НОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПЛОСКИХ ИЗДЕЛИЙ НА ОГНЕСТОЙКОСТЬ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Научная статья

УДК 699.81: 614.841. 332

ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура

ВАК: 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения, 2.1.5 Строительные материалы и изделия,

2.1.9. Строительная механика

с1сн:10.51608/26867818_2023_3_74

НОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПЛОСКИХ ИЗДЕЛИЙ НА ОГНЕСТОЙКОСТЬ

© Авторы, 2023 SPIN: 8213-6694 AuthorlD: 664891

SPIN: 4238-7371 AuthorID: 623460

SPIN: 2918-4551 AuthorlD: 235711

ИЛЬИН Николай Алексеевич

к.т.н., профессор РАЕ, Почетный работник ВПО РФ

Самарский государственный технический университет

(Россия, Самара, e-mail: sk@samgtu.ru)

ПАНФИЛОВ Денис Александрович

к.т.н., доцент, заведующий кафедрой ЖБК

Самарский государственный технический университет

(Россия, Самара, e-mail: panda-w800i@yandex.ru)

КОЗЛОВ Александр Вячеславович

к.т.н., доцент кафедры ЖБК

Самарский государственный технический университет (Россия, Самара, e-mail: sk@samgtu.ru) ВАСЮЧКИН Герман Романович студент

Самарский государственный технический университет (Россия, Самара, e-mail: Plato2008@yandex.ru)

Аннотация. В статье приведены результаты усовершенствования испытательной установки для теплофизических исследований и опытного испытания плоских изделий на огнестойкость. Новое техническое решение относится к области теплофизических исследований строительных изделий и испытательной техники по разделу электротехники и может быть использована в электронагревателях сопротивления для тепловых испытаний плоских строительных изделий, сопротивляющихся высокотемпературному воздействию (1000+50°С) стандартного пожара.

Главное и существенное в предложенном техническом решении теплофизической задачи теории огнестойкости состоит в проектировании и изготовлении более легкой, надежной, компактной, безопасной, экологичной и экономичной испытательной установки, используя в качестве нагревателя испытуемого изделия электропанели сопротивления с высоким КПД (75+95)%.

Технологический результат и экономический эффект получен вследствие снижения категории помещения с испытательной установкой от повышенной взрыво-пожароопасности (А; Б) до умеренно-пожароопасности (Г); в возможности более точного регулирования подъема температуры в процессе испытания и степени высокотемпературного нагрева испытуемого изделия; а так же вследствие снижения массы испытательной установки примерно в 100 раз; из-за снижения в 4+10 раз объемных габаритов предлагаемой установки; вследствие повышения в 2,5+3 раза КПД установки по сравнению с аналогом; а так же снижения трудоемкости и трудозатрат на установку и проведение тепловых испытаний [3-5].

Ключевые слова: огнестойкость зданий; плоских изделий; теплофизические исследования; огнестойкость изделий; усовершенствование испытательной установки, особенности нагревателя установки, электропанель сопротивления; новизна элементов установки, суть технического решения; уровень техники; пожарная категория установки; технологический результат, экономический эффект; изобретательский уровень

Для цитирования: Новая установка для испытания малогабаритных плоских изделий на огнестойкость / Н.А. Ильин, Д.А. Панфилов, А.В. Козлов, Г.Р. Васючкин // Эксперт: теория и практика. 2023. № 3 (22). С. 74-79. СЫ:10.51608/26867818_2023_3_74.

Original article

NEW DEVICE FOR TESTING FIRE RESISTANCE OF SMALL SIZE FLAT PRODUCTS

© The Author(s) 2023 ILYIN Nikolay Alekseevich

Candidate of Technical Sciences Samara State Technical University (Samara, Russia, e-mail: sk@samgtu.ru) PANFILOV Denis Alexandrovich

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, head of the department

Samara State Technical University

(Samara, Russia, e-mail: panda-w800i@yandex.ru)

KOZLOV Alexander Vyacheslavovich

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Samara State Technical University

(Samara, Russia, e-mail: sk@samgtu.ru)

VASYUCHKIN German Romanovich

student

Samara State Technical University (Samara, Russia, e-mail: sk@samgtu.ru)

Abstract. The article presents the outcomes of enhancing the test setup for thermophysical research and investigating the fire resistance of flat products. The new technical solution relates to the field of thermophysical research of building products and electrical testing equipment and can be used in electrical resistance heaters for heat testing of flat building products, resisting high temperature (1000+50 °C) standard fire.

The main and essential component of the proposed technical solution to the thermal physical problem of the fire resistance theory is the design and manufacture of a lighter, more reliable, compact, safe, environmentally friendly and economic test setup, using as the heater of the test article the electric resistance panel with high efficiency (75+95)%. To improve technology and save money, we change the test setup from being dangerous for explosions and fires to being safe for moderate fires. This means we can control the temperature rise and heat of the test article more accurately. We also reduce the size of the test unit by about 100 times. We also make it smaller by 4 to 10 times. This makes the plant 2.5 to 3 times more efficient and saves on labor.

Keywords: fire resistance of buildings; flat products; thermophysical research; fire resistance of products; improvement of the test installation, features of the heater installation, electrical resistance panel; novelty of the installation elements, essence of the technical solution; technical level; fire category of installation; technological result, economic effect; inventive level

For citation: New device for testing fire resistance of small size flat products / N.A. Ilyin, D.A. Panfilov, A.V. Kozlov, G.R. Vasyuch-kin // Expert: theory and practice. 2023. № 3 (22). Рр. 74-79. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_3_74.

Совершенствование конструкций экспериментальных установок для испытания на огнестойкость и огнесохранность плоских изделий из бетона является одним из путей развития науки о железобе -тоне и испытательной техники для исследования материалов при повышенных (до 400°С) и высоких (свыше 450°С) температурах (условия пожара в зданиях) [6; 9-10].

Выбор и изготовление рациональной испытательной установки для тепловых испытаний, армированных и неармированных бетонных изделий требуют выявления на стадии проектирования стоимости и трудоемкости изготовления установки и последующего теплового испытания.

Уменьшение затрат на строительные материалы при проектировании и изготовлении испытательной установки, разработка новых усовершен-

ствований по конструированию основных элементов (например, нагревателя) испытательной установки для теплофизических исследований бетона позволяет считать проведение научной работы по данному направлению весьма актуальной [1-2; 8].

Целью данной работы является выявление уровня техники конструктивного решения, отыскание аналогов существующих установок для теплофизиче-ских испытаний бетона плоского изделия для разработки изобретения (полезной модели); обоснование положительных технико-экономических показателей предлагаемых усовершенствований; разработки проекта более прогрессивного, экономичного и пожаробезопасного испытательного устройства.

Из материалов выявления технического уровня конструктивного решения известна установка вертикальная печь для теплотехнических исследований, ко-

торая представляет собой горизонтальную огневую камеру размером 1000х1500х1500 мм, обогреваемую двумя форсунками (см. рис.18 [2]).

Испытательная установка выполнена из шамотного кирпича в сочетании с жестким сварным каркасом. Установка оснащена спец.оборудованием и аппаратурой для создания, контроля и регулирования стандартного температурного режима пожара. Установка работает на жидком топливе (керосине) или на горючем газе (метан), сжимаемых в огневой камере: температурное воздействие- режим стандартного пожара.

Температуру в процессе испытаний измеряют хромель-алюминиевыми (20+1100°С) и хромель-копелевыми (20+600°С) термопарами из проволоки 0 (0,5+0,7) мм; [2].

Из технической литературы известны термокамеры элементов электрических печей [7].

Нагрев в электропанели сопротивления отличается высокими метрологическими показателями, надежностью, долговечностью, простотой оборудования. Специфика электрических печей - большая инерционность, затрудняющая их использование при необходимости нагрева и охлаждения образцов в режиме больших скоростей.

Одним из основных элементов электрических печей является нагреватель. В термокамерах до 450°С применяют трубчатые электронагреватели (ТЭНы), которые удобны для монтажа и закрытостью исполнения. Удельная мощность ТЭНов 2+8 Вт/см2; ^тах = 700 С.

Для электрических печей с температурой свыше 450°С применяют открытые нагреватели из жаростойких сплавов (проволока, прутки, лента, лист): например, сплав Х15 Н60- имеет среднюю плотность 8,8 г/см3; максимальная температура при 0 0,2+3 мм равна 900+1100°С, удельное электросопротивление 1,25 мкОм-м (1100°С).

Теплоизоляция электропечи состоит из 2+3 слоев; внутренний слой образуют огнеупорные изделия с малой теплопроводностью, теплоемкостью и электропроводимостью. Например, шамотные изделия плотностью 1,8^1,9 г/см3; максимальная температура 1350+1450 °С; коэффициент термодиффузии £>в,ис = 27 мм2/мин.

Внешний слой тепловой изоляции состоит из теплоизоляционных материалов с малым коэффициентом термодиффузии; например, плиты цементо-перлитовые средней плотностью 1,0 г/см3; Ьтах = 900°С; £>пп = 14 мм2/мин.

В известной конструкции испытательной техники применяют устройства с электроконтактным нагревом (выделение тепла непосредственно в образце при прохождении по нему электрического тока). Этот метод отличается экономичностью и простотой [7].

Известна установка для теплофизических исследований и испытания на огнестойкость малогабаритных фрагментов плоских конструкций. Испытания на огнестойкость образцов строительных конструкций на установке (печи), выполненной из шамотного кирпича, и оснащенной оборудованием и аппаратурой для создания, контроля и регулирования стандартного температурного режима пожара. Установка работает на жидком топливе (керосине) или на газе, сжигаемых в огневой камере при помощи двух форсунок с воздушным дутьем. Малая горизонтальная печь имеет огневую камеру размером 1000х1000х850 мм, температурный режим определяется зависимостью (1):

= 345 • 1д(8тис + 1) + Се, (1)

где ¿ст- температура в огневой камере печи во время испытания, °С; Се- начальная температура строительного изделия, °С; тис- время от начала испытания, мин. [11].

Недостатки известной малой огневой горизонтальной печи для испытания плоских конструкций на огнестойкость: громоздкость испытательной установки (масса установки из шамотного кирпича М> 10тонн), малый коэффициент полезного действия (КПД) 20+40 % при использовании керосина в качестве топлива; велика трудоемкость изготовления печи, большие трудозатраты на подготовку и проведение огневых испытаний, большая инерциальность малой печи, велика рабочая площадь места испытания, ухудшение санитарно-технических условий для испытателей вследствие выделения вредных продуктов неполного сгорания (окись углерода и т.п.)

Сущность конструктивного решения заключается в проектировании, изготовлении и эксплуатации более легкой, надежной, компактной, безопасной и экономичной испытательной установки, используя в качестве нагревателя испытуемого образца нагревательную электропанель сопротивления с высоким КПД (75+95%).

Выводы: технологический результат и экономический эффект заключаются в: 1) проектировании, изготовлении и эксплуатации более легкой, надежной, компактной, безопасной и экономичной испытательной установки; 2) использовании нагревательной электропанели сопротивления с высоким коэффициентом полезного действия (КПД= 75+95%); 3) снижении класса пожароопасно-сти испытательной установки; 4) улучшении са-нитарно-технических условий для испытателей; 5) возможности более точного регулирования подъема температуры и степени нагрева испытуемого образца до определенной температуры; 6) возможности передачи тепла непосредственно от нагревателя к испытуемому образцу путем электроконтактного соприкосновения, исключая необходимость проектирования огневой камеры; 7) сни-

жении массы установки; 8) снижении трудоемкости и трудозатрат на подготовку и проведение тепловых испытаний.

Указанный технологический результат и экономический эффект при использовании нового конструктивного решения достигается тем, что в известной установке для теплофизических исследований и испытания на огнестойкость плоских изделий, включающей несущий каркас, нагреватель испытуемого изделия, контрольные термопары, аппаратуру и оборудование для создания и регулирования теплового режима стандартного испытания, опирания и закрепление образца изделия, испытуемого на огнестойкость, отличиталь-ные особенности которой заключены в том, что несущий каркас установки, - для размещения, опирания и закрепления элементов нагревательной электропанели сопротивления и её теплоизоляционной футеровки, - выполнен в виде сварной рамы, в качестве материала теплоизоляционной футеровки применен легкий бетон, в качестве нагревателя испытуемого образца изделия применена квадратная в плане нагревательная электропанель сопротивления размером 500х500 мм или прямоугольная в плане размером 500х250 мм; длину активной зоны нагревательной ни-хромовой проволоки электропанели сопротивления вычисляют по уравнению (2):

1а = Бп • Яп/р , (2)

где Бп и Ип - площадь сечения (мм2) и соответственно электрическое сопротивление нагревательной проволоки, Ом; р£ - удельное сопротивление нагретой нагревательной проволоки, Ом • мм2/м;

подовая часть нагревательной электропанели сопротивления снабжена электронагревателем, который выполнен в виде проволочного нагревателя закрытого типа, снабженный контактными выводами;

в качестве условного пода нагревательной электропанели сопротивления использована поверхность контрольной зоны нагрева испытуемого образца изделия;

термопары для контроля и регулирования температуры стандартного теплового испытания оборудованы медными наконечниками и расположены в зоне контактного нагрева непосредственно на обогреваемой поверхности испытуемого образца (дех, °С), изменяющегося по уравнению (3):

дех = 400 • тИс15, (3)

где тис- длительность огневого испытания, мин;

толщина теплоизоляционной футеровки (Нфут, мм) нагревательной электропанели сопротивления определена по уравнению (4):

Яфут = 40 • £>в г

обогреваемой поверхности футеровки, например, Ти = 60 ° С; для проверки и настройки терморегули-рующего оборудования и аппаратуры применен стенд, содержащий предохранители, выключатель, вольтметр, амперметр, автотранстформатор, контрольные термопары, подключенные к самопишущему электронному потенциометру или к милливольтметру [12].

• ^/ТГ , (4)

где £>в Т - коэффициент термодиффузии легкого бетона футеровки, мм2/мин ;

тис - длительность огневого испытания, мин; Ти-предельная безопасная температура нагрева не

Рис. 1. Установка для теплофизических исследований и испытания плоских изделий:

1 - каркас установки; 2 - испытуемый образец изделия;

3 - электропанель сопротивления; 4 - термопара на рабочей поверхности электропанели сопротивления; 5- термопара на необогреваемой поверхности образца изделия; 6 - теплоизоляционная футеровка, армированная гнутой сеткой; 7 - стенд для проверки и настройки терморегуляторов электропанели сопротивления

Рис. 2. Нагревательная электропанель сопротивления:

сечение А-А, вид с торца и сечение Б-Б, вид сверху: 8 - электроды термопары; 9 - огнеупорная пластина из шамота; 10 - проволочный зигзаг; 11 - рабочий спай с наконечником термопары; 12 - контактные выводы; 13 - петля контактного вывода; 14 - арматурный каркас (сетка) электропанели сопротивления; 15 - керамическая изоляционная трубка

Проектирование, изготовление и эксплуатация более легкой, надежной, компактной, безопасной и экономичной испытательной установки дает положительные результаты вследствие снижения массы установки в 100 раз

(Мх/М2 = 10000/100 кг), использование нагревателя в виде электропанели сопротивления (КПД = 75 ^ 90%) вместо керосинового топлива (КПД = 30%) повышает коэффициент полезного действия установки в 2,5 ^ 3 раза, снижение класса пожаро-опасности установки и улучшение санитарно-гигиенических условий для испытателей происходит вследствие замены керосина на электрический ток, использование которого позволяет более точно регулировать подъем температуры на поверхности нагревателей электропанели сопротивления.

Выполнен проект установки для теплофизиче-ских исследований и испытания плоских изделий на огнестойкость; рабочая поверхность электропанели сопротивления закрытого типа имеет размеры в плане 500х500 мм; теплоизоляционная футеровка из легкого бетона плотностью до 700 кг/м3 имеет толщину 160 ^ 180 мм ; электропанель сопротивления со стороны рабочей поверхности оборудована проволочным нагревателем зигзаг, втопленным в тонкий слой жаростойкого бетона на тонкомолотом керамзите и/или на шамоте; в процессе калибровки (тис = 90 мин) и теплового воздействия на контрольную зону образца изделия (дех , °С), создают температурный режим испытательного теплового воздействия, описываемого уравнением (3).

Толщина теплоизоляционной футеровки (Нфут,мм) электропанели сопротивления определена по аналитическому уравнению (4).

Пример 1. Дано: Теплоизоляционная футеровка электропанели выполнена из керамзитобетона плотностью р0 = 1000 кг/м3 на керамзитовом песке, коэффициент термодиффузии легкого бетона Ов Т = 16,5 мм2/мин; предельная температура на необо-греваемой поверхности футеровки Ти = 60 °С; длительность калибровки тис = 90 мин. Определить толщину теплоизоляционной футеровки Нфут, мм.

Решение. Толщина теплоизоляционной футеровки (Нфут, мм) вычислена по уравнению (4): Яфут = 40 • £>вт • тст5/^0'9 = 40 • 16,5 • 90°'5/600'9 = 157мм (16 см). Пример 2. Дано: Допускаемая величина электрического тока /доп = 5 А; диаметр нихромовой проволоки ( при 1=700 °С) = 0,65 мм; сечение нихромовой проволоки Бп = 0,332 мм2; удельное сопротивление нихромовой проволоки р£ = 1,1 Ом • мм2/м.

Определить активную длину нихромовой проволоки для нагревательной панели сопротивления мощность Рп = 1000 Вт при напряжении в сети ис = 220 В.

Решение. 1) Допускаемая величина электрического тока (I, A) определена по уравнению (5):

I = рп/ис = 1000/220 = 4,55 А

2) Омическое сопротивление нихромовой проволоки (Дп,Ом) вычислено по уравнению (6):

дп = ис/1 = 220/4,55 = 48,35 Ом

3) Длина нихромовой проволоки активной зоны (1а,м) вычислена по уравнению (7):

1а = Бп • Дп/р£ = 0,332 • 48,35/1,1 = 14,15 м

Подвеску электропанели сопротивления осуществляют с помощью стальной рамы, содержащей продольные пружины из уголков проката и поперечных пластин, сваренных заподлицо и впритык к перьям уголков проката.

Электропанель сопротивления оборудуют стендом, который содержит предохранители, выключатель, вольтметр, амперметр, автотрансформатор, контурные термопары, подключенные к самопишущему электронному потенциометру или к милливольтметру.

Контактный нагрев теплопроводностью контрольной зоны образца осуществляют следующим образом. Сначала к электропанели плотно прижимают рабочей поверхностью испытуемый образец. Далее включают в сеть электропанель сопротивления и устанавливают требуемую температуру нагрева рабочей поверхности электропанели в заданные промежутки времени с помощью реле-регулятора температуры с термопарой (диапазон измерения от 0 °С до +1300°С). Изменения температуры нагрева рабочей поверхности ($еЖ'°С) электропанели сопротивления по заданной программе испытания образца изделия на огнестойкость длительностью (тис, мин) по уравнению (3).

Следовательно, предложена более легкая, надежная, компактная, безопасная и экономичная испытательная установка с использованием в качестве нагревателя испытуемого образца изделия плоскую электропанель сопротивления.

В Академии строительства и архитектуры СамГТУ подготовлен проект установки для теплофи-зических исследований и испытания плоских изделий на огнестойкость (Самара, 2023 г).

Библиографический список

1. Бартелели Б., Крюппа Ж.. Огнестойкость строительных конструкций./ Пер. с фран. - М., Стройиздат, 1985. - 216 с. (п. 3.5. Нагрев бетонных элементов, с. 66+77).

2. Бушев В.П., Пчелинцев В.А., Федоренко В.С., Яковлев А.И. Огнестойкость зданий - М., Стройиздат, 1970, - 261 с. (п. 2. Установки для испытания на огнестойкость. Установка для теплофизических исследований; с. 51).

3. Закон №123-ФЗ (изм. 2017 г.) Технический регламент о требованиях пожарной безопасности (гл.5. Классификация пожароопасных и взрывоопасных зон).

4. Ильин Н.А., Панфилов Д.А.. Оценка огнестойкости проектируемых железобетонных конструкций зданий: Монография. СамГТУ. - Самара, 2017,

-186 с. (1. Теория огнестойкости железобетенных конструкций; 1.8. Показатель условий нагрева толщины защитного слоя бетона, с.85).

5. Ильин Н.А., Панфилов Д.А., Мордовский С.С.. Сопротивления строительных конструкций зданий в условиях пожара СамГТУ (АСиА) - Самара, 2018, 71 с.

6. Ильин Н.А. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром. - М., Стройиздат, 1983. -200 с. (7. Оперативное испытание свойств бетона, с. 31).

7. Испытательная техника. Справочник. / под ред. В.В.Клюева, - 1982, кн. 2, -560 с. (гл.24. Температурные камеры к машинам для механических испытаний материалов. Методы нагрева. Элементы электрических печей, с.281-282).

8. Научно-технический прогресс в пожарной охране / Юрченко Д.И., Баратов А.Н., Яковлев А.И. и др. -

М., Стройиздат, 1987. -386 с. (п.2.6. Огнестойкость строительных конструкций зданий, с. 96-105).

9. Романенков И.Г., Левитес Ф.А.. Огнезащита строительных конструкций. - М., Стройиздат, 1991. - 320 с. (п.3.3. Методы испытаний огнезащитных материалов и конструкций, с.97-115).

10. Пожаро-, взрывоопасность веществ и материалов. Справ., изд. в 2 кн., кн. 1/ Баратов А.Н., Корольченко А.Я. и др. - М., Химия, 1990. - 496 с. (статьи: керосин; метан).

11. Руководство по испытанию строительных конструкций на огнестойкость. - М., ВНИИПО, 1980. - 52 с. (п. 4.2. Установки для испытания. Рис. 9., 10. Установка для теплофизических испытаний, с. 24-26).

12. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования. ГОСТ 30247.0 - 84. (п. 5. Стендовое оборудование).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 05.06.2023; одобрена после рецензирования 21.08.2023; принята к публикации 21.08.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 05.06.2023; approved after reviewing 21.08.2023; accepted for publication 21.08.2023.