CC BY
25
mgr inz. Tomasz POPIELARCZYK
Zespol Laboratoriow Sygnalizacji Alarmu Pozaru i Automatyki Pozarniczej
BADANIE WPLYWU GÇSTOSCI DREWNA ULEGAJ^CEGO SPALANIU NA CZAS ZADZIALANIA CZUJEK DYMU
Streszczenie
Artykul przedstawia opis i wyniki badania dotycz^cego wplywu gçstosci drewna na wlasciwosci detekcyjne czujek dymu.
Summary
This article presents description and results of test relating influence of wood density on properties detection of smoke detectors.
Wprowadzenie
Drewno, obok kamienia i gliny jest najstarszym materialem stosowanym w budownictwie. Z drewna powstaj^. cale budynki, stropy, podlogi (z paneli lub litego drewna), boazeria, sufity, stolarka okienna i drzwiowa, schody i w koncu obecne w kazdym pomieszczeniu meble. Popularnosc tego materialu wi^ze siç glownie z jego duz^ dostçpnosci^, stosunkowo nisk^. cen^, dobrymi wlasciwosciami uzytkowymi oraz jego naturalnosci^ i piçknem.
Obecnosc drewna zwiçksza ryzyko powstania pozaru w pomieszczeniach. Drewno jako material naturalny ma niejednorodn^. i zlozon^. budowç. Nawet drewno tego samego gatunku rozni siç od siebie gçstosci^. (nawet do 100 [kg/m3]), twardosci^. czy wytrzymalosci^. na zginanie. Rowniez mechanizm spalania, sposob i ilosc generacji dymu s^. rozne. Na palnosc drewna wplyw ma obecnosc w jego skladzie roznych dodatkowych substancji: zywic, olejkow eterycznych.
Podczas badan przeprowadzonych na stanowisku znajduj^cym siç w Szkole Glównej Sluzby Pozarniczej w Warszawie starano siç okreslic jaki wplyw na szybkosc zadzialania czujek dymu ma gçstosc drewna, która jest podstawow^. i najczçsciej oznaczan^ wlasciwosci^, poniewaz od gçstosci zalez^ fizyczne, mechaniczne i technologiczne wlasciwosci drewna [l].
Jako próbki wykorzystano drewno sosny (o gçstosci 453 [kg/m3]), dçbu polskiego (591 [kg/m3]), dçbu kanadyjskiego (709 [kg/m3]) oraz drewna kempas (SSO [kg/m3]). Zakupiono je w sklepie budowlanym, dziçki temu w znacznym stopniu odzwierciedlaj^. materialy wystçpuj^ce w pomieszczeniu podczas pozaru.
Sposród wszystkich czujek wykrywaj^cych oznaki pozaru do badan wykorzystano czujki dymu, poniewaz przy spalaniu drewna najszybciej tworzy siç dym, dlugo przed wzrostem temperatury i pojawieniem siç plomienia. Poza tym na korzysc tego rodzaju czujek przemawia ich szerokie stosowanie w pomieszczeniach (znacznie wiçksza niz czujek plomienia czy temperatury).
Badanie przeprowadzono na stanowisku badawczym znajduj^cym siç w Laboratorium Technicznych Systemów Zabezpieczen w Szkole Glównej Sluzby Pozarniczej w Warszawie.
Badanie przebiegalo w dwóch etapach - w zaleznosci od rodzaju spalania: plomieniowego i bezplomieniowego.
Dla kazdego rodzaju spalania wykonano 5 pomiarów, dla trzech róznych prçdkosci przeplywu powietrza w 0,2; 1 i 5 [m/s]. Pozwolilo to na zaobserwowanie wplywu prçdkosci na czas zadzialania róznych czujek. Kazdy pomiar trwal 1S0 [s] (chyba ze wszystkie czujki zadzialaly wczesniej).
Do spalania bezplomieniowego wykorzystano plytç grzejn^. o srednicy 200 [mm], rozgrzan^. do temperatury okolo 500OC. Strumien mocy promieniowania plyty grzejnej wynosil 30 [kW/m2].
Do podpalania próbek przy spalaniu plomieniowym wykorzystano denaturat, w ilosci 15 [ml], z uwagi na trudnosci w zapocz^tkowaniu spalania próbek. Denaturat wlewany byl do pojemnika o srednicy 50 [mm], umieszczonego pod próbkami. Przed glównymi pomiarami, spalono 15 [ml] denaturatu, zadna czujka nie weszla w stan alarmu. Mozna wnioskowac, iz ta substancja nie zaklóca wyników pomiarów.
Fot. 1. Sposób spalania plomieniowego drewna
'i.
Fot. 2. Sposób spalania bezplomieniowego drewna
Na swiecie (glównie w USA) prowadzi siç podobne badania wplywu produktów spalania róznych materialów wystçpuj^cych w pomieszczeniach, na czas zadzialania czujek dymu [2, 3].
Gçstosc drewna
Wyrazana jest jako stosunek masy drewna do jego objçtosci. Drewno wraz ze wzrostem wilgotnosci zmienia i swoj^. objçtosc, i masç. Po przekroczeniu wilgotnosci
granicznej ustaje wzrost objçtosci, nastçpuje tylko wzrost masy drewna. W literaturze wystçpujy trzy okreslenia gçstosci drewna [4]:
• gçstosc drewna absolutnie suchego,
• gçstosc drewna wilgotnego,
• gçstosc umowna.
Istniejy specjalne wzory umozliwiajyce przeliczanie wyzej wymienionych gçstosci miçdzy sob y.
Gçstosc drewna zalezy od: gatunku drewna, wilgotnosci, polozenia drewna w pniu, warunków wzrostu drzewa, obecnosci wad. Najwiçkszy wplyw na gçstosc drewna ma jednak wiek drzewa - gçstosc rosnie wraz z wiekiem drzew [5].
Niejednorodna budowa drewna powoduje, ze wahania gçstosci mogy dochodzic nawet do 100 kg/m3. Duza gçstosc wykazuje drewno pochodzyce z odziomkowej czçsci pnia. Najwiçkszy gçstosc ma drewno galçzi i sç^w.
Wedlug F. Krzysika [б] drewno pod wzglçdem gçstosci klasyfikuje siç na klasy:
I. drewno bardzo ciçzkie (ponad S00 kg/m3) - grab, cis, bukszpan, gwajak, heban, eukaliptus, kempas,
II. drewno ciçzkie (710 - S00 kg/m3) - buk, dyb, jesion, orzech, grusza, sliwa,
III. drewno umiarkowanie ciçzkie (610 - 700 kg/m3) - brzoza, klon, jawor, jablon, modrzew, wiyz,
IV. drewno lekkie (510 - 600 kg/m3) - jalowiec, kasztanowiec, mahon,
V. drewno umiarkowanie lekkie (410 - 500 kg/m3) - sosna, swierk, jodla, olcha lipa, osika, cedr, tik,
VI. drewno bardzo lekkie (ponizej 400 kg/m3) - topola, wejmutka, balsa.
Tak wiçc w porównaniu z innymi materialami budowlanymi drewno jest materialem
lekkim.
Uktad pomiarowy
Stanowisko pomiarowe sklada siç z nastçpujycych glównych elementów:
• komory spalania o wymiarach 1,2 x 1,2 x 1,2 [m] - spalane sy w niej próbki plomieniowo lub bezplomieniowo; zapalanie drewna przy spalaniu plomieniowym nastçpuje przy uzyciu okreslonej ilosci denaturatu (w badaniu uzyto 15 [ml]), natomiast przy spalaniu bezplomieniowym - rozklad termiczny na plycie grzejnej o temperaturze okolo 500OQ powietrze do komory spalania zasysane jest przez otwór
zasysajycy, przeplywajyc jeszcze przez prostownicç strumienia, takie polozenie otworu oraz prostownica strumienia eliminuje wplyw przeplywu powietrza na spalanie siç próbki; w komorze znajdujy siç równiez termopary do pomiaru temperatury;
• tunelu o przekroju 0,4 x 0,4 [m] - zasysane sy do niego lotne produkty spalania z komory; uklad wentylacyjny umozliwia regulacjç prçdkosci przeplywu w tunelu w zakresie od 0,1 do 7 [m/s]; w tunelu umieszczone sy badane czujki dymu, których napiçcie zasilania kontrolowane jest przez multimetr, oraz czujniki do pomiaru: o parametrów czystek dymu (IPS-CR), o parametru y [-]: glowica pomiarowa - komora j onizacyj na, o parametru m [dB/m] : glowica pomiarowa densytometru - pomiar zewnçtrzny,
o temperatury: termopary,
o prçdkosci przeplywu powietrza: czujnik anemometru.
Wszystkie pomiary sy zapamiçtywane przez programy komputerowe,
z czçstotliwosciy 1 [Hz] (co 1 [s]).
Czas t zadzialania czujki dymu mierzono stoperem z dokladnosciy co do 0,1 [s]. Niepewnosc pomiaru czasu zadzialania czujki dymu wynosi u(t) = 0,2 [s]. Jest to zwiyzane z czasem reakcji czlowieka wlyczajycego i wylyczajycego stoper.
Fot. 3. Widok ogólny stanowiska pomiarowego
Badane czujki dymu
Czujka dymu jest podstawowym elementem systemu sygnalizacji pozarowej
i najczçsciej stosowany ze wszystkich czujek. Wynika to przede wszystkim z faktu, ze czas reakcji tych czujek wynosi kilka sekund, w którym to czasie zmiana temperatury
w pomieszczeniu jest jeszcze niezauwazalna. Czujka dymu ogólnie powoduje alarm juz na samym poczytku powstania pozaru, kiedy material zaczyna siç tlic i ilosc dymu w powietrzu osiygnie okreslony koncentracjç. Dzieje siç to jeszcze przed tym, zanim nastypi intensywny otwarty plomien [7].
Do badan wykorzystano czujki krajowych i zagranicznych producentów:
• optyczny czujkç dymu bez komory pomiarowej,
• optyczny czujkç dymu z komory pomiarowy (nr 1),
• optyczny czujkç dymu z komory pomiarowy (nr 2),
• j onizacyj ny czuj kç dymu.
Jonizacyjna czujka dymu wedlug Polskiej Normy [В] definiowana jest jako czujka czula na produkty spalania, zdolne do wplywania na prydy jonizacji w jej komorze. Dziala na zasadzie zmniejszania prydu jonizacji pomiarowej komory jonizacyjnej w wyniku zmniejszenia siç ruchliwosci nosników prydu, do których, podczas pozaru, przylyczajy siç odrobiny dymu. Czulosc tych czujek nie zalezy praktycznie od barwy dymu, jest aktywna w zakresie juz od niewidzialnych produktów spalania. Na czulosc ma wplyw wielkosc czystek dymu (im wiçksze czystki tym czulosc jest mniejsza). Na dzialanie czujek jonizacyjnych duzy wplyw majy warunki srodowiskowe, które mogy powodowac falszywe alarmy.
Optyczna punktowa czujka dymu wedlug Polskiej Normy [В] definiowana jest jako czujka czula na produkty spalania zdolne do wplywania na rozpraszanie promieniowania w zakresie widma elektromagnetycznego (podczerwonym, widzialnym i/lub nadfioletowym). Zasada dzialania tej czujki oparta jest na wykorzystaniu zjawiska dyspersji (rozpraszania) swiatla. Podstawowymi elementami tych czujek sy fotoelement (najczçsciej fotodioda - dioda LED, emitujyca swiatlo o dlugosci fali okolo 0,9 p,m) odbierajycy swiatlo z emitera (odbiornik), oraz impulsowe zródlo swiatla (nadajnik), którym najczçsciej jest dioda elektroluminescencyjna zasilana sygnalem z generatora sygnalowego. Jednym z nowszych rozwiyzan jest czujka bez komory pomiarowej (jej zadania spelnia najblizsze otoczenie). Aby wyeliminowac falszywe alarmy i zaklócenia w pracy czujki stosuje siç kilka ukladów pomiarowych oraz stosuje siç specjalne filtry optyczne, w zaleznosci od dlugosci fali nadajnika.
Czujki jonizacyjne majy zazwyczaj wiçkszy czulosc przy wysokich stçzeniach malych czystek (np. przy spalaniu drewna), natomiast mniejszy majy przy niskich stçzeniach (np. duzych kropel dymu powstajycych podczas spalania bezplomieniowego).
Czujki punktowe optyczne maj^ wiçksz^ czulosc przy cz^steczkach dymu
0 srednicach równych w przyblizeniu dlugosci fali swietlnej, a nisk^ czulosc przy cz^steczkach dymu o srednicach duzo mniejszych. Czujki te uzupelniaj^ czujki jonizacyjne, w tym ze maj^ one wiçksz^ czulosc na dymu powstaj^ce przy spalaniu bezplomieniowym
1 mniejsz^ przy pozarach plomieniowych (niskodymowych, takich jak spalanie drewna). Rozwazania te przedstawia ponizszy wykres.
Spalanie ptomieniowe bezplomieniowe
Ryc. 1. Zaleznosc czulosci czujek dymu od srednicy cz^stek dymu [7]
Czulosc czujek dymu silnie zalezy od barwy dymu. O ile w przypadku czujek jonizacyjnych nie ma ona takiego wplywu, o tyle dla czujek optycznych barwa dymu ma bardzo duze znaczenie. Zaleznosc t^ przedstawia ponizszy wykres.
NIEWIDZIALNY JASNY CIEMNY CZARNY
Ryc. 2. Zaleznosc czulosci czujek dymu od barwy dymu [7]
Tabela 1.
Charakterystyka uzytych materialów w badaniu
Parametr Rodzaj drewna
Sosna D^b polski D^b kanadyjski Kempas
Wymiar próbek - spalanie bezplomieniowe, [cm] 7 x 2 x 1,7
Wymiar próbek - spalanie plomieniowe, [cm] 28 x 2 x 1,7
Ilosc próbek do pomiaru przy spalaniu bezplomieniowym, [szt] б
Ilosc próbek do pomiaru przy spalaniu plomieniowym, [szt] 10
Gçstosc, [kg/m3] 453 591 709 880
Poczytek rozkladu termicznego, ["C] 130 140 140 brak danych
Temperatura zaplonu, ["C] 210 290 290
Temperatura samozaplonu, ["C] Зб5 4б0 4б0
Klasyfikacja wlasnosci dymotwórczych srednia intensywnosc dymienia
Cieplo spalania, [kJ/kg] 22100 21300 21300
Indeks tlenowy, [%] 22,4 24,б 24,б
Wytrzymalosc na sciskanie, [N/mm2] 42 4б 4б бб
Zginanie statyczne, [N/mm2] 7б 90 90 12б
Wyniki badañ
Spalanie bezptomieniowe
Rysunki б i 7 przedstawiajy czasy zadzialania dwóch czujek optycznych z komory (oznaczonej w badaniu numerem 1) i bez komory pomiarowej przy spalaniu bezplomieniowym. Czasy zadzialania czujki z komory pomiarowy sy wyraznie mniejsze niz czasy zadzialania czujki bez komory pomiarowej. Stwierdzono, ze wraz ze wzrostem prçdkosci przeplywu powietrza dla czujki z komory pomiarowy wzrasta czas detekcji produktów spalania, natomiast dla czujki bez komory - maleje. Nalezy jednak zaznaczyc, ze przy wyzszych gçstosciach drewna, dla najwiçkszej prçdkosci przeplywu powietrza (5 [m/s]) czujki te nie wykrywaly produktów spalania drewna w ogóle.
Sosna D^b polski D^b kanadyjski Kempas
Gatunek drewna
■ 0,2 [m/s] □ 1 [m/s] □ 5 [m/s]
Ryc. 3. Czas zadzialania optycznej czujki dymu z komory pomiarowy (nr 1) w zaleznosci od rodzaju drewna, przy spalaniu bezplomieniowym
120 -,
Sosna D^b polski D^b kanadyjski Kempas
Gatunek drewna
■ 0,2 [m/s] □ 1 [m/s] □ 5 [m/s]
Ryc. 4. Czas zadzialania optycznej czujki dymu bez komory pomiarowej w zaleznosci od gçstosci drewna, przy spalaniu bezplomieniowym
Porównanie dwóch optycznych czujek dymu z komory pomiarowy (nr 1 i 2) o innych parametrach ukladu detekcyjnego, pokazuje podobne zaleznosci czasów zadzialania od gatunku (gçstosci) drewna i prçdkosci przeplywu powietrza. Stwierdzono jednak, ze dla czujki nr 2 czasy te sy krótsze (rysunek В).
■ 0,2 [m/s] □ 1 [m/s] □ 5 [m/s]
Ryc. 5. Czas zadzialania optycznej czujki dymu z komory pomiarowy (nr 2) w zaleznosci od rodzaju drewna, przy spalaniu bezplomieniowym
Analiza wyników badan jonizacyjnej czujki dymu (rysunek 9) pozwala stwierdzic, ze czujka ta wykazuje znacznie mniejszy czulosc na produkty spalania niz czujki optyczne, a czasy detekcji wzrastajy wraz ze wzrostem gçstosci drewna. Dodatkowo czujka jonizacyjna zadzialala tylko dla najmniejszej prçdkosci przeplywu powietrza.
Sosna D^b polski D^b kanadyjski Kempas
Gatunek drewna
■ 0,2 [m/s] □ 1 [m/s] □ 5 [m/s]
Ryc. б. Czas zadzialania jonizacyjnej czujki dymu w zaleznosci od rodzaju drewna, przy
spalaniu bezplomieniowym
Spalanie plomieniowe
W przypadku spalania plomieniowego lepsze wlasciwosci wykazala czujka jonizacyjna dymu (rysunek 10). Czasy zadzialania byly mniejsze, w porównaniu z wynikami czujek optycznych. Dla malych prçdkosci przeplywu powietrza czasy te rosly wraz ze wzrostem gçstosci drewna, natomiast przy prçdkosci 5 [m/s] malaly. W przypadku drewna o najmniejszej gçstosci - sosny stwierdzono duzy wzrost czasu detekcji przy wzroscie przeplywu powietrza. Dla pozostalych gatunków drewna wzrost nie byl juz tak wyrazny.
200 180
g 160
E 140
N
° 120
(5
re 100
TS
n 80 d a
N 60
(Л
a
Ö 40 20 0
Ryc. 7. Czas zadzialania jonizacyjnej czujki dymu w zaleznosci od rodzaju drewna, przy
spalaniu plomieniowym
Rysunek 11 przedstawia wyniki dla optycznej czujki dymu bez komory pomiarowej. Dla pozostalych czujek optycznych wyniki sy zblizone. Przy spalaniu plomieniowym stwierdzono lepsze wlasciwosci detekcyjne optycznych czujek dymu przy spalaniu drewna o wiçkszej gçstosci. Mozna wnioskowac, ze wraz ze wzrostem gçstosci drewna, optyczne czujki dymu latwiej wykrywajy dym. Dzieje siç tak tylko dla malych prçdkosci przeplywu powietrza (dla prçdkosci 5 [m/s] wszystkie badane optyczne czujki dymu nie zadzialaly).
174
Sosna D^b polski D^b kanadyjski Kempas
Gatunek drewna
■ 0,2 [m/s] □ 1 [m/s] □ 5 [m/s]
165
Sosna D^b polski D^b kanadyjski Kempas
Gatunek drewna
0,2 [m/s] □ 1 [m/s] □ 5 [m/s]
Ryc. S. Czas zadzialania optycznej czujki dymu bez komory pomiarowej w zaleznosci od rodzaju drewna, przy spalaniu plomieniowym
Podsumowanie i wnioski
Przeprowadzone badania potwierdzajy niejednorodnosc i róznice w budowie drewna oraz pokazujy wplyw gçstosci drewna na czasy zadzialania czujek, jak i na palnosc drewna. Analizujyc wyniki pomiarów mozna sformulowac nastçpujyce wnioski:
• Najszybciej w stan alarmu czujki wchodzily przy spalaniu drewna o najmniejszej
gçstosci (sosna), najpózniej - dla najwiçkszej gçstosci (kempas). Dzialo siç tak dla kazdego typu spalania: plomieniowego i bezplomieniowego. Przy spalaniu
bezplomieniowym czasy zadzialania wahaly siç w malym zakresie.
• Duzy wplyw na czasy zadzialania czujek miala prçdkosc przeplywu powietrza w komorze pomiarowej. Przy prçdkosci 5 [m/s] czujki sporadycznie wykrywaly produkty spalania plomieniowego, jak i bezplomieniowego. Zazwyczaj czasy zadzialania czujek zwiçkszaly siç wraz ze wzrostem prçdkosci przeplywu powietrza.
• Otrzymane wyniki potwierdzajy dane literaturowe: czujki jonizacyjne dymu lepiej wykrywajy produkty spalania plomieniowego niz bezplomieniowego (podczas badan róznica w detekcji wyniosla okolo 40 ^ B0 [s]), optyczne czujki dymu natomiast odwrotnie, bardziej sy czule przy spalaniu bezplomieniowym niz plomieniowym (nie zadzialaly wcale lub z okolo 60 ^ B0 [s] opóznieniem).
Otrzymane wnioski jednoznacznie pokazujy jak duzy rolç w czasach detekcji spalania ma nie tylko sam rodzaj drewna i jego gçstosc, ale równiez warunki zewnçtrzne (prçdkosc przeplywu powietrza, rodzaj czujki dymu, typ spalania).
Literatura
1. Kokocinski W.: Pomiary wlasciwosci fizycznych i mechanicznych drewna, Poznan: Wydawnictwo Prodruk, 2004.
2. Results From a Full Scale Smoke Alarm Sensitivity Study. Suppression and Detection
Research Application: A Technical Working Conference, 13th Annual. SUPDET 2009. Proceedings. Fire Protection Research Foundation. Feburary 24-27, 2009, Orlando, FL, 2009. CLEARY, T. G. Dostçpny w World Wide Web:
http://fire.nist.gov/bfrlpubs/fire09/PDF/f09007.pdf.
3. Smoke Detector Response to Nuisance Aerosols. International Conference on Automatic Fire Detection "AUBE '99", 11th. Proceedings. University of Duisburg. [Internationale Konferenz uber Automatischen Brandentdeckung.] March 1б-18, 1999, Duisburg. CLEARY, T. G.; GROSSHANDLER, W. L.; CHERNOVSKY, A. Dostçpny w World Wide Web: http://fire.nist.gov/bfrlpubs/fire99/PDF/f99123.pdf.
4. Kozakiewicz P.: Fizyka drewna w teorii i zadaniach, Warszawa: Wydawnictwo SGGW, 200б.
5. Witkowska J.: Gçstosc drewna sosny zwyczajnej w zaleznosci od wieku drzew, Warszawa: XIII Konferencja Naukowa Wydzialu Technologii Drewna SGGW, 1б-18 listopad 1999.
6. Krzysik F.: Nauka o drewnie, Warszawa: Panstwowe Wydawnictwo Naukowe, 197B.
7. Gancarczyk P., KUSTRA P., LOZA H., TUZIEMEK Z., WNÇK W.: Laboratorium Technicznych Systemów Zabezpieczen, Warszawa: Wydawnictwo SGSP, 1999.
B. PN-EN 54-1:1998 Systemy sygnalizacji pozarowej. Wprowadzenie, Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny, 199B.
9. PN-EN 54-7:2002 Systemy sygnalizacji pozarowej. Czçsc 7: Czujki punktowe dzialajyce z wykorzystaniem swiatla rozproszonego, swiatla przechodzycego lub jonizacji, Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny, 2002.
