УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ВОЗГАРАЕМОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01N25/50 

Изобретение относится к области испытания строительных конструкций и предназначено для оценки показателей возгораемости элементов зданий и сооружений, а более конкретно - для оценки предела распространения огня по конструкциям.

Известны нагревательные установки (огневые печи), используемые в специализированных лабораториях для испытания строительных конструкций на распространение огня. Эти установки представляют собой стационарные огневые камеры с оборудованием для создания стандартного температурного режима, измерения и записи температуры, воздушного дутья, а также для закрепления и нагружения опытных образцов конструкций. Размеры рабочих проемов огневых камер для плит перекрытия 5,8•2,8 м; для стен 2,1•2 м.

Нагревательные установки работают на жидком топливе, сжигаемом при помощи длиннопламенных форсунок; расход топлива от 15 до 60 кг/ч. Расположение форсунок исключает возможность непосредственного воздействия факелов пламени на образцы конструкций и их местный нагрев. Кладка печей выполнена из шамотного кирпича и заключена в жесткий сварной каркас [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относятся следующие: стационарные нагревательные установки весьма дороги, а кратковременные (15 - 20 мин) испытания конструкций на распространение огня в них не экономичны. Кроме того, для определения показателей возгораемости вертикальных стен (стен, перегородок) и горизонтальных (плит перекрытий, покрытий) ограждающих конструкций необходимы два различных типа печей.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для оценки показателей возгораемости строительных конструкций, включающее огневую испытательную печь, снабженную источником излучения, датчиками температуры, и имеющую огневую камеру с рабочим проемом, оборудованным образцом испытываемой конструкции [2]; - прототип.

Известна полигонная унифицированная печь (прототип) с большой огневой камерой размером 2,6•2,8•6,0 м (объем 43,7 м³), в которой стандартный огневой режим создается за счет контролируемого горения керосина в металлических противнях. Огневая камера полигонной печи имеет четыре проема: два проема в железобетонном настиле перекрытия и два других - в торцовой стене. Размеры каждого проема 0,9•0,9 м. Общая площадь проемов 3,24 м².

Ограждающие конструкции выполнены из жаростойкого железобетона, остальное - из шамотного кирпича. Общая площадь ограждений конструкции сооружений 63 м².

Полигонная печь предназначена для испытания на огнестойкость и возгораемость образцов легких слоистых строительных конструкций с применением полимерных материалов.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что известное устройство имеет те же недостатки, что и стационарные печи: громоздка, дорога, неэкономична в потреблении топлива, требуются дополнительные расходы на транспортировку образцов продукции к ней. Более 90% тепла, выделяющегося при сгорании топлива, аккумулируется ограждающими конструкциями самого сооружения камеры - печи, так как обогреваемая поверхность испытываемых образцов составляет 5% от общей площади ограждающих конструкций полигонной камеры. На стабильность теплового режима и результатов определений показателей возгораемости испытываемых конструкций влияют подвижность и другие характеристики окружающего воздуха (порывы ветра, его направление, влажность и начальная температура воздуха). Возможны значительные отклонения (до ±100^oC) температурного режима фактических испытаний от стандартных. В полигонной камере невозможен строгий контроль заданной плотности и равномерности распределения теплового потока на обогреваемой поверхности испытываемых конструкций по их высоте. Невозможны испытания во всех пространственных положениях строительных конструкций, например, для оценки показателей возгораемости полов. Невозможно использование полигонной камеры в полевых условиях, на строительных площадках, при реконструкции и эксплуатации существующих зданий и сооружений.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи расширения области исследования пожарной опасности строительных, в том числе бетонных и железобетонных конструкций с утеплителем из горючих материалов, на снижение расходов и сроков испытания, повышение достоверности результатов испытания, их экономичности, улучшение эксплуатационных характеристик огневых печей.

Технический результат - уменьшение размеров, веса и массы огневой печи, снижение расходов жаростойкого бетона и стали на ее изготовление, снижение расходов горючих веществ на проведение огневых испытаний, повышение стабильности теплового режима в огневой камере, снижение отклонения температурного режима фактического огневого воздействия от заданного, например, стандартного пожара, повышение равномерности распределения теплового потока в зоне нагрева строительной конструкции, улучшение контакта строительной конструкции с огневой камерой печи, расширение технологических возможностей огневой печи при испытании строительных конструкций, расположенных в различных пространственных положениях, приближение условий огневых испытаний к натурным пожарам.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для оценки показателей возгораемости строительных конструкций, содержащем камеру, оборудованную датчиком температуры и источником излучения, особенность заключается в том, что камера изготовлена переносной с крюками или ушками для крепления на испытываемой конструкции, рабочий объем камеры выполнен в виде щели с изменяющейся высотой и оборудован автогенной газовой горелкой, мундштук которой расположен перпендикулярно зоне нагрева строительной конструкции, внутри камеры на рабочем ее торце на границе с поверхностью испытываемой конструкции по оси факела, создаваемого горелкой, установлен рассекатель газового пламени, другой торец камеры снабжен крышкой с гнездом для мундштука газовой горелки и отверстиями для выхода продуктов сгорания.

Для предупреждения прожигания рассекателя пламенем газовой горелки расстояние от конца мундштука горелки до обогреваемой поверхности испытываемой конструкции принято в пределах (2 - 10)•L_я, где L_я - длина ядра пламени, м.

Для равномерного распределения тепла на поверхности рабочего проема огневой камеры, т. е. в зоне нагрева строительной конструкции, рассекатель пламени выполнен с размерами сторон в плане или диаметром D, равным
D = (0,15 - 0,3)• a, (1)
где
a - размер стороны или диаметра рабочего окна огневой камеры, м.

Величина площади рабочего проема огневой камеры, A, м², определена по формуле:
A = P•Q/g,
где
P - расход топлива газовой горелкой, м³/с;
Q - теплота сгорания горючего газа, кДж/м³;
g - нормативная поверхностная плотность теплового потока, кДж/(с•м²).

Изготовление переносной печи предопределяет уменьшение ее веса и массы, снижение расходов жаростойкого бетона и стали по сравнению со стационарной полигонной огневой установкой.

Применение серийной газовой горелки увеличивает КПД огневой печи, по сравнению с использованием вместительных противней с керосином для полигонной установки и снижает расходы горючего при огневом испытании.

Регулирование подачи горючей смеси газовой горелкой повышает стабильность огневого воздействия на зону нагрева испытываемой конструкции и снижает погрешность отклонения температурного режима от заданного, например, стандартного.

Применение рассекателя пламени повышает равномерность распределения теплового потока в зоне нагрева строительной конструкции.

Выполнение огневой камеры с изменяющимся внутренним объемом позволяет регулировать высоту рабочей щели и выбирать оптимальные тепловые характеристики испытательной печи при использовании газовых горелок, снабженных мундштуками различной мощности.

Осуществление огневой печи переносного типа позволяет проводить огневые испытания непосредственно на строительных площадках, при реконструкции и эксплуатации сооружений, оценивать возгораемость строительных конструкций, расположенных во всех пространственных положениях, в том числе и пола.

Предложенная огневая испытательная печь компактна в конструктивном исполнении. Использование пода печи в качестве рабочего проема огневой камеры снижает удельную поверхность обогрева корпуса печи, уменьшает теплопотери огневой камеры и улучшает контакт испытываемой конструкции с огневой камерой.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными или идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию новизны.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель проверил дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведен сборочный чертеж предложенного устройства в трех проекциях: план, продольный разрез А-А, поперечный разрез Б-Б; на фиг. 2 - разрез В-В, показан вид камеры сбоку с овальным отверстием на ее стенке для пропуска по горизонтали и перемещения по вертикали шпильки крепления свода и стенок при заданной высоте нагревательной щели печи.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата, заключаются в следующем.

Устройство имеет кожух 1 теплоизоляционный толщиной 20 - 50 мм, металлический корпус 2 огневой камеры толщиной 1 - 2 мм, хомут 3 из стального корпуса диаметром 6 - 12 мм с нарезанной резьбой на концевых участках с прикрепленным рассекателем пламени 4 на середине его, крышку 5 с центральным отверстием для установки мундштука 6 газовой горелки с отверстиями для выпуска продуктов горения, две крепежные шпильки 7 с контргайками и два уголка 8, например 40 •40, для крепления крышки 5 к корпусу камеры, два крюка или ушка 9 крепления и фиксации огневой печи на испытываемой конструкции, термопары 10 и крепежные винты или шпильки 11 диаметром 6 - 10 мм.

Сборку устройства производят так: сначала на крышку 5 приворачивают винтами или шпильками 11 два отрезка уголка 8 и хомут 3 с рассекателем пламени 4; на крепежные шпильки 7 нанизывают крюки или ушки 9.

Затем на две симметрично расположенные стенки корпуса 2 огневой камеры на заданной высоте, используя овальные отверстия 12 и стяжные шпильки 7, прикрепляют крышку 5 с помощью уголков крепления 8.

Затем устанавливают термопары 10 на боковую поверхность огневой камеры посередине высоты нагревательной щели, т.е. между сводом печи и ее рабочим проемом 13.

Для снижения тепловых потерь огневой печи на стенки корпуса 2 и крышку 5 наносят теплоизоляционный материал, например, легковес, толщиной 40 - 60 мм, при этом создают для мундштука 6 газовой горелки в крышке центральное отверстие 14, два отверстия для концов хомута и четыре симметрично расположенных по окружности отверстия 15 для выпуска продуктов горения.

Перед огневым испытанием устройство размещают рабочим проемом 13 на размеченном координатными осями участке испытываемой конструкции 16, закрепляют на ней, а зазоры между стенками печи и строительной конструкцией уплотняют теплоизоляцией 17, например, минеральной ватой.

Корпус печи плотно прижимают к поверхности испытываемой конструкции; усилие прижима 10 - 30 кг.

Работа устройства протекает так. Зажигают горючую смесь в газовой горелке 6, регулируют высоту пламени в пределах 160 - 180 мм. Зажженную горелку устанавливают в центральное отверстие 14 крышки 5, направляя факел в середину рассекателя пламени 4.

Расходом горючей смеси повышают температуру на поверхности огневой камеры через 5 мин до 500^oC, через 10 мин до 575^oC, через 15 мин до 650^oC, с погрешностью 1 - 2%, если не заданы другие температурно-временные условия нагревания строительной конструкции.

Температуры регулируют электронным потенциометром или пиротехническим гальванометром (на чертеже не показаны).

Таким образом, испытываемая конструкция в предложенном устройстве подвергается одновременному воздействию как высокой температуры, так и открытого огня. Это приближает условия огневого испытания к натурным пожарам.

Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:
а) средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в строительной промышленности, а именно, в области испытания строительных конструкций на пожарную опасность, а более конкретно, для оценки предела распространения огня по строительным конструкциям;
б) для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов; в) средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Преимущество изобретения состоит в том, что возможность реализации компактного переносного устройства расширяет технологические возможности огневой печи при испытании строительных конструкций, расположенных в различных пространственных положениях, например нижнем, вертикальном, горизонтальном и потолочном.

Непосредственное пламенное воздействие на испытываемый участок строительной конструкции и вынужденная конвекция раскаленных продуктов сгорания приводят к увеличению эффективности их теплообмена. Применение рассекателя пламени обеспечивает равномерное распределение поверхностного теплового потока в зону нагрева.

Форма огневой камеры предопределяет отсутствие застойных зон и дает возможность перемешивать конвективным потоком весь ее объем.

Предложенное конструктивное решение нагревательного устройства достаточно полно имитирует процессы теплообмена, происходящие в начальной стадии пожара.

Рассматриваемое устройство экономично по расходу горючего. Расход керосина для газовой горелки с наконечником N 4 составляет 1,2 - 2,3 кг/ч. Это в 26 - 50 раз меньше, чем при испытании в стационарных огневых печах, так как 60/1,2 = 50 и 60/2,3 =26.

Применение направленного пламени газовой горелки перпендикулярно зоне нагрева строительной конструкции повышает КПД нагревательного устройства вследствие вынужденного конструктивного теплообмена на границе поверхность конструкции - продукты сгорания. Предлагаемое устройство имеет оптимальные размеры для использования универсальной газовой горелки и эффективную конфигурацию огневой камеры. За счет конструктивных параметров предлагаемое устройство снижает отношение объема огневой камеры на единицу обогреваемой поверхности зоны нагрева строительной конструкции в 135 раз:
n = M/m,
где M = 13,5 м³/м² и m = 0,1 м³/м² - соответственно для полигонной установки и предложенного устройства.

Это приводит к снижению потерь выделившегося тепла на нагревание объема газов в огневой камере и ее ограждающих конструкциях.

Общий КПД нагревательного устройства возрастает до 0,6 - 0,7; это в 10 - 15 раз выше, чем у полигонной установки.

Свободным регулированием подачи горючей смеси газовой горелкой в огневую камеру возможно создание в ней различных температурных режимов испытания: мягкий, стандартный, жесткий.

Четкое ограничение зоны нагрева торцом огневой камеры позволяет точно определить искомые показатели возгораемости строительных конструкций.

Использование предлагаемого устройства сокращает сроки испытания и расходы на обслуживание и транспортировку камеры.

Испытания показали надежность действия нагревательного устройства и возможность его использования для определения показателей возгораемости слоистых конструкций с горючим усилителем.

Устройство выполнено в виде переносной огневой камеры, рабочий объем которой представляет собой щель с изменяющейся высотой. Камера оборудована автогенной газовой горелкой, мундштук которой вмонтирован в крышку камеры, перпендикулярно зоне нагрева испытываемой конструкции. Крышка камеры снабжена отверстиями для выхода продуктов сгорания. По оси факела, создаваемого горелкой, на рабочем торце камеры на границе с поверхностью испытываемой конструкции установлен рассекатель пламени. Устройство позволяет повысить стабильность теплового режима огневых испытаний. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для оценки показателей возгораемости строительных конструкций, содержащее камеру, оборудованную датчиком температуры и источником излучения, отличающееся тем, что камера изготовлена переносной с крюками или ушками для крепления на испытываемой конструкции, рабочий объем камеры выполнен в виде щели с изменяющейся высотой и оборудован автогенной газовой горелкой, мундштук которой расположен перпендикулярно зоне нагрева строительной конструкции, внутри камеры на рабочем ее торце на границе с поверхностью испытываемой конструкции по оси факела, создаваемого горелкой, установлен рассекатель газового пламени, другой торец камеры снабжен крышкой с гнездом для мундштука газовой горелки и отверстиями для выхода продуктов сгорания. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние от конца мундштука газовой горелки до обогреваемой поверхности испытываемой конструкции принято в пределах (2 - 10) • L_я, где L_я - длина ядра пламени, м. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рассекатель пламени выполнен с размерами сторон в плане или диаметром D, равным
D = (0,15 - 0,30) • а,
где а - размер стороны или диаметра рабочего окна огневой камеры, м. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что величина площади рабочего проема огневой камеры определена по формуле
А = Р • Q / g, м²,
где Р - расход топлива газовой горелкой, м³/с;
Q - теплота сгорания горючего газа, кДж/м³,
g - нормативная поверхностная плотность теплового потока, кДж/(с • м²).