44_SAMUJLO Bronislaw_PO FORM
Transkrypt
44_SAMUJLO Bronislaw_PO FORM
Bronisław SAMUJŁO Państwowa WyŜsza Szkoła Zawodowa w Zamościu Instytut Przyrodniczo-Techniczny E-mail: [email protected] ZASTOSOWANIE TERMOWIZJI W BADANIACH PALNOŚCI WYROBÓW TWORZYWOWYCH Streszczenie. W badaniach termowizyjnych zmian pola temperatury podczas zapłonu i spalania wykorzystano próbki rur instalacyjnych z PE-HD modyfikowanego środkiem opóźniającym palenie. Badania prowadzono za pomocą specjalnego stanowiska badawczego wyposaŜonego w kamerę termowizyjną. W wyniku przeprowadzonych badań określono zaleŜności czasowe przebiegu procesu zapłonu próbek rur. Ustalono, Ŝe zastosowanie metody termowizyjnej umoŜliwia uzupełnienie analiz związanych, z jakością uniepalnienia i oceną zagroŜenia poŜarowego stwarzanego przez wytwory tworzywowe. THE THERMOVISION METHOD IN INVESTIGATION OF PLASTIC PRODUCTS FLAMMABILITY Summary. In the research of temperature distribution during the ignition and combustion process by thermovision method were used samples from the casing pipe which was made from the HDPE modified by a flame retardant. The experiment was conducted on a special research stand equipped with a thermovision camera. In the research the ignition process in the function of time of pipes samples were characterised. In the experiment it was found that the thermovision method enables more complete interpretation of unflammability quality and fire hazard posed by the plastic products. 1. WSTĘP Jakość uniepalnienia wytworów z tworzyw jest określana przez wiele umownych wskaźników zarówno jakościowych jak i rzadziej o charakterze ilościowym, które Zastosowanie termowizji ... 355 są wyznaczane według zróŜnicowanych metod badawczych, przy róŜniących się warunkach pomiaru, kształcie i wymiarach próbki. W trakcie badań wyznacza się głównie zapalność, szybkość palenia (np. powierzchniową), odporność na penetrację ognia w strukturę tworzywa (np. odporność na Ŝarzenie), efekty cieplne spalania, ilość, skład oraz toksyczność wydzielających się gazowych produktów rozkładu i spalania tworzyw [1÷7]. W analizie procesu palenia się tworzyw podstawowe znaczenie ma pomiar temperatury, a zwłaszcza zmian pola temperatury podczas nagrzewania, rozkładu cieplnego, zapłonu, spalania, wygaszania płomienia oraz Ŝarzenia. W największej mierze umoŜliwia te pomiary zastosowanie metody termowizyjnej, zwłaszcza w oparciu o nowoczesne, o wysokiej czułości i częstotliwości próbkowania skanery i kamery termowizyjne. W badaniach termowizyjnych wykorzystuje się detekcję, przetwarzanie oraz wizualizację promieniowania podczerwonego emitowanego przez badane wytwory lub próbki tworzywa. Detekcja promieniowania podczerwonego odbywa się za pośrednictwem detektorów o róŜnej konstrukcji i zasadzie działania, tworzących wraz z układami optycznymi, przetwarzającymi oraz wizualizującymi zespoły robocze kamer termowizyjnych. Tworzone obrazy termalne odzwierciedlają rozkład temperatury powierzchni badanego wytworu lub próbki, a ich ciągła lub cykliczna w czasie rejestracja umoŜliwia analizę zmian temperatury podczas poszczególnych faz procesu palenia [7, 8, 9]. Do zasadniczych zalet tej metody naleŜy brak kontaktu i oddziaływania na badany obiekt przez układ detekcyjny i szybkość pomiarów promieniowania podczerwonego wykonywanych w czasie rzeczywistym. Metoda termowizyjna umoŜliwia analizę dwuwymiarowego pola temperatury powierzchni badanego obiektu, jednoczesny pomiar temperatury w wielu punktach powierzchni, pomiar temperatury powierzchni obiektów niedostępnych dla metod stykowych, rejestrację szybkich zmian temperatury badanej powierzchni w czasie lub będącej w ruchu oraz określenie temperatury obiektów o małych rozmiarach oraz podatnych na uszkodzenia mechaniczne [7, 10, 11]. Na proces detekcji, przetwarzania, rejestrowania oraz późniejszej analizy zarejestrowanych obrazów termalnych ma wpływ wiele czynników, które wprowadzają zakłócenia podczas pomiaru, a w przypadku nieuwzględnienia ich wpływu, takŜe przekłamania w wynikach i wnioskach z wykonanych badań. Do układu detekcyjnego kamery termowizyjnej dociera promieniowanie słoneczne odbite od obiektu i otoczenia np. chmur, oraz promieniowania źródeł ciepła w bliskim otoczeniu (palniki, piece, grzejniki, oświetlenie), wprowadzające dodatkowe błędy pomiarowe. Niektóre zakłócenia są na tyle małe, Ŝe moŜna je pominąć, w innym przypadku moŜna zmienić układ pomiarowy w ten sposób, aby ich uniknąć lub zminimalizować ich wpływ, np. zmieniając kierunek obserwacji, ekranując silne źródła promieniowania lub wykonując pomiary w innym czasie [7, 11]. Całkowite wyeliminowanie wszystkich zakłóceń jest najczęściej niemoŜliwe, jednak w wielu typach kamer termowizyjnych częściowa ich kompensacja jest przeprowadzana 356 B. Samujło automatycznie przez odpowiednie oprogramowanie, po wprowadzeniu przez uŜytkownika danych dotyczących emisyjności obiektu, temperatury otoczenia, odległości między obiektem a kamerą, względnej wilgotności powietrza. TakŜe oprogramowanie do analizy obrazów termalnych umoŜliwia kompensację wpływu na pomiar temperatury takich czynników jak temperatura elementów optycznych obiektywu, temperatura zewnętrznych elementów optycznych znajdujących się przed obiektywem kamery termowizyjnej, współczynnika przepuszczania zewnętrznych elementów optycznych, temperatura i transmisja atmosfery [7, 11]. Generalnie przyjmuje się, Ŝe przy braku w pobliŜu obiektu badania wysokotemperaturowych źródeł ciepła to dokładność określenia wartości parametrów atmosfery i temperatury otoczenia jest mniej istotne. Wartości wymienionych parametrów są równieŜ mniej znaczące, gdy temperatura obiektu jest duŜo wyŜsza od temperatury otoczenia i emisyjność obiektu jest większa od 0,9 [10, 11]. W badaniach procesów cieplnych rozkładu, zapłonu i spalania tworzyw są wykorzystywane pirometry, skanery i kamery termowizyjne, wyposaŜone w detektory pojedyncze lub liniowe, wymagające zastosowania skomplikowanych zespołów przeszukiwania [12,13]. Zespoły te mają najczęściej konstrukcję mechaniczno-optyczną, złoŜoną z zespołów drgających lub wirujących zwierciadeł, których zadaniem jest stopniowe, punkt po punkcie lub linia po linii, przeszukiwanie pola pomiarowego, skupianie promieniowania podczerwonego na detektorze lub linii detektorów. Detektor z układami wzmocnienia wytwarza sygnał elektryczny proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na jego powierzchnię, który jest następnie przetwarzany w obraz termalny wizualizowany na ekranie lub zapisywany na nośniku pamięci. Kamery i skanery z jednym detektorem są uwaŜane za najdokładniejsze pod względem metrologicznym, jednak zazwyczaj nie zapewniają duŜej szybkości skanowania. Coraz częściej wykorzystuje się w kamerach termowizyjnych matrycę detektorów (zintegrowaną, hybrydową lub monolityczną), której uŜycie eliminuje potrzebę stosowania skomplikowanych mechaniczno-optycznych zespołów przeszukiwania, jednocześnie znacząco zwiększając szybkość pomiaru. Zastosowanie matryc umoŜliwia tworzenie kilkuset obrazów termalnych na sekundę, co w efekcie pozwala na rejestrację szybkozmiennych procesów cieplnych, między innymi podczas procesu palenia się tworzyw [11]. Oprócz zalet kamery tego typu mają takŜe wady, związane z samą ilością detektorów i ich pewnym zróŜnicowaniem pod względem czułości widmowej i napięciowej, powierzchni, składu materiałowego, tolerancji wymiarowej wynikające z technologii produkcji. Wszystko to powoduje, Ŝe sygnał wyjściowy z kaŜdego detektora przy tej samej energii padającego promieniowania moŜe mieć róŜną wartość. Błędy te takŜe mogą być powielane i wzmacniane przez dalsze fazy przetwarzania sygnału we wzmacniaczach i przetwornikach analogo-cyfrowych kamery. Stąd teŜ w kamerach tego typu nieodzowne jest przed pomiarem przeprowadzenie kalibracji Zastosowanie termowizji ... 357 detektorów i układów elektronicznych, tak, aby miały jednakową charakterystykę przetwarzania sygnału [10, 11]. W ramach prowadzonych prac dotyczących otrzymywania, przetwórstwa i właściwości wytworów z polietylenu o zmniejszonej palności [14÷17] zastosowano metodę termowizyjną [18÷22], między innymi do analizy zjawisk cieplnych podczas badań palności trudnopalnych rur instalacyjnych. Celem niniejszej pracy jest przedstawienie wyników badań przebiegu procesu zapłonu próbek rury trudnopalnej, określonego zmianami pola temperatury obszaru objętego oddziaływaniem źródła zapłonu i próba oceny przydatności metody termowizyjnej do tego typu badań. 2. METODYKA W badaniach wykorzystano próbkę rury z polietylenu modyfikowanego w celu zmniejszenia palności, o średnicy wynoszącej 40 mm i grubości ścianki równej 3,7 mm. W skład tworzywa, z którego była wykonana rura, wchodził PE-HD pierwotny - Tipelin BS 52014 – 50%, regranulat PE-HD – 34% oraz środki pomocnicze, w tym środek opóźniający palenie - Polibatch PR 1049 [18, 22]. Badania prowadzono za pomocą specjalnego stanowiska badawczego zbudowanego w oparciu o zalecenia normy EN 60695-2-4, dodatkowo wyposaŜonego w kamerę termowizyjną V-20 (Vigo System SA, Poland), którego schemat budowy i szczegółowy opis zostały zmieszczone w literaturze [18, 19]. Układ detekcji promieniowania podczerwonego w wykorzystanej podczas relacjonowanych badań kamerze V-20 był oparty na chłodzonym termoelektrycznie detektorze HgCdTe, który umoŜliwiał wykonywanie pomiaru temperatury w zakresie od 15 do 500°C. Kąt skanowania wynosił 30°, tworzony termogram składał się z 57600 punktów (240 punktów w 240 liniach), czas skanowania linii był równy 7,2 ms. Źródłem zapłonu był znormalizowany palnik gazowy o mocy cieplnej wynoszącej 1kW. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 1 przedstawiono termogramy próbek badanej rury, zarejestrowane w momencie poddania próbki działaniu zewnętrznego źródła zapłonu (czas 0s), odpowiednio po 10, 20, 30, 40 oraz 50 sekundach działania płomienia na powierzchnię zewnętrzną rury. Wraz ze zwiększaniem czasu działania płomienia palnika na powierzchnię moŜna zaobserwować i określić ilościowo rozszerzanie się obszaru nagrzanego powyŜej temperatury 358 B. Samujło uplastycznienia, topnienia, a następnie temperatury zapłonu materiału rury. Przykładowo obszar badanej powierzchni rury przekraczający temperaturę topnienia tworzywa odpowiednio po 10 sekundach wynosił 57,01%, po 20 – 62,10%, po 30 – 68,89%, po 40 – 76,98% natomiast po 50 - 80,64%. Na rysunku 2 zamieszczono wykresy zmian temperatury w funkcji czasu w obszarach oznaczonych na rys 1a. a) b) c) d) e) f) Rys. 1. Obrazy termalne źródła zapłonu i powierzchni próbki rury w momencie zapoczątkowania zapłonu (a) oraz odpowiednio po 10 (b), 20 (c), 30 (d), 40 (e) oraz 50 (f) sekundach Fig. 1. Thermovision pictures of the ignition source and pipe’s surface at the ignition initiation (a) and suitably 10 (b), 20 (c), 30 (d), 40 (e) and 50 second (f) later Zastosowanie termowizji ... a) 359 550 500 o Temperatura, C 450 0s 10 s 20 s 30 s 40 s 50 s 400 350 300 250 200 139 b) 134 129 124 119 114 109 104 114 109 104 114 109 104 Punkt pomiarowy 550 500 o Temperatura, C 450 400 350 0s 10 s 20 s 30 s 40 s 50 s 300 250 200 139 134 129 500 0s 10 s 20 s 30 s 40 s 50 s 450 400 o 119 Punkt pomiarowy c) Temperatura, C 124 350 300 250 200 150 100 139 134 129 124 119 Punkt pomiarowy Rys. 2. Temperatura powierzchni próbki rury pod działaniem źródła zapłonu w funkcji czasu w obszarach 2 – (a), 3 – (b) oraz 4 (c) (oznaczenia jak na rys 1a) Fig. 2. Temperature of the pipe’s surface under the action of the ignition source in the time function in the area 2 – (a), 3 – (b) and 4 (c) (appointed lake as fig 1a) 360 B. Samujło 4. WNIOSKI Wyniki przeprowadzonych badań oraz obserwacje wykonane podczas pomiarów pozwalają na stwierdzenie, Ŝe metoda termowizyjna umoŜliwia uzupełnienie i pogłębienie dociekań dotyczących kinetyki procesu nagrzewania i następnie zapłonu wytworów tworzywowych. Analiza obrazów termalnych pozwala na jakościowe, ale takŜe ilościowe określenie obszarów zapoczątkowania procesu palenia tworzywa i prędkości rozszerzania się płomienia (palności powierzchniowej), nierównomierności przesuwania się frontu płomienia, obszarów, w których następuje przekroczenie temperatury przemian fazowych polimeru. Badania tego typu mogą być pomocne w ustalaniu zaleŜności funkcyjnych dotyczących przebiegu w czasie procesów zapłonu a następnie palenia się wyrobów tworzywowych, przy czym raczej nie umoŜliwią sformułowania praw ogólnych, mających zastosowanie do szerokiej gamy tworzyw i rodzajów wytworów. Wydaje się takŜe celowe zastosowanie w tego typu badaniach kamer termowizyjnych wyposaŜonych w matryce detektorów umoŜliwiających bardzo szybkie tworzenie obrazów termalnych, co pozwoliłoby na bardziej szczegółowe analizy procesu zapłonu tworzyw. BIBLIOGRAFIA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Sikora R.: Tworzywa wielkocząsteczkowe - Rodzaje, właściwości i struktura, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 1991. Boryniec S., Przygocki W.: Polimery 1999, 44, nr 2, 6, 10, s. 87-94, 381-389, 656-665. Zajkov G.E.: Flammability of polymeric materials, Nova Scientific Publishers, Commarck, Nowy Jork 1996. Sawicki T.: Tworzywa Sztuczne i Chemia 2003, nr 3, s.65. Hilado C.J.: Flammability handbook for plastics. Technomic, Lancaster-Basel 1998. Samujło B., Kowalska B.: Przetwórstwo tworzyw, 2004, 13, nr 4, s.100-104. Janowska G., Przygocki W., Włochowicz A.: Palność polimerów i materiałów polimerowych. WNT, Warszawa 2007. Prystay M., Garcia-Rejon A.: Using thermography to optimize the blow-molding process. Plastics Engineering 1996, 12. Sikorski R.T., Kędziora G., Mirkiewicz G.: Polimery 1994, 39, s. 4. Jaworski J.: Termografia budynków. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2000. Praca zbiorowa: „Pomiary termowizyjne w praktyce”, Agenda Wydawnicza PAK, Warszawa 2004. Kicko-Walczak E.: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Chemia 2004, nr 73, s. 3142. Janowska G., Ślusarski L.: Polimery 2000, 45, nr 5, s. 411-415. Samujło B.: Polimery 2004, 49, nr 3, s.191-194. Zastosowanie termowizji ... 361 15. Samujło B., Rudawska A.: Teka Komisji Budowy i Eksploatacji Maszyn, Elektromechaniki, Budownictwa. Tom II. Lublin 2008, s. 153. 16. Samujło B.: International Polymer Science and Technology 2004, 31, nr 9, s.56-59. 17. Samujło B.: Czasopismo Techniczne Mechanika 1-M/2009, 106, nr 3, s.307-311. 18. Samujło B.: Przetwórstwo tworzyw 2004, 13, nr 4, s.100-104. 19. Samujło B.: Czasopismo Techniczne Mechanika 2006, 103, nr 6, s.437-440. 20. Samujło B., Sikora R., Garbacz T., Jachowicz T.: 21th Annual Meeting of The Polymer Processing Society, Germany, Leipzig 2005, s. 283-288. 21. Samujło B.: ICPP-2007, International Conference on Polymer Processing, Buct Beijing, Chiny 2007, s.126-128. 22. Samujło B., Klepka T.: PPS-22 Annual Meeting, Yamagata, Japonia 2006, s. 80.