Способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость



Способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость
Способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость
Способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость
Способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость
Способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость
Способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость

 


Владельцы патента RU 2416793:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Марийский государственный технический университет (RU)

Изобретение относится к профилактике лесных пожаров и пожаров на складах древесины и древесных материалов. Технический результат - повышение точности испытаний проб лесных горючих материалов и расширение функциональных возможностей при определении группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов на приборе ОТМ для экспериментального определения воспламенения горючих твердых веществ и материалов применительно к лесным горючим материалам, в том числе на пробах из куч опилок и из лесной подстилки вместе с почвой. Подготовку серии образцов выполняют из одной пробы лесных горючих материалов, взятой в лесу до проведения испытаний, причем пробу лесного горючего материала во время взятия помещают в герметичную емкость для максимального снижения потерь из нее влаги, до испытаний пробу хранят в этой же герметичной емкости при температуре, приближенной к температуре в лесу в момент взятия пробы, перед испытанием каждый образец изготовляют из пробы лесного горючего материала в температурных условиях хранения пробы, после испытаний всех образцов одной серии из одной пробы лесных горючих материалов результаты измерений времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированию для выявления закономерностей динамики дважды, вначале в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от времени воспламенения, а затем в виде обратной математической функции изменения времени воспламенения в зависимости от температуры горения материала образца. 10 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к профилактике лесных пожаров и пожаров на складах древесины и древесных материалов испытаниями в лабораторных условиях проб лесных горючих материалов, прежде всего проб из куч опилок и пожароопасных материалов из лесной подстилки, с использованием установки для определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов ("ОТМ")1 (1 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. - 10.09.2010 г.) по ГОСТ 12.1.044-89. Изобретение также может быть использовано для рационализации пользования древесными ресурсами и отходами от переработки древесного сырья.

Известен способ испытания на воспламеняемость (способность веществ и материалов к воспламенению) строительных материалов по ГОСТ 30402-96, включающий измерение времени воспламенения, то есть времени от начала испытания до возникновения устойчивого пламенного горения, причем по п.6.1 этого стандарта для испытаний изготавливают 15 образцов, имеющих форму квадрата, со стороной 165 мм и отклонением минус 5 мм, толщина образцов должна составлять не более 70 мм, испытания проводят на трех образцах, а по п.6.2 стандарта при изготовлении образцов экспонируемая поверхность не должна подвергаться обработке, кроме того, при наличии на экспонируемой поверхности гофров, рельефа, тиснения и т.п. размер выступов (впадин) должен составлять не более 5 мм, причем при несоответствии экспонируемой поверхности указанным требованиям допускается для проведения испытаний изготавливать образцы из материала с плоской поверхностью, т.е. без гофров, рельефа, тиснения и т.п. Затем по п.9.1 стандарта образец для испытания оборачивают листом алюминиевой фольги (номинальная толщина 0,2 мм), в центре которого вырезано отверстие диаметром 140 мм, при этом центр отверстия в фольге должен совпадать с центром экспонируемой поверхности образца. Испытания проводят в соответствии с аналогом действиями по п.п.9.2 - 9.7, а по п.9.13 для каждого испытанного образца фиксируют время воспламенения и следующие дополнительные наблюдения: время и место воспламенения; процесс разрушения образца под действием теплового излучения и пламени; плавление, вспучивание, расслоение, растрескивание, набухание либо усадка, причем по п.9.16 для материалов, образующих значительное количество дыма или продуктов разложения (что характерно для лесной подстилки и лесных горючих материалов), гасящих пламя подвижной горелки и исключающих возможность повторного ее зажигания с помощью вспомогательной горелки, результат фиксируют в протоколе испытания с указанием отсутствия воспламенения вследствие систематического гашения пламени подвижной горелки продуктами разложения.

Недостатками этого способа являются сложность использования лучистого теплового потока, воздействующего на единицу поверхности образца, при необходимости дискретного регулирования поверхностной плотности теплового потока. Кроме того, недостатком является необходимость по п.6.7 стандарта по ГОСТ 30402-96 то, что перед испытанием образцы кондиционируют до достижения постоянной массы при температуре 23±2°С и относительной влажности 50±5%. Постоянство массы считают достигнутым, если при двух последовательных взвешиваниях с интервалом в 24 ч отличие в массе образцов составляет не более 0,1% от исходной массы образца.

Из-за указанных недостатков пробы лесного горючего материала, в виде лесной подстилки, сухой листвы, высушенных сучьев и отходов от лесосечных и лесохозяйственных работ и другие, могут быть испытаны по способу-аналогу.

Известен также способ испытания проб горючих материалов по ГОСТ 12.1.044-89 на температуру воспламенения при реализации в диапазоне температур от 25 до 600°С (разделы 2.3 и 4.7) на приборе ОТП, представляющем собой вертикальную электропечь с двумя коаксиально расположенными цилиндрами, выполненными из кварцевого стекла, включающем размещение образца исследуемого вещества (материала) в контейнер диаметром (45±1) мм, высотой (18,0-0,4) мм, выполненный из стальной сетки или стального листа толщиной не более 0,5 мм. Контейнер устанавливают в кольцо держателя диаметром (49,0±0,6) мм. Держатель представляет собой металлическую трубку из жаростойкой стали с приваренным в нижней части кольцом для размещения контейнера.

Для испытаний готовят 10-15 образцов исследуемого вещества (материала) массой по (3,0±0,1) г. Образцы ячеистых материалов должны иметь цилиндрическую форму диаметром (45±1) мм. Пленочные и листовые материалы набирают в стопку диаметром (45±1) мм, накладывая слои друг на друга до достижения указанной массы.

Затем нагревают реакционную камеру до температуры начала разложения исследуемого вещества (материала) или до 300°С, регулируя подачу газа и воздуха в горелку, формируют пламя газовой горелки в виде клина длиной (10±2) мм. Извлекают из камеры держатель с контейнером. В контейнер помещают образец за время не более 15 с и вводят его в реакционную камеру. Электропривод газовой горелки включают в заданный режим работы. Периодичность подвода газовой горелки к образцу на расстояние (10±1) мм от его поверхности должна составлять (10±2) с. Наблюдают за образцом в рабочей камере с помощью зеркала.

Если при температуре испытания образец воспламенится, то испытание прекращают, горелку останавливают в положении "вне печи", контейнер с образцом извлекают из камеры. Отмечают в протоколе температуру воспламенения и следующее испытание проводят с новым образцом при меньшей температуре (например, на 50°С меньше).

Если в течение 20 мин образец не воспламенится или ранее этого времени полностью прекратится дымовыделение, то испытание прекращают и в протоколе отмечают отказ.

За температуру испытания принимают показания термоэлектрического преобразователя, измеряющего температуру образца.

Методом последовательных приближений, используя новые образцы и изменяя температуру испытания, определяют минимальную температуру образца, при которой за время выдержки в печи не более 20 мин образец воспламенится и будет гореть более 5 с после удаления горелки, а при температуре на 10°С меньше воспламенение отсутствует.

За температуру воспламенения исследуемого вещества (материала) принимают среднее арифметическое двух температур, отличающихся не более чем на 10°С, при одной из которых наблюдается воспламенение 3 образцов, а при другой - три отказа. Полученное значение температуры округляют с точностью до 5°С.

Сходимость метода при доверительной вероятности 95% не должна превышать 7°С. Воспроизводимость метода при доверительной вероятности 95% не должна превышать 20°С. Условия и результаты испытаний регистрируют в протоколе, форма которого приведена в приложении 1.

Недостатком является то, что перед испытанием образцы кондиционируют в соответствии с требованиями ГОСТ 12423 или технических условий на материал. Образцы должны характеризовать средние свойства исследуемого вещества (материала). Это не позволяет определить фактическую воспламеняемость лесного горючего твердого материала и тем самым не могут быть изучены влияния различных метеорологических и антропогенных факторов на пожарную опасность в лесу.

Недостатком прототипа является также то, что прибор ОТП специфичен, мало применяется в лабораториях испытаний на пожарную опасность веществ и материалов и в строительных организациях. Наиболее распространены в строительстве испытания веществ и материалов для определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов по разделу 4.3 в государственном стандарте ГОСТ 12.1.044-89.

Поэтому за основной прототип принимается способ испытания горючести лесных 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.

По выбранному основному 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) см3 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.

Максимальное приращение температуры Δtmax вычисляют по формуле

где tmax - максимальная температура газообразных продуктов горения исследуемого материала, °С;

t0 - начальная температура испытания, равная 200°С.

Потерю массы образца Δm в процентах вычисляют по формуле

где mн - масса образца до испытания, г;

mк - масса образца после испытания, г.

По значению максимального приращения температуры Δtmax и потере массы Δm материалы классифицируют:

трудногорючие - Δtmax<60°С и Δm<60%;

горючие - Δtmax≥60°С или Δm≥60%.

Горючие материалы подразделяют в зависимости от времени τ достижения tmax на:

трудновоспламеняемые τ>4 мин;

средней воспламеняемости - 0,5≤τ≤4,0 мин;

легковоспламеняемые - τ<0,5 мин.

Если по результатам испытаний трех образцов в одном из них будет превышено любое из классификационных значений в устанавливаемой группе горючести, то проводят дополнительные испытания на трех образцах. Если в дополнительных испытаниях будет превышено одно из классификационных значений, то материал относят к ближайшей (более опасной) по горючести группе.

Условия и результаты испытаний регистрируют в протоколе.

Недостатками основного прототипа являются:

а) подготовленные образцы выдерживают в вентилируемом сушильном шкафу при температуре (60±5)°С не менее 20 ч; затем охлаждают до температуры окружающей среды, не вынимая их из шкафа; допускается кондиционирование образцов в соответствии с требованиями технических условий на материал;

б) высокая погрешность взвешивания, когда после кондиционирования образцы взвешивают с погрешностью не более ±0,1 г.

Для сопоставления с факторами окружающей лесной среды требуется повысить точность взвешивания проб с погрешностью не более ±0,01 г.

Положительным для лесных горючих материалов является то, что сыпучие вещества взвешивают вместе с корзиночками, а плавящиеся - с мешочками. Образцы одного материала (вещества) не должны отличаться по массе более чем на 2%.

Технический результат - повышение точности испытаний проб лесных горючих материалов и расширение функциональных возможностей метода экспериментального определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов по разделу 4.3 ГОСТ 12.1.044-89 на приборе ОТМ для экспериментального определения воспламенения горючих твердых веществ и материалов применительно к лесным горючим материалам, в том числе на пробах из лесной подстилки вместе с почвой.

Этот технический результат достигается тем, что способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость по времени воспламенения с использованием прибора ОТМ по разделу 4.3 ГОСТ 12.1.044-89 для экспериментального определения группы горючих твердых веществ и материалов, включающий подготовку образцов, проведение испытания образца по одному из двух условий испытания на воспламеняемость: 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 до комнатной температуры, а остывший образец извлекают из камеры и взвешивают; если при испытании максимальная температура превысила 260°С, то продолжительность испытания определяют временем 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 подготовку серии образцов выполняют из одной пробы лесных горючих материалов, взятой в лесу до проведения испытаний, причем пробу лесного горючего материала во время их взятия помещают в герметичную емкость для максимального снижения потерь из нее влаги, до испытаний пробу хранят в этой же герметичной емкости при температуре, приближенной к температуре в лесу в момент взятия пробы, перед испытанием каждый образец изготовляют из пробы лесного горючего материала в температурных условиях хранения пробы, после испытаний всех образцов одной серии из одной пробы лесных горючих материалов результаты измерений времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделирования для выявления закономерностей динамики дважды, вначале в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от времени воспламенения, а затем в виде обратной математической функции изменения времени воспламенения в зависимости от температуры горения материала образца.

Для определения уровня пожарной опасности в лесу подготовку серии образцов выполняют из одной пробы, взятой из лесной подстилки на засушливых местах без разрыхления пробы, например вырезанием куска из лесной подстилки размерами 20×20 см. Для испытания из одной пробы лесных горючих материалов готовят три корзиночки прямоугольной формы длиной (60±1) мм, шириной (10±1) мм, высотой (150±3) мм, в которые помещают (90±1) см3 лесной горючий материал без уплотнения, причем образцы берут из середины куска лесной подстилки.

Для определения уровня пожарной опасности в различных местах на складе сыпучих древесных материалов, например кучи опилок после распиловки бревен, подготовку серии образцов выполняют из одной пробы, взятой из одной точки в куче опила с регистрацией на карте-схеме места и времени взятия пробы. А для испытания из одной пробы древесных опилок готовят три корзиночки прямоугольной формы длиной (60±1) мм, шириной (10±1) мм, высотой (150±3) мм, в которые помещают (90±1) см3 древесный опил с встряхиванием корзины, причем образцы берут из пробы после ее перемешивания без уплотнения.

Расход газа в приборе ОТМ регулируют так, чтобы контролируемая в течение трех минут температура газообразных продуктов горения составляла (200±5)°С, за это время готовят из пробы лесных горючих материалов образцы, каждый из готовых образцов заносят из места хранения пробы за 30 с до начала испытания, причем держатель с образцом вводят в камеру за время не более 5 с и испытывают в течение (300±2) секунд или до достижения максимальной температуры отходящих газообразных продуктов горения лесного горючего материала, при этом регистрируют время ее достижения дискретно по мере равномерного или неравномерного роста температуры горения или же по мере равномерного или неравномерного отсчета времени регистрируют рост температуры горения материала.

Результаты дискретной или непрерывной, с помощью самописца, регистрации времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированию в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от переменного времени воспламенения по формуле:

где tτ - переменная во времени воспламенения 0≤τt≤τ температура, достигающая в экспериментах от начальной температуры через период τ до максимального уровня tmax, °С;

tmax - максимальная температура газообразных продуктов горения исследуемого материала, °С;

Δtmax - максимальное приращение температуры горения, °С;

τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ на приборе ОТМ, с;

a1 - параметр модели, показывающий активность наращивания температуры при горении материала и получающий конкретное значение для данных условий взятия пробы и свойств материала образца;

а2 - параметр модели, характеризующий интенсивность роста температуры горения и получающий конкретное числовое значение в зависимости от свойств воспламеняемости материала.

Максимальное приращение температуры Δtmax воспламенения вычисляют по формуле

Δtmax=tmax-tв0,

где tв0 - начальная температура воспламенения материала, которая образуется при начальной температуре в камере испытания, равной 200°С, которая вначале снижается из-за потерь тепла на энергию активации горения в начале процесса воспламенения материала;

причем начальную температуру воспламенения определяют из формулы биотехнической закономерности

где tmax - максимальная температура газообразных продуктов горения исследуемого материала, °С;

tв0 - начальная температура воспламенения материала;

τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ на приборе ОТМ, с;

а1 - параметр модели, показывающий активность наращивания температуры при горении материала и получающий конкретное значение для данных условий взятия пробы и свойств материала образца;

а2 - параметр модели, характеризующий интенсивность роста температуры горения и получающий конкретное числовое значение в зависимости от свойств воспламеняемости материала.

При условии τt=0, тогда tτ=tв0=200±5°С.

Поэтому начальную температуру воспламенения tв0 вычисляют с использованием готовой статистической закономерности по математическому выражению

tв0=tmax - Δtmax.

Тогда разница ta в виде формулы

ta=t0-tв0,

где tа - температура энергии активации воспламенения материала, °С;

t0 - начальная температура испытания, равная 200°С;

tв0 - начальная температура воспламенения материала, °С,

и будет характеризовать энергию активации процесса воспламенения.

При этом лесные горючие материалы подразделяют на отдельные группы пожарной опасности в зависимости от температуры активации воспламенения, то есть по энергии активации у химических веществ испытуемого лесного горючего материала.

Результаты дискретной или непрерывной, с помощью самописца, регистрации измерений времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированию в виде обратной математической функции изменения времени воспламенения от температуры горения материала образца по формуле:

τtt1t2,

где τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ на приборе ОТМ, с;

τt1 - первая составляющая общей биотехнической закономерности по закону экспоненциального роста значений переменной у времени горения с ростом температуры, причем из-за уменьшения массы горючего материала с начального ее значения, с;

τ0t1 - начальное исходное время для начала воспламенения горючих веществ, то есть для создания энергии активации у химических веществ испытуемого материала, с;

τt2 - вторая составляющая общей биотехнической закономерности по биотехническому закону проф. П.М.Мазуркина, показывающему стрессовое возбуждение органического материала и его химических веществ в пределах интервала наилучших значений температур горения, с;

tτ - переменная во времени воспламенения 0≤τt≤τ температура, достигающая в экспериментах от начальной температуры через период τ до максимального уровня tmax, °С;

b1…b6 - параметры модели, которые определяются после моделирования по экспериментальным данным, при этом каждый параметр имеет содержательный смысл;

b1 - параметр экспоненциального закона роста, показывающий активность изменения времени воспламенения в зависимости от изменения температуры горения материала и получающий конкретные числовые значения для данных условий испытания;

b2 - параметр первой составляющей модели, характеризующий интенсивность роста времени воспламенения при изменении температуры горения материала;

b3 - параметр активности изменения второй составляющей статистической модели;

b4 - параметр интенсивности роста времени воспламенения в зависимости от изменения температуры горения материала;

b5 - параметр экспоненциального закона гибели, показывающий активность торможения роста времени воспламенения при изменении температуры горения материала;

b6 - параметр экспоненциального закона гибели, показывающий интенсивность торможения роста времени воспламенения при изменении температуры горения материала.

При этом лесные горючие материалы подразделяют на отдельные группы пожарной опасности в зависимости от начального времени, необходимого для воспламенения горючих веществ, т.е. необходимого для создания энергии активации у химических веществ испытуемого материала.

Сущность изобретения заключается в том, что для испытания на воспламеняемость применяют прибор ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89 для экспериментального определения группы горючих твердых веществ и материалов. Как известно, метод по разделу 4.3 в ГОСТ 12.1.044-89 применяют для оценки горючести неметаллических материалов, содержащих в своем составе более 3% массы в виде органических веществ. Это позволяет испытывать лесную почву и лесную подстилку раздельно или совместно.

Сущность изобретения заключается также в том, что воспламенение - это начало пламенного горения под действием источника зажигания, при настоящем стандартном испытании воспламенение характеризуется устойчивым пламенным горением.

Устойчивое пламенное горение - это горение, продолжающееся до очередного воздействия на образец пламени от источника зажигания.

Таким образом, испытание на воспламенение проб из лесной подстилки без их кондиционирования, а наоборот, при сохранении почти без изменения исходной влажности у проб лесной подстилки, позволяет определить риск возгораемости лесных горючих материалов от огневого воздействия внешних источников зажигания в виде остатков костра, брошенного окурка или других причин возникновения лесного пожара.

Параметром воспламеняемости материала является время воспламенения. Поэтому выявлением статистической закономерности по экспериментальным точкам t (°C) и τ (с) динамики от начала пламенного горения, то есть начала повышения температуры от 200°С, до начала стабильного значения максимальной температуры tmax, можно рассчитать время воспламенения τв в секундах.

Сущность заключается и в том, что очевидно, по биотехнической закономерности типа τ=f(t) в интервале изменения температуры t0=200≤t≤tmax будет соблюдаться динамическое условие 0≤τ≤τв изменения времени воспламенения.

Тогда появляется практическая возможность количественной оценки пожарной опасности в лесу по результатам испытаний проб из лесной подстилки, как из наиболее опасной части лесной среды. В итоге по результатам экспериментов можно будет определять влияние метеорологических, антропогенных и иных природных и антропогенных факторов на показатель времени воспламенения τв, причем по результатам лабораторных испытаний на пробах из различных частей лесной среды как экосистемы.

Сущность заключается также и в том, что кроме показателя τв (время воспламенения) можно применять еще другой показатель - температура воспламенения tв.

Температура воспламенения - наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что при воздействии на них источника зажигания наблюдается воспламенение.

Воспламенение - пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления.

Значение температуры воспламенения следует применять при определении группы горючести вещества, оценке пожарной опасности оборудования и технологических процессов, связанных с переработкой горючих веществ, при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010.

Допускается использовать экспериментальные и расчетные значения температуры воспламенения. При этом на приборе ОТМ будет соблюдаться условие 200<tв<tmax. Сущность экспериментального метода определения температуры воспламенения заключается в нагревании определенной массы вещества с заданной скоростью, периодическом зажигании выделяющихся паров и установлении факта наличия или отсутствия воспламенения при фиксируемой температуре. Однако практическая применимость этого показателя потребует дополнительных исследований и поиска новых технических решений.

Положительный эффект заключается в том, что стандарт ГОСТ 12.1.044-89 распространяется на простые вещества, химические соединения и их смеси в различных агрегатных состояниях и комбинациях, в том числе полимерные и композитные материалы (далее - вещества и материалы), применяемые в отраслях народного хозяйства.

При этом древесина является природным композитным материалом, а пробы лесной подстилки будут содержать смеси из органических и неорганических материалов, поэтому функциональные возможности прототипа существенно расширяются.

Как известно, метод испытания на воспламенение по ГОСТ 12.1.044-89 позволяет испытывать твердые вещества и материалы - индивидуальные вещества и их смесевые композиции с температурой плавления или каплепадения больше 50°С, а также вещества, не имеющие температуру плавления (например, древесина, ткани и т.п.).

Предложенный способ дополняет ГОСТ 12.1.044-89 по учету пожаровзрывоопасности веществ и материалов новыми, существенными и практически значимыми признаками. В итоге расширяется совокупность свойств, характеризующих способность к возникновению и распространению горения. Следствием горения, в зависимости от его скорости и условий протекания, может быть пожар (диффузионное горение), что наиболее характерно при естественных загораниях и поджогах лесной подстилки и мест хранения лесных горючих 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 горения газообразных выделений из березовых опилок в зависимости от времени испытания на воспламеняемость, причем на этом графике и на всех последующих чертежах в правом верхнем углу показаны следующее условные обозначения: S - сумма квадратов отклонений остатков между фактическими и расчетными по выявленной математической модели значениями показателя, в данном случае температуры горения в градусах Цельсия; r - коэффициент корреляции выявленной закономерности по отношению к результатам испытания; на фиг.2 показан график динамики времени воспламенения в зависимости от изменения температуры горения этого же березового образца по фиг.1; на фиг.3 - то же, что и на фиг.1, для сосновых опилок; на фиг.4 - то же, что и на фиг.2, для образца из сосновых опилок по фиг.3; на фиг.5 - то же, что и на фиг.1, для топливных гранул из древесины; на фиг.6 - то же, что и на фиг.2, для образца из топливных гранул по фиг.5.

Способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость включает следующие действия.

Подготовку серии образцов выполняют из одной пробы лесных горючих материалов, взятой в лесу до проведения испытаний. Причем пробу лесного горючего материала во время их взятия помещают в герметичную емкость для максимального снижения потерь из нее влаги. До испытаний пробу хранят в этой же герметичной емкости при температуре, приближенной к температуре в лесу в момент взятия пробы.

Перед испытанием каждый образец изготовляют из пробы лесного горючего материала в температурных условиях хранения пробы. После испытаний всех образцов одной серии из одной пробы лесных горючих материалов результаты измерений времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированию для выявления закономерностей динамики дважды. Вначале моделирование выполняют в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от времени воспламенения. А затем выделяют модель в виде обратной математической функции изменения времени воспламенения в зависимости от температуры горения материала образца.

Для определения уровня пожарной опасности в лесу подготовку серии образцов выполняют из одной пробы, взятой из лесной подстилки на засушливых местах без разрыхления пробы, например вырезанием куска из лесной подстилки размерами 20×20 см. Для испытания из одной пробы лесных горючих материалов готовят три корзиночки прямоугольной формы длиной (60±1) мм, шириной (10±1) мм, высотой (150±3) мм, в которые помещают (90±1) см3 лесной горючий материал без уплотнения, причем образцы берут из середины куска лесной подстилки.

Для определения уровня пожарной опасности в различных местах на складе сыпучих древесных материалов, например кучи опилок после распиловки бревен, подготовку серии образцов выполняют из одной пробы, взятой из одной точки в куче опила с регистрацией на карте-схеме места и времени взятия пробы. А для испытания из одной пробы древесных опилок готовят три корзиночки прямоугольной формы длиной (60±1) мм, шириной (10±1) мм, высотой (150±3) мм, в которые помещают (90±1) см3 древесный опил с встряхиванием корзины, причем образцы берут из пробы после ее перемешивания без уплотнения.

Расход газа в приборе ОТМ регулируют так, чтобы контролируемая в течение трех минут температура газообразных продуктов горения составляла (200±5)°С, за это время готовят из пробы лесных горючих материалов образцы, каждый из готовых образцов заносят из места хранения пробы за 30 с до начала испытания, причем держатель с образцом вводят в камеру за время не более 5 с и испытывают в течение (300±2) секунд или до достижения максимальной температуры отходящих газообразных продуктов горения лесного горючего материала, при этом регистрируют время ее достижения дискретно по мере равномерного или неравномерного роста температуры горения или же по мере равномерного или неравномерного отсчета времени регистрируют рост температуры горения материала.

Результаты дискретной или непрерывной, с помощью самописца, регистрации времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированию в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от переменного времени воспламенения по формуле:

где tτ - переменная во времени воспламенения 0≤τt≤τ температура, достигающая в экспериментах от начальной температуры через период τ до максимального уровня tmax, °С;

tmax - максимальная температура газообразных продуктов горения исследуемого материала, °С;

Δtmax - максимальное приращение температуры горения, °С;

τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ на приборе ОТМ, с;

a1 - параметр модели, показывающий активность наращивания температуры при горении материала и получающий конкретное значение для данных условий взятия пробы и свойств материала образца;

а2 - параметр модели, характеризующий интенсивность роста температуры горения и получающий конкретное числовое значение в зависимости от свойств воспламеняемости материала.

Максимальное приращение температуры Δtmax воспламенения вычисляют по формуле

Δtmax=tmax - tв0,

где tв0 - начальная температура воспламенения материала, которая образуется при начальной температуре в камере испытания, равной 200°С, которая вначале снижается из-за потерь тепла на энергию активации горения в начале процесса воспламенения материала;

причем начальную температуру воспламенения определяют из формулы биотехнической закономерности

где tmax - максимальная температура газообразных продуктов горения исследуемого материала, °С;

tв0 - начальная температура воспламенения материала;

τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ на приборе ОТМ, с;

a1 - параметр модели, показывающий активность наращивания температуры при горении материала и получающий конкретное значение для данных условий взятия пробы и свойств материала образца;

а2 - параметр модели, характеризующий интенсивность роста температуры горения и получающий конкретное числовое значение в зависимости от свойств воспламеняемости материала.

При условии τt=0, тогда tτ=tв0=200±5°С.

Поэтому начальную температуру воспламенения tв0 вычисляют с использованием готовой статистической закономерности по математическому выражению

tв0=tmax - Δtmax.

Тогда разница ta в виде формулы

ta=t0-tв0,

где ta - температура энергии активации воспламенения материала, °С;

t0 - начальная температура испытания, равная 200°С;

tв0 - начальная температура воспламенения материала, °С,

и будет характеризовать энергию активации процесса воспламенения.

При этом лесные горючие материалы подразделяют на отдельные группы пожарной опасности в зависимости от температуры активации воспламенения, то есть по энергии активации у химических веществ испытуемого лесного горючего материала.

Результаты дискретной или непрерывной, с помощью самописца, регистрации измерений времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированию в виде обратной математической функции изменения времени воспламенения от температуры горения материала образца по формуле:

τtt1t2,

где τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ на приборе ОТМ, с;

τt1 - первая составляющая общей биотехнической закономерности по закону экспоненциального роста значений переменной у времени горения с ростом температуры, причем из-за уменьшения массы горючего материала с начального ее значения, с;

τ0t1 - начальное исходное время для начала воспламенения горючих веществ, то есть для создания энергии активации у химических веществ испытуемого материала, с;

τt2 - вторая составляющая общей биотехнической закономерности по биотехническому закону проф. П.М.Мазуркина, показывающему стрессовое возбуждение органического материала и его химических веществ в пределах интервала наилучших значений температур горения, с;

tτ - переменная во времени воспламенения 0≤τt≤τ температура, достигающая в экспериментах от начальной температуры через период τ до максимального уровня tmax, °С;

b1…b6 - параметры модели, которые определяются после моделирования по экспериментальным данным, при этом каждый параметр имеет содержательный смысл;

b1 - параметр экспоненциального закона роста, показывающий активность изменения времени воспламенения в зависимости от изменения температуры горения материала и получающий конкретные числовые значения для данных условий испытания;

b2 - параметр первой составляющей модели, характеризующий интенсивность роста времени воспламенения при изменении температуры горения материала;

b3 - параметр активности изменения второй составляющей статистической модели;

b4 - параметр интенсивности роста времени воспламенения в зависимости от изменения температуры горения материала;

b5 - параметр экспоненциального закона гибели, показывающий активность торможения роста времени воспламенения при изменении температуры горения материала;

b6 - параметр экспоненциального закона гибели, показывающий интенсивность торможения роста времени воспламенения при изменении температуры горения материала.

При этом лесные горючие материалы подразделяют на отдельные группы пожарной опасности в зависимости от начального времени, необходимого для воспламенения горючих веществ, т.е. необходимого для создания энергии активации у химических веществ испытуемого материала.

Способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость, например, в виде образцов из пробы, взятой из кучи древесного опила, реализуется следующим образом.

В лесу или на складе деревообрабатывающего предприятия из кучи опила, например, образующегося около лесопильного цеха, выбирают место для взятия пробы. Это место отмечают на карте-схеме и в журнале записывают дату и время взятия пробы. Пробы опила в объеме, достаточном для серии или нескольких серий образцов, помещают в герметичный сосуд и хранят в не отапливаемом помещении, например под навесом.

Перед испытанием каждый образец изготовляют из пробы опилок в температурных условиях хранения пробы, то есть под навесом.

После испытаний всех образцов одной серии из одной пробы лесных горючих материалов результаты измерений времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированию для выявления закономерностей динамики дважды. Вначале моделирование выполняют в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от времени воспламенения. А затем выделяют модель в виде обратной математической функции изменения времени воспламенения в зависимости от температуры горения материала образца.

Для определения уровня пожарной опасности в различных местах на куче опилок после распиловки бревен подготовку серии образцов выполняют из одной пробы. Образцы опилок готовят в три корзиночки прямоугольной формы длиной (60±1) мм, шириной (10±1) мм, высотой (150±3) мм, в которые помещают (90±1) см3 древесный опил с встряхиванием корзины, причем образцы берут из пробы без уплотнения.

Расход газа в приборе ОТМ регулируют так, чтобы контролируемая в течение трех минут температура газообразных продуктов горения составляла (200±5)°С, за это время готовят из пробы опилок образцы, каждый из готовых образцов заносят из места хранения пробы за 30 с до начала испытания, причем держатель с образцом вводят в камеру за время не более 5 с и испытывают в течение (300±2) секунд или до достижения максимальной температуры отходящих газообразных продуктов горения лесного горючего материала, при этом регистрируют время ее достижения дискретно по мере равномерного или неравномерного роста температуры горения или же по мере равномерного или неравномерного отсчета времени регистрируют рост температуры горения материала.

Результаты дискретной или непрерывной, с помощью самописца, регистрации времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированию в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от переменного времени воспламенения по формуле:

где tτ - переменная во времени воспламенения 0≤τt≤τ температура, достигающая в экспериментах от начальной температуры через период τ до максимального уровня tmax, °С;

tmax - максимальная температура газообразных продуктов горения исследуемого материала, °С;

Δtmax - максимальное приращение температуры горения, °С;

τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ на приборе ОТМ, с;

a1 - параметр модели, показывающий активность наращивания температуры при горении материала и получающий конкретное значение для данных условий взятия пробы и свойств опилок;

а2 - параметр модели, характеризующий интенсивность роста температуры горения и получающий конкретное числовое значение в зависимости от свойств воспламеняемости опилок.

Максимальное приращение температуры Δtmax воспламенения вычисляют по формуле

Δtmax=tmax - tв0,

где tв0 - начальная температура воспламенения материала, которая образуется при начальной температуре в камере испытания, равной 200°С, которая вначале снижается из-за потерь тепла на энергию активации горения в начале процесса воспламенения материала;

причем начальную температуру воспламенения определяют из формулы биотехнической закономерности

где tmax - максимальная температура газообразных продуктов горения исследуемого материала, °С;

tв0 - начальная температура воспламенения материала;

τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ на приборе ОТМ, с;

а1 - параметр модели, показывающий активность наращивания температуры при горении материала и получающий конкретное значение для данных условий взятия пробы и свойств материала образца;

а2 - параметр модели, характеризующий интенсивность роста температуры горения и получающий конкретное числовое значение в зависимости от свойств воспламеняемости материала.

При условии τt=0, тогда tτ=tв0=200±5°С.

Поэтому начальную температуру воспламенения tв0 вычисляют с использованием готовой статистической закономерности по математическому выражению

tв0=tmax - Δtmax.

Тогда разница ta в виде формулы

ta=t0 - tв0,

где ta - температура энергии активации воспламенения материала, °С;

t0 - начальная температура испытания, равная 200°С;

tв0 - начальная температура воспламенения материала, °С,

и будет характеризовать энергию активации процесса воспламенения.

Результаты дискретной или непрерывной, с помощью самописца, регистрации измерений времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированию в виде обратной математической функции изменения времени воспламенения от температуры горения материала образца по формуле:

τtt1t2,

где τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ на приборе ОТМ, с;

τt1 - первая составляющая общей биотехнической закономерности по закону экспоненциального роста значений переменной у времени горения с ростом температуры, причем из-за уменьшения массы горючего материала с начального ее значения, с;

τ0t1 - начальное исходное время для начала воспламенения горючих веществ, то есть для создания энергии активации у химических веществ испытуемого материала, с;

τt2 - вторая составляющая общей биотехнической закономерности по биотехническому закону проф. П.М.Мазуркина, показывающему стрессовое возбуждение органического материала и его химических веществ в пределах интервала наилучших значений температур горения, с;

tτ - переменная во времени воспламенения 0≤τt≤τ температура, достигающая в экспериментах от начальной температуры через период τ до максимального уровня tmax, °C;

b1…b6 - параметры модели, которые определяются после моделирования по экспериментальным данным, при этом каждый параметр имеет содержательный смысл;

b1 - параметр экспоненциального закона роста, показывающий активность изменения времени воспламенения в зависимости от изменения температуры горения материала и получающий конкретные числовые значения для данных условий испытания;

b2 - параметр первой составляющей модели, характеризующий интенсивность роста времени воспламенения при изменении температуры горения материала;

b3 - параметр активности изменения второй составляющей статистической модели;

b4 - параметр интенсивности роста времени воспламенения в зависимости от изменения температуры горения материала;

b5 - параметр экспоненциального закона гибели, показывающий активность торможения роста времени воспламенения при изменении температуры горения материала;

b6 - параметр экспоненциального закона гибели, показывающий интенсивность торможения роста времени воспламенения при изменении температуры горения материала.

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. Метод применяют для оценки горючести неметаллических материалов, содержащих в своем составе более 3% массы органических веществ.

Регистрирующий температуру прибор ОТМ имеет диапазон измерения температуры горения от 0 до 800°С при классе точности не ниже 0,5. Для измерения времени воспламенения и 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 положение образца 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.

Если же при испытании максимальная температура превысила 260°С, то продолжительность испытания определяется временем достижения максимальной температуры. Затем горелку выключают, образец извлекают из камеры и после остывания взвешивают.

Прибор ОТМ устанавливают в вытяжном шкафу, в свободном проеме которого скорость движения воздуха не более 1,5 м·с-1. Рабочее место оператора должно удовлетворять санитарно-гигиеническим требованиям по ГОСТ 12.1.005.

Далее приведены три примера испытания в летнее время образцов массой по 50 г, из которых 4.1 г составляет масса мешочка. Каждый образец получает индивидуальный характер, поэтому появляется возможность учета различных внешних метеорологических, технологических и иных влияющих переменных факторов.

Пример 1. Для образца из березовых опилок (фиг.1 и фиг.2) после структурно-параметрической идентификации получились следующие биотехнические закономерности.

Прямое моделирование позволило выявить закономерность с коэффициентом корреляции 0,9668 на фиг.1 к экспериментам в виде формулы

tτ=450,5149 - 281,1157 ехр(-0,00046088τt2,14906),

где tτ - переменная (фиг.1) во времени воспламенения 0≤τt≤τ температура, достигающая в экспериментах значения от начальной температуры через период τ до максимального уровня tmax, °С;

tmax - максимальная температура газообразных продуктов горения исследуемого материала, равная 450,52°С;

Δtmax - максимальное приращение температуры горения, равное на березовом образце 281,12°С;

τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ = 175 на приборе ОТМ, с;

a1=0,00046088 - параметр модели, показывающий активность наращивания температуры при горении материала и получающий конкретное значение для данных условий взятия пробы и свойств материала образца;

а2=2,14906 - параметр модели, характеризующий интенсивность роста температуры горения и получающий конкретное числовое значение в зависимости от свойств воспламеняемости материала.

Начальную температуру воспламенения tв0 вычисляют с использованием готовой статистической закономерности по выражению

tв0=tmax - Δtmax=450,52-281,12=169,4.

Тогда разница ta будет вычисляться по формуле

ta-=t0-tв0=200-169,4=30,6

и показывает энергию активации воспламенения березовых опилок.

Обратная зависимость была получена после исключения двух точек, показывающих энергетический всплеск в процессе горения в интервале температур 400-450°С. Как известно, при температуре 400-500°С может наблюдаться низкая скорость выхода летучих веществ, определяемая процессом разложения лигнина, происходящим в пределах всего температурного диапазона 200-500°С, но вызывающего наибольшие потери основной массы горючих веществ при более высоких температурах. В итоге с учетом двух точек образуется так называемая «энергетическая яма».

Без учета этой энергетической ямы была получена биотехническая закономерность в виде двухчленной формулы (показатель адекватности по коэффициенту корреляции равен 1,0000 на фиг.2)

τtt1t2t1=2,77697·10-5 ехр(0,26875tτ0,65304),

τt2=1,92364·10-10t5,03823 ехр(-0,0013465tτ1,35514),

где τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ = 175 на приборе ОТМ, с;

τt1 - первая составляющая общей биотехнической закономерности по закону экспоненциального роста значений переменной у времени горения с ростом температуры, причем из-за уменьшения массы горючего материала с начального ее значения, с;

τ0t1=2,77697·10-5 - начальное исходное время для начала воспламенения горючих веществ, то есть для создания энергии активации у химических веществ испытуемого материала в виде березовых опилок, с;

τt2 - вторая составляющая общей биотехнической закономерности по биотехническому закону проф. П.М.Мазуркина, показывающему стрессовое возбуждение органического материала и его химических веществ в пределах интервала наилучших значений температур горения, с;

tτ - переменная во времени воспламенения 0≤τt≤τ = 175 температура, достигающая в экспериментах значения от начальной температуры через период τ=175 с до максимального уровня tmax=450,52°С.

Пример 2. Воспламенение образца из сосновых опилок (фиг.3 и фиг.4) дало нижеследующие статистические модели.

Прямое моделирование дало при коэффициенте корреляции на фиг.3, равном 0,9941, закономерность вида

tτ=494,7672 - 338,7060 ехр(-0,00010041τt2,07667).

При этом были получены параметры воспламенения и горения: tmax=494,77°С; Δtmax=338,71°С; τt - переменное время воспламенения в пределах 0≤τt≤τ = 185 на приборе ОТМ, с; а1=0,00010041 - первый параметр; а2=2,07667 - второй параметр модели.

Начальная температура воспламенения будет равна

tв0=tmax - Δtmax=494,77-338,71=156,06.

Тогда разница ta будет вычисляться по формуле

ta=t0-tв0=200-156,1=43,9

и характеризует энергию активации воспламенения сосновых опилок.

Обратная зависимость с коэффициентом корреляции 1,0000 на фиг.4 получила двухчленную формулу

τtt1t2, τt1=0,19315 exp(0,23429tτ0,54347),

τt2=4,73783·10-23t11,20641 exp(-0,0027398tτ1,42150).

Переменное время воспламенения сосновых опилок изменяется в пределах изменения 0≤τt≤τ = 185 на приборе ОТМ. Начальное исходное

время для начала воспламенения горючих веществ, то есть для создания энергии активации у химических веществ испытуемого материала в виде сосновых опилок, равно τ0t1=0,19315 с.

Переменная во времени воспламенения температура достигает для сосновых опилок через период τ=185 с максимального уровня tmax=494,77°С.

Пример 3. Образец из топливных гранул (фиг.5 и фиг.6) дал следующие характеристики динамики процесса воспламенения.

Прямое моделирование дало с высокой адекватностью, при коэффициенте корреляции 0,9970 на фиг.5, закономерность вида

tτ=1195,7787 - 1008,7748 ехр(-0,000041603 τt1,57149).

Экспериментами были получены следующие параметры воспламенения и горения: tmax=1195,78°С; Δtmax=1008,77°С; τt - переменное время на приборе ОТМ воспламенения топливных гранул в пределах 0≤τt≤τ = 330 с; a1=0,000041603 - активность горения; а2=1,57149 - интенсивность воспламенения и горения топливных гранул.

Начальная температура воспламенения будет равна

tв0=tmax - Δtmax = 1195,78-1008,77=187,01.

Тогда разница ta будет вычисляться по формуле

ta=t0  - tв0 = 200-187,0=13,0

и характеризует энергию активации воспламенения топливных гранул.

Обратная зависимость на фиг.6 с коэффициентом корреляции 1,0000 получилась в виде двухчленной формулы

τtt1t2, τt1=0,0052452 ехр(0,11198tτ0,72814),

τt2=2,38031·10-13t6,56943 exp(-0,0017542tτ1,32558).

Переменное время воспламенения топливных гранул изменяется в пределах 0≤τt≤τ=330 на приборе ОТМ. Начало воспламенения горючих веществ, то есть время на создание энергии активации у химических веществ испытуемого материала в виде топливных брикетов, равно τ0t1=0,0052452 с.

Переменная во времени воспламенения температура достигает для древесных гранул через период τ=330 с максимального уровня tmax=1195,78°С.

Сравнение трех образцов по воспламеняемости. В следующей ниже табл.1 приведено сравнение трех образцов различных типов по показателям воспламенения и горения на приборе ОТМ.

При этом известно, что древесина чутко реагирует даже на малые изменения погоды, время суток и другие влияния, в том числе реагирует и на антропогенные влияния. Последовательным сравнением с предыдущими экспериментами можно добиться различного уровня (высокого для топлива и низкого для природных ландшафтов и лесов) пожарной опасности путем смешивания опилок с различными добавками.

Таблица 1.
Сравнение образцов из древесных опилок по воспламеняемости
Наименование показателя воспламеняемости и горения Обозначение Единица измер. Тип образца из опилок
березовые сосновые гранулы
Максимальная температура tmax °С 450,5 494,8 1195,8
Максимальное приращение температуры Δtmax °С 281.1 338,7 1008,8
Время достижения максимальной температуры τ с 175 185 330
Активность процесса горения а1 0,00046088 0,00010041 4,1603·10-5
Интенсивность процесса горения материала а2 2,14906 2,07667 1,57149
Начальная температура Воспламенения материала tв0 °С 169,4 156,1 187,0
Температура энергии активации воспламенения материала ta °С 30,6 43,9 13,0
Время до начала воспламенения материала τ0t1 с 2,7770·10-5 0,19315 0,0052452

Как и в древесиноведении, примем за эталон сосновую древесину. Тогда из данных табл.1 получим табл.2 с относительными показателями воспламеняемости образцов из различных лесных горючих материалов.

Из данных табл.2 видно, что наибольшей активностью процесса воспламенения и горения обладают березовые опилки. Кроме того, у березы выше и интенсивность, то есть скорость процесса горения. Но, по сравнению с сосной, у березовых опилок и топливных гранул выше начальная температура воспламенения, то есть сосна обладает повышенной пожарной опасностью при долговременном зажигании. Но, вместе с тем, энергия активации по температуре требуется меньше для гранул.

Наивысшей быстротой воспламенения по параметру τ0t1 обладают опилки березы. Топливные гранулы имеют в 272 раза большее время до начала воспламенения, а сосна даже в 10000 раз медленнее поджигается по сравнению с березовыми опилками.

Таблица 2.
Относительное сравнение образцов из опилок по воспламеняемости
Наименование показателя воспламеняемости и горения Обозначение Единица измер. Тип образца из опилок
березовые сосновые гранулы
Максимальная температура tmax °С 0,9105 1 2,4167
Максимальное приращение температуры Δtmax °С 0,8299 1 2,9784
Время достижения максимальной температуры τ с 0,9459 1 1,7838
Активность процесса горения a1 4,5900 1 0,4143
Интенсивность горения a2 1,0349 1 0,7580
Начальная температура воспламенения материала tв0 °С 1,0852 1 1,1980
Температура энергии активации воспламенения материала ta °С 0,6970 1 0,2961
Время до начала воспламенения материала τ0t1 с 0,0001 1 0,0272

Таким образом, комплекс из приведенных в таблицах восьми показателей воспламеняемости показывает неоднозначную картину сравнения. Это и позволит по предложенному техническому решению искать смеси твердых горючих материалов с заданными свойствами, в частности с низкой пожарной опасностью для сохранности лесной среды или, наоборот, с высокими горючими свойствами и быстрой воспламеняемостью лесного горючего материала для применения как топливо для нужд котельных.

Предлагаемый способ имеет высокую точность и одновременно прост в практической реализации в лабораторных условиях с использованием серийно выпускаемого прибора ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89. Он позволяет узнать о поведении лесных горючих материалов в пожароопасный период года, а также определять новые топливные смеси для энергетики.

1. Способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость по времени воспламенения с использованием прибора для экспериментального определения группы горючих твердых веществ и материалов, включающий подготовку образцов, проведение испытания образца по одному из двух условий испытания на воспламеняемость: 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 до комнатной температуры, а остывший образец извлекают из камеры и взвешивают, если при испытании максимальная температура превысила 260°С, то продолжительность испытания определяют временем 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 подготовку серии образцов выполняют из одной пробы лесных горючих материалов, взятой в лесу до проведения испытаний, причем пробу лесного горючего материала во время взятия помещают в герметичную емкость для максимального снижения потерь из нее влаги, до испытаний пробу хранят в этой же герметичной емкости при температуре, приближенной к температуре в лесу в момент взятия пробы, перед испытанием каждый образец изготовляют из пробы лесного горючего материала в температурных условиях хранения пробы, после испытаний всех образцов одной серии из одной пробы лесных горючих материалов результаты измерений времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированиию для выявления закономерностей динамики дважды, вначале в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от времени воспламенения, а затем в виде обратной математической функции изменения времени воспламенения в зависимости от температуры горения материала образца.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения уровня пожарной опасности в лесу подготовку серии образцов выполняют из одной пробы, взятой из лесной подстилки на засушливых местах без разрыхления пробы, например, вырезанием куска из лесной подстилки размерами 20×20 см.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для испытания из одной пробы лесных горючих материалов готовят три корзиночки прямоугольной формы длиной 60±1 мм, шириной 10±1 мм, высотой 150±3 мм, в которые помещают 90±1 см3 лесного горючего материала без уплотнения, причем образцы берут из середины куска лесной подстилки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения уровня пожарной опасности в различных местах на складе сыпучих древесных материалов, например кучи опилок после распиловки бревен, подготовку серии образцов выполняют из одной пробы, взятой из одной точки в куче опила с регистрацией на карте-схеме места и времени взятия пробы.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для испытания из одной пробы древесных опилок готовят три корзиночки прямоугольной формы длиной 60±1 мм, шириной 10±1 мм, высотой 150±3 мм, в которые помещают 90±1 см3 древесного опила с встряхиванием корзины, причем образцы берут из пробы после ее перемешивания без уплотнения.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что расход газа в приборе ОТМ для определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов регулируют так, чтобы контролируемая в течение трех минут температура газообразных продуктов горения составляла 200±5°С, за это время готовят из пробы лесных горючих материалов образцы, каждый из готовых образцов заносят из места хранения пробы за 30 с до начала испытания, причем 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 лесного горючего материала, при этом регистрируют время ее достижения дискретно по мере равномерного или неравномерного роста температуры горения, или же по мере равномерного или неравномерного отсчета времени регистрируют рост температуры горения материала.

7. Способ испытания лесных горючих материалов на воспламеняемость по п.1, отличающийся тем, что результаты дискретной или непрерывной с помощью самописца регистрации времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированию в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от переменного времени воспламенения по формуле

где tτ - переменная во времени воспламенения 0≤τt≤τ температура, достигающая в экспериментах от начальной температуры через период τ до максимального уровня tmax, °С;
tmax - максимальная температура газообразных продуктов горения исследуемого материала, °С;
Δtmax - максимальное приращение температуры горения, °С;
а1 - параметр модели, показывающий активность наращивания температуры при горении материала и получающий конкретное значение для данных условий взятия пробы и свойств материала образца;
τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ на приборе ОТМ, с;
а2 - параметр модели, характеризующий интенсивность роста температуры горения и получающий конкретное числовое значение в зависимости от свойств воспламеняемости материала.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что максимальное приращение температуры Δtmax вычисляют по формуле
Δtmax=tmax-tв0,
где tв0 - начальная температура воспламенения материала, которая образуется при начальной температуре в камере испытания, равной 200°С, которая вначале снижается из-за потерь тепла на энергию активации горения в начале процесса воспламенения материала,
причем начальную температуру воспламенения определяют из формулы биотехнической закономерности

где tmax - максимальная температура газообразных продуктов горения исследуемого материала, °С;
Δtmax - максимальное приращение температуры горения, °С;
а1 - параметр модели, показывающий активность наращивания температуры при горении материала и получающий конкретное значение для данных условий взятия пробы и свойств материала образца;
τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤τt≤τ на приборе ОТМ, с;
а2 - параметр модели, характеризующий интенсивность роста температуры горения и получающий конкретное числовое значение в зависимости от свойств воспламеняемости материала;
tв0 - начальная температура воспламенения материала, °С,
при условии τt=0, когда tτ=t0=200±5°C,
поэтому начальную температуру воспламенения tв0 вычисляют с использованием готовой статистической закономерности по математическому выражению
tв0=tmax-Δtmax,
тогда разница ta в виде формулы
ta=t0-tв0, где
ta - температура энергии активации воспламенения материала, °С;
t0 - начальная температура испытания, равная 200°С;
tв0 - начальная температура воспламенения материала, °С,
и будет характеризовать энергию активации процесса воспламенения.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что лесные горючие материалы подразделяют на отдельные группы пожарной опасности в зависимости от температуры активации воспламенения, то есть по энергии активации у химических веществ испытуемого материала.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что результаты дискретной или непрерывной с помощью самописца регистрации измерений времени и температуры воспламенения подвергают статистическому моделированию в виде обратной математической функции изменения времени воспламенения от температуры горения материала образца по формуле
τtt1t2,
где τt - переменное время воспламенения материала в пределах изменения 0≤tτ≤τ на приборе ОТМ, с;
τt1 - первая составляющая общей биотехнической закономерности по закону экспоненциального роста значений переменной у времени горения с ростом температуры, причем из-за уменьшения массы горючего материала с начального ее значения, с;
tτ2 - вторая составляющая общей биотехнической закономерности по биотехническому закону проф. П.М.Мазуркина, показывающему стрессовое возбуждение органического материала и его химических веществ в пределах интервала наилучших значений температур горения, с;
τ0t1 - начальное исходное время для начала воспламенения горючих веществ, то есть для создания энергии активации у химических веществ испытуемого материала, с;
tτ - переменная во времени воспламенения 0≤τt≤τ температура, достигающая в экспериментах от начальной температуры через период τ до максимального уровня tmax, °С;
b…b - параметры модели, которые определяются после моделирования по экспериментальным данным, при этом каждый параметр имеет содержательный смысл;
b1 - параметр экспоненциального закона роста, показывающий активность изменения времени воспламенения в зависимости от изменения температуры горения материала и получающий конкретные числовые значения для данных условий испытания;
b2 - параметр первой составляющей модели, характеризующий интенсивность роста времени воспламенения при изменении температуры горения материала;
b3 - параметр активности изменения второй составляющей статистической модели;
b4 - параметр интенсивности роста времени воспламенения в зависимости от изменения температуры горения материала;
b5 - параметр экспоненциального закона гибели, показывающий активность торможения росту времени воспламенения при изменении температуры горения материала;
b6 - параметр экспоненциального закона гибели, показывающий интенсивность торможения росту времени воспламенения при изменении температуры горения материала.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что лесные горючие материалы подразделяют на отдельные группы пожарной опасности в зависимости от начального времени, необходимого для воспламенения горючих веществ, то есть необходимого для создания энергии активации у химических веществ испытуемого материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области изучения закономерностей перемещения пасоки на различной глубине ствола древесных растений. .

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.

Изобретение относится к способам определения лигнина в целлюлозных полуфабрикатах. .

Изобретение относится к определению качества пробы травяных растений и может быть использовано в экологическом мониторинге лесных и нелесных территорий с травяным покровом.

Изобретение относится к способу измерения объема круглых лесоматериалов, использующемуся при заготовке и обработке лесоматериалов. .

Изобретение относится к способам испытания заготовленной древесины в виде специальных сортиментов, в частности резонансных кряжей из еловой древесины. .

Изобретение относится к экологической таксации лесных деревьев и может быть использовано при учете сложной формы поперечного сечения у ствола модельного дерева, причем по спилам с корой в виде кружков.

Изобретение относится к лесной таксации и может быть использовано при учете качества формы ствола модельного дерева по спилам с корой в виде кружков. .

Изобретение относится к области лесного и сельского хозяйств, в частности к экологической оценке лесных территорий различного возраста. .

Изобретение относится к физико-химическому анализу различных видов загрязнений ландшафтов и может быть использовано в инженерной экологии, лесном и сельском хозяйствах.

Изобретение относится к противопожарной технике, а именно к передвижным импульсным установкам порошкового пожаротушения. .

Изобретение относится к лесному хозяйству и может быть использовано для охраны лесов от пожара и определения характеристик последнего. .
Изобретение относится к пожаротушению лесных и бытовых пожаров. .

Изобретение относится к устройствам пожаротушения крупных лесных пожаров. .

Изобретение относится к противопожарной технике и направлено на обеспечение повышения эффективности тушения лесных пожаров. .

Изобретение относится к способам тушения лесных пожаров и пожаров в высотных зданиях с применением вертолетов. .
Изобретение относится к воздействию летательных аппаратов на лесные пожары, вредителей или атмосферные явления. .

Изобретение относится к области охраны природы, а именно к способам обнаружения лесных пожаров из космоса
Наверх