3 OBSAH 1.0 ÚVOD 5 2.0 SÚČASNÝ STAV POZNATKOV 6 2.1 Teória horenia všeobecne. 6 2.2 Proces horenia všeobecne. 6 2.2.1 Iniciácia horenia 7 2.2.2 Plamenné horenie 10 2.2.3 Bezplamenné horenie 10 2.2.4 Procesy uhoľnatenia 11 2.3 Vplyv faktorov 12 2.3.1 Primárne faktory 13 2.3.1.1 Vplyv chemického zloţenia 13 2.3.1.2 Vplyv faktorov fyzikálnych vlastností dreva 16 2.3.1.2.1 Geometrický tvar 16 2.3.1.2.2 Povrch materiálu 19 2.3.1.2.3 Vlhkosť materiálu 19 2.3.1.2.4 Termodynamické veličiny 19 2.3.1.2.5 Hustota dreva 22 2.3.1.2.6 Štruktúra dreva 22 2.3.2 Sekundárne faktory 23 2.3.2.1 Faktor energetického zdroja 23 2.3.2.2 Faktor energetických vplyvov 23 2.3.2.3 Faktor konštrukcie objektu 24 2.4 Testovacie metódy stanovenia horľavosti a zápalnosti dreva 24 3.0 CIEĽ PRÁCE 26 4.0 METODIKA PRÁCE 27 4.1 Použitý materiál a požiadavky na skúšobný materiál 27 4.2 Schéma skúšobného zariadenia 28 4.3 Metóda tepelného namáhania 28 4.3.1 Vlastnosti tepelného IČ ţiariča 29
4 4.4 Hodnotiace kritérium 32 4.4.1 Úbytok na hmotnosti 32 4.4.2 Hrúbka zuhoľnatenej vrstvy 32 4.5 Model experimentu 34 4.6 Štatistické vyhodnotenia 35 5.0 NAMERANÉ A VYPOČÍTANÉ VÝSLEDKY 36 6.0 VYHODNOTENIE A DISKUSIA 52 7.0 ZÁVER 56 8.0 LITERATÚRA 57 SUMMARY 59
5 1.0 ÚVOD Podľa archeológov W. C. Peia, P. Teilharda de Chardina a C. Younga uţ homo sinantropus vedel udrţiavať a vyuţívať oheň. Rozloţiť oheň sa naučil aţ cromagnonský človek (lovec mamutov), ktorý ho dokázal rozkladať pomocou pazúrika. Teda v tomto období začal človek ovládať oheň (ţivel) a drevo mu vtedy slúţilo ako palivo. Drevo ako stavebný materiál začal pouţívať aţ oveľa neskôr a vtedy sa ukázala horľavosť ako veľmi negatívny faktor. S prvými vedeckými názormi na oheň sa stretávame uţ v antickej dobe. Medzi prvých učencov, ktorí vytvorili určité teórie, patria Platón a predovšetkým Aristoteles, ktorého teória, podľa ktorej voda, vzduch, zem a oheň sú zdrojom všetkých látok, trvala takmer 2000 rokov. V 18. Storočí sa podarilo vedcom vysvetliť jednu z najdôleţitejších chemických reakcií horenie látok. Do tej doby zastávali učenci flogistónovú teóriu Georga Stahla. Podľa nej látka, ktorá je schopná horieť obsahuje flogistón. Francúzsky chemik Antoine Lavoisier definoval horenie ako reakciu, pri ktorej dochádza ku zlučovaniu horiacej látky s plynným kyslíkom obsiahnutým vo vzduchu. Ako prvý formuloval trojuholník horenia, t.j. nevyhnutnú prítomnosť troch zdrojov horenia, dvoch materiálových (horľavej látky a kyslíka) a jedného energetického (tepelného zdroja). Táto teória patrí ku zlomovým v oblasti horenia a v podstate platí aţ do dnešnej doby. Drevo, ako jeden z najrozšírenejších materiálov, človeka sprevádza kaţdodenne. Pre svoj prírodný charakter, prirodzenú kresbu, priaznivé fyzikálne a mechanické vlastnosti, špecifický estetický výraz a z toho vyplývajúcu pozitívnu psychosomatickú mikroklímu ostane iste natrvalo čoraz ţiadanejším prvkom ţivotného prostredia. Z týchto dôvodov sa v súčasnosti výrazne zvyšuje potreba zniţovania horľavosti dreveného stavebného materiálu a dôkladného preskúmania jeho poţiarno-technických vlastností. Cieľom tejto diplomovej práce je posúdiť vplyv hrúbky skúšobných vzoriek a času pôsobenia na veľkosť tepelnej degradácie. Za rozhodujúce kritéria som zvolili úbytok na hmotnosti a hrúbku zuhoľnatenej vrstvy, lebo veľmi dobre vyjadrujú prebehnuté zmeny a vlastnosti ktoré sa budú skúmať. Dúfam, ţe výsledky mojej práce doplnia a rozšíria výsledky doteraz vykonaných skúšok a meraní.
6 2.0 SÚČASTNÝ STAV POZNATKOV 2.1 Teória horenia všeobecne Horenie je veľmi zloţitý, fyzikálne chemický proces, rýchle prebiehajúcej reakcie okysličovania, sprevádzaný uvoľňovaním tepla a plameňom. Všetky látky reagujú na zmenu vnútornej energie, ale nie všetky sú schopné vstúpiť do reakcie s kyslíkom. Horľavé látky sa môţu chovať rozdielne. Niektoré vstupujú do reakcie s kyslíkom priamo, ďalšie aţ po predchádzajúcom termickom rozklade. Drevo, ako aj ostatné materiály, nehoria priamo reakciou s kyslíkom. Prvé zmeny v tuhých materiáloch sa týkajú naakumulovaného tepla dodaného určitým zdrojom, alebo vznikajú v samotnom materiály chemickou, termo-, foto-, alebo bio- oxidačnou cestou. (Balog a Kozárová 1989). Vysvetliť podstatu horenia znamená podrobne popísať mikro- a makroprocesy energetických a hmotnostných zmien, ktoré sa vyskytujú pri horení. Matematickofyzikálna interpretácia uvedených procesov a zmien vo vlastnostiach materiálu pri horení nie je jednoduchá ani pri horení homogénnych materiálov. Vo vzťahu k drevu, ktoré je heterogénne, anizotropné a obsahuje vodu v troch formách väzby, je táto interpretácia uvedených dejov značne komplikovaná (Horský 1985). 2.2 Proces horenia dreva Drevo vystavené účinkom tepla podlieha deštrukčným procesom v dôsledku ktorých dochádza k jeho horeniu. Tieto procesy sa zvyčajne delia do niekoľkých stupňov. Ide o tieto stupne: - iniciácia (tvorba paliva, vznietenie, vzplanutie ) - propagácia (plamenné a bezplamenné horenie ) - terminácia (retardácia, inhibícia, hasenie ) ktoré môţu prebiehať v plynnej fáze, kondenzovanej fáze a na fázovom rozhraní (Košík 1986). Zjednodušená schéma týchto procesov je na obr. 1 (Reinprecht 1996).
7 1. Iniciácia Drevo Tuhá fáza Termooxidácia Teplo 2. Pyrolýza Tuhá fáza Sekundárne reakcie Prchavé produkty Plynná fáza 3. Vznietenie Tuhá fáza O 2 Plynná fáza 3. Pyrolýza a Tuhá fáza Plameňové horenie O 2 4. bezplamenné horenie (tletie) O 2 CO CO 2 Zhasnutie H Tuhá fáza Obr. č. 1 Schéma jednotlivých časti procesov horenia 2.2.1 Iniciácia horenia Veľa štúdií sa zaoberá problematikou horenia dreva, avšak tento proces ešte stále nie je úplne objasnený. Mechanizmus iniciácie horenia je komplexný problém. Pevná látka sa musí chemicky rozloţiť v dôsledku pôsobenia vonkajších zdrojov tepla za vzniku plynov, tie sú emitované z povrchu dreva a difúziou alebo tieţ prúdením sú zmiešavané vo vzduchu s kyslíkom. V dreve začínajú prebiehať exotermické reakcie. Plyny blízko povrchu sú ohrievané konvekciou zo ţhavého povrchu dreva a absorbciou vonkajšej radiačnej energie.
8 Vykonávaním týchto procesov rastie počet termických reakcií a tieţ chemických produktov tepla. To spôsobuje ďalší tepelný rozklad dreva a vzrastajúcu emisiu plynov, ktoré zrýchlia reakciu a finálne tieto procesy rezultujú v zapálení.(simms 1962) Pravdepodobná schéma tohoto procesu je znázornená na obr. 2. vonkajšia radiácia Obr.č.2 Iniciácia zo zdrojom zapálenia ako fyzikálny problém V počiatočných stavoch termolýzy pevných látok rýchlosť uvoľňovania paliva je natoľko malá, ţe zmes palivo vzduch nie je horľavá. Zo zvyšujúcou sa rýchlosťou vzniku paliva sa zmes stáva bohatou natoľko, ţe je moţné ju zapáliť zdrojom zapálenia, v tomto dôsledku nastane propagácia kinetického plameňa cez medznú vrstvu. Tento plameň spotrebuje takmer všetko uvolnené palivo a zhasne v dôsledku straty tepla na povrchu, vtedy keď rýchlosť vzniku paliva nie je taká veľká, aby sa spotrebované teplo nahradilo. Pozoruje sa zhasnutie kinetického plameňa alebo trvalý difúzny plameň. Obr. č. 3 Časová závislosť teploty povrchu v čase iniciácie červeného duba zo zdrojom zapálenia
9 Proces iniciácie horenia sa sleduje spravidla z hľadiska zdroja iniciácie, teploty pri ktorej dochádza k začiatku horenia, času od začiatku expozície, veľkosti a stavu vzorky a z hľadiska vplyvu okolitej atmosféry na tento proces. (Grexa 1991) (Simms 1962) sa zhoduje s predchádzajúcim autorom a uvádza, ţe najčastejšie sledované parametre v testoch zapálenia sú čas zapálenia, povrchové teploty, teploty vo vnútri materiálu, úbytok na hmotnosti, absorpcia radiačnej energie, vlhkostné pomery a efekty prúdenia. Tieto parametre sú riadené vlastnosťami materiálu a zvolenou meracou technikou. Faktory ktoré podstatne ovplyvňujú proces iniciácie sú: - zdroj tepla - podmienky toku - povrch, štruktúra a absorpcia materiálu - rozmery skúšobných testovacích vzorkou - hustota a tepelné vlastnosti materiálov - tepelná dekompozícia prvkov Podľa uvedených autorov je zostavenie modelu procesu iniciácie horenia veľmi zloţitý problém, ale aj tak bolo dosť autorov, ktorí sa týmto problémom zaoberali., (Tzeng a kol. 1990, Simms 1962) (Tzeng a kol. 1990) uvádza, ţe úplný teoretický model procesu iniciácie horenia musí obsahovať: nestacionárnu analýzu tepelného rozkladu tuhej látky za vzniku plynného paliva, miešanie paliva zo vzduchom v dvojrozmernej medznej vrstve, propagáciu kinetického plameňa vznikajúceho zo zdrojom zapálenia, zhasnutie tohoto kinetického plameňa v dôsledku straty tepla k povrchu tuhého materiálu a vznik pretrvávajúceho difúzneho plameňa v medznej vrstve. (Tzeng a kol. 1990) analyzovali problém iniciácie horenia tuhých materiálov zo zdrojom zapálenia, ktorý riešili ako nestacionárni jednorozmerný model, u ktorého predpokladali, ţe rýchlosť uvoľňovania hmoty z tuhého materiálu je známa funkcia času a aplikovali plošný namiesto bodového zdroja zapálenia. Problém sledovali z hľadiska umiestnenia zdroja zapálenia, rýchlosti uvoľňovania paliva z tuhého materiálu. Zistili, ţe určenie minimálnej rýchlosti vzniku paliva nieje dostatočným údajom na predpoveď začiatku ustáleného horenia. Najvýhodnejšie umiestnenie zdroja zapálenia je v mieste eventuálneho vzniku ustáleného difúzneho plameňa, zo stúpajúcou teplotou povrchu klesá minimálna hodnota rýchlosti toku paliva potrebná na vznik horenia.
10 (Simms 1962) uvádza nasledujúce premenné, ktoré by mali byť zahrnuté modely pre najkritickejší prípad štúdie tepelnej bilancie zapálenia suchého dreva: - vonkajší tepelný zdroj, obvykle radiačný - tepelná vodivosť - špecifická tepelná kapacita - vedenie tepla v materiály - ţhavenie, ktoré prináleţí tepelnému rozkladu - ochladzovanie povrchu 2.2.2. Plamenné horenie Vzplanutie je začiatkom plamenného horenia, pri ktorom horľavé povrchové produkty, ktoré vznikli termolýzou dreva, sa oxidujú v plynnej fáze v blízkosti povrchu dreva. Reakcie plamenného horenia sú značne exotermické a reakčné teplo sa len z časti zo systému odvádza. Časť tepla sa akumuluje v tuhom zvyšku urýchľuje jeho termolýzu a to podnecuje reťazovosť procesu. Proces plamenného horenia je riadený difúziou kyslíka k povrchu tuhej fázy. Procesmi v nízko tepelnej a vysoko tepelnej oblasti vznikajú reaktívne nízko molekulové radikáli ako sú OH, H atómy, CH 3 atď., prípadne nízkomolekulové hydroperoxidy, H 2 O 2 a aldehydy, ktoré sú vţdy potencionálnym zdrojom vetvenia radikálových procesov a výraznej exotermickej reakcie (Košík 1986). 2.2.3. Bezplamenné horenie Proces bezplamenného horenia je pomerne málo preštudovaný. Ide o horenie na povrchu kondenzovanej fázy, kde sa rozoznáva ţhavenie a tletie. Ţhavenie je definované ako bezplamenné horenie pevnej látky, doprevádzané svetelným a tepelným efektom a tletie ako spaľovanie materiálu bez viditeľných svetelných efektov, obvykle je sprevádzané tvorbou dymu a zvýšením teploty. Procesu ţhavenia predchádza tvorba uhlíkom obohateného produktu, ale tletie môţe začínaj aj z pôvodného materiálu (Balog 1986). Ţhavenie je posledná fáza horenia dreva, kedy zo zvyšku zuhoľnatenej vrstvy dreva bohatej na uhlík nemôţu uţ vo väčšom mnoţstve vznikať horľavé plyny. Uhlíkové zvyšky sa postupne exotermickými reakciami oxidujú na oxid uhoľnatý a na nehorľavý oxid uhličitý za vzniku tepla a slabých plamienkov svetla (Reinprecht 1996).
11 V procese bezplamenného horenia je významná tvorba vysoko reaktívneho pyroforického uhlia, z ktorom v prítomnosti kyslíka môţe dôjsť k iniciácii horenia pri relatívne nízkych teplotách. Predpokladá sa však, ţe molekuly kyslíka sú absorbované na aktívne miesta, ktoré môţu, ale nemusia byť voľnými radikálmi. 2.2.4. Procesy uhoľnatenia S procesmi uhoľnatenia je veľmi úzko spojený proces iniciácie horenia ako plamenné a bezplamenné horenie dreva. Rýchlosť zuhoľnatenia je jedna z indícii na stanovenie poţiarnej odolnosti stavebných materiálov teda aj dreva. Vlastnosti dreva, ktoré najviac ovplyvňujú rýchlosť vývoja zuhoľnatenej vrstvy pri poţiarnych podmienkach sú hustota, tepelná vodivosť, vlhkosť, emisia plynov, orientácie vlákien, hrúbka skúšobnej vzorky, teplota uhoľnatenia a charakter zuhoľnatenej vrstvy (Harada 1996). (Harada 1996) robil komplexný výskum v oblasti rýchlosti uhoľnatenia dreva. Výskum prevádzal na kónickom kalorimetri a rýchlosť zuhoľnatenia zisťoval z rýchlosti uvoľňovania tepla (HRR), alebo rýchlosti úbytku na hmotnosti (MLR) pomocou výpočtu čo nám dokumentuje obr. č. 4 I II III Čas Obr. č. 4 HRR alebo MLR krivkový model platný pre viac druhov drevín Ako je zjavné z obr. č. 4, autor krivku rozdelil na tri časti. V prvej časti sa vrchol krivky HRR objavuje práve po zapálení skúšobnej vzorky a s vývojom zuhoľnatenej vrstvy má krivka klesajúci charakter. Zuhoľnatená vrstva v určitej miere zabraňuje teplu v prenikaní ďalej do dreva, pretoţe jej tepelná vodivosť je niţšia ako je pri dreve.
12 V druhej časti je krivka HRR rovnomerná, z čoho vyplýva, ţe aj rýchlosť uhoľnatenia bude konštantná. V priebehu tretej časti sa u HRR krivky objavuje druhý vrchol. Tu dochádza k celému zapáleniu skúšobnej vzorky. (Grexa a Mikolla 1992) podobne rozdelili krivku MLR na tri časti, kde aj interpretácia jednotlivých častí krivky bola zhodná s interpretáciou predchádzajúceho autora. Z týchto výskumov vyplýva, ţe tieto veličiny musia byť preštudované z pohľadu všetkých troch častí. 2.3. Vplyv faktorov na procesy horenia Ako sme sa mohli presvedčiť v predchádzajúcich častiach práce, na priebehu termo-oxidačných reakcií (horenie) má vplyv veľké mnoţstvo faktorov, ktoré môţeme rozdeliť do dvoch základných skupín (Horský 1985, Osvald 1997) na primárne a sekundárne. Primárne faktory priamo súvisia s materiálom, s jeho chemickým zloţením, fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami. Na primárnych faktoroch závisí, či bude materiál schopný vstúpiť do reakcie s kyslíkom pri danej hodnote teploty prostredia. A tieţ na nich predovšetkým závisí moţnosť vzniku termo-oxidačnej reakcie, jej priebeh, rýchlosť a rozsah, ako i mnoţstvo a veľkosť zmien v materiály. Sekundárne faktory - popisujú fyzikálne parametre prostredia, v ktorom materiál horí. Z týchto faktorov má iba faktor energetického zdroja priamy vplyv na vznik termooxidačnej reakcie. Ostatné sekundárne faktory majú vplyv iba na priebeh termo-oxidačnej reakcie, môţu podstatnou mierou ovplyvňovať rýchlosť reakcie a dĺţku jej trvania. Podrobnejšie delenie primárnych a sekundárnych faktorov je na obrázku č. 5 (Osvald 1997). Poţiarno technické vlastnosti Horenie a horľavosť Primárne faktory Faktor chemického zloţenia a chemických vlastností materiálu Faktor fyzikálnych vlastností materiálu Iné faktory súvisiace priamo s materiálom Sekundárne faktory Faktor energetického zdroja Faktor atmosférických vplyvov Faktor konštrukcie Iné faktory súvisiace s parametrami prostredia
13 2.3.1. Primárne faktory 2.3.1.1. Vplyv chemického zloţenia Horenie dreva predstavuje termické rozloţenie väzieb jeho základných komponentov a zmenu ich chemického zloţenia a to za vzniku mnoţstva produktov. Ak si chceme vytvoriť správnu predstavu o horení dreva, musíme dokonale poznať jeho chemické zloţenie a reakcie jeho základných zloţiek pri termickom rozklade (Osvald 1997). Celková predstava o stavbe dreva sa v posledných rokoch značne spresnila aj keď drevo predstavuje zloţitý heterogénny koloidný systém látok s pestrou chemickou štruktúrou. (Blaţej 1975) uvádza jednoduchú klasifikáciu látok v dreve. Hlavné zloţky (polyméry) (90-97 %) Sacharidická časť (70%) Aromatická časť (25%) Celulóza (30%) Hemicelulózy (20-35%) Lignín (15-35%) Sprievodné zloţky (3-10%) Organické Anorganické monoméry polyméry Obr. č. 6 klasifikácia látok v dreve Celulóza tvorí asi 30%, hemicelulózy 20-35% a lignín 15-35% v dreve. Sprievodné látky aj keď sú percentuálne málo zastúpené majú vplyv na horenie. Percento obsahu základných zloţiek a prítomnosť sprievodných látok sa pohybuje podľa druhu dreviny. Tým je daná aj rozdielna odolnosť jednotlivých drevín pri termickom rozklade a odlišný je aj priebeh horenia za rovnakých zaťaţujúcich podmienok. Odolnosť základných stavebných zloţiek dreva je tieţ rozdielna. Celulóza sa povaţuje za termicky menej odolnú ako lignín. Dochádza k termickej degradácii makromolekuly celulózy ale i k následných termo-oxidačným reakciám niektorých funkčných skupín s kyslíkom. (, Marková Osvald 1997, Marková 1996).
14 Súhrn najdôleţitejších reakcií ku ktorým dochádza pri termickom rozklade celulózy. Druh reakcie Teplota [ C] Monitoring Tab. 1 Hydrolýza - Autokatalyzovaná - Katalyzátor ako retardér Termooxidácia R-CHO +O 2 R*+O 2 R-O-O* Depolymerizácia Levoglukózanova teória Dehydratácia - intermolekulová - intramolekulová 20-270 Zmena teplotných vlastností 130-250 Peroxidový mechanizmus 270-370 Levoglukózan D-glukóza 130-350 -C=C- Do teploty 250 C je rozklad celulózy mierny. V teplotnom intervale 250-350 C nastáva intenzívny tepelný rozklad celulózy. Dochádza k narušeniu väzieb v základnom reťazci podľa radikálového mechanizmu, koncový článok celulózy sa mení na levoglukózan. Oddelený levoglukózan vytvára rôzne produkty rozkladu. Maximálna rýchlosť uvoľňovania rozkladných produktov bola nameraná pri teplote 325 C. Hemicelulózy sú najmenej odolné voči termickému rozkladu. V teplotnom intervale 170-240 C sa rozkladajú hemicelulózy. Pri teplote 240 C bola zaznamenaná maximálna tvorba prchavých produktov pri tvorbe a rozklade hemicelulózy. Lignín je najodolnejšia zloţka z pohľadu termického rozkladu. Aktívny rozklad lignínu prebieha pri teplote 300-400 C. Rozrušuje sa štruktúra makromolekuly a uvoľňujú sa prchavé produkty. V tuhej fáze sa vytvára štruktúra typu voľných radikálov. Rýchlosť tvorenia prchavých produktov je niţšia ako u celulózy. Rozdielna odolnosť základných stavebných zloţiek sa prejaví nielen u jednotlivých druhov drevín, ale tieţ pri jednotlivých vrstvách bunečnej steny. Potom sa dá predpokladať, ţe smer termického rozkladu bunky postupuje od lúmenu k strednej lamele, ktorá má najvyšší obsah lignínu a je termicky najodolnejšia (Blaţej 1975).
15 Obr. č. 7Pribliţné zastúpenie celulózy, hemicelulóz a lignínu v jednotlivých vrstvách bunečnej steny Na otázku, pri akej teplote začína termický rozklad, nieje moţne dať jednoznačnú odpoveď. Keď predpokladáme, ţe doba tepelného zaťaţenia materiálu bola dostatočne dlhá, môţu sa znaky tepelného rozkladu prejaviť uţ pri niţších teplotách ako 100 C. Vzhľadom k tomu, ţe sa drevo neukázalo byť absolútne stabilné pri najniţších skúmaných teplotách nieje moţné stanoviť dolnú teplotnú hranicu pre začiatok termického rozkladu. Avšak rýchlosť rozkladu pri teplotách pod 100 C je taká nízka, ţe je moţné ju zanedbať. Výron väčšieho mnoţstva plynných produktov tepelného rozkladu začína okolo teploty 200 C. Vzniká predovšetkým voda, kyselina octová, metanol a iné produkty. Začiatok exotermického rozkladu nastáva pri teplote 270 C. V tomto procese sa uvoľňuje veľké mnoţstvo tepla, ktoré v podmienkach vylučujúcich straty do okolia je schopné vyvolať proces horenia bez externého ohrevu. Tepelným rozkladom sa dotyková vrstva dreva s energetickým zdrojom mení na drevené uhlie. Teplota dreveného uhlia dosahuje 400-500 C (Balog 1986).
16 2.3.1.2. Vplyv faktorov fyzikálnych vlastností dreva 2.3.1.2.1. Geometrický tvar Geometrický tvar skúšobného telesa podstatne ovplyvňuje moţnosť zapálenie, rýchlosť a intenzitu horenia. Rozmery, hlavne hrúbka, dĺţka, priemer, hrany (ich počet), uhly zaoblenia a iné parametre geometrického tvaru určujú odolnosť samotného dreveného prvku voči termickému rozkladu. Dôleţitou veličinou pri horení je geometrický tvar, všeobecné rozmery, pomer objemu k povrchu. S klesajúcou hodnotou tohoto pomeru (úlomky, triesky, prach) klesá odolnosť voči zapáleniu (Horský 1985, Osvald 1997). Faktor geometrického tvaru materiálu pravidelný Nepravidelný Dosky Fólie Valce Vlákna objem: povrchu hrúbka : ploche dĺţka: priemeru Úlomky Triesky prach Podľa situovaných charakteristík Gule priemer Polyéder dĺţky hrán Obr. č. 8 Schematické rozdelenie parametrov geometrického tvaru Najviac výskumov v oblasti vplyvu geometrie skúšobných teliesok je venovaných hrúbke a veľkosti vzoriek. Veľkosť a hrúbka vzoriek ovplyvňuje proces iniciácie horenia. Pri sledovaní vplyvu hrúbky na proces iniciácie horenia bol rozlíšený tepelne silné a tepelne slabé teliesko (Grexa 1991). Autor povaţuje drevo do hrúbky 15 mm za tepelne tenký materiál a nad 15 mm za tepelne silný materiál. Pri tepelne silnom materiály hĺbka preniku tepelnej vlny je menšia ako fyzikálna hrúbka (hrúbka vzorky). V tomto prípade zvyšovanie hrúbky nemá vplyv na proces iniciácie. Pri tenších telieskach sa tento vplyv prejaví. Taktieţ so zniţujúcou sa plochou stúpa minimálna hodnota tepelného toku a čas za ktorý dôjde k iniciácii horenia.
Plocha pod teplotnou krivkou (mm 2 ) 17 Tento efekt je veľmi výrazný u nízkych hodnôt tepelného toku. Štvornásobným zväčšením plochy telieska sa zníţi čas iniciácie asi o 20% (Simms 1962). Autor povaţuje drevo za tepelne silný materiál to znamená, ţe tepelné namáhanie na jednej strane dreveného panelu produkuje zanedbateľný tepelný účinok na nevystavenej strane. Hrúbky skúšobných teliesok od 10-20 mm sú závislé na účinku radiácie. Pre hrúbky vyššie ako uvedené hodnoty platí, ţe čas vznietenia nieje ovplyvnený zmenou v hrúbke telieska. Pre menšie hrúbky ako 10 mm sa čas vznietenia zniţuje v pomere k hrúbke (Simms 1962). Ďalší z výskumov, ktoré prevádzal (Grexa 1998), bol zisťovaný vplyv hrúbky smrekového dreva na index horľavosti podľa STN 73 0862. Z nameraných a vypočítaných výsledkov vyplýva, ţe vplyv hrúbky na index horľavosti bol negatívny pre väčšinu nameraných aspektov. Sledovaný rozdiel teplôt vzoriek dreva a kalibračných vzoriek sa zvyšoval so zvyšujúcou sa hrúbkou v tretej minúte tepelného pôsobenia, maximálny teplotný rozdiel (predstavujúci rýchlosť uvoľňovania tepla) a čas maximálneho teplotného rozdielu sa so zvyšujúcou hrúbkou zniţoval. Celkove uvoľnené teplo reprezentované plochou pod teplotnou krivkou sa zvyšovalo so zvyšujúcou sa hrúbkou obr. č. 9. 3600 3200 2800 2400 2000 8 10 12 14 16 18 Hrúbka v (mm) Obr. č. 9 Plocha pod teplotnou krivkou v závislosti na hrúbke Na obr. č. 10 môţem vidieť závislosť medzi hrúbkou materiálu a úbytkom na hmotnosti, ktorý sa so zvyšujúcou hrúbkou zniţoval.
Úbytok hmotnosti (%) 18 100 90 80 70 60 50 40 30 8 10 12 14 16 18 Hrúbka (mm) Obr. č. 10 Úbytok na hmotnosti v % z pôvodnej hmotnosti dreva (Grexa 1998) uvádza, ţe vplyv hrúbky smrekového dreva na jednotlivé merané aspekty horľavosti je jednoznačný, avšak vypočítaný index horľavosti sa v závislosti na hrúbke materiálu nemení systematicky. (Harada 1996) zisťoval pomocou kónického kalorimetra, vplyv hrúbky dreviny Quercus mongolica na rýchlosť zuhoľnatenia. Boli testované hrúbky 10, 20 a 40 mm pri takmer rovnakej hustote. Pokles úbytku na hmotnosti so zvyšujúcou sa hrúbkou autor vysvetľuje rozdielmi v špecifickej tepelnej kapacite, ktorá je vyjadrená hodnotami špecifického tepla, hustoty a objemu Zvláštnou kapitolou, ktorú by bolo dobré zaradiť medzi vplyvy geometrického tvaru na proces horenia, je vplyv anatomického smeru. Zápalnosť dreva v jednotlivých anatomických smeroch je v poradí pozdĺţny, radiálny a tangenciálne smer (Osvald a Klement 1997). Pri skúmaní vplyvu anatomického smeru dreva na horenie pomocou kónického kalorimetra sa ukázalo, ţe čas zapálenia priečneho rezu je dlhší, ako je čas zapálenia pri ostatných rezoch. Zdôvodňuje sa to tým, ţe v prípade rovnakej dreviny, kde veličiny ako hustota a špecifická tepelná kapacita sú pribliţne rovnaké, tepelná vodivosť v pozdĺţnom smere bude väčšia ako v priečnych smeroch.
19 2.3.1.2.2. Povrch materiálu Kvalita povrchu je ďalšou fyzikálnou charakteristikou, ktorá významnou mierou ovplyvňuje horenie. Drevo, kapilárne- pórovitý materiál, vykazuje drsnosť, teda okrem spôsobov opracovania závisí na anatomickej stavbe dreva. Okrem drsnosti majú na kvalitu povrchu vplyv aj anatomické vady, ktoré vznikajú pri opracovaní, mechanické poškodenia, nečistoty a iné, čím sa mení kvalita povrchu. Tá ovplyvňuje hlavne súčiniteľ prestupu tepla (alfa) a súčiniteľ prestupu látky (beta). Kvalitný hladký povrch odráţa energiu sálavého a plamenného zdroja a tým je ťaţšie zápalný ako povrch drsný za rovnakých podmienok pôsobenia (Marková 1996). 2.3.1.2.3. Vlhkosť materiálu So zvyšujúcim sa obsahom vody v dreva sa zvyšuje aj odolnosť dreva voči zapáleniu. Vysvetľuje sa to tým, ţe časť energie sa spotrebuje na odparenie vody voľnej, narušenie väzieb a na následné odparenie viazanej a chemicky viazanej vody. Horľavé plyny zriedené vodnou parou majú niţšiu koncentráciu a tým aj horšiu zápalnosť. Voda obsiahnutá v dreve je dobrý retardér horenia, ale z praktického hľadiska nevyuţiteľný (Osvald 1997). So zvyšujúcim sa obsahom vlhkosti v dreve stúpa doba iniciácie horenia pre kaţdú intenzitu radiácie. Pri sledovaní vplyvu vlhkosti v dreve na dobu iniciácie horenia a minimálneho tepelného toku potrebného na iniciáciu horenia, bolo zistené, ţe obsah vlhkosti do hodnoty 40% má malý vplyv na minimálnu hodnotu intenzity radiácie, ale energia potrebná na to, aby nastal proces iniciácie významne stúpa s hodnotami vlhkosti nad 40%. (Simms 1962) uvádza, ţe vlhkosť dreva niţšia ako 20% nemá ţiadny vplyv na čas zapálenia. 2.3.1.2.4. Termodynamické veličiny Poskytujú dôleţitý údaj o materiáloch, aj keď ich hodnoty pri vzniknutom poţiari ťaţko vyuţiteľné. Z fyzikálno-tepelných veličín dreva je najdôleţitejšie poznať:
20 a) Teplotná rozťažnosť dreva Zvyšovanie teploty telesa spôsobuje zvyšovanie energie jeho molekúl, zvýšenie rýchlosti ich pohybu a v konečnom dôsledku zväčšenie rozmerov telesa. Lineárne rozmery telesa pri určitej teplote je stanovený rovnicou. l = l 0 +..l 0 = l 0.(1+. ), [m] (1) kde: l - je rozmer telesa pri teplote [m] l 0 - je rozmer telesa pri teplote 0 C [m] - teplota [ C] - koeficient teplotnej rozťaţnosti [K -1 ] Z toho vyplýva: ( l l0 ) (2). l 0 b) Tepelná vodivosť dreva Charakterizuje tepelno-izolačné vlastnosti dreva. Drevo je slabý vodič tepla v dôsledku jeho veľkej pórovitosti. Tepelná vodivosť je konštanta, ktorá udáva mnoţstvo tepla prechádzajúce jednotkou plochy za jednotku času pri jednotkovom tepelnom spáde. Q. d [W.m -1.K -1 ] (3) S..( 1 2 ) kde: - koeficient tepelnej vodivosti [W.m -1.K -1 ] Q teplo [J] S plocha [m 2 ] - čas [s] d - hrúbka [m] -povrchová teplota [K] c) Teplotná vodivosť dreva Má význam na určenie času potrebného na dosiahnutie určitej teploty na sledovanom mieste. To je potrebné okrem iného aj v teoretických výpočtoch a simulovaných tepelných procesoch ako aj v poţiari. Teplotná vodivosť je vyjadrená vzťahom:
21 a. c [m 2.s] (4) kde: a - koeficient teplotnej vodivosti [m 2.s] - koeficient tepelnej vodivosti [W.m -1.K -1 ] c špecifická tepelná kapacita [J.kg -1.K -1 ] - hustota [kg.m 3 ] d) Špecifická tepelná kapacita Špecifická tepelná kapacita je mnoţstvo tepla, ktorým sa jednotková hmotnosť materiálu ohreje o 1 K. Q c [J.kg -1.K -1 ] (5) m. kde: c špecifická tepelná kapacita [J.kg -1.K -1 ] Q mnoţstvo tepla [J] m hmotnosť látky [kg] - rozdiel teplôt [K] Špecifická tepelná kapacita absolútne suchého dreva sa rovná kapacite drevnej substancie a nezávisí od druhu dreviny. Pre absolútne suché drevo platí: C o = 1,571+0,00277. [kj.kg -1.K -1 ]. Špecifickú tepelnú kapacitu vlhkého dreva určíme z C vody a suchého dreva nasledovne: c m w. cvody c0 [kj.kg -1.K -1 ] (6) 1 w kde: C vody = 40182 [kj.kg -1.K -1 ] c 0 - špecifická tepelná kapacita absolútne suchého dreva [kj.kg -1.K -1 ] w - absolútna vlhkosť dreva [g.g -1 ] e) Výhrevnosť dreva Výhrevnosť H [Mj.kg -1 ; Mj.m -3 ] je teplo, ktoré sa uvoľní pri dokonalom spálení jednotkového mnoţstva horľavej látky za predpokladu, ţe voda obsiahnutá v látke, ako aj voda vzniknutá spálením látky zostane v spalinách vo forme pary.
22 Keďţe hustota suchej drevnej substancie prakticky nezávisí od druhu dreviny, môţeme očakávať, ţe na nej nebude závisieť ani výhrevnosť. Pre väčšinu drevín s výnimkou tých, ktoré majú vysoký obsah ţivice, výhrevnosť dreva sa len málo odchyľuje od hodnoty 18,15 MJ.kg -1. Výhrevnosť vlhkého dreva klesá úmerne s jeho vlhkosťou. 2.3.1.2.5 Hustota dreva Hustota dreva a materiálov na báze dreva významne ovplyvňuje všetky fyzikálne a mechanické vlastnosti dreva a aj proces horenia. Drevo s vyššou hustotou vzplanie ťaţšie ako drevo s niţšou hustotou (Horský 1985, Osvald 1997). Doba iniciácie horenia je priamo úmerná hustote dreva. Hustota ovplyvňuje aj ďalšie procesy, ako je rýchlosť uhoľnatenia, ktorá sa zniţuje lineárne so vzrastajúcou hustotou. Čím je hustota vyššia, tím je vrstva zuhoľnatenia menšia. 2.3.1.2.6 Štruktúra dreva Štruktúra dreva a materiálov na báze dreva ovplyvňuje ďalšie fyzikálne vlastnosti materiálov, ale má taktieţ priamy vplyv na horenie. Jej vplyv je daný veľkosťou mikro a makrokapilár, ktoré ovplyvňujú transport kyslíka do hmoty, emisiu prchavých plynov a produktov dreva. V procese degradácie dochádza v bunečnej stene k tvorbe mikro a makrotrhlín, k narúšaniu dvojbodiek a iných typov stenčení, k vzájomnému izolovaniu buniek za vzniku trhlín v strednej lamele, k zmenšeniu hrúbky bunečných stien aţ po úplné odbúranie lokálnych častí buniek a celých buniek pri zachovaní zvyškov popola (Reinprecht 1996). (Osvald a Chovanec 1988) pozorujú na degradovanom dreve stenčenie bunkovej steny, ktoré bolo spôsobené hlavne degradáciou hemicelulóz a celulózy v sekundárnej vrstve bunkovej steny. Lignifikovaná stredná lamela a primárna stena si zachovajú svoj tvar i po tepelnej degradácií a to aj tesne pred spopolnením. Z anatomických zloţiek sa javia termicky najmenej stabilné dreňové lúče, pri ktorých je pozorovaných najviac zmien uţ pri pomerne nízkych teplotách.
23 2.3.2 Sekundárne faktory 2.3.2.1 Faktor energetického zdroja Energetický zdroj je nevyhnutný pre vznik reakcie horenia. Závisí na jeho parametroch, či exotermická reakcia prebehne a aký bude mať priebeh. Vznik a priebeh reakcie horenia bude regulovať druh zdroja, jeho teplota, poloha a doba pôsobenia. Je moţné pouţiť tri typy zdroja iniciácie a to konvekčný zdroj, radiačný zdroj alebo priamy plameň. V prvom prípade ide o priamy tok horúcich plynov na skúšobnú vzorku bez prítomnosti plameňa. Ako priamy plameň sa v testovacích metódach najviac pouţíva Bunsenov kahan, avšak má tú nevýhodu, ţe tepelný tok ktorému je vzorka v teste vystavená je nehomogénny a je ťaţké ho matematicky analyzovať. Pouţitie elektrických radiačných zdrojov energie má výhodu v tom, ţe pri nich vieme pomerne presne určiť hustotu tepelného toku. 2.3.2.2 Faktor atmosférických vplyvov Faktor atmosférických vplyvov môţe podstatne ovplyvniť priebeh reakcie horenia. najvýraznejší je vplyv prúdenia vzduchu alebo daţďa pri poţiari. Najväčšie problémy spôsobuje rýchla zmena tohoto faktora, takţe sa teoreticky nedá počítať s jeho určitými parametrami v momente poţiaru. Preto je nutné uvaţovať s najmenej priaznivými parametrami tohoto faktora a eliminovať ho v projekčnom riešení objektov. Podrobné delenie atmosférických vplyvov je na obr.č.12 (Horský 1985). Faktor atmosférických vplyvov Parametre vzduchu Parametre slnečného ţiarenia Iné vplyvy atmosférického faktora Teplota Relatívna vlhkosť Rýchlosť prúdenia Intenzita Vplyv UV na ochranné látky Vplyv UV na ohrev Obr. č. 12 Podrobné delenie faktora atmosférických vplyvov
24 2.3.2.3 Faktor konštrukcie objektu Priebeh reakcie horenia môţe významne ovplyvniť konštrukcia objektu, jeho urbanistické začlenenie, materiálno-technické riešenie, projekčné ako aj poţiarnobezpečnostné opatrenia. 2.4 Testovacie metódy stanovenia horľavosti a zápalnosti dreva Cieľom tejto kapitoly je poukázať na rozdielnosť rozmerov skúšobných vzorkou medzi jednotlivými testovacími metódami, ktoré sa týkajú ako stanovenia zápalnosti tak aj stanovenia horľavosti dreva. Stručný prehľad testovacích metód (Osvald1997)je v tab.č.2
25 Tab.č.2 STANOVENIE HORĽAVOSTI DREVA Názov, norma Hodnotiace kritérium, výsledok testu Rozmery skúšobných vzoriek Stanovenie stupňa Hodnota Q, 190 x 220 x hr.(max.40mm) horľavosti stavebných hmôt STN 73 0862 5 tried horľavosti BS 467 part 6 5 tried horľavosti 190 x 220 x hr.(max.40mm) DIN 4102 M1-M3 M1, M3 pokiaľ 90 x 190mm- pôsobenie doba horenia nepresiahne 5s plameňa na okraje 90 x 230mm- pôsobenie plameňa na plochu DIN 4102 Tep. spalín, 5tr. horľavosti 190 x 1000 x max. 80mm EPIRADIATEUR skúška M1-M3 M1, M3 pokiaľ 600 x 180mm malým horákom doba horenia nepresiahne 5s EPIRADIATEUR (Francúzsko) 5 tried horľavosti, rýchlosť šírenia plameňa 300 x 400 x max. 80mm ISO 1182 t- čas trvania plameňa 20s Valce: d=45mm m<50%, čas skúšky-30 V=50mm ISO/DP 5658 (stará verzia) Najväčšia dĺţka pohybu plameňa v mm, čas do extinkcie v prípade, ţe nie je dosiahnutý koniec vzorky 800 x 150 x 40mm BRULEUR ELECTRIQUE Triedy horľavosti M1-M4 600 x 180mm Test horiacich kvapiek Zaradzuje do triedy M4 70 x 70mm, min 2g BS 467 part 7 Šírenie plameňa tried 1-4 885 x 270 x max. 50mm STANOVENIE ZÁPALNOSTI DREVA ISO 5657 Čas zapálenia Hrúbka 70mm 033 / ISO 5657 Čas vznietenia 165 x 165 x 70mm ISO 5660 Kónický kalorimeter STN 64 0149 m- kľúčový faktor poţiarneho rizika 100 x 100mm 2g
26 3.0 CIEĽ PRÁCE Pri tepelnom namáhaní konštrukčných drevených prvkov dochádza postupne k ohrievaniu, termickému rozkladu a ku zmenám ich technických vlastností. Veľa autorov sa zaoberalo problematikou iniciácie horenia, termickým rozkladom a uhoľnatením dreva z pohľadu rôznych kritérií, ktoré tieto procesy ovplyvňujú. Za jedno z najdôleţitejších kritérií termo-degradačných procesov je povaţovaný úbytok na hmotnosti skúšobných vzoriek. Ďalšie hodnotiace kritérium, ktoré sa vyuţíva predovšetkým v poslednej dobe pri stanovovaní poţiarnej odolnosti konštrukčných prvkov, je hrúbka zuhoľnatenej vrstvy pri tepelne namáhanej skúšobnej vzorke. Cieľom našej práce je komplexne posúdiť účinok hrúbky skúšobnej vzorky a doby tepelného namáhania na uvedené hodnotiace kritéria (úbytok na hmotnosti, hrúbka zuhoľnatenej vrstvy), ako aj vzájomnou interakciou týchto faktorov na tieto kritéria. Cieľ ďalej predpokladá vytvoriť štatistické a matematické závislosti medzi sledovanými faktormi a hodnotiacimi kritériami.
27 4.0 METODIKA PRÁCE 4.1 Použitý materiál a požiadavky na skúšobný materiál Materiálom pre náš výskum bude smrekové drevo, pre jeho najväčšie vyuţitie v stavebníctve vo forme doskového reziva. Smrekové rezivo bolo postupne rozmanipulované na skúšobné vzorky tak, aby na ploche skúšobnej vzorky prevládal radiálny aţ radiálno-tangenciálny rez. Povrch skúšobných vzorkou bol upravený hobľovaním. Smrek obyčajný (Picea abies) patrí do skupiny beľových ihličnatých drevín (nemajú zreteľne odlíšené jadro). Smrekové drevo je bledoţltej aţ ţltohnedej farby, je mäkké, pomerne ľahké, z našich ihličnatých drevín je najpruţnejšie a najpevnejšie. Dá sa dobre moriť, ale jeho impregnačná schopnosť je malá. Má výrazné ročné kruhy, vrstva letného dreva v nich pozvoľna prechádza do dreva jarného. Dreň je úzka (v priemere 5mm), dreňové lúče sú viditeľné len lupou. Ţivičné kanáliky sú drobné, na pozdĺţnych rezoch sa javia ako úzke trhliny vyplnené ţltou ţivicou. Mikroskopické znaky: Pre smrekové drevo sú charakteristické dva druhy ţivičných kanálikov: vertikálne (sú dosť ojedinelé) a horizontálne. Dreňové lúče sú väčšinou jednovrstvové, zloţené z parenchýmu (uprostred) a z priečnych tracheid (na obvode).viacvrstvové dreňové lúče majú skoro vţdy v prostriedku rôzne veľký ţivičný kanálik. Radiálny priemer jarných tracheid sa pohybuje v medziach 0,02 0,04mm, hrúbka stien jarných tracheid je 0,002 0,004mm, letných 0,004 0,008mm. Dĺţka drevných vlákien je 1,7 3,7mm a ich podiel v dreve je 94,5-96,5%. Dreňové lúče sú 7 11 buniek vysoké, ich počet na 1mm 2 je 25 35. Podiel dreňových lúčov je 4,4 5,5%, ţivičných kanálikov do 5,8% (Poţgaj a kol. 1997). Za účelom sledovania nami zvolených hodnotiacich kritérií (viď kap.3.0)sme vyhotovili skúšobné vzorky podľa normy ISO 5660 testovania zápalnosti dreva na kónickom kalorimetri o konštantných plošných rozmeroch 100 100 mm a hrúbke ktorá sa menila v rozmedzí 5-20 mm v 4 hrúbkových stupňoch po 5 mm. Schéma skúšobnej vzorky je na obr.č.13
28 Obr.č.13 Schéma skúšobnej vzorky Počet skúšobných vzoriek pre kaţdý hrúbkový stupeň bol 15. Skúšobné vzorky sme klimatizovali pri relatívnej vlhkosti 65 a teplote t=20 C. Zvolili sme dve kritériá výberu skúšobných vzoriek: akosť všetky skúšobné vzorky, ktoré obsahovali také chyby, ktoré by mohli ovplyvniť priebeh skúšky a nami získané výsledky, sme vylúčili. To sa týkalo vzoriek, ktoré obsahovali hrče, trhliny, poškodenia hmyzom a vady vzniknuté pri manipulácii s drevom. hustota hustotu dreva sme vypočítali podľa (Poţgaj a kol. 1997) zo vzorca kde: m W W [kg.m -3 ] (7) VW m W - hmotnosť skúšobnej vzorky pri danej vlhkosti [kg] V W - objem [m 3 ] W - hustota [kg.m -3 ] 4.2. Schéma skúšobného zariadenia Zariadenie (obr. č. 14) sa skladá zo štyroch posuvných stojanov (1), nosného rámu (3), NA ktorom bol umiestnený infračervený ţiarič (2). Skúšobné vzorky (4) boli umiestnené NA nehorľavej azbestovej podloţke (6) a podloţené drevenými podloţkami (5). Vzdialenosť IČ ţiariča od tepelne namáhanej plochy skúšobnej vzorky bola h 1 = 30 mm, hrúbka skúšobnej vzorky h bola odvodená od hrúbkového stupňa skúšobnej vzorky. Spodná vzdialenosť tepelne namáhanej plochy skúšobnej vzorky od nehorľavej podloţky bola h 2 = 20 mm.
29 Obr. č. 14 Schéma zariadenia 4.3. Metóda tepelného namáhania Na tepelné namáhanie smrekových skúšobných vzoriek sme pouţili IČ ţiarič. 4.3.1. Vlastnosti tepelného IČ ţiariča. Infračervené (IČ) ţiarenie je prenos elektromagnetickej energie vo forme vĺn s priečnou vibráciou vzhľadom k smeru jeho šírenia. Ţiariče pracujúce s týmto ţiarením sú výkonné tepelné zdroje, ktoré majú široké uplatnenie v procesoch, kde je potrebné pôsobiť teplom predovšetkým v povrchových vrstvách materiálu, ako napr. v procesoch lepenia, vytvrdzovania náterových hmôt a pod. Ţiariče pre priemyselné pouţitie sa vyrábajú predovšetkým z kovu a keramiky. Podľa tvaru sa delia na plošné a tvarované. Podľa povrchovej teploty sa IČ ţiariče delia na svetlé a tmavé. Hraničná hodnota vlnovej dĺţky, ktorá určuje rozdiel medzi svetlými a tmavými ţiaričmi je asi 3,6-3,7 m, čomu zodpovedá povrchová teplota pribliţne 500 C. V mojom výskume som pouţil IČ ţiariče typovej rady T-5, ktoré vyrába firma Electro Praga. Ţiariče majú tvar roviny zahnutej do mierneho oblúka v smere pozdĺţnej osi telesa. Celková dĺţka l=245mnm, pracovná dĺţka l p =200mm, vonkajšia šírka s 1 =85mm, šírka vnútorná s 2 =64mm, hrúbka h=5mm, výška v=30mm. (obr.č.15)
30 Obr. č. 15 Tvar a rozmery ţiariča Ţiarenie vydáva predná stena s 1, zadná stena s 2, a čelné plochy s 3. (obr.č.16) Obr. 16 Vyţarujúce plochy a mnoţstvo vyţiarenej energie Veličiny nutné pre základnú charakteristiku ţiaričov sú (Zaťko 1993): 1. príkon P 2. povrchová teplota T p 3. maximálna vlnová dĺţka - max 4. tvar a rozmery ţiariča V 5. plocha ţiarenia, sálania - S c
31 6. materiál ţiariča, jeho vlastnosti a emisivita E 7. mnoţstvo vyţarovanej energie - Q c 8. ţiarivé (tepelné) pole IČ ţiariča Z 9. intenzita vyţarovania - E v 10. intenzita oţarovania - E z 11. účinnosť ţiarenia - Namerané a vypočítané hodnoty jednotlivých charakteristík nami pouţívaného ţiariča sú uvedené v tab. č. 3 tab. č. 3 Veličina Hodnota Jednotka P 750 W T p 579,4 C T p,al C max 3,34 m V Mm S c 0,0318 m 2 z 0,84 - al 0,048 - Q c 669,65 W Q 1 328,95 W Q 2. k 289,30 W 2 Q 3 51,39 W E v 2,105 W.cm -2 E z1 200 0,353 W.cm -2 E z2 300 0,222 W.cm -2 E z4 400 0,150 W.cm -2 E z5 500 0,103 W.cm -2 %
32 4.4. Hodnotiace kritéria Ako hodnotiace kritéria sme zvolili zmeny fyzikálnych vlastností dreva. Z týchto vlastností sme vybrali tie, ktoré najlepšie charakterizujú zmenu poţiarno-technických vlastností materiálu a preto sa vyuţívajú v mnohých testovacích metódach, t.j. úbytok na hmotnosti a hrúbka zuhoľnatenej vrstvy. 4.4.1. Úbytok na hmotnosti Zmena hmotnosti je vyjadrená ako úbytok na hmotnosti v jednotlivých časových intervaloch pri rôznych parametroch podmienok pôsobenia. Úbytok na hmotnosti sa merala na skúšobných vzorkách. Rozmery a počet skúšobných vzoriek ako aj spôsob tepelného zaťaţenia je popísaný v kapitolách č. 4.1. a 4.3. Úbytok na hmotnosti sme vypočítali zo vzorca (8), m1 m2 m 100 [%] (8) m 1 kde: m úbytok na hmotnosti [%] m 1 hmotnosť skúšobnej vzorky pred skúškou [g] m 2 hmotnosť skúšobnej vzorky po skúške [g] 4.4.2. Hrúbka zuhoľnatenej vrstvy Hrúbka zuhoľnatenej vrstvy sa merala na skúšobných vzorkách v mieste (strede) skúšobnej vzorky, kde pôsobenia energetického zdroja bolo najintenzívnejšie obr. 17 L/2 L Obr. č. 17 Spôsob merania údajov pre výpočet hrúbky zuhoľnatenej vrstvy
33 Hrúbku zuhoľnatenej vrstvy sme merali s presnosťou 0,1mm dvomi spôsobmi: 1. vizuálne, kde sme rozlišovali podľa farby dreva zuhoľnatené drevo od zdravého dreva (Osvald, Chovanec 1988) 2. pomocou zabudovaných termočlánkov v dreve, kde sme za hlavné kritérium v odlišnosti zuhoľnateného dreva od dreva zdravého povaţovali teplotu v rozmedzí od280-300 C. Podľa nameranej hrúbky zuhoľnatenej vrstvy sme vypočítali prehorenie podľa vzorca (9). h1 h2 h 100 [%] (9) h 1 kde: h prehorenie [%] h 1 hrúbka skúšobnej vzorky pred skúškou [mm] h 2 hrúbka neporušenej časti skúšobnej vzorky po skúške [mm]
34 4.5 Model experimentu Hrúbka h= 5 mm T=5 min. - h, m T=10 min.- h, m T=15 min.- h, m T=20 min.- h, m Skúšobné vzorky pre zisťovanie poţiarnotechnických vlastností Hrúbka h= 10 mm Hrúbka h= 15 mm T=5 min. - h, m T=10 min.- h, m T=15 min.- h, m T=20 min.- h, m T=5 min. - h, m T=10 min.- h, m T=15 min.- h, m T=20 min.- h, m Hrúbka h= 20 mm T=5 min. - h, m T=10 min.- h, m T=15 min.- h, m T=20 min.- h, m Obr. č. 18 Komplexná schéma návrhu metodiky ( h- hrúbka zuhoľnatenej vrstvy, m- úbytok na hmotnosti, T- doba tepelného namáhania)
35 4.6 Štatistické vyhodnotenia Za účelom štatistického rozboru nameraných hodnôt boli pouţité nasledovné základné štatistické charakteristiky. Charakteristika polohy (úrovne), ktorú nazývame aj stredná hodnota: - aritmetický priemer - x je súčet hodnôt znaku v súbore, delený ich počtom. Určujúca vlastnosť aritmetického priemeru je stálosť súčtu, t.j. ak kaţdú hodnotu znaku nahradíme aritmetickým priemerom, súčet sa nezmení. Jednoduchý aritmetický priemer počítame podľa vzťahu (10). x (10) 1 n x i i 1 Charakteristiky variability (disperzie, rozptylu), ktoré charakterizujú stupeň menlivosti (variabilitu) hodnôt znaku okolo stredných hodnôt: - rozptyl (disperzia) - s 2 je definovaný ako súčet štvorcov rozdielov jednotlivých pozorovaní od aritmetického priemeru, vydelený počtom stupňov voľnosti (11). x x 2 2 1 s n i (11) i 1 - smerodajná kvadratická (štandardná) odchýlka - s 0 jednotlivých pozorovaní sa vypočíta ako druhá odmocnina rozptylu (12) 2 s0 s (12) - variačný koeficient - v k je vyjadrený pomocou smerodajnej odchýlky v pomere k aritmetickému priemeru príslušnej premennej a vypočíta sa zo vzťahu (13) s v 0 k 100 [%] (13) x
36 5.0 NAMERANÉ A VYPOČÍTANÉ VÝSLEDKY V nasledujúcich tabuľkách sú namerané hodnoty skúšobných teliesok (základné rozmery vzorky, hmotnosti vzoriek pred a po skúške), ďalej sú zaznamenané prípadné časy vzplanutia a vypočítané hodnoty objemu, hustoty, hodnoty percentuálnych úbytkov na hmotnosti a hrúbky zuhoľnatenej vrstvy. Zo skúmaných hodnôt sme vypracovali závislosti ktoré sú spracované graficky a boli na nich prevedené základné štatistické charakteristiky. Legenda k tabuľkám (č.4 č.15): Tang. výrazne tangenciálna vzorka, (H- x) začalo horieť v x- tej minúte, sm zo vzorky vytekala smola, hr vzorka mala zdravú hrču vp pri teste bola pouţitá vysoká podloţka, p prehnutie vzorky počas testu (nedodrţanie vzdialenosti ţiariča a povrchu vzorky)
Úbytok na hmotnosti [%] Hrúbka zuhoľnatenej vrstvy [%] 37 20 mm 5min Tab. č.4 p. č. V h š l r- hustota m1 m2 m h2 h poznámka [m3] [mm] [mm] [mm] [kg.m-3] [g] [g] [%] [mm] [%] 1 0,2 20 100 100 351,60 70,32 65,53 6,81 17,90 10,50 Tang. 2 0,2 20 100 100 368,55 73,71 68,71 6,78 18,30 8,50 Tang. 3 0,2 20 100 100 411,75 82,35 77,99 5,29 18,10 9,50 4 0,2 20 100 100 413,00 82,60 77,59 6,07 18,10 9,50 5 0,2 20 100 100 415,75 83,15 78,05 6,13 17,80 11,00 6 0,2 20 100 100 415,90 83,18 77,84 6,42 17,90 10,50 7 0,2 20 100 100 416,05 83,21 77,48 6,89 17,40 13,00 8 0,2 20 100 100 417,25 83,45 77,86 6,70 17,70 11,50 9 0,2 20 100 100 426,35 85,27 80,50 5,59 18,70 6,50 10 0,2 20 100 100 428,20 85,64 80,53 5,97 18,00 10,00 11 0,2 20 100 100 433,05 86,61 81,68 5,69 17,70 11,50 12 0,2 20 100 100 438,10 87,62 82,57 5,76 18,40 8,00 13 0,2 20 100 100 440,50 88,10 83,33 5,41 18,60 7,00 14 0,2 20 100 100 454,10 90,82 85,78 5,55 18,40 8,00 15 0,2 20 100 100 464,35 92,87 89,02 4,15 19,20 4,00 x 419,63 5,95 9,27 8,00 y = -0,0188x + 13,841 16,00 7,00 R 2 = 0,5496 6,00 14,00 5,00 12,00 4,00 10,00 3,00 8,00 2,00 y = -0,0352x + 24,042 1,00 R 2 6,00 = 0,1928 0,00 4,00 330,00 380,00 430,00 480,00 Hustota [kg.m-3] Dm [%] Dh [%] Lineární (Dm [%]) Lineární (Dh [%]) Graf č. 1 Závislosť úbytku na hmotnosti a hrúbky zuhoľnatenej vrstvy od hustoty pre hrúbku 20mm a čas pôsobenia 5min
Úbytok na hmotnosti [%] Hrúbka zuhoľnatenej vrstvy [%] 38 20mm - 10min Tab. č. 5 p. č. V h š l r- hustota m1 m2 m h2 h poznámka [m3] [mm] [mm] [mm] [kg.m-3] [g] [g] [%] [mm] [%] 1 0,2 20 100 100 350,20 70,04 54,98 21,50 13,80 31,00 Tang. 2 0,2 20 100 100 365,55 73,11 57,08 21,93 13,60 32,00 Tang. 3 0,2 20 100 100 412,45 82,49 71,46 13,37 15,25 23,75 H-6,6 vp 4 0,2 20 100 100 412,80 82,56 68,84 16,62 14,60 27,00 sm 5 0,2 20 100 100 413,10 82,62 69,49 15,89 14,20 29,00 6 0,2 20 100 100 417,45 83,49 73,62 11,82 16,20 19,00 H-6,3 vp 7 0,2 20 100 100 418,40 83,68 69,24 17,26 14,00 30,00 8 0,2 20 100 100 419,60 83,92 66,01 21,34 13,20 34,00 9 0,2 20 100 100 425,25 85,05 69,79 17,94 14,30 28,50 10 0,2 20 100 100 429,20 85,84 73,23 14,69 14,90 25,50 11 0,2 20 100 100 436,00 87,20 72,40 16,97 14,00 30,00 12 0,2 20 100 100 437,45 87,49 79,45 9,19 16,20 19,00 H-7,3 vp 13 0,2 20 100 100 440,55 88,11 79,66 9,59 16,70 16,50 H-6,6 vp 14 0,2 20 100 100 450,85 90,17 78,51 12,93 15,40 23,00 H-9,6 15 0,2 20 100 100 469,35 93,87 83,01 11,57 15,20 24,00 hr x 419,88 15,51 26,15 25,00 20,00 15,00 y = -0,0989x + 57,048 R 2 = 0,5101 41,00 36,00 31,00 10,00 26,00 5,00 y = -0,0892x + 63,623 R 2 = 0,262 21,00 0,00 16,00 340,00 360,00 380,00 400,00 420,00 440,00 460,00 480,00 Hustota [kg.m-3] Dm [%] Dh [%] Lineární (Dm [%]) Lineární (Dh [%]) Graf č. 2 Závislosť úbytku na hmotnosti a hrúbky zuhoľnatenej vrstvy od hustoty pre hrúbku 20mm a čas pôsobenia 10min
Úbytok na hmotnosti [%] Hrúbka zuhoľnatenej vrstvy [%] 39 20mm - 15min Tab. č. 6 p. č. V h š l r- hustota m1 m2 m h2 h poznámka [m3] [mm] [mm] [mm] [kg.m-3] [g] [g] [%] [mm] [%] 1 0,2 20 100 100 355,90 71,18 47,07 33,87 11,10 44,50 Tang. 2 0,2 20 100 100 400,05 80,01 54,51 31,87 12,20 39,00 H-14 3 0,2 20 100 100 407,55 81,51 53,62 34,22 10,70 46,50 4 0,2 20 100 100 410,60 82,12 55,05 32,96 10,80 46,00 5 0,2 20 100 100 413,15 82,63 55,68 32,62 11,10 44,50 6 0,2 20 100 100 416,70 83,34 60,93 26,89 11,40 43,00 7 0,2 20 100 100 417,15 83,43 61,84 25,88 12,50 37,50 8 0,2 20 100 100 420,25 84,05 59,08 29,71 11,20 44,00 9 0,2 20 100 100 421,35 84,27 62,68 25,62 11,10 44,50 10 0,2 20 100 100 427,50 85,50 62,64 26,74 11,70 41,50 11 0,2 20 100 100 428,30 85,66 69,01 19,44 13,40 33,00 12 0,2 20 100 100 436,65 87,33 67,47 22,74 13,20 34,00 13 0,2 20 100 100 440,20 88,04 70,77 19,62 13,20 34,00 14 0,2 20 100 100 450,70 90,14 76,04 15,64 14,50 27,50 15 0,2 20 100 100 467,30 93,46 75,49 19,23 13,20 34,00 x 420,89 26,47 39,57 45,00 40,00 35,00 30,00 y = -0,1548x + 104,74 R 2 = 0,4358 60,00 50,00 40,00 30,00 25,00 20,00 20,00 y = -0,1948x + 108,47 R 2 = 0,6473 10,00 15,00 0,00 340,00 360,00 380,00 400,00 420,00 440,00 460,00 480,00 Hustota [kg.m-3] Dm [%] Dh [%] Lineární (Dh [%]) Lineární (Dm [%]) Graf č. 3 Závislosť úbytku na hmotnosti a hrúbky zuhoľnatenej vrstvy od hustoty pre hrúbku 20mm a čas pôsobenia 15min 20mm - 20min Tab. č. 7 p. č. V h š l r- hustota m1 m2 m h2 h poznámka
Úbytok na hmotnosti [%] Hrúbka zuhoľnatenej vrstvy [%] 40 [m3] [mm] [mm] [mm] [kg.m-3] [g] [g] [%] [mm] [%] 1 0,2 20 100 100 363,95 72,79 36,33 50,09 7,90 60,50 Tang. 2 0,2 20 100 100 401,95 80,39 40,60 49,50 8,60 57,00 3 0,2 20 100 100 413,45 82,69 41,40 49,93 8,20 59,00 4 0,2 20 100 100 413,45 82,69 44,61 46,05 8,20 59,00 5 0,2 20 100 100 414,95 82,99 41,82 49,61 6,90 65,50 6 0,2 20 100 100 417,25 83,45 41,03 50,83 6,80 66,00 7 0,2 20 100 100 417,35 83,47 43,27 48,16 8,20 59,00 8 0,2 20 100 100 420,45 84,09 43,46 48,32 8,40 58,00 9 0,2 20 100 100 424,35 84,87 47,59 43,93 9,00 55,00 10 0,2 20 100 100 424,65 84,93 46,31 45,47 9,60 52,00 11 0,2 20 100 100 424,80 84,96 67,06 21,07 13,80 31,00 H-10,3 sm 12 0,2 20 100 100 435,60 87,12 72,91 16,31 15,10 24,50 H-10 13 0,2 20 100 100 439,60 87,92 71,61 18,55 14,80 26,00 H-11,3 14 0,2 20 100 100 458,95 91,79 65,90 28,21 12,20 39,00 H-14,3 15 0,2 20 100 100 487,45 97,49 61,16 37,27 8,20 59,00 x 423,88 40,22 51,37 y = -0,1782x + 126,91 75,00 R 2 = 0,1168 65,00 55,00 45,00 35,00 25,00 y = -0,2403x + 142,06 R 2 = 0,2605 15,00 360,00 380,00 400,00 420,00 440,00 460,00 480,00 Hustota [kg.m-3] 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Dm [%] Dh [%] Lineární (Dm [%]) Lineární (Dh [%]) Graf č. 4 Závislosť úbytku na hmotnosti a hrúbky zuhoľnatenej vrstvy od hustoty pre hrúbku 20mm a čas pôsobenia 20min
Úbytok na hmotnosti [%] Hrúbka zuhoľnatenej vrstvy [%] 41 15mm - 5min Tab. č. 8 p. č. V h š l r- hustota m1 m2 m h2 h poznámka [m3] [mm] [mm] [mm] [kg.m-3] [g] [g] [%] [mm] [%] 1 0,15 15 100 100 424,60 63,69 59,56 6,48 14,20 5,33 2 0,15 15 100 100 430,13 64,52 60,44 6,32 13,90 7,33 3 0,15 15 100 100 431,00 64,65 60,33 6,68 14,10 6,00 4 0,15 15 100 100 432,13 64,82 59,99 7,45 13,40 10,67 5 0,15 15 100 100 432,87 64,93 60,70 6,51 14,10 6,00 6 0,15 15 100 100 434,73 65,21 60,16 7,74 13,40 10,67 7 0,15 15 100 100 434,87 65,23 60,78 6,82 14,00 6,67 8 0,15 15 100 100 441,67 66,25 61,85 6,64 14,20 5,33 9 0,15 15 100 100 442,67 66,40 62,08 6,51 13,80 8,00 10 0,15 15 100 100 446,13 66,92 62,68 6,34 14,20 5,33 11 0,15 15 100 100 447,00 67,05 62,64 6,58 14,20 5,33 12 0,15 15 100 100 448,80 67,32 63,08 6,30 14,10 6,00 13 0,15 15 100 100 450,33 67,55 63,26 6,35 13,50 10,00 14 0,15 15 100 100 458,40 68,76 64,12 6,75 14,40 4,00 15 0,15 15 100 100 467,47 70,12 65,48 6,62 14,10 6,00 x 441,52 6,67 6,84 8,00 7,00 y = -0,0079x + 10,154 R 2 = 0,0506 11,00 10,00 6,00 9,00 5,00 8,00 4,00 7,00 3,00 6,00 2,00 1,00 y = -0,0452x + 26,802 R 2 = 0,0645 5,00 4,00 0,00 3,00 420,00 430,00 440,00 450,00 460,00 470,00 Hustota [kg.m-3] Dm [%] Dh [%] Lineární (Dh [%]) Lineární (Dm [%]) Graf č. 5 Závislosť úbytku na hmotnosti a hrúbky zuhoľnatenej vrstvy od hustoty pre hrúbku 15mm a čas pôsobenia 5min 15mm - 10min Tab. č. 9