عنوان :
احتراق
احتراق
احتراق عبارت است از اکسیداسیون سریع مواد، همراه با آزاد شدن سریع انرژی.
یکی از تعاریف اکسیداسیون عبارت است از ترکیب شیمیایی یک ماده با اکسیژن. تعریف دیگر اکسیداسیون چنین است: واکنش شیمیایی که شامل اکسیژن باشد، به طوریکه یک یا تعداد بیشتری از مواد با اکسیژن ترکیب شوند.
افروزش
برای آغاز این فرآیند به یک منبع تولید گرما، مواد سوختی و هوا نیاز است. مواد از نظر قابلیت شعله وری متفاوت اند و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی در این موضوع موثر است. مثلاً موادی که به شکل ورقه ای هستند، فوم ها و یا یک تکه پارچه خیلی ساده تر از بلوکهای ضخیم مواد جامد آتش می گیرند. طبق تعریف، آغاز فرآیند سوختن را افروزش می نامند. برای پایین آوردن قابلیت افروزش مواد در مقابل منابع کوچک تولید گرما می توان کارهایی انجام داد اما اینها لزوماً بر روی سرعت سوختن این مواد موثر نخواهد بود.
آتش (حریق)
ساده ترین تعریف احتراق، چیزی است که به آن آتش اطلاق می شود و عبارت است از ترکیب شیمیایی سریع مواد با اکسیژن که هم نور و هم گرما تولید می کند. شعله ور شدن (مشتعل شدن) و سوختن همراه با دود (سوختن سطحی) دو نوع احتراق هستند که ممکن است اتفاق بیفتند.
برای انجام شدن عمل احتراق باید یک اکسید کننده موجود باشد. تقریباً همه آتشها با اکسیژن موجود در اتمسفر به عنوان عامل اکسیدکننده انجام می گیرد، اما اکسیدکننده های دیگری نیز موجود است.
بیشتر این اکسیدکننده ها زمانی که در معرض حرارت، فشار یا هر دوی آنها قرار می گیرند اکسیژن آزاد می کنند. علاوه بر آن اکسیدکننده های دیگری نیز وجود دارد مثل هالوژنها (فلوئور، کلر، برم و ید) که احتراق را تقویت می نماید، اما در اینجا فقط احتراق با اکسیژن هوا مورد بحث است.
سوختن و بیشتر انفجارها، نمونه هایی از واکنشهای شیمیایی هستند که از آنها به عنوان آتش (حریق) نام برده می شود و در واقع واکنشهای شیمیایی هستند که شامل اکسیداسیون سریع مواد است. با وجود این، سرعت این واکنشها ممکن است صدها یا هزاران مرتبه سریعتر از یک حریق باشد. به عبارت ساده تر، سوختن واکنش اکسیداسیونی است که به طور قابل توجهی سریعتر از حریق است، اما آهسته تر از انفجار است.
مثلث آتش
این تئوری به صورت یک مثلث ارائه گردیده است. به دلیل اینکه سه جزء (وجه) اصلی در آن وجود دارد و مثلث یک شکل بسته است که نمایانگر یک سیستم بسته می باشد. قسمتی از تئوری تاکید دارد که برای اینکه یک آتش موجود باشد بسته بودن سیستم الزامی است بدین معنی که اگر یکی از سه وجه مثلث در تماس با وجه بعدی نباشد وقوع حریق ممکن نیست. در شکل (1 ـ 1) مثلث آتش نشان داده شده است.
سوخت انرژی
اکسیدکننده
شکل ( 1ـ 1) مثلث آتش
یک روش دیگر برای بیان تئوری مثلث آتش این است که بگوییم این سه فاکتور باید همزمان موجود باشد تا آتش وجود داشته باشد، همچنین شکل و مقدار مناسبی هم داشته باشند.
اگرچه اکسیژن هوا متداولترین اکسیدکننده هاست ولی اکسیژن به فرمهای دیگر نیز وجود دارد به علاوه هالوژنها نیز جزء اکسیدکننده ها محسوب می شوند. به همین ترتیب،
اگر چه گرما متداولترین فرم انرژی به عنوان منبع اشتعال است ولی باید توجه داشت که فرمهای دیگر انرژی (نورانی، شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی و هسته ای) نیز می توانند شروع کننده آتش باشند (در صورت وجود سوخت و اکسیدکننده).
به طور خلاصه، این تئوری می گوید؛ اگر سوخت، اکسیدکننده و انرژی به مقدار مناسب و شکل دلخواه به طور همزمان کنار یکدیگر آورده شوند، حریق (آتش) اتفاق خواهد افتاد. در مورد سوخت باید به این نکته توجه داشت که نه تنها سوخت باید موجود باشد، بلکه باید فرم صحیح و مناسبی نیز داشته باشد. در واقع سوخت باید به صورت بخار یا گازی شکل باشد تا سوختن اتفاق بیفتند و نیز سوخت باید به مقدار کافی در دسترس باشد، که در این صورت به آن سوخت قابل اشتعال می گویند (سوخت باید در محدوده شعله وری قرار داشته باشد).
محدوده شعله وری
محدوده شعله وری عبارت است از درصد سوخت به صورت گاز یا بخار در هوا، که بین بالاترین و پایین ترین حد شعله وری قرار دارد. بالاترین حد شعله وری ماکزیمم درصد سوخت به صورت گاز بخار در داخل هواست که بیشتر از این درصد، احتراق صورت نمی گیرد (در این حالت مخلوط را غنی می گویند). حد پایین شعله وری عبارت است از می نیمم درصد سوخت به صورت گاز یا بخار در هوا، به طوریکه پایین تر از این درصد احتراق صورت نمی گیرد (در این حالت مخلوط را ضعیف می گویند).
درجه حرارت افروزش
انرژی مورد بحث در مثلث آتش به صورت زیر تعریف می شود.
مقدار انرژی لازم برای افزایش درجه حرارت سوخت که به درجه حرارت افروزش (اشتعال) برسد. درجه حرارت افروزش عبارت است از می نمیمم درجه حرارتی که سوخت می تواند داشته باشد قبل از اینکه مشعل شود.
پیشگیری و محافظت در برابر حریق
برای پیشگیری از حریق قبل از هر چیزی باید به این نکته توجه داشت که علت اصلی برای بسیاری از آتش سوزی ها وجود یک منبع کوچک تولید گرماست، بنابراین دور کردن منابع شناخته شده تولید آتش، از مواد قابل احتراق کاری ضروری است. در جاهایی که نمی توان چنین کاری را کرد، مانند افتادن ته سیگار نیم سوخته بر روی اثاث داخل ساختمان، مواد موجود باید سریعاً دچار آتش سوزی نشوند و جنس آنها طوری باشد که حتی در صورت دچار شدن به آن، آتش به سرعت گسترش نیابد.
اگر بتوان جلوی افروزش مواد را گرفت هیچ آتش سوزی اتفاق نمی افتد. پس یکی از اقدامات اساسی محافظت در مقابل آتش همین مساله (افروزش مواد) است.
همچنین باید توجه داشت که کار کردن با مواد غیرقابل سوختن در تمام شرایط
امکان پذیر نیست و در عمل موجب محدودیت هایی می شود. اغلب کافی است که این مواد غیرقابل اشتعال بوده و یا در صورت مشعل شدن، استعداد آنها برای گسترش آتش محدود باشد. با انجام آزمایشهایی مثل سرعت آزاد شدن حرارت و … می توان این موضوع را مورد بررسی قرار داد.
در ضمن دوده و بخارات سمی حاصل از احتراق بااهمیت تر از خود آتش در مساله محافظت در مقابل آتش به حساب می آید. آلودگی اصلی از احتراق عمدتاً ناشی از گاز منواکسیدکربن (CO) است. با وجود این بعضی از مواد پلیمری، مواد سمی چون سیانید هیدروژن (HCN) و اسید کلریدریک (HCL) تولید می نماید. همچنین در حین احتراق، کندسوزکننده ها (مواد افزودنی برای کاهش خطر آتش سوزی) با عناصر پلیمری ترکیب شده و احتمالاً تولید محصولات سعی می نماید. آمار تلفات آتش سوزی ها نشانگر این مطلب است که اکثر تلفات نه بر اثر سوختگی، بلکه ناشی از اثر گازهای سمی و ناتوان کننده حاصل از آتش سوزی بوده است. بنابراین تعیین نوع و مقدار این گازها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. وسایلی از مواد مصنوعی و پلیمری زیادی در آنها وجود دارد از این نظر بسیار بااهمیت است.
مقابله با آتش
معمولی ترین روش خاموش کردن آتش، خارج کردن وجه انرژی از مثلث آتش است. بهترین راه آن این است که گرما (انرژی) را، به وسیله خنک کردن سوخت تا زیر درجه حرارت افروزش با استفاده از آب، از نزدیکی سوخت دور کنیم. راههای دیگری نیز برای خنک کردن آتش وجود دارد. در بعضی از مواقع، آب نمی تواند به عنوان یک عامل خاموش کننده آتش به کار رود، مثل آتش (سیمهای الکتریکی باردار) یا آتشی که شامل موادی باشد که با آب واکنش دهد.
و برای خاموش کردن آتشهایی که شامل پلاستیکها است نیز مورد استفاده قرار می گیرد. در بعضی مواقع، گرمای جذب شده توسط پلاستیکها ممکن است باعث شود آنها به صورت مایع جاری درآیند. در این مواقع استفاده از قطره های ریز آب به صورت اسپری سریعاً مایع را سرد می کند و آن را به حالت جامد اولیه برمی گرداند، همچنین این آب باعث خاموش شدن آتش نیز می شود.
دومین روش خاموش کردن آتشها، براساس ضلع اکسیژن مثلث آتش است. کاربرد کف برای آتشهای مایع، یا استفاده از دی اکسیدکربن برای آتشهای مواد قابل احتراق که از رسیدن اکسیژن اتمسفر به آتش جلوگیری می نماید، معمول است. استفاده از آب برای محصورکردن یک مایع درحال سوختن (مایع سوختنی باید غیرقابل حل در آب و وزن مخصوص بیشتری از آب داشته باشد) نیز می تواند مانع رسیدن اکسیژن به آتش شود. به طور کلی یک مایع یا جامد را می توان به هر طریقی پوشش داد که اکسیژن به آن نرسد. مثلاً انداختن شیء درحال سوختن، در آب و غرق شدن جسم در زیر آب باعث می شود سوخت سریعاً سرد شود و اکسیژن نیز به آن نرسد.
سومین روش خاموش کردن آتش، برمبنای تئوری مثلث آتش، خارج نمودن سوخت است. این کار ممکن است سریع و ساده باشد مثل خارج کردن یک ماده سوختنی از یک خانه. یک مثال پیچیده از دور نمودن سوخت، انتقال دادن مایعی است که درحال سوختن است از یک تانک به تانک دیگر به وسیله لوله ارتباطی، همچنانکه سطح مایع در داخل تانک درحال سوختن کمتر می شود، سوخت کمتری در معرض سوختن خواهد بود تا جائیکه تمام مایع از تانک خارج و از طریق لوله ارتباطی وارد تانک دیگر می شود. در نتیجه این عمل آتش خاموش می شود چون چیزی برای سوختن باقی نمانده است.
پیرولیز
ریشه کلمه پیرولیز از دو کلمه یونانی پیرو به معنای آتش و کلمه لیز به معنای تجزیه کردن گرفته شده است. بنابراین ممکن است پیرولیز به صورت ساده زیر تعریف شود:
تجزیه و شکسته شدن مولکولها بر اثر حرارت
زمانی که یک ماده پیرولیز پیوندهای کووالانسی داخل مولکولها شکسته می شود و معمولاً گرمای زیادی نیز تولید می شود و در حقیقت عامل به وجود آورنده آتش همان شکسته شدن سوخت به مواد ساده تر است. پیرولیز کلاسیک (بهترین فرم پیرولیز) زمانی اتفاق می افتد که به یک ماده جامد مثل چوب و دیگر مواد سلولزی حرارت داده می شود. اغلب این کار در غیاب هوا صورت می گیرد اگرچه در حضور هوا نیز چوب پیرولیز می شود. در نتیجه چنین عملی محصولات پیرولیز شده موادی هستند که در واکنشهای احتراقی سهیم هستند. به عبارت دقیق تر، پیرولیز شکسته شدن پیوندهای کووالانسی ترکیبات بر اثر حرارت است. بنابرانی می توان چنین استنباط کرد که مایعات گازهای قابل اشتعال ترکیباتی هستند که دارای پیوند کووالانسی هستند.
نکته قابل توجه در اینجا این است که مایعات نمی سوزند و زمانی که ترمهایی مثل "قابل اشتعال یا قابل احتراق" همراه مایعات می آید فقط به این منظور مورد استفاده قرار می گیرد که بین دو گروه از مایعات با محدوده نقطه اشتعال متفاوت، فرقی قائل شده باشند. بسیاری از مردم معتقدند که مایعات قابل اشتعال می سوزند، ولی حقیقت این است که فقط بخار این گونه مایعات می سوزد. بنابراین مایع قابل اشتعال یا قابل احتراق مایعی است که بر اثر سوختن بخار تولید نماید.
مایع قابل اشتعال، مایعی است که نقطه اشتعال آن کمتر از 100 درجه فارنهایت و مایع قابل احتراق، مایعی است که نقطه اشتعال آن در حدود 100 درجه فارنهایت و یا بالاتر باشد. نقطه اشتعال به صورت زیر تعریف می شود:
می نیمم درجه حرارتی که در آن مایع، بخار کافی تولید نماید که بتواند یک مخلوط قابل افروزش در نزدیکی سطح مایع یا ظرف به وجود آورد.
مایعات در پایین تر از نقطه جوش خود با سرعت معینی تبخیر می شوند و سرعت تبخیر آنها در نقطه جوش به ماکزیمم مقدار خود می رسد. بخار تولید شده با هوا ترکیب و آماده سوختن می شود، اما اگر تئوری چهار وجهی آتش صحیح باشد باید یک مرحله دیگر (تشکیل رادیکالهای آزاد) نیز اتفاق بیفتد. منبع افروزش باعث شکسته شدن مولکولها و تبدیل آنها به مواد ساده تر (رادیکالهای آزاد) می شود و زمانی که سوخت با درصد مناسب (در محدوده شعله وری) با هوا مخلوط می شود باید دمای مخلوط تا دمای افروزش سوخت افزایش یابد و در این مرحله است که حریق شروع می شود.
کندسوزکننده ها
کندسوزکننده ها ترکیباتی شیمیایی یا مخلوطی از ترکیبات شیمیایی است که به رزین پلاستیکها، ترکیبات و مخلوطها اضافه می شود تا قابلیت احتراق (آسانی افروزش و سرعت سوختن) مواد را کاهش دهد یا به عبارت دیگر خصوصیات احتراقی را اصلاح نماید. در واقع از آنها به عنوان موادی نام برده می شود که وقتی به ماده دیگری افزوده می شوند گسترش شعله را به تاخیر می اندازند، کاهش می دهند یا اینکه متوقف می نمایند. این مواد ممکن است علاوه بر اینکه کندسوزکننده به حساب می آیند به طور همزمان به عنوان پرکننده یا قالب پذیر نیز عمل نمایند. در حالت ایده آل، کندسوزکننده ها اینطور عمل می نمایند که در درجه حرارتی کمتر از درجه حرارت افروزش ماده مورد نظر، تجزیه می شوند و تجزیه این ماده قابلیت افروزش ماده را کاهش می دهد و سرعت سوختن را نیز پایین می آورد.
بنابراین می توان چنین استنباط کرد که کندسوزکننده ها به دو منظور به رزین پلاستیکها، ترکیبات و مخلوطها اضافه می شود.
1. به منظور تغییر خصوصیات احتراقی مواد پلاستیکی به طوریکه افروزش آنها مشکلتر شود.
2. فقط یک بار افروزش اتفاق بیفتد و کندسوزکننده باعث شود آتش خاموش شود یا اینکه باعث شود مواد به آهستگی بسوزند به طوریکه گسترش شعله، سرعت آزاد شدن حرارت یا هر دوی آنها به طور قابل ملاحظه ای کاهش یابند.
اگر اضافه نمودن کندسوزکننده به پلاستیکها، کلاً از افروزش ماده جلوگیری نماید یا اینکه فقط یک بار افروزش اتفاق بیفتد و آتش خاموش شود حالت ایده آل خواهد بود. ولی این امر معمولاً به خاطر طبیعت شیمیایی و فیزیکی کندسوزکننده ها اتفاق نمی افتد اگرچه ممکن است کندسوزکننده ها به طور مطلوبی خصوصیات احتراقی پلاستیکها را اصلاح نمایند ولی باعث می شوند خصوصیات دیگر ماده پلاستیکی که به آن اضافه شده اند به مقدار خیلی زیادی بدتر شود که در این صورت ترکیب پلاستیکی همراه کندسوزکننده برای استفاده ای که قبلاً از آن انتظار می رفت مناسب نخواهد بود.
به طور کلی یک کندسوزکننده ایده آل، ماده ای است که دارای ویژگیهای زیر باشد:
1. با درصد کم هم در ترکیب مورد نظر موثر واقع شود.
2. درعین بی خطر بودن ماکزیمم خاصیت کندسوزکننده را داشته باشد.
3. با ترکیب موردنظر کاملاً سازگار باشد.
4. در تمام دستگاهها و تجهیزات فرآیندی معمول مخصوص ترموپلاستیکها به راحتی مورد فرآیند قرار گیرد.
5. در درجه حرارتهای نسبتاً بالا مقاوم باشد به طوریکه در ضمن فرآیند تهیه تجزیه نشود ولی قبل از آتش گرفتن ماده اصلی تجزیه شود.
6. زمانی که در ترکیب موردنظر قرار می گیرد تبخیر نشود.
7. در ضمن فرآیند تهیه یا زمانی که به عنوان کندسوزکننده عمل می نماید محصولات فرعی خطرناک تولید نکند.
8. خصوصیات دیگر ماده پلاستیکی را تغییر ندهد.
9. محصول نهایی خصوصیات ظاهری مناسب خود را حفظ نماید.
10- به راحتی به رنگ مورد دلخواه محصول نهایی درآید (رنگ پذیر باشد).
11- ارزان باشد.
انواع کندسوزکننده ها
کندسوزکننده ها به دو گروه افزودنی و واکنشی تقسیم می شوند و در داخل این طبقه بندی، زیر مجموعه دیگری نیز قرار دارد که نوع شیمیایی است.
کندسوزکننده های افزودنی
نمونه ای از این کندسوزکننده ها عبارتند از:
هیدروکسید منیزیم، فسفات آمونیوم، تری هیدرات آلومینیوم (هیدروکسید آلومینیوم)، پارافین کلرینه شده، پارافین برمینه شده، بورات روی، اکسید آنتیموان، پلی استایرن
برمینه شده، پلی اتیلن کلرینه شده، پلی وینیل کلراید (پی.وی. سی) و …
کندسوزکننده های افزودنی موادی هستند که وقتی به رزین پلاستیک یا ترکیب اضافه یا با آن مخلوط می شوند خصوصیات احتراقی پلیمر موردنظر، جسم مرکب یا رزین را تغییر می دهند. این کار ممکن است در مرحله ترکیب نمودن (آمیختن)، زمانی که مواد دیگری مثل پایدارکننده ها، پرکننده ها، رنگ پذیرکننده ها یا قالب پذیر کننده ها اضافه می شوند، انجام شود. این نوع کندسوزکننده ها به طور یکنواخت در داخل ماده پلاستیکی پخش می شوند و معمولاً این کار در یک فرآیند ساده اختلاط انجام می شود و هیچگونه واکنش شیمیایی بین کندسوزکننده و ماده پلاستیکی در این مرحله صورت نمی گیرد. ترکیب بدست آمده که به حالت ذوب شده (نرم شده) درآمده به فرم دانه های مکعبی یا قرصی شکل درمی آید یا اینکه اجازه داده می شود به فرم
پودری شکل باقی بماند که در چنین حالتی یک مخلوط فیزیکی ساده داریم و ماده مورد نظر ترکیب شیمیایی جدیدی نخواهد داشت. در واقع همین موضوع اختلاف اساسی بین کندسوزکننده های افزودنی و واکنشی است.
بعضی از پلیمرها، مخصوصاً آنهایی که شامل هالوژنها هستند و به سختی می سوزند ممکن است برای اصلاح خصوصیات احتراقی به پلیمرهای دیگر اضافه شوند و ترکیبات آلیاژی را به وجود آورند. زمانی که این مواد مورد استفاده قرار می گیرد پلیمرهای هالوژن به عنوان کندسوزکننده عمل می نمایند.
کندسوزکننده های واکنشی
نمونه ای از این کندسوزکننده ها عبارتند از:
تترابرموفتالئیک بی آب، تتراکلروفتالئیک بی آب و …
این نوع کندسوزکننده ها موادی هستند که در ضمن فرآیند پلیمریزاسیون به مواد اضافه می شود و بنابراین به صورت جزئی از پلیمر درمی آیند. چون پلیمریزاسیون یک واکنش شیمیایی است این نوع کندسوزکننده ها یک نوع منومر محسوب می شوند و این بدان معنی است که ترکیب پلاستیکی ساخته شده با این نوع کندسوزکننده ها در واقع یک ترکیب شیمیایی جدیدی خواهند داشت. در چنین وضعیتی، به احتمال زیاد تجزیه ماده پلاستیکی خالص در درجه حرارتی پایین تر از درجه حرارت افروزش ماده پلاستیکی که شامل کندسوزکننده شیمیایی است اتفاق می افتد. در ضمن در یک درجه حرارت معین تجزیه محصولات پلاستیکی که شامل کندسوزکننده است با همان ماده پلاستیکی در حالت خالص متفاوت خواهد بود.
تئوری اکسیژن مصرف شد در کالریمتر مخروطی
سرعت آزاد شدن انرژی (حرارت) از مهمترین پارامترهایی است که می تواند برای توصیف نمودن خصوصیات یک آتش سوزی به کار رود. در واقع این پارامتر تعیین کننده اندازه بزرگی آتش و سرعت گسترش یا شدت آتش سوزی است. همچنین سرعت آزاد شدن حرارت، فاکتوری اساسی و تعیین کننده برای توضیح شعله وری مواد است.
با توجه به نوع محصولات و شرایط عمل احتراق، مقدار حرارت آزاد شده از اجسام مختلف متفاوت خواهد بود. زمانی که یک مقدار کم ماده سوختنی در یک بمب کالریمتر سوخته می شود چون اکسیژن کافی در دسترس است مطمئن هستیم که احتراق به طور کامل انجام می گیرد و از مبلمان از جنس پلی یورتان حدود (kj/g) 40 و از مبلمان چوبی حدود (kj/g) 20 انرژی آزاد می شود در صورتیکه، در یک آتش سوزی واقعی، احتراق به طور کامل انجام نمی گیرد (احتراق ناقص صورت می گیرد) و حرارت آزاد شده کمتر از مقدار تئوری (محاسبات براساس احتراق کامل) خواهد بود. این حرارت آزاد شده را گرمای موثر احتراق می نامند. بنابراین، با اندازه گیری سرعت از بین رفتن جرم جسم نمی توان سرعت آزاد شدن حرارت از سوختن واقعی را محاسبه کرد. در واقع نمی توان گرمای موثر احتراق را از این روش بدست آورد.
روش دیگر اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت این است که حرارت آزاد شده به طور مستقیم اندازه گیری شود، ولی چون همیشه در سیستم مقداری اتلاف حرارتی داریم از این طریق نیز نمی توان برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت استفاده کرد.
در دو دهه اخیری یک قانون جدید و کامل برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت پیشنهاد گردیده است که عبارت است از "اصل اکسیژن مصرف شده". به طور معمول می توان نشان داد برای تمام سوختهای معمول که در حریق با آنها مواجه هستیم گرمای احتراق بر واحد جرم اکسیژن مصرف شده تقریباً مقدار یکسانی دارد. این نتیجه بدان علت است که در فرآیند احتراق اینگونه مواد، محصولات احتراقی در واقع اکسید شده پیوندهای کربن ـ کربن و کربن ـ هیدروژن است. نمونه ای از این مقادیر برای تعدادی از گازها، پلیمرهای مصنوعی و سوختهای طبیعی انتخاب شده است.
در سال 1982 موسسه بین المللی استاندارد و تکنولوژی (NIST) یک دستگاه جدید برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت، ارائه کرد. دستگاه فوق کالریمتر مخروطی نام دارد (به این علت به آن مخروطی می گویند که المان گرم کننده آن به شکل مخروط ناقص است). این دستگاه تست حریق، اطلاعات استانداردی برای مواد موردنظر که در معرض انرژی تشعشعی کنترل شده و معین (شار حرارتی بین صفر تا ) به طور افقی یا عمودی قرار گرفته اند، بدست می دهد.
اطلاعات بدست آمده از دستگاه به صورت زیر است:
الف) سرعت آزاد شدن انرژی (حرارت)
ب) زمان افروزش
ج) غلظت دودهای حاصله
د) گرمای موثر احتراق
ه)سرعت از بین رفتن جرم جسم
و) نسبت جرم منواکسیدکربن (CO) تولید شده از احتراق به جرم جسم
ز) نسبت جرم دی اکسیدکربن تولید شده از احتراق به جرم جسم
از این اطلاعات برای موارد زیر استفاده می شود:
الف) ارزیابی مواد و محصولات (تعیین استاندارد حریق مواد)
ب) مدلسازی ریاضی در ابعاد واقعی
ج) اهداف طراحی
د) تحقیق و توسعه
گرمای احتراق بر واحد جرم اکسیژن مصرف شده، E
برای این منظور سوختن چند ماده مختلف را مورد بررسی قرار می دهیم. به عنوان مثال واکنش سوختن کامل گاز متان به صورت زیر است:
گرمای استاندار احتراق مواد در دمای 25 از رابطه زیر محاسبه می شود.
(2 ـ 1) مواد واکنش دهنده ـ محصولات
برای گاز متان معادله (2 ـ 1) به صورت زیر درمی آید.
= متان
از طرفی جرم مولکولی متان برابر است با:
بنابراین خواهیم داشت:
علامت منفی گرمای استاندارد احتراق به این معنی است که از واکنش احتراقی فوق گرما آزاد می شود.
جدول 2 ـ 1 گرمای احتراق و گرمای احتراق بر واحد جرم اکسیژن مصرف شده برای بعضی از گازها، پلیمرهای مصنوعی و سوختهای طبیعی
گرمای احتراق
فرمول شیمیایی
سوخت
54/12-
01/50-
متان
75/12-
48/47-
اتان
78/12-
72/45-
نرمان بوتان
78/13-
16/47-
اتیلن
65/12-
28/32-
پلی اتیلن
66/12-
31/43-
پلی پروپیلن
84/12-
43/16-
پلی وینیل کلراید
97/12-
85/39-
پلی استایون
98/12-
89/24-
پلی متیل متاآکریلیت
12/13-
72/29-
پلی کربنات
60/13-
60/30-
پلی آکریلوتیتریل
67/12-
58/29-
ـ
نایلون ـ 6،6
59/13-
09/16-
ـ
سلولز
61/13-
55/15-
ـ
کتان
40/13-
40/18-
ـ
روزنامه
51/12-
76/17-
ـ
چوب افرا
همانطور که از واکنش سوختن متان پیداست به ازای یک مول متان مصرفی، دو مول گاز اکسیژن مصرف می شود، بنابراین گرمای احتراق به ازای یک گرم اکسیژن مصرفی برابر است با:
= E حرارت آزاد شده از سوختن متان به ازای یک گرم اکسیژن مصرفی
با توجه به روابط فوق، E را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:
(2 ـ 2)
که در معادله (2 ـ 2)، عبارت است از:
(2 ـ 3)
واکنش سوختن کامل نرمال بوتان به صورت زیر است:
نرمال بوتان
به عنوان مثالی دیگر واکنش سوختن کامل سلولز را در نظر می گیریم که به صورت زیر است:
سلولز
به عنوان مثال آخر سوختن سلولز را در نظر می گیریم.
با توجه به مثالهای ذکر شده می توان دریافت که حرارت آزاد شده بر واحد جرم اکسیژن مصرفی برای بیشتر مواد و بیشتر واکنشها تقریباً مقدار ثابتی دارد و فرض
می شود که این مقدار ثابت برابر1/13 باشد که این مقدار با خطای کمتر از 5% برای اکثر مواد قابل قبول است.
این واقعیت اساس روش کالریمتری بر مبنای اکسیژن مصرفی است و برای
اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت از آن استفاده می شود.
روش کالریمتر مخروطی برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت
محفظه احتراق کالریمتر مخروطی را به صورت ساده زیر در نظر می گیریم.
به طوریکه:
دبی جرمی هوا به داخل محفظه احتراق
دبی جرمی گازهای خروجی از سیستم
با توجه به مطالب توضیح داده شده در قبل، سرعت آزاد شدن حرارت را می توان از رابطه زیر بدست آورد.
(2 ـ 4)
به طوریکه:
دبی جرمی اکسیژن ورودی به سیستم
دبی جرمی اکسیژن خروجی از سیستم
ولی کالیمتر مخروطی طوری طراحی شده است که در دستگاه تجزیه کننده اکسیژن آن، درصد یاکسر مولی اکسیژن در گازها اندازه گیری شود. بنابراین در معادله (2 ـ 4) به جای دبی جرمی اکسیژن باید از مقادیر کسر مولی اکسیژن استفاده شود. همچنین گاز دی اکسیدکربن و بخار آب هوای ورودی به سیستم و خروجی از آن قبل از اینکه وارد دستگاه تجزیه کننده اکسیژن شود جدا می شود و چون مقدار گاز منواکسیدکربن(CO) آن ناچیز است از آن صرف نظر می شود و بنابراین نمونه گازی که در دستگاه تجزیه کننده اکسیژن مورد تجزیه قرار می گیرید فقط شامل اکسیژن و نیتروژن است. در نتیجه رابطه کسر مولی و دبی جرمی اکسیژن به صورت زیر خواهد بود.
(2 ـ 5)
رابطه مشابه برای به صورت زیر است:
(2 ـ 6)
به طوریکه:
دبی مولی جریان
کسر مولی اکسیژن هوای ورودی به سیستم در دستگاه تجزیه کننده اکسیژن
کسر مولی اکسیژن هوای خروجی از سیستم در دستگاه تجزیه کننده اکسیژن از طرفی داریم:
(2 ـ 7)
به طوریکه:
دبی جرمی نیتروژن هوای ورودی به سیستم
دبی جرمی نیتروژن هوای خروجی از سیستم
از ترکیب معادله های (2 ـ 5)، (2 ـ 6) و (2 ـ 7) خواهیم داشت:
(2 ـ 8)
از طرفی چون هوای ورودی به سیستم دارای بخار آب است کسر مولی اکسیژن نشان داده شده در دستگاه تجزیه کننده با کسر مولی اکسیژن موجوددر هوای ورودی به سیستم یکسان نیست که برای تصحیح آن رابطه زیر استفاده می شود.
(2 ـ 9)
به طوریکه:
کسر مولی اکسیژن در هوای ورودی
کسر مولی بخار آب در هوای ورودی
با استفاده از درجه حرارت و رطوبت نسبی محیط، مقدار قابل محاسبه است. اگر هوای خشک (هوایی که بخار آب آن جدا شده است) را مورد تجزیه قرار دهیم ترکیب درصد آن به صورت زیر است:
نیتروژن 78.09%
اکسیژن 20.95%
آرگون (Ar) 0.93%
دی اکسید کربن 0.03%
چون مقدار گاز آرگون و دی اکسیدکربن در هوا ناچیز است برای سادگی ترکیب درصد هوای خشک به صورت زیر بیان می شود:
نیتروژن 76.05%
اکسیژن 20.95%
برای محاسبه کسر مولی بخار آب در هوای ورودی از رابطه زیر استفاده
می شود:
(2 ـ 10)
به طوریکه:
رطوبت نسبی هوا
درجه حرارت هوای ورودی
فشار هوا (Pa)
فشار بخار اشباع در دمای Ta
در ضمن همانطور که در معادله (2 ـ 10) نشان داده شده است فشار بخار اشباع تابعی از درجه حرارت هوای ورودی به سیستم است و در محدوده دمایی از رابطه زیر قابل محاسبه است:
(2 – 11)
به طوریکه:
درجه حرارت هوا
فشار بخار اشباع
حال با فرض اینکه دمای محیط25 و رطوبت نسبی آن 60% و فشار هوا نیز برابر 1 اتمسفر باشد مقدار برابر است با:
معادله (2 ـ 11)
معادله (2 ـ 10)
با توجه به ترکیب درصد هوای خشک و شرایط محیطی فوق، ترکیب درصد هوای مرطوب به صورت زیر است:
نیتروژن 77.58%
اکسیژن 20.56%
بخار آب 1.86%
حال با توجه به این مطلب که ترکیب درصد هوای مرطوب قابل محاسبه است برای ساده کردن معادله (2 ـ 4) به صورت زیر عمل می شود.
ابتدا با مرتب کردن معاله (2 ـ 9) داریم:
(2 ـ 12)
از طرفی داریم:
(2 ـ 13)
از قرار دادن معادله (2 ـ 13) در معادله (2 ـ 12) رابطه زیر بدست می آید:
(2 ـ 14)
در ضمن طبق تعریف کسر مولی داریم:
(2 ـ 15)
با جایگزینی معادله (2 ـ 15) در معادله (2 ـ 14) رابطه زیر نتیجه می شود:
(2 ـ 16)
از ترکیب معادله های (2 ـ 8) و (2 ـ 16) رابطه زیر بدست می آید:
(2 ـ 17)
با جایگزینی معادله (2 ـ 17) در معادله (2 ـ 4) رابطه زیر نتیجه می شود:
(2 ـ 18)
در معادله (2 ـ 18) تمام متغیرها به جز (دبی جرمی هوای ورودی به سیستم) قابل محاسبه یا اندازه گیری است ولی این متغیر را نمی توان اندازه گیری کرد در ضمن مقدار آن با (دبی جرمی گازهای خروجی از سیستم) نیز برابر نیست ولی همانطور که بعداً اشاره خواهد شد با استفاده از درجه حرارت گازهای خروجی و اندازه گیری فشار گازهای خروجی در دو طرف صفحه سوراخدار مقدار به دست می آید. بنابراین باید رابطه بین و بدست آید که برای این منظور به طریق زیر عمل می شود.
سوختن کامل متان را در هوا در نظر می گیریم که واکنش آن به صورت زیر است:
همانطور که ملاحظه می شود حجم هوای ورودی با ضریب افزایش می یابد که این مقدار ضریب انبساط (a) نامیده می شود. همچنین در آزمایش فوق فقط درصدی از اکسیژن هوای ورودی به سیستم به طور کامل واکنش می نماید، بنابراین داریم:
به طوریکه:
ضریب انبساط
ضریب اکسیژن مصرفی
با این فرض که رابطه فوق به صورت زیر درمی آید:
(2 ـ 19)
در معادله (2 ـ 19) ضریب اکسیژن مصرفی به صورت زیر تعریف می شود:
(2 ـ 20)
از قرار دادن معادله های (2 ـ 5)، (2 ـ 6) و (2 ـ 7) در معادله (2 ـ 20) رابطه زیر نتیجه می شود:
(2 ـ 21)
با جایگزینی معادله های (2 ـ 19) و (2 ـ 21) در معادله (2 ـ 18) رابطه زیر بدست می آید:
(2 ـ 22)
در معادله (2 ـ 12) بجای مقدار عددی آن را که قابل محاسبه است قرار می دهیم. همچنین معادله (2 ـ 2) را نیز جایگزین می کنیم که در این صورت معادله فوق به صورت زیر درمی آید:
(2 ـ 23)
محاسبه دبی جرمی
دبی جرمی گازهای خروجی از سیستم با استفاده از معادله برنولی به صورت زیر به دست می آید. معادله برنولی برای یک جریان غیرقابل تراکم، بدون اصطکاک و حالت پایا به صورت زیر است:
(2 ـ 24) ثابت
معادله (2 ـ 24) برای یک جریان در داخل لوله (مطابق شکل 2 ـ 2) به صورت زیر درخواهد آمد:
(2 ـ 25)
در معادله (2 ـ 25) تمام ترمها دارای بعد فشار هستند به طوریکه:
= Pفشار استاتیکی
فشار دینامیکی
= gh افزایش فشار نسبت به فشار در سطح آزاد
= دانسیته
= Wسرعت سیال
معادله برنولی بیانگر این مطلب است که اگر سرعت یک سیال جاری داخل لوله افزایش یابد فشار سیال در آن نقطه کاهش می یابد و بالعکس. از همین موضوع برای تعیین سرعت یک سیال جاری در لوله استفاده می شود. یک روش برای انجام این کار اندازه گیری افت سیال در دو طرف صفحه سوراخدار است.
معادله (2 ـ 25) برای کانال خروجی گازهای کالیمتر مخروطی (شکل 2 ـ 3) به صورت زیر در می آید:
(2 ـ 26)
از طرفی طبق قانون بقای جرم داریم:
(2 ـ 27)
(2 ـ 28)
به طوریکه:
= mدبی جرمی
=Aسطح مقطع
از ترکیب دو معادله (2 ـ 26) و (2 ـ 28) رابطه زیر نتیجه می شود:
(2 ـ 29)
معادله (2 ـ 29) برای حالتی است که سیال در داخل لوله به طور ایده آل رفتار نماید. ولی در عمل فشردگی و انقباض سیال در دهانه سوراخ را داریم. همچنین در اثر اصطکاک افت انرژی بوجود خواهد آمد که نمی توان از آنها صرف نظر کرد. در نتیجه معادله فوق به صورت زیر درمی آید:
(2 ـ 30)
به طوریکه:
ثابت سطح
ثابت انقباض
با توجه به مطالب بیان شده و معادله (2 ـ 27) دبی جرمی گازهای خروجی به طریق زیر بدست می آید:
(2 ـ 31)
از طرفی می دانیم که دانسیته گازها با تغییر درجه حرارت گاز، متغیر خواهد بود. که برای تصحیح این فاکتور از قانون گاز ایده آل استفاده می شود.
(2 ـ32)
به طوریکه:
= P فشار مطلق گاز
= V حجم
= n تعداد مولها
= m جرم
= R ثابت جهانی گازها
مقدار ثابت (ثابت جهانی گازها تقسیم بر جرم مولکولی گاز)
= T درجه حرارت مطلق
اگر دو حالت متفاوت را برای گاز در نظر بگیریم که یکی از آنها حالت استاندارد (فشار و درجه حرارت استاندارد) باشد معادله (2 ـ 32) به صورت زیر درمی آید:
(2 ـ 33)
در معادله ( 2 ـ 33) اندیس (زیرنویس) صفر نشان دهنده حالت استاندارد است. حال با این فرض که باشد (P فشار گاز خروجی در دمای موردنظر و فشار استاندارد که برابر یک اتمسفر است و فشار گاز خروجی نیز خیلی نزدیک به فشار محیط است که فشار محیط نیز تقریباً برابر یک اتمسفر است) معادله (2 ـ 33) رابطه زیر را نتیجه می دهد:
(2 ـ 34)
با قراردادن معادله های (2 ـ 30) و (2 ـ 31) در معادله (2 ـ 31) رابطه زیر بدست
می آید:
(2 ـ 35)
در معادله (2 ـ 35) ترمهای و مقادیر ثابت هستند و تمام آنها را می توان به صورت یک مقدار ثابت نشان داد که در این صورت رابطه زیر نتیجه خواهد شد:
(2 ـ 36)
طبق معادله (2 ـ 36) دبی جرمی گازهای خروجی از رابطه زیر بدست می آید:
(2 ـ 37)
به طوریکه:
دبی جرمی
درجه حرارت گازهای خروجی در محل صفحه سوراخدار
اختلاف فشار گاز خروجی در دو طرف صفحه سوراخدار
ثابت
دوباره برمی گردیم به معادله (2 ـ 23) که برای تعیین سرعت آزاد شدن حرارت از آن استفاده می شود. برای این منظور معادله (2 ـ 37) را در معادله فوق جایگزین کرده و همچنین با توجه به کوچک بودن مقدار می توان چنین فرض کرد که:
در نتیجه معادله به صورت زیر درمی آید:
( 2ـ 38)
با جایگزینی معادله (2 ـ 21) در معادله (2 ـ 38) رابطه زیر حاصل می شود:
شرح دستگاه
دستگاه کالریمتر مخروطی از قسمتهای اصلی زیر تشکیل شده است.
1. هیتر (گرم کننده) الکتریکی به شکل مخروط ناقص (منبع انرژی تشعشعی سیستم) و ابزارآلات متصل شده به آن برای کنترل شدت جریان (کنترل درجه حرارت هیتر)
2. سیستم دودکش و کانال خروجی گازها
3. نگهدارنده تجزیه کننده (آنالیزور) اکسیژن و دیگر گازها
4. جرقه زن الکتریکی و تایمر
5. سیستم اندازه گیری غلظت دود
6. رادیومتر حرارتی (دستگاه اندازه گیری شار حرارتی)
1 ـ همان طور که اشاره شد هیتر به شکل مخروط ناقص درست شده است و این امر بدان علت است که در تست احتراق مشخص شده است که قابلیت تشعشعی (تابشی) آن در گستره وسیعی قرار دارد. عامل فعال و گرم کننده هیتر یک سیم مقاومت الکتریکی است که یک لایه از جسم نسوز (اکسید منیزیم)، آن را پوشانده و در نهایت در یک محافظ آلیاژی. مقاوم در درجه حرارتهای بالا، قرار گرفته است. این مجموعه در قسمت داخلی یک مخروط ناقص دوجداره فولادی به صورت مارپیچ مطابق شکل (3 ـ 2) قرار گرفته است.
در ولتاژ 240 ولت که جریان الکتریکی مورد نیاز دستگاه است ماکزیمم بار حرارتی هیتر برابر kw5 است که این مقدار توان الکتریکی قادر است انرژی تا حد را به وجود آورد. انرژی تشعشعی مورد نیاز با یک کنترل کننده الکترونیکی قابل تنظیم است. یک ترموکوپل که در تماس مستقیم با المان حرارتی است متصل به یک کنترل کننده است که این کنترل کننده قادر است درجه حرارت را در محدوده صفر تا با خطای یا بهتر در درجه حرارت موردنظر تنظیم نماید.
2 ـ سیستم دودکش و کانال خروجی گازها
ابعاد دودکش و کانال خروجی طوری طراحی شده است که قادر باشد کل گازهای حاصل از احتراق (جریان تا حد35) را به راحتی از محفظه احتراق خارج نماید.
مطابق شکل (3 ـ 3) این سیستم شامل کلاهک دودکش (هود)، کانالهای ارتباطی، فن، حلقه نمونه گیر گاز برای تجزیه کننده اکسیژن و دیگر گازها، صفحه سوراخدار همراه با دریافت کننده های فشار برای اندازه گیری اختلاف فشار گاز در دو طرف این صفحه و ترموکوپل برای تعیین دمای گازهای خروجی است.
همانطور که در شکل مشاهده می شود بعد از هود یک صفحه سوراخدار (قطر سوراخ آن mm57 است) قرار دارد که کار ان اختلاط کامل گازهای حاصل از احتراق است. بعد از آن به فاصله 685 میلیمتری از هود یک حلقه نمونه گیر گاز قرار دارد که این حلقه دارای دوازده سوراخ است و این امر بدان علت است که نمونه گاز گرفته شده از نظر ترکیب درصد نشان دهنده ترکیب کل گازهای خروجی حاصل از احتراق باشد. برای تعیین دبی جرمی گازهای خروجی مطابق معادله (2 ـ 37) احتیاج به درجه حرارت این گازهاست که برای این منظور از یک ترموکوپل استفاده می شود که بعد از فن قرار دارد و موقعیت آن باید طوری باشد که حداقل mm100 قبل از صفحه سوراخدار قرار داشته باشد. بعد از ترموکوپل صفحه سوراخدار برای ایجاد فشار قرار دارد (قطر سوراخ آن mm57 است). فاصله صفحه سوراخدار از فن باید حداقل mm350 باشد.
3 ـ نگهدارنده نمونه و ترازو
نگهدارنده نمونه به شکل مکعب مستطیلی است که وجه بالایی آن کاملاً باز است جنس آن از فولاد ضدزنگ است و در ته آن (بین نمونه مورد آزمایش و نگهدارنده) یک لایه عایق حرارتی از جنس پشم با دانسیته کم(65) قرار داده می شود که ضخامت این لایه حداقل باید mm13 باشد و این کار بدین علت است که ترازو از تشعشع انرژی حرارتی محفوظ بماند (نوسانات حرارتی باعث می شود که وسیله توزین دقت کافی را نداشته باشد).
موقعیت نگهدارنده نسبت به مخروط ناقص طوری تنظیم می شود که فاصله بین
پایین ترین قسمت مخروط و سطح رویی نمونه mm25 باشد. همچنین در حین آزمایش سطح زیرین نمونه و جوانب آن به وسیله فویل آلومینیومی پوشیده می شود. طرز
قرار گرفتن نگهدارنده نمونه در محفظه احتراق در دو حالت افقی و عمودی به ترتیب در شکلهای (3 ـ 5) و (6ـ3) نشان داده شده است.
نگهدارنده روی یک ترازو قرار می گیرد ک دقت آن g1/0 است و این ترازو برای تعیین کاهش جرم نمونه در محاسبات مورد استفاده قرار می گیرد.
4 ـ تجزیه کننده گازها
نمودار جریان این مجموعه در شکل (3 ـ 7) نشان داده شده است و مطابق این شکل قسمتهای مختلف آن عبارتند از: حلقه نمونه گیر گازها، فیلتر دودگیر، تله سردکننده، پمپ، ستونهای سیلیکاژل و قلیای آهکی تجزیه کننده گاز اکسیژن، تجزیه کننده گاز دی اکسیدکربن و منواکسیدکربن، تجزیه کننده گاز اکسیژن از نوع پارا مغناطیسی است و اکسیژن را در محدوده صفر تا 5/0 اندازه گیری می نماید. چون این تجزیه کننده به فشار حساس است قبل از اینکه گازها وارد آن شوند باید از یک تعدیل کننده فشار عبور نمایند.
5 ـ جرقه زن الکتریکی و تایمر
برای افروختن نمونه ها از یک شمع الکتریکی استفاده می شود که با برق 10 کیلوولت تغذیه می شود (با استفاده از ترانسفورماتور افزاینده) و بین دو سر شمع یک فاصله 3 میلیمتری وجود دارد. طول الکترود و طرز قرار گرفتن آن مطابق شکل (3 ـ 6) طوری انتخاب شده است که شمع درست در مرکز نمونه و به فاصله 13 میلیمتری از سطح نمونه قرار گرفته است.
شمع موردنظر با یک کنترل کننده دستی کنترل می شود و برای قراردادن شمع در مجاورت نمونه (همراه با جرقه زدن) و برگرداندن شمع به جای اولیه اش (همراه با قطع نمودن جرقه) مورد استفاده قرار می گیرد. در ضمن برای تعیین زمان افروزش به یک زمان سنج (تایمر) احتیاج است که حداکثر خطای آن یک ثانیه در یک ساعت است.
6 ـ دستگاه اندازه گیری غلظت دود
روش صحیح و مناسب برای اندازه گیری ضریب تیرگی برمبنای استفاده از یک سیستم با منبع نور سفید و سیستم آشکارگری که در محدوده میانی طول موجهایی که چشم انسان به آنها حساس است قرار دارد.
سیستم مورد نظر برای این منظور در شکل (3 ـ 8) نشان داده شده است که این سیستم شامل یک لیزر هلیم ـ نئون، فتودیوید سیلیکونی به عنوان ستون اصلی و آشکارگرهای مرجع است.
7 ـ رادیومتر حرارتی
رادیومتر حرارتی مورد بحث در اینجا براساس این اصل استوار است که شار حرارتی رسیده شده به یک سطح صاف به وسیله لایه های زیرین سطح موردنظر هدایت می شود. در واقع این اصل می گوید که یک اختلاف درجه حرارت بین سطح و قسمت های سرد زیرین توسعه می یابد. حال اگر مواد از نظر حرارتی پایدار باشند (به عنوان مثال ماده دارای خاصیت هایی باشد که با تغییرات درجه حرارت ثابت بماند) این اختلاف درجه حرارت بین لایه ها با شار حرارتی به طور خطی تغییر می نماید.
این رادیومترها برمبنای دو اصل متفاوت کار می کنند که در زیر به آن اشاره شده است.
اولین نوع که اندازه گیر گاردن (نام مخترع آن) نامیده می شود براساس این اصل استوار است که جریان حرارتی روی سطح حساس (سطح دریافت کننده) به طور شعاعی جریان دارد که نمودار تغییرات درجه حرارت آن در شکل (3 ـ 9) نشان داده شده است.
در این حالت المان حساس (دریافت کننده) یک ترموکوپل سربی منفرد است که یک فویل کنستانتن آن را پوشانده است و در نهایت به فرم استوانه ای شکل درآمده است که قطر آن تقریباً mm5/12 است. این مجموعه به طور جزئی با آب خنک می شود، بنابراین درجه حرارت مرکز استوانه به طور قابل توجهی بالا است. همانطور که در شکل دیده می شود توزیع شعاعی درجه حرارت یک توزیع ناهموار است که ماکزیمم مقدار آن در مرکز استوانه مشاهده می شود.
نوع دوم، اندازه گیری بالتر است و براساس این اصل استوار است که جریان حرارتی روی سطح حساس به طور محوری جریان دارد. که نمودار تغییرات درجه حرارت آن در شکل (3 ـ 10) نشان داده شده است. المان حساس در اینجا مجموعه ای از ترموکوپلها است که تعداد نقطه های اتصال آن به سطح حساس متغیر است. تعداد نقطه ای تماس بستگی به محدوده شار حرارتی که دستگاه برای اندازه گیری آن طراحی شده است دارد. استوانه دریافت کننده در این حالت همزمان به طور شعاعی و محوری خنک می شود، بنابراین مثل حالت قبل (اندازه گیری گاردن) درجه حرارت در مرکز آن خیلی بالا نمی رود.
همانطور که در شکل دیده می شود توزیع درجه حرارت در روی استوانه در این حالت مسطح تر است.
هر دو نوع رادیومتر کل شار حرارتی رسیده شده به سطح حساس را نشان می دهند. بنابراین، این دستگاهها نه تنها به انرژی تشعشعی حساس هستند، بلکه به انرژی حرارتی جابجایی نیز حساس هستند. در واقع رادیومتر انرژی حرارتی کل (تشعشعی و جابجایی) را نشان می دهد.
کالیبراسیون دستگاه
1 ـ کالیبراسیون دستگاه تجزیه کننده گاز اکسیژن
همانطور که در فصل دوم توضیح داده شد برای اندازه گیری سرعت آزادشدن حرارت (RHR) از "اصل اکسیژن مصرف شده" استفاده می شود. بنابراین چنین استنباط می شود که دستگاه تجزیه کننده گاز اکسیژن حساس ترین وسیله در محاسبات مربوط به سرعت آزادشدن حرارت است پس باید این وسیله با دقت بسیار زیادی کالیبره گردد. اگر کالیبراسیون به طور صحیح انجام شود این وسیله برای مدت زمان طولانی (آزمایش چندین نمونه) پایدار خواهد ماند. در واقع در ابتدای هر روز باید این وسیله کالیبره گردد.
برای این منظور وسیله فوق در دو نقطه مجزا (دو گاز متفاوت با درصد معین گاز اکسیژن) تنظیم و سپس کالیبره می گردد که یکی از آن نقاط نیتروژن خالص (درصد اکسیژن آن صفر است) و نقطه دیگر هوای محیط (95/20% گاز اکسیژن، زمانیکه هوای محیط عاری از بخار آب باشد) است. در ضمن دبی حجمی و فشار این گازها باید مطابق با شرایط گازی خروجی حاصل از احتراق در حین آزمایش نمونه ها باشد. در اینجا نکته حائز اهمیت این است که کالیبراسیون دقیق و صحیح این وسیله بستگی بسیار زیادی به گار کالیبراسیون دارد.
2 ـ کالیبراسیون دستگاه تجزیه کننده
برای این منظور از گاز کالیبراسیونی استفاده می شود که مخلوطی از گازهای منواکسیدکربن و دی اکسیدکربن است که با گاز نیتروژن بالانس گردیده است (درصد گاز و با دقت بسیار زیادی مشخص است).
(توجه: گواهینامه کالیبراسیون روی سیلندر گاز موردنظر قرار دارد که بیان کننده درصد دقیق گازها در سیلندر است).
اگر این وسیله نیز با دقت کالیبره گردد، کالیبراسیون برای مدت زمان طولانی پایدار خواهد ماند فقط قبل از انجام هر آزمایش باید تنظیم روی صفر صورت گیرد که در هر زمانی این کار به طور دستی یا اتوماتیک می تواند صورت گیرد. تنظیم اتوماتیک هر 3 ساعت یکبار یا 12 ساعت یکبار انجام می شود. برای تنظیم 3 ساعته دکمه وسطی (سه دکمه ای که در زیر دستگاه تجزیه کننده قرار دارد) و برای تنظیم 12 ساعته دکمه وسطی و دست راستی به طور همزمان فشار داده می شود.
توجه: برای تنظیم کردن روی صفر از هوای محیط استفاده می شود.
3 ـ کالیبراسیون سرعت آزادشدن حرارت (RHR)
کالیبراسیون نرمال و روزانه سرعت آزادشدن حرارت از یک دستگاه کالریمتر با دستگاه دیگر متغیر خواهد بود اما به طور کلی کالیبراسیون روزانه با گاز متان با اتانول صورت می گیرد. برای این منظور گاز متان با درصد خلوص بالای 5/99% به محفظه احتراق دستگاه با دبی جرمی معینی (محاسبات و مقدار عددی آن در فصل دوم نشان داده شده است) تزریق می شود و مطابق روش آزمایش توضیح داده شده در فصل چهار گاز متان سوزانده می شود. و با توجه به معادله (2 ـ 42) مقدار ثابت کالیبراسیون (C) بدست خواهد آمد.
قبل از آزمایش نمونه ها، باید ثابت کالیبراسیون متان معلوم شود. مقدار ضریب کالیبراسیون برای یک جریان معین از متان و دانستن سرعت آزادشدن حرارت، در محدوده 05/0 ـ 04/0 قرار دارد. ]8[
4 ـ کالیبراسیون ترازو
در ابتدای هر روز باید ترازو با وزنه های استاندارد در محدوده وزن نمونه های مورد آزمایش کالیبره گردد. همچنین زمان تنظیم کردن صفر مکانیکی ترازو و زمانیکه جهت آزمایش (افقی و عمودی بودن) عوض می شود ترازو باید کالیبره گردد.
5 ـ کالیبراسیون شار حرارتی
کالیبراسیون ترموکوپلهای هیتر مخروطی برای نشان داده مقادیر واقعی شار حرارتی معمولاً هر یک ماه یکبار انجام می شود. در زمان کالیبراسیون باید فاصله بین پایین ترین نقطه هیتر مخروطی و رادیومتر mm25 باشد در ضمن در زمان کالیبراسیون نگهدارنده نمونه نباید روی ترازو باشد.
برای کالیبراسیون به این صورت عمل می شود که یک شار حرارتی (مثلاً 10) را
درنظر گرفته و کنترلر درجه حرارت را طوری تنظیم کرده که رادیومتر این شار حرارتی را نشان دهد. بعد مقادیر عددی شار حرارتی، درجه حرارت ترموکوپل و میلی ولت خروجی رادیومتر را یادداشت می کنیم. این کار را برای نقاط دیگری نیز تکرار کرده و نتایج آن را در جدولی یادداشت می کنیم. نمونه ای از این نتایج در جدول (3 ـ 1) ارائه گردیده است.
باید توجه داشت که با گذشت زمان و طولانی شدن عمر ترموکوپلها و تغییر موقعیت مکانی آنها به خاطر انبساط و انقباض المان گرم کننده، تغییر مختصری در درجه حرارت تنظیم شده برای یک شار حرارتی معین، قابل پیش بینی است و به همین دلیل است که باید این کالیبراسیون یک ماه یکبار انجام گیرد.
1