Калориметрическая установка для комплексного определения пожарной опасности и огнестойкости строительных материалов и самонесущих и ненесущих конструкций по потере целостности и теплоизолирующей способности Российский патент 2025 года по МПК G01N25/50 G01N25/22 

Изобретение относится к области пожарной безопасности, а именно к созданию калориметрической установки для комплексного определения пожарной опасности и огнестойкости строительных материалов и элементов самонесущих и ненесущих конструкций.

Известны различные установки для определения пожарной опасности строительных материалов, используемые для классификации и подразделения их на группы по степени опасности, описанные в ГОСТ 12.1.044-89, ГОСТ 30244-94, ГОСТ 30402-96, ГОСТ 30403-96. Недостатком решений является ограниченное число определяемых в одном тесте показателей пожарной опасности, применение для одного и того же материала разных установок с неодинаковыми условиями огневого и теплового воздействия.

Известно устройство для комплексной оценки пожарной опасности материалов, позволяющее в одном эксперименте при заданном режиме нагрева определить токсичность продуктов горения по их действию на подопытных животных, концентрацию диоксидов углерода и кислорода, массу дыма с дисперсной и конденсированной фазами (SU 1784236 А1, 30.12.1992, А62С 3/10, 37/00). Недостатком устройства является невозможность определить детали тепловыделения при горении материалов, пожарную опасность и огнестойкость элементов ненесущих строительных конструкций.

Известна установка для определения пожарной опасности конденсированных материалов при их термическом разложении, позволяющая в герметичной или проточной системе при действии радиационного теплового потока постоянной плотности осуществить комплексную оценку токсичности продуктов разложения по концентрации токсичных газов, удельному коэффициенту поглощения кислорода, определить потерю массы, дымообразующую способность. (RU 174688U1, 2017.04.20, G01N 25/24, 25/50, 31/12, А62С 99/00). Недостатком установки является отсутствие локального источника зажигания образцов, неопределенность характеристик воспламеняемости, тепловыделения, невозможность оценки огнестойкости элементов ненесущих конструкций.

Известны огневые печи и установки для определения огнестойкости несущих и ненесущих строительных конструкций, проводимые при стандартном температурном режиме пожара с применением реальных изделий большого размера в соответствии с ГОСТ 30247.1-94.

Известна печь для испытаний на огнестойкость и пожарную безопасность строительных конструкций и инженерного оборудования, отличающаяся применением жидкого дизельного топлива и позволяющая сократить его расход для создания высокотемпературного режима пожара в печи, время проведения серии испытаний (RU 273837С1, 2022.07.22, МПК F278B 17/02).

Известна комплексная установка по определению фактических пределов огнестойкости строительных конструкций, отличающаяся возможностью проведения испытаний как горизонтальных, так и вертикальных несущих и ненесущих конструкций по различным температурным режимам пожара. (RU 2758345С1, 22.12.2020, G01N 25/50).

Указанные печи и установки по определению пределов огнестойкости строительных конструкций в связи с большими затратами материалов, энергии и времени неприемлемы для исследовательских целей, разработки новых строительных материалов и конструкций, определения многих показателей пожарной опасности, в том числе тепловыделения, оценки эффективности создаваемых средств огнезащиты.

Ближайшим прототипом заявляемого изобретения является ГОСТ Р 57928-2017 «Композиты полимерные. Метод определения тепловыделения при горении с использованием проточного калориметра, работающего по термопарному принципу. Стандарт разработан с учетом основных нормативных положений стандарта ASTM Е 906. В модификации ASTM Е 906М - 2021 проточный калориметр дополнительно снабжен фотометрической системой определения дымообразующей способности при горении материалов под воздействием радиационного теплового потока постоянной плотности в пределах 0-80 кВт/м².

Калориметрическая установка по прототипу состоит из термобарокамеры с верхней пирамидальной частью, окруженной воздуховодом такой же формы, соединенных с дымоходом; содержит источник излучения для создания теплового потока постоянной плотности до 100 кВт/м²; держатель образца для испытания в вертикальном положении размером 150×150 мм и максимальной общей толщиной до 45 мм; две запальные горелки (нижнюю и верхнюю); обеспечена дополнительной калибровочной горелкой; имеет дверцу для ввода и вывода держателя с образцом из термобарокамеры; камеру предварительного выдерживания образца; термодатчик из термопар, горячие спаи которых размещены на выходе из пирамидальной части термобарокамеры в дымоход, а холодные спаи в нижней части термобарокамеры; систему распределения воздуха, вводимого снизу с помощью компрессора и регулятора скорости подачи воздуха.

Недостатком технического решения в прототипе является отсутствие в калориметрической установке весового устройства, невозможность определения динамики потери массы образца, образования токсичных продуктов, снижения концентрации кислорода, определения характеристик тепловыделения и огнестойкости при динамическом нагреве, стандартном и альтернативных температурных режимах пожара в соответствии с ГОСТ РЕН 1662-2-2014 «Конструкции строительные. Испытания на огнестойкость. Часть 2. Альтернативные и дополнительные методы».

Задачей заявляемого изобретения является создание калориметрической установки для комплексного определения пожарной опасности и огнестойкости строительных материалов и самонесущих и ненесущих конструкций при воздействии радиационного теплового потока заданной интенсивности.

Техническим результатом заявленной калориметрической установки является повышение эффективности, точности и достоверности определения комплекса показателей пожарной опасности и огнестойкости строительных материалов и ненесущих конструкций, снижение экономических затрат на материалы, энергию, время серийных испытаний, обеспечение безопасных условий работы персонала.

На фиг. 1, представлена схема калориметрической установки для комплексного определения пожарной опасности и огнестойкости строительных материалов и самонесущих и ненесущих конструкций. На фиг. 1 позициями обозначены следующие конструктивные

элементы:

Калориметрическая установка состоит из двух камер прямоугольного сечения, а именно, термобарокамеры 1 размером 400×400×20 мм и охлаждающей камеры 2 размером 550×550×1150 мм соответственно, каждая с нижней и верхней частью пирамидальной формы. Верхние части пирамидальной формы соединены с вытяжной трубой (дымоходом) диаметром 100 мм и длиной 9000-10000 мм, на выходе которой установлен центробежный радиальный вентилятор 20, управляемый блоком 30. Подвод воздуха в нижние пирамидальные части термобарокамеры 14 и охлаждающей камеры 15 осуществляется по трубе диаметром 110 мм, регулируется заслонкой 16 и контролируется анемометром 28. Расход воздуха, поступающего в термобарокамеру, может составлять от 0 до 10 л/с, а в камеру охлаждения - от 0 до 40 л/с. Термобарокамера оснащена мультифункциональной радиационной панелью 3 размером 300×300 мм, состоящей из 6 электронагревательных элементов, для создания радиационного теплового потока постоянной плотности до 110 кВт/м², с заданным законом изменения плотности, температурного режима пожара. Тепловой поток от мультирадиационной панели заданной интенсивности обеспечивается системой управления нагревом и его контроля через температуру Т₁, включающей электросиловой блок 24, регулятор температуры 26 и регистратор потребления электрической мощности 27. Установка имеет дверцу 17 для ввода в термобарокамеру и вывода из нее теплоизолирующей камеры 4 с образцом 5 в вертикальном положении с общей максимальной толщиной до 200 мм. Теплоизолирующая камера 4 размером 270×250×210 мм, изготовленная из 2 мм листовой стали, играет роль держателя образца, который со всех сторон, кроме облучаемой поверхности, изолируют негорючим теплоизолирующим материалом. Камера 4 позволяет проводить испытания образцов строительных материалов и фрагментов конструкций с размером поверхности до 250×230 мм и общей максимальной толщиной до 200 мм. Перемещение теплоизолирующей камеры 4 на определенное расстояние от радиационной панели производится по специальным направляющим регулировочно-передвижным механизмом 6,7. Калориметрическая установка имеет окно 9 с двумя кварцевыми стеклами для видеонаблюдения; оснащена стационарной запальной горелкой 8, которая связана с расходомером газа 23. Горелка 8 используется также для предварительной калибровки интенсивности тепловыделения по горючему газу (метану). Калориметрическая установка оборудована электронными весами 10, предохраняемых от нагрева в зоне размещения теплоизоляционным слоем 11. Холодные спаи термодатчика 12 закреплены на входе в нижнюю пирамидальную часть термобарокамеры, горячие спаи 13 размещены на выходе из верхней пирамидальной части термобарокамеры. Холодные и горячие спаи подсоединены к многоканальному регистратору напряжения марки AM-1109 29. На выходе из верхней пирамидальной части термобарокамеры размещена трубка для отбора продуктов сгорания 21, связанная с многоканальным газоанализатором 22 (типа Drager X-am 8000). В дымоходе установлена фотометрическая система определения динамики образования дыма в виде светодиодного лазера 18 и приемника излучения фотодиода 19, связанные с прибором 29. Установка в целом оснащена монитором 32, блоком программирования и сбора всех данных 31.

Наличие нижних пирамидальных частей в конструкции калориметрической установки, охлаждающей камеры по всей ее высоте, применение регулируемой системы потока воздуха путем подключения вытяжного вентилятора и отказ от применения нагнетающего воздух компрессора привели к неожиданному результату. В термобарокамере устанавливалось равномерное распределение поступающего воздуха без распределительных пластин как в прототипе, устанавливался стабильный температурный режим, не было турбулентных завихрений, осложняющих проведение испытаний при низких тепловых потоках в режиме беспламенного горения образцов строительных материалов и элементов ненесущих конструкций.

Калориметрическая установка работает следующим образом: предварительно мультифункциональную радиационную панель обеспечивают программным заданием интенсивности радиационного теплового потока, воздействующего на исследуемый образец. С этой целью устанавливают требуемый расход воздуха, проходящий через термобарокамеру 1 и охлаждающую камеру 2 при атмосферном давлении с помощью центробежного радиального вентилятора 20 и заслонки 16, контролируют анемометром 28. В теплоизолирующую камеру 4 (держатель образца) помещают металлическую пластину размером 150×150 мм толщиной 6 мм, все необучаемые поверхности которой изолируют теплоизоляцией Fiberfrax. Камеру 4 с металлической пластиной вводят посредством регулировочно-передвижного механизма 6,7 в термобарокамеру 1 на определенное расстояние от радиационной панели не менее 100 мм.

В случае проведения испытаний при постоянной плотности теплового потока, на мультирадиационную панель подается постоянная заданная мощность с помощью электросилового блока 24. Датчиком теплового потока (типа Гордона), установленным в центре поверхности металлической пластины, определяют плотность теплового потока с погрешностью +/-0,1 мВ.

В случае испытаний в динамическом режиме нагрева на радиационную панель подается мощность, которую изменяют по заданному закону и фиксируют на поверхности пластины датчиком Гордона изменение плотности падающего теплового потока. С этой целью в регуляторе 26 и регистраторе потребления мощности 27 в режиме настройки по закону ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальному закону) с применением метода ШИМ (широтно-импульсной модуляции) подбирают программу управления мощностью мультифункциональной радиационной панели в согласии с плотностью падающего теплового потока. Затем приборы настраивают на автоматический режим и режим регулирования по программе.

В случае испытаний по стандартному температурному режиму пожара или альтернативным температурным режимам пожара калибровку оборудования осуществляют аналогично динамическому нагреву, но параметром настройки является температура Т₁ на поверхности мультифункциональной радиационной панели с погрешностью не более +/-10°С. Все результаты калибровки мультифункциональной радиационной панели фиксируются в блоке программирования и сбора данных 31.

Следующим этапом настройки оборудования является проведение калибровки интенсивности тепловыделения по тепловому коэффициенту, который определяют в стационарных условиях по уровню расхода калибровочного газа (метана) с применением горелки 8 и расходомера 23. Значения напряжения в термодатчиках 12,13 регистрируются прибором 29 с погрешностью +/- 0,1 мВ. Процедура калибровки соответствует ГОСТ Р 57928-2017.

После настройки и калибровки оборудования процедура комплексного определения пожарной опасности и огнестойкости исследуемых образцов одинакова и может быть осуществлена в следующем порядке.

На образце строительного материала или элемента ненесущей конструкции в центре его облучаемой и не облучаемой поверхностей, а также на поверхности слоев конструкции закрепляют термопары Т₂, T_i, Т₃, подключаемые к измерительному прибору Термодат 25. Исследуемый образец помещают в теплоизолирующую камеру 4, изолировав все его поверхности, кроме облучаемой, теплоизоляцией Fiberfrax. Устанавливают в термобарокамере 1 и охлаждающей камере 2 необходимую скорость потока воздуха вытяжным вентилятором 20, управляемым блоком 30, регулируя и контролируя подвод воздуха заслонкой 16 и анемометром 28. Запускают систему программного обеспечения мультифункциональной радиационной панели заданной интенсивностью падающего теплового потока, которая содержит электросиловой блок 24, регулятор 26 и регистратор потребления мощности 27, в автоматическом режиме. Включают систему определения динамики тепловыделения по термопарным датчикам 12, 13 с мультиметром напряжения 29. Выход на рабочий режим калориметрии определяется достижением постоянного значения начальных показаний напряжения термодатчиков 12,13 в течение 10 мин. Подключают электронные весы 10, систему отбора продуктов сгорания 21 и газоанализатор 22, фотометрическую систему оценки динамики образования дыма с лазерным источником света 18 и фотодиодом 19. После подключения всех указанных приборов вводят теплоизолирующую камеру с образцом по направляющим с помощью регулировочно-передвижного механизма 6,7 в термобарокамеру и устанавливают на платформе электронных весов. Стационарной запальной горелкой 8 осуществляют локальный поджиг и воспламенение образца. Без локального поджига реализуются условия самовоспламенения образца. Отсчет времени испытания в заданных условиях идет с момента ввода держателя с образцом в термобарокамеру 1. Результаты испытаний собираются в блоке 31, их можно увидеть на мониторе 32.

Разработанная калориметрическая установка позволяет получить большой комплекс показателей пожарной опасности и огнестойкости строительных материалов и элементов (самонесущих) ненесуших конструкций, состоящих из разных материалов.

Изобретение относится к области пожарной безопасности, а именно к созданию калориметрической установки для комплексного определения пожарной опасности и огнестойкости строительных материалов и самонесущих и ненесущих конструкций. Предложена калориметрическая установка проточного типа, работающая по термопарному принципу, для комплексного определения пожарной опасности по динамике тепловыделения, опасных факторов пожара и огнестойкости по целостности и теплоизолирующей способности строительных материалов и самонесущих и ненесущих конструкций. Калориметрическая установка состоит из термобарокамеры и охлаждающей камеры, каждая с нижней и верхней частью пирамидальной формы, соединенных соответственно с системами поступления воздуха и вытяжной вентиляции. Содержит теплоизолирующую камеру для вертикально установленного образца, перемещаемую в термобарокамеру по направляющим с помощью регулировочного механизма. Калориметрическая установка оснащена радиационной панелью, позволяющей проводить испытания образцов при действии теплового потока постоянной плотности в пределах 0-110 кВт/м², динамическом нагреве по заданному закону изменения плотности теплового потока, стандартному температурному режиму пожара или альтернативным температурным режимам пожара; оборудована системой определения динамики тепловыделения по термопарным датчикам; электронными весами; системой отбора и анализа продуктов разложения и горения, концентрации кислорода; фотометрической системой определения дыма. Установка имеет дверцу для ввода и вывода из термобарокамеры теплоизолирующей камеры с образцом; окно для видеонаблюдения. Калориметрическая установка отличается закреплением термопар в центре обогреваемой и не обогреваемой поверхностей при испытании для определения предела огнестойкости по достижению предельного состояния потери целостности и теплоизолирующей способности вследствие достижения критической температуры образца и составляющих слоев; содержит блок для программирования, сбора результатов испытаний, монитор. Техническим результатом применения заявляемого изобретения является повышение эффективности, точности и достоверности определения комплекса показателей пожарной опасности и огнестойкости строительных материалов и самонесущих и ненесущих конструкций. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Калориметрическая установка для комплексного определения пожарной опасности и огнестойкости строительных материалов и самонесущих и ненесущих конструкций по потере целостности и теплоизолирующей способности, включающая две камеры прямоугольного сечения, представленные термобарокамерой и охлаждающей камерой, каждая с нижней и верхней частью пирамидальной формы, где нижняя часть соединяется с системами поступления воздуха, а верхняя - с вытяжной вентиляцией, причем термобарокамера установлена внутри охлаждающей камеры, при этом термобарокамера оснащена радиационной панелью, связанной с системой управления мультифункциональным нагревом и его контроля, причем установка также включает электронные весы, расположенные в теплоизолирующей камере, выполненные с возможностью размещения на них вертикально располагаемого образца с общей максимальной толщиной до 200 мм, при этом на весах на расстоянии от радиационной панели установлен регулировочно-передвижной механизм для перемещения по направляющим в теплоизолирующей камере исследуемого образца; термобарокамера оснащена одной стационарной запальной горелкой в виде металлической трубки, применяемой также для предварительной калибровки интенсивности тепловыделения по горючему газу - метану, один конец трубки связан с горелкой, а второй - с расходомером газа для калибровки установки, причем в термобарокамере выполнено окно с двойными кварцевыми стеклами для видеонаблюдения, причем установка также включает систему отбора и анализа продуктов сгорания, образованную устройством отбора продуктов сгорания и многоканальным газоанализатором, расположенную на выходе из верхней пирамидальной части термобарокамеры, систему определения динамики тепловыделения по термопарным датчикам, а также с возможностью установки термопар в центре облучаемой и не облучаемой поверхностей образца, а также послойно для оценки времени прогрева и определения вклада в общую огнестойкость, фотометрическую систему оценки динамики образования дыма, представленную светодиодным лазером и фотодиодом, установленными в вытяжной вентиляции и связанными с регистратором напряжения, причем выход системы отбора и анализа динамики продуктов сгорания, системы определения динамики тепловыделения по термопарным датчикам, электронных весов для измерения динамики потери массы образца, фотометрической системы оценки динамики образования дыма и термопары для измерения температуры в центре обогреваемой и не обогреваемой поверхности и послойно соединены с входом блока программирования и сбора данных, выход которого соединен с входом монитора.

2. Калориметрическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что скорость воздуха в камерах регулируется интенсивностью работы вытяжного вентилятора на выходе из вытяжной вентиляции и заслонкой в системе поступления воздуха.

3. Калориметрическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что позволяет проводить испытания образцов при действии радиационного теплового потока постоянной плотности в пределах 0-110 кВт/м² и при заданной динамике изменения плотности теплового потока.

4. Калориметрическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что позволяет проводить испытания при воздействии радиационного теплового потока в соответствии со стандартным режимом пожара или альтернативными температурными режимами пожара.