tmp=a 1τt a2exp(-a 3τt a4),
t1=A1cos(πτt/р1±a 12),
t2=A2cos(πτt/р2±а 20),
А1=±a 5τt a6exp(-a 7τt a8),
р1=а 9±а 10τt a11,
А2=±а 13τt a14exp(-a 15τt a16),
p1=a 17±a 18τt a19,
где t - переменная температура сгорания образца древесного топлива, имеющая нулевое значение в момент введения держателя с образцом в камеру прибора ОТМ за время не более 5 с и измеряемая до завершения самостоятельного горения образца, причем без учета момента выключения газовой горелки, °С;
tmp - тренд или тенденция, то есть первая и основная составляющая биотехнической закономерности динамики температуры сгорания образца по биотехническому закону проф. П.М.Мазуркина, °С.
Примечание. По правомерности применения биотехнического закона в процессах горения и других явлениях опубликованы статьи.
1. Кудрявцева Л.А. Сравнение эффективности горения древесных опилок с химическими добавками. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин. // Естественные и технические науки. - 2009. - №3. - С.103-109.
2. Кудрявцева Л.А. Изучение особенностей горения древесных опилок. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин. // Вопросы современной науки и практики: Университет им. В.И.Вернадского. - 2009. - №9(23). - С.8-12.
3. Кудрявцева Л.А. Изучение закономерности роста температуры горения древесных опилок. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин. // Межд. научн. ж-л «Альтернативная энергетика и экология». - 2009. - №9 (77). - С.114-116.
4. Мазуркин П.М. Биотехнический принцип в статистическом моделировании. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.107-111.
5. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и элементы статистических моделей. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.112-114.
6. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и содержательная адекватность модели. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.115-120.
7. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и конструирование адекватных моделей. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.125-129.
8. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и численность наблюдений. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.142-147.
9. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и планирование эксперимента. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.148-151.
10. Мазуркин П.М. Биотехнический закон, эвроритм и алгоритм поиска параметров. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.88-92.
11. Мазуркин П.М. Биотехнический принцип и устойчивые законы распределения. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.93-96.
12. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и адекватность готовой модели. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.130-136.
13. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и подготовка исходных данных. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.137-141.
14. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и виды факторных связей. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.152-156.
15. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и примеры из техники и эконометрики. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.97-102.
t1 - энергетическое возбуждение горючих материалов образца древесного топлива, то есть вторая составляющая закономерности динамики температуры горения образца, причем это энергетическое колебательное возбуждение возникает из-за активности химических веществ древесного топлива при самостоятельном горении образца, °С;
t2 - второе энергетическое возбуждение, то есть третья составляющая готовой общей биотехнической закономерности динамики температуры сгорания образца, возникающее из-за выключения газовой горелки в момент достижения максимальной температуры горения летучих веществ образца, °С;
τ1 - переменное время сгорания образца, вначале летучих веществ после нагрева образца и его воспламенения, затем совместно летучих и твердых горючих веществ образца, а в конце процесса самостоятельного горения образца, причем время сгорания начинается от ввода держателя с образцом древесного топлива в камеру прибора ОТМ до остывания сгоревших зольных остатков от образца и одновременно прибора ОТМ, а значения времени и температуры сгорания учитываются по результатам дискретных или непрерывных на самопишущем устройстве измерений, с;
А1, А2 - половины амплитуд у колебательных возмущений температуры сгорания образца в обеих волновых составляющих модели, °С;
р1, р2 - половины периодов у колебательных возмущений температуры сгорания образца в волновых составляющих модели, с;
а 1…а 20 - параметры готовой статистической модели, причем готовность модели по числу волновых составляющих определяется остатками после вычитания из фактически измеренных значений температуры горения соответствующих расчетных по модели значений температуры сгорания образца, при этом:
а 5, а 13 - энергетические пороги активации горения материала образца соответственно перед самостоятельным горением образца и перед волновым возмущением от выключения газовой горелки;
а 9, а 17 - полупериоды колебательного возмущения энергетики древесного топлива до сжигания древесного топлива, с;
а 12, а 20 - сдвиги начал у обеих систем координат волновых возмущений температуры сгорания, начиная от ввода держателя с образцом древесного топлива в камеру сгорания прибора ОТМ, с.
Остальные параметры а 1, а 3, а 7, а 10, а 15 и a 18 статистической модели не имеют конкретных физических представлений по процессам горения материалов, а являются вспомогательными параметрами в конструкции математического выражения.
Результаты измерений времени и температуры сгорания образца подвергают статистическому моделированию для выявления закономерностей динамики температуры в зависимости от времени с дополнительными волновыми составляющими до того момента, когда остатки после общей биотехнической закономерности будут не более погрешности измерений температуры на приборе ОТМ.
Сущность изобретения заключается в том, что при определении температуры сгорания различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры сгорания топлива. В предлагаемом техническом решении определяется в динамике действительная температура сгорания образца топлива в приборе ОТМ.
Сущность также заключается в том, что действительная температура сгорания образца древесного или иного топлива измеряется на приборе ОТМ в динамике, то есть во времени регистрации результатов испытания в дискретном режиме изменения температуры горения. При этом получают точки во времени и температуре горения от начала воспламенения образца до завершения процесса самостоятельного его горения или даже до полного остывания образца вместе в с прибором ОТМ.
Сущность технического решения заключается также и в том, что при применении автоматически самопишущего устройства в приборе ОТМ в непрерывном режиме после окончания испытания полученный график разбивается на множество точек, обеспечивающих высокую точность идентификации устойчивыми законами распределения динамики горения по температуре по обоим этапам эксперимента, включая определение по готовой статистической модели и максимума температуры горения образца.
Сущность технического решения заключается также и в том, что после окончания испытания полученные точки измерений идентифицируются не только трендовыми закономерностями, но дополнительно выявляются устойчивые закономерности колебательного возмущения образца и прибора ОТМ по динамике температуры горения от начала воспламенения до завершения самостоятельного горения образца.
Положительный эффект заключается в том, что измеренные значения температуры горения во времени от начала воспламенения до полного сгорания образца позволяют по готовым после идентификации статистическим моделям определять не только максимальные температуры и максимальные ее приращения, но и в динамике времени горения в последующем рассчитывать различные тепловые показатели в зависимости от множества влияющих факторов как самого древесного или иного топлива, так и параметров окружающей образец внешней среды.
Это позволит в ближайшем будущем организовать действенный противопожарный мониторинг в лесах и на складах древесных материалов, а также создавать высокоэффективные топливные гранулы и брикеты из отходов древесных материалов.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и положительным эффектом. В научно-технической и патентной литературе информационных материалов, порочащих новизну предлагаемого изобретения, нами не обнаружено.
На фиг.1 показан график динамики температуры сгорания образца из березовых опилок в зависимости от времени сгорания, причем на этом графике и во всех последующих рисунках в правом верхнем углу показаны следующее условные обозначения: S - сумма квадратов отклонений остатков между фактическими и расчетными по выявленной математической модели значениями показателя; r - коэффициент корреляции выявленной биотехнической закономерности по отношению к результатам испытания; на фиг.2 показан график изменения температуры сгорания этого же березового образца по фиг.1 при готовой трехмастной формуле, остатки от которой меньше погрешности измерений на приборе ОТМ температуры сгорания на ±5°С; на фиг.3 показан точечный график распределения времени сгорания в зависимости от температуры сгорания березовых опилок в виде гистерезисной кривой; на фиг.4 - то же на фиг.1 для образца из сосновых опилок; на фиг.5 - то же на фиг.2 для образца из сосновых опилок; на фиг.6 - то же на фиг.3 для образца из сосновых опилок; на фиг.7 - то же на фиг.1 для образца из топливных гранул; на фиг.8 - то же на фиг.2 для образца из топливных гранул; на фиг.9 - то же на фиг.3 для образца из топливных гранул.
Способ испытания древесных материалов по температуре сгорания включает такие действия.
Измерения температуры сгорания проводят по отношению к времени сгорания образца от ввода образца в камеру прибора типа ОТМ до образования зольных веществ. Причем после достижения максимальной температуры продолжают дискретные или непрерывные измерения времени сгорания и соответствующей температуры самостоятельного горения до завершения горения и последующего остывания золы от образца.
А после окончания испытания результаты дискретных или непрерывных измерений температуры сгорания относительно шкалы времени подвергают статистическому моделированию с выявлением тренда и дополнительных к нему волновых закономерностей изменения температуры сгорания в зависимости от времени сгорания.
Для повышения точности готовых статистических закономерностей время регистрируют с интервалами не более чем 5-10 секунд, включая время от начала ввода держателя с образцом в камеру сгорания прибора типа ОТМ, а измерения завершают после полного остывания образца и камеры сгорания прибора.
Шкалу времени принимают неравномерной, когда в момент ввода держателя с образцом в камеру интервалы времени принимают не более 5 с, аналогично такие же частые измерения проводят до и после выключения газовой горелки, а в промежутках между началом испытания и выключением горелки, а также после выключения горелки и остывания золы образца принимают интервалы времени, например, через 10 с.
Для повышения точности измерения максимальной температуры сгорания и максимального приращения температуры горения летучих веществ совместно с компонентами твердого вещества образца, в частности у образцов, изготовленных из древесных топливных гранул и брикетов, предел максимальной температуры горения в приборе типа ОТМ доводят до уровня не менее 1100°С.
Результаты измерений времени и температуры сгорания образца из древесного топлива подвергают статистическому моделированию для выявления биотехнических закономерностей динамики температуры сгорания в зависимости от времени сгорания образца до образования золы по формуле:
t=tmp+t1+t2,
tmp=a 1τt a2exp(-a 3τt a4),
t1=A1cos(πτt/р1±a 12),
t2=A2cos(πτt/р2±а 20),
А1=±a 5τt a6exp(-a 7τt a8),
р1=а 9±а 10τt a11,
А2=±а 13τt a14exp(-a 15τt a16),
p1=a 17±a 18τt a19,
где t - переменная температура сгорания образца древесного топлива, имеющая нулевое значение в момент введения держателя с образцом в камеру прибора ОТМ за время не более 5 с и измеряемая до завершения самостоятельного горения образца, причем без учета момента выключения газовой горелки, °С;
tmp - тренд или тенденция, то есть первая и основная составляющая биотехнической закономерности динамики температуры сгорания образца по биотехническому закону проф. П.М.Мазуркина, °С;
Примечание. По правомерности применения биотехнического закона в процессах горения и других явлениях опубликованы статьи.
1. Кудрявцева Л.А. Сравнение эффективности горения древесных опилок с химическими добавками. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин // Естественные и технические науки. - 2009. - №3. - С.103-109.
2. Кудрявцева Л.А. Изучение особенностей горения древесных опилок. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин // Вопросы современной науки и практики: Университет им. В.И.Вернадского. - 2009. - №9(23). - С.8-12.
3. Кудрявцева Л.А. Изучение закономерности роста температуры горения древесных опилок. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин // Межд. научн. ж-л «Альтернативная энергетика и экология». - 2009. - №9 (77). - С.114-116.
4. Мазуркин П.М. Биотехнический принцип в статистическом моделировании. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.107-111.
5. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и элементы статистических моделей. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.112-114.
6. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и содержательная адекватность модели. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.115-120.
7. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и конструирование адекватных моделей. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.125-129.
8. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и численность наблюдений. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.142-147.
9. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и планирование эксперимента. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.148-151.
10. Мазуркин П.М. Биотехнический закон, эвроритм и алгоритм поиска параметров. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.88-92.
11. Мазуркин П.М. Биотехнический принцип и устойчивые законы распределения. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.93-96.
12. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и адекватность готовой модели. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.130-136.
13. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и подготовка исходных данных. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.137-141.
14. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и виды факторных связей. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.152-156.
15. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и примеры из техники и эконометрики. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.97-102.
t1 - энергетическое возбуждение горючих материалов образца древесного топлива, то есть вторая составляющая закономерности динамики температуры горения образца, причем это энергетическое колебательное возбуждение возникает из-за активности химических веществ древесного топлива при самостоятельном горении образца, °С;
t2 - второе энергетическое возбуждение, то есть третья составляющая готовой общей биотехнической закономерности динамики температуры сгорания образца, возникающее из-за выключения газовой горелки в момент достижения максимальной температуры горения летучих веществ образца, °С;
τ1 - переменное время сгорания образца, вначале летучих веществ после нагрева образца и его воспламенения, затем совместно летучих и твердых горючих веществ образца, а в конце процесса самостоятельного горения образца, причем время сгорания начинается от ввода держателя с образцом древесного топлива в камеру прибора ОТМ до остывания сгоревших зольных остатков от образца и одновременно прибора ОТМ, а значения времени и температуры сгорания учитываются по результатам дискретных или непрерывных на самопишущем устройстве измерений, с;
А1, А2 - половины амплитуд у колебательных возмущений температуры сгорания образца в обеих волновых составляющих модели, °С;
p1, р2 - половины периодов у колебательных возмущений температуры сгорания образца в волновых составляющих модели, с;
а 1…a 20 - параметры готовой статистической модели, причем готовность модели по числу волновых составляющих определяется остатками после вычитания из фактически измеренных значений температуры горения соответствующих расчетных по модели значений температуры сгорания образца, при этом:
а 5, а 13 - энергетические пороги активации горения материала образца соответственно перед самостоятельным горением образца и перед волновым возмущением от выключения газовой горелки;
а 9, а 17 - полупериоды колебательного возмущения энергетики древесного топлива до сжигания древесного топлива, с;
а 12, а 20 - сдвиги начал у обеих систем координат волновых возмущений температуры сгорания, начиная от ввода держателя с образцом древесного топлива в камеру сгорания прибора ОТМ, с.
Остальные параметры а 1, а 3, а 7, а 10, а 15 и a 18 статистической модели не имеют конкретных физических представлений по процессам горения материалов, а являются вспомогательными параметрами в конструкции математического выражения.
Результаты измерений времени и температуры сгорания образца подвергают статистическому моделированию для выявления закономерностей динамики температуры в зависимости от времени с дополнительными волновыми составляющими до того момента, когда остатки после общей биотехнической закономерности будут не более погрешности измерений температуры на приборе ОТМ.
Способ испытания древесных материалов по температуре сгорания, например, при испытании образцов топлива из древесных опилок реализуется следующим образом.
Для сыпучих веществ готовят корзиночки прямоугольной формы длиной 60±1 мм, шириной 10±1 мм, высотой 150±3 мм, в которые помещают 90±1 см вещества. Корзиночки должны быть выполнены из сетки с размерами ячеек не более 1,0 мм; материал сетки - проволока из жаростойкой стали диаметром 0,55 мм.
Материалы, способные при нагревании плавиться, помещают в мешочки прямоугольной формы длиной 65±1 мм, шириной 10±1 мм, высотой 160±1 мм. Мешочки делают из стеклоткани толщиной 0,10-0,15 мм, швы сшивают негорючими нитками или металлическими скрепками.
Образец опила в корзиночке или мешочке закрепляют в держателе и при помощи шаблона проверяют положение образца относительно его вертикальной оси. Включают прибор для регистрации температуры, зажигают газовую горелку и регулируют расход газа так, чтобы контролируемая в течение 3 мин температура газообразных продуктов горения составляла 200±5°С. Держатель с образцом вводят в камеру на время не более 5 с и испытывают до достижения максимальной температуры отходящих газообразных продуктов горения материала, при этом регистрируют время ее достижения.
Затем измерения температуры сгорания проводят по отношению к времени сгорания образца от ввода образца в камеру прибора типа ОТМ до образования зольных веществ. Причем после достижения максимальной температуры продолжают дискретные или непрерывные измерения времени сгорания и соответствующей температуры самостоятельного горения до завершения горения и последующего остывания золы от образца.
А после окончания испытания результаты дискретных или непрерывных измерений температуры сгорания относительно шкалы времени подвергают статистическому моделированию с выявлением тренда и дополнительных к нему волновых закономерностей изменения температуры сгорания в зависимости от времени сгорания.
Для повышения точности готовых статистических закономерностей время регистрируют с интервалами не более чем 5-10 секунд, включая время от начала ввода держателя с образцом в камеру сгорания прибора типа ОТМ, а измерения завершают после полного остывания образца и камеры сгорания прибора.
Шкалу времени принимают неравномерной, когда в момент ввода держателя с образцом в камеру интервалы времени принимают не более 5 с, аналогично такие же частые измерения проводят до и после выключения газовой горелки, а в промежутках между началом испытания и выключением горелки, а также после выключения горелки и остывания золы образца принимают интервалы времени, например, через 10 с.
Для повышения точности измерения максимальной температуры сгорания и максимального приращения температуры горения летучих веществ совместно с компонентами твердого вещества образца, в частности, у образцов, изготовленных из древесных топливных гранул и брикетов, предел максимальной температуры горения в приборе типа ОТМ доводят до уровня не менее 1100°С.
Результаты измерений времени и температуры сгорания образца из древесного топлива подвергают статистическому моделированию для выявления биотехнических закономерностей динамики температуры сгорания в зависимости от времени сгорания образца до образования золы по формуле:
t=tmp+t1+t2,
tmp=a 1τt a2exp(-a 3τt a4),
t1=A1cos(πτt/р1±a 12),
t2=A2cos(πτt/р2±а 20),
А1=±a 5τt a6exp(-a 7τt a8),
р1=а 9±а 10τt a11,
А2=±а 13τt a14exp(-a 15τt a16),
p1=a 17±a 18τt a19,
где t - переменная температура сгорания образца древесного топлива, имеющая нулевое значение в момент введения держателя с образцом в камеру прибора ОТМ за время не более 5 с и измеряемая до завершения самостоятельного горения образца, причем без учета момента выключения газовой горелки, °С;
tmp - тренд или тенденция, то есть первая и основная составляющая биотехнической закономерности динамики температуры сгорания образца по биотехническому закону проф. П.М.Мазуркина, °С.
Примечание. По правомерности применения биотехнического закона в процессах горения и других явлениях опубликованы статьи.
1. Кудрявцева Л.А. Сравнение эффективности горения древесных опилок с химическими добавками. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин // Естественные и технические науки. - 2009. - №3. - С.103-109.
2. Кудрявцева Л.А. Изучение особенностей горения древесных опилок. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин // Вопросы современной науки и практики: Университет им. В.И. Вернадского. - 2009. - №9(23). - С.8-12.
3. Кудрявцева Л.А. Изучение закономерности роста температуры горения древесных опилок. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин // Межд. научн. ж-л «Альтернативная энергетика и экология». - 2009. - №9 (77). - С.114-116.
4. Мазуркин П.М. Биотехнический принцип в статистическом моделировании. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.107-111.
5. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и элементы статистических моделей. / П.М. Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.112-114.
6. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и содержательная адекватность модели. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.115-120.
7. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и конструирование адекватных моделей. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.125-129.
8. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и численность наблюдений. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.142-147.
9. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и планирование эксперимента. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.148-151.
10. Мазуркин П.М. Биотехнический закон, эвроритм и алгоритм поиска параметров. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.88-92.
11. Мазуркин П.М. Биотехнический принцип и устойчивые законы распределения. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.93-96.
12. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и адекватность готовой модели. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.130-136.
13. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и подготовка исходных данных. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.137-141.
14. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и виды факторных связей. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.152-156.
15. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и примеры из техники и эконометрики. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.97-102.
t1 - энергетическое возбуждение горючих материалов образца древесного топлива, то есть вторая составляющая закономерности динамики температуры горения образца, причем это энергетическое колебательное возбуждение возникает из-за активности химических веществ древесного топлива при самостоятельном горении образца, °С;
t2 - второе энергетическое возбуждение, то есть третья составляющая готовой общей биотехнической закономерности динамики температуры сгорания образца, возникающее из-за выключения газовой горелки в момент достижения максимальной температуры горения летучих веществ образца, °С;
τ1 - переменное время сгорания образца, вначале летучих веществ после нагрева образца и его воспламенения, затем совместно летучих и твердых горючих веществ образца, а в конце процесса самостоятельного горения образца, причем время сгорания начинается от ввода держателя с образцом древесного топлива в камеру прибора ОТМ до остывания сгоревших зольных остатков от образца и одновременно прибора ОТМ, а значения времени и температуры сгорания учитываются по результатам дискретных или непрерывных на самопишущем устройстве измерений, с;
А1, А2 - половины амплитуд у колебательных возмущений температуры сгорания образца в обеих волновых составляющих модели, °С;
р1, р2 - половины периодов у колебательных возмущений температуры сгорания образца в волновых составляющих модели, с;
а 1…а 20 - параметры готовой статистической модели, причем готовность модели по числу волновых составляющих определяется остатками после вычитания из фактически измеренных значений температуры горения соответствующих расчетных по модели значений температуры сгорания образца, при этом:
а 5, а 13 - энергетические пороги активации горения материала образца соответственно перед самостоятельным горением образца и перед волновым возмущением от выключения газовой горелки;
а 9, а 17 - полу периоды колебательного возмущения энергетики древесного топлива до сжигания древесного топлива, с;
а 12, а 20 - сдвиги начал у обеих систем координат волновых возмущений температуры сгорания, начиная от ввода держателя с образцом древесного топлива в камеру сгорания прибора ОТМ, с.
Остальные параметры а 1, а 3, а 7, а 10, а 15 и a 18 статистической модели не имеют конкретных физических представлений по процессам горения материалов, а являются вспомогательными параметрами в конструкции математического выражения.
Результаты измерений времени и температуры сгорания образца подвергают статистическому моделированию для выявления закономерностей динамики температуры в зависимости от времени с дополнительными волновыми составляющими до того момента, когда остатки после общей биотехнической закономерности будут не более погрешности измерений температуры на приборе ОТМ.
Примеры. Для испытания свежих опилок после рамной распиловки пиловочника применяли методику испытаний по разделу 4.3 с использованием прибора ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89 для экспериментального определения группы горючих твердых веществ и материалов.
Регистрирующий температуру прибор ОТМ имеет диапазон измерения температуры горения от 0 до 1100°С при классе точности не ниже 0,5. Для измерения времени остывания и самостоятельного горения используют секундомер с погрешностью измерения не более 1 с. Для измерения массы образца применяют весы лабораторные с наибольшим пределом взвешивания 500 г с погрешностью измерения не более 0,1 г.
Образец исследуемого материала закрепляют в держателе и при помощи шаблона проверяют его положение относительно вертикальной оси прибора ОТМ. Включают прибор для регистрации температуры, зажигают газовую горелку и регулируют расход газа так, чтобы контролируемая в течение 3 мин температура газообразных продуктов горения составляла 200±5°С. Держатель с образцом вводят в камеру за время не более 5 с и испытывают до достижения максимальной температуры отходящих газообразных продуктов горения материала образца, при этом регистрируют время ее достижения.
После выключения горелки продолжают испытание за счет регистрации времени с начала воспламенения летучих веществ образца. При этом измерения доводят до заданного уровня остывания камеры прибора, например до 200 или иного градуса остывания.
Далее приведены три примера испытания в летнее время образцов массой по 50 г, из которых 4.1 г составляет масса мешочка. После сгорания образуется зола, которая также взвешивалась. Каждый образец получает индивидуальный характер самостоятельного горения на обоих этапах испытания, поэтому появляется возможность учета различных влияющих переменных факторов, показывающих теплоэнергетические свойства материала образца как древесного топлива или как пожароопасного вещества, находящегося в лесу или на складах древесины и ее отходов.
Пример 1. Для образца из березовых опилок (фиг.1, 2 и 3) после структурно-параметрической идентификации получились следующие ниже биотехнические закономерности.
Результаты измерений приведены в табл.1. Здесь и в последующих таблицах исходных данных для моделирования видно, что по прототипу вначале принято замечать изменение температуры горения образца, например, через каждые 50°С, а потом смотреть на секундомер для измерения времени сгорания.
| Таблица 1 | ||
| Температура горения березовых опилок | ||
| Древесное топливо | Температура горения t, °С | Время испытания τ1, с |
| Опилки | 200 | 14 |
| Береза | 250 | 20 |
| Зола | 300 | 30 |
| 4,28 г | 350 | 36 |
| 400 | 45 | |
| 450 | 79 | |
| 450 | 140 | |
| 400 | 160 | |
| 500 | 175 | |
| 450 | 195 | |
| 400 | 258 | |
| 350 | 280 | |
| 300 | 295 | |
| 250 | 313 | |
| 200 | 340 |
Прямое моделирование позволило вначале выявить трендовую закономерность с коэффициентом корреляции 0,9434 на фиг.1 к экспериментальным данным табл.1 в виде формулы биотехнического закона
t=49,15875τt 0,55728ехр(-0,00046116τt 1,40507).
Остатки после биотехнического закона проф. П.М.Мазуркина значимые, то есть намного превышают погрешности измерения температуры сгорания в ±5°С у химических веществ образцов древесного топлива.
Примечание. По правомерности применения биотехнического закона в процессах горения и других явлениях опубликованы статьи.
1. Кудрявцева Л.А. Сравнение эффективности горения древесных опилок с химическими добавками. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин // Естественные и технические науки. - 2009. - №3. - С.103-109.
2. Кудрявцева Л.А. Изучение особенностей горения древесных опилок. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин // Вопросы современной науки и практики: Университет им. В.И.Вернадского. - 2009. - №9(23). - С.8-12.
3. Кудрявцева Л.А. Изучение закономерности роста температуры горения древесных опилок. / Л.А.Кудрявцева, П.М.Мазуркин // Межд. научн. ж-л «Альтернативная энергетика и экология». - 2009. - №9 (77). - С.114-116.
4. Мазуркин П.М. Биотехнический принцип в статистическом моделировании. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.107-111.
5. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и элементы статистических моделей. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.112-114.
6. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и содержательная адекватность модели. / П.М. Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.115-120.
7. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и конструирование адекватных моделей. / П.М. Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.125-129.
8. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и численность наблюдений. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.142-147.
9. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и планирование эксперимента. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.148-151.
10. Мазуркин П.М. Биотехнический закон, эвроритм и алгоритм поиска параметров. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.88-92.
11. Мазуркин П.М. Биотехнический принцип и устойчивые законы распределения. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.93-96.
12. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и адекватность готовой модели. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.130-136.
13. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и подготовка исходных данных / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.137-141.
14. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и виды факторных связей. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.152-156.
15. Мазуркин П.М. Биотехнический закон и примеры из техники и эконометрики. / П.М.Мазуркин // Успехи современного естествознания. - 2009. - №9. - С.97-102.
Поэтому после идентификации волновых составляющих (фиг.2) с коэффициентом корреляции 0,9998 была получена трехчленная формула готовой статистической модели
t=tmp+t1+t2,
tmp=52,45464τt 0,56661exp(-0,00044335τt 1,42423),
t1=A1cos(πτt/р1-4,48522),
t2=A2cos(πτt/р2-3,18539),
А1=19,75273τt 0,31756exp(-0,15384τt 0,34542),
р1=48,05821+0,81443τt 0,61161,
А2=1,07636·10-11τt 7,90452exp(-0,031059τt 1,14918),
p2=13,47690,
где t - переменная (фиг.2) температура сгорания образца древесного топлива, имеющая нулевое значение в момент введения держателя с образцом в камеру прибора ОТМ за время не более 5 с и измеряемая до завершения самостоятельного горения образца без учета момента выключения газовой горелки, °С;
tmp - тренд или тенденция, то есть первая и основная составляющая биотехнической закономерности динамики температуры сгорания образца, соответствующая биотехническому закону проф. П.М.Мазуркина, °С;
t1 - энергетическое возбуждение горючих материалов образца древесного топлива, то есть вторая составляющая закономерности динамики температуры горения образца, причем это энергтическое колебательное возбуждение возникает из-за активности химических веществ древесного топлива при самостоятельном горении образца, °С;
t2 - второе энергетическое возбуждение, то есть третья составляющая готовой общей биотехнической закономерности динамики температуры сгорания образца, возникающее при выключении газовой горелки в момент достижения максимальной температуры горения летучих веществ образца, °С;
τt - переменное время сгорания образца, вначале летучих веществ после нагрева и воспламенения, затем совместно летучих и твердых горючих веществ образца, а в конце процесса сгорания самостоятельного горения образца, причем время сгорания начинается от ввода держателя с образцом древесного топлива в камеру прибора ОТМ до остывания сгоревших зольных остатков от образца и одновременно прибора ОТМ, а значения времени и температуры сгорания учитываются по результатам дискретных или непрерывных на самопишущем устройстве измерений, с;
А1, А2 - половины амплитуд у колебательных возмущений температуры сгорания образца в обеих волновых составляющих модели, °С;
р1, р2 - половины периодов у колебательных возмущений температуры сгорания образца в волновых составляющих модели, с.
Обратная зависимость на фиг.3 выражается графиком гистерезиса температуры сгорания. Идентификация таких исходных данных представляет определенные математические трудности.
| Таблица 2 | ||
| Температура горения сосновых опилок | ||
| Древесное топливо | Температура горения t, °C | Время испытания τt, с. |
| Опилки | 200 | 30 |
| Сосна | 250 | 53 |
| Зола | 300 | 65 |
| 4,55 г | 350 | 75 |
| 400 | 90 | |
| 450 | 130 | |
| 500 | 185 | |
| 450 | 215 | |
| 400 | 265 | |
| 350 | 328 | |
| 300 | 332 | |
| 250 | 342 | |
| 200 | 365 |
Пример 2. Результаты измерений (фиг.4, 5 и 6), как исходные данные для статистического моделирования, приведены в табл.2.
После обработки табличных данных были получены для образца из сосновых опилок нижеследующие статистические модели.
Прямое моделирование дало при коэффициенте корреляции на фиг.4, равном 0,9642, закономерность (фиг.4) тренда
t=5,10445τt 1,03344ехр(-0,00049889τt 1,42531).
Усложнение конструкции статистической модели (фиг.5) привело к двухчленной формуле с коэффициентом корреляции 0,99976, причем как частного случая из трехчленной модели типа
t=tmp+t1,
tmp=5,09798τ1,03078exp(-0,00042853τt 1,44777),
t1=A1cos(πτt/р1-1,22199),
А1=-47346,29τt -2,26611exp(+0,039663τt 0,87824),
р1=37,73635-0,0091082τt 0,79426.
Обратная зависимость на фиг.6 выражается графиком гистерезиса температуры сгорания. При этом заметна островершинная часть распределения экспериментальных точек.
| Таблица 3 | ||
| Температура горения сосновых опилок | ||
| Древесное топливо | Температура горения t, °C | Время испытания τt, с |
| Гранулы | 200 | 44 |
| Зола | 250 | 100 |
| 4,40 г | 300 | 157 |
| 350 | 215 | |
| 400 | 245 | |
| 450 | 276 | |
| 500 | 330 | |
| 450 | 360 | |
| 400 | 363 | |
| 350 | 370 | |
| 300 | 385 | |
| 250 | 415 | |
| 200 | 475 | |
| 150 | 555 | |
| 100 | 780 |
Пример 3. Образец из топливных гранул (фиг.7, 8 и 9) дал следующие характеристики динамики процесса сгорания (табл.3) органического материала образца.
Прямое моделирование дало с высокой адекватностью при коэффициенте корреляции 0,8657 на фиг.7 (при значении коэффициента корреляции 0,7 найденная закономерность считается имеющей сильную связь) закономерность тенденции (тренда) вида
t=1,39276τt 1,16418ехр(-0,00011462τt 1,58369).
Как и для образца из опилок березы, после моделирования с коэффициентом 0,9937 для образца из топливных гранул получилась (фиг.8) трехчленная модель вида
t=tmp+t1+t2,
tmp=1,45309τt 1,16950exp(-9,38459·10-5τt 1,62973),
t1=A1cos(πτt/р1-0,24276),
t2=A2cos(πτt/р2-0,79737),
А1=-47,13066τt -0,19764exp(-0,0011002τt 1,07417),
р1=174,28153-0,050815τt 1,00629,
А2=0,51543τt 0,72561, p2=79,21857-0,36605τt 0,40741.
Обратная зависимость на фиг.9 выражается графиком гистерезиса температуры сгорания. При этом весьма заметна резко выделяющаяся островершинная часть распределения экспериментальных точек, что указывает на высокое значение максимальной температуры горения образцов, изготовленных из топливных гранул. Одновременно этот факт указывает на недостатки достижения в опытах максимума 500°С, а также то, что нужен прибор типа ОТМ с пределом температуры горения выше 1100°С.
Сравнение трех образцов древесного топлива. В табл.4 приведено сравнение трех образцов различных типов по различным показателям, полученным после расчетов в программной среде Excel с использованием полученных после статистического моделирования трех биотехнических закономерностей.
При этом известно, что древесина, даже в мертвом состоянии клеточных структур, чувствительно реагирует на малые изменения погоды, времени суток и других влияний, в том числе реагирует и на антропогенные влияния.
Последовательным сравнением экспериментами можно добиться различного уровня (высокого для топлива и низкого для природных ландшафтов и лесов) времени самостоятельного горения при высокой или низкой воспламеняемости, то есть пожарной опасности по процессу горения, путем смешивания опилок с различными добавками или пропитки древесных изделий различными негорючими веществами.
| Таблица 4 | |||||
| Сравнение образцов из древесных опилок | |||||
| Наименование показателя воспламеняемости и горения | Обозначение | Единица измер. | Тип образца из опилок | ||
| березовые | сосновые | гранулы | |||
| Измеренная на приборе ОТМ максимальная температура |
|
°C | 500 | 500 | 500 |
| Регистрированная на приборе продолжительность остывания |
|
с | 165 | 180 | 450 |
| Минимальная граница остывания образца | tτос min | °C | 200 | 200 | 100 |
| Полупериод первого колебания температуры сгорания | p1 | с | 48,1 | 37,7 | 174,3 |
| Полупериод второго колебания температуры сгорания | p2 | с | 13,5 | - | 79,2 |
Как видно из данных табл.4, при одинаковом максимальном значении температуры горения у летучих веществ древесного топлива отключалась газовая горелка прибора ОТМ. Наименьший период первого колебания времени горения наблюдается у сосновых опилок, что характеризует влияние процесса самостоятельного горения образца. При этом максимальные значения периода возмущения наблюдаются у топливных гранул.
По второму колебанию, показывающему микроскопическое колебательное возмущение температуры горения от выключения газовой горелки, почти незаметный период волны наблюдается у образца из сосновых опилок. Для образца из березовых опилок этот полупериод равен 13,5 с, тогда получается, что нужно измерения проводить в зависимости от времени сгорания образца, причем регистрацию необходимо проводить не реже чем через 5-10 с, лучше всего придерживаться условия ввода образца в камеру не более пяти секунд. Тогда будет соблюдаться наибольшая точность измерений температуры в зависимости от шкалы времени.
Шкалу времени можно принять переменной, когда в момент ввода держателя с образцом в камеру интервалы времени будут не более 5 с, аналогично частые измерения нужно проводить до и после выключения газовой горелки. А в промежутках между началом испытания и выключением горелки, а также после выключения горелки и остывания образца можно принять интервалы, например, через 10 с. При этом длина интервала времени не имеет принципиального значения, то есть точки наблюдений могут иметь различные значения времени с неравными интервалами. В итоге многократно повышается точность измерений.
Предлагаемый способ прост в реализации в лабораторных условиях с использованием прибора ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89 и позволяет узнать о поведении древесного топлива в топках котельных по образцам и лесных горючих материалов в пожароопасный период года по пробам на основе измерений температуры сгорания во времени испытания от начала воспламенения до окончания самостоятельного горения.
1. Способ испытания древесных материалов по температуре сгорания, включающий использование установки для определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов (ОТМ), измерения в дискретном режиме или с использованием самопищущих полуавтоматических устройств температуры сгорания образцов топлива, причем испытание проводят до максимальной температуры воспламенения и горения летучих веществ образца с измерением продолжительности достижения максимальной температуры, после чего горелку выключают, образец выдерживают в камере до полного остывания до комнатной температуры, затем образец извлекают из камеры и взвешивают, отличающийся тем, что измерения температуры сгорания проводят по отношению к времени сгорания образца от ввода образца в камеру прибора типа ОТМ до образования зольных веществ, причем после достижения максимальной температуры продолжают дискретные или непрерывные измерения времени сгорания и соответствующей температуры самостоятельного горения до завершения горения и последующего остывания золы от образца, а после окончания испытания результаты дискретных или непрерывных измерений температуры сгорания относительно шкалы времени подвергают статистическому моделированию с выявлением тренда и дополнительных к нему волновых закономерностей изменения температуры сгорания в зависимости от времени сгорания.
2. Способ испытания древесных материалов по температуре сгорания по п.1, отличающийся тем, что для повышения точности готовых статистических закономерностей время регистрируют с интервалами не более 5-10 с, включая время от начала ввода держателя с образцом в камеру сгорания прибора типа ОТМ, а измерения завершают после полного остывания образца и камеры сгорания прибора.
3. Способ испытания древесных материалов по температуре сгорания по п.2, отличающийся тем, что шкалу времени принимают неравномерной, когда в момент ввода держателя с образцом в камеру интервалы времени принимают не более 5 с, аналогично такие же частые измерения проводят до и после выключения газовой горелки, а в промежутках между началом испытания и выключением горелки, а также после выключения горелки и остывания золы образца принимают интервалы времени, например, через 10 с.
4. Способ испытания древесных материалов по температуре сгорания по п.1, отличающийся тем, что для повышения точности измерения максимальной температуры сгорания и максимального приращения температуры горения летучих веществ совместно с компонентами твердого вещества образца, в частности у образцов, изготовленных из древесных топливных гранул и брикетов, предел максимальной температуры горения в приборе типа ОТМ доводят до уровня не менее 1100°С.
5. Способ испытания древесных материалов по температуре сгорания по п.1, отличающийся тем, что результаты измерений времени и температуры сгорания образца из древесного топлива подвергают статистическому моделированию для выявления биотехнических закономерностей динамики температуры сгорания в зависимости от времени сгорания образца до образования золы по формуле
t=tmp+t1+t2,
tmp=α1τt α2exp(-α3τt α4),
t1=A1cos(πτ1/p1±α12),
t2=A2cos(πτt/p2±α20),
A1=±α5τt α6, exp(-α7τt α8),
p1=α9±α10τα11,
A2=±α13τt αl4exp(-α15τt α16),
p1=α17±α18τt α19,
где t - переменная температура сгорания образца древесного топлива, имеющая нулевое значение в момент введения держателя с образцом в камеру прибора ОТМ за время не более 5 с и измеряемая до завершения самостоятельного горения образца, причем без учета момента выключения газовой горелки, °С;
tmp - тренд или тенденция, то есть первая и основная составляющая биотехнической закономерности динамики температуры сгорания образца по биотехническому закону проф. П.М.Мазуркина, °С;
t1 - энергетическое возбуждение горючих материалов образца древесного топлива, то есть вторая составляющая закономерности динамики температуры горения образца, причем это энергетическое колебательное возбуждение возникает из-за активности химических веществ древесного топлива при самостоятельном горении образца, °С;
t2 - второе энергетическое возбуждение, то есть третья составляющая готовой общей биотехнической закономерности динамики температуры сгорания образца, возникающее из-за выключения газовой горелки в момент достижения максимальной температуры горения летучих веществ образца, °С;
τt - переменное время сгорания образца, вначале летучих веществ после нагрева образца и его воспламенения, затем совместно летучих и твердых горючих веществ образца, а в конце процесса самостоятельного горения образца, причем время сгорания начинается от ввода держателя с образцом древесного топлива в камеру прибора ОТМ до остывания сгоревших зольных остатков от образца и одновременно прибора ОТМ, а значения времени и температуры сгорания учитываются по результатам дискретных или непрерывных на самопишущем устройстве измерений, с;
А1, А2 - половины амплитуд колебательных возмущений температуры сгорания образца в обеих волновых составляющих модели, °С;
p1, р2 - половины периодов колебательных возмущений температуры сгорания образца в волновых составляющих модели, с;
α1…α20 - параметры готовой статистической модели, причем готовность модели по числу волновых составляющих определяется остатками после вычитания из фактически измеренных значений температуры горения соответствующих расчетных по модели значений температуры сгорания образца, при этом:
α5, α13 - энергетические пороги активации горения материала образца соответственно перед самостоятельным горением образца и перед волновым возмущением от выключения газовой горелки;
α9, α17 - полупериоды колебательного возмущения энергетики древесного топлива до сжигания древесного топлива, с;
α12, α20 - сдвиги начал у обеих систем координат волновых возмущений температуры сгорания, начиная от ввода держателя с образцом древесного топлива в камеру сгорания прибора ОТМ, с.
6. Способ испытания древесных материалов по температуре сгорания по п.4, отличающийся тем, что результаты измерений времени и температуры сгорания образца подвергают статистическому моделированию для выявления закономерностей динамики температуры в зависимости от времени с дополнительными волновыми составляющими до того момента, когда остатки после общей биотехнической закономерности будут не более погрешности измерений температуры на приборе ОТМ.
