Calorímetro de cono
Laboratorio > ► Ensayos de inflamabilidad
Calorímetro de cono
En los últimos años, este instrumento ha demostrado ser el mejor instrumento para medir la tasa de liberación de calor durante la combustión de un material. También es posible obtener información sobre la opacidad de los humos y el tipo de gas producido. El calorímetro de cono es la principal herramienta que se utiliza para evaluar el comportamiento de la llama de un material. Un calorímetro de cono es un dispositivo grande que calienta muestras para comprender las propiedades de combustión de las muestras. Se llama calorímetro de cono porque la parte que calienta la muestra tiene forma cónica; en comparación con el resto de la máquina, sin embargo, es una unidad bastante pequeña. Además del calentador cónico, hay otras partes importantes, como el portamuestras, un mecanismo de disparo y una unidad de muestreo. En general, este calorímetro se utiliza en ingeniería de seguridad contra incendios, y los fabricantes y los laboratorios de investigación gubernamentales lo utilizan con más frecuencia. Esto permite a los usuarios comprender los elementos de combustión de un material midiendo su seguridad. Los calorímetros de cono son dispositivos hechos con el propósito de tomar muestras y prenderles fuego. Estas muestras pueden ser muestras de muebles, materiales aislantes o tipos de tejidos. El objetivo de preparar la muestra de fuego es comprender cuánto calor y energía necesita la muestra para quemar, cuánto humo produce cuando lo hace, cuánta masa se pierde y cuánto oxígeno se agota. Al comprender estas medidas, los ingenieros pueden reconocer cuán peligroso es el uso del material. Hay muchos calorímetros diferentes, pero el calorímetro de cono es especial porque utiliza un sistema de calentamiento en forma de cono. Conocido como calentador cónico, esta unidad es responsable de la salida de calor y es el elemento más utilizado en el calorímetro. Para los materiales que se queman, el calentador cónico emite grandes cantidades de energía y transforma la energía eléctrica en calor. Si bien este es uno de los componentes más importantes del calorímetro, también es una parte muy pequeña en comparación con toda la máquina. Si bien el calentador cónico puede ser la unidad más importante, existen otras unidades importantes necesarias para que un calorímetro de cono mida con precisión la información de combustión.
Pruebas
Este tipo de prueba se encuentra dentro de las clasificadas como de media escala. Es
uno de los ensayos que más información aporta y se ha empleado a niveles de I+D
como en herramientas de ingeniería de la protección del fuego debido a la capacidad
de escalar sus resultados a escenarios reales. En este tipo de ensayo, el calor y el
humo son medidos junto con la pérdida de masa y la inflamabilidad en varias
condiciones de flujos de calor.
En este tipo de ensayo se determina la tasa de liberación de calor, el tiempo de
ignición, la pérdida de peso de la muestra durante la combustión, el calor efectivo de
combustión (calor generado por pérdida de masa), tasa de generación de humo, de
dióxido de carbono, de monóxido de carbono y de algunos otros gases como
halogenuros de hidrógeno.
Este tipo de ensayo ha encontrado interés en ciertos autores a la hora de buscar
correlaciones con otros ensayos. Se pueden encontrar correlaciones en cuanto a la
tasa de liberación de calor, la tasa media de liberación de calor y el calor liberado a los
60 segundos con las clasificaciones UL9439. No se encuentran correlaciones en el
resto de parámetros.
Descripción de la herramienta
Normalmente el calorímetro utiliza el aire atmosférico del lugar donde se ubica; por otro lado, sin embargo, para estudios particulares, se utilizan calorímetros que funcionan con atmósfera controlada, es decir, a una presión y/o composición diferente a la atmosférica. Los componentes principales del instrumento se informarán y describirán más adelante en este párrafo.
Fuente termal
La fuente de calor simula un incendio y sirve para calentar la muestra. Esta debe calentar la muestra mediante la irradiación uniforme de toda la superficie expuesta, ser insensibles a la radiación de la muestra durante su combustión, tener un espectro de emisión e intensidad similares a las que ocurren durante un incendio, tienen flujo térmico fácilmente controlable. Para satisfacer estos requisitos, la fuente consta de un elemento filiforme en material cerámico enrollado a lo largo de un cono truncado y calentado eléctricamente. El flujo de calor generalmente utilizado es de 50 kW/m2
Muestra y portamuestras
El tamaño de la muestra afecta tanto la ignición de la muestra como la tasa de liberación de calor durante la combustión. Por tanto, es comprensible que la elección de los tamaños de muestra sea de fundamental importancia para obtener análisis fiables. Tras numerosos estudios se han fijado las dimensiones más adecuadas en 100x100 mm y espesores de 6 a 50 mm. La muestra se coloca, generalmente en posición horizontal, sobre el portamuestras que tiene como fondo una capa de material cerámico refractario que, a su vez, se conecta a una balanza.
Sistema de encendido
Los gases generados por la pirólisis de la muestra pueden encenderse por autoignición o encenderse. En este segundo caso se requiere el sistema de encendido. Se prefiere el encendido con chispa que con llama piloto, ya que tiene las ventajas de no aportar cantidades apreciables de calor al sistema, de permitir la determinación precisa del momento en el que se produce el encendido, de no estar influenciado por la presencia de sustancias.
retardantes de llama.
Sistema de eliminación de humo
El caudal del aire de combustión no debe ser demasiado elevado para no diluir excesivamente y eliminar los gases de pirólisis con demasiada rapidez, ni demasiado bajo para que los humos salgan de la campana. El caudal normalmente utilizado es de 24 L/s y es aproximadamente el doble del mínimo requerido para evitar que los humos se escapen de la campana. La eliminación de los gases de combustión se realiza mediante un ventilador conectado a un conducto horizontal que desemboca en la campana. En el conducto hay una brida calibrada, un termopar y unos orificios para medir la opacidad de los humos y para el análisis de gases.
Parámetros que puede determinar el calorímetro de cono
Los parámetros, obtenidos en el apartado experimental, utilizando el calorímetro se enumerarán a continuación:
- Peso residual de la muestra [%], es decir, el peso del residuo de combustión de la muestra pirolizada durante el ensayo.
- HRR (tasa de liberación de calor): tasa de liberación de calor [kW/m2], es decir, la potencia térmica desarrollada por la muestra referida a la unidad de superficie radiada
- pHRR (pico de tasa de liberación de calor): corresponde al pico de la función HRR. Se mide en [kW/m2]
- THR (liberación total de calor): calor desarrollado por unidad de superficie [MJ/m2]. Representa la integral de tiempo de la función HRR
- TML (pérdida de masa total): la masa total perdida debido a la combustión [g]
- TSR (emisión total de humo): tendencia temporal de las emisiones de humo [m2/m2]
- Rendimiento de CO y CO2: se refiere a la producción de monóxido de carbono y dióxido de carbono por unidad de masa de muestra pirolizada [kg /kg]
Sin embargo, cabe señalar que las medidas mencionadas anteriormente se caracterizan por una modesta reproducibilidad y esto se debe a la complejidad del instrumento, las numerosas variables que intervienen en el proceso de combustión y el procesamiento al que se someten los datos; por esta razón, por regla general, las pruebas se realizan en al menos cinco especímenes por cada muestra.
Consideraciones para determinar parámetros
Específicamente, queremos discutir cómo se obtiene la HRR (tasa de liberación de calor). La tasa de liberación de calor se evalúa una vez que se conoce la cantidad de oxígeno consumido durante la combustión: entre las dos cantidades, de hecho, hay proporcionalidad y para los sólidos orgánicos la constante de proporcionalidad es de 13,1 MJ/kg. Este consumo de oxígeno se calcula a partir de medidas de caudal, temperatura y concentración del oxígeno sin reaccionar y de los productos de combustión (CO, CO2 y H2O) en el tubo de escape: por lo tanto, es necesario que todos los gases se eliminen a través de este tubo. Esto muestra que los resultados que proporciona el cono calorimétrico no son precisos, considerando también la introducción de aproximaciones:
- la constante de proporcionalidad cambia con el material y el valor 13,1 MJ / kg corresponde a un valor medio
- se supone un comportamiento ideal para todos los gases
- el aire de combustión se considera una mezcla ideal de oxígeno, nitrógeno y vapor
- se descuidan todas las reacciones que no sean de oxidación
Norma : ASTM E1354, ISO 5660