Hướng dẫn chi tiết thử nghiệm calorimeter hình nón

Nguyên lý của Thử nghiệm Calorimeter Hình Nón

Nguyên lý chính của thử nghiệm này dựa trên phép đo lượng oxy tiêu thụ trong quá trình cháy. Theo nguyên lý này, nhiệt lượng giải phóng trong quá trình đốt cháy có tỷ lệ thuận với lượng oxy tiêu thụ. Cụ thể, mỗi kilôgam oxy tiêu thụ sẽ sinh ra khoảng 13,1 MJ năng lượng nhiệt.

Trong quá trình thử nghiệm, mẫu vật được đốt cháy trong điều kiện kiểm soát với mức bức xạ nhiệt từ 0 đến 100 kW/m². Các cảm biến đo lường nồng độ oxy và lưu lượng khí thải để xác định tốc độ giải phóng nhiệt (HRR - Heat Release Rate) của vật liệu.

Các thông số quan trọng được đo lường

Thử nghiệm Calorimeter Hình Nón cung cấp dữ liệu chi tiết về nhiều đặc tính quan trọng, bao gồm:

• Tốc độ giải phóng nhiệt (HRR - Heat Release Rate): Lượng nhiệt sinh ra trên mỗi đơn vị diện tích mẫu thử.
• Tốc độ tạo khói: Được đo bằng phương pháp truyền ánh sáng để xác định lượng khói sinh ra khi vật liệu cháy.
• Tỷ lệ mất khối lượng: Tốc độ mất khối lượng của mẫu thử trong quá trình cháy, giúp đánh giá mức độ phân hủy của vật liệu.
• Thời gian bắt cháy: Khoảng thời gian cần thiết để mẫu thử bắt lửa dưới điều kiện nhiệt nhất định.

Những thông số này giúp đưa ra cái nhìn toàn diện về hành vi của vật liệu khi tiếp xúc với lửa, từ đó đánh giá mức độ an toàn cháy của sản phẩm.

Tiêu chuẩn quốc tế và ứng dụng của thử nghiệm

Thử nghiệm Calorimeter Hình Nón được công nhận trên toàn cầu và áp dụng trong nhiều lĩnh vực, tuân theo các tiêu chuẩn quan trọng như:

• ISO 5660-1 – Thử nghiệm phản ứng với lửa: đo tốc độ giải phóng nhiệt, tốc độ tạo khói và tỷ lệ mất khối lượng.
• ASTM E1354 – Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để đo tốc độ giải phóng nhiệt và khói nhìn thấy được bằng calorimeter oxy tiêu thụ.
• BS 476 Part 15 – Kiểm tra vật liệu và cấu trúc xây dựng: phương pháp đo tốc độ giải phóng nhiệt của sản phẩm.
• ULC-S135-04 – Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để xác định các thông số cháy của vật liệu xây dựng bằng calorimeter oxy tiêu thụ.

Nhờ khả năng đánh giá chính xác hiệu suất cháy, thử nghiệm này được ứng dụng rộng rãi trong:

• Xây dựng (kiểm tra vật liệu cách nhiệt, gỗ, ván ép).
• Công nghiệp nhựa & polymer (đánh giá sự cháy của vật liệu tổng hợp).
• Ngành vận tải (đánh giá mức độ an toàn cháy của vật liệu nội thất xe lửa, máy bay, ô tô).
• Sản xuất cáp điện (đánh giá nguy cơ cháy nổ từ dây dẫn).

Ưu điểm của Thử nghiệm Calorimeter Hình Nón

So với các phương pháp thử nghiệm truyền thống, thử nghiệm Calorimeter Hình Nón có nhiều ưu điểm vượt trội:

• Đánh giá toàn diện: Một thử nghiệm có thể cung cấp dữ liệu về nhiều đặc tính cháy khác nhau, giúp phân tích đầy đủ khả năng cháy của vật liệu.
• Độ chính xác cao: Các thiết bị đo lường hiện đại giúp đảm bảo dữ liệu thu được là đáng tin cậy và có thể lặp lại.
• Mô phỏng gần với thực tế: Các kết quả từ thử nghiệm này có mối tương quan cao với các thử nghiệm cháy quy mô lớn, giúp dự đoán chính xác cách vật liệu sẽ phản ứng khi gặp hỏa hoạn trong điều kiện thực tế.

Phương pháp thử nghiệm theo tiêu chuẩn ISO 5660-1

1. Chuẩn bị mẫu thử

• Kích thước mẫu: 100 mm × 100 mm (10 cm × 10 cm), độ dày có thể thay đổi nhưng thường không quá 50 mm.
• Hình dạng và trạng thái mẫu: Mẫu thử có thể ở dạng rắn, composite hoặc phủ lớp bảo vệ. Nếu là vật liệu dễ bị uốn cong, cần có giá đỡ kim loại để giữ mẫu ổn định.
• Số lượng mẫu: Ít nhất 3 mẫu thử để đảm bảo độ chính xác.

2. Thiết lập thiết bị thử nghiệm

Thử nghiệm được thực hiện trong buồng Calorimeter Hình Nón, gồm các thành phần chính:

• Bộ gia nhiệt hình nón: Cung cấp nhiệt bức xạ với mức năng lượng từ 10 đến 100 kW/m², thường sử dụng 50 kW/m² để mô phỏng điều kiện cháy thực tế.
• Bộ mồi lửa (spark igniter): Phát ra tia lửa điện để kích thích quá trình cháy của mẫu thử.
• Buồng thu khói: Đo mức độ sinh khói trong quá trình cháy.
• Hệ thống đo oxy tiêu thụ: Xác định lượng oxy mất đi để tính toán tốc độ giải phóng nhiệt.

3. Tiến hành thử nghiệm

Bước 1: Đặt mẫu thử dưới bộ gia nhiệt

• Mẫu thử được đặt trên khay chịu nhiệt bên dưới bộ gia nhiệt hình nón.
• Khoảng cách từ nguồn nhiệt đến mẫu là 25 mm.

Bước 2: Áp dụng mức nhiệt bức xạ

• Bộ gia nhiệt bắt đầu cung cấp mức năng lượng nhiệt mong muốn (thường là 50 kW/m²).
• Quan sát xem mẫu có bắt cháy tự nhiên hay không.

Bước 3: Đốt cháy mẫu thử (nếu cần thiết)

• Nếu mẫu không bắt cháy sau một khoảng thời gian nhất định, bộ mồi lửa (spark igniter) sẽ kích hoạt tia lửa điện để thúc đẩy quá trình cháy.

Bước 4: Đo lường và ghi nhận thông số

• Tốc độ giải phóng nhiệt (HRR - Heat Release Rate): Được tính dựa trên lượng oxy tiêu thụ trong quá trình cháy.
• Thời gian bắt cháy (TTI - Time to Ignition): Khoảng thời gian từ khi tiếp xúc với nguồn nhiệt đến khi xuất hiện ngọn lửa ổn định.
• Tốc độ mất khối lượng (MLR - Mass Loss Rate): Đo lường mức độ mất khối lượng do quá trình cháy.
• Tốc độ tạo khói (SPR - Smoke Production Rate): Được đo bằng cảm biến quang học trong buồng thu khói.

Bước 5: Kết thúc thử nghiệm và làm sạch thiết bị

• Khi mẫu thử cháy hết hoặc sau thời gian quy định, quá trình thử nghiệm kết thúc.
• Các dữ liệu thu thập được sẽ được phân tích và lập báo cáo.

4. Phân tích kết quả thử nghiệm

Kết quả từ thử nghiệm ISO 5660-1 được đánh giá dựa trên:

• HRR (kW/m²) – Mức độ phát sinh nhiệt của vật liệu, giá trị càng cao, nguy cơ cháy càng lớn.
• TTI (s) – Thời gian bắt cháy, nếu quá ngắn, vật liệu có nguy cơ cháy nhanh.
• MLR (g/s) – Tốc độ mất khối lượng, phản ánh tốc độ phân hủy của vật liệu khi cháy.
• SPR (m²/s) – Mức độ phát sinh khói, quan trọng với các vật liệu sử dụng trong không gian kín (tàu điện, máy bay).

Dữ liệu này giúp xác định liệu vật liệu có phù hợp với tiêu chuẩn an toàn cháy của các ngành như xây dựng, hàng không, đường sắt và sản xuất nội thất.

Phương pháp thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM E1354

Mục đích

ASTM E1354 là tiêu chuẩn thử nghiệm Calorimeter Hình Nón được sử dụng để đo tốc độ giải phóng nhiệt (HRR), tốc độ tạo khói, tỷ lệ mất khối lượng và thời gian bắt cháy của vật liệu trong điều kiện nhiệt bức xạ.

Quy trình thử nghiệm

Chuẩn bị mẫu thử

• Kích thước: 100 mm × 100 mm, độ dày không quá 50 mm.
• Số lượng: Tối thiểu 3 mẫu thử.
• Vật liệu mềm cần có khung giữ mẫu để cố định.

Thiết lập thiết bị thử nghiệm

• Bộ gia nhiệt hình nón: Cung cấp nhiệt bức xạ từ 0 đến 100 kW/m² (thường là 50 kW/m²).
• Bộ mồi lửa: Tạo tia lửa điện để kích hoạt quá trình cháy.
• Buồng thu khói: Đo mức độ sinh khói.
• Hệ thống đo oxy tiêu thụ: Xác định tốc độ giải phóng nhiệt dựa trên lượng oxy mất đi.

Thực hiện thử nghiệm

• Đặt mẫu dưới bộ gia nhiệt, khoảng cách 25 mm.
• Gia nhiệt đến mức bức xạ mong muốn.
• Quan sát thời gian bắt cháy (TTI) và quá trình cháy.
• Đo tốc độ giải phóng nhiệt (HRR), lượng khói sinh ra và tốc độ mất khối lượng.

Phân tích kết quả

• HRR (Heat Release Rate): Đo bằng kW/m², xác định mức độ cháy của vật liệu.
• TTI (Time to Ignition): Thời gian từ khi tiếp xúc nhiệt đến khi bắt lửa.
• MLR (Mass Loss Rate): Tốc độ phân hủy của vật liệu.
• SPR (Smoke Production Rate): Đánh giá mức độ nguy hiểm do khói.

Phương pháp thử nghiệm theo tiêu chuẩn BS 476 Part 15

Mục đích

BS 476 Part 15 là tiêu chuẩn của Anh sử dụng Calorimeter Hình Nón để xác định tốc độ giải phóng nhiệt của vật liệu trong điều kiện cháy.

Quy trình thử nghiệm

Chuẩn bị mẫu thử

• Kích thước: 100 mm × 100 mm, độ dày không quá 50 mm.
• Mẫu có thể là vật liệu rắn, composite hoặc có lớp phủ bảo vệ.

Thiết lập thiết bị

• Nguồn nhiệt bức xạ: 25, 50 hoặc 75 kW/m².
• Bộ mồi lửa: Sử dụng tia lửa điện.
• Cảm biến đo oxy: Đánh giá mức tiêu thụ oxy để tính toán HRR.
• Buồng thu khói: Đo lượng khói sinh ra.

Thực hiện thử nghiệm

• Gia nhiệt mẫu thử và quan sát quá trình cháy.
• Đo lường HRR, thời gian bắt cháy (TTI), tốc độ mất khối lượng (MLR), tốc độ sinh khói (SPR).

Phân tích kết quả

• HRR cao → nguy cơ cháy lớn.
• SPR cao → lượng khói sinh ra nhiều, nguy hiểm trong hỏa hoạn.
• TTI dài → vật liệu khó bắt cháy, an toàn hơn.

Phương pháp thử nghiệm theo tiêu chuẩn ULC-S135-04

Mục đích

ULC-S135-04 là tiêu chuẩn của Canada dựa trên Calorimeter Hình Nón, giúp xác định các đặc tính cháy của vật liệu xây dựng và nội thất.

Quy trình thử nghiệm

Chuẩn bị mẫu thử

• Kích thước: 100 mm × 100 mm, độ dày tối đa 50 mm.
• Ít nhất 3 mẫu thử để đảm bảo độ chính xác.

Thiết lập thiết bị

• Bức xạ nhiệt: 50 kW/m² (thường được sử dụng phổ biến nhất).
• Hệ thống mồi lửa: Dùng tia lửa điện để kích hoạt cháy.
• Cảm biến đo oxy: Giúp xác định HRR dựa trên lượng oxy tiêu thụ.
• Hệ thống đo khói: Đánh giá mức độ nguy hiểm của khói sinh ra.

Thực hiện thử nghiệm

• Gia nhiệt mẫu thử và ghi nhận thời gian bắt cháy (TTI).
• Đo tốc độ giải phóng nhiệt (HRR), tốc độ mất khối lượng (MLR), tốc độ sinh khói (SPR).

Phân tích kết quả

• HRR cao → nguy cơ cháy lớn, cần cải thiện vật liệu.
• MLR cao → vật liệu phân hủy nhanh khi gặp lửa.
• SPR cao → tạo nhiều khói, nguy hiểm trong đám cháy.

So sánh nhanh giữa các tiêu chuẩn