Способ испытания древесных материалов на горючесть
Владельцы патента RU 2449272:
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. Способ осуществляют по продолжительности самостоятельного горения с использованием прибора ОТМ для определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ при испытании 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, причем после достижения максимальной температуры воспламенения и горения летучих веществ образца и выключения горелки продолжают измерения температуры и времени непрерывного самостоятельного горения материала образца до спада температуры самостоятельного горения, затем образец выдерживают в камере до полного остывания до комнатной температуры, извлекают из камеры и взвешивают, а после окончания испытания образца результаты измерений времени и температуры самостоятельного горения образца дважды подвергают моделированию, вначале в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от времени непрерывного самостоятельного горения, а затем в виде обратной математической функции изменения времени непрерывного самостоятельного горения в зависимости от температуры самостоятельного горения образца. Достигается повышение точности испытаний образцов. 4 з.п. ф-лы, 3 пр., 2 табл., 6 ил.
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. При этом испытания на горючесть по продолжительности самостоятельного горения проводят с использованием прибора 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. - 10.09.2010 г.) для определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов по ГОСТ 12.1.044-8.
Известен способ испытания строительных материалов на горючесть по ГОСТ 30244-94 по показателю продолжительности самостоятельного горения. В частности, по разделу 5.3 этого стандарта горючие строительные материалы в зависимости от значений параметров горючести подразделяют на четыре группы горючести, при продолжительности самостоятельного горения τсг, с: Г1 при условии τсг=0; Г2 при условии τсг≤30; Г3 при условии τсг≤300; Г4 при условии τсг>300.
Для каждого испытания изготовляют 12 образцов длиной 1000 мм, шириной 190 мм. Толщина образцов должна соответствовать толщине материала, применяемого в реальных условиях. Если толщина материала составляет более 70 мм, толщина образцов должна быть 70 мм.
Продолжительность воздействия на образец пламени от источника зажигания должна составлять 10 мин. По истечении 10 мин источник зажигания выключают. При наличии пламени или признаков тления фиксируют продолжительность самостоятельного горения (тления). Испытание считают законченным после остывания образцов до температуры окружающей среды.
Недостатком способа по аналогу является громоздкость образцов и высокая трудоемкость проведения испытаний. Высокая погрешность измерений из-за неустойчивости процесса испытания приводит к неточностям в значениях продолжительности самостоятельного горения.
Известен также способ испытания твердых материалов на горючесть по ГОСТ 12.1.044-89 с определением группы горючести.
За 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 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.
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.
Недостатком является отсутствие измерений времени самостоятельного горения после выключения газовой горелки с достижением максимальной температуры воспламенения и горения летучих веществ.
Технический результат - повышение точности испытаний образцов от древесных материалов при измерениях продолжительности самостоятельного горения образца.
Этот технический результата достигается тем, что способ испытания древесных материалов на горючесть по продолжительности самостоятельного горения, включающий испытание 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, отличается тем, что после достижения максимальной температуры воспламенения и горения летучих веществ образца и выключения горелки продолжают измерения времени и температуры самостоятельного горения материала образца до спада температуры самостоятельного горения, затем образец выдерживают в камере до полного остывания до комнатной температуры, извлекают из камеры и взвешивают, а после окончания испытания образца результаты измерений времени и температуры самостоятельного горения образца дважды подвергают моделированию, вначале в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от времени непрерывного самостоятельного горения, а затем в виде обратной математической функции изменения времени непрерывного самостоятельного горения в зависимости от температуры самостоятельного горения образца.
После выключения горелки в приборе ОТМ по разделу 4.3 ГОСТ 12.1.044-89 проводят не менее 5-7 измерений времени и температуры самостоятельного горения материала образца до спада температуры самостоятельного горения и самостоятельного затухания пламени горения.
После выключения горелки продолжают испытание регистрацией времени самостоятельного горения, у которой за нуль принимают момент выключения газовой горелки, при этом измерения доводят до заданного уровня остывания камеры прибора, например, до 200 или иного градуса остывания, а время непрерывного самостоятельного горения образца отсчитывают с момента отключения газовой горелки до уровня в 260°С.
Сравнение образцов выполняется по показателям времени остывания и времени самостоятельного горения образца.
По показателю продолжительности самостоятельного горения образцов выявляют составы смесей с низкой пожарной опасностью, или наоборот, с высокими горючими свойствами у отходов древесного сырья для применения как топлива в котельных.
Сущность изобретения заключается в том, что по аналогу принимается условие, что устойчивое пламенное горение - это непрерывное пламенное горение материала образца в течение не менее 5 с.
Сущность также заключается в том, что после первого этапа испытания выполняется второй этап по измерениям времени и температуры самостоятельного горения образца.
Положительный эффект заключается в том, что полезное применение второго этапа испытания на приборе ОТМ позволяет сократить трудоемкость и затраты на проведение испытаний на горючесть древесных материалов.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и положительным эффектом. В научно-технической и патентной литературе информационных материалов, порочащих новизну предполагаемого изобретения, нами не обнаружено.
На фиг.1 показан график динамики температуры горения образца из березовых опилок в зависимости от времени, 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 закономерности по отношению к результатам испытания; на фиг.2 показан график изменения времени в зависимости от температуры самостоятельного горения этого же березового образца по фиг.1; на фиг.3 - то же на фиг.1 для сосновых опилок; на фиг.4 - то же на фиг.2 для образца из сосновых опилок по фиг.3; на фиг.5 - то же на фиг.1 для топливных гранул; на фиг.6 - то же на фиг.2 для образца из топливных гранул по фиг.5.
Способ испытания древесных материалов на горючесть включает такие действия.
Вначале проводят измерения воспламенения и горения летучих веществ образца до достижения максимальной температуры горения. После достижения максимальной температуры воспламенения и горения летучих веществ образца выключают горелку прибора ОТМ.
Затем продолжают измерения времени и температуры самостоятельного горения материала образца до спада температуры самостоятельного горения, образец выдерживают в камере до полного остывания до комнатной температуры, извлекают из камеры и взвешивают. После окончания испытания образца результаты измерений времени и температуры самостоятельного горения образца подвергают моделированию для выявления закономерностей динамики дважды. Вначале выявляют закономерность в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от времени самостоятельного горения. А затем ищут параметры обратной математической функции изменения времени самостоятельного горения в зависимости от температуры самостоятельного горения образца.
После выключения горелки продолжают испытание регистрацией времени самостоятельного горения, у которой за нуль принимают момент выключения газовой горелки, при этом измерения доводят до заданного уровня остывания камеры прибора, например до 200 или иного градуса остывания, а время непрерывного самостоятельного горения образца отсчитывают с момента отключения газовой горелки до уровня в 260°С.
Сравнение образцов выполняется по показателям времени остывания и времени самостоятельного горения образца. По показателю продолжительности самостоятельного горения образцов выявляют составы смесей с низкой пожарной опасностью или, наоборот, с высокими горючими свойствами у отходов древесного сырья для применения как топлива в котельных.
Способ испытания древесных материалов на горючесть, например, в виде образцов из древесного опила, 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) 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.
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 за время не более 5 с и испытывают до достижения максимальной температуры отходящих газообразных продуктов горения материала, при этом регистрируют время ее достижения.
Если при испытании максимальная температура превысила 260°С, то продолжительность начального этапа испытания определяется временем достижения максимальной температуры. Горелку выключают, образец прогорает дальше за счет продолжительности самостоятельного горения.
Поэтому продолжают измерения времени и температуры самостоятельного горения материала образца до спада температуры самостоятельного горения, образец выдерживают в камере до полного остывания до комнатной температуры, извлекают из камеры и взвешивают. После окончания испытания образца результаты измерений времени и температуры самостоятельного горения образца подвергают моделированию для выявления закономерностей динамики дважды. Вначале выявляют закономерность в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от времени самостоятельного горения. А затем ищут параметры обратной математической функции изменения времени самостоятельного горения в зависимости от температуры самостоятельного горения образца.
Сравнение образцов выполняется по показателям времени остывания и времени самостоятельного горения образца.
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 800°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 самостоятельного горения образца. При этом измерения доводят до заданного уровня остывания камеры прибора, например, до 200 или иного градуса остывания. Отсчет времени остывания выполняют, начиная с момента отключения газовой горелки. Время непрерывного самостоятельного горения образца отсчитывают с момента отключения газовой горелки, например, до уровня в 260°С.
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 самостоятельного горения, поэтому появляется возможность учета различных влияющих переменных факторов, показывающих теплоэнергетические свойства материала образца.
Пример 1. Для образца из березовых опилок (фиг.1 и фиг.2) после структурно-параметрической идентификации в программной среде Curve Expert 1.38 получились следующие закономерности.
Прямое моделирование позволило выявить закономерность изменения температуры горения в зависимости от времени самостоятельного горения с коэффициентом корреляции 1,0000 (фиг.1) в виде формулы
tτос=tτoc1+tτос2,
где tτoc - переменная (фиг.1) во времени остывания температура самостоятельного горения, убывающая от максимальной температуры после выключения горелки, °С;
tτoc1 - первая составляющая закономерности динамики температуры горения, характеризующая снижение температуры пламенного горения образца, °С; значение 500,0001 - максимальная температура отходящих газообразных продуктов горения материала образца перед отключением газовой горелки,°С;
tτос2 - вторая составляющая закономерности динамики температуры горения, характеризующая беспламенное горение древесного угля, заканчивающееся образованием твердого углистого остатка, °С.
- переменное время остывания прибора и самостоятельного горения образца, начиная от максимально достигнутой температуры перед выключением горелки, в пределах изменения 
до 200°С на приборе ОТМ по результатам измерений, с.
Числовые параметры или эмпирические коэффициенты модели, определяются в зависимости от условий испытаний и образца древесного топлива в программной среде Curve Expert 1.38.
Обратное моделирование изменения времени самостоятельного горения в зависимости от температуры самостоятельного горения образца позволило выявить закономерность с коэффициентом корреляции 0,9890 (фиг.2) в виде формулы
, 
где 
- переменное время остывания прибора ОТМ после выключения горелки и самостоятельного горения образца в пределах изменения секунд до уровня 200°С на приборе ОТМ, с;
- первая составляющая, показывающая максимальное время остывания прибора ОТМ и самостоятельного горения образца до заданной температуры, с;
- вторая составляющая закономерности, характеризующая увеличение времени при понижении температуры пламенного горения образца, с;
- третья составляющая закономерности, характеризующая увеличение времени при понижении тепературы в процессе образования твердого углистого остатка, с;
tτoc - переменная во времени остывания температура, изменяющаяся в экспериментах от максимального значения до минимально заданного уровня (например в 200, 100°С или иного значения) через период τoc, °С.
Числовые параметры или эмпирические коэффициенты модели, определяются в зависимости от условий испытаний и образца древесного топлива в программной среде Curve Expert 1.38.
Пример 2. После выключения горелки для образца из сосновых опилок (фиг.3 и фиг.4) дало нижеследующие модели.
Прямое моделирование дало, при коэффициенте корреляции на фиг.3, равном 1,0000, закономерность вида
tτoc=tτoc1+tτoc2,
Обратная зависимость с коэффициентом корреляции 0,9849 на фиг.4 в виде формулы
, 
, 
Переменное время остывания сосновых опилок изменяется в пределах изменения 
секунд до уровня в 200°С на приборе ОТМ.
Пример 3. Образец из топливных гранул (фиг.5 и фиг.6) дал следующие характеристики динамики процесса остывания при самостоятельном горении органического материала образца.
Прямое моделирование дало с высокой адекватностью, при коэффициенте корреляции 0,9970 на фиг.5, закономерность вида
tτoc=tτoc1+tτoc2,
Обратная зависимость на фиг.6 с коэффициентом корреляции 0,9978 получилась в виде формулы
Переменное время остывания топливных гранул изменяется по испытанию в пределах 
до уровня в 100°С на приборе ОТМ.
Сравнение трех образцов по продолжительности самостоятельного горения образца. В табл.1 приведено сравнение трех образцов различных типов по показателям времени остывания и времени самостоятельного горения образца.
| Таблица 1. | |||||
| 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 |
|
°С | 500 | 500 | 500 |
| Регистрированная на приборе продолжительность остывания |
|
с | 165 | 180 | 450 |
| Минимальная граница остывания образца | tτoc min | °С | 200 | 200 | 100 |
| Расчетное максимальное время остывания прибора |
|
с | 503,5 | 213,5 | 1209,9 |
| Продолжительность самостоятельного горения образца до уровня 260°С | τсг | с | 137,6 | 163,4 | 72,1 |
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.
Продолжительность самостоятельного горения образца до уровня 260°С была определена расчетами в программной среде Excel по выявленным закономерностям.
Как и в древесиноведении, примем за эталон сосновую древесину. Тогда из данных табл.1 путем их деления на значения параметров сосновых опилок получим табл.2 с относительными показателями воспламеняемости образцов из древесных материалов.
| Таблица 2. | |||||
| Относительное сравнение образцов из опилок по продолжительности самостоятельного горения | |||||
| Наименование показателя воспламеняемости и горения | Обозначение | Единица измер. | Тип образца из опилок | ||
| березовые | сосновые | гранулы | |||
| Измеренная на приборе ОТМ максимальная температура |
|
°С | 500 | 500 | 500 |
| Относительная продолжительность самостоятельного горения образца до уровня 260°С | τсг | с | 0,8421 | 1 | 0,4412 |
Из данных табл.2 видно, что при одинаковых фактически измеренных на приборе ОТМ максимальной температуры воспламенения и горения летучих веществ образца в 500°С продолжительность самостоятельного горения образцов одинаковой массы весьма различна.
По сравнению с эталоном из чистых сосновых опилок, березовые опилки выгорают быстрее, а топливные гранулы горят в 1/0,4412=2,2665 ≈2,3 раза быстрее. Этот показатель может применяться для оценки теплотворной способности тех или иных видов древесных материалов и смесей на их основе с различными добавками.
Это и позволит по техническому решению измерения времени остывания у образцов в приборе ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89, после выключения газовой горелки, искать рациональные для различных условий применения смеси твердых горючих материалов с заданными свойствами. В частности, по показателю продолжительности самостоятельного горения образцов можно искать составы смесей с низкой пожарной опасностью для сохранности лесной среды, или, наоборот, с высокими горючими свойствами и быстрой воспламеняемостью лесного горючего материала и отходов древесного сырья для применения как топлива в котельных.
Предлагаемый способ прост в реализации в лабораторных условиях с использованием прибора ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89 и позволяет узнать о поведении древесных материалов для оценки их горючести, а также для оценки пригодности к использованию древесных отходов, топливных гранул и брикетов в топках котельных.
1. Способ испытания древесных материалов на горючесть по продолжительности самостоятельного горения с использованием прибора ОТМ для определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ, включающий испытание 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 после достижения максимальной температуры воспламенения и горения летучих веществ образца и выключения горелки продолжают измерения температуры и времени непрерывного самостоятельного горения материала образца до спада температуры самостоятельного горения, затем образец выдерживают в камере до полного остывания до комнатной температуры, извлекают из камеры и взвешивают, а после окончания испытания образца результаты измерений времени и температуры самостоятельного горения образца дважды подвергают моделированию, вначале в виде прямой математической функции изменения температуры горения в зависимости от времени непрерывного самостоятельного горения, а затем в виде обратной математической функции изменения времени непрерывного самостоятельного горения в зависимости от температуры самостоятельного горения образца.
2. Способ испытания древесных материалов на горючесть по п.1, отличающийся тем, что после выключения горелки в приборе ОТМ проводят не менее 5-7 измерений времени и температуры самостоятельного горения материала образца до спада температуры самостоятельного горения и самостоятельного затухания пламени горения.
3. Способ испытания древесных материалов на горючесть по п.1, отличающийся тем, что после выключения горелки продолжают испытание регистрацией времени самостоятельного горения образца, у которой за нуль принимают момент выключения газовой горелки, при этом измерения доводят до заданного уровня остывания камеры прибора, например до 200 или иного градуса остывания, а время непрерывного самостоятельного горения образца отсчитывают с момента отключения газовой горелки до уровня в 260°С.
4. Способ испытания древесных материалов на горючесть по п.1, отличающийся тем, что сравнение образцов выполняется по показателям времени остывания и времени самостоятельного горения образца.
5. Способ испытания древесных материалов на горючесть по п.1, отличающийся тем, что по показателю продолжительности самостоятельного горения образцов выявляют составы смесей с низкой пожарной опасностью или наоборот с высокими горючими свойствами у отходов древесного сырья для применения как топлива в котельных.
