Załącznik 5 do PN-89/E-04614/07

KSIĘGA PROCEDUR BADAWCZYCH
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA
WYDZIAŁ TECHNIKI MORSKIEJ
Katedra Technicznego Zabezpieczenia Okrętów
Laboratorium Badań Cech Pożarowych Materiałów
PROCEDURA BADAWCZA NR PB-KTZ-12
Wydanie:
B-KTZ17/2007
Edycja 6
WYZNACZANIE POTENCJAŁU
CIEPLNEGO MATERIAŁÓW
Procedura badawcza PB-KTZ-12
Opracował:
dr hab. Zygmunt Sychta, prof. PS
dr inż. Krzysztof Sychta
Szczecin 2007 r.
Adres:
71-065 Szczecin al. Piastów 41
tel./fax: 48 (091) 4339877 tel.: 48 (091) 4494174
e-mail: [email protected]
©2007 Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie, powielanie, przetwarzanie treści, rysunków i programów zawartych w
niniejszej witrynie dozwolone wyłącznie za zgodą autorów.
Spis treści
Strona
1.
2.
3.
WPROWADZENIE
1.1. Potencjał cieplny
1.1.1. Międzynarodowy kodeks stosowania procedur
prób ogniowych (kodeks FTP)
1.1.2. Zastosowanie Kodeksu procedur prób ogniowych
część 5 - badanie palności powierzchniowej
1.1.3. Niepalności materiałów wg PN-EN 135001
1.2. Polska norma PN-EN ISO 1716
1.2.1. Zakres normy
1.2.2. Powołania normatywne (Patrz załącznik krajowy
NA)
1.3. Terminy i określenia
1.4. Podstawy kalorymetrycznego określania efektów
cieplnych
1.4.1. Zasada pomiaru
1.4.2. Bilans cieplny kalorymetru
1.4.3. Pomiar temperatury płynu kalorymetrycznego
1.4.4. Określanie poprawki przyrostu temperatury w
kalorymetrze
2. OPIS STANOWISKA
2.1. Bomba kalorymetryczna
2.2. Tygiel
2.3. Urządzenie do wykonywania "papierosów"
2.4. Naczynie kalorymetryczne
2.5. Termostat wodny (płaszcz kalorymetru)
2.6. Mieszadło mechaniczne
2.7. Prasa do sporządzania pastylek
2.8. Układ do pomiaru temperatury
2.9. Urządzenia do napełniania bomby kalorymetrycznej
tlenem
2.10. Odczynniki
WYZNACZANIE POTENCJAŁU CIEPLNEGO
3.1. Pomieszczenie i środki bezpieczeństwa
3.2. Próbki do badań
3.2.1. Pobieranie próbek
3.2.2. Określenie gęstości powierzchniowej
3.2.3. Przygotowanie próbki
3.2.4. Masa próbki
3.2.5. Liczba próbek
4
6
6
6
7
7
8
8
8
8
9
9
9
10
12
15
16
17
18
18
18
19
20
20
20
20
22
22
22
22
22
22
23
23
4.
5.
3.2.6. Sezonowanie
3.2.7. Rodzaje próbek
3.2.8. Metoda tyglowa
3.2.9. Metoda "papierosowa"
3.3. Przygotowanie naczynia kalorymetrycznego do
pomiaru
3.4. Przygotowanie bomby do pomiaru
3.5. Wykonanie pomiaru
3.5.1. Czynności wstępne
3.5.2. Przeprowadzenie badań
3.5.3. Czynności końcowe
3.6. Protokół z badań
KONSERWACJA I NAPRAWY
ZAŁĄCZNIK - MIĘDZYNARODOWY KODEKS
STOSOWANIA PROCEDUR PRÓB
OGNIOWYCH (KODEKS FTP)
5
24
24
24
24
25
26
27
27
28
29
29
30
31
1. WPROWADZENIE
1.1. Potencjał cieplny
Potencjał niszczący pożaru zależy między innymi od ilości (paliwa)
materiałów palnych zgromadzonych w strefie pożaru. Miarą tego potencjału
jest obciążenie pożarowe.
Q pc = ∑ m i ⋅ c spi
gdzie: mi
cspi
- masa i-tego rodzaju materiału palnego znajdującego się w pomieszczeniu
(strefie pożarowej), kg,
- ciepło spalania i-tego rodzaju materiału palnego, kJ/kg.
Obciążenie pożarowe oznacza jedynie maksymalny potencjał cieplny,
zgromadzony w zastosowanych materiałach (wyrobach), który w czasie pożaru
może, ale nie musi się wyzwolić. Zmniejszenie obciążenia pożarowego polega
na zastąpieniu materiałów palnych materiałami niepalnymi lub na ograniczeniu
w obiektach morskich do 45 MJ/m2 potencjału cieplnego właściwego
materiałów powierzchniowych (okładzin, oklein, itp.) ścian, sufitów, mebli i
innych powierzchni zewnętrznych określonego wzorem:
Q pcw =
gdzie:
m
F
ρ
D
csp
-
m ⋅ c sp
F
= ρ ⋅ d ⋅ c sp ≤ 45
masa materiału palnego, kg,
powierzchnia materiału, m2,
gęstość materiału, kg/m3,
grubość materiału, m,
ciepło spalania materiału, MJ/kg.
1.1.1. Międzynarodowy kodeks stosowania procedur prób ogniowych
(kodeks FTP)
Międzynarodowy kodeks stosowania procedur prób ogniowych
(Rezolucja MSC 61.(67)) przeznaczony jest do stosowania przez administrację
i uprawnioną organizację państwa flagi przy dopuszczaniu wyrobów do
montażu na statkach pływających pod banderą tego państwa, zgodnie z
wymaganiami bezpieczeństwa pożarowego Międzynarodowej Konwencji o
Bezpieczeństwie Życia na Morzu SOLAS 1974, z poprawkami. Kodeks
powinien stanowić podstawę badań i oceny wyrobów przez laboratoria.
6
Niniejszy Kodeks ma zastosowanie do wyrobów, które wymagają badań,
oceny i uznania zgodnie z nim procedur prób ogniowych, jak podano w
Konwencji.
Jeżeli przywołanie Kodeksu jest określone w Konwencji SOLAS przez
sformułowanie "...zgodnie z Kodeksem stosowania procedur prób ogniowych",
to dany wyrób powinien być badany zgodnie z mającą zastosowanie procedurą
lub procedurami badań ogniowych, o których mowa w punkcie 4.1.
Jeżeli odsyłacz w Konwencji SOLAS dotyczy tylko przeprowadzania
badania palności wyrobów i ma brzmienie "...i ich odsłonięte powierzchnie
powinny mieć właściwości wolnego rozprzestrzeniania się płomienia", to dany
wyrób powinien być badany zgodnie z mającą zastosowanie procedurą lub
procedurami badań ogniowych przedstawionymi w załączniku nr 1 Rezolucji
MSC.61(67).
1.1.2. Zastosowanie Kodeksu procedur prób ogniowych część 5 - badanie
palności powierzchniowej
Zastosowanie Jeżeli wymagane jest, aby powierzchnia wyrobu miała
własność wolnego rozprzestrzeniania płomienia, wyrób musi spełniać
wymagania niniejszej części Kodeksu.
Mmateriały do wykończenia powierzchni powinny być badane i oceniane
zgodnie z procedurą badania podaną w Rezolucji A.653(16). Do celów
niniejszej części wartość całkowitego ciepła wydzielanego przez próbkę (Q,)
dla wykładzin podłogowych podana w punkcie 10 Załącznika do Rezolucji
A.653(16) została zastąpiona przez < 2,0 MJ. Badanie może być zakończone po
40 minutach.
Podczas badania materiałów wykończeniowych grodzi, sufitów, pokładów i
pierwotnych pokryć pokładów (patrz część 6 niniejszego załącznika dla
pierwotnych pokryć pokładów) mamy do czynienia z takimi próbkami, które
zachowują się nietypowo, co powoduje trudności w kwalifikacji materiałów.
Dodatek do niniejszej części podaje wytyczne dotyczące jednolitej interpretacji
takich wyników.
Wymagania dodatkowe Materiały wykończeniowe do grodzi, sufitów oraz
podobnych odsłoniętych powierzchni w przypadku gdy dla wyrobu wymagane
jest określenie maksymalnej wartości ciepła spalania (np. 45 MJ/m2), to do
jego wyznaczenia zalecana jest metoda badania według ISO 1716.
1.1.3. Niepalności materiałów wg PN-EN 135001
Europejski system klasyfikacji materiałów wg EN 13501-1 w zakresie
odporności na działanie zewnętrznych źródeł podpalania jest złożony i
rozbudowany. Do oceny niepalności materiałów wymagane jest badanie
materiałów dwoma metodami:
- badanie niepalności materiałów wg PN-EN ISO 1182,
7
- badanie reakcji na ogień wyrobów budowlanych; określenie ciepła
spalania wg PN-EN ISO 1716,
1.2. Polska norma PN-EN ISO 1716
Badania reakcji na ogień wyrobów budowlanych. Określanie ciepła
spalania
Niniejsza norma jest polską wersją normy europejskiej EN 1716:2002.
Została ona przetłumaczona przez Polski Komitet Normalizacyjny i ma ten sam
status co wersje oficjalne.
1.2.1. Zakres normy
Niniejsza Norma Europejska opisuje metodę określania ciepła spalania
brutto (PCS) wyrobów budowlanych w stałej objętości w bombie
kalorymetrycznej.
W Załączniku A opisano sposób obliczeń ciepła spalania netto (PCI), gdy
jest to wymagane.
Informacje o precyzji metody podano w załączniku B.
1.2.2. Powołania normatywne (Patrz załącznik krajowy NA)
Do niniejszej normy wprowadzono, drogą datowanego lub niedatowanego
powołania, postanowienia zawarte w innych publikacjach. Te powołania
normatywne znajdują się w odpowiednich miejscach w tekście normy, a wykaz
publikacji podano poniżej. W przypadku powołań datowanych późniejsze
zmiany lub nowelizacje którejkolwiek z wymienionych publikacji maja
zastosowanie do niniejszej normy europejskiej tylko wówczas, gdy zostaną
wprowadzone do tej normy przez jej zmianę lub nowelizację. W przypadku
powołań niedatowanych stosują się ostatnie wydanie powołanej publikacji
(łącznie ze zmianami).
EN 13238 Reaction to fire tests for building products - Conditioning
procedures and general rules for selection of substrates
EN ISO 13943 Fire Safety - Vocabulary
1.3. Terminy i określenia
Dla potrzeb niniejszej Normy Europejskiej stosuje się definicje podane w PN
EN ISO 13943:2000 oraz terminy i określenia podane poniżej.
1. wyrób - oceniany materiał, element lub składnik,
2. materiał - pojedyncza podstawowa substancja lub jednorodnie
rozprowadzona mieszanina substancji np. metal, kamień, drewno, beton,
wełna mineralna z równomiernie rozprowadzonym lepiszczem, tworzywa
sztuczne.
8
3. wyrób homogeniczny - wyrób składający się z pojedynczego materiału, i
którego gęstość i skład są jednakowe w całym przekroju wyrobu,
4. wyrób niehomogeniczny - wyrób, który nie spełnia wymagań dla wyrobu
homogenicznego, i który składa się większej (niż jeden) liczby
składników zasadniczych lub drugorzędnych,
5. składnik zasadniczy - materiał, który stanowi znaczącą część wyrobu
niehomogenicznego. Warstwę o masie powierzchniowej ≥ 1,0 kg/m2 lub o
grubości ≥ 1,0 mm uważa się jest za składnik zasadniczy.
6. składnik drugorzędny - materiał, który nie stanowi znaczącej części
wyrobu niehomogenicznego. Warstwę o masie powierzchniowej < 1,0
kg/m2 i grubości < 1,0 mm uważa się jest za składnik drugorzędny, Dwie
lub więcej warstwy składników drugorzędnych przylegających do siebie
(tzn. takich, między, którymi nie występuje składnik zasadniczy) uważa
się za jeden składnik drugorzędny, jeśli w całości spełniają wymagania
określone dla składnika drugorzędnego.
7. wewnętrzny składnik drugorzędny - składnik drugorzędny, który z
obydwóch stron jest pokryty przez co najmniej jeden składnik zasadniczy.
8. zewnętrzny składnik drugorzędny - składnik drugorzędny, który z
jednej strony nie jest pokryty składnikiem zasadniczym.
9. ciepło spalania - energia cieplna wydzielona w wyniku spalania
jednostki masy danej substancji, MJ/kg. [PN EN ISO 13943:2000]
10.ciepło spalania brutto (PCS) MJ/kg - ciepło spalania substancji gdy
spalanie, w określonych warunkach, jest całkowite i wytworzona woda
jest całkowicie skroplona. [PN EN ISO 13943:2000]
11.ciepło spalania netto (PCI) MJ/kg - ciepło spalania substancji gdy
spalanie, w określonych warunkach jest całkowite i wytworzona woda
występuje w postaci pary. [PN EN ISO 13943:2000]
Uwaga: Ciepło spalania netto może być obliczane z ciepła spalania brutto.
12.ukryte ciepło parowania, MJ/kg - ciepło niezbędne do zamiany wody z
cieczy w gaz.
1.4. Podstawy kalorymetrycznego określania efektów cieplnych
1.4.1. Zasada pomiaru
Pomiar polega na całkowitym spalaniu próbki materiału w atmosferze tlenu
pod ciśnieniem w bombie kalorymetrycznej zanurzonej w wodzie i na pomiarze
przyrostu temperatury tej wody. Ciepło spalania materiału wylicza się po
wyznaczeniu poprawek na dodatkowe efekty cieplne mnożąc przyrost
temperatury przez wartość cieplną kalorymetru.
1.4.2. Bilans cieplny kalorymetru
Uproszczony model kalorymetru przedstawiono na rysunku 1.
9
Rys. 1. Uproszczony model kalorymetru (naczynie kalorymetryczne o temperaturze T, osłona
kalorymetru o temperaturze Tz)
Ciepło wydzielone w kalorymetrze dQ, np. na skutek spalenia próbki
materiału składa się z ciepła zakumulowanego w naczyniu kalorymetrycznym
dU w postaci przyrostu jego energii cieplnej (niekoniecznie wewnętrznej) oraz
części ciepła przenikającego do osłony dQz; Przy założeniu jednorodności
termicznej naczynia kalorymetru i osłony ciepło wydzielone określa równanie:
dQ = dU + dQ z
Przyrost energii cieplnej dU naczynia kalorymetrycznego łącznie z jego
zawartością przy wzroście temperatury o dT wynosi
dU = K ⋅ dT
Współczynnik proporcjonalności K, nazywany pojemnością cieplną kalory­
metru lub równoważnikiem cieplnym kalorymetru jest równy stosunkowi ciepła
zakumulowanego w kalorymetrze do przyrostu temperatury wywołanego tym
ciepłem. Pojemność cieplną określa się w czasie wzorcowania kolorymetru
spalają w nim próbki paliwa wzorcowego.
Ilość ciepła dQz przenikającą do osłony kalorymetru w czasie dt określa
wzór:
dQ z = α ⋅ ( T − Tz ) ⋅ dt
gdzie: α
T
Tz
- współczynnik proporcjonalności charakteryzujący ilość ciepła przenikającą
do osłony; kW/oC,
- temperatura wody w naczyniu kalorymetrycznym, oC.
- temperatura wody w osłonie, oC.
Równanie bilansu cieplnego kalorymetru przyjmuje postać:
dQ = K ⋅ dT + α ⋅ ( T − Tz ) ⋅ dt
Efekt cieplny uzyskany w kalorymetrze można wyznaczyć całkując powyższe
równanie dla określanych w czasie pomiaru zmian temperatur T i Tz oraz
znanych wartości stałych K i α.
1.4.3. Pomiar temperatury płynu kalorymetrycznego
Właściwy pomiar temperatury wody w kalorymetrze dzieli się na trzy okresy
(rys. 2):
10
- początkowy. Okres początkowy służy do kontroli wymiany ciepła między
naczyniem kalorymetrycznym a płaszczem wodnym i otoczeniem przed
spaleniem próbki.
- główny. W okresie głównym następuje spalenie próbki, wydzielenie się
ciepła i przekazanie go do układu kalorymetrycznego oraz wyrównanie
temperatur.
- końcowy. Okres końcowy spełnia ten sam cel co okres początkowy, lecz
w warunkach przekazywania ciepła od kalorymetru do płaszcza wodnego
i otoczenia.
Opisany przebieg procesu decyduje o początkowych temperaturowych
warunkach układu kalorymetrycznego z wymianą ciepła z otoczeniem.
Temperatura wody znajdującej się w płaszczu wodnym kalorymetru powinna
być zbliżona do temperatury otoczenia z dokładnością ±2°C. Temperatura
wody w płaszczu powinna być równa w przybliżeniu średniej arytmetycznej
końcowej i początkowej temperatury okresu głównego. Praktycznie
początkowa temperaturę wody w naczyniu kalorymetru powinna być niższa od
temperatury wody w płaszczu kalorymetru o ok. 1 ÷ 1,5 °C.
Okres początkowy
Okres główny
Okres końcowy
21,5
21,4
y = -0,0019x + 21,478
R2 = 0,9947
Temperatura, o C
21,3
21,2
21,1
21
20,9
20,8
y = 0,001x + 20,676
R2 = 0,9758
20,7
20,6
0
5
10
15
20
25
Czas, min
Rys. 2. Zależność zmiany temperatury wody w naczyniu kalorymetru od czasu
Okres początkowy trwa 5 minut i składa się z 5 odczytów wykonywanych z
niedokładnością ok. 0,001 °C co 1 minutę (dopuszcza się wykonywanie 11
odczytów co pół minuty). Przyrost temperatury w czasie okresu początkowego
jest w przybliżeniu liniowy (rys. 2.):
Tp = a p ⋅ t + b
gdzie: Tp
- temperatura wody w naczyniu kalorymetrycznym w okresie początkowym,
11
o
C,
- szybkość przyrostu temperatury wody w okresie początkowym, oC/min,
- Czas, min,
- stała równa temperaturze początkowej pomiarów, oC.
ap
t
b
Ostatni odczyt temperatury wody w naczyniu kalorymetrycznym w
początkowym okresie jest równocześnie pierwszym odczytem okresu głównego
(Tpk = Tgo). Okres główny został zakończony, gdy temperatura wody osiągnęła
wartość maksymalną i następuje równomierna zmiana temperatury wody w
naczyniu kalorymetru. W przypadku, gdy występują zastrzeżenia, co do
określenia końcowej temperatury okresu głównego, wątpliwe pół minuty należy
zaliczyć do kresu głównego.
Ostatni odczyt okresu głównego jest równocześnie pierwszym odczytem
okresu końcowego (Tgk = Tko). Okres końcowy trwa 5 minut i składa się z 11
odczytów temperatury. Spadek temperatury w czasie okresu końcowego jest w
przybliżeniu liniowy (rys. 2.):
Tk = a k ⋅ t + b k
gdzie: Tk
ak
t
bk
-
temperatura wody w naczyniu kalorymetrycznym w okresie końcowym, oC,
szybkość zmian temperatury wody w okresie końcowym, oC/min,
Czas, min,
stała równa temperaturze początkowej okresu końcowego, oC.
Stałe ap i ak wyznacza się doświadczalnie na podstawie wyników pomiaru
temperatury wody w kalorymetrze w funkcji czasu przy pomocy standardowych
programów do obliczania parametrów regresji liniowej.
1.4.4. Określanie poprawki przyrostu temperatury w kalorymetrze
Ciepło wydzielone w kalorymetrze obliczamy z zależności
Q = K ⋅ ∆Tc
Na podstawie wyników pomiarów temperatury oblicza się poprawiony
przyrost temperatury wody w naczyniu kalorymetru wywołany wydzieleniem
się ciepła podczas spalania próbki materiału w bombie kalorymetrycznej.
Przyrost ten można wyznaczyć z zależności
∆Tc = ( Tgk + ∆ gk ) − ( Tgo + ∆ go ) + ∆ ≈ ∆T + ∆
gdzie: ∆gk, ∆go
∆T = Tgk - Tgo
- poprawka na wskazania termometru dla temperatur Tgk i Tgo (wg
świadectwa cechowania termometru), oC,
- zmierzony w okresie głównym przyrost temperatury w naczyniu kalo­
rymetrycznym, oC.
Poprawka ∆ uwzględnia wymieniane ciepło układu kalorymetrycznego z
otoczeniem i pracę mieszadła.
12
Równanie bilansu cieplnego naczynia kalorymetrycznego z wyposażeniem w
dowolnym okresie dt ma postać
dQ + N m ⋅ dt = K ⋅ dT + α ⋅ ( T − Tz ) ⋅ dt
gdzie: dQ
K
Nm⋅dt
Tz
T
α
-
ciepło wydzielone w kalorymetrze, kJ,
pojemność cieplna kalorymetru, kJ/ oC,
Praca mieszania (Nm – moc mieszania), kJ,
temperatura osłony kalorymetru, oC,
temperatura wody w naczyniu kalorymetrycznym, oC,
współczynnik proporcjonalności charakteryzujący ilość ciepła
przenikającą do osłony kalorymetru, kW/oC,
α⋅(T - Tz)⋅dt - ciepło oddane do osłony kalorymetru, kJ.
Całkując równanie bilansu cieplnego dla czasu trwania okresu głównego (tgk tgo) otrzymujemy:
t gk
t gk



α 
Nm  
α 
Nm 
Nm


(
)
Q = K ⋅ ∆T + ⋅ ∫  T − Tz −
⋅
dt
=
K
⋅
∆
T
+
⋅
T
−
T
−
⋅
dt
−
t
−
t



z
gk
go 
K t go 
K  
K t∫go 
K 
K





Stąd poprawka ∆ uwzględniająca wymianę ciepła między układem i otoczeniem
oraz pracę mieszadła wynosi:
t gk
t gk
α 
N 
α 
N 
N
∆ = ⋅ ∫  T − Tz − m  ⋅ dt = ⋅ ∫  T − Tz − m  ⋅ dt − m ( t gk − t go )
K t go 
K 
K t go 
K 
K
Podstawiając do otrzymanego równania zależność:
α
N
α
⋅ Tz + m = ⋅ Tz'
K
K
K
otrzymujemy następujący wzór na poprawkę przyrostu temperatury w
kalorymetrze ∆:
t gk
α
∆ = ⋅ ∫ T − Tz' ⋅ dt
K t go
gdzie: Tz’
-
(
)
poprawiona temperatura osłony uwzględniająca dodatkową wymianę ciepła
wynikającą z pracy mieszadła, oC.
Dla okresu początkowego i końcowego (dQ = 0) utrzymujemy następujący
układ równań:
K ⋅ α1 + α ⋅ Tps − Tz' = N m
(
)
K ⋅ α + α ⋅ (T − T ) = N
α ⋅ (T − T ) = N
2
z
gdzie: Tz’
'
z
ks
'
z
m
m
- poprawiona temperatura osłony, uwzględniająca dodatkową wymianę
ciepła wynikającą z pracy mieszadła.
13
α1, α2
Tps, Tks
Nm
- średni przyrost temperatury w jednostce czasu w okresie początkowym i
końcowym
- średnia temperatura w okresie początkowym i końcowym,
- moc mieszania.
Rozwiązanie powyższego układu równań umożliwia wyznaczenie α/K i Tz’:
α α1 − α 2
=
K Tks − Tps
Tz' =
Tks ⋅ α1 − Tps ⋅ α 2
α1 − α 2
Wielkości α1, α2, Tps, Tks określa się doświadczalnie.
Jeżeli jest znany przebieg temperatury w okresie początkowym, głównym i
końcowym poprawkę temperaturową ∆ można obliczyć ze wzoru:
t gk
α ⋅ T − α 2 ⋅ Tps
α − α2
∆= 1
⋅ ∫ T ⋅ dt + 1 ks
⋅ ( t gk − t go )
Tks − Tps t go
α1 − α 2
Na podstawie zmierzonego przebiegu temperatury w okresie głównym
można obliczyć całkę korzystając z metody trapezów
t gk
Tgo − Tgk n −1
T
⋅
dt
=
+ ∑ Ti
∫t
2
i =1
go
n=
gdzie: n
α1, α2
∆t
Tps, Tks
t gk − t go
∆t
- liczba pomiarów w okresie głównym,
- Szybkości zmian temperatur w okresie początkowym i końcowym,
o
C/min,
- odstępach czasu między kolejnymi pomiarami, min,
- średnia temperatura w okresie początkowym i końcowym, oC.
Po podstawieniu całki do wyrażenia na poprawkę przyrostu temperatury
otrzymuje się końcowy wzór zwany poprawką Regnaulta -Pfaundlera.w
postaci:
α1 − α 2  Tgo − Tgk n −1  α1 ⋅ Tks − α 2 ⋅ Tps
∆=
⋅
+ ∑ Ti 
⋅ ( t gk − t go )
Tks − Tps 
2
α1 − α 2
i =1

14
2. OPIS STANOWISKA
Stanowisko (rys. 3., rys. 4.) przeznaczone jest do wyznaczania ciepła
spalania materiałów metodą wg ISO 1716.
Rys. 3. Stanowisko do pomiaru ciepła spalania
Rys. 4. Schemat zestawu kalorymetrycznego do wyznaczania ciepła spalania
W skład stanowiska wchodzą:
15
- wysokociśnieniowa bomba kalorymetryczna z oprzyrządowaniem,
- naczynie kalorymetryczne bomby z oprzyrządowaniem,
- płaszcz wodny o polerowanej zewnętrznej powierzchni z
oprzyrządowaniem,
- mieszadło napędzane silnikiem o stałej liczbie obrotów z
oprzyrządowaniem,
- tygiel właściwy do umieszczenia w nim próbki materiału,
- drut zapalający,
- zasilacz elektryczny do zapalania (napięcie < 20 V),
- układ do napełniania bomby kalorymetrycznej tlenem z regulatorem i
miernikiem ciśnienia. Ciśnienie tlenu w końcowym momencie napełnienia
powinno wynosić 3,0 ÷ 3,5 MPa.
- zestaw do automatycznego pomiaru i rejestracji temperatury wody w
płaszczu wodnym i w naczyniu kalorymetrycznym z dokładnością 0,001
o
C.
2.1. Bomba kalorymetryczna
Parametry bomby kalorymetrycznej (rys. 5.):
a) objętość: (300±50) ml;
b) masa nie większa niż 3,25 kg,
c) grubość ścian co najmniej 1/10 wewnętrznej średnicy korpusu bomby.
Rys. 5. Bomba kalorymetryczna
Wykonana jest ze stali i kwasoodpornej. Składa się z dwóch zasadniczych
elementów korpusu bomby o kształcie cylindrycznym i głowicy, która zamyka
16
korpus. Wewnętrzna powierzchnia bomby musi być odporna na działanie
produktów spalania i, nawet jeśli stosowane jest "paliwo" z duża zawartością
siarki, musi być odporna na korozję miejscową i międzykrystaliczną
powodowaną przez kwasy powstałe podczas spalania.
Zamknięcie korpusu następuje za pomocą pierścieniowej radełkowanej
zewnętrznie nakrętki samouszczelniającej, która dociska głowicę do korpusu
poprzez pierścień uszczelniający gumowy i pierścień dociskowy metalowy.
Takie rozwiązanie zamknięcia bomb pozwala na dokręcenie lub odkręcenie
nakrętki ręką, bez użycia klucza.
Samouszczelnienie bomby następuje pod wpływem wzrostu ciśnienia we­
wnętrznego. Odpowiedni kształt pierścienia uszczelniającego zapewnia
szczelność bomby nawet przy niskich ciśnieniach. W głowicy bomby kalo­
rymetrycznej znajdują się dwa zawory samoczynne zwrotno-wylotowy i
wylotowy oraz elektroda odizolowana od korpusu bomby uszczelką
porcelanową.
Zawory działają poprzez grzybki z uszczelkami gumowymi dociskane do
pierścieni korpusów zaworowych ciśnieniem tlenu w bombie. Zawór wylotowy
zwalnia się przez wykręcenie regulatora zaworu. W czasie wkręcania regulatora
wytwarzany jest nacisk na grzybek zaworowy od góry siłą większą od siły
wywieranej przez ciśnienie w bombie od dołu i tym samym otwarcie zaworu.
Korpus zaworu wlotowego połączony jest nurką wlotową sięgającą w głąb
bomby pozwalającą na wlot tlenu do bomby poniżej zawieszenia tygielka. Na
rurce przedłużającej znajduje się uchwyt do tygla i zacisk drutu zapłonowego.
Elektroda ma również przedłużenie w głąb bomby do poziomu zawieszenia
tygielka z zaciskiem drutu zapłonowego. W uchwycie umieszcza się tygielek ze
stali kwasoodpornej. Oprócz tego rodzaju tygli stasować można tygle
kwarcowe lub platynowe.
Zamknięta bomba musi wytrzymać ciśnienie wewnętrzne 21 MPa.
W wyposażeni bomby jest statyw, który służy do
podtrzymania głowicy bomby podczas manipulacji
związanych z zawieszeniem tygielka z próbką i
mocowaniem drucika zapłonowego do elektrod.
Uwaga: Takie warunki określają bombę, która po
umieszczeniu w niej 1 g węgla i pod ciśnieniem
początkowym nie większym niż 3MPa (określone
metodą, manometryczni, jest w stanie wytrzymać, z
odpowiednim
współczynnikiem
bezpieczeństwa,
ciśnienie maksymalne wytworzone przy spalaniu, bez
konieczności
zwiększenia
masy
bomby
kalorymetrycznej.
17
2.2. Tygiel
Tygiel może być wykonany z metali takich jak: platyna, nikiel, stal
nierdzewna lub ze szkła kwarcowego, mieć płaskie dno, średnicę 25 mm
(maksymalny wymiar jeśli tygiel jest w kształcie ściętego stożka) i wysokość
od 14 mm do 19 mm. Zaleca się następujące grubości ścianek:
- tygle metalowe: 1,0 mm,
- tygle kwarcowe: 1,5 mm.
Uwaga: Dopuszcza się różne kształty tygli spełniających powyższe wymagania.
2.3. Urządzenie do wykonywania "papierosów"
Urządzenie wykonywania papierosów przedstawia rysunek 6. Urządzenie do
wykonywania "papierosów" składa się z formy i metalowej matrycy
(aluminium wykluczone).
Rys. 6. Urządzenie do wykonywania papierosów: 1 - oprawka, 2 - matryca.
2.4. Naczynie kalorymetryczne
Naczynie kalorymetryczne o kształcie walca wykonano z blachy mosiężnej
obustronnie niklowanej i polerowanej. W górnej części od wewnątrz naczynia
znajdują się dwa uchwyty służące do jego przenoszenia. Naczynie
kalorymetryczne jest umieszczone w płaszczu wodnym kalorymetru na
podstawce z izolacji cieplnej. Pojemność naczynia kalorymetrycznego wynosi
około 4 dm3.
2.5. Termostat wodny (płaszcz kalorymetru)
Termostat wodny stanowi naczynie mosiężne, okrągłe, o podwójnych
ścianach obustronnie niklowanych i polerowanych. Zadaniem termostatu jest
ochrona naczynia kalorymetrycznego przed zewnętrznymi wpływami ciepl­
nymi.
18
Pojemność płaszcza kalorymetru wynosi około 16 dm3. W przestrzeni
między ścianami płaszcza umieszczona jest wężownica, służąca do regulacji
temperatury wody znajdującej się w płaszczu za pomocą medium chłodzącego
lub ogrzewającego (najlepiej wody). Wężownica zakończona jest króćcami
wyprowadzanymi na zewnątrz płaszcza, które w razie potrzeby łączy się za
pomocą węży z instalacją zasilająco - odpływową w celu doprowadzenia wody
w płaszczu kalorymetrycznym do żądanej temperatury. Obok wężownicy,
wewnątrz płaszcza kalorymetru wbudowane jest mieszadło ręczne służące do
wyrównywania temperatury wody w całej objętości płaszcza.
W górnej części płaszcza kalorymetru znajduje się otwór wlewowy zam­
knięty korkiem, w którym umieszczany jest czujnik termometru o zakresie 0 do
+ 50°C do pomiary temperatury wody w płaszczu.
Płaszcz kalorymetru wypełniony jest wodą, której w zasadzie nie wymienia
się. Reguluje się natomiast jej temperaturę do temperatury otoczenia
korzystając w tym celu z wężownicy. Przed odczytem temperatury w płaszczu
należy kilkakrotne poruszać mieszadłem ręcznym. Różnica między temperaturą
wody w płaszczu a temperaturą otoczenia nie powinna przekraczać ±2 °C.
Do górnej części płaszcza kalorymetru przymocowano prowadnicę do
mieszadła mechanicznego. W czasie dokonywania oznaczenia ciepła spalania
wnętrze termostatu zamyka się dwudzielną pokrywą wykonaną z winiduru.
Płaszczyzna jej podziału przechodzi przez otwory służące do wprowadzenia do
kalorymetru termometru, wałka mieszadła i przewodu zapalarki.
W systemie kalorymetrycznym adiabatycznym grzałka i system
termometryczny musza być umieszczone w naczyniu kalorymetrycznym tak
aby w płaszczu utrzymywana była temperatura wody taka sama jak w naczyniu
kalorymetrycznym. W systemie kalorymetrycznym izotermicznym w płaszczu
musi być utrzymywana stała temperatura wody.
2.6. Mieszadło mechaniczne
Mieszadło mechaniczne śmigłowe służące do mieszania wody w naczyniu
kalorymetrycznym osadzone jest na pręcie stanowiącym przedłużenie wału
napędowego silnika elektrycznego o mocy 10 W i napięciu 48 W. Ilość
obrotów mieszadła wynosi 900 obr/min.
Silnik osadzony jest przesuwnie na specjalnej prowadnicy umożliwiającej
mieszadła w ustalanym punkcie naczynia kalorymetrycznego w pozycji
roboczej oraz na wyprowadzenie go z naczynia i przez obrót 90° umożliwienie
swobodnego dostępu do kalorymetru. Oś mieszadła jest izolowana pod
względem cieplnym od silnika sprzęgłem wykonanym z rezotaksu.
2.7. Prasa do sporządzania pastylek
Prasa jest typu śrubowego o napędzie ręcznym. Na ruchomej poleczce
zawieszona jest tuleja formująca, w której sprasowuje się próbkę paliwa za
19
pomocą tłoka poruszanego przez śrubę. Od dołu tuleja formująca - jest
zamknięta dnem w postaci łatwousuwalnej wkładki. Wkładka spoczywa na
wysuwalnej spod prasy podporze. Specjalna konstrukcja wkładki i podpory
ułatwia wydostanie z prasy gotowej pastylki.
2.8. Układ do pomiaru temperatury
Do pomiaru temperatury zastosowano termometry kwarcowe pozwalające
mierzyć temperaturę w zakresie – 60 oC ÷ 200 oC z dokładnością 0,0001 oC.
Wynik pomiaru temperatury w programowalnych odstępach czasu rejestruje
automatycznie zintegrowany system kontrolno-pomiarowy z przetwornikiem
TTL.
2.9. Urządzenia do napełniania bomby kalorymetrycznej tlenem
Stanowisko do pomiaru ciepła spalania jest wyposażone w następujące
urządzenia do napełniania bomby kalorymetrycznej tlenem:
a) reduktor butylowy,
b) kapilarę (rys. 7.) do połączenia reduktora z bombą kalorymetryczną w
czasie napełniania bomby tlenem. Kapilara posiada końcówki gwinto­
wane umożliwiające szczelne połączenie bomby z reduktorem.
Rys. 7. Kapilara
c) podstawkę do bomby kalorymetrycznej (klucz). Podstawkę stanowi
krążek o średnicy równej średnicy
korpusu bomby kalorymetrycznej z
trzema
bocznymi
wcięciami
dopasowanymi ściśle do nóżek
bomby
kalorymetrycznej.
Podstawkę przytwierdza się za
pomocą trzech śrub do trwałej
podstawy najlepiej w miejscu
przewidzianym do napełniania bomby tlenem. Podstawka służy do
zabezpieczenia bomby przed wywróceniem oraz do usztywnienia bomby
w czasie jej zamykania.
20
2.10. Odczynniki
- woda destylowana lub demineralizowana, woda.
- sprężony tlen, wolny od palnych domieszek (o czystości z 99,5%),
Uwaga: Tlen otrzymywany drogą elektrolizy może zawierać mały dodatek wodoru, co
czyni go nieprzydatnym do tego badania.
- kwas benzoesowy w postaci proszku lub stanowiący "wzorzec
odniesienia dla kalorymetrii" o gwarantowanym cieple spalania brutto,
- dodatkowe substancje palne o znanym cieple spalania brutto. W celu
uzyskania całkowitego spalania materiału, którego potencjał cieplny
brutto jest względnie niski często jest konieczne:
a)
zwiększenie potencjału cieplnego brutto próbki przez dodanie
łatwopalnej substancji o znanym wysokim potencjale cieplnym
brutto, np. kwasu benzoesowego, waty, bibuły,
b)
użycie otuliny (koperty) wykonanej z łatwopalnego materiału o
znanym wysokim potencjale cieplnym,
c)
zastosowanie innej dowolnej metody zapewniającej całkowite
spalanie, nie pogarszającej dokładności próby.
W celu upewnienia się, że wystąpiło całkowite spalanie próbki,
pozostałości po próbie powinny być wysuszone, ich masa określona z
dokładnością do 0,1 mg i umieszczone na 1 h w piecu o temperaturze
900°C. Po ostudzeniu w suszarce do temperatury otoczenia, powtórne
ważenie wykazuje czy spalanie było całkowite.
- bibułka z klejem do wykonywania "papierosów" o minimalnych
wymiarach: 55 mm x 50 mm i znanym cieple spalania brutto,
Uwaga: Handlowo dostępna bibułka do papierosów o wymiarach 55 mm x 100 mm
jest odpowiednia po przecięciu na dwie równe części.
- drut zapłonowy wykonany z czystego żelaza o średnicy 0,1 mm np.
struna do pianina. Inne typy drutów metalowych (np. z platyny, niklu lub
chromu) mogą być stosowane jeśli ulegają przerwaniu pod własnym
ciężarem po zamknięciu obwodu zapalającego i jeśli znane ich dokładne
ciepło spalania brutto.
chromonikielina Hof = 1403 kJ/kg,
platyna Hof = 419 kJ/kg,
czyste żelazo Hof = 7490 kJ/kg,
wata bawełniana Hof = 17543 kJ/kg.
- nić bawełniana biała wykonana z białej bawełny celulozowej. Jeśli
stosuje się tygiel metalowy, nie wolno dopuścić do zetknięcia drutu
zapalającego z tyglem. Proponuje się owinięcie drutu metalowego
bawełnianą nicią.
21
3. WYZNACZANIE POTENCJAŁU CIEPLNEGO
3.1. Pomieszczenie i srodki bezpieczeństwa
Pokój w którym badania mają być wykonane powinien mieć temperaturę
stałą, w granicach najkorzystniej 18-21 oC. Temperatura w pomieszczeniu nie
powinna przekroczyć 25 oC. W pomieszczeniu nie powinno być przewiewów.
Kalorymetr nie powinien znajdować się w pobliżu grzejników, pieca lub
wielowatowych lam oświetleniowych. W czasie pomiaru drzwi i okna powinny
być zamknięte.
3.2. Próbki do badań
3.2.1. Pobieranie próbek
Próbka powinna być dostatecznie duża i w pełni reprezentatywna,
szczególnie w przypadku materiałów niejednorodnych.
Wyrób musi być określany przez każdy ze składników, z uwzględnianiem
składników drugorzędnych. Jeśli wyrób niehomogeniczny nie moce być
rozdzielony to składniki musza być dostarczone osobno. Wyrób może być
rozdzielony jeśli możliwe jest oddzielenie jednego składnika od drugiego tak,
że na składniku badanym nie ma naklejonych części innego składnika.
Z reprezentatywnej masy wyrobu homogenicznego lub składnika wyrobu
niehomogenicznego tworzy się próbkę z co najmniej pięciu wyrywkowo
pobranych części w poprzek grubości. Masa próbki musi wynosić minimum
50g dla wyrobu homogenicznego lub składnika zasadniczego wyrobu
niehomogenicznego. Masa próbki składnika drugorzędnego wyrobu
niehomogenicznego musi wynosić minimum 10g.
3.2.2. Określenie gęstości powierzchniowej
Jeśli jest to wymagane, gęstość powierzchniową składnika wyrobu należy
określić z dokładnością ±0,5% z dla próbki o wymiarach nie mniejszych niż
250 mm x 250mm.
3.2.3. Przygotowanie próbki
Próbki do badań musza być rozdrabniane stopniowo do uzyskania końcowej
próbki badawczej przy zastosowaniu jednej następujących metod:
Dla materiałów jednorodnych
Próbkę należy rozdrobnić i zmniejszać metodą kolejnej redukcji wymiarów
cząstek aż do uzyskania drobnego proszku.
Dla materiałów niejednorodnych. Rozdzielić składniki próbki tak skutecznie,
jak to jest możliwe. Zważyć składniki w celu oznaczenia stosunku ich
mas.
22
Jeżeli próbka nie daje się rozdzielić na składniki, rozdrobnić całą próbkę i
oddzielić proszek za pomocą przesiewania lub inną metodą. Zemleć każdy
ze składników o takiej masie, aby łączna próbka otrzymana ze zmieszania
wszystkich próbek powtórnie, miała ten sam skład jak próbka wyjściowa.
Jeżeli oddzielenie proszku nie jest możliwe, to postępować tak jak w
przypadku materiałów jednorodnych.
Jeżeli materiał lub jeden z jego składników nie może być zmielony,
rozdrabniać materiał dowolną właściwą metodą na małe grudki lub cząstki
i traktować tak otrzymaną próbkę jak proszek.
Dla materiałów kompozytowych. Postępować podobnie jak w przypadku
materiałów niejednorodnych przygotowując próbki z każdego ze
składników.
Dla wszystkich materiałów. Może być stosowana każda inna metoda
umożliwiająca przygotowanie próbki analogicznie do wymienionych
uprzednio.
Rozdrabnianie musi być prowadzone w taki sposób aby nie miał miejsca
rozkład termiczny. Rozdrabnianie próbki metoda redukcji krzyżowej prowadzi
się do wytworzenia drobnego pyłu, w miarę postępu rozdrabniania.
Jeśli próbki nie mocna doprowadzić do drobnego pyłu, należy ja rozdrabniać
odpowiednią metodą do małych granulek lub kawałków i traktować powstałą
próbkę jako pył.
3.2.4. Masa próbki
Następujące składniki odważa się z dokładnością 0,1 mg:
- 0,5 g materiału,
- 0,5 g kwasu benzoesowego,
- drut zapalający, nić bawełniana i papier papierosowy, jeśli stosowane.
UWAGA 1 W przypadku niektórych wyrobów o wysokim cieple spalania dodatkowe
substancje palne mogą być zmniejszone lub nie stosowane.
UWAGA 2 W przypadku niektórych wyrobów o małym cieple spalania konieczne może
być zwiększenie ciepła spalania brutto - w celu zwiększenia kompletności
Praktyka kalorymetryczna wskazuje, że łączna masa próbki powinna być taka,
aby po jej spaleniu temperatura wody w naczyniu kalorymetrycznym podniosła
się o 1,8°C ÷ 3,0°C (warunek ten spełniony jest prawie zawsze przy masie 1 g).
3.2.5. Liczba próbek
Badaniu poddaje się trzy próbki (niektóre systemy klasyfikacji wymagaję
większej liczby badań). Jeśli wymagania co do ważności wyników badań nie są
spełnione, należy wykonać badania dwóch dodatkowych próbek.
23
3.2.6. Sezonowanie
Sproszkowana próbka, kwas benzoesowy i papier papierosowy należy
sezonować zgodnie z PN EN 13238.
3.2.7. Rodzaje próbek
Jeśli w wyniku rozdrobnienia otrzymuje się drobny pył to próbkę badawczą
należy przygotować dla metody tyglowej. Jeśli drobnego pyłu nie można
otrzymać drogą rozdrabniania i/lub spalanie nie jest kompletne w metodzie
tyglowej to próbkę badawczą należy przygotować dla metody "papierosowej".
3.2.8. Metoda tyglowa
Próbkę przygotować według następującej procedury (rys. 4.):
a)
umieścić wcześniej odważoną mieszaninę próbki badanej i kwasu
benzoesowego w tyglu. W tym przypadku zaleca się dokonywać
ważenia próbki materiału i kwasu benzoesowego wprost w
wyczyszczonym i uprzednio zważonym tyglu.
b)
umieścić głowicę bomby na statywie,
c)
po odważeniu i zmieszczeniu próbki (3) w tyglu do spalań (4), należy
go umieścić w specjalnym uchwycie głowicy bomby.
d)
połączyć wcześniej odważony drut zapalający (1) do dwóch elektrod
(2). Założenia drutu oporowego o długości 10 - 12 cm dokonuje się po
zawieszeniu tygla z próbką w specjalnym podwieszeniu w głowicy
bomby kalorymetrycznej. W przypadku spalania próbki paliwa luzem
ze środkowej części uprzednio odważonego drutu oporowego o
długości 10 - 12 cm należy wykonać trzy zwoje średnicy około 2 mm
(przez nawinięcie na pręcie o tej średnicy) i zanurzyć je w próbce
paliwa. Jeżeli do oznaczania stosuje się
tygle metalowe należy zwrócić uwagę,
żeby drut nie dotykał ścianek tygla.
Końce drutu oporowego należy
zamocować na elektrodach. Jedną z
elektrod stanowi przedłużenie zaworu
wlotowego. W tym celu należy
podnieść tulejki zaciskowe, wsunąć
końcówki drutu w nacięcia elektrod i
nasunąć z powrotem zaciski. Elektrody
powinny być wyczyszczone. Złe przyleganie drutu oporowego do
elektrod może spowodować tworzenie łuku elektrycznego zniekształ­
cając wynik pomiaru.
24
3.2.9. Metoda "papierosowa"
Próbkę przygotowuje się według następującej procedury (patrz rysunek 5 ):
3 – druty zapalające,
4 – papier.
a) umieścić wcześniej odważony drut zapalający w
środku oprawki (pkt 2.3.).
b) owinąć wcześniej odważony papier "papierosowy"
wokół oprawki i skleić wystające końce na
zakładkę. Nie stosować dodatkowego kleju
ponieważ papier "papierosowy" jest wstępnie
pokryty klejem. Nadmiar papieru powinien
znajdować się na każdym końcu tak aby mocna
było okręcić go wokół drutu zapalającego.
c) okręcić papier wokół drutu zapalającego w dolnej
części oprawki.
d) włożyć oprawkę z nawiniętym papierem do
matrycy. Drut zapalający musi wychodzić przez
dno matrycy.
e) Wyjąć oprawkę.
f) Umieścić wcześniej odważona mieszaninę
próbki badawczej i kwasu benzoesowego w
papierze matrycy papierosowej.
Uwaga: Prześwit 0,5 mm pomiędzy oprawka i
(widok matrycy po wyjęciu
oprawki).
matrycą powinien umożliwić na łatwe wstawienie
zestawu.
g) Usunąć napełniony "papieros" z matrycy i
skręcić oba końce papieru w celu jego
uszczelnienia.
h) Zważyć "papieros" aby upewnić się, że masa
całkowita nie różni się więcej o niż 10 mg od
sumy mas składników.
i) „Papieros” umieścić w tyglu.
j) Podłączyć druty zapalające do elektrod
okręcając drut zapalający wokół elektrod.
5 – elektrody,
6 – „papieros”, 7 – tygiel.
3.3. Przygotowanie naczynia kalorymetrycznego do pomiaru
Do naczynia kalorymetrycznego należy wlać wodę destylowaną lub wodę
zdemineralizowaną o temperaturze niższej od temperatury płaszcza o połowę
25
przyrostu temperatury po badaniu materiału. Warunek ten w przybliżeniu jest
zazwyczaj spełniony, jeśli w naczynia kalorymetrycznym przed pomiarem
temperatura wody jest od 1 do 1,5°C niższa niż temperatura wody w płaszczu
kalorymetru.
Ilość wody w naczyniu kalorymetrycznym powinna być tak dobrana, aby
zawory wystające z głowicy bomby były zanurzone do około 2/3 wysokości
zaworu wylotowego. Warunek ten jest spełniony przy użyciu 2700 ml wody.
Ilość użytej wody do pomiaru powinna być zawsze taka sama jak przy
oznaczeniu wartości równoważnika cieplnego kalorymetru. Dopuszczalna
różnica wynosi 0,5 g dla wody wraz z naczyniem. W czasie ważenia naczynia
kalorymetrycznego wraz z wodą ścianki wewnątrz naczynia pomad
powierzchnią wody oraz zewnątrz naczynia powinny być suche.
Do kolejnych oznaczeń wystarczy tylko częściowa wymiana wody w
naczyniu kalorymetrycznym w celu uzyskania właściwej temperatury wody.
Naczynie kalorymetryczne wraz z wodą przenosi się za pomocą uchwytów i
ustawia w płaszczu kalorymetru na znajdujących się na jego dnie izolatorach
cieplnych. Należy zwrócić uwagę, żeby uchwyty naczynia kalorymetrycznego
nie znajdowały się na osiach działania mieszadła mechanicznego i termometru.
Do schładzania naczynia kalorymetrycznego można zastosować dodatkowe
naczynie z zimniejszą wodą lub chłodnicę. Po osiągnięciu żądanej temperatury
i osuszeniu naczynia kalorymetrycznego w przypadku stosowania chłodnicy
mokrej, wstawiamy go do płaszcza kalorymetru.
3.4. Przygotowanie bomby do pomiaru
Do korpusu bomby należy wlać za pomocą pipety 2-5 ml wody destylowanej
(norma EN ISO 1716 podaje tylko 1 ml). Ilość wody powinna być stale
jednakowa, równa ilości wody użytej przy oznaczaniu wartości cieplnej
kalorymetru. Następnie głowicę bomby wraz z próbką należy przenieść
ostrożnie ze statywu, połączyć z korpusem i zamknąć szczelnie bombę przez
dokręcenie nakrętki samouszczelniającej.
W ostatnim momencie przed wykonaniem pomiaru należy napełnić bombę
tlenem do ciśnienia 3 Mpa ÷ 3,5 Mpa.
W tym celu należy:
a) do butli tlenowej przykręcić reduktor tlenowy z manometrami o
zakresach 25 MPa i 4 MPa,
b) do wylotu reduktora przymocować kapilarę łącznikową,
c) przenieść ostrożnie bombę w pozycji pionowej na podstawkę przy­
mocowaną na stole w pobliżu stanowiska dla butli z tlenem,
d) odkręcić z zaworu wlotowego bomby nakrętkę zamykającą (kaptur
zamykający),
e) do zwolnionego zaworu wlotowego podłączyć wolny koniec kapilary
łącznikowej za pomocą ręcznie wkręcanej nakrętki,
26
f)
g)
h)
i)
j)
k)
l)
otworzyć zawór wylotowy bomby przez wkręcenie radełkowanej
nakrętki wykonując 1 obrót zgodnie z ruchem wskazówek zegara,
po otwarciu zaworu butli z tlenem ustawić na reduktorze ciśnienie
wyjściowe 3 MPa,
otworzyć zawór wylotowy reduktora, a następnie zamknąć zawór
wylotowy bomby przez wykręcenie radełkowanej nakrętki w kierunku
przeciwnym do ruchu wskazówek zegara do oporu; czas między
otwarciem zaworu wylotowego reduktora a zamknięciem zaworu
wylotowego bomby jest przeznaczony na wyparcie powietrza
znajdującego się w bombie kalorymetrycznej przez tlen;
po uzyskaniu wymaganego ciśnienia w bombie kalorymetrycznej
zamknąć dopływ tlenu do bomby przez zakręcenie zaworu wylotowego
reduktora, a następnie zaworu na butli;
odłączyć kapilarę łącznikową od bomby kalorymetrycznej przez
wykręcenie nakrętki kapilary z zaworu wlotowego bomby, a na to
miejsce wkręcić kaptur zaworu;
bombę przenieść ostrożnie w pozycji pionowej do kalorymetru i wsta­
wić do naczynia kalorymetrycznego z przygotowaną wodą, trzymając
przy tej czynności bombę za wystające zawory;
bolce elektrod bomby połączyć z przewodem elektrycznym z zapalarką
elektryczną. Jeżeli po wstawieniu do naczynia kalorymetrycznego z
wodą z bomby wydzielają się pęcherzyki gazu, świadczy to o
nieszczelności bomby. W takim przypadku należy bombę wyjąć z
naczynia kalorymetrycznego, osuszyć czystą ścierką i wypuścić tlen
przez wkręcenie radełkowanej nakrętki zaworu wylotowego. Następnie
należy otworzyć bombę przez odkręcenie nakrętki samouszczelniającej.
Nieszczelność bomby kalorymetrycznej usuwa się przez wymianę
uszczelki gumowej głowicy albo uszczelek zaworów.
Uwagi Butla z tlenem powinna być zabezpieczona łańcuchem lub innym zamknięciem
przed możliwością wywrócenia. W pobliżu butli nie nagą znajdować się grzejniki. Do
otwierania zaworów butli tlenowej nie wolno używać młotków lub innych narzędzi
udarowych. Reduktor umocowany na butli nie powinien być skierowany w stronę miejsc
najczęściej zajmowanych przez ludzi. a w czasie napełniania bomby tlenem nie należy się nad
nią pochylać.
Żadnej części bomby kalorymetrycznej, reduktora i butli z tlenem nie wolno smarować.
Zanieczyszczenie tłuszczami stwarza niebezpieczeństwo wybuchu.
Bomba kalorymetryczna podlega kontroli okresowej.
3.5. Wykonanie pomiaru
3.5.1. Czynności wstępne
Do naczynia kalorymetrycznego, w którym znajduje się już bomba kalo­
rymetryczna połączona przewodem zapłonowym z pulpitem sterowniczym,
27
wprowadza się ostrożnie (aby nie zaczepić o bombę) mieszadło mechaniczne.
W tym celu należy przedtem lepko zluzować śrubę dociskową na prowadnicy
mieszadła, obrócić je o 90° nad kalorymetr zgodnie z nacięciami na pręcie
prowadzącym, opuścić ostrożnie w dół i dokręcić śrubę dociskową. Następnie
nakrywa się kalorymetr jedną połówką dwudzielnej pokrywy z winiduru.
Po sprawdzeniu, czy śmigło mieszadła mechanicznego nie uderza w korpus
bomby, nakrywa się kalorymetr drugą częścią dwudzielnej pokrywy z winiduru
i uruchamia mieszadło.
Przez otwór w pokrywie wprowadza się czujnik termometru kwarcowego.
Nasadka w kształcie korka na czujniku zapewnia stałą pozycję czujnika w
kalorymetrze wysokości korpusu bomby i w połowie odległości między ścianką
zewnętrzną bomby i ścianką naczynia kalorymetrycznego. Zanurzanie czujnika
termometru jest jednakowe dla wszystkich pomiarów i takie same jak przy
oznaczaniu równoważnika cieplnego (stałej) kalorymetru.
3.5.2. Przeprowadzenie badań
Po uruchomieniu mieszadła:
- po upływie 3 min. rozpocząć odczyty temperatury, które powinny być
wykonywane w odstępach 1 min przez 5 min lub włączyć rejestrator
temperatury. Okres ten nosi nazwę "okresu początkowego" .
O k r e s p o c z ą t k o w y trwa 5 minut i służy do określenia stopnia
wymiany ciepła układu kalorymetrycznego z otoczeniem. Dokuje się w
tym okresie 6 odczytów temperatury w l minutowych odstępach czasu.
Bezpośrednio przed szóstym odczytem należy włączyć zapalarkę
elektryczną,. na którym odczyt będzie dokonany. Natychmiast po szóstym
odczycie temperatury włączyć zapalarkę elektryczną. Wartość prądu
powinna być taka sama jak w czasie kalibrowania. Obserwować zmiany
temperatury w kalorymetrze. Szybki przyrost temperatury oznacza , że
zapłon próbki w kalorymetrze wystąpił. W przypadku braku przyrostu
temperatury pomiar należy uważać za nieudany i przerwać go.
- zapłon oznacza rozpoczęcie „okresu głównego”. Podczas tego "okresu
głównego" należy notować temperaturę co 30 s lub rejestrować ją ciągle.
Okres główny kończy się z chwalą, kiedy dwie kolejno po sobie odczytane
temperatury są jednakowe lub druga jest niższa. Jako ostatni odczyt tego
okresu przyjmuje się pierwszy odczyt najwyższej temperatury.
- chwila osiągnięcia temperatury maksymalnej rozpoczyna "okres
końcowy". Podczas tego okresu trwającego 5 min należy notować
temperaturę w odstępach 1 min lub rejestrować w sposób ciągły. Służy on
do określenia stopnia wymiany ciepła układu kalorymetrycznego z
otoczeniem. Ostatnim odczytem temperatury w tym okresie kończy się
właściwy pomiar kalorymetryczny.
28
- w chwili kończącej ten okres zanotować temperaturę wody płaszcza
wodnego.
3.5.3. Czynności końcowe
Po ostatnim odczycie temperatury należy:
- wyłączyć mieszadło mechaniczne,
- wyjąć czujnik temperatury,
- zdjąć pokrywą kalorymetru,
- wyjąć mieszadło. W tym celu luzuje się śrubę dociskową na prowadnicy
mieszadło przesuwa się pionowo w górę i po osiągnięciu granicznego
punktu skręca o 90° zgodnie z nacięciami na pręcie prowadzącym
unieruchamiając je przez ponowne dokręcenie śruby dociskowej do
prowadnicy.
- odłączyć przewody zapalarki,
- wyjąć bombę z kalorymetry i osuszyć,
- po 10 minutach wypuścić gazy spalinowe otwierając powoli zawór
wylotowy przez wkręcenie nakrętki zgodnie z ruchem wskazówek zegara
do oporu. Wypuszczenia gazów spalinowych z bomby zaleca się
dokonywać pod dygestorium szczególnie w przypadku większych
zawartości gazów toksycznych.
- ustawiać bombę na podstawce i odkręcić nakrętkę samouszczelniającą,
zdejmuje ją, a po niej z
- wyjąć głowicę bomby i ustawić na statywie. Po zajęciu głowicy należy
sprawdzić zarówno w tyglu jak i w bombie, czy nastąpiło całkowite
spalenie próbki materiału tzn., czy nie ma sadzy wewnątrz bomby ani
pozostałości węgla na ścianach tygla. Przepłukać i wysuszyć bombę. Jeśli
w metodzie tyglowej spalanie nie jest kompletne należy powtórzyć
badanie w metodzie "papierosowej". Jeśli w metodzie "papierosowej"
spalanie nie jest kompletne należy badanie powtórzyć.
- umyć bombę wodą destylowaną i zebrać tę wodę z płukania w zlewce w
celu przeprowadzenia analizy określających ilość różnych produktów tam
powstałych w czasie próby (jeżeli takie są dodatkowe wymagania).
- obliczyć potencjał cieplny
3.6. Protokół z badań
Przykładowy wzór protokółu badań wykonany przy pomocy edytora Word
for Windows i programu kalkulacyjnego Excel przedstawia się poniżej.
29
4. KONSERWACJA I NAPRAWY
Kalorymetr i układ zasilania bomby powinien być okresowo sprawdzany i
czyszczony. Szczególnie zawór odcinający ulega szybkiemu zanieczyszczeniu.
Postępować zgodnie z wymaganiami instrukcji obsługi stanowiska
określonego przez producenta.
30
5. ZAŁĄCZNIK
MIĘDZYNARODOWY KODEKS STOSOWANIA PROCEDUR PRÓB
OGNIOWYCH (KODEKS FTP)
1. WPROWADZENIE
1.1. Międzynarodowy kodeks stosowania procedur prób ogniowych
(kodeksFTP)
Międzynarodowy kodeks stosowania procedur prób ogniowych
(Rezolucja MSC 61.(67)) przeznaczony jest do stosowania przez administrację
i uprawnioną organizację państwa flagi przy dopuszczaniu wyrobów do
montażu na statkach pływających pod banderą tego państwa, zgodnie z
wymaganiami bezpieczeństwa pożarowego Międzynarodowej Konwencji o
Bezpieczeństwie Życia na Morzu SOLAS 1974, z poprawkami. Kodeks
powinien stanowić podstawę badań i oceny wyrobów przez laboratoria.
1.2. Zastosowanie Kodeksu procedur prób ogniowych
Niniejszy Kodeks ma zastosowanie do wyrobów, które wymagają badań,
oceny i uznania zgodnie z nim procedur prób ogniowych, jak podano w
Konwencji.
Jeżeli przywołanie Kodeksu jest określone w Konwencji SOLAS przez
sformułowanie "...zgodnie z Kodeksem stosowania procedur prób ogniowych",
to dany wyrób powinien być badany zgodnie z mającą zastosowanie procedurą
lub procedurami badań ogniowych, o których mowa w punkcie 4.1.
Jeżeli odsyłacz w Konwencji SOLAS dotyczy tylko przeprowadzania
badania palności wyrobów i ma brzmienie "...i ich odsłonięte powierzchnie
powinny mieć właściwości wolnego rozprzestrzeniania się płomienia", to dany
wyrób powinien być badany zgodnie z mającą zastosowanie procedurą lub
procedurami badań ogniowych przedstawionymi w załączniku nr 1 Rezolucji
MSC.61(67).
CZĘŚĆ 1 - BADANIE NIEPALNOŚCI
Zastosowanie
1.1 Jeżeli wymagane jest, aby materiał był niepalny, to jego niepalność należy
określić zgodnie z niniejszą częścią Kodeksu.
1.2 Jeżeli materiał przejdzie pomyślnie badania wyszczególnione w punkcie 2,
to jest on uważany za niepalny nawet wówczas, gdy jest mieszaniną
substancji organicznych i nieorganicznych.
2 Procedura badania
2.1 Niepalność powinna być potwierdzona według procedury badania podanej
w normie ISO 1182:1990, z wyjątkiem Załącznika A "Kryteria oceny" tej
31
normy, zamiast którego powinny być spełnione wszystkie następujące
kryteria.
.1 średni przyrost temperatury termoelementu pieca obliczony wg 8.1.2
normy ISO 1182:1990 nie powinien przekroczyć 30°C;
.2 średni przyrost temperatury termoelementu na powierzchni próbki
obliczony wg 8.1.2 normy ISO 1182:1990 nie powinien przekroczyć
30°C;
.3 przeciętny czas trwania utrzymującego się płomieniowego spalania
obliczony wg 8.2.2 normy ISO 1182:1990 nie powinien przekroczyć
10 s;
.4 średni ubytek masy obliczony wg 8.3 normy ISO 1182:1990 nie
powinien przekroczyć 50%.
2.2 Raport z badań powinien zawierać następujące informacje:
.1 nazwę organu badawczego; .2 nazwę wytwórcy materiału;
.3 datę dostawy materiału i datę badania;
.4 nazwę lub symbol identyfikacyjny materiału;
.5 opis materiału;
.6 gęstość materiału; .7 opis próbek;
.8 metodę badania;
.9 wyniki badań, włączając w to wszystkie obserwacje;
.10 przeznaczenie materiału zgodnie z kryteriami badań
wyszczególnionymi powyżej w punkcie 2.1.
32