Επιδόσεις υλικών ως προς την αντίδραση στη φωτιά

Transcript

1 Κατεύθυνση Ενεργειακά Συστήματα Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών Πολυτεχνική Σχολή Πανεπιστήμιο Πατρών Διπλωματική Εργασία Επιδόσεις υλικών ως προς την αντίδραση στη φωτιά Κατάταξη υλικών ως προς την αντίδραση στη φωτιά σύμφωνα με το σύστημα EUROCLASS, με βάση δοκιμές σε θερμιδόμετρο κώνου. Εφαρμογή σε μονωτικά υλικά από αφρώδες πολυαιθυλένιο. Αποστολοπούλου Νικολίτσα Ανδριάνα Επιβλέπων: Πανίδης Θράσος Πάτρα, Οκτώβριος 2016

2

3 Πρόλογος Η διπλωματική αυτή εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Τεχνικής Θερμοδυναμικής και Εφαρμογών Στατιστικής Μηχανικής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, από τον Οκτώβριο του 2015 έως τον Οκτώβριο του Θεωρώ υποχρέωση μου να ευχαριστήσω όλους όσους με βοήθησαν στην πραγματοποίηση της διπλωματικής μου εργασίας και ιδιαίτερα τον επιβλέποντα καθηγητή μου, κ. Θράσο Πανίδη για την εμπιστοσύνη, την καθοδήγηση, την στήριξη και την ενθάρρυνση που μου έδωσε σε όλη την διάρκεια της συνεργασίας μας. Επίσης θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον κ. Αλέξανδρο Ρωμαίο για την συμπαράσταση και τις χρήσιμες συμβουλές του καθ' όλη την διάρκεια της διπλωματικής εργασίας. Θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στα υπόλοιπα μέλη της τριμελούς επιτροπής κ. Κωνσταντίνο Περράκη και κ. Παναγιώτη Κούτμο για την βοήθεια τους. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου (Γιώργο, Σόνια, Μαρία, Άντζελα) και τους φίλους μου για την στήριξη, την συμπαράσταση και την βοήθειά τους.

4

5 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την μελέτη της συμπεριφοράς του αφρώδους πολυαιθυλενίου με βάση την αντίδραση του στην φωτιά. Η εργασία αυτή είναι πειραματική και περιλαμβάνει μετρήσεις που διεξήχθησαν στο Θερμιδόμετρο κώνου (Cone Calorimeter). Όλα τα υλικά με βάση την αντίδρασή τους στην φωτιά κατατάσσονται σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό σύστημα ταξινόμησης. Η βασική διάταξη που χρησιμοποιείται για την κατάταξη των υλικών, είναι το μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο (SBI), με την χρήση του οποίου υπολογίζεται ο δείκτης FIGRA (μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης φωτιάς) και ο δείκτης SMOGRA (μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης καπνού). Οι δείκτες FIGRA και SMOGRA αποτελούν τα βασικά κριτήρια κατηγοριοποίησης των υλικών στο Ευρωπαϊκό σύστημα. Η παρούσα εργασία αποτελείται από οκτώ κεφάλαια Στο πρώτο κεφάλαιο επιχειρείται η τοποθέτηση του προβλήματος, ο σκοπός και η συμβολή της συγκεκριμένης διπλωματικής καθώς και μία βιβλιογραφική ανασκόπηση προηγούμενων σχετικών ερευνητικών εργασιών. Το δεύτερο κεφάλαιο της διπλωματικής μας εισάγει στο φαινόμενο της καύσης και της φωτιάς. Συγκεκριμένα γίνεται μία αναφορά στην διάκριση των φαινομένων καύσης, στις φλόγες μερικής προανάμειξης και διαστρωμάτωσης, στα στάδια της φωτιάς, στον τρόπο μετάδοσης της φωτιάς και στους παράγοντες που επηρεάζουν την διάδοση της φωτιάς. Στο τρίτο κεφάλαιο της διπλωματικής παρουσιάζονται οι δοκιμές πιστοποίησης που έχουν αναπτυχθεί για τη μελέτη της συμπεριφοράς των υλικών με βάση την αντίδραση τους στη φωτιά, οι οποίες είναι: η δοκιμή σήραγγας Steiner, η δοκιμή γωνίας δωματίου, η δοκιμή ακαυστότητας, το θερμιδόμετρο οβίδας, η δοκιμή αναφλεξιμότητας, το θερμιδόμετρο κώνου και το μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο (SBI). Το θερμιδόμετρο κώνου (στο οποίο διεξήχθησαν τα πειράματα) και το μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο (SBI) αναλύονται εκτενέστερα. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται το Ευρωπαϊκό σύστημα ταξινόμησης των υλικών, με βάση την αντίδραση και την αντίσταση τους στην φωτιά, σύμφωνα με το πρότυπο EN 13501, το οποίο αποτελείται από 5 μέρη. Το πρώτο τμήμα του ΕΝ αφορά την ταξινόμηση των υλικών με βάση την αντίδραση τους στην φωτιά. Τα ,3,4 αφορούν την κατηγοριοποίηση των δομικών στοιχείων με βάση την αντίσταση τους στην φωτιά και το αφορά την κατηγοριοποίηση των στεγών σε προσβολή εξωτερικής φωτιάς. Στην παρούσα εργασία η κατάταξη των υλικών γίνεται σύμφωνα με το πρότυπο EN Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η ανάπτυξη και η εξάπλωση της φλόγας κατά μήκος μιας επιφάνειας και παρουσιάζονται τα αντίστοιχα μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί. Η θεωρία της εξάπλωσης της φλόγας αποτελεί την βάση για την δημιουργία των μοντέλων πρόβλεψης.

6 Στο έκτο κεφάλαιο περιγράφονται μαθηματικά μοντέλα (conetools, μονοδιάστατο μοντέλο εξάπλωσης της φλόγας, μοντέλο που στηρίζεται στους δείκτες θερμότητας και ευφλεκτότητας και υπολογιστικό μοντέλο πρόβλεψης καπνού), τα οποία χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του αφρώδους πολυαιθυλενίου σε διάταξη μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο (SBI) εφαρμόζοντας δεδομένα που προκύπτουν από το θερμιδόμετρο κώνου. Με την χρήση αυτών των μοντέλων υπολογίζονται δείκτες (FIGRA, SMOGRA), οι οποίοι συγκρίνονται με αυτούς που προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία στο SBI. Οι δείκτες αυτοί χρησιμοποιούνται για την κατάταξη των υλικών στο Ευρωπαϊκό σύστημα ταξινόμησης. Στο έβδομο κεφάλαιο περιγράφεται το υλικό (αφρώδες πολυαιθυλένιο) που χρησιμοποιήθηκε για την διεξαγωγή των πειραμάτων. Αναλυτικότερα επεξηγείται ο τρόπος παραγωγής του συγκεκριμένου υλικού, η ταξινόμηση του σε κατηγορίες με βάση κυρίως την πυκνότητα του, η χρήση του καθώς και κάποια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζει. Επιπλέον στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται επιβραδυντικά φλόγας, τα οποία τοποθετούνται στο υλικό με σκοπό την βελτίωση των αρχικών ιδιοτήτων του. Στο τελευταίο κεφάλαιο αρχικά περιγράφοντα τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν, για την διεξαγωγή των πειραμάτων, τα οποία διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το πάχος και ως προς την σύνθεσή τους. Τα υλικά αυτά χωρίστηκαν σε δύο κατηγορίες με βάση το πάχος τους: παχιά υλικά και λεπτά υλικά. Στην συνέχεια αυτού του κεφαλαίου παρουσιάζεται η προετοιμασία των δειγμάτων πριν από την καύση καθώς και η πειραματική διαδικασία. Τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας, αρχικά αναλύονται ξεχωριστά για λεπτά και παχιά υλικά. Έπειτα παρουσιάζονται τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα για όλα τα υλικά. Με βάση τα αποτελέσματα που προήλθαν από τα πειράματα παρουσιάζονται και τα αντίστοιχα συμπεράσματα. Τα δεδομένα που προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία χρησιμοποιούνται για την εφαρμογή των μοντέλων πρόβλεψης [Conetools,μονοδιάστατο μοντέλο πρόβλεψης (1D), μοντέλο που βασίζεται στα ποσοστά απελευθέρωσης θερμότητας και στους δείκτες ευφλεκτότητας (HRR_max) και υπολογιστικό μοντέλο για την πρόβλεψη του καπνού] για λεπτά και παχιά υλικά αντίστοιχα. Στο τελευταίο μέρος αυτού του κεφαλαίου, συγκρίνονται τα αποτελέσματα ταξινόμησης των υλικών, από την εφαρμογή των μοντέλων πρόβλεψης, με πρότυπες μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε διάταξη μεμονωμένου καιγόμενου αντικειμένου (SBI). Οι μετρήσεις αυτές προήλθαν από δοκιμές που έγιναν για λεπτά και παχιά υλικά αφρώδους πολυαιθυλενίου, σε διαπιστευμένα εργαστήρια (γαλλικό και ιταλικό).

7 Περιεχόμενα Πίνακας Συμβόλων... x Ονοματολογία... x Ελληνικά γράμματα... xi Δείκτες... xii Ευρετήριο Εικόνων... xiii Ευρετήριο Πινάκων... xiv Ευρετήριο Σχημάτων... xv Κεφάλαιο 1:Εισαγωγή Κίνητρο Στόχος Και Αντικείμενο Σύντομη Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Συνεισφορά της παρούσας εργασίας... 3 Κεφάλαιο 2:Καύση - Φωτιά Σημασία Των Φαινομένων Καύσης Ορισμός- Περιγραφή Του Φαινομένου Καύση Ορισμός Φωτιάς Περιγραφή Φλόγας Διάκριση Φαινομένων Καύσης Φλόγες Μερικής Προανάμειξης Και Φλόγες Διαστρωμάτωσης Στάδια Φωτιάς Τετράεδρο Φωτιάς Διάδοση Φωτιάς Ο Προσανατολισμός Της Επιφάνειας Και Η Κατεύθυνση Διάδοσης Πάχος Του Καιγόμενου Υλικού Φυσικές Ιδιότητες Γεωμετρία Του Αντικειμένου Περιβαλλοντικοί Παράγοντες Τρόποι Μετάδοσης Της Θερμότητας Μετάδοση Με Αγωγή Μετάδοση Με Συναγωγή Μετάδοση Με Ακτινοβολία Κεφάλαιο 3:Επισκόπηση Των Μεθόδων Δοκιμών Στη Φωτιά Περιγραφή Μεθόδων Δοκιμών Στη Φωτιά Δοκιμή Σήραγγας Steiner (Steiner Tunnel Test-ASTM E 84) Room Corner δοκιμή (Room Corner Test -EN ISO 9705)... 20

8 3.1.3 Δοκιμή Ακαυστότητας (Non-Combustibility Test - EN ISO 1182) Bomb Θερμιδόμετρο (Bomb Calorimeter-EN ISO 1716) Δοκιμή Αναφλεξιμότητας (Ignitability Apparatus -EN ISO ) Θερμιδόμετρο Κώνου (Cone Calorimeter- EN ISO 5660) α Περιγραφή Του Θερμιδόμετρου Κώνου β Ατμόσφαιρα Ελεγχόμενη Από Το Θερμιδόμετρο Κώνου γ Ενδιάμεσης Κλίμακας Θερμιδόμετρο Κώνου Διάταξη Μεμονωμένου Καιγόμενου Αντικειμένου [Single Burning Item (SBI), EN α Περιγραφή Του SBI β Δείκτες FIGRA Και SMOGRA γ Τοποθέτηση Δείγματος Στην μέθοδο SBI Σύγκριση Θερμιδόμετρου Κώνου Με Μεμονωμένο Καιγόμενο Αντικείμενο(SBI) Κεφάλαιο 4:Ευρωπαϊκό Σύστημα Ταξινόμησης Με Βάση Την Επίδοση Των Υλικών Στη Φωτιά Κεφάλαιο 5:Εξάπλωση Φλόγας Χρόνος Ανάφλεξης Θερμικά Λεπτά Υλικά Θερμικά Παχιά Υλικά Περιγραφή Μοντέλου Εξάπλωσης Φλόγας Για Θερμικά Παχύ Υλικό Για Θερμικά Λεπτό Υλικό Κεφάλαιο 6:Μοντέλα Πρόβλεψης Μοντέλο Conetools Ρυθμός Ανάπτυξης Φλόγας Κριτήρια Για Την Διάδοση Της Φλόγας Υπολογισμός Του Ρυθμού Έκλυσης Θερμότητας Διόρθωση Των Δεδομένων Που Προκύπτουν Από Το Θερμιδόμετρο Κώνου Για Διαφορετικές Ροές Θερμότητας Μελέτη Της Ευαισθησίας Του Μοντέλου Conetools Μονοδιάστατο Μοντέλο Εξάπλωσης Φλόγας Εφαρμογή Του Μοντέλου Σε Επιβραδυντικά Φλόγας Που Έχουν Ως Βάση Το Ξύλο Μοντέλο Που Βασίζεται Στα Ποσοστά Απελευθέρωσης Θερμότητας Και Στους Δείκτες Ευφλεκτότητας Υπολογιστικό Μοντέλο Πρόβλεψης Καπνού Προβλέποντας Το Επίπεδο Του SMOGRA... 67

9 6.4.2 Πρόβλεψη Της Ταξινόμησης Του Καπνού S 1, S 2 και S Κεφάλαιο 7:Αφρώδες Πολυαιθυλένιο Ιστορική Αναδρομή Παραγωγή Ταξινόμηση Χρήση Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα Επιβραδυντές Φλόγας Διάκριση Επιβραδυντών Είδη Επιβραδυντών Επιλογή Επιβραδυντών Κεφάλαιο 8:Επεξεργασία Και Μελέτη Αποτελεσμάτων Περιγραφή Δειγμάτων Προετοιμασία Δειγμάτων - Πειραματική διαδικασία Αποτελέσματα Μετρήσεων α Παχιά Υλικά β Λεπτά Υλικά Συγκεντρωτικά Αποτελέσματα α Παχιά Υλικά β Λεπτά Υλικά γ Όλα Τα Υλικά Συμπεράσματα Πειραματικής Διαδικασίας Εφαρμογή Μοντέλων Πρόβλεψης Αποτελέσματα Για Παχιά Υλικά Αποτελέσματα Για Λεπτά Υλικά Σύγκριση Αποτελεσμάτων Μοντελοποίησης Με Πρότυπες Δοκιμές α Παχιά Υλικά β Λεπτά Υλικά Συμπεράσματα Προτάσεις Για Μελλοντική Έρευνα 168 Βιβλιογραφία

10 Πίνακας Συμβόλων Ονοματολογία Α Α Βι C d,d erfc FIGRA FR h h c HRR k l m P r Εμβαδό επιφάνειας Παράγωγος του χρόνου της επιφάνειας καύσης Αριθμός Biot Ειδική θερμότητα Διάμετρος Συμπληρωματική συνάρτηση σφάλματος Ρυθμός ανάπτυξης φωτιάς Επιβραδυντικά φλόγας Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή Αγωγιμότητα θερμικής επαφής Ρυθμός έκλυσης θερμότητας Θερμική αγωγιμότητα Μήκος Μάζα Αριθμός Prandtl Ρυθμός έκλυσης θερμότητας Ρυθμός έκλυσης θερμότητας του καυστήρα Ρυθμός έκλυσης θερμότητας των προϊόντων Ρυθμός έκλυσης θερμότητας του καυστήρα Ρυθμός έκλυσης θερμότητας των προϊόντων Ρυθμός έκλυσης θερμότητας ανά μονάδα μήκους [x]

11 Ρυθμός έκλυσης θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας Ροή θερμότητας Ροή θερμότητας ανά μονάδα μήκους Ροή θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας Ροή θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας όπως καταγράφεται από το θερμιδόμετρο κώνου Ροή θερμότητας από εξωτερικές πηγές Ροή θερμότητας από τις φλόγες Ροή θερμότητας στην επιφάνεια SBI SMOGRA SPR t t ign Τ THR TSP600 sec x f x p x p0 w Μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο Ρυθμός ανάπτυξης καπνού Ρυθμός απελευθέρωσης καπνού Χρόνος Χρόνος ανάφλεξης Θερμοκρασία Συνολική έκλυση θερμότητας Συνολική παραγωγή καπνού για t= 600 sec Μήκος της φλόγας Μήκος της περιοχής πυρόλυσης Ύψος της περιοχής πυρόλυσης Αρχικό πλάτος της περιοχής πυρόλυσης Ελληνικά γράμματα α ε ρ Απορροφητικότητα, θερμική διαχυτότητα Ικανότητα εκπομπής ακτινοβολίας Πυκνότητα [xi]

12 σ Σταθερά Stefan-Boltzmann Δείκτες av i ign max rad s Μέση Συνθήκες εισόδου, αρχικές ή εσωτερικές συνθήκες Ανάφλεξη Μέγιστος Ακτινοβολία Επιφάνεια Συνθήκες περιβάλλοντος [xii]

13 Ευρετήριο Εικόνων Εικόνα 1: Διαφορετικές περιπτώσεις εξάπλωσης της φωτιάς ανάλογα με την κλίση της επιφάνειας (Πηγή / An introduction to fire dynamics,drysdale) Εικόνα 2: Εξάρτηση του ρυθμού μετάδοσης φλόγας από το πάχος του υλικού (Περιοχές Ι και ΙΙ: σταθερή μετάδοση, Περιοχή ΙΙΙ: ασταθής μετάδοση,περιοχή ΙV: μη μετάδοση),(πηγή / Suzuki et al.,1994 ) Εικόνα 3: Steiner-Tunnel-Test (Πηγή / 19 Εικόνα 4: Room Corner test (Πηγή / 20 Εικόνα 5: Δοκιμή ακαυστότητας (Πηγή / 21 Εικόνα 6: Bomb Calorimeter (Πηγή / 22 Εικόνα 7: Δοκιμή Αναφλεξιμότητας (Πηγή / www Εικόνα 8: Θερμιδόμετρο κώνου (Πηγή / testing.com ) Εικόνα 9: Τυπικός κωνικός θερμιδομετρητή, τα σημαντικότερα στοιχεία της διάταξης (Πηγή / kobistq.en.ec21.com ) Εικόνα 10: Κατακόρυφη - Οριζόντια τοποθέτηση δείγματος (Πηγή / fire properties of polymer composite materials) Εικόνα 11: Ελεγχόμενη ατμόσφαιρα μέσω θερμιδόμετρο κώνου (Πηγή/fire properties of polymer composite materials) Εικόνα 12: Θερμιδόμετρο κώνου ενδιάμεσης κλίμακας (Πηγή/fire properties of polymer composite materials) Εικόνα 13: Σχηματική αναπαράσταση SBI (Πηγή/ testing.com) Εικόνα 14: Εργαστηριακή διάταξη SBI (Πηγή/ testing.com) Εικόνα 15: Φωτογραφίες που δείχνουν λεπτομέρειες ενός δείγματος υλικού μεμβράνης στην δοκιμή SBI (Πηγή/Fire tests with textile membranes on the market) Εικόνα 16: Standar μέθοδος τοποθέτησης (Πηγή/Fire tests with textile membranes on the market ) Εικόνα 17: Καύση δείγματος στο Θερμιδόμετρο - SBI (Πηγή/ testing.com) Εικόνα 18: Αφρώδες Πολυαιθυλένιο Εικόνα 19: Χαρακτηριστικές φωτογραφίες του υπολείμματος καύσης [xiii]

14 Εικόνα 20: Βάση Στήριξης Εικόνα 21: Χαρακτηριστικές φωτογραφίες καύσης του υλικού με βάση συγκράτησης με ακίδες Ευρετήριο Πινάκων Πίνακας 1: Πειραματικά αποτελέσματα (Magee and McAlevy, 1971) Πίνακας 2:Τιμές h για διάφορα είδη συναγωγής Πίνακας 3: Προδιαγραφές της μεθόδου SBI σύμφωνα με EN Πίνακας 4: Ταξινόμηση δομικών προϊόντων εξαιρουμένων των προϊόντων για δάπεδα Πίνακας 5: Ταξινόμηση για δάπεδα Πίνακας 6: Ταξινόμηση για μόνωση σωληνώσεων Πίνακας 7: Ταξινόμηση ηλεκτρικών καλωδίων Πίνακας 8: Αποτελέσματα 5 υλικών για τον χρόνο ανάφλεξης και το κατώτατο όριο του ρυθμού έκλυσης θερμότητας Πίνακας 9: Ταξινόμηση με βάση των δείκτη SMOGRA και TSP600s Πίνακας 10: Χαρακτηριστικά Υλικών Πίνακας 11: Συγκεντρωτικός πίνακας αποτελεσμάτων ανά δοκιμή για παχιά υλικά119 Πίνακας 11(συνέχεια): Συγκεντρωτικός πίνακας αποτελεσμάτων ανά δοκιμή για παχιά υλικά Πίνακας 12: Συγκεντρωτικός πίνακας αποτελεσμάτων ανά δοκιμή για κάθε λεπτό υλικό Πίνακας 13: Συγκεντρωτικός πίνακας αποτελεσμάτων για κάθε παχύ υλικό Πίνακας 14: Συγκεντρωτικός πίνακας αποτελεσμάτων για κάθε λεπτό υλικό Πίνακας 15α: Συγκεντρωτικός πίνακας αποτελεσμάτων για όλα τα υλικά [xiv]

15 Πίνακας 15β: Συγκεντρωτικός πίνακας αποτελεσμάτων για όλα τα υλικά. Τα μεγέθη είναι ανοιγμένα στη μέση μάζα των υλικών Πίνακας 16: Αποτελέσματα μοντέλων πρόβλεψης ως προς τον δείκτη FIGRA για παχιά υλικά Πίνακας 17: Αποτελέσματα υπολογιστικού μοντέλου πρόβλεψης καπνού για παχιά υλικά Πίνακας 18: Ταξινόμηση ως προς τον FIGRA και ως προς τον καπνό για παχιά υλικά Πίνακας 19: Αποτελέσματα μοντέλων πρόβλεψης ως προς τον δείκτη FIGRA για λεπτά υλικά Πίνακας 20: Αποτελέσματα υπολογιστικού μοντέλου πρόβλεψης καπνού για λεπτά υλικά Πίνακας 21: Ταξινόμηση ως προς τον FIGRA και ως προς τον καπνό για λεπτά υλικά Πίνακας 22: Αποτελέσματα εξωτερικού εργαστηρίου 1 για δοκιμή αφρώδους πολυαιθυλενίου πάχους 25mm στο SBI Πίνακας 23: Κατάταξη μονωτικού αφρώδους πολυαιθυλενίου πάχους 25mm,στο EUROCLASS Πίνακας 24: Αποτελέσματα εξωτερικού εργαστηρίου 2 για υλικό αφρώδους πολυαιθυλενίου πάχους 10mm στο SBI Πίνακας 25: Κατάταξη μονωτικού αφρώδους πολυαιθυλενίου πάχους 10mm,στο EUROCLASS Ευρετήριο Σχημάτων Σχήμα 1: Η εξέλιξη μιας τυπικής φωτιάς συναρτήσει του χρόνου... 9 Σχήμα 2: Τετράεδρο- πυραμίδα της φωτιάς Σχήμα 3: Αγωγή θερμότητας σε μια διάσταση Σχήμα 4: Μεταφορά θερμότητας με συναγωγή από τον αέρα προς μια επιφάνεια Σχήμα 5: Συντελεστής όψεως μεταξύ δύο ομοαξονικών παράλληλων δίσκων Σχήμα 6 : Απεικόνιση του δείκτη FIGRA συναρτήσει του HRR και του χρόνου [xv]

16 Σχήμα 7: Σχηματική αναπαράσταση σωλήνων στο SBI για πάχος μόνωσης 25 mm. Πρόοψη στα αριστερά και κάτοψη στα δεξιά Σχήμα 8: Εξάπλωση φλόγας επιβοηθούμενη από τον αέρα Σχήμα 9: Εξάπλωση φλόγας εμποδιζόμενη από τον αέρα Σχήμα 10: Ένα θερμικά λεπτό υλικό εκτεθειμένο στην φωτιά Σχήμα 11: Ένα θερμικά παχύ υλικό εκτεθειμένο στην φωτιά Σχήμα 12: Το προφίλ της θερμοκρασίας σε συνάρτηση με τον χρόνο στο εσωτερικό ενός θερμικά παχύ υλικού Σχήμα 13: Μοντέλο εξάπλωση της φλόγας Σχήμα 14: Ρυθμός ανάπτυξης της περιοχής καύσης συναρτήσει του χρόνου Σχήμα 15: Διαφορετική συμπεριφορά του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας σε υλικά με μη επιβραδυντικά φλόγας που έχουν ως βάση το ξύλο Σχήμα 16: Διάκριση των τριών επιπέδων του δείκτη SMOGRA για 89 υλικά που μελετήθηκαν στο SBI Σχήμα 17: Πρόβλεψη για 89 υλικά με βάση το δείκτη SMOGRA και η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων Σχήμα 18 : Διάκριση των τριών επιπέδων του καπνού για 89 υλικά που μελετήθηκαν στο SBI Σχήμα 19: Πρόβλεψη για 89 υλικά με βάση τον καπνό και η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων Σχήμα 20: Κατηγορίες Επιβραδυντών Φλόγας [xvi]

17 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Κίνητρο Οι ευεργετικές ιδιότητες της φωτιάς σε συνδυασμό με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, συνέτειναν στην πολιτισμική εξέλιξη της ανθρωπότητας. Ανέκαθεν όμως, η φωτιά αποτελούσε μία από τις σημαντικότερες αιτίες θανάτου, τραυματισμού και απώλειας περιουσίας σε παγκόσμια κλίμακα. Υπάρχουν πολλά περιστατικά φωτιάς σε κλειστούς χώρους που καταδεικνύουν την επικινδυνότητα και την σοβαρότητα αυτού του φαινομένου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η φωτιά που ξέσπασε στο Λονδίνο το 1666 [50] προκαλώντας πολλούς θανάτους και καταστρέφοντας πάνω από το 80 % της πόλης. Επιπλέον παράδειγμα είναι η φωτιά που ξέσπασε στο θέατρο Iroquois των Η.Π.Α. το 1903 [50], προκαλώντας 602 θανάτους (η πιο θανατηφόρα πυρκαγιά στην ιστορία των Η.Π.Α). Καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη και στην εξάπλωση της φωτιάς, ειδικά σε κλειστούς χώρους, έχουν τα υλικά τα οποία μπορεί να συνεισφέρουν στο θερμικό φορτίο ή/και να παράγουν τοξικά αέρια οδηγώντας στη δημιουργία μη βιώσιμων συνθηκών. Η πλειονότητα των θανάτων από φωτιά προκαλούνται λόγω της θερμότητας που εκλύεται, του καπνού που παράγεται και της τοξικότητας. Επομένως δημιουργείται η ανάγκη βελτίωσης των υλικών κυρίως ως προς αυτούς τους παράγοντες. 1.2 Στόχος Και Αντικείμενο Η συμπεριφορά των υλικών στην φωτιά χαρακτηρίζεται με βάση την ''αντίδραση'' και την ''αντίσταση'' τους. O όρος αντίδραση, χρησιμοποιείται για να περιγράψει την ευφλεκτότητα και τις ιδιότητες καύσης ενός υλικού από την ανάφλεξη, εξάπλωση μέχρι την εξασθένιση της φλόγας. Ενώ η αντίσταση, ορίζει την ικανότητα ενός υλικού (δομής) να παρεμποδίζει την διάδοση της φωτιάς διατηρώντας την δομική του ακεραιότητα (π.χ. σχήμα, μηχανικές ιδιότητες). Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο μελέτης την συμπεριφορά του αφρώδους πολυαιθυλενίου με βάση την αντίδρασή του στην φωτιά. Το συγκεκριμένο μονωτικό υλικό χρησιμοποιείται ευρέως στην καθημερινότητα. Παραδείγματα χρήσης του είναι: σωλήνες, δάπεδα, ηλεκτρικές συσκευές, παιχνίδια και κτήρια. Παρατηρείται ότι, το υλικό αυτό χρησιμοποιείται σε διαφορετικές περιοχές εφαρμογών λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει. [1]

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Η ερευνητική αυτή εργασία είναι πειραματική και περιλαμβάνει μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο Θερμιδόμετρο κώνου (Cone Calorimeter). Η μετρητική αυτή διάταξη αποτελεί σημαντικό εργαλείο εργαστηριακής κλίμακας στο πεδίο των δοκιμών αντίδρασης στην φωτιά και έχει την δυνατότητα άμεσης μέτρησης σημαντικών μεγεθών καύσης π.χ. έκλυση θερμότητας και παραγωγή καπνού. Με βάση την θερμότητα και τον καπνό κατατάσσονται όλα τα υλικά στο Ευρωπαϊκό σύστημα ταξινόμησης. Η βασική διάταξη που χρησιμοποιείται για την ταξινόμηση των υλικών είναι το μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο (SBI), με την χρήση του οποίου υπολογίζεται ο δείκτης FIGRA (μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης φωτιάς) και ο δείκτης SMOGRA (μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης καπνού). Με βάση τον δείκτη FIGRA όλα τα υλικά στο Ευρωπαϊκό σύστημα ταξινόμησης κατηγοριοποιούνται σε κλάσεις (Α-F) γνωστές ως EUROCLASS. Οι κλάσεις αυτές αφορούν την ευφλεκτότητα του υλικού. Ενώ με βάση τον δείκτη SMOGRA τα υλικά κατατάσσονται σε κατηγορίες (s 1,s 2 και s 3 ), οι οποίες αφορούν την παραγωγή καπνού. Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η πρόβλεψη της συμπεριφοράς του αφρώδους πολυαιθυλενίου στην φωτιά. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν διαφέρουν ως προς την σύνθεσή τους, συγκεκριμένα εμπεριέχουν βρωμιούχα επιβραδυντικά φλόγας. Επομένως επιπλέον στόχος της διπλωματικής είναι η μελέτη της επίδρασης των επιβραδυντικών ως προς την θερμότητα που εκλύεται και ως προς τον καπνό που παράγεται. Τέλος επιδίωξη της διπλωματικής, είναι η πρόβλεψη της συμπεριφοράς του αφρώδους πολυαιθυλενίου σε διάταξη μεμονωμένου καιγόμενου αντικειμένου (SBI) χρησιμοποιώντας δεδομένα που προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία στο θερμιδόμετρο κώνου. Για την αναγωγή των δεδομένων από το θερμιδόμετρο κώνου στο SBI χρησιμοποιούνται μοντέλα πρόβλεψης. Τα μοντέλα αυτά είναι: Conetools, μονοδιάστατο μοντέλο εξάπλωσης φλόγας (1D), μοντέλο που στηρίζεται στους δείκτες θερμότητας και ευφλεκτότητας (HRR_max) και υπολογιστικό μοντέλο καπνού. Με την χρήση αυτών των μοντέλων υπολογίζονται δείκτες (FIGRA, SMOGRA), οι οποίοι συγκρίνονται με αυτούς που προκύπτουν από την διάταξη του μεμονωμένου καιγόμενου αντικειμένου. Οι δείκτες αυτοί χρησιμοποιούνται για την κατάταξη των υλικών στο Ευρωπαϊκό σύστημα ταξινόμησης. 1.3 Σύντομη Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Οι Wickstrom and Goransson (1988), ανέπτυξαν ένα μοντέλο για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των υλικών σε δοκιμές φωτιάς μεγάλης κλίμακας χρησιμοποιώντας δεδομένα που προκύπτουν από το θερμιδόμετρο κώνου. Με βάση το μοντέλο αυτό οι Van Hees Pαtrick et.al, δημιούργησαν το Conetools. Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιεί τον χρόνο ανάφλεξης και τον ρυθμό έκλυσης θερμότητας, τα οποία προκύπτουν από το θερμιδόμετρο κώνου, με σκοπό τον υπολογισμό του δείκτη FIGRA. Οι βασικές εξισώσεις που διέπουν το μοντέλο αυτό, στηρίζονται στον ρυθμό διάδοσης της φλόγας και στην εξίσωση του Duhamel (η οποία αναφέρεται στον υπολογισμό του ρυθμού έκλυσης θερμότητας). To Conetools έχει χρησιμοποιηθεί σε μεγάλος εύρος υλικών και θεωρείται ένα αξιόπιστο εργαλείο πρόβλεψης. Οι Jesper Axelsson και Patrick Van Hees (1988), χρησιμοποίησαν το μοντέλο αυτό για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς υλικών τύπου sandwich (sandwich panel), στο μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι το μοντέλο, στην πλειονότητα των [2]

19 ΕΙΣΑΓΩΓΗ υλικών, έκανε καλή πρόβλεψη ως προς τον δείκτη FIGRA. Ο Messerschmidt B.(1999), χρησιμοποίησε τα δεδομένα του θερμιδόμετρου κώνου και το μοντέλο Conetοols και προέβλεψε της συμπεριφορά διαφορετικών υλικών στο SBI. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα το 80% των υλικών είχαν την ίδια κατάταξη στο EUROCLASS σύμφωνα με το Conetοols και SBI. O Grayson S (1999), έκανε ακριβώς το ίδιο με τον Messerschmidt σε διαφορετικά όμως υλικά. Τα αποτελέσματα του αποδεικνύουν ότι το Conetools είναι ένα αξιόπιστο εργαλείο πρόβλεψης. Οι Van Hees Pαtrick et.al (2010), χρησιμοποίησαν τα δεδομένα του θερμιδόμετρου κώνου για 33 υλικά με διογκωμένο γραφίτη, τα εφάρμοσαν στο Conetoolς και προέβλεψαν την συμπεριφορά του υλικού στο μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο. Τα αποτελέσματα απέδειξαν ότι ο συνδυασμός του θερμιδόμετρου κώνου και του Conetools, δίνουν σωστές προβλέψεις στο 90% των υλικών. Το μονοδιάστατο μοντέλο εξάπλωσης φλόγας (1D), Matti A. Kokkala (2001),εφαρμόζεται κυρίως σε υλικά που έχουν ως βάση το ξύλο. Τα δεδομένα εισόδου του μοντέλου αυτού είναι το ποσοστό απελευθέρωσης θερμότητας που προκύπτει από το θερμιδόμετρο κώνου για ροή θερμότητας 50 kw/m 2. Οι.Hakkarainen T. και Kokkala M.A (2001), χρησιμοποίησαν το μοντέλο αυτό σε 33 οικοδομικά υλικά και απέδειξαν ότι σε συνδυασμό με τα δεδομένα του θερμιδόμετρου κώνου είναι ένα αξιόπιστο εργαλείο πρόβλεψης. Συγκεκριμένα το 90% των υλικών που εξετάστηκαν έδωσαν ίδια κατάταξη, ως προς τον δείκτη FIGRA, με το μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο (SBI). To μοντέλο που στηρίζεται στους δείκτες θερμότητας και ευφλεκτότητας (HRR_max), (Sled Ivan, 2002) για τον υπολογισμό του δείκτη FIGRA χρησιμοποιεί δεδομένα που προκύπτουν από το θερμιδόμετρο κώνου για ροή θερμότητας 50 kw/m 2. Το μοντέλο αυτό σύμφωνα με τον Sled I.(2002), ο οποίος χρησιμοποίησε δεδομένα από 200 υλικά που εξετάστηκαν στο θερμιδόμετρο κώνου, δεν μπορεί να κάνει πολύ καλή πρόβλεψη της συμπεριφοράς ενός υλικού στο μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο. Το υπολογιστικό μοντέλο καπνού (Van Hees Pαtrick et.al), χρησιμοποιεί δεδομένα από το θερμιδόμετρο κώνου. Οι Van Hees Pαtrick et.al, εφάρμοσαν το μοντέλο αυτό σε 35 διαφορετικά προϊόντα και χρησιμοποίησαν δεδομένα από 116 πειράματα που διεξήχθησαν στο θερμιδόμετρο κώνου. Με βάση τα αποτελέσματα προκύπτει ότι το υπολογιστικό μοντέλο καπνού είναι ένα αξιόπιστο εργαλείο πρόβλεψης (το 85% των υλικών προέβλεψαν ίδια κατάταξη καπνού με το μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο). 1.4 Συνεισφορά της παρούσας εργασίας Η παρούσα διπλωματική εργασία σχετίζεται με την μελέτη της συμπεριφοράς του αφρώδους πολυαιθυλενίου στην φωτιά, με την χρήση της πειραματικής διάταξης του θερμιδόμετρου κώνου. Οι δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν στο θερμιδόμετρο ήταν χρονοβόρες, υψηλού κόστους και απαιτούσαν διαπιστευμένο εργαστήριο, πλήρως εξοπλισμένο, με καταρτισμένο προσωπικό. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα για 17 υλικά αφρώδους πολυαιθυλενίου, τα οποία διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το πάχος και ως προς την σύνθεσή τους. Τα υλικά [3]

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 αυτά χωρίστηκαν σε δύο κατηγορίες με βάση το πάχος τους: παχιά υλικά (19mm, 25mm) και λεπτά υλικά (9mm, 10mm). Η κατηγοριοποίηση αυτή έγινε με σκοπό να μελετηθεί η επίδραση του πάχους και της σύνθεσης στον τρόπο καύσης του υλικού και τα αποτελέσματα να συγκριθούν με πρότυπες μετρήσεις, που πραγματοποιήθηκαν σε διάταξη μεμονωμένου καιγόμενου αντικειμένου (SBI) για λεπτά και παχιά υλικά αντίστοιχα. Αρχικά στην διπλωματική αυτή εργασία, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας των επιμέρους δοκιμών ανά υλικό (είτε πρόκειται για παχύ είτε πρόκειται για λεπτό). Στην συνέχεια αναλύονται τα διαγράμματα για όλα τα παχιά και λεπτά υλικά και παρουσιάζονται τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα όλων των υλικών (λεπτά και παχιά). Γενικά μέσω της πειραματικής διαδικασίας, παρατηρείται ο τρόπος καύσης του εκάστοτε υλικού και αναλύονται τα αποτελέσματα, τα οποία σχετίζονται κυρίως με την θερμότητα που εκλύεται και τον καπνό που παράγεται. Το κύριο συμπέρασμα που προκύπτει από την πειραματική διαδικασία είναι ότι, το αφρώδες πολυαιθυλένιο παρουσιάζει μία ιδιομορφία ως προς τον τρόπο με τον οποίο καίγεται (αναδίπλωση). Για την αποφυγή αυτού του φαινομένου χρησιμοποιήθηκαν εναλλακτικές τεχνικές, οι οποίες δεν αποκλίνουν από τις αρχές του προτύπου ISO 5660 σύμφωνα με το οποίο διενεργούνται οι δοκιμές στο θερμιδόμετρο κώνου. Η τεχνική που έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα ήταν αυτή της συγκράτησης του υλικού με ακίδες στην κάτω επιφάνειά του. Επιπλέον με βάση τα αποτελέσματα συμπεραίνεται ότι το πάχος και η σύνθεση επηρεάζουν σημαντικά τον τρόπο καύσης του υλικού. Τα δεδομένα που προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία (υπό την επιβαλλόμενη ακτινοβολία κώνου 50 kw/m 2 ) για όλα τα παχιά και λεπτά υλικά,έπειτα από αξιολόγηση, χρησιμοποιούνται για την εφαρμογή των μοντέλων πρόβλεψης [Conetools, μονοδιάστατο μοντέλο πρόβλεψης (1D), μοντέλο που βασίζεται στα ποσοστά απελευθέρωσης θερμότητας και στους δείκτες ευφλεκτότητας (HRR_max) και υπολογιστικό μοντέλο για την πρόβλεψη του καπνού]. Η επιλογή των μοντέλων αυτών έγινε έπειτα από εκτενή μελέτη της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, σύμφωνα με την οποία για μεγάλο εύρος υλικών που χρησιμοποιήθηκαν δίνουν σωστή πρόβλεψη των FIGRA και SMOGRA. Η εφαρμογή των μοντέλων που προαναφέραμε ήταν δύσκολη, διότι αποτελούνται από πολύπλοκες μαθηματικές εξισώσεις με παραμέτρους που μεταβάλλονται ανάλογα με τις συνθήκες καύσης. Ωστόσο επιδίωξη της παρούσας διπλωματικής είναι να αποδείξει ότι, τα μοντέλα σε συνδυασμό με τα δεδομένα του θερμιδόμετρου κώνου μπορούν να δώσουν μία καλή εκτίμηση της συμπεριφοράς ενός υλικού στην φωτιά αποφεύγοντας τις δοκιμές σε διάταξη μεμονωμένου καιγόμενο αντικείμενο, οι οποίες είναι χρονοβόρες και πολύ δαπανηρές. Τα μοντέλα πρόβλεψης εφαρμόστηκαν ξεχωριστά για λεπτά και παχιά υλικά. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν είναι παρόμοια για όλα τα υλικά. Συγκεκριμένα για την ταξινόμηση στο Ευρωπαϊκό σύστημα χρησιμοποιούνται τα μοντέλα Conetools και 1D. Ενώ το μοντέλο HRR_max θεωρείται αναξιόπιστο, διότι προβλέπει πολύ μικρό δείκτη FIGRA. Στο τελευταίο μέρος της παρούσας διπλωματικής, συγκρίνονται τα αποτελέσματα κατάταξης των υλικών, από την εφαρμογή των μοντέλων πρόβλεψης, με πρότυπες μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε διάταξη μεμονωμένου καιγόμενου αντικειμένου (SBI) από διαπιστευμένα εργαστήρια. [4]

21 Κεφάλαιο 2 Καύση - Φωτιά Σύμφωνα με την αρχαία ελληνική μυθολογία, η φωτιά ήταν απόκτημα των θεών μέχρι που ο Προμηθέας την έκλεψε από τον Ήφαιστο και την χάρισε στο ανθρώπινο γένος για να ξεφύγει από την μιζέρια του και να αναπτυχθεί [1]. Ο άνθρωπος αρχικά και για περίπου χρόνια αξιοποιούσε την φωτιά μόνο για την επιβίωση του και την κυριαρχία του πάνω στην γη, χωρίς την αντίστοιχη επιστημονική μελέτη. Κατά την εποχή του σιδήρου,το 1000 π.χ., ο άνθρωπος άρχισε να χρησιμοποιεί την φωτιά με την ανάπτυξη της τεχνολογίας για την επίλυση των καθημερινών του προβλημάτων. Αυτό συνέτεινε στην πολιτισμική εξέλιξη της ανθρωπότητας. Κατά την αναγεννησιακή περίοδο άρχισαν οι πρώτες μελέτες της φλόγας και των φαινομένων καύσης. Το 1833 οι Mallard και Le Chatelier [28] ανέπτυξαν μαθηματικά μοντέλα για την περιγραφή της φλόγας και των ιδιοτήτων της.λίγο αργότερα το 1855 κατασκευάστηκε ο πρώτος καυστήρας με φλόγα προανάμειξης από τον Bunsen [1], ο οποίος μέτρησε τις ταχύτητες διάδοσης της φλόγας και τις θερμοκρασίες καύσης χρησιμοποιώντας ένα ειδικό όργανο,το θερμιδόμετρο. Ενώ το 1928 από τους Burke και Schumman [1] έγινε η πρώτη θεωρητική προσέγγιση και έρευνα πάνω στις φλόγες διάχυσης. 2.1 Σημασία Των Φαινομένων Καύσης Η βασική αρχή εναλλαγής ενέργειας βασίζεται στην καύση. Οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας, οι μηχανές (αυτοκινήτων, φορτηγών κτλ) καθώς και τα σύγχρονα προωθητικά συστήματα (αεριοστρόβιλοι αεροπλάνων και πυραύλων) αποτελούν χαρακτηριστικό παράδειγμα. Οι μηχανές αυτοκινήτων, φορτηγών αλλά και οι ατμομηχανές και οι μηχανές πλοίων, ανήκουν στις μηχανές εσωτερικής καύσης (Otto, Diesel) και λειτουργούν με βάση την παραγωγή θερμικής ενεργείας. Επιπλέον η θέρμανση (π.χ. κτιρίων) όπως και η παραγωγή ενεργείας σε σταθμούς απαιτούν την καύση στερεού, αερίου ή υγρού καυσίμου. Τέλος μέσω της καύσης μπορούν να προβλεφθούν οι συμπεριφορές των υλικών ώστε να ληφθούν κατάλληλα μέτρα πυρασφάλειας. 2.2 Ορισμός- Περιγραφή Του Φαινομένου Καύση Με τον όρο καύση ονομάζουμε κάθε εξώθερμη χημική αντίδραση ενός υλικού καυσίμου με οξυγόνο (ή αέρα). Συντελείται με αρκετά μεγάλο βαθμό απόδοσης θερμότητας, με σκοπό την εκμετάλλευση της εκπεμπόμενης ενέργειας υπό μορφή θερμότητας. Ελάχιστη προϋπόθεση είναι η εκπεμπόμενη θερμότητα να είναι τόση ώστε να μπορεί να διατηρηθεί η αντίδραση. [5]

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΧΗΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΚΑΥΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Κατά την διάρκεια της καύσης, ένα μέρος της εκλυόμενης ενέργειας διαχέεται στο περιβάλλον, ανεβάζοντας σημαντικά τη θερμοκρασία. Το υπόλοιπο μεταφέρεται στα γειτονικά καιγόμενα υλικά καθώς και σε ενδιάμεσα, τυχόν, καύσιμα προϊόντα της καύσης, ανεβάζοντας την εσωτερική τους ενέργεια έτσι ώστε η αντίδραση (καύση) να συνεχίζεται και ενδεχομένως να επεκτείνεται. Εάν αυτή η ενέργεια δεν είναι επαρκής, η καύση σταματά σταδιακά, ενώ αντίθετα, επεκτείνεται και δημιουργείται πυρκαγιά. Δύο διατομικά μόρια υδρογόνου ενώνονται με ένα διατομικό μόριο οξυγόνου και σχηματίζουν δύο μόρια νερού (η πιο απλή οξείδωση που συναντιέται στις περισσότερες φωτιές) 2 Η 2 + Ο 2 2 Η 2 Ο (1) Το πιο διαδεδομένο συστατικό που συναντάμε στα περισσότερα καύσιμα, όπως για παράδειγμα στα σύνθετα μόρια του ξύλου, των πλαστικών ή του πετρελαίου είναι το υδρογόνο. Το δεύτερο πιο διαδεδομένο συστατικό είναι ο άνθρακας ο οποίος εμφανίζεται στα μόρια εύφλεκτων υλικών. Σε όλες τις καύσεις παράγεται διοξείδιο του άνθρακα σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση: C + O 2 CO 2 (2) Ανάλογα με την περιοχή του οξυγόνου μπορεί να συμβεί μια άλλη αντίδραση με αποτέλεσμα την παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα. 2 C + O 2 2 CO (3) Στα φαινόμενα φωτιάς αυτές οι τρεις εξισώσεις αποτελούν τις βασικές χημικές αντιδράσεις Σε σπάνιες περιπτώσεις έχουμε οξείδωση ενώσεων του θείου με παραγωγή διοξειδίου του θείου. S + O 2 SO 2 (4) 2.3 Ορισμός Φωτιάς Με τον όρο φωτιά ονομάζουμε την ταχεία οξείδωση μιας καύσιμης ύλης που απελευθερώνει θερμότητα, φως (φλόγα) και άλλα προϊόντα αντίδρασης, όπως διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Όταν ένα εύφλεκτο ή καύσιμο υλικό με την παρουσία οξυγόνου ή κάποιου άλλου οξειδωτικού παράγοντα, βρεθεί σε κατάλληλη θερμοκρασία. τότε ξεκινάει η φωτιά. Αυτή η κατάλληλη θερμοκρασία ονομάζεται θερμοκρασία ανάφλεξης ή σημείο ανάφλεξης και είναι διαφορετική για κάθε υλικό. Μία σπίθα, κάποια άλλη φωτιά (όπως ένα αναμμένο σπίρτο ή τσιγάρο ) και πηγές έντονης θερμικής ακτινοβολίας (όπως ο ήλιος και οι λαμπτήρες πυρακτώσεως) είναι οι κύριες πηγές φωτιάς. Όταν δεν υπάρχει κάποια εξωτερική πηγή θερμότητας μπορεί [6]

23 ΚΑΥΣΗ-ΦΩΤΙΑ να συμβεί ανάφλεξη,η οποία ονομάζεται αυτανάφλεξη. Επομένως η αυτανάφλεξη είναι μια ειδική περίπτωση αιφνίδιας ανάφλεξης καύσιμου υλικού 2.4 Περιγραφή Φλόγας Η φλόγα της φωτιάς είναι μια μίξη του οξυγόνου του ατμοσφαιρικού αέρα και των ζεστών ατμών του καυσίμου που αντιδρούν μεταξύ τους και εκπέμπουν ορατή και υπέρυθρη ακτινοβολία. Αρχικά να τονίσουμε ότι η παρουσία φλόγας δεν είναι απαραίτητη στην καύση (αργή καύση) και εμφανίζεται όταν μία στερεά επιφάνεια υφίστανται ταυτόχρονα πυράκτωση και αποτέφρωση. Περιπτώσεις αργής καύσης είναι η καύση στο τσιγάρο ή η καύση των κάρβουνων. Αναλόγως τη σύσταση του φλεγόμενου υλικού το χρώμα και η ένταση της φλόγας ποικίλουν. Για παράδειγμα, σε μια πυρκαγιά σε δάσος παρατηρούμε ότι κοντά στο έδαφος, όπου γίνονται οι περισσότερες καύσεις, η φωτιά είναι άσπρη (το θερμότερο χρώμα για την περίπτωση οργανικών υλικών) ή κίτρινη. Καθώς απομακρυνόμαστε από το έδαφος η θερμοκρασία μειώνεται και το χρώμα της φωτιάς από κίτρινο γίνεται πορτοκαλί και τελικά κόκκινο. Στο ύψος που δεν συντελούνται καύσεις, πάνω από τις κόκκινες φλόγες, τα σωματίδια του άνθρακα είναι ορατά ως μαύρος καπνός. Κατά την καύση οργανικής ύλης, όπως το ξύλο, η φλόγα έχει κίτρινο χρώμα που οφείλεται στα σωματίδια του άνθρακα. 2.5 Διάκριση Φαινομένων Καύσης Τα περισσότερα φαινόμενα καύσης ανήκουν σε μία από τις ακόλουθες τρεις κατηγορίες [1]. α) Φαινόμενα που ρυθμίζονται πρωταρχικά από τη χημική κινητική. Στην πρώτη κατηγορία συναντάμε φαινόμενα κατά τα όποια το καύσιμο και το οξειδωτικό εισάγονται στον χώρο που πραγματοποιείται η καύση σε προαναμεμειγμένη μορφή. Αυτές οι φλόγες λέγονται φλόγες προανάμειξης ή πλήρως προαναμεμειγμένες φλόγες. Φαινόμενα που ανήκουν στην πρώτη κατηγορία είναι: η ανάφλεξη του μείγματος (ignition), όπου αυξάνεται η θερμοκρασία των αντιδρώντων συστατικών ( π.χ. πιλοτική φλόγα ή ηλεκτρικό σπινθήρα) η μετάδοση της φλόγας (flame spread) και η μετάδοση ή έκρηξη σε πολύ υψηλές ταχύτητες διάδοσης η σταθεροποίηση της φλόγας η ψύξη και το σβήσιμο της φλόγας β) Φαινόμενα που ρυθμίζονται πρωταρχικά από τη διάχυση μάζας, ορμής, και άλλες φυσικές διεργασίες ανάμειξης (μεταξύ καυσίμου/ οξειδωτή). Σε αυτή την κατηγορία συναντάμε φαινόμενα κατά τα όποια το ρεύμα καυσίμου και το ρεύμα οξειδωτικού έρχονται σε επαφή και αναμειγνύονται στο χώρο που πραγματοποιείται η καύση. Οι φλόγες αυτές ονομάζονται φλόγες διάχυσης. Φαινόμενα που ανήκουν στη δεύτερη κατηγορία είναι: [7]

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 οι στρωτές και τυρβώδεις φλόγες διάχυσης (όπου το καύσιμο και ο οξειδωτής έρχονται σε επαφή στη ζώνη καύσης) η καύση σταγονιδίων η στερεών σωματιδίων, οι ανωστικές και οι λιμνώδεις φλόγες. γ) Φαινόμενα στα οποία ο ρόλος της χημικής κινητικής και της φυσικής ανάμειξης είναι της ίδιας σημασίας. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν εξώθερμες οξειδωτικές αντιδράσεις, όπου ο ρυθμός της ανάμειξης του οξειδωτικού με το καύσιμο είναι συγκρίσιμος με το ρυθμό ολοκλήρωσης των χημικών αντιδράσεων στο μέτωπο της φλόγας. Φαινόμενα καύσης που ανήκουν στην τρίτη κατηγορία: καύση σε κινητήρες Ramjet, πυρκαγιέςs στρωτές και τυρβώδεις φλόγες προανάμειξης (καύσιμο και οξειδωτής είναι προαναμειγμένα), καύση στις Μ.Ε.Κ, 2.6 Φλόγες Μερικής Προανάμειξης Και Φλόγες Διαστρωμάτωσης Υπάρχουν και δύο άλλες υποκατηγορίες φαινομένων καύσης που προκύπτουν από τον συνδυασμό των παραπάνω φαινομενολογιών. Η πρώτη είναι η περίπτωση της μερικής προανάμειξης, κατά την οποία η σύνθεση του αντιδρώντος μείγματος, πριν την προσαγωγή του στη ζώνη των χημικών αντιδράσεων, μπορεί να κυμαίνεται από ένα πολύ φτωχό έως ένα πολύ πλούσιο σχετικό λόγο καυσίμου-αέρα, Φ, και δεν αποκλείεται η πιθανότητα μέρος του μείγματος να είναι και εκτός των ορίων ευφλεκτότητας. Φλόγες μερικής προανάμειξης συναντώνται σε πολλές πρακτικές διεργασίες και εφαρμογές, (π.χ.στις μηχανές εσωτερικής καύσης). Στην δεύτερη υποκατηγορία εμπεριέχονται οι φλόγες με διαστρωμάτωση του σχετικού λόγου καυσίμου-αέρα στο μείγμα. Στις φλόγες αυτές, οι διακυμάνσεις του σχετικού λόγου καυσίμου-αέρα στο αντιδρόν μείγμα περιορίζονται εντός των ορίων ευφλεκτότητας και στην ουσία οι φλόγες αυτές αποτελούν υποκατηγορία των μερικώς προαναμειγμένων φλογών. 2.7 Στάδια Φωτιάς Η εξέλιξη της φωτιάς περιλαμβάνει τρία στάδια: Στάδιο ανάπτυξης της φωτιάς, κατά το οποίο η μέση θερμοκρασία του καιγόμενου αντικειμένου είναι σχετικά χαμηλή και η φωτιά περιορίζεται κοντά στην περιοχή από την οποία ξεκίνησε. Στάδιο πλήρως ανεπτυγμένης φωτιάς, κατά το οποίο παρατηρείται καύση όλων των αναφλέξιμων αντικειμένων και οι φλόγες εξαπλώνονται σε όλο το χώρο. Στάδιο εξασθένησης της φωτιάς, το οποίο επιτυγχάνεται όταν η μέση θερμοκρασία του χώρου γίνει χαμηλότερη του 80% της μέγιστης τιμής της [8]

25 ΚΑΥΣΗ-ΦΩΤΙΑ Η μετάβαση από το πρώτο στο δεύτερο στάδιο, χαρακτηρίζεται ως πλήρης ανάφλεξη (flashover) και περιλαμβάνει την γρήγορη εξάπλωση της φωτιάς από το αρχικό σημείο έναυσης προς όλες τις αναφλέξιμες επιφάνειες του χώρου. Η πλήρης ανάφλεξη,σε σχέση με τα υπόλοιπα στάδια, έχει μικρή χρονική διάρκεια. Χαρακτηρίζεται όμως ως ένα κρίσιμο χρονικό σημείο, διότι με το που συμβεί μειώνονται δραματικά οι πιθανότητες επιβίωσης στο εσωτερικό του χώρου. Σχήμα 1:Η εξέλιξη μιας τυπικής φωτιάς συναρτήσει του χρόνου Κατόπιν της έναυσης καύσης σε μια τοπική εστία φωτιάς τρία πράγματα μπορεί να συμβούν: Η φωτιά μπορεί να κάψει μόνο το αρχικό αντικείμενο και να μην εξαπλωθεί λόγω έλλειψης καυσίμου (π.χ. η φωτιά ξεκινάει σε ένα απομονωμένο σημείο) Η φωτιά μπορεί να εξαπλωθεί με αργούς ρυθμούς ή να σβήσει λόγω έλλειψης οξυγόνου Η φωτιά να αναπτυχθεί πλήρως και να εξαπλωθεί με γρήγορους ρυθμούς λόγω της ύπαρξης καυσίμου και αέρα 2.8 Τετράεδρο Φωτιάς Για την διατήρηση της φωτιάς απαιτείται η συνύπαρξη τεσσάρων παραγόντων: η καύσιμη ύλη, ικανή να διατηρήσει τη θερμοκρασία ανάφλεξης, ένα οξειδωτικό μέσο και η διαδικασία αυτοσυντήρησης της φωτιάς. Αυτό ονομάζεται συχνά «τετράεδρο της φωτιάς». Η φωτιά για να διατηρήσει τη θερμότητά της απελευθερώνει θερμική ενέργεια κατά την διαδικασία της καύσης και εξαπλώνεται δεδομένου ότι τροφοδοτείται συνεχώς με καύσιμο και οξειδωτικό μέσο. Μπορεί να σβήσει όταν εκλείψει ένα οποιοδήποτε στοιχείο του τετραέδρου. Για παράδειγμα, η πυρόσβεση με νερό λειτουργεί ελαττώνοντας τη θερμότητα γρηγορότερα απ ότι η καύση την παράγει. Αντίστοιχα η πυρόσβεση με διοξείδιο του άνθρακα στερεί από τη φωτιά το οξυγόνο. [9]

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 2:Τετράεδρο- πυραμίδα της φωτιάς 2.9 Διάδοση Φωτιάς Ο ρυθμός διάδοσης της φωτιάς εξαρτάται από το σημείο ανάφλεξης σε άλλες αναφλέξιμες επιφάνειες που βρίσκονται στον ίδιο χώρο και από την ταχύτητα μετάδοσης της φλόγας. Για την πλήρη ανάπτυξη μιας φωτιάς σε έναν κλειστό χώρο, απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες (συνήθως μεγαλύτερες των 600 ο C). Ο συνολικός ρυθμός καύσης επηρεάζεται σημαντικά από την αύξηση του όγκου που καταλαμβάνει η φωτιά και από την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης θερμότητας μέσω ακτινοβολίας. Η φωτιά μπορεί να διαδοθεί σε στερεές αλλά και υγρές επιφάνειες. Διάφοροι παράγοντες [11] παίζουν ρόλο στην εξάπλωση της φωτιάς οι οποίοι παρουσιάζονται στη συνέχεια Ο Προσανατολισμός Της Επιφάνειας Και Η Κατεύθυνση Διάδοσης Μία στερεή επιφάνεια μπορεί να καεί ανεξαρτήτως του προσανατολισμού της, αλλά η εξάπλωση της φλόγας είναι ταχύτερη όταν το μέτωπο καύσης κινείται προς τα πάνω σε μια κάθετη επιφάνεια. Όσο αυξάνεται η γωνία που σχηματίζει μια επιφάνεια με το οριζόντιο επίπεδο, τόσο αυξάνεται και ο αντίστοιχος ρυθμός διάδοσης της φλόγας (Magee & McAlevy, 1971). Όταν η κατεύθυνση διάδοσης της φλόγας είναι προς τα κάτω, η ανωστική ροή του θερμού αέρα έχει κατεύθυνση αντίθετη από αυτήν της φλόγας, με αποτέλεσμα να εμποδίζει την εξάπλωσή της. Στην περίπτωση αυτή, η φλόγα εξαπλώνεται με αργό αλλά σταθερό ρυθμό. Αντίθετα, όταν η κατεύθυνση διάδοσης της φλόγας είναι προς τα πάνω σε μια κάθετη επιφάνεια, η άνωση που δημιουργείται από την ίδια τη φλόγα οδηγεί σε συμπίπτουσα πορεία του αέρα και της φλόγας, με αποτέλεσμα η φλόγα και τα θερμά αέρια να κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση, αυξάνοντας έτσι τον ρυθμό μεταφοράς θερμότητας. Σε αυτήν την περίπτωση, η φλόγα διαδίδεται με αυξανόμενο ρυθμό. Τέλος, όσον αφορά την οριζόντια διάδοση της φλόγας εάν δεν υπάρχει κάποιο άνοιγμα στον χώρο που οδηγεί στην συνεχή εισαγωγή φρέσκου αέρα, δεν προκαλείται η γρήγορη εξάπλωσή της. [10]

27 ΚΑΥΣΗ-ΦΩΤΙΑ Πίνακας 1: Πειραματικά αποτελέσματα (Magee and McAlevy, 1971) Kλίση( ) Ρυθμός εξάπλωσης( mm/s ) ( μη σταθερός ) Εικόνα 1:Διαφορετικές περιπτώσεις εξάπλωσης της φωτιάς ανάλογα με την κλίση της επιφάνειας (Πηγή / An introduction to fire dynamics,drysdale) Πάχος Του Καιγόμενου Υλικού Ο ρυθμός εξάπλωσης της φλόγας είναι αντιστρόφως αναλόγως με το πάχος του υλικού εάν το υλικό που καίγεται είναι πολύ λεπτό και έχει σε όλα τα σημεία του την ίδια θερμοκρασία, Πάντως, η εξάρτηση του ρυθμού μετάδοσης θερμότητας από το πάχος γίνεται λιγότερο αισθητή για πάχη μεγαλύτερα των 1.5mm και ο ρυθμός εξάπλωσης της φλόγας παραμένει σταθερός για πάχη υλικού μεγαλύτερα των mm (Suzuki, 1994). Μεταβαίνοντας από λεπτά σε παχιά καύσιμα αντικείμενα, παρατηρείται μια σημαντική αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο μεταφέρεται η θερμότητα μακριά από την φλόγα. Στα λεπτά καύσιμα αντικείμενα εμφανίζεται μεταφορά θερμότητας λόγω [11]

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 αγωγής μέσω της αέριας φάσης, ενώ στα παχιά καύσιμα αντικείμενα μέσω της στερεάς φάσης (Drysdale, 1999). Εικόνα 2:Εξάρτηση του ρυθμού μετάδοσης φλόγας από το πάχος του υλικού (Περιοχές Ι και ΙΙ: σταθερή μετάδοση, Περιοχή ΙΙΙ: ασταθής μετάδοση,περιοχή ΙV: μη μετάδοση)( Πηγή / Suzuki et al.,1994 ) Φυσικές Ιδιότητες Ο ρυθμός με τον οποίο διαδίδεται η φλόγα σε ένα αντικείμενο είναι αντιστρόφως ανάλογος της πυκνότητας, της θερμοχωρητικότητας και της θερμικής αγωγιμότητας του Γεωμετρία Του Αντικειμένου Η φλόγα διαδίδεται γρηγορότερα κατά μήκος μιας ακμής ή σε μια γωνία (Markstein & de Ris, 1972). Όσο μικρότερη είναι η γωνία μεταξύ δύο ακμών του αντικειμένου, τόσο περισσότερο το στερεό αυτό συμπεριφέρεται σαν 'λεπτό' υλικό Περιβαλλοντικοί Παράγοντες 2.9.5α Σύνθεση Της Ατμόσφαιρας Εάν η συγκέντρωση του οξυγόνου είναι υψηλή τα εύφλεκτα υλικά αναφλέγονται πιο εύκολα και η φλόγα εξαπλώνεται γρηγορότερα (π.χ. βιομηχανίες παραγωγής οξυγόνου). Για να θεωρηθεί ότι μια περιοχή είναι πλούσια σε οξυγόνο πρέπει η μερική πίεση του οξυγόνου στην περιοχή αυτή να είναι μεγαλύτερη από 160mmHg δηλαδή μεγαλύτερη από αυτήν της κανονικής ατμόσφαιρας. [12]

29 ΚΑΥΣΗ-ΦΩΤΙΑ 2.9.5β Θερμοκρασία Του Καυσίμου Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία του καυσίμου, αυξάνεται και ο ρυθμός εξάπλωσης της φλόγας (Drysdale, 1999), γεγονός αναμενόμενο διότι όσο μεγαλύτερη είναι η αρχική θερμοκρασία του καυσίμου, τόσο λιγότερη θερμότητα απαιτείται για την ανάφλεξη του άκαυστου καυσίμου που βρίσκεται μακριά από το σημείο έναυσης της φωτιάς γ Μετάδοση Θερμότητας Μέσω Ακτινοβολίας Η μετάδοση θερμότητας μέσω ακτινοβολίας προκαλεί αύξηση στον ρυθμό εξάπλωσης της φλόγας, διότι με αυτόν τον τρόπο προθερμαίνεται το καύσιμο μακριά από το μέτωπο της φλόγας. Όμως, ο αυξημένος ρυθμός καύσης πίσω από το μέτωπο της φλόγας οδηγεί στην εμφάνιση ισχυρότερων φλογών, οι οποίες αυξάνουν την μετάδοση θερμότητας μέσω ακτινοβολίας, ενισχύοντας έτσι την εξάπλωση της φωτιάς (Drysdale, 1999) δ Ατμοσφαιρική Πίεση Η αύξηση της ατμοσφαιρικής πίεσης έχει ως αποτέλεσμα να είναι γρηγορότερος ο ρυθμός εξάπλωσης της φλόγας και αυτό οφείλεται στον εμπλουτισμό του αέρα με οξυγόνο, το οποίο ενισχύει την σταθερότητα της φλόγας σε μια επιφάνεια ε Κίνηση Του Αέρα Ο ρυθμός εξάπλωσής της σε μια εύφλεκτη επιφάνεια. ενισχύεται όταν η κίνηση του αέρα έχει την ίδια κατεύθυνση με αυτή της φλόγας.αν όμως η κίνηση του αέρα αντιτίθεται στην εξάπλωση της φλόγας, τότε το πώς θα επηρεάσει την φλόγα εξαρτάται από την ταχύτητα του αέρα. Όταν ο αέρας κινείται με μεγάλη ταχύτητα, ο ρυθμός με τον οποίο εξαπλώνεται η φλόγα μειώνεται. Αν όμως η ταχύτητα του αέρα είναι σχετικά μικρή, η εξάπλωση της φλόγας ενισχύεται (Drysdale, 1999) Τρόποι Μετάδοσης Της Θερμότητας Η μετάδοση θερμότητας στους αγωγούς μπορεί να γίνει με τρεις τρόπους [10]: Μετάδοση θερμότητας με αγωγή Μετάδοση θερμότητας με συναγωγή Μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία Μετάδοση Με Αγωγή Αγωγή είναι η μεταφορά θερμότητας μεταξύ δύο μαζών, που βρίσκονται σε επαφή, μέσω μοριακών ταλαντώσεων και μεταφοράς ελευθέρων ηλεκτρονίων. Περιγράφεται μαθηματικά, στην μόνιμη κατάσταση, από τον νόμο του Fourier, ο οποίος είναι ανάλογος του νόμου του Fick, ως εξής: [13]

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 J όπου, W 2 s m m 2 η ροή θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας, k η θερμική W αγωγιμότητα του υλικού της επιφάνειας m K και ο τρίτος όρος είναι η βαθμίδα της θερμοκρασίας. Για την απλή περίπτωση μεταφοράς θερμότητας σε μία διάσταση, όπως για παράδειγμα σε ένα τοίχο ( Σχήμα 1.4 ), η εξίσωση γίνεται ως εξής: (5) ΔΤ ΔΤ (6) όπου η ροή θερμότητας [ W ], μεταξύ μιας διαφοράς θερμοκρασιών ΔΤ σε ένα σώμα είναι ανάλογη της επιφάνειας Α, και αντιστρόφως ανάλογη της θερμικής m αντίστασης R 2 K, του υλικού του τοίχου. Το αρνητικό πρόσημο ορίζει τη W φορά της μεταφοράς θερμότητας από τις υψηλές στις χαμηλές θερμοκρασίες. Στην πραγματικότητα, η μεταφορά θερμότητας σε μια φωτιά διέπεται από μεταβατικά φαινόμενα και οι εξισώσεις γίνονται πολύπλοκες, καθώς εξαρτώνται από τα είδη των υλικών, το σχήμα τους και το χρόνο. Μια εξίσωση, η οποία μπορεί να δώσει μια αδρή εκτίμηση του χρόνου, που χρειάζεται για να κατασταλάξει η μεταβατική κατάσταση σε μια μόνιμη και να αρχίσει να γίνεται αισθητή η επίδραση της θερμοκρασίας της άμεσα θερμαινόμενης επιφάνειας στην άλλη επιφάνεια, είναι η εξής : Λόγος θερμικής διείσδυσης = α όπου α είναι η θερμική διαχυτικότητα ( α = k/ρc [m²/s]), ρ η πυκνότητα και c η ειδική θερμοχωρητικότητα [ J /( kg K )]. Σχήμα 3:Αγωγή θερμότητας σε μια διάσταση [14]

31 ΚΑΥΣΗ-ΦΩΤΙΑ Μετάδοση Με Συναγωγή Η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή διακατέχεται από τις ίδιες αρχές με την αγωγή, με την σημαντική διαφορά ότι η θερμότητα μεταφέρεται από ένα ρευστό που βρίσκεται σε κίνηση. Η εξίσωση της μόνιμης κατάστασης, που χαρακτηρίζει το φαινόμενο, είναι ο νόμος της ψύξης του Newton: όπου h, είναι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας. Ορίζεται ως ο λόγος της θερμικής αγωγιμότητας k του ρευστού, με το πάχος Δl του οριακού στρώματος του ρευστού. Το ρευστό, που βρίσκεται στο οριακό στρώμα, κινείται με μικρή ταχύτητα. Σε αυτή την περιοχή, λαμβάνει χώρα το μεγαλύτερο μέρος της μεταφοράς θερμότητας (Σχήμα 1.5). Η τιμή του h εξαρτάται από την ταχύτητα και τις ιδιότητες του ρευστού. Επίσης, η διαφορά θερμοκρασίας ΔΤ είναι μεταξύ της επιφάνειας Τ s και της κύριας μάζας του ρευστού Τ, μακριά από το οριακό στρώμα. Οι τυπικές τιμές του h, τις οποίες συναντά κανείς στο αντικείμενο της πυροπροστασίας, κυμαίνονται ως εξής [W/ C m 2 ] : 5-10 για φυσικές ροές αέρα, ~30 για μια στρωτή φλόγα, ~20 για τυρβώδη φλόγα από λιμνάζων καύσιμο, 5-50 για την στήλη της φωτιάς στο ύψος της οροφής, ~10 για ταχύτητα αέρα 2 m/s και ~75 για ταχύτητα αέρα 35 m/s. Χρησιμοποιώντας το h μιας τυπικής τυρβώδους φλόγας ( 5-10 W/ C m 2 ) και μια τυπική διαφορά θερμοκρασίας 780 βαθμών, μεταξύ της επιφάνειας και της μέσης θερμοκρασίας της φλόγας, μπορεί κανείς να υπολογίσει ότι η ροή θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας είναι 3,9-7,8 kw/m 2. (7) Σχήμα 4:Μεταφορά θερμότητας με συναγωγή από τον αέρα προς μια επιφάνεια. [15]

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Έχουμε πέντε μορφές συναγωγής : Εξαναγκασμένη συναγωγή : μία εξωτερική πηγή ευθύνεται για την κίνηση του υγρού κατά μήκος της επιφάνειας Φυσική ή ελεύθερη συναγωγή : οφείλεται στις ανυψωτικές δυνάμεις που επάγονται από τις διάφορες πυκνότητες του ρευστού λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας στο ρευστό Μικτή συναγωγή : παρουσία φυσικής και εξαναγκασμένης συναγωγής Βρασμός και Συμπύκνωση : σε αυτές τις δύο περιπτώσεις έχουμε αλλαγή φάσης του ρευστού και αυξημένη μεταφορά θερμότητας Πίνακας 2:Τιμές h για διάφορα είδη συναγωγής. Είδος συναγωγής h ( W/ C m 2 ) Ελεύθερη συναγωγή αερίων 2-25 Ελεύθερη συναγωγή υγρών Εξαναγκασμένη συναγωγή αερίων Εξαναγκασμένη συναγωγή υγρών Βρασμός και Συμπύκνωση Μετάδοση Με Ακτινοβολία Η μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία αφορά τη μεταφορά ενέργειας που εκπέμπεται από την ύλη με μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ή με φωτόνια λόγω των αλλαγών στις ηλεκτρονικές στοιβάδες των ατόμων ή μορίων. Σε αντίθεση με την αγωγή και συναγωγή, η ακτινοβολία δεν χρειάζεται την ύπαρξη κάποιου υλικού να μεσολαβήσει. Στην πραγματικότητα η μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία είναι η ταχύτερη ( μεταδίδεται με την ταχύτητα του φωτός ) και συμβαίνει και στο κενό. Όλα τα σώματα που έχουν θερμοκρασία μεγαλύτερη από το απόλυτο μηδέν εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία. Όλα τα σώματα σε όλο τον όγκο τους ακτινοβολούν θερμότητα σε διαφορετικό βαθμό, ανεξάρτητα από τη φυσική τους κατάσταση (στερεή, υγρή, αέρια). Όμως, η θερμική ακτινοβολία για τα στερεά που είναι αδιαφανή, όπως τα μέταλλα, θεωρείται ότι είναι ένα φαινόμενο που συμβαίνει μόνο στην επιφάνειά τους αφού η εκπεμπόμενη από το εσωτερικό ακτινοβολία δεν μπορεί ποτέ να φτάσει έξω από την επιφάνεια του σώματος. Μέλαν σώμα ορίζεται ως ένα σώμα τέλειας εκπομπής και απορρόφησης της ακτινοβολίας. Σε συγκεκριμένη θερμοκρασία και μήκος κύματος καμία επιφάνεια δεν μπορεί να εκπέμψει περισσότερη ενέργεια από ένα μέλαν σώμα. Ο μέγιστος ρυθμός ακτινοβολίας που μπορεί να εκπέμπει ένα μέλαν σώμα δίνεται από το νόμο Stefan- Boltzmann : (8) [16]

33 ΚΑΥΣΗ-ΦΩΤΙΑ όπου, είναι η ροή ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας [ W/m 2 ], σ είναι η σταθερά Stefan Boltzmann ( 5, kw/m 2 K 4 ), T η θερμοκρασία του σώματος, που εκπέμπει την ακτινοβολία, και ε ο συντελεστής εκπομπής. Ο τελευταίος περιγράφει την ικανότητα ενός σώματος να εκπέμπει την μέγιστη δυνατή ακτινοβολία και κυμαίνεται από το 0 μέχρι το 1 (μέλαν σώμα). Σε εφαρμογές πυρκαγιών, ο συντελεστής εκπομπής είναι τυπικά κοντά στο 0,8 ± 0,2, για επιφάνειες στερεών και ρευστών. Για αέρια και φλόγες, ο συντελεστής εξαρτάται από το πάχος τους και μπορεί να εκτιμηθεί ως εξής όπου l είναι το πάχος της φλόγας και το k είναι ο συντελεστής απορροφητικότητας της φλόγας, ο οποίος περιγράφει την ικανότητα του μέσου να εμποδίζει την ακτινοβολία να το διαπερνά. Για τυρβώδεις φλόγες, το k τυπικά κυμαίνεται από το 0,1 έως 1 m -1, ενώ για φλόγες με πάχος μεγαλύτερο των 2 m, o συντελεστής εκπομπής γίνεται πρακτικώς 1. Παρόλα αυτά, στις πολύ μεγάλες φωτιές, η ποσότητα αιθάλης, που παράγεται, εμποδίζει την εκπομπή ακτινοβολίας a Συντελεστής Όψεως Η σημαντικότερη περίπτωση μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία είναι μεταξύ δύο ή περισσότερων επιφανειών, η οποία εξαρτάται από το πως είναι προσανατολισμένες οι επιφάνειες μεταξύ τους καθώς και από τις ιδιότητες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας τους. Επομένως για τον προσδιορισμό των επιδράσεων του προσανατολισμού ορίζεται μία παράμετρος που ονομάζεται συντελεστής όψεως ή συντελεστής μορφής.ο συντελεστής όψεως που βασίζεται στην προϋπόθεση ότι οι επιφάνειες αποτελούν πομπούς και ανακλαστήρες διάχυσης ονομάζεται συντελεστής όψεως διάχυσης, ενώ ο συντελεστής όψεως που βασίζεται στην προϋπόθεση ότι οι επιφάνειες αποτελούν πομπούς διάχυσης και κατοπτρικούς ανακλαστήρες ονομάζεται κατοπτρικός συντελεστής όψεως. Ο συντελεστής όψεως από μία επιφάνεια i ως προς μία επιφάνεια j συμβολίζεται με και ορίζεται ως εξής : = το τμήμα της ακτινοβολίας που απομακρύνεται από μία επιφάνεια i το οποίο προσπίπτει απευθείας σε μία επιφάνεια j. Οι συντελεστές όψεως υπολογίζονται για εκατοντάδες απλά γεωμετρικά σχήματα και τα αποτελέσματα δίνονται αναλυτικά ως γραφικές παραστάσεις και σε μορφή πίνακα (π.χ. σχήμα.5) (9) [17]

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 5:Συντελεστής όψεως μεταξύ δύο ομοαξονικών παράλληλων δίσκων. [18]

35 Κεφάλαιο 3 Επισκόπηση Των Μεθόδων Δοκιμών Στη Φωτιά Οι δοκιμές πιστοποίησης που έχουν αναπτυχθεί για τη μελέτη της συμπεριφοράς των υλικών με βάση την αντίδραση τους στη φωτιά είναι : η δοκιμή σήραγγας Steiner, η δοκιμή γωνίας δωματίου, η δοκιμή ακαυστότητας, το θερμιδόμετρο οβίδας, η δοκιμή αναφλεξιμότητας, το Θερμιδόμετρο κώνου και το Μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο (SBI). Για τις αρχικές μεθόδους ακολουθεί απλή επεξήγηση ενώ το θερμιδόμετρο κώνου (με το οποίο πραγματοποιήθηκαν οι δοκιμές) και το μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο, αναλύονται εκτενέστερα. 3.1 Περιγραφή Μεθόδων Δοκιμών Στη Φωτιά Δοκιμή Σήραγγας Steiner (Steiner Tunnel Test-ASTM E 84) Η δοκιμή σήραγγας Steiner [37] είναι η κύρια μέθοδος δοκιμής για την αξιολόγηση της αντίδρασης στη φωτιά των εσωτερικών υλικών στις Ηνωμένες Πολιτείες. Η μέθοδος περιγράφεται στην προδιαγραφή ASTM Ε 84. Η συσκευή, αποτελείται από μία σήραγγα που μοιάζει με θάλαμο μέτρησης 8,7 0,45 0,31 m (25 1½ 1 ft). Το δείγμα δοκιμής έχει 7,6 m (24 ft) μήκος και 0,46 m (18 in.) πλάτος και τοποθετείται στη θέση οροφής. Το ένα άκρο της σήραγγας εκτίθεται σε ένα καυστήρα αερίου 88-kW (5000-Btu / min ) και η φωτιά διαδίδεται κατά μήκος του τούνελ. Επομένως οι μετρήσεις αφορούν την εξάπλωση της φλόγας πάνω από την επιφάνεια και την παραγωγή καπνού στον απαγωγό της σήραγγας. Η διάρκεια των δοκιμών είναι 10 λεπτά. Εικόνα 3:Steiner-Tunnel-Test ( Πηγή / [19]

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δοκιμή Γωνίας Δωματίου (Room Corner Test -EN ISO 9705) Στην δοκιμή room corner συνήθως μετρούνται υλικά τα οποία είναι δύσκολο να μετρηθούν υπό μικρή κλίμακα για παράδειγμα θερμοπλαστικά υλικά και υλικά με μεγάλη ανομοιομορφία. Η βασική διάταξη της πειραματικής εγκατάστασης απεικονίζεται στην εικόνα 2.2. Με αυτή τη μέθοδο μετρούνται τα ακόλουθα μεγέθη : ρυθμός έκλυσης θερμότητας (kw), συνολική έκλυση θερμότητας (ΜJ) και ρυθμός παραγωγής καπνού (m 2 /s). Υπολογίζεται επίσης ο χρόνος κατά τον οποίο παρατηρείται πλήρης ανάφλεξη. Κατά τη διάρκεια του πειράματος το προς εξέταση δείγμα τοποθετείται στο εσωτερικό του δωματίου, στην οροφή και σε όλους τους τοίχους εκτός από τον τοίχο με το άνοιγμα της πόρτας. Ένας καυστήρας προπανίου τοποθετείται σε μία από τις γωνίες και παρέχει ένα ρυθμό έκλυσης θερμότητας 100 kw για τα πρώτα 10 min και μετά 300 kw για τα επόμενα 10 min. H συνολική διάρκεια του πειράματος είναι 20 min. Τα καυσαέρια συγκεντρώνονται σε μία καμινάδα όπου μετρώνται ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας και η παραγωγή καπνού. Η εξάπλωση φωτιάς στους τοίχους και το ταβάνι παρατηρείται οπτικά. Αν οι φλόγες βγουν από το άνοιγμα της πόρτας τότε έχει συμβεί πλήρης ανάφλεξη και η δοκιμή διακόπτεται. Εικόνα 4: Room Corner test ( Πηγή / [20]

37 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ Δοκιμή Ακαυστότητας (Non-Combustibility Test - EN ISO 1182) Με την μέθοδο [48] αυτή προσδιορίζονται προϊόντα, τα οποία συμβάλουν ελάχιστα έως καθόλου σε μία πυρκαγιά. Σύμφωνα με την εικόνα το κυλινδρικό δείγμα δοκιμής εισάγεται σε έναν κατακόρυφο φούρνο με θερμοκρασία 750 ο C. Κατά την καύση του δείγματος η ύπαρξη και η διάρκεια της φλόγας παρατηρείται οπτικά ενώ οι μεταβολές της θερμοκρασίας παρακολουθούνται με θερμοστοιχεία. Μετά το τέλος του πειράματος προσδιορίζεται η απώλεια μάζας. Για την κατάταξη των υλικών σύμφωνα με το EUROCLASS οι ποσότητες που χρησιμοποιούνται είναι η απώλεια μάζας του δοκιμίου (Δm), ο χρόνος ανάφλεξης (t ign ) και η άνοδος της θερμοκρασίας του κλιβάνου (ΔΤ). Εικόνα 5: Δοκιμή ακαυστότητας ( Πηγή / Θερμιδόμετρο Οβίδας (Bomb Calorimeter-EN ISO 1716) Με την μέθοδο αυτή [48] μετριέται η θερμογόνος δύναμη, η οποία καθορίζει την μέγιστη έκλυση θερμότητας που παράγεται κατά την πλήρη καύση ενός υλικού. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται παρουσιάζεται στην εικόνα 6. Το δείγμα που εξετάζεται, υπό υψηλή πίεση, αναφλέγεται σε ατμόσφαιρα καθαρού οξυγόνου, μέσα στο θερμιδόμετρο περιμετρικά του οποίου υπάρχει νερό. Κατά την διάρκεια της καύσης, μετριέται η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού. Με βάση την μέτρηση αυτή, υπολογίζεται η θερμογόνος δύναμη, σύμφωνα με την οποία γίνεται η κατάταξη στο EUROCLASS. [21]

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Εικόνα 6: Bomb Calorimeter ( Πηγή / Δοκιμή Αναφλεξιμότητας (Ignitability Apparatus -EN ISO ) Στην δοκιμή αναφλεξιμότητας [48] το υλικό που δοκιμάζεται έρχεται σε επαφή απευθείας με μια φλόγα. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για αυτή την δοκιμή φαίνεται στην εικόνα 7. Το δείγμα, το οποίο έχει διαστάσεις 250mm x 90mm, έρχεται σε επαφή υπό γωνία 45 ο με μία φλόγα προπανίου 20mm. Το σημείο εφαρμογής είναι είτε στο κέντρο του πλάτους του κάτω άκρου (ακριανή έκθεση), είτε 40 mm πάνω από το κάτω άκρο της κεντρικής επιφάνειας (επιφανειακή έκθεση). Κάτω από το δείγμα τοποθετείται χάρτινο φίλτρο για την καταγραφή των κατακρημνισμάτων. Ο χρόνος εφαρμογής της φλόγας σε αυτή την δοκιμή, εξαρτάται από το υλικό. Σε περίπτωση που το εξεταζόμενο δείγμα δεν παρουσιάσει ανάφλεξη, η δοκιμή τερματίζεται νωρίτερα. Σε αυτήν την μέθοδο, τα κριτήρια ταξινόμησης στο EUROCLASS βασίζονται στα εξής: αν το χάρτινο φίλτρο κάτω από το δείγμα παρουσιάσει ανάφλεξη λόγω φλεγόμενων κατακρημνισμάτων και αν η εξάπλωση της φλόγας (Fs) φτάσει τα 150 mm μέσα στο χρονικό διάστημα που μελετάται. Εικόνα 7: Δοκιμή Αναφλεξιμότητας ( Πηγή / www. [22]

39 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ Θερμιδόμετρο Κώνου (Cone Calorimeter- EN ISO 5660) 3.1.6α Περιγραφή Του Θερμιδόμετρου Κώνου Το όργανο που χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία ονομάζεται θερμιδόμετρο κώνου [3,4,31]. Το όνομά του προέρχεται από το κωνικό σχήμα του θερμαντήρα ακτινοβολίας που παράγει μια σχεδόν ομοιόμορφη ροή θερμότητας πάνω από την επιφάνεια του δείγματος. Πολλές συσκευές που είχαν χρησιμοποιηθεί πριν από την εφεύρεση του θερμιδόμετρο κώνου ήταν ελαττωματικές και είχαν αρκετά σφάλματα στα πειράματα. Ωστόσο τα προβλήματα αυτά βελτιώθηκαν με την δημιουργία του θερμιδόμετρο κώνου το Σε αντίθεση με τις άλλες συσκευές, το όργανο αυτό εισήγαγε ένα σύστημα για τη μέτρηση καπνού οπτικά και την απόδοση της αιθάλης βαρομετρικά. Αλλαγές στο σχεδιασμό έγιναν ώστε η λειτουργία της συσκευής να γίνει πολύ πιο εύκολη και τα δεδομένα πιο αξιόπιστα. Το θερμιδόμετρο κώνου αποτελεί σημαντικό εργαλείο εργαστηριακής κλίμακας στο πεδίο των δοκιμών αντίδρασης στη φωτιά με την μέθοδο θερμιδομετρίας οξυγόνου. Πάνω από 100 τέτοια όργανα χρησιμοποιούνται σε πανεπιστήμια ερευνητικά ιδρύματα και βιομηχανίες σε όλο τον κόσμο. Το θερμιδόμετρο μετράει σημαντικές πραγματικές παραμέτρους της καύσης υλικών κάτω από ελεγχόμενες και προκαθορισμένες συνθήκες προκειμένου να καθοριστεί η ευφλεκτότητα τους. Τα χαρακτηριστικά των υλικών στη φωτιά μπορούν να προσδιορισθούν από τα διαφορετικά τυποποιημένα μοντέλα του θερμιδόμετρου κώνου. Ο κατάλογος των διαφόρων προτύπων αναφέρονται από την UL Fire Safety Engineering Departmen: - ASTM E ASTM D CAN/ULC-S135 - ISO NFPA 271. Τα διάφορα μοντέλα του θερμιδόμετρου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση διαφόρων πτυχών των εύφλεκτων υλικών. Επίσης το θερμιδόμετρο κώνου έχει τη δυνατότητα άμεσης μέτρησης σημαντικών μεγεθών που αναφέρονται στην συμπεριφορά των υλικών σε πυρκαγιές, οι οποίες είναι οι παρακάτω: Χρόνος ανάφλεξης Ρυθμός έκλυσης θερμότητας Θερμότητα καύσης Ρυθμός παραγωγής καπνού Ρυθμός απώλειας μάζας CO και CO 2 Ένας άλλος λόγος επιτυχίας του θερμιδόμετρου κώνου είναι ότι το περιβάλλον της καύσης θεωρείται μια καλή αναπαράσταση πραγματικών συνθηκών πυρκαγιάς. Υλικά μπορεί να δοκιμάζονται σε ροές θερμότητας που κυμαίνονται από 0 έως 100 kw/m 2. Ωστόσο, το θερμιδόμετρο κώνου δεν είναι σε θέση να παρουσιάσει τις συνθήκες ανάφλεξης, όταν η ροή θερμότητας μπορεί να ανέλθει σε kw /m 2. Το θερμιδόμετρο κώνου είναι ένα ευέλικτο όργανο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συγκρίνει και να ταξινομεί τις επιδόσεις διαφόρων υλικών στην φωτιά, να βρίσκει την επιτυχία ή αποτυχία ενός υλικού σύμφωνα με ορισμένα κριτήρια (π.χ. έκλυση θερμότητας), να υποθέτει την πιθανή συμπεριφορά ενός υλικού και τέλος να παράγει δεδομένα αντίδρασης στην φωτιά για την επικύρωση των μοντέλων. [23]

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Όσον αφορά το τελευταίο αυτό σημείο, υπάρχει μια σειρά μοντέλων για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των υλικών σε πυρκαγιές που βασίζονται σε αποτελέσματα που προήλθαν από το θερμιδόμετρο κώνου. Για παράδειγμα, η καύση επίπλων (π.χ. επικάλυμμα από καρέκλες) και οι επενδύσεις τοίχων σε ένα μεγάλο δωμάτιο με φωτιά, μπορούν να αντιμετωπιστούν χρησιμοποιώντας στοιχεία αντίδρασης στην φωτιά που λαμβάνονται από το θερμιδόμετρο κώνου. Επιπλέον, υπάρχει μια αρμονική σχέση μεταξύ του μέγιστου ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας που μετράται στο θερμιδόμετρο κώνου για μικρά αντιπροσωπευτικά δείγματα και του μέγιστου ποσοστού απελευθέρωσης θερμότητας για ολόκληρα τα δείγματα κάτω από ρεαλιστικές συνθήκες καύσης. Στην παρακάτω εικόνα απεικονίζεται ένα θερμιδόμετρο κώνου: Εικόνα 8:Θερμιδόμετρο κώνου ( Πηγή / testing.com ) [24]

41 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ Ένα πλήρες σύστημα κωνικού θερμιδομετρητή αποτελείται από: Kωνικό θερμαντήρα. Ο κωνικός θερμαντήρας, ο οποίος στην άκρη του καταλήγει σε καμινάδα, έχει ισχύ 5000 W στα 230 V και μέγιστη έκλυση θερμότητας 100 kw/m 2, ενώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί με οριζόντιο αλλά και κάθετο προσανατολισμό. Συγκρατητές του δείγματος για δείγμα 100 mm x 100 mm x μέχρι 50 mm πάχος στην οριζόντια και στην κάθετη διεύθυνση. Ανάφλεξη από σπινθήρα 10 kw. Σύστημα απαγωγής καυσαερίων. Αποτελείται από μία καμινάδα, όργανα καταγραφής των αερίων, έναν ανεμιστήρα και μία πλάκα με οπές όπου τοποθετούνται θερμοστοιχεία και στοιχεία καταγραφής διαφοράς πίεσης. Αναλυτή οξυγόνου. Μετρητή πυκνότητας καπνού, στον οποίο χρησιμοποιείται ένα σύστημα laser με φωτοδιόδους. Μετρητή ροής θερμότητας για τη μέτρηση της ροής θερμότητας από το θερμαντήρα προς το δείγμα. Εικόνα 9: Τυπικός κωνικός θερμιδομετρητή, τα σημαντικότερα στοιχεία της διάταξης ( Πηγή / kobistq.en.ec21.com ) Τα πειράματα χρησιμοποιώντας το θερμιδόμετρο κώνου περιλαμβάνουν την έκθεση ενός επίπεδου δείγματος σε μία ροή θερμότητας που παράγεται από ένα κωνικό στοιχείο θέρμανσης. Ο θερμαντήρας αποτελείται από μία ηλεκτρική ράβδο θέρμανσης που είναι τυλιγμένη σε κωνικό σχήμα. Η θέρμανση ελέγχεται χρησιμοποιώντας ένα ελεγχόμενο θερμαντήρα ακτινοβολίας που υποβάλλει δείγματα σε ροή θερμότητας μέχρι 100 kw/m 2. Ορισμένα μέσα είναι σε θέση να παράγουν μέγιστη ροή θερμότητας στα 110 kw/m 2. Τα πειράματα καύσης μπορούν να γίνουν με το δείγμα να είναι σε οριζόντια ή κάθετη κατεύθυνση, όπως φαίνεται στην εικόνα 10. Οι δοκιμές εκτελούνται συνήθως σε οριζόντιο προσανατολισμό, επειδή σε αυτή την κατάσταση η μεταφορά θερμότητας είναι σχεδόν αμελητέα. Ο θερμαντήρας και το δείγμα μπορούν να περιστραφούν κατά [25]

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 90 μοίρες για να μελετηθεί η επίδραση της καύση στις ιδιότητες των υλικών. Ο Babrauskas,1984 αναφέρει ότι η κωνική θερμάστρα είναι ικανή να θερμαίνει την επιφάνειας ενός δείγματος με μία εξαιρετικά ομοιόμορφη ροή θερμότητας. Όταν τα πειράματα καύσης εκτελούνται με το θερμαντήρα και το δείγμα να είναι σε οριζόντια θέση, η μέγιστη διακύμανση στη θέρμανση πάνω από την επιφάνεια του δείγματος είναι περίπου 2%, όταν εκτίθεται σε οποιαδήποτε ροή θερμότητας μεταξύ 25 και 100 kw/m 2. Όταν ο θερμαντήρας και το δείγμα είναι στην κατακόρυφη θέση, τότε η διακύμανση στη ροή θερμότητας της επιφάνειας είναι περίπου 7%. Επομένως, το θερμιδόμετρο κώνου είναι σε θέση να παράγει ομοιόμορφες και καλά ελεγχόμενες συνθήκες θέρμανσης, και αυτό είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα σε σχέση με άλλα όργανα που χρησιμοποιούνται σε πειράματα. Εικόνα 10: Κατακόρυφη - Οριζόντια τοποθέτηση δείγματος ( Πηγή / fire properties of polymer composite materials) Τα δείγματα που χρησιμοποιούμε στο θερμιδόμετρο κώνου είναι επίπεδες πλάκες που είναι 100 mm σε μήκος, 100mm πλάτος και έως 50 mm σε πάχος. Τα δείγματα τοποθετούνται μέσα σε πυρίμαχο υλικό χαμηλής πυκνότητας για την ελαχιστοποίηση των απωλειών θερμότητας από την μεριά που δεν έχουν εκτεθεί στην φωτιά. Επίσης είναι αναγκαίο να μονωθούν οι πλευρές του δείγματος για την ελαχιστοποίηση της καύσης στα άκρα, η οποία μπορεί να προκαλέσει υψηλά ποσοστά απελευθέρωσης θερμότητας. Οι πλευρές των σύνθετων δειγμάτων πρέπει επιπλέον να σφραγίζονται και να μονώνονται για να αποφευχθεί η απελευθέρωση πτητικών αερίων από τα άκρα, η οποία μπορεί να επηρεάσει τις ιδιότητες των υλικών κατά την αντίδραση στην φωτιά. Κατά τη διάρκεια του πειράματος καταγράφεται η συνεχής απώλεια μάζας του δείγματος. Η άνω επιφάνεια του δείγματος είναι τοποθετημένη 25 χιλιοστά από τον θερμαντήρα κώνου. Μια σπίθα ανάφλεξης μπορεί να συμβεί μεταξύ του δείγματος και του θερμαντήρα, και χρησιμοποιείται για την ανάφλεξη εύφλεκτων αερίων που απελευθερώνονται κατά τη θερμική αποσύνθεση του υλικού, όταν οι συγκεντρώσεις [26]

43 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ φτάσουν το κρίσιμο επίπεδο που απαιτείται για να διατηρηθεί η φλόγα. Οι περισσότερες δοκιμές σύνθετων υλικών στην φωτιά εκτελούνται χρησιμοποιώντας αναφλεκτήρα,ωστόσο και χωρίς την χρήση αναφλεκτήρα είναι δυνατόν να μελετηθεί η επίδραση της αυτανάφλεξης στις ιδιότητες αντίδρασης. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ο ρυθμός ροής του αέρα είναι 24 λίτρα ανά δευτερόλεπτο στο θάλαμο θέρμανσης. Αυτός ο ρυθμός ροής απαιτείται ώστε όλα τα αέρια που απελευθερώνονται από την καύση του δείγματος να περάσουν μέσα από το στόμιο του θερμαντήρα κώνου μέσα στο σύστημα καπνού πάνω από τον θάλαμο θέρμανσης. Καθώς ο αέρας και τα προϊόντα καύσης εισέρχονται στο σύστημα εξάτμισης αναμιγνύονται πλήρως για να αποφευχθεί η διαστρωμάτωση των αερίων που μπορεί να προκαλέσει απελευθέρωση θερμότητας, καπνού ή τοξικών αερίων. Η πιο σημαντική ικανότητα του θερμιδόμετρου κώνου είναι η ακριβής μέτρηση του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας κατά την καύση του υλικού. Η θερμότητα δεν μετριέται απευθείας στο όργανο αυτό διότι είναι δύσκολο να καταγραφεί η θερμική ενέργεια με ακρίβεια. Αντ' αυτού, ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας προσδιορίζεται με τη χρήση της αρχής της κατανάλωσης οξυγόνου. Η αρχή αυτή βασίζεται στην εμπειρική παρατήρηση του Huggett [31], ότι για τα περισσότερα οργανικά υλικά, η θερμότητα που εκλύεται ανά μονάδα μάζας του οξυγόνου που καταναλώνεται είναι σχεδόν μια σταθερή τιμή. Ο Huggett διαπίστωσε ότι αυτή η τιμή (Δhc/ro) είναι 13,1x10 3 kj/kg για τα περισσότερα οργανικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων πολλών πολυμερή που χρησιμοποιούνται στα σύνθετα υλικά (Δhc είναι η καθαρή θερμότητα καύσης και r o είναι η αναλογία μάζας οξυγόνου / καυσίμου). Ο Huggett πρότεινε ότι ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας για ένα υλικό μπορεί να προσδιορισθεί από δύο απλές μετρήσεις: από τον ρυθμό ροής του αέρα μέσα από το περιβάλλον της φωτιάς και από την υπολειμματική συγκέντρωση του οξυγόνου στον αέρα μετά τη διέλευση μέσα από την φωτιά. Δηλαδή, ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την έκφραση 10 : ) (10) Η περιεκτικότητα σε οξυγόνο του αέρα που εισέρχεται στο περιβάλλον της φωτιάς είναι μια σταθερή τιμή (δηλ. 21%) ενώ η ροή των καυσαερίων μπορεί να μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια χρησιμοποιώντας αναλυτή οξυγόνου εφόσον οι υδρατμοί έχουν αφαιρεθεί. Ο Parker [31] έδειξε ότι η απελευθέρωση θερμότητας μπορεί να υπολογιστεί με καλή ακρίβεια χρησιμοποιώντας την έκφραση: = Δ (11) Με την εξέταση των προϊόντων καύσης κατά την ανάλυση, είναι δυνατόν να υπολογιστεί μια πιο ακριβής τιμή του ρυθμού απελευθέρωσης της θερμότητας. Για παράδειγμα, όταν τα κλάσματα μάζας τόσο για το οξυγόνο όσο και το διοξείδιο του άνθρακα μετρηθούν τότε ένα πιο ακριβές ποσοστό έκλυσης θερμότητας μπορεί να υπολογιστεί με τη χρήση: [27]

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 = (12) Οι Babrauskas et.al., δίνουν τις εξισώσεις για τον υπολογισμό του ποσοστού απελευθέρωσης θερμότητας όταν το οξυγόνο μαζί με τα προϊόντα καύσης έχουν μετρηθεί στη ροή των καυσαερίων του θερμιδόμετρου κώνου. Στις περισσότερες περιπτώσεις, ωστόσο, η εξίσωση 12 χρησιμοποιείται επειδή οι συγκεντρώσεις των αερίων καύσης είναι χαμηλές σε σύγκριση με την περιεκτικότητα σε O 2. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων καύσης η απελευθέρωση θερμότητας του δείγματος καταγράφεται συνεχώς από το θερμιδόμετρο κώνου. Έτσι ώστε να προσδιοριστεί ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας ανά μονάδα επιφανείας του δείγματος, ο οποίος υπολογίζεται από την σχέση 13: (13) Είναι επίσης σύνηθες να προσδιορίζεται το σύνολο της θερμότητας που εκλύεται κατά τη διάρκεια της καύσης (ή μέχρι ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα), το οποίο υπολογίζεται από: = (14) όπου Δt είναι η χρονική περίοδος κατά την οποία υπολογίζεται η απελευθέρωση θερμότητας. Για να προσδιοριστεί με ακρίβεια ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας είναι απαραίτητο να μετρηθεί η συγκέντρωση του οξυγόνου με ακρίβεια. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ένας αναλυτής οξυγόνου μέσα στο τμήμα εξάτμισης χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Ο αναλυτής είναι σε θέση να μετρήσει το επίπεδο οξυγόνου πάνω από την περιοχή από 0% σε 25% με ακρίβεια ως 50 ppm. Η συγκέντρωση των διαφόρων αερίων καύσης μπορεί επίσης να μετρηθεί. Το μονοξείδιο και το διοξειδίου του άνθρακα μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή CO/CO 2 συνδεδεμένο στην ίδια γραμμή δειγματοληψίας που εξυπηρετεί τον αναλυτή οξυγόνου. Ωστόσο, η συγκέντρωση των άλλων αερίων καύσης (HCl, HCN, NOx) δεν μετριέται συνεχώς στο θερμιδόμετρο κώνου, αν και είναι δυνατόν να ληφθούν δείγματα από την ροή του καπνού και στη συνέχεια να αναλυθούν για τα αέρια αυτά. Η παραγωγή του καπνού είναι μια άλλη ιδιότητα αντίδρασης της πυρκαγιάς που μπορεί να μετρηθεί στο θερμιδόμετρο κώνου. Η περιεκτικότητα του καπνού μετριέται χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ που περιέχει μια ακτίνα διάσπασης και ανιχνευτές φωτοδιόδου πυριτίου. Η αισθητήρια δέσμη περνά μέσα από τον καπνό στον αγωγό εξαγωγής, ενώ η δέσμη αναφοράς οδεύει απευθείας προς τον ανιχνευτή. Η ένταση, Ι, [28]

45 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ της δέσμης ανίχνευσης συγκρίνεται στη συνέχεια με Iο, με εκείνη της δέσμης αναφοράς. Ο συσκοτισμός του καπνού ορίζεται από το συντελεστή εξάλειψης (k): και την μέση σ f(avg) : (15) σ Δ (16) Όπου το L είναι το μήκος, V ι είναι το ποσοστό ροής εξάτμισης όγκου m i είναι η αρχική μάζα δείγματος και m f είναι η τελική μάζα του δείγματος. Μελέτες καπνού που πραγματοποιούνται σε διάφορα εύφλεκτα υλικά (μη συμπεριλαμβανομένων των σύνθετων υλικών) δείχνουν ότι το θερμιδόμετρο κώνου δίνει μια πιο αξιόπιστη μέτρηση της πυκνότητας του καπνού από άλλα όργανα. Εκτός από τις οπτικές μετρήσεις καπνού, είναι δυνατό να εξοπλιστεί το θερμιδόμετρο κώνου με μια συσκευή για την μέτρηση της παραγωγής αιθάλης. Αυτό είναι μια επιθυμητή δοκιμή για τα σύνθετα υλικά επειδή η απελευθέρωση των ινών κατά τη διάρκεια της καύσης μπορεί να είναι επιβλαβές για την υγεία. Η παραγωγή αιθάλης μπορεί να ρυθμιστεί με την τοποθέτηση φίλτρων στη ροή εξάτμισης του θερμιδόμετρου κώνου β Ατμόσφαιρα Ελεγχόμενη Από Το Θερμιδόμετρο Κώνου Το θερμιδόμετρο κώνου μπορεί να καθορίσει τις ιδιότητες αντίδρασης των εύφλεκτων υλικών στην φωτιά κάτω από κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες (δηλ. 21% οξυγόνο). Κατά τη διάρκεια της φωτιάς,ωστόσο, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο μπορεί να μειωθεί. Αυτό συμβαίνει συχνά όταν οι πυρκαγιές γίνονται σε κλειστούς χώρους χωρίς εξαερισμό, και οι ιδιότητες αντίδρασης στην φωτιά των εύφλεκτων υλικών μπορούν να μεταβληθούν από την εξάντληση του οξυγόνου. Για τη μελέτη αυτή, οι ερευνητές στο NIST ανέπτυξαν το θερμιδόμετρο κώνου για τον έλεγχο της ατμόσφαιρας με σκοπό την εκτέλεση δοκιμών υπό διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Η ελεγχόμενη ατμόσφαιρα μέσω θερμιδομετρίας δεν είναι μία τεχνική που χρησιμοποιείται συχνά, λόγω του υψηλού κόστους του μέσου. Επιπλέον, μερικές φορές είναι περιττό να καθορίσεις τις ιδιότητες αντίδρασης στην φωτιά κάτω από ασυνήθιστες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Ωστόσο, η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται περιστασιακά για τη μέτρηση της συμπεριφοράς των υλικών στην φωτιά σε ένα περιβάλλον με ελάχιστο οξυγόνο (π.χ. μεγάλο υψόμετρο) ή σε ένα περιβάλλον πλούσιο σε οξυγόνο. Μία σχηματική όψη μιας ελεγχόμενης ατμόσφαιρας μέσω του θερμιδόμετρο κώνου δίνεται στην εικόνα 11. Το μέσο αυτό έχει τις ίδιες δυνατότητες με ένα συμβατικό θερμιδόμετρο κώνου,και είναι σε θέση να μετρήσει τις ιδιότητες αντίδρασης όπως χρόνος ανάφλεξης, απώλεια μάζας, ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας,πυκνότητα καπνού και αέρια καύσης. Η διαφορά είναι ότι ο θάλαμος θέρμανσης περικλείεται και σφραγίζεται από το εξωτερικό περιβάλλον. Με τον τρόπο αυτό η ατμόσφαιρα της φωτιάς μπορεί ελεγχόμενα να μεταβληθεί από τη ροή του αερίου εντός του θαλάμου δοκιμής. [29]

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Και τα δύο πρότυπα (ελεγχόμενη ατμόσφαιρα μέσω θερμιδομετρίας και θερμιδόμετρο κώνου) λειτουργούν κάτω από πίεση περιβάλλοντος. Αρκετά ερευνητικά εργαστήρια ενδιαφέρονται για τη δυνατότητα κατασκευής θερμιδόμετρο κώνου με ένα συμπιεσμένο θάλαμο θέρμανσης. Εικόνα 11 :Ελεγχόμενη ατμόσφαιρα μέσω θερμιδόμετρο κώνου ( Πηγή / fire properties of polymer composite materials) 3.1.6γ Ενδιάμεσης Κλίμακας Θερμιδόμετρο Κώνου Παρά την εξαιρετική ικανότητα του θερμιδόμετρο κώνου να καθορίζει πολλές ιδιότητες αντίδρασης στην φωτιά, η συσκευή περιορίζεται σε δοκιμές μικρών δειγμάτων. Δοκιμές σε μεγάλες πολύπλοκες δομές δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν χρησιμοποιώντας μία συμβατική θερμιδομέτρηση, και αυτό είναι ένα πρόβλημα, διότι τέτοιες δομές μπορούν να συμπεριφέρονται με τρόπους που δεν μπορούν να προβλεφθούν με την χρήση των δεδομένων που λαμβάνονται από αντιδράσεις μικρών δειγμάτων στην φωτιά. Για να αντιμετωπιστεί αυτό αναπτύχθηκε το θερμιδόμετρο κώνου ενδιάμεσης κλίμακας που φαίνεται σχηματικά στην εικόνα 12. Οι αρχές λειτουργίας της συσκευής αυτής είναι παρόμοιες με ένα συμβατικό θερμιδόμετρο κώνου, και η διαδικασία δοκιμής περιγράφεται στο ASTM πρότυπο E1623. Ένα χαρακτηριστικό του θερμιδόμετρου ενδιάμεσης κλίμακας είναι ο μεγάλος απορροφητήρας καπνού και ο μεγάλος θάλαμος καύσης (τοποθετούνται δείγματα έως 1,0 μ x 1,0 m). Το θερμιδόμετρο κώνου ενδιάμεσης κλίμακας έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για να προσδιορίσει τις ιδιότητες απελευθέρωσης θερμότητας επίπλων και άλλων ειδών οικιακής χρήσης [30]

47 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ Εικόνα 12:Θερμιδόμετρο κώνου ενδιάμεσης κλίμακας ( Πηγή / fire properties of polymer composite materials) [31]

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Διάταξη Μεμονωμένου Καιγόμενου Αντικειμένου [Single Burning Item (SBI)-EN 13823] 3.1.7α Περιγραφή Του SBI Η διάταξη SBI [7] περιγράφει την πιθανή συμπεριφορά ενός υλικού κατά την διάρκεια της καύσης, υπό συνθήκες φωτιάς, με σκοπό την ταξινόμηση των προϊόντων με βάση τα ευρωπαϊκά πρότυπα ταξινόμησης που περιγράφονται στο EN Στο SBI το υλικό καίγεται σε μία γωνία του δωματίου και οι διαστάσεις του δείγματος είναι 1,0 m x 1,5 m και 0,5 m x 1,5 m. Οι δύο πλευρές του δείγματος καλύπτονται στη γωνία πίσω από τον καυστήρα.τα προϊόντα, όσο είναι δυνατόν, δοκιμάζονται κατά την τελική τους χρήση. Ο καυστήρας είναι τριγωνικός με μήκος 250 mm και διαχέεται από προπάνιο. Η θερμότητα που παράγει ο καυστήρας είναι 30 KW για 21 λεπτά. Τα αποτελέσματα κατάταξης των υλικών αξιολογούνται για μέγιστο διάστημα καύσης 20 λεπτών. Στην εικόνα 10 παρατηρείται,, πάτωμα αλλά χωρίς να υπάρχει οροφή. Το πείραμα διεξάγεται κάτω από τον απαγωγό με αποτέλεσμα τα απόβλητα που προκύπτουν από την καύση να συλλέγονται στην κουκούλα και να μεταφέρονται μέσω του αγωγού. Στον αγωγό είναι τοποθετημένα ένας αισθητήρας πίεσης, ένας μετρητής καπνού και ένας ανιχνευτής δείγματος. Το πείραμα πραγματοποιείται με ένα κάλυπτρο με σκοπό να προστατεύει τον δέκτη από τον καπνό ή από οποιαδήποτε περίεργη συμπεριφορά που μπορεί να παρουσιάσει το δείγμα. Μέσω του SBI υπολογίζουμε τον ρυθμό έκλυσης θερμότητας ( heat release rate ), τον ρυθμό παραγωγής καπνού ( smoke production ) και διάφορα σωματίδια / σταγονίδια που παράγονται κατά την καύση. Εικόνα 13 : Σχηματική αναπαράσταση SBI ( Πηγή / testing.com) [32]

49 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ Εικόνα 14 : Εργαστηριακή διάταξη SBI ( Πηγή / testing.com) Στην εικόνα 14 παρατηρούνται τα μέρη που απαρτίζουν το SBI τα οποία είναι τα παρακάτω: Μία κινούμενη πλατφόρμα (τρόλει) πάνω στην οποία βρίσκεται το προς εξέταση δείγμα και η οποία εφαρμόζει πάνω στο ακίνητο πλαίσιο Το ακίνητο πλαίσιο Κύριους και δευτερεύοντες καυστήρες Σύστημα απορροής των καυσαερίων που αποτελείται από ένα συλλέκτη των καυσαερίων και από ένα σύστημα σωληνώσεων Θερμοστοιχεία καταγραφής της θερμοκρασίας και σωλήνες Pitot για τη μέτρηση της ταχύτητας. Τα θερμοστοιχεία και οι σωλήνες βρίσκονται στο εσωτερικό των αγωγών του συστήματος απορροής των καυσαερίων. Πίνακας 3: Προδιαγραφές της μεθόδου SBI σύμφωνα με EN Δείγματα Θέση δείγματος Πηγή ανάφλεξης Διάρκεια τεστ Συμπεράσματα Διαστάσεις 0,5m x 1,5 m και 1,0 m x 1,5 m Σχηματίζει μία κάθετη γωνία Καυστήρας που παράγει ροή θερμότητας 30 KW 20 λεπτά Ταξινόμηση με βάση τους δείκτες FIGRA, THR 600s και μέγιστη διάδοση φλόγας πρόσθετη ταξινόμηση με βάση τους δείκτες SMOGRA, TSP 600s και σταγονίδια/σωματίδια 3.1.7β Δείκτες FIGRA Και SMOGRA Οι κύριοι παράμετροι που υπολογίζονται στο SBI είναι ο δείκτης FIGRA και SMOGRA. Η παράμετρος FIGRA, που σημαίνει ρυθμός ανάπτυξης φωτιάς, εισήχθη για πρώτη φορά το 1998 ως ένας νέος τρόπος ταξινόμησης των ιδιοτήτων των δομικών [33]

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 προϊόντων κατά την καύση. Οι λόγοι που καθιστούν αυτόν τον δείκτη σημαντικό είναι οι εξής: προβλέπει την συμπεριφορά μιας μεγάλης ομάδας δομικών υλικών σε ένα σενάριο φωτιάς όπου οι συνθήκες που επικρατούν είναι συναφείς με πραγματικές συνθήκες φωτιάς εμπεριέχεται σε όλες τις ευρωπαϊκές οδηγίες δομικών προϊόντων Ο δείκτης FIGRA είναι το μέτρο του μέγιστου ρυθμού ανάπτυξης φωτιάς όπως παρατηρείται από την έναρξη της καύσης. Υπολογίζεται συναρτήσει του ρυθμού έκλυσης θερμότητας προς το χρονικό διάστημα στο οποίο διήρκησε το πείραμα ( σχέση 17). Πριν υπολογιστεί ο δείκτης FIGRA πρέπει αρχικά να έχει υπολογιστεί το κατώτατο όριο του μέσου ρυθμού έκλυσης θερμότητας και ο συνολικός ρυθμός έκλυσης θερμότητας. FIGRA = [ HRR av / (t 300)] x 1000 (17) Σχήμα 6 : Απεικόνιση του δείκτη FIGRA συναρτήσει του HRR και του χρόνου Το πηλίκο της εξίσωσης 17 υπολογίζεται μόνο για χρονικό διάστημα στο οποίο οι τιμές HRRav και THR, έχουν υπερβεί τα κατώτατα όρια. Σε αντίθετη περίπτωση ο δείκτης FIGRA ισούται με το μηδέν. Ο δείκτης SMOGRA ορίζεται ως η μέγιστη τιμή του μέσου ρυθμού παραγωγής καπνού και υπολογίζεται με βάση την παρακάτω εξίσωση SMOGRA = [ SPRav(t)/(t - 300)] x (18) Το πηλίκο της εξίσωσης 18 υπολογίζεται μόνο για περίοδο έκθεσης, στην οποία οι τιμές SPRav και TSP, έχουν υπερβεί τα κατώτατα όρια. Σε αντίθετη περίπτωση ο δείκτης SMOGRA ισούται με το μηδέν. [34]

51 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ 3.1.7γ Τοποθέτηση Δείγματος Στην μέθοδο SBI Ορισμός του backing board (με βάση τα ευρωπαϊκά πρότυπα που περιλαμβάνεται στο ΕΝ ISO και EN ): ένα πάνελ από πυριτικό ασβέστιο που χρησιμοποιείται για να υποστηρίξει το δείγμα και τοποθετείται πάνω σε επιδαπέδιο δοκίμιο ή σε απόσταση από αυτό. Η τοποθέτηση του δείγματος στην μέθοδο SBI περιγράφεται στο πρότυπο EN Η τοποθέτηση μπορεί να γίνει με βάση δύο αρχές: α) τοποθέτηση κατά την τελική χρήση της εφαρμογής και β) standar τοποθέτηση. Όταν τα πειράματα γίνονται με βάση την πρώτη αρχή, τα αποτελέσματα είναι έγκυρα μόνο για αυτήν την εφαρμογή. Ενώ όταν τα πειράματα διεξάγονται με βάση την δεύτερη αρχή, τα αποτελέσματα είναι έγκυρα για τελικής χρήσης εφαρμογές και για μεγαλύτερο εύρος εφαρμογών. Για την standar τοποθέτηση υπάρχουν συγκεκριμένες προδιαγραφές και απευθύνεται σε σκληρά υλικά ή σε υλικά που αποτελούνται από επίπεδα κομμάτια ξύλου. Εικόνα 15: Φωτογραφίες που δείχνουν λεπτομέρειες ενός δείγματος υλικού μεμβράνης στην δοκιμή SBI ( Πηγή / Fire tests with textile membranes on the market ) a ) Η μεμβράνη στερεώνεται στα άνω και κάτω άκρα b) Ένα backing board είναι τοποθετημένο πίσω από τη μεμβράνη δίνοντας ένα κενό αέρα 80 mm c) Δείγμα έτοιμο για δοκιμές με backing board το οποίο είναι τοποθετημένο πάνω από την μεμβράνη του υλικού. [35]

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ωστόσο δεν υπάρχουν συγκεκριμένες οδηγίες για την τοποθέτηση των μεμβρανών σύμφωνα με EN Για κάποιες άλλες κατηγορίες προϊόντων υπάρχουν π.χ. γυψοσανίδες και για κάποιες άλλες είναι υπό ανάπτυξη π.χ. sandwich υλικά. Υπάρχει, ωστόσο, ένα πρότυπο προϊόν διαθέσιμο για μια συγκεκριμένη εφαρμογή υλικών μεμβράνης. Αυτό το πρότυπο υλικό σύμφωνα με ΕΝ 14716: 2004 είναι για τεντωμένες οροφές (stretched ceiling ). Σε αυτό το πρότυπο προϊόν υπάρχει μία λεπτομερή περιγραφή των απαιτήσεων τοποθέτησης συμπεριλαμβανομένης την περιγραφή πειραμάτων με καπάκι πάνω στο δείγμα. Η standar μέθοδος τοποθέτησης που χρησιμοποιείται φαίνεται στην εικόνα 13. Ένα κομμάτι μεμβράνης τοποθετείται σε μία γωνιακή θέση και για να είναι από μηχανικής άποψης σταθερή στο άνω και κάτω άκρο χρησιμοποιούνται μεταλλικές βίδες. Ένα backing board τοποθετείται πίσω από το δείγμα με διάκενο 80 mm. α ) β) Εικόνα 16: Standar μέθοδος τοποθέτησης ( Πηγή / Fire tests with textile membranes on the market ) Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση του δείγματος στα πειράματα SBI. Και στις δύο περιπτώσεις υπάρχει 80 χιλιοστά κενό αέρος πίσω από την μεμβράνη. (α) Μέθοδος 1: δεν υπάρχει υποστήριξη στη γωνία. (β) Μέθοδος 2: Μεταλλικό προφίλ χρησιμοποείται για υποστήριξη στη γωνία. Η μεταλλική βάση στήριξης που χρησιμοποιήθηκε ήταν L-προφίλ από χάλυβα με διαστάσεις 20 mm x 20 mm. [36]

53 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ Τοποθέτηση σωλήνων στο SBI Η μόνωση σωλήνων πρέπει να τοποθετείται σε σωλήνες χάλυβα [8]. Οι χαλύβδινοι σωλήνες πρέπει να έχουν εξωτερική διάμετρο 21 mm, μήκος 1500 mm και να τοποθετούνται κάθετα στο τρόλει του SBI. Οι σωλήνες από χάλυβα είναι κλειστοί στο ένα άκρο για να αποφεύγεται η μεταφορά θερμότητας. Οι σωλήνες πρέπει να τοποθετούνται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να υπάρχει ένα κενό 25 mm μεταξύ των εξωτερικών επιφανειών, της μόνωσης και του σωλήνα και μεταξύ της εξωτερικής επιφάνειας της μόνωσης και του backing board. Όσο το δυνατόν περισσότεροι σωλήνες πρέπει να τοποθετούνται σε κάθε πτέρυγα στο SBI. Για πάχος μόνωσης 25 mm ο αριθμός των σωληνώσεων είναι πέντε στη μικρή πτέρυγα και δέκα στην μακριά πτέρυγα. Για πάχος μόνωσης 50 mm ο αριθμός των σωληνώσεων είναι τρεις στη μικρή πτέρυγα και έξι στην μακριά πτέρυγα. Ενώ για πάχος μόνωσης 75 mm ο αριθμός των σωληνώσεων είναι δύο στη μικρή πτέρυγα και πέντε στην μακριά πτέρυγα. Οι χαλύβδινοι σωλήνες πρέπει να τοποθετούνται κατά τέτοιο τρόπο ώστε η θέση τους να είναι σταθερή σε όλη την διάρκεια της δοκιμής. Σχήμα 7: Σχηματική αναπαράσταση σωλήνων στο SBI για πάχος μόνωσης 25 mm. Πρόοψη στα αριστερά και κάτοψη στα δεξιά [37]

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σύγκριση Θερμιδόμετρου Κώνου Με Μεμονωμένο Καιγόμενο Αντικείμενο(SBI) Από την ανάλυση που προηγήθηκε παραπάνω τόσο για το θερμιδόμετρο κώνου όσο και για το SBI διαπιστώνεται ότι οι δύο αυτές δοκιμές μελέτης συμπεριφοράς υλικών στη φωτιά διαφέρουν κατά πολύ μεταξύ τους. Αρχικά να τονίσουμε ότι στο θερμιδόμετρο κώνου το υλικό τοποθετείται παράλληλα ενώ στο SBI σε μία γωνιακή διαμόρφωση (εικ.14). Επομένως διάφορα σταγονίδια που μπορούν να υπάρξουν κατά την καύση είναι αδύνατον να προβλεφθούν από το θερμιδόμετρο κώνου. Επίσης στο SBI υπάρχει μεγάλη ποικιλία δειγμάτων που μπορούν να εξεταστούν π.χ. σωλήνες, ενώ στο θερμιδόμετρο μόνο επίπεδες πλάκες και γενικά μικρά μεγέθη δείγματος. Από την μια πλευρά το κόστος είναι μικρότερο για το θερμιδόμετρο κώνου αλλά δεν μπορεί να κάνει καλή πρόβλεψη διότι τα μεγάλα δείγματα έχουν καθοριστικό ρόλο στο σενάριο "φωτιά". Στο SBI βέβαια ο περιορισμός του μεγέθους δεν υπάρχει, όλα τα δείγματα μπορούν να εξεταστούν. Η κύρια διαφορά τους αφορά τον τρόπο με τον οποίο καίγεται το δείγμα στην εκάστοτε δοκιμή. Στο θερμιδόμετρο κώνου το υλικό καίγεται εξ' ολοκλήρου εκλύοντας μία συνολική ποσότητα θερμότητας (θεωρείται επομένως μονοδιάστατο). Αντίθετα, στο SBI κάθε χρονική στιγμή καίγεται ένα κομμάτι του υλικού απελευθερώνοντας θερμότητα. Επομένως ο συνολικός ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας στο SBI προκύπτει αθροίζοντας τις θερμότητες που προκύπτουν κάθε χρονική στιγμή. Επιπλέον, στο θερμιδόμετρο κώνου είναι πιο εύκολο να δοκιμάσουμε διάφορες εκδόσεις ενός υλικού, με σκοπό να καταλήξουμε στην πιο αποδοτική,συγκριτικά με το SBI.Το κύριο πλεονέκτημα του θερμιδόμετρου κώνου είναι ότι μπορεί να προβλέψει την πιθανή συμπεριφορά ενός υλικού στο SBI χρησιμοποιώντας κυρίως το HRR (ρυθμός έκλυσης θερμότητας). Αντίστοιχα, το πλεονέκτημα του SBI είναι ότι υπολογίζει τον δείκτη FIGRA,που εμπεριέχεται σε όλες τις οδηγίες Ευρωπαϊκών προϊόντων και είναι η κύρια παράμετρος ταξινόμησης στο EUROCLASS. Εν κατακλείδι οι δύο αυτές μετρητικές διατάξεις διαφέρουν σε μεγάλο βαθμό. Για καλύτερη πρόβλεψη της συμπεριφοράς ενός υλικού στην φωτιά, συνιστάται η χρήση και των δύο για συσχέτιση των αποτελεσμάτων. Εικόνα 17: Καύση δείγματος στο Θερμιδόμετρο - SBI ( Πηγή / testing.com ) [38]

55 Κεφάλαιο 4 Ευρωπαϊκό Σύστημα Ταξινόμησης Με Βάση Την Επίδοση Των Υλικών Στη Φωτιά Στο παρελθόν κάθε χώρα της Ευρωπαϊκής Ένωσης είχε αναπτύξει τις δικές τις μεθόδους δοκιμής και τα δικά της κριτήρια ταξινόμησης στη φωτιά. Επομένως η σύγκριση των προϊόντων ήταν εξαιρετικά δύσκολη, διότι το κάθε προϊόν έπρεπε να ελεγχθεί και να ταξινομηθεί σύμφωνα με τα πρότυπα της κάθε χώρας (που διέφεραν κατά πολύ μεταξύ τους). Επιπλέον, οι κατασκευαστές προκειμένου να πουλήσουν τα προϊόντα τους έπρεπε να κάνουν δοκιμές σε κάθε χώρα ξεχωριστά, το οποίο είναι πρακτικά αδύνατο. Επομένως προκειμένου να διευκολυνθεί το εμπόριο μεταξύ των κρατών μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης δημιουργήθηκε ένα κοινό σύστημα ταξινόμησης με βάση την επίδοση των προϊόντων στη φωτιά. Το σύστημα αυτό ταξινόμησης γίνεται με βάση το πρότυπο EN το οποίο αποτελείται από 5 μέρη [5,6,12-14,26]. Το πρώτο τμήμα του ΕΝ αφορά την ταξινόμηση των προϊόντων με βάση την αντίδραση τους στην φωτιά. Τα EN ,3,4 αφορούν την κατηγοριοποίηση των δομικών στοιχείων με βάση την αντίσταση τους στην φωτιά και το αφορά την κατηγοριοποίηση των στεγών σε προσβολή εξωτερικής φωτιάς. Η αντίσταση ενός δομικού στοιχείου στη φωτιά ταξινομείται με έναν από τους παρακάτω κωδικούς: R, RE, E. EI ή REI ακολουθούμενη από ένα όριο σε λεπτά όπως 15, 30, 45, 60. Τα γράμματα Ε, Ι και R δηλώνουν ότι τα στοιχεία αντέχουν για τον χρόνο που αναφέρεται στο αριθμητικό μέρος του χαρακτηριστικού σε ότι αφορά την δομική ακεραιότητα, τη θερμομονωτική ικανότητα και την ικανότητα ανάληψης φορτίου: Δομική ακεραιότητα (Ε): είναι η ικανότητα ενός δομικού στοιχείου να εμποδίζει το πέρασμα της φλόγας στην πλευρά που δεν εκτίθεται στην φωτιά. Θερμομονωτική ικανότητα (I): είναι η ικανότητα ενός δομικού στοιχείου να εμποδίζει την έναρξη πυρκαγιάς στην μη εκτεθειμένη στην φωτιά πλευρά λόγω ανάπτυξης υψηλών θερμοκρασιών. Ικανότητα ανάληψης φορτίου (R): είναι η ικανότητα επιλογής φορτίου με σκοπό την επίτευξη της ευστάθειας του δομικού στοιχείου στη φωτιά (να μην καταρρέει ή να μην ξεπερνάει συγκεκριμένα όρια παραμόρφωσης). [39]

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Στο ευρωπαϊκό σύστημα ταξινόμησης τα δομικά προϊόντα με βάση την αντίδραση τους στην φωτιά χωρίζονται σε 7 κατηγορίες γνωστές ως ''Ευρωκλάσεις'', (EUROCLASS): A 1, A 2, B, C, D, E και.f. Οι κλάσεις αυτές αφορούν την ευφλεκτότητα του υλικού. Η χειρότερη κλάση είναι η F ενώ η καλύτερη η Α1, Α2. Αναλυτικότερα : F: εμπεριέχονται προϊόντα που δεν ανήκουν στις άλλες κατηγορίες ταξινόμησης E: ανήκουν προϊόντα που αντιστέκονται στην φωτιά για μικρό χρονικό διάστημα, χωρίς να παρουσιάζουν ουσιαστική εξάπλωση φωτιάς. D: εμπεριέχονται προϊόντα που πληρούν σχεδόν τα ίδια κριτήρια με την κλάση E αλλά αντιστέκονται στην φωτιά για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα χωρίς ουσιαστική εξάπλωση φωτιάς και με περιορισμένη έκλυση θερμότητας. C: ανήκουν προϊόντα που έχουν περιορισμένη συμβολή στη φωτιά B: εμπεριέχονται υλικά που παρουσιάζουν πολύ περιορισμένη συμβολή στη φωτιά Α 1 -Α 2 : ανήκουν προϊόντα τα οποία δεν συμβάλλουν στη φωτιά Η κατάταξη ενός προϊόντος με βάση τις παραπάνω κλάσεις μπορεί να συνοδεύεται από ένα χαρακτηρισμό s 1, s 2,s 3, που αναφέρεται στην παραγωγή καπνού και από έναν χαρακτηρισμό d 0, d 1, d 2, που αναφέρεται στην παραγωγή σταγονιδίων κατά την καύση. Η ταξινόμηση με βάση την παραγωγή καπνού είναι η εξής : s 1 : Δεν παράγεται καπνός s 2 : Παράγεται αρκετή ποσότητα καπνού s 3 :Παράγεται μεγάλη ποσότητα καπνού (Ο τρόπος υπολογισμού των παραμέτρων s 1, s 2 και s 3 περιγράφεται αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο). Η ταξινόμηση με βάση την παραγωγή σταγονιδίων είναι η παρακάτω: d 0 : Δεν παράγονται σταγονίδια κατά την διάρκεια της δοκιμής d 1 : Παράγονται σταγονίδια μόνο τα πρώτα 10 sec της δοκιμής d 2 : Παράγονται σταγονίδια για χρονικό διάστημα μεγαλύτερο από 10 sec. [40]

57 ΕΥΡΩΠΑΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΕΠΙΔΟΣΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ Επομένως η τελική κατάταξη ενός προϊόντος με βάση την αντίδραση του στην φωτιά έχει την μορφή: π.χ. D-s,d Το D αναφέρεται στις Ευρωκλάσεις, το s στον καπνό και το d στα σταγονίδια. Η ταξινόμηση με βάση την αντίδραση στη φωτιά αφορά τις παρακάτω κατηγορίες υλικών: 1. δομικά προϊόντα εξαιρουμένων των προϊόντων για δάπεδα 2. προϊόντα για δάπεδα 3. προϊόντα θερμομόνωσης σωληνώσεων 4. ηλεκτρικά καλώδια Αναλυτικά στους παρακάτω πίνακες απεικονίζονται τα κριτήρια κατάταξης με βάση την αντίδραση των υλικών στην φωτιά για κάθε κλάση σε κάθε κατηγορία υλικών. [41]

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Πίνακας 4: Ταξινόμηση δομικών προϊόντων εξαιρουμένων των προϊόντων για δάπεδα όπου (1) Για ομογενή προϊόντα και κύρια συστατικά μη ομογενών προϊόντων. (2) Για κάθε εξωτερικό μη κύριο συστατικό μη ομογενών προϊόντων. (2a) Εναλλακτικά, κάθε εξωτερικό μη κύριο συστατικό με PCS 2.0 MJm -2, υπό τον όρο ότι το προϊόν ανταποκρίνεται στα παρακάτω κριτήρια της δοκιμής EN (13823) SBI: FIGRA 20 Ws- 1 και LFS < άκρο του δείγματος και THR 600sec 4,0 MJ, s 1 και d 0. (3) Για κάθε εσωτερικό μη κύριο συστατικό μη ομογενών προϊόντων. (4) Για το προϊόν στο σύνολο του. (5) s 1 =SMOGRA 30 m 2 s -2 και TSP 600sec 50m 2, s 2 =SMOGRA 180 m 2 s -2 και TSP 600sec 200m 2 s 3 = ούτε s 1 ούτε s 2 (6) d o = μη φλεγόμενα σταγονίδια με την δοκιμή EN (SBI) εντός 600sec d 1 = μη φλεγόμενα σταγονίδια.> 10 sec d 2 = ούτε d o και d 1. (7) Δεν υπάρχει ανάφλεξη - ταξινόμηση d 2 (8) Σε συνθήκες προβολής της επιφάνειας από τις φλόγες και ανάλογα με την προβλεπόμενη χρήση του προϊόντος σε συνθήκες προβολής των άκρων της. [42]

59 ΕΥΡΩΠΑΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΕΠΙΔΟΣΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ Πίνακας 5: Ταξινόμηση για δάπεδα όπου (9) Για ομογενή προϊόντα και κύρια συστατικά μη ομογενών προϊόντων. (10) Για κάθε εξωτερικό μη κύριο συστατικό μη ομογενών προϊόντων. (11) Για κάθε εσωτερικό μη κύριο συστατικό μη ομογενών προϊόντων. (12) Για το προϊόν στο σύνολο του. (13) Διάρκεια δοκιμής = 30 λεπτά. (14) Η κρίσιμη ροή ορίζεται ως η ροή ακτινοβολίας στην οποία σβήνει η φλόγα ή ως ροή ακτινοβολίας μετά από 30 λεπτά δοκιμής ( μεταξύ των δύο τιμών επιλέγεται η χαμηλότερη, η ροή δηλαδη που αντιστοιχεί στη μέγιστη δυνατή εξάπλωση της φλόγας). (15) s 1 =SMOGRA 750 % min s 2 = όχι s 1 (16) Σε συνθήκες προβολής της επιφάνειας από τις φλόγες και ανάλογα με την προβλεπόμενη χρήση του προϊόντος σε συνθήκες προβολής των άκρων της. [43]

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Πίνακας 6: Ταξινόμηση για μόνωση σωληνώσεων όπου (17) Για ομογενή προϊόντα και κύρια συστατικά μη ομογενών προϊόντων. (18) Για κάθε εξωτερικό μη κύριο συστατικό μη ομογενών προϊόντων. (19) Για κάθε εσωτερικό μη κύριο συστατικό μη ομογενών προϊόντων. (20) Για το προϊόν στο σύνολο του. (21) s 1 =SMOGRA 150 m 2 s -2 και TSP 600sec 250m 2, s 2 =SMOGRA 580 m 2 s -2 και TSP 600sec 1600m 2 s 3 = ούτε s 1 ούτε s 2 (22) d o = μη φλεγόμενα σταγονίδια με την δοκιμή EN (SBI) εντός 600sec d 1 = μη φλεγόμενα σταγονίδια.> 10 sec d 2 = ούτε d o και d 1. (23) Δεν υπάρχει ανάφλεξη - ταξινόμηση d 2 (24) Σε συνθήκες προβολής της επιφάνειας από τις φλόγες και ανάλογα με την προβλεπόμενη χρήση του προϊόντος σε συνθήκες προβολής των άκρων της. [44]

61 ΕΥΡΩΠΑΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΕΠΙΔΟΣΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ Πίνακας 7: Ταξινόμηση ηλεκτρικών καλωδίων όπου (25) Για το προϊόν στο σύνολο του, εκτός από τα μεταλλικά υλικά. (26) Για κάθε εξωτερικό μη κύριο συστατικό μη ομογενών προϊόντων. (27) d 0 = δεν υπάρχουν φλεγόμενα σταγονίδια εντός 1200 sec, d 1 = δεν υπάρχουν σταγονίδια που διατηρούνται για χρόνο > 10 sec εντός 1200 sec d 2 = ούτε d 0 ούτε d 1 (28) ΕΝ : a 1 =αγωγιμότητα < 2,5 μs/mm καιι ph > 4,3, a 3 = ούτε a 1 ούτε a 2 (29) Η κατηγορία καπνού που δηλώνεται για τα καλώδια των κατηγοριών B1 πρέπει να προέρχεται από την δοκιμή EN ( πηγή φλόγας 30 kw) (30) Η κατηγορία καπνού που δηλώνεται για τα καλώδια των κατηγοριών B2, C, D πρέπει να προέρχεται από την δοκιμή EN ( πηγή φλόγας 20,5 kw). [45]

62 Κεφάλαιο 5 Εξάπλωση Φλόγας Η μελέτη της φλόγας που απλώνεται κατά μήκος της επιφάνειας αποτελεί τη βάση για την μοντελοποίηση και την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των υλικών στη φωτιά. ''Εξάπλωση φλόγας'' είναι ο όρος που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη φωτιάς και είναι μία σύνθετη διαδικασία που επηρεάζεται από φυσικές, γεωμετρικές και χημικές παραμέτρους. Ο όρος αυτός δεν αναφέρεται στην επέκταση της φλόγας αλλά στην εξάτμιση της περιοχής και στην τροφοδοσία της καύσιμης ύλης (επέκταση της καιγόμενης περιοχής). Πολλοί παράγοντες επηρεάζουν αυτό το φαινόμενο όπως : προσανατολισμός της επιφάνειας διεύθυνση της εξάπλωσης της φλόγας μέγεθος του δείγματος αρχική θερμοκρασία του καυσίμου εξωτερική ροή ακτινοβολίας τραχύτητα της επιφάνειας του δείγματος ταχύτητα ροής του περιβάλλοντος όπως του αέρα βαρυτικές επιδράσεις σύνθεση του υλικού σύνθεση της ατμόσφαιρας όπως η υγρασία Οι βαρυτικές και οι επιπτώσεις του ανέμου είναι οι πιο βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εξάπλωση της φλόγας. Οι ροές που απορρέουν από την άντωση της φωτιάς ή του φυσικού αέρα της ατμόσφαιρας μπορεί να βοηθήσουν ή να καταπολεμήσουν τη διάδοση της φλόγας. Όταν υπάρχει εξάπλωση της φλόγας (σχήμα 8) χρησιμοποιείται ο όρος ''επιβοηθούμενη ροή'' ενώ για την καταστολή της (σχήμα 9) χρησιμοποιείται ο όρος ''εμποδιζόμενη ροή''. Η ''εμποδιζόμενη ροή'' αναφέρεται σε διάδοση φλόγας αντίθετα προς τη ροή του αέρα ενώ η ''επιβοηθούμενη ροή'' αναφέρεται σε διάδοση φλόγας προς την ίδια κατεύθυνση με την διάδοση του αέρα. Σχήμα 8: Εξάπλωση φλόγας επιβοηθούμενη από τον αέρα [46]

63 ΕΞΑΠΛΩΣΗ ΦΛΟΓΑΣ Σχήμα 9: Εξάπλωση φλόγας εμποδιζόμενη από τον αέρα Πίσω από την περίμετρο της διαδιδόμενης πυρόλυσης, υπάρχει μια άλλη περίμετρος πέραν της οποίας η καύση ή οποιαδήποτε φλόγα έχει σταματήσει. Η περιοχή μεταξύ αυτών των δύο μετώπων ορίζει την κυρίως καύση ή την περιοχή πυρόλυσης (x p ). Η ταχύτητα διάδοσης της φλόγας ορίζεται ως ο ρυθμός κίνησης της περιμετρικής θέσης x p. Η διεργασία πυρόλυσης γενικά προκαλείται από την μεταφορά θερμότητας από τη φλόγα στην επιφάνεια του στερεού. Η πυρόλυση είναι βασικό βήμα για την εξάπλωση της φωτιάς. Η φλόγα στην επιφάνεια, η οποία είναι η περιοχή που συμβολίζεται με δ f (σχήμα 8, 9),μπορεί να περιγραφεί ως δύο διαφορετικά μέτωπα : τη φλόγα στην αέρια φάση και την περιοχή πυρόλυσης στην συμπυκνωμένη φάση. Η φλόγα στην αέρια φάση μπορεί εύκολα να μετρηθεί από έναν παρατηρητή συγκριτικά με την περιοχή πυρόλυσης στη συμπυκνωμένη φάση. 5.1 Χρόνος Ανάφλεξης Η μελέτη της εξάπλωσης της φλόγας και του ρυθμού εξάπλωσής της εξαρτάται από τις ιδιότητες ανάφλεξης του υλικού που δοκιμάζεται. Η ανάφλεξη καθορίζει την έναρξη της καύσης και χαρακτηρίζεται γενικά από το χρόνο ανάφλεξης, ο οποίος είναι ο ελάχιστος χρόνος που απαιτείται για τη δημιουργία διατηρήσιμης φλόγας στην επιφάνεια του υλικού, όταν εκτίθεται σε συγκεκριμένη εξωτερική ροή θερμότητας. Ο χρόνος ανάφλεξης καθορίζεται πειραματικά, λόγω της δυσκολίας μοντελοποίησης/βαθμονόμησης των μηχανισμών ανάφλεξης των σύνθετων υλικών H ανάφλεξη θα εμφανιστεί όταν υπάρχει ικανοποιητική θερμική ενέργεια σε μια πολυμερή επιφάνεια για να τη μετατρέψει από στερεό σε αέριο καύσιμο. Η θερμότητα της αεριοποίησης ανά μονάδα μάζας του στερεού πολυμερούς σώματος (Hg) μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας: hg c( Ts To ) (1 )h (19) όπου T S είναι η θερμοκρασία ανάφλεξης, T o είναι η περιβαλλοντική θερμοκρασία, h v είναι η θερμότητα της εξάτμισης των προϊόντων αποσύνθεσης, και μ είναι η μάζα του [47]

64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 άφλεκτου υλικού στο πολυμερές σώμα, η οποία μπορεί να περιλάβει τον προσροφητικό άνθρακα και την ίνα ενίσχυσης. Επιπλέον c=c o T/T o όπου c o είναι η ειδική θερμότητα στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Με βάση αυτήν την ανάλυση, η θερμότητα της αεριοποίησης συσχετίζεται με τη θερμοκρασία ανάφλεξης ενός πολυμερούς σώματος: T 2 2 o ign ct 0 o cotign 2T o 2 To ign c T h c( T ) dt (1 ) h (1 ) h T g ign T o Th c o g 1/2 (20) o (21) Ο χρόνος ανάφλεξης χαρακτηρίζεται ως αυτανάφλεξη ή οδηγούμενη ανάφλεξη. Στην αυτανάφλεξη, η φλόγα εμφανίζεται αυθόρμητα στην επιφάνεια του υλικού. Στην οδηγούμενη ανάφλεξη η φλόγα εμφανίζεται λόγω εξωτερικής πηγής π.χ. σπινθηριστής (τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με οδηγούμενη ανάφλεξη στο θερμιδόμετρο κώνου). Βέβαια η οδηγούμενη ανάφλεξη μπορεί να προκαλέσει και σφάλματα στις δοκιμές π.χ. η πηγή μπορεί να τοποθετηθεί πολύ κοντά ή μακριά από το υλικό που εξετάζεται με αποτέλεσμα να μειωθεί ή να αυξηθεί ο χρόνος ανάφλεξης. Ο χρόνος ανάφλεξης εξαρτάται από ποικίλους παράγοντες, όπως η θερμοκρασία,οι χημικές και θερμοφυσικές ιδιότητες του υλικού. Το περιβάλλον φωτιάς επίσης επηρεάζει την ανάφλεξη των υλικών. Οι περισσότερες μελέτες στην συμπεριφορά ανάφλεξης λειτουργούν υπό τυποποιημένες ατμοσφαιρικές συνθήκες (π.χ. 21%Ο 2 /78%N 2 ). Όμως, η ατμόσφαιρα σε μερικές πυρκαγιές μπορεί να είναι διαφορετική. Παραδείγματος χάριν, όταν εμφανίζεται μια πυρκαγιά μέσα σε ένα κλειστό χώρο χωρίς εξαερισμό, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο μειώνεται με το χρόνο και μπορεί να φθάσει αρκετά χαμηλά, όπως 10-12%. Οι μελέτες για την ανάφλεξη υπό μεταβλητές ατμοσφαιρικές συνθήκες είναι περιορισμένες. Ωστόσο, οι ελάχιστες που έχουν διεξαχθεί, δείχνουν ότι η περιεκτικότητα σε οξυγόνο της ατμόσφαιρας μπορεί να έχει επιπτώσεις στο χρόνο ανάφλεξης. Τέλος, ένας από τους κρίσιμους παράγοντες που επηρεάζουν την ανάφλεξη των καύσιμων υλικών είναι το θερμικό πάχος (θερμικά παχιά ή θερμικά λεπτά υλικά). [48]

65 ΕΞΑΠΛΩΣΗ ΦΛΟΓΑΣ Θερμικά Λεπτά Υλικά Θερμικά λεπτά υλικά χαρακτηρίζονται τα υλικά στα οποία ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας στο εσωτερικού του υλικού είναι γρηγορότερος συγκριτικά με τον ρυθμό μεταβολής της θερμότητας που μεταφέρεται στην επιφάνεια έτσι ώστε η θερμοκρασία στο εσωτερικό του υλικού να παραμένει ομοιόμορφη. Αυτή η κατάσταση εμφανίζεται για λεπτά υλικά ή για υλικά με υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Παραδείγματα τέτοιων υλικών είναι υφάσματα, μεμονωμένα φύλλα χαρτιού και λαμαρίνας. Το σχήμα 10 απεικονίζει μία εγκάρσια τομή ενός θερμικά λεπτού υλικού. Σχήμα 10: Ένα θερμικά λεπτό υλικό εκτεθειμένο στην φωτιά δρ ρ Τ (22) Από την πλευρά του υλικού που εκτίθεται στην φωτιά οι κυρίαρχοι τρόποι μεταφοράς θερμότητας είναι λόγω ακτινοβολίας και συναγωγής ( και. Στην μη εκτεθειμένη επιφάνεια η μεταφορά θερμότητας εξαρτάται από το υλικό υποστήριξης. Η θερμοκρασία για τα λεπτά υλικά μπορεί να περιγραφεί από την μονοδιάστατη εξίσωση μεταφοράς θερμότητας που περιγράφεται στην σχέση (22). Η θερμοκρασία T υπολογίζεται ολοκληρώνοντας πάνω από το πάχος του υλικού. Ο όρος δρ ρ της εξίσωσης αντιπροσωπεύει το πάχος του υλικού, την πυκνότητα και την ειδική θερμότητα και υπολογίζεται για μεταβλητές θερμοκρασίες με σκοπό πιο έγκυρα αποτελέσματα. Για να ελέγξουμε αν ένα υλικό είναι θερμικά λεπτό χρησιμοποιούμε τις παρακάτω εξισώσεις : δ (23) (24) [49]

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 όπου είναι ο αριθμός Biot που αποτελεί τον λόγο της εσωτερικής αντίστασης ενός σώματος ( στην αγωγή θερμότητας ) προς την εξωτερική αντίσταση του ( στην συναγωγή θερμότητας ) και δ το βάθος θερμικής διείσδυσης. Ο χρόνος ανάφλεξης ενός θερμικά λεπτού υλικού μπορεί να καθοριστεί από: ( Ti To) ti clo qnet (25) όπου T ι είναι η θερμοκρασία επιφάνειας στην ανάφλεξη,τ 0 είναι η περιβαλλοντική θερμοκρασία και q net είναι η καθαρή ροή θερμότητας στην επιφάνεια (συμπεριλαμβανομένων των απωλειών θερμότητας). Αυτή η εξίσωση αποδεικνύει ότι ο χρόνος ανάφλεξης των θερμικά λεπτών υλικών μειώνεται γραμμικά με την αύξηση της καθαρής ροής θερμότητας Θερμικά Παχιά Υλικά Τα περισσότερα υλικά συμπεριφέρονται σαν θερμικά παχιά υλικά Ο όρος αυτός δηλώνει ότι το υλικό αυτό είναι αρκετά παχύ ώστε η μεταφορά θερμότητας στην μη εκτεθειμένη επιφάνεια να μην επηρεάσει τη μεταφορά θερμότητας στην εκτεθειμένη επιφάνεια. Όπως παρατηρείται στο σχήμα 11 όταν πρόκειται για θερμικά παχύ υλικό υπάρχει μία κλίση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του υλικού. Σχήμα 11: Ένα θερμικά παχύ υλικό εκτεθειμένο στην φωτιά Η μονοδιάστατη εξίσωση μεταφοράς θερμότητας που χρησιμοποιείται για θερμικά παχιά υλικά είναι η παρακάτω : ρ ρ Τ = k (26) όπου k η θερμική αγωγιμότητα του υλικού [50]

67 ΕΞΑΠΛΩΣΗ ΦΛΟΓΑΣ Τα περισσότερα υλικά αντιμετωπίζονται σαν θερμικά παχιά υλικά για τον υπολογισμό του χρόνου ανάφλεξης, ωστόσο το προφίλ της θερμοκρασίας μπορεί να αποκτήσει μία γραμμική προσέγγιση σε συνάρτηση με το χρόνο όπως φαίνεται στο σχήμα 12. Σε αυτήν την περίπτωση η μεταφορά θερμότητας θεωρείται σταθερή και η θερμοκρασία εντός του υλικού υπολογίζεται από τον νόμο του Fourier: - k Τ (27) Σχήμα 12: Το προφίλ της θερμοκρασίας σε συνάρτηση με τον χρόνο στο εσωτερικό ενός θερμικά παχύ υλικού Για να ελέγξουμε αν ένα υλικό είναι θερμικά παχύ χρησιμοποιούμε την παρακάτω εξισώση : δ (28) Οι Carslaw και Jaeger [9] αναφέρουν ότι ο χρόνος ανάφλεξης ενός θερμικά παχύ υλικού είναι: t i [51] 2 Ti T ck o 4 qnet (29) Σε αυτήν την σχέση υποτίθεται ότι οι απώλειες θερμότητας είναι αμελητέες και το υπόστρωμα είναι αδρανές, θερμικά παχύ και αδιαφανές στερεό. Εντούτοις, για να υπολογίσουμε τον χρόνο ανάφλεξης χρησιμοποιώντας τον τύπο (28) είναι δύσκολο επειδή οι τιμές p,c και k αλλάζουν με την αύξηση της θερμοκρασίας, και αυτοί πρέπει να καθοριστούν εμπειρικά στη θερμοκρασία ανάφλεξης. Υπάρχει επίσης η ενδιάμεση περίπτωση μεταξύ θερμικά λεπτού και θερμικά παχύ υλικού. Εδώ, ο χρόνος ανάφλεξης μπορεί να προσεγγιστεί από: 3/2 Ti To i c klo qin qout t (30)

68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Περιγραφή Μοντέλου Εξάπλωσης Φλόγας Σχήμα 13 : Μοντέλο εξάπλωση της φλόγας Είτε πρόκειται για θερμικά λεπτό είτε θερμικά παχύ υλικό το μοντέλο εξάπλωσης φλόγας θεωρείται ένα πρόβλημα θερμότητας και αναλύεται με ένα ισοζύγιο ενέργειας. Συγκεκριμένα όπως παρατηρείται από το σχήμα 13 ( που απεικονίζει την εξάπλωση της φλόγας σε μία επιφάνεια κατά την διεύθυνση x.) θερμότητα λόγω ακτινοβολίας και συναγωγής εξέρχεται από το σύστημα και θερμότητα λόγω της φλόγας και των εξωτερικών πηγών εισέρχεται στο σύστημα. Αναλυτικότερα το υλικό καίγεται στην περιοχή πυρόλυσης ( x p2 ) και η θερμότητα που δημιουργείται μεταφέρεται στην άκαυστη περιοχή (x f2 -x p2 ).Ο όρος x f2 εκφράζει το μήκος της φλόγας. Η περιοχή ακριβώς μπροστά από την περιοχή πυρόλυσης (x=x p2 ) προθερμαίνεται λόγω ακτινοβολίας με αποτέλεσμα να εμφανιστεί φλόγα. Επομένως θεωρούμε ότι για y=0, t=t ig και η θερμοκρασία της επιφάνειας ισούται με την θερμοκρασία ανάφλεξης (Τ s =Τ ig ). Το ισοζύγιο ενέργειας στην περιοχή x f2 -x p2 όπως φαίνεται από το σχήμα 3 ( η περιοχή με την οποία ασχολείται η παρούσα εργασία) δίνεται από την παρακάτω σχέση : (31) όπου = εσ( 4-4 ) + h c ( - ) (32) : ροή θερμότητας στην επιφάνεια του υλικού : ροή θερμότητας από τις φλόγες : ροή θερμότητας από εξωτερικές πηγές =εσ( 4-4 ): ροή θερμότητας λόγω ακτινοβολίας από το περιβάλλον [52]

69 ΕΞΑΠΛΩΣΗ ΦΛΟΓΑΣ =h c ( - ): ροή θερμότητας λόγω συναγωγής με το περιβάλλον Για Θερμικά Παχύ Υλικό Σύμφωνα με τον Quintiere J.G (1988), το μοντέλο εξάπλωσης φλόγας για θερμικά παχύ υλικό είναι: Το θεωρούμε ότι είναι συνάρτηση του x και ότι το είναι σταθερό στην περιοχή που μελετάμε (x f2 -x p2 ). Οριακές συνθήκες στο στερεό πριν την έναρξη της καύσης : y=0, -k Τ - ) (33) y, T= t=0, T= (34) (35) (36) όπου α = ρ Η λύση της εξίσωσης (36) από τις συνοριακές συνθήκες είναι η παρακάτω : ) ( ] (37) για x=0 και α= ρ η εξίσωση (36) γίνεται : ρ ρ (38) Η συμπληρωματική συνάρτηση σφάλματος ορίζεται ως εξής : ξ π ξ (39) T ig - [1-exp(β ) β τ τ)] (40) όπου τ = ρ και (41) β= ρ (42) t: ο χρόνος κατά τον οποίο εφαρμόζεται ακτινοβολία στο υλικό [53]

70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 t ig : ο χρόνος κατά τον οποίο εμφανίζεται φλόγα Όταν β σύμφωνα με τους Carslaw και Jaeger [8] η εξίσωση (39) γίνεται: β = π β (43) exp(β )= β (44) Η πρώτη παρένθεση της εξίσωσης (39) σύμφωνα με τις σχέσεις (43), (44) γίνεται : 1-exp(β ) β (45) Επομένως η εξίσωση (39) κάνοντας αντικατάσταση τις σχέσεις (42), (43) γίνεται : T ig - = π )] (46) T ig - τ τ)]= π ρ (47) T s - = )] (48) Αντικαθιστώντας την σχέση (48) στην σχέση (47) προκύπτει : T ig -T s= π ρ (49) Λύνω την σχέση (49) ως προς t ig και προκύπτει : = ρ (50) [54]

71 ΕΞΑΠΛΩΣΗ ΦΛΟΓΑΣ Για Θερμικά Λεπτό Υλικό Σύμφωνα με τον Quintiere J.G (2006), το μοντέλο εξάπλωσης φλόγας για θερμικά λεπτό υλικό είναι: Το είναι σταθερό στην περιοχή που μελετάμε (x f2 -x p2 ). Οριακές συνθήκες στο στερεό πριν την έναρξη της καύσης : (51) (52) Θεωρούμε Τ Τ Η λύση της εξίσωσης από τις παραπάνω συνοριακές συνθήκες είναι : ρ Τ = = εσ( 4-4 ) - h c ( - ) (53) Θεωρούμε εσ T 4 T i T 4 εσ(t 3 ) (54) για T i - T πολύ μικρό, h t h c h r (55) Αντικαθιστώντας την (54), (55) στην (53) προκύπτει : ρc p d dτ dt = q = ( - ) (56) Έστω ότι θ T i T q e h t, τ= (57) dθ dτ 1 θ, θ 0 0 (58) Λύνοντας την (58) προκύπτει T i - T = q e (59) Λύνοντας την (59) προκύπτει ο χρόνος ανάφλεξης: ( Ti To) ti clo qnet (61) Ο ρυθμός εξάπλωσης της φλόγας και για τις δύο περιπτώσεις δίνεται από τον παρακάτω τύπο, αντικαθιστώντας το t ig που προκύπτει κάθε φορά. V p x f2 x p2 t ig [55] (62)

72 Κεφάλαιο 6 Μοντέλα Πρόβλεψης Για τη συσχέτιση των αποτελεσμάτων του θερμιδόμετρου κώνου και του μεμονωμένο καιγόμενου αντικειμένου (SBI), χρησιμοποιούνται κάποια μαθηματικά μοντέλα (conetools, μονοδιάστατο μοντέλο εξάπλωσης της φλόγας, μοντέλο που στηρίζεται στους δείκτες θερμότητας και ευφλεκτότητας και υπολογιστικό μοντέλο πρόβλεψης καπνού), τα οποία έχουν ως βάση τη θεωρία της εξάπλωσης φλόγας. Με την χρήση αυτών των μοντέλων υπολογίζονται δείκτες (FIGRA, SMOGRA), οι οποίοι συγκρίνονται με αυτούς που προκύπτουν σε διάταξη μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο. Οι δείκτες αυτοί χρησιμοποιούνται για την κατάταξη των υλικών στο Ευρωπαϊκό σύστημα ταξινόμησης Μοντέλο Conetools Το μοντέλο Conetools [15,16,29,30,38-42] χρησιμοποιεί τον χρόνο ανάφλεξης και τα δεδομένα του ρυθμού έκλυσης θερμότητας που προκύπτουν από το θερμιδόμετρο κώνου. Σε γενικές γραμμές τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις μικρής κλίμακας δοκιμές χρησιμοποιούνται για να προβλέψουν το πρώτο μέρος της καμπύλης του ρυθμού έκλυσης θερμότητας καθώς και τον δείκτη FIGRA. Οι αρχές που διέπουν το μοντέλο πρόβλεψης είναι η παρακάτω: 1. Ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας και ο ρυθμός ανάπτυξης της φλόγας δεν συνδέονται μεταξύ τους. 2. Ο ρυθμός ανάπτυξης της φλόγας είναι ανάλογος με την ευκολία ανάφλεξης δηλ. το αντίστροφο του χρόνου ανάφλεξης στις δοκιμές μικρής κλίμακας. 3. Ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας είναι ίδιος στην μέθοδο SBI όπως και στις δοκιμές μικρής κλίμακας Ρυθμός Ανάπτυξης Φλόγας Η εξάπλωση της φλόγας μπορεί να ακολουθήσει δύο πορείες όπως φαίνεται στο σχήμα 14. Όλα τα προϊόντα αρχίζουν να εξαπλώνονται κατά μήκος της διαδρομής I. Ένα προϊόν συνεχίζει να εξαπλώνεται κατά μήκος της διαδρομής III εάν το ύψος της φλόγας που υπολογίζεται κατά την καύση είναι τουλάχιστον 1,5 m, το οπoίο είναι ίσο με το ύψος του δείγματος. Σε αντίθετη περίπτωση το προϊόν εκτείνεται κατά μήκος της διαδρομής II. [56]

73 ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ Σχήμα 14: Ρυθμός ανάπτυξης της περιοχής καύσης συναρτήσει του χρόνου Ο ρυθμός ανάπτυξης φλόγας των διαφορετικών προϊόντων εξαρτάται από το πόσο εύφλεκτα είναι τα υλικά δηλαδή από τον χρόνο ανάφλεξης που προκύπτει από το θερμιδόμετρο κώνου. Μόλις η φλόγα αρχίζει να εξαπλώνεται υπολογίζεται ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας υποθέτοντας ότι η μέθοδος SBI και τα πειράματα μικρής κλίμακας δίνουν τα ίδια ποσοστά απελευθέρωσης θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας σε συνάρτηση με τον χρόνο. Με άλλα λόγια τα δοκίμια καίγονται στην μέθοδο SBI, με το ίδιο τρόπο που θα καίγονταν στα πειράματα μικρής κλίμακας. Ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας εξαρτάται περισσότερο ή λιγότερο από το επίπεδο ροής της θερμότητας συναρτήσει του χρόνου. Η εξάπλωση της φλόγας περιγράφεται με μία καμπύλη που είναι συναρτήσει του χρόνου. Στην αρχή της δοκιμής, το προϊόν αναφλέγεται σε ένα σημείο του δείγματος. Ο χρόνος ανάφλεξης θεωρείται ότι είναι ο μισός σε σχέση με αυτόν που προέκυψε από το θερμιδόμετρο κώνου για ροή θερμότητας 40 kw/m 2. Αμέσως μετά την ανάφλεξη ο ρυθμός ανάπτυξης του προϊόντος είναι αργός. Έπειτα ο ρυθμός αυξάνεται εξαρτώμενος από τον χρόνο ανάφλεξης που προκύπτει από το θερμιδόμετρο κώνου, έως ότου να φτάσει την μέγιστη τιμή του και στην συνέχεια επιβραδύνεται. Ο ρυθμός ανάπτυξης περιγράφεται από τον παρακάτω τύπο: (63) όπου ti g : ο χρόνος ανάφλεξης που προκύπτει από το θερμιδόμετρο κώνου Στην αρχή των πειραμάτων όλα τα προϊόντα φαίνεται να ακολουθούν την ίδια πορεία. Ωστόσο εάν το ύψος της φλόγας φτάσει το ύψος του δοκιμίου το οπoίο είναι 1,5 m, τότε το μέγιστο εμβαδό της καμπύλης του ρυθμού ανάπτυξης θα αλλάξει. Το ύψος της φλόγας είναι μια παράμετρος που υπολογίζεται από τον συνολικό ρυθμό έκλυσης θερμότητας που προκύπτει από τα πειράματα. [57]

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Το μέγιστο εμβαδό είναι 0,35 m 2 για προϊόντα στα οποία το ύψος της φλόγας δεν είναι 1,5 m. Αυτό το εμβαδό είναι σχεδόν ίδιο με το εμβαδό πίσω από τις φλόγες του καυστήρα. Για προϊόντα στα οποία το ύψος της φλόγας υπερβαίνει το 1,5 m το μέγιστο εμβαδό είναι 0,60 m 2. Το μέγιστο εμβαδό επιλέγεται με βάση την διαμόρφωση του SBI. Ο καυστήρας έχει μήκος 250 mm και τοποθετείται σε απόσταση 40 mm από το δοκίμιο. Εάν οι φλόγες εξαπλωθούν στην κορυφή του δείγματος σε ολόκληρο το πλάτος του καυστήρα το μέγιστο εμβαδό πρέπει να είναι 0,87 m 2. Ωστόσο εάν ο καυστήρας είναι τριγωνικός το πάχος της φλόγας ποικίλει. Χρησιμοποιώντας αυτά τα εμβαδά ως ανώτατα όρια για την διάδοση της φλόγας το μοντέλο πρόβλεψης δίνει καλά αποτελέσματα σε συνδυασμό με τις παρατηρήσεις που προκύπτουν κατά την διάρκεια των πειραμάτων. Κάποια προϊόντα εξαπλώνουν την φλόγα πάνω από 0,6 m 2 προτού φτάσουν το πρώτο μέγιστο σημείο στον ρυθμό έκλυσης θερμότητας. Αυτά είναι προϊόντα που παρουσιάζουν πολύ μικρό χρόνο ανάφλεξης στο θερμιδόμετρο κώνου, όπως θερμοπλαστικά υλικά, τα οποία δημιουργούν εστίες φωτιάς πριν φτάσουν στην μέγιστη τιμή του ρυθμό έκλυσης θερμότητας. Το μοντέλο αυτό κατά συνέπεια δεν δίνει σωστά αποτελέσματα για αυτά τα είδη προϊόντων όταν φτάσουν το μέγιστο σημείο του ρυθμού έκλυσης θερμότητας. Σε αντίθεση ο δείκτης FIGRA για αυτά τα υλικά προβλέπεται αρκετά καλά σε συνδυασμό με τις καμπύλες που προκύπτουν από τον ρυθμό έκλυσης θερμότητας Κριτήρια Για Την Διάδοση Της Φλόγας Όπως φαίνεται στο σχήμα 14 οι φλόγες ή θα διαδοθούν σε μια μικρή περιοχή του δείγματος ή σε μια μεγάλη. Τα κριτήρια που χρησιμοποιούνται για να προσδιοριστεί η μέγιστη επιφάνεια είναι η συνεχής αύξηση της φλόγας. Στο μοντέλο Conetools τα κριτήρια που χρησιμοποιούνται για να καθοριστεί εάν οι φλόγες θα διαδοθούν σε μία μεγάλη επιφάνεια του δείγματος, είναι η θερμοκρασία που επικρατεί στην επιφάνεια η οποία εξαρτάται από την θερμοκρασία των αερίων που απελευθερώνονται από την καύση και από την θερμική απόκριση της επιφάνειας των προϊόντων. Ωστόσο στην μέθοδο SBI δεν υπάρχει στην διάταξη οροφή και ως εκ τούτου δεν υπάρχει στρώμα αερίων να θερμάνει το προϊόν. Η θερμοκρασία της επιφάνειας εξαρτάται από την ακτινοβολία και την μεταφορά θερμότητας μέσω συναγωγής. Το ύψος της φλόγας που προκύπτει από παρατηρήσεις από την μέθοδο SBI χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει την μέγιστη επιφάνεια στην οποία θα διαδοθεί η φλόγα με την προϋπόθεση ότι το προϊόν θα λάβει μία ροή θερμότητας επαρκή για να προκληθεί ανάφλεξη του προϊόντος. Στην δοκιμή SBI το προϊόν θα ανάψει για πρώτη φορά στην γωνία πίσω από τις φλόγες του καυστήρα. Στην συνέχεια η εμπλεκόμενη επιφάνεια θα εξαπλωθεί προς τα πάνω πίσω από τις φλόγες του καυστήρα. Ανάλογα με την συμπεριφορά του υλικού κατά την καύση, η θερμότητα που απελευθερώνεται από τον καυστήρα και το προϊόν μπορεί να είναι αρκετά υψηλή για να δημιουργήσει μία φλόγα στην γωνία, η οποία θα έχει ύψος ίσο ή μεγαλύτερο από το ύψος του δείγματος. Σε αυτή την περίπτωση η διάδοση της φλόγας θα φτάσει ως την κορυφή του δείγματος. [58]

75 ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ Tο ύψος της φλόγας δίνεται από τον παρακάτω τύπο : =3* (64) όπου (65) D: διάμετρος του καυστήρα ( 150 mm αν είναι τριγωνικός ) Ο παραπάνω τύπος χρησιμοποιείται όταν ο συνολικός ρυθμός έκλυσης θερμότητας είναι μεγαλύτερος από 59 kw και όταν η φλόγα θα εξαπλωθεί μέχρι την κορυφή του δείγματος. Αυτά τα κριτήρια ταυτίζονται με τις παρατηρήσεις που προκύπτουν από τις SBI δοκιμές Υπολογισμός Του Ρυθμού Έκλυσης Θερμότητας Ο συνολικός ρυθμός έκλυσης θερμότητας στην δοκιμή SBI προκύπτει αθροίζοντας τις συνεισφορές που προκύπτουν από τον καυστήρα και από την επιφάνεια που καίγεται. (66) : είναι σταθερός στα 30 kw ενώ : μεταβάλλεται με τον χρόνο καθώς διαδίδεται η φλόγα και προκύπτει από τις συνεισφορές των υλικών που έχουν καεί σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο του Duhamel. (67) : η θερμότητα που απελευθερώνεται ανά μονάδα επιφάνειας όπως καταγράφεται από το θερμιδόμετρο κώνου : ψευδομεταβλητή Η προσέγγιση που χρησιμοποιείται σε αυτό το μοντέλο είναι ο παρακάτω απλοποιημένος τύπος του Duhamel (68) : σταδιακή ανάπτυξη της φλόγας [59]

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 : ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας όπως καταγράφεται από το θερμιδόμετρο κώνου Διόρθωση Των Δεδομένων Που Προκύπτουν Από Το Θερμιδόμετρο Κώνου Για Διαφορετικές Ροές Θερμότητας Το μοντέλο έχει αναπτυχθεί για δεδομένα που προκύπτουν από το θερμιδόμετρο κώνου για ροή θερμότητας 50 kw/m 2. Οι διορθώσεις αφορούν κυρίως τον χρόνο ανάφλεξης και τον ρυθμό έκλυσης θερμότητας με σκοπό την τελειοποίηση των αποτελεσμάτων. (69) (70) t igncorr : διορθωμένος χρόνος ανάφλεξης που χρησιμοποιείται στο μοντέλο t igncone : χρόνος ανάφλεξης στο θερμιδόμετρο κώνου HRR Corr : διορθωμένος ρυθμός έκλυσης θερμότητας HRR Cone : ρυθμός έκλυσης θερμότητας στο θερμιδόμετρο κώνου ConeFlux : επίπεδο ροής στο θερμιδόμετρο κώνου SBIFlux : αντίστοιχες ροές για τον κώνο - SBI στα 40 kw/m Μελέτη Της Ευαισθησίας Του Μοντέλου Conetools Οι κύριοι παράμετρο εισόδου του μοντέλου είναι ο χρόνος ανάφλεξης και ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας. Η καμπύλη του ρυθμού έκλυσης θερμότητας καταχωρείται αυτόματα από τον υπολογιστή αλλά ο χρόνος ανάφλεξης προκύπτει οπτικά κατά την διαδικασία του πειράματος. Σε αυτό το μοντέλο ένα κατώτατο όριο του ρυθμού έκλυσης θερμότητας χρησιμοποιείται ως εναλλακτική λύση. Αυτό είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον για FR υλικά και για υλικά με χαμηλό ρυθμό έκλυσης θερμότητας που δεν παρουσιάζουν συνήθως ανάφλεξη. Από τον πίνακα 8 προκύπτει ότι η κατώτατη τιμή των 10 kw/m 2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική λύση για τον χρόνο ανάφλεξης που προκύπτει οπτικά. Χρησιμοποιώντας τα 50 kw/m 2 ως κατωτάτη τιμή προκύπτει μείωση του δείκτη FIGRA δηλ. αποτελέσματα με καλύτερη ταξινόμηση. Ωστόσο η επιλογή του κατώτατου ορίου του ρυθμού έκλυσης θερμότητας θα πρέπει να γίνεται έπειτα από μελέτη της καμπύλης του ρυθμού έκλυσης θερμότητας. Αυτό πραγματοποιείται στο λογισμικό conetools πριν από τους υπολογισμούς. Επίσης είναι χρήσιμο να πραγματοποιηθεί μία μελέτη σχετικά με τον χρόνο ανάφλεξης, για να διερευνηθεί κατά πόσο ασκεί μεγάλη επιρροή στο αποτέλεσμα. Εάν ασκεί τότε συνιστάται το μοντέλο να λειτουργήσει σε άλλο επίπεδο ροής. Αυτό αφορά κυρίως υλικά που παρουσιάζουν μικρό χρόνο ανάφλεξης. [60]

77 ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ Πίνακας 8: Αποτελέσματα 5 υλικών για τον χρόνο ανάφλεξης και το κατώτατο όριο του ρυθμού έκλυσης θερμότητας ΝΑ1: δεν ισχύει εφόσον το HRR είναι χαμηλότερο από το κατώτατο όριο (οι τιμές θα είναι μηδενικές) ΝΑ2: δεν ισχύει εφόσον δεν υπάρχει οπτική ανάφλεξη (οι τιμές θα είναι μηδενικές) [61]

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Μονοδιάστατο Μοντέλο Εξάπλωσης Φλόγας Το μονοδιάστατο μοντέλο εξάπλωσης φλόγας [18,19,25,36] έχει εφαρμοστεί σε επενδύσεις τοίχων και σε υλικά που έχουν ως βάση το ξύλο. Τα δεδομένα εισόδου του μοντέλου αυτού είναι το ποσοστό απελευθέρωσης θερμότητας που προκύπτει από το θερμιδόμετρο κώνου για ροή θερμότητας 50 kw/m 2. Το σημείο εκκίνησης του υπολογισμού είναι η εξίσωση που περιγράφει την ανοδική εξάπλωση της φλόγας. Ο όρος (Q) υπολογίζεται ως το άθροισμα των συνεισφορών του καυστήρα και του υλικού. (71) Ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας του υλικού δίνεται από τον παρακάτω τύπο: (t)+w (72) όπου w και x po είναι το αρχικό πλάτος και το ύψος της περιοχής πυρόλυσης και x p η αρχική θέση του σημείου πυρόλυσης x f το ύψος της φλόγας και, q"(t) είναι η καμπύλη του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας (HRR) και t ig ο χρόνος ανάφλεξης που προκύπτουν από το θερμιδόμετρο κώνου αντίστοιχα. Ο χρόνος ανάφλεξης προσδιορίζεται από την καμπύλη του HRR ως τη χρονική στιγμή που ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας φτάνει τα 50 kw / m 2 -το οποίο συμπίπτει με τις οπτικές παρατηρήσεις. Πάντως η μέθοδος αυτή είναι πιο αντικειμενική σε σχέση με τις οπτικές παρατηρήσεις. Για την εφαρμογή του μοντέλου αυτού οι τιμές των παραμέτρων εισόδου x po,w, k f προσδιορίζονται με βάση τα χαρακτηριστικά της διάταξης SBI και με βάση το μοντέλο ρύθμισης (x p0 = 0.26 m, k f =0.048 και n=0.77, αυτές οι τιμές προέκυψαν πειραματικά). Το μοντέλο έχει βελτιστοποιηθεί με τη χρήση μοριοσανίδων ως υλικό συντονισμού.το σχήμα της προβλεπόμενης καμπύλης HRR και η τιμή του δείκτη FIGRA συμβάλουν στην ταξινόμηση. Διαπιστώθηκε ότι ο σχηματισμός της καμπύλης HRR καθ 'όλη τη δοκιμή SBI δεν δίνει ρεαλιστικά αποτελέσματα με αυτό το μοντέλο.σε γενικές γραμμές το ύψος και το σχήμα του πρώτου μέγιστου σημείου του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας προσδιορίζει τον δείκτη FIGRA. O THR 600s χρησιμοποιείται ως ένας άλλος παράγοντας ταξινόμησης ωστόσο στις περισσότερες περιπτώσεις χρησιμοποιείται ο δείκτης FIGRA. Άρα η πρώτη κορυφή της καμπύλης του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας είναι συνήθως επαρκής για την πρόβλεψη της κατάταξη ενός προϊόντος. Σε πολλές περιπτώσεις, το μέτωπο της φλόγας απλώνεται στην επιφάνεια ενός δοκιμίου στη δοκιμή SBI κατακόρυφα και πλευρικά. Το μονοδιάστατο μοντέλο λαμβάνει υπόψη μόνο την κάθετη κατεύθυνση, αλλά η επίδραση της πλευρικής εξάπλωσης της φλόγας μπορεί να αντισταθμιστεί από την επιλογή των παραμέτρων εισόδου και από τον τρόπο που χρησιμοποιείται η καμπύλη του HRR από το θερμιδόμετρο κώνου. [62]

79 ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ Εφαρμογή Του Μοντέλου Σε Επιβραδυντικά Φλόγας Που Έχουν Ως Βάση Το Ξύλο Κατά τη διάρκεια ανάπτυξης του μοντέλου πρόβλεψης, επισημάνθηκε ότι η επιλογή των παραμέτρων εισόδου δεν είναι η βέλτιστη για ορισμένες ομάδες υλικών, για παράδειγμα υλικά με επιβραδυντικά φλόγας (FRM) που έχουν ως βάση το ξύλο. Οι ανακρίβειες πρόβλεψης μπορούν να μειωθούν βελτιστοποιώντας τις παραμέτρους εισόδου ξεχωριστά για τις εν λόγω ομάδες προϊόντων. Η μελέτη μοντελοποίησης των προϊόντων ξύλου FR περιλαμβάνει περίπου 20 διαφορετικά προϊόντα: FR υλικά ξύλου ή FR plywood υλικά. Σε αυτό το σύνολο προϊόντων, έχει εντοπιστεί διαφορετική συμπεριφορά του ρυθμού έκλυσης θερμότητας. Τα κύρια μοντέλα απεικονίζονται στο σχήμα 9. (9α) χαμηλός ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας κατά την διάρκεια της δοκιμής χωρίς ανάφλεξη, (9 b ) χαμηλός ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας στην αρχή της δοκιμής, ανάφλεξη μετά από μια μακρά έκθεση σε θερμότητα, (9c ) αργή αύξηση του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας σε σχετικά χαμηλό (ή μέτριο) επίπεδο, (9d ) σε ένα μέτριο επίπεδο ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας μετά την ανάφλεξη, (9e) δύο μέγιστα σημεία του ρυθμού έκλυσης θερμότητας για προϊόντα ξύλου με μη επιβραδυντικά φωτιάς, και (49f ) μια απότομη αύξηση του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας στην αρχή της δοκιμής. Λαμβάνοντας υπόψη το μονοδιάστατο μοντέλο εξάπλωσης της θερμική φλόγας που παρουσιάστηκε παραπάνω, οι περιπτώσεις που φαίνονται στα Σχ. 9α, 9b, και ίσως 9c, μπορούν να συμπεριληφθούν στο μοντέλο πρόβλεψης ως ειδικές περιπτώσεις. Εάν ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας του προϊόντος δεν φθάνει τα 50 kw /m 2 (κριτήριο ανάφλεξης) στα 570 δευτερόλεπτα από την έναρξη της έκθεσης θερμότητας, η προβλεπόμενη τάξη είναι B. Για προϊόντας όπως φαίνονται στο σχήμα 9c, 9d, 9e και 9f έχει γίνει βελτιστοποίηση των παραμέτρων εισόδου. Η καλύτερη πρόβλεψη του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας πραγματοποιήθηκε για w=0.20 m, πλάτος πυρόλυσης. Οι άλλες παράμετροι εισόδου είναι ίδιες με το μοντέλο πρόβλεψης. Επιπλέον, ο χρόνος ανάφλεξης, και οι τιμές του HRR που προέκυψαν από το θερμιδόμετρο κώνου για ροή θερμότητας 50 kw/m 2 είχαν κλιμακωθεί σε χαμηλότερα επίπεδα παρότι περιέγραφαν οι συνθήκες για τις δοκιμές στο SBI. [63]

80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Σχήμα 15: Διαφορετική συμπεριφορά του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας σε υλικά με μη επιβραδυντικά φλόγας που έχουν ως βάση το ξύλο [64]

81 ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ 6.3 Μοντέλο Που Βασίζεται Στα Ποσοστά Απελευθέρωσης Θερμότητας Και Στους Δείκτες Ευφλεκτότητας Στη μέθοδο αυτή [17,36], ο FIGRA υπολογίζεται με βάση τους δείκτες ευφλεκτότητας και του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας που προκύπτουν από το θερμιδόμετρο κώνου για ροή θερμότητας 50 kw/m 2. Επομένως το μοντέλο αυτό δεν στηρίζεται στην διάδοση της φλόγας : δείκτης ανάφλεξης = (73) δείκτης θερμότητας dt (74) όπου ο εκθέτης m είναι μία σταθερά και εκφράζει τον κίνδυνο ανάπτυξης φωτιάς Αρχικά οι δείκτες αναπτύχθηκαν για προβλέψεις στην δοκιμή room corner. Ωστόσο επειδή τα πρώτα στάδια ανάπτυξης φωτιάς είναι παρομοία οι δείκτες αυτοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για προβλέψεις στο SBI. Λόγω των διαφορετικών παραμέτρων που πρέπει να προσδιοριστούν, η τιμή του HRR είναι διαφορετική. Προκείμενου να προσδιοριστεί ο δείκτης στο SBI πάνω από 200 αρχεία στο θερμιδόμετρο κώνου χρησιμοποιήθηκαν και η μορφή της καμπύλης του HRR που προέκυψε είναι η παρακάτω : exp (75) όπου q max είναι η μέγιστη τιμή του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας που συμβαίνουν στο χρόνο t max,. Αυτή η λειτουργική μορφή επιλέχθηκε επειδή ένα ευρύ φάσμα προϊόντων παρουσίασε αυτή την καμπύλη στο αρχικό μέρος της δοκιμής στο θερμιδόμετρο κώνου. Παρομοίως με το μονοδιάστατο μοντέλο θερμικής εξάπλωσης φλόγας, t ig προσδιορίζεται ως τη στιγμή που ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας φτάνει τα 50 kw/m 2. Για δομικά προιόντα που μελετήθηκαν στο θερμιδόμετρο κώνου για ροή 50 kw/m 2 τα εύρη των παραμέτρων είναι kw/m 2 για q max, 5-60 sec για t max, και 5-60 για t ig. O FIGRA με βάση τους δύο δείκτες υπολογίζεται ως εξής : όπου το I Q υπολογίστηκε για m=0.89 (76) [65]

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Υπολογιστικό Μοντέλο Πρόβλεψης Καπνού Στο Ευρωπαϊκό σύστημα μελέτης και ταξινόμησης των υλικών, με βάση την αντίδραση τους στη φωτιά, τα προϊόντα κατηγοριοποιούνται σε 3 υποκατηγορίες ανάλογα με την παραγωγή καπνού στις δοκιμές SBI [20.21]. Τα κριτήρια για την ταξινόμηση S 1, S 2 και S 3 στηρίζονται στον δείκτη SMOGRA και στο TSP 600s όπως παρουσιάζεται στον πίνακα 9. Πίνακας 9: Ταξινόμηση με βάση των δείκτη SMOGRA και TSP600s Κλάσεις καπνού SMOGRA (m 2 /s 2 ) TSP 600sec (m 2 ) S S S Από τον πίνακα 9 παρατηρούμε ότι ο δείκτης SMOGRA και ο TSP 600s μπορούν να χωριστούν σε 3 ομάδες σε αυτό το σύστημα. Στόχος μας είναι να προβλέψουμε το σωστό επίπεδο τόσο για το SMOGRA και το TSP 600s και να προβλέψουμε το τελικό επίπεδο ταξινόμησης του καπνού. Οι προβλέψεις του μοντέλου στηρίζονται σε διάφορα ερευνητικά προγράμματα. Σε αυτή τη μελέτη, περιλαμβάνονται 3 επιπλέον προϊόντα: a) το PIR με επένδυση αλουμινίου (μονωτικό υλικό) b) το PIR με επένδυση ίνες γυαλιού (μονωτικό υλικό 2) c) polysterene (μονωτικό υλικό 3) 35 προϊόντα χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη των μοντέλων πρόβλεψης του καπνού στη μέθοδο SBI και έχουν αναλυθεί 116 πειράματα στο θερμιδόμετρο κώνου. Πρέπει να αναφερθεί, ότι το σύστημα μέτρησης της αιθάλης στο SBI τροποποιήθηκε εφόσον πραγματοποιήθηκε ένας κύκλος πειραμάτων. Αυτό έγινε προκειμένου να αποφευχθούν προβλήματα με την επικάθηση αιθάλης στο κάτοπτρο. Η βελτίωση του συστήματος μέτρησης του καπνού μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή της ταξινόμησης των υλικών με βάση τον καπνό. Θεωρείται ωστόσο ότι οι αλλαγές στη συσκευή SBI έχουν αμελητέα επίδραση στο μοντέλο πρόβλεψης του καπνού. Η ταξινόμηση του καπνού για όλα τα προϊόντα που δοκιμάστηκαν στο SBI καθορίζονται από την τιμή TSP 600s. Το ίδιο ισχύει για τα 8 από τα 9 προϊόντα τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση. Η μόνη περίπτωση που ο δείκτης SMOGRA επηρέασε την τελική κατάταξη του καπνού ήταν για το μονωτικό υλικό I, όπου η τιμή του προϊόντος SMOGRA υπερέβη το όριο S 2 με λίγες μονάδες, οδηγώντας σε ένα τελικό όριο S 3 για την κατάταξη του καπνού. Το συμπέρασμα αυτό ωστόσο προήλθε από ένα μόνο SBI τεστ. Επειδή όμως το πείραμα αυτό θα επηρέαζε τα τελικά μοντέλα σε ένα πολύ μεγάλο βαθμό, έχουμε επιλέξει να παραληφθεί αυτή η ανάλυση. Βέβαια [66]

83 ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ δεν αποκλείεται το ενδεχόμενο τα συμπεράσματα αυτά να προκύψουν και από άλλες δοκιμές στο SBI. 5 μεταβλητές χρησιμοποιούνται για την διάκριση των 3 επιπέδων του δείκτη SMOGRA και τις τρεις κατατάξεις του καπνού. Οι παράμετροι είναι : = (77) Προβλέποντας Το Επίπεδο Του SMOGRA Οι τρεις εξισώσεις κατάταξης είναι οι παρακάτω: F SMOGRA F SMOGRA F SMOGRA (78) Όλες οι λειτουργίες υπολογίζονται για την περίπτωση που πρέπει να προβλεφθούν. Το επίπεδο SMOGRA που προβλέπεται ορίζεται ως το επίπεδο με την μέγιστη τιμή. π.χ. Αν στο F SMOGRA3 προκύψει μια υψηλότερη τιμή από το F SMOGRA1 και F SMOGRA2 τότε αναμένεται να αποκτήσουν ένα επίπεδο SMOGRA s3 στην δοκιμή SBI. Το σχήμα 16 δείχνει την διάκριση των 3 επιπέδων του δείκτη SMOGRA με βάση τo μοντέλο που περιγράφηκε στην εξίσωση (36). [67]

84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Σχήμα 16 : Διάκριση των τριών επιπέδων του δείκτη SMOGRA για 89 υλικά που μελετήθηκαν στο SBI Στο σχήμα 17, παρουσιάζονται σε πίνακες η πρόβλεψη για τα διαφορετικά επίπεδα του δείκτη SMOGRA στο σύνολο των πειραμάτων και η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων σε σχέση με το προβλεπόμενο. Σχήμα 17:Πρόβλεψη για 89 υλικά με βάση το δείκτη SMOGRA και η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων Τα αποτελέσματα των σχημάτων 16 και 17 δείχνουν ότι τα υλικά που ανήκουν στα επίπεδα 1 και 2 του δείκτη SMOGRA μπορούν να διαχωριστούν αρκετά καλά βασιζόμενα σε συνδυασμούς αυτών των παραμέτρων σε αντίθεση με τα υλικά που ανήκουν στο επίπεδο 3. [68]

85 ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ Πρόβλεψη Της Ταξινόμησης Του Καπνού S1, S2 και S3 Οι τρεις εξισώσεις ταξινόμησης εκφράζονται ως εξής: F S F S F S (79) Όλες οι λειτουργίες υπολογίζονται για την περίπτωση που χρειάζεται να προβλεφθούν. Το προβλεπόμενο αποτέλεσμα καθορίζεται από την τάξη, η οποία δίνει το υψηλότερο αποτέλεσμα. Αν για παράδειγμα, η F s3 δίνει υψηλότερο αποτέλεσμα από F s1 και F s2,το πείραμα προβλέπεται να έχει κατάταξη καπνού s3 στη μέθοδο SBI. Σχήμα 18 : Διάκριση των τριών επιπέδων του καπνού για 89 υλικά που μελετήθηκαν στο SBI Στο σχήμα 19, παρουσιάζονται σε πίνακες η πρόβλεψη για τα διαφορετικά επίπεδα του καπνού s1, s2 και s3 στο σύνολο των πειραμάτων και η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων σε σχέση με το προβλεπόμενο. [69]

86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Σχήμα 19:Πρόβλεψη για 89 υλικά με βάση τον καπνό και η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων [70]

87 Κεφάλαιο 7 Αφρώδες Πολυαιθυλένιο Το υλικό που μελετήσαμε με την πειραματική διάταξη του θερμιδόμετρου κώνου είναι το αφρώδες πολυαιθυλένιο (εικόνα 18), το οποίο ανήκει στην κατηγορία των θερμοπλαστικών πολυμερών και εμφανίζεται με τη μορφή ρολών και φύλλων. Αποτελείται από πολυάριθμες μικροσκοπικές φυσαλίδες που συνήθως αναφέρονται ως κλειστές κυψελίδες. Ο αφρός λειτουργεί ως θερμομονωτικό υλικό και ως φράγμα για την μεταφορά οξυγόνου και των προϊόντων πυρόλυσης.. Εικόνα 18: Αφρώδες Πολυαιθυλένιο 7.1 Ιστορική Αναδρομή Η ιστορία του πολυαιθυλενίου τοποθετείται γύρω στο Η πρώτη βιομηχανική πρακτική σύνθεση του έγινε στο ICI (Imperial Chemical Industries) στην Αγγλία. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε από τους χημικούς Eric Fawcett και Reginald Gibson [55], οι οποίοι μελέτησαν 50 διαφορετικές αντιδράσεις.όλες οι αντιδράσεις απέτυχαν εκτός από μία που οδήγησε στην ανακάλυψη του πολυαιθυλενίου, η οποία περιείχε αιθυλένιο και βενζαλδεύδη. Αρχικά αυτοί οι δύο χημικοί θεώρησαν ότι η αντίδραση δεν είχε πραγματοποιηθεί, διαψεύστηκαν όμως από την παρουσία μιας στερεής ουσίας (λευκή, κέρινη) στα τοιχώματα του δοχείου. Τρία χρόνια αργότερα, το 1935, ένας άλλος χημικός του ICI, ο Michael Perrin [22], ξεκίνησε πάλι το πείραμα από την αρχή με τη διαφορά όμως ότι δεν χρησιμοποίησε βενζαλδεύδη. Το πείραμα απέτυχε γιατί φαινόμενα διαρροής παρουσιάστηκαν στο δοχείο αντίδρασης, παρόλο αυτά όμως παρήχθη μικρές ποσότητες πολυαιθυλενίου. [71]

88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πολλά αποτυχημένα πειράματα μεταβάλλοντας την αρχική αντίδραση. Ωστόσο μέσω αυτών κατέληξαν ότι η ύπαρξη οξυγόνου είναι απαραίτητη. Το πολυαιθυλένιο προσπάθησαν, αρχικά, να το χρησιμοποιήσουν στα υποβρύχια τηλεπικοινωνιακά καλώδια, χωρίς όμως επιτυχία. Ωστόσο μέσα από την αποτυχία αυτή αποδείχθηκε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μονωτικό στα καλώδια των radar. Κατά τη διάρκεια του 2ου παγκοσμίου πολέμου, 1944, η Bakeline Corporation του Texas και η Du Pont [32] της δυτικής Βιρτζίνια ξεκίνησαν μια μεγάλη εμπορική παραγωγή πολυαιθυλενίου. Αρχικά το πολυαιθυλένιο που παρήχθη είχε χαμηλό σημείο τήξης και ήταν αρκετά μαλακό. Επομένως, οι δυνατότητες του ήταν περιορισμένες, π.χ. το υλικό αυτό δεν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε καυτό νερό γιατί καταστρεφόταν. Το 1951 όμως με την ανακάλυψη του καταλύτη από τον Phillips Petroleum [22] βελτιώθηκε η παραγωγή του, (ανακάλυψη ορόσημο). Το ο Karls Ziegler [55] δημιούργησε ένα καταλυτικό σύστημα στηριζόμενο σε οργανοαργυλικές ενώσεις, το οποίο λειτούργησε σε πιο ήπιες συνθήκες συγκριτικά με τον καταλύτη του Phillips. Ωστόσο και οι δυο θεωρούνται αξιοποιήσιμες και χρησιμοποιούνται ευρέως ακόμα και σήμερα στον τομέα της βιομηχανίας. Από αυτή τη χρονική στιγμή και έπειτα οι βιομηχανίες ξεκίνησαν μονάδες παραγωγής πολυαιθυλενίου. Αρχικά παρουσιάστηκαν αρκετά ελαττώματα στο υλικό, για παράδειγμα όταν το υλικό ερχόταν σε επαφή με το θερμό αέρα για μεγάλο χρονικό διάστημα ράγιζε ή καταστρεφόταν. Τα προβλήματα αυτά αντιμετωπίστηκαν προσθέτοντας άλλα αέρια στο αιθυλένιο. Το 1958 οι Wham Ο Toy Company [32], χρησιμοποίησε το πολυαιθυλένιο για την παρασκευή ενός παιχνιδιού γνωστό ως hula hoop (κυκλικός σωλήνας). Από το 1960 μέχρι και σήμερα οι εταιρείες παράγουν μεγάλο πλήθος πολυαιθυλενίου σε περισσότερους τύπους και ποικιλίες με αποτέλεσμα το υλικό να γίνεται ολοένα και καλύτερο. 7.2 Παραγωγή Το πολυαιθυλένιο παράγεται με πολυμερισμό του αιθυλενίου. Αποτελείται από τεράστιες αλυσίδες αιθυλενίου και έχει μοριακό βάρος εκατομμυρίων. Οι αλυσίδες αυτές μένουν ενωμένες λόγω των δυνάμεων Van der Waals, δηλαδή το υλικό μπορεί να σπάσει από ανθρώπινα χέρια. Πολυαιθυλένιο με διαφορετικές πυκνότητες ή ιδιότητες υλικών δημιουργείται με τη χρήση διαφορετικών καταλυτών κατά την διάρκεια της διεργασίας πολυμερισμού. Για παράδειγμα, HDPE (πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας) παράγεται με χρώμιο καταλύτη, ο οποίος προκαλεί λιγότερη επέκταση των μοριακών αλυσίδων και ως εκ τούτου μεγαλύτερη πυκνότητα. 7.3 Ταξινόμηση Το πολυαιθυλένιο με βάση κυρίως την πυκνότητα ταξινομείται σε διάφορες κατηγορίες. [72]

89 ΑΦΡΩΔΕΣ ΠΟΛΥΑΙΘΥΛΕΝΙΟ Πολυαιθυλένιο πολύ χαμηλής πυκνότητας (VLDPE) Χλωριωμένο πολυαιθυλένιο (CPE) Πολυαιθυλένιο μεσαίας πυκνότητας (MDPE) Υπερχαμηλής σχετικής μοριακής μάζας πολυαιθυλένιο (ULMWPE ή PE-WAX) Υψηλής σχετικής μοριακής μάζας πολυαιθυλένιο (HMWPE) Υπερυψηλής σχετικής μοριακής μάζας πολυαιθυλένιο (UHMWPE) Πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE) Διασταυρωμένο πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDXLPE) Διασταυρωμένο πολυαιθυλένιο (PEX or XLPE) Γραμμικό πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LLDPE) Πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LDPE) Τα πιο σημαντικά είδη πολυαιθυλενίου είναι το πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE) και το πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LDPE) Πολυαιθυλένιο πολύ υψηλής σχετικής μοριακής μάζας (UHMWPE) Το πολυαιθυλένιο πολύ υψηλής σχετικής μοριακής μάζας έχει σχετική μοριακή μάζα μεταξύ 3,1 και 5,67 εκατομμύρια με αποτέλεσμα το υλικό να είναι σκληρό. Παρασκευάζεται με οποιαδήποτε καταλυτική τεχνολογία, αν και οι καταλύτες Ziegler είναι οι πιο συνηθισμένοι. Το UHMWPE χρησιμοποιείται σε διαφορετικές περιοχές εφαρμογών λόγω της εξαιρετικής του σκληρότητας και κοπής καθώς και της εξαιρετικής χημικής αντίστασης του στη φθορά,. Για παράδειγμα, σε μηχανές υφασμάτων, σε παγοδρόμια και επιφάνειες κοπής κρεοπωλών,σε χειρισμό τμημάτων μηχανής δοχείων και φιαλών, σε τριβεία, σε γρανάζια, σε τεχνητούς συνδέσμους, στην κατασκευή των τμημάτων αρθρώσεων των εμφυτευμάτων,σε αλεξίσφαιρα γιλέκα κ.τ.λ Πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE) Το πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας έχει πυκνότητα μεγαλύτερη ή ίση από 0,941 g/cm 3, έχει χαμηλό βαθμό διακλαδώσεων με αποτέλεσμα χαμηλές διαμοριακές δυνάμεις και αντοχή στον εφελκυσμό. Το HDPE παρασκευάζεται με καταλύτες Ziegler-Natta, με καταλύτες χρωμίου/ διοξειδίου του πυριτίου και μεταλλοκενικούς καταλύτες. Για την αποφυγή διακλαδώσεων επιλέγεται ο κατάλληλος καταλύτης π.χ. καταλύτες χρωμίου ή καταλύτες Ziegler-Natta και οι κατάλληλες συνθήκες αντίδρασης. Το HDPE χρησιμοποιείται κυρίως σε προϊόντα και συσκευασίες όπως συσκευασίες απορριμμάτων,συσκευασίες γάλακτος, σωλήνες νερού,φιάλες απορρυπαντικών, πακέτα βουτύρου. Επιπλέον το HDPE χρησιμοποιείται στην κατασκευή παιχνιδιών ( το ένα τρίτο όλων των παιχνιδιών είναι κατασκευασμένα από HDPE) Διασταυρωμένο πολυαιθυλένιο (PEX ή XLPE) [73]

90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Το διασταυρωμένο πολυαιθυλένιο είναι ένα πολυαιθυλένιο που περιέχει διασταυρωμένους δεσμούς που επιτρέπουν τη μετατροπή του πολυμερούς από θερμοπλαστικό σε θερμοσκληρυνόμενο προκαλώντας μείωση της ροής, της χημικής αντίστασης και βελτίωση των ιδιοτήτων του σε υψηλές θερμοκρασίες. Έχει μεσαία έως υψηλή πυκνότητα.. Χρησιμοποιείται κυρίως σε υδραυλικά συστήματα πόσιμου νερού Πολυαιθυλένιο μέσης πυκνότητας (MDPE) Το πολυαιθυλένιο μέσης πυκνότητας έχει πυκνότητα 0,926 0,940 g/cm 3. Παρασκευάζεται με καταλύτες Ziegler-Natta, με καταλύτες χρωμίου/διοξειδίου του πυριτίου και μεταλλοκενικούς καταλύτες. Το MDPE έχει καλές ιδιότητες αντίστασης στην πτώση και στην κρούση. Συγκριτικά με το HDPE η αντίσταση ρωγμάτωσης από τάση είναι καλύτερη και είναι λιγότερο ευαίσθητο στις τομές. Το. MDPE χρησιμοποιείται συνήθως σε μεμβράνες συσκευασίας, σε σακούλες μεταφοράς, σε βιδωτά πώματα, σε αέριους σωλήνες και συνδέσμους, σε σάκους, σε συρρικνούμενες μεμβράνες, κ.τ.λ Γραμμικό πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LLDPE) Το γραμμικό πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας έχει πυκνότητα 0,915 0,925 g/cm 3. Ουσιαστικά πρόκειται για ένα γραμμικό πολυμερές με σημαντικό αριθμό μικρών διακλαδώσεων, που προκύπτουν με συμπολυμερισμό του αιθυλενίου με μικρές αλυσίδες άλφα-αλκενίων. Συγκριτικά με το LDPE παρουσιάζει μεγαλύτερη αντοχή θραύσης,μεγαλύτερη αντοχή στον εφελκυσμό και μεγαλύτερη αντίσταση διάτρησης. Μεμβράνες με μικρότερο πάχος μπορεί να φουσκωθούν και αν συγκριθούν με το LDPE διαπιστώνεται ότι δεν επεξεργάζονται εύκολα αλλά παρουσιάζουν καλύτερη περιβαλλοντική αντίσταση στις ρωγμές από τάση. Το LLDPE χρησιμοποιείται στη συσκευασία, σε ειδικές μεμβράνες για σακούλες και φύλλα, στην κάλυψη πυκνωτών και σωλήνων. παιχνιδιών,καλωδίων, καπακιών, κάδων Πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LDPE) Το πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας έχει πυκνότητα 0,910 0,940 g/cm 3. Αποτελείται από πολλές μικρές και μεγάλες αλυσίδες διακλαδώσεων, επομένως οι αλυσίδες δεν συσκευάζονται στην κρυσταλλική δομή, με αποτέλεσμα την δημιουργία λιγότερο ισχυρών διαμοριακών δυνάμεων. Αυτό προκαλεί αυξημένη ολκιμότητα και χαμηλή αντοχή στον εφελκυσμό Το LDPE δημιουργείται από πολυμερισμό ελευθέρων ριζών. Το LDPE χρησιμοποιείται για εφαρμογές πλαστικής μεμβράνης π.χ. στις πλαστικές σακούλες και στην αναδίπλωση μεμβράνης συσκευασίας. Το 2009 το παγκόσμιο εμπόριο του LDPE ήταν 22,2 δισεκατομμυρίων US$ (15,9 δισεκατομμύρια ) Πολυαιθυλένιο πολύ χαμηλής πυκνότητας (VLDPE) Το πολυαιθυλένιο πολύ χαμηλής πυκνότητας έχει πυκνότητα 0,880 0,915 g/cm 3.Πρόκειται ουσιαστικά για ένα γραμμικό πολυμερές με υψηλά επίπεδα διακλαδώσεων μικρών αλυσίδων, που παρασκευάζονται συνήθως από συμπολυμερισμό του αιθυλενίου με μικρές αλυσίδες από α-αλκένια. Το VLDPE [74]

91 ΑΦΡΩΔΕΣ ΠΟΛΥΑΙΘΥΛΕΝΙΟ παράγεται συνήθως με μεταλλοκενικούς καταλύτες. Τα VLDPE χρησιμοποιούνται για σακούλες πάγου και παγωμένων τροφίμων,για σωλήνες,, για συσκευασία τροφίμων και ως τροποποιητές κατά την ανάμειξή του με άλλα πολυμερή. 7.4 Χρήση Το υλικό αυτό χρησιμοποιείται ευρέως στην καθημερινότητα μας. Κάθε χρόνο παράγονται περίπου 80 εκατομμύρια τόνοι αφρώδες πολυαιθυλένιο. Ορισμένα παραδείγματα χρήσης του είναι: για μόνωση, για μεταφορά συσκευασία και αποθήκευση αντικειμένων, ως υπόστρωμα για διάφορες εργασίες συντήρησης, ως υλικό προστασίας σε αντιστηρίξεις ευαίσθητων διεργασιών (τοιχογραφίες, λίθινα ανάγλυφα), σε σωλήνες, σε συσκευές καθημερινής χρήσης, σε παιχνίδια, σε κτήρια, σε δάπεδα και σε νάρθηκες. 7.5 Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα Το αφρώδες πολυαιθυλένιο χρησιμοποιείται σε διαφορετικές περιοχές εφαρμογών λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει. Γενικά είναι ελαστικό, έχει χαμηλό βάρος, είναι εύκαμπτο, συμπιεστό, ανθεκτικό στο κρύο, στην βροχή, σε ασφαλτικά υλικά, έχει μικρό κόστος γιατί χρησιμοποιείται σε μικρές ποσότητες, έχει εξαιρετικές θερμομονωτικές ιδιότητες, επεξεργάζεται και κατασκευάζεται εύκολα, δεν οξειδώνεται, δεν προσβάλλεται από βακτήρια και μύκητες, έχει εξαιρετική απόσβεση κραδασμών και εμφανίζεται σε μεγάλη ποικιλία μορφών και μεγεθών. Ωστόσο, το υλικό αυτό παρουσιάζει και αρκετά μειονεκτήματα: είναι εύφλεκτο, εμφανίζει ρωγμές, παραμορφώνεται (π.χ. εάν αποθηκευτεί σε εξωτερικό περιβάλλον και εκτεθεί στο φως του ήλιου), παρουσιάζει υψηλή θερμική διαστολή, είναι μη ανθεκτικό σε διαλύτες όπως η βενζίνη, πίσσα ή αέρια όπως το μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο και βουτάνιο και παρουσιάζει μερική ανθεκτικότητα σε ουσίες όπως τα φυτικά έλαια, τη παραφίνη, τη φαινόλη και τα λίπη. [75]

92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Επιβραδυντές Φλόγας Τα υλικά από αφρώδες πολυαιθυλένιο που εξετάστηκαν στην παρούσα διπλωματική διαφέρουν ως προς την σύνθεσή τους. Με σκοπό την βελτίωση των αρχικών ιδιοτήτων των υλικών χρησιμοποιήθηκαν πρόσθετα, συγκεκριμένα βρωμιούχα επιβραδυντικά φλόγας. Με τον όρο επιβραδυντικό φλόγας χαρακτηρίζεται κάθε πρόσθετο, το οποίο καθυστερεί την έναρξη ή την διάδοση της φωτιάς, μειώνει την θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της καύσης και τα τοξικά αέρια που παράγονται. Αυτά επιτυγχάνονται ως εξής: Επιβράδυνση της ανάφλεξης αλλάζοντας τις θερμικές ιδιότητες του υλικού. Μείωση της καύσης, παρεμποδίζοντας την δημιουργία αλυσιδωτών αντιδράσεων. Μείωση της καύσης με την αραίωση των αερίων πυρόλυσης Διάκριση Επιβραδυντών Οι πιο σημαντικές χημικές ενώσεις που χρησιμοποιούνται σήμερα ως επιβραδυντές φλόγας είναι: Φωσφορικές ενώσεις, οι οποίες αποτελούν το 20% της παγκόσμιας αγοράς επιβραδυντών. Οργανικές ενώσεις αλογόνων, κυρίως ενώσεις βρωμίου και χλωρίου. Παλαιότερα αποτελούσαν το 50% της παγκόσμιας αγοράς επιβραδυντών αλλά πλέον αντικαθίστανται λόγω της τοξικότητας που παρουσιάζουν. Μεταλλικές ενώσεις, οι οποίες αποτελούν του 20% της παγκόσμιας αγοράς επιβραδυντών. Σχήμα 20: Κατηγορίες Επιβραδυντών Φλόγας [76]

93 ΑΦΡΩΔΕΣ ΠΟΛΥΑΙΘΥΛΕΝΙΟ Είδη Επιβραδυντών Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες επιβραδυντών φωτιάς: οι πρόσθετοι και οι αντιδραστικοί. Ως πρόσθετες χαρακτηρίζονται οι ενώσεις, οι οποίες κατά την επεξεργασία αναμειγνύονται με το πολυμερές και αλληλεπιδρούν μόνο φυσικά. Η σύνθεση αυτών των ενώσεων περιλαμβάνει: αντιμόνιο, αργίλιο, βόριο, φώσφορο, χλώριο ή βρώμιο. Οι παραπάνω ενώσεις ελαττώνουν τη δυνατότητα καύσης του υλικού, αλλά επηρεάζουν αρνητικά κάποιες ιδιότητες του, όπως μηχανικές ιδιότητες, σταθερότητα και τοξικότητα. Για παράδειγμα επιβραδυντές βασισμένοι στα άλατα παρουσιάζουν ευαισθησία στο νερό με αποτέλεσμα την καταστροφή των ενώσεων των μετάλλων και των δομικών στοιχείων. Αντίθετα οι επιβραδυντές που βασίζονται στις ενώσεις βορίου δρουν σαν ανασταλτικοί παράγοντες της φωτιάς και του σχηματισμού του καπνού. Ως αντιδραστικές χαρακτηρίζονται οι ενώσεις που αλληλεπιδρούν χημικά με την κυτταρίνη, την ημικυτταρίνη ή τη λιγνίνη. Παραδείγματα αντιδραστικών επιβραδυντών είναι χλωρικοί ανυδρίτες, τετραβρωμοφθαλικός ανυδρίτης και πολυυδρικά παράγωγα αλκοολών. Οι περισσότεροι από αυτούς βασίζονται σε ενώσεις ριζών βρωμίου, χλωρίου και φθορίου. Είναι γνωστό πως τα αλογόνα αποτελούν ανασταλτικό παράγοντα στο σχηματισμό των ελεύθερων ριζών. Όμως για περιβαλλοντικούς λόγους η χρήση επιβραδυντών που περιέχουν αλογόνα, χλωριούχες παραφίνες και ουσίες με οξείδιο του αντιμονίου, είναι αμφισβητήσιμη Επιλογή Επιβραδυντών Τα χαρακτηριστικά ενός ιδανικού επιβραδυντή: να μην επηρεάζει τις μηχανικές ιδιότητες και την αισθητική του υλικού, να είναι χημικά σταθερός σε συνήθεις συνθήκες, να έχει μεγάλη απόδοση και μικρό κόστος, να μην εκλύονται τοξικές και διαβρωτικές ουσίες κατά την χρήση του και να έχει εύκολη εφαρμογή. Στην αγορά είναι διαθέσιμοι πολλοί επιβραδυντές φλόγας. Η επιλογή του κατάλληλου επιβραδυντή πρέπει να γίνεται με βάση τα παραπάνω χαρακτηριστικά και φυσικά να είναι φιλικός προς το περιβάλλον. [77]

94 Κεφάλαιο 8 Επεξεργασία Και Μελέτη Αποτελεσμάτων 8.1 Περιγραφή Δειγμάτων Το αφρώδες πολυαιθυλένιο εξετάστηκε με την πειραματική διάταξη του θερμιδόμετρου κώνου. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκαν πειράματα για 17 υλικά αφρώδους πολυαιθυλενίου. Τα υλικά αυτά διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το πάχος και ως προς την σύνθεση (βρωμιούχα επιβραδυντικά φλόγας). Στον πίνακα 10 παρουσιάζονται για όλα τα δείγματα που εξετάστηκαν τα χαρακτηριστικά τους (σύνθεση, πάχος και κωδικοποίηση από το εργαστήριο). Τα υλικά αυτά χωρίστηκαν σε δύο κατηγορίες με βάση το πάχος τους: παχιά υλικά (19mm, 25mm) και λεπτά υλικά (9mm, 10mm). Η κατηγοριοποίηση αυτή έγινε με σκοπό να μελετηθεί η επίδραση του πάχους και της σύνθεσης στην καύση του υλικού και τα αποτελέσματα να συγκριθούν με πρότυπες μετρήσεις, που πραγματοποιήθηκαν στο μεμονωμένο καιγόμενο αντικείμενο (SBI) για λεπτά και παχιά υλικά αντίστοιχα. [78]

95 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Πίνακας 10 :Χαρακτηριστικά Υλικών Κωδικός Υλικού Εργαστηρίου Πάχος Υλικού Περιγραφή Υλικού Τ mm 1 στρώματος, συνταγή υψηλής ακαυστότητας Μ1 Τ01402 Τ01403 Τ01404 Τ01405 Τ01406 Τ01407 Τ01408 Τ mm 25 mm 25 mm 25 mm 19 mm 19 mm 19mm 19 mm 3 στρωμάτων, συνταγή υψηλής ακαυστότητας Μ1 3 στρωμάτων (6+6+13), συνταγή υψηλής ακαυστότητας M1, άχρωμο, φιλμ 30μm, εσωτ. Πυραμίδα 2 στρωμάτων (13+12 mm), συνταγή υψηλής ακαυστότητας M1, άχρωμο, φιλμ 30μm, εσωτ. Πυραμίδα 2 στρωμάτων (19+6 mm).συνταγή υψηλής ακαυστότητας M1,άχρωμο, φιλμ 30μm, εσωτ. Πυραμίδα 1 στρώματος, συνταγή υψηλής ακαυστότητας Μ1 (21%), άχρωμο, φιλμ 30μm, εσωτ. Πυραμίδα 1 στρώματος, τροποποιημένη συνταγή ακαυστότητας 13%, άχρωμο, φιλμ 30μm, εσωτ. Πυραμίδα 1 στρώματος, τροποποιημένη συνταγή ακαυστότητας 10%, άχρωμο, φιλμ 30μm, εσωτ. Πυραμίδα 1 στρώματος, συνταγή υψηλής ακαυστότητας Χ, χωρίς εξωτερικό φιλμ Τ mm 1 στρώματος, συνταγή υψηλής ακαυστότητας Χ, με εξωτερικό φιλμ 80μm [79]

96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Τ mm 1 στρώματος, τροποποιημένη συνταγή ακαυστότητας 17%, άχρωμο, φιλμ 30μm, εσωτ. πυραμίδα Τ mm 1 στρώματος, λευκό, συνταγή 20% 5453, δίχως φιλμ T mm 1 στρώματος, λευκό, συνταγή 22% 5453, δίχως φιλμ Τ mm 1 στρώματος, λευκό, συνταγή 18% % 0626, δίχως φιλμ Τ mm 1 στρώματος, λευκό, συνταγή 18% % 0626, δίχως φιλμ Τ mm 1 στρώματος, 21% MP.4407, άχρωμο, φιλμ 30μm, εσωτ. πυραμίδα Τ mm 1 στρώματος, 21% MP.4407, άχρωμο, φιλμ 30μm, εσωτ. πυραμίδα Στην συνέχεια παρουσιάζονται χαρακτηριστικές φωτογραφίες υλικών μετά την καύση. [80]

97 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Εικόνα 19: Χαρακτηριστικές φωτογραφίες του υπολείμματος καύσης 8.2 Προετοιμασία Δειγμάτων - Πειραματική διαδικασία Πριν από κάθε πειραματική διαδικασία τα υλικά τοποθετούνται σε έναν θάλαμο με προκαθορισμένες συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας.συγκεκριμένα 50 % υγρασία και 23 ο C. Τα κομμάτια κόβονται 100x100 (mm) και μετριούνται οι διαστάσεις τους (μήκος και πλάτος). Για τουλάχιστον 10 ημέρες, γίνεται καθημερινή καταγραφή της μάζας των υλικών μέχρι να διαπιστωθεί αμελητέα μεταβολή του βάρους μεταξύ δύο συνεχόμενων μετρήσεων (< 0,1 gr). Για την πραγματοποίηση των δοκιμών, τα υλικά τοποθετούνται σε βάσεις (εικ.15) μαζί με αλουμινόχαρτο πάχους 0,08 mm.η βάση τοποθέτησης αποτελείται από 4 στρώματα πάχους 3mm το καθένα μονωτικού υλικού cotronic ceramic paper, το οποίο χρησιμοποιείται για να μηδενίζονται οι θερμικές απώλειες. Επιπλέον στο κάτω μέρος της βάσης τοποθετήθηκαν μεταλλικές ακίδες, ώστε να ελαχιστοποιηθεί (όσο είναι δυνατόν) το φαινόμενο της αναδίπλωσης που παρουσιάζει το υλικό κατά την διάρκεια της καύσης. Εικόνα 20: Βάση Στήριξης με μεταλλικές ακίδες Με βάση τα αποτελέσματα των πειραμάτων ο τρόπος καύσης των υλικών, ανεξαρτήτως πάχους και σύνθεσης, πραγματοποιείται σε δύο φάσεις. Στο πρώτο στάδιο καύσης το υλικό αμέσως μετά την ανάφλεξη αναδιπλωνόταν από τα άκρα προς τα μέσα με αποτέλεσμα η επιφάνεια του υλικού να μην εκτίθεται ολόκληρη [81]

98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 στην ακτινοβολία του κώνου. Αυτό έχει σαν συνέπεια το κατευνασμό της φλόγας και σε ορισμένες περιπτώσεις το παροδικό σβήσιμο. Η φάση αυτή χαρακτηρίζεται ως γρήγορη επιφανειακή καύση. Στο δεύτερο στάδιο καύσης το υλικό αναζωπυρώνεται μετά από μερικά δευτερόλεπτα με αποτέλεσμα πιο έντονη φλόγα και την μέγιστη θερμότητα που εκλύεται. Η φάση αυτή χαρακτηρίζεται ως αναζωπύρωση. Η παραπάνω διαδικασία κρίθηκε ως μη αντιπροσωπευτική και ακολουθήθηκαν αρκετές τεχνικές για την αποφυγή του φαινομένου αναδίπλωσης π.χ. συγκράτηση υλικού με μεταλλικό πλέγμα, μεταλλική βάση στήριξης. Με βάση τα αποτελέσματα η καταλληλότερη μέθοδος κρίθηκε αυτή της χρήσης μεταλλικών ακίδων στην βάση στήριξης. Συγκεκριμένα για παχιά υλικά αφρώδους πολυαιθυλενίου που εξετάστηκαν, με την χρήση μεταλλικών ακίδων επετεύχθη ελαχιστοποίηση της αναδίπλωσης και επαναλήψιμη συμπεριφορά. Ενώ για λεπτά υλικά που εξετάστηκαν η αναδίπλωση εξαλείφτηκε, με την χρήση των μεταλλικών ακίδων. Στην συνέχεια παρουσιάζονται φωτογραφίες (εικόνα 21) από την καύση των υλικών χωρίς βάση συγκράτησης με μεταλλικές ακίδες. Οι φωτογραφίες αυτές αφορούν παχύ υλικό. Παρόμοια συμπεριφορά παρουσίαζαν τα λεπτά υλικά. [82]

99 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ (α) Φάση ανάφλεξης (β) Φάση γρήγορης επιφανειακής καύσης -ξεκινά η αναδίπλωση (γ) Έντονη αναδίπλωση με σημαντική μείωση της έντασης της φλόγας (δ) Φάση κατευνασμού με σβήσιμο της φλόγας και αναζωπύρωση με μεγαλύτερο ρυθμό έκλυσης θερμότητας Εικόνα 21: Χαρακτηριστικές φωτογραφίες καύσης του υλικού χωρίς βάση συγκράτησης με ακίδες [83]