FR2690249A1 - Heat output measurement appts. for sample in combustion - comprises sample chamber with radiant ignition system and combustion products collection system - Google Patents

Heat output measurement appts. for sample in combustion - comprises sample chamber with radiant ignition system and combustion products collection system Download PDF

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Abstract

The appts. includes a cylindrical enclosure (12 ) containing a sample holder (17) with means for weighing the sample and for supplying and measuring the flow of combustion gases. The enclosure forms a chimney above the sample allowing the products of combustion to be collected and analysed for CO and CO2 content. The enclosure forms an insulated tube (12,14,16) which can be removed when necessary, with a window (26) allowing the entry of radiant energy to ignite the sample. USE/ADVANTAGE - Calorimetry of combustible samples. Allows direct measurement of radiant energy emitted.

Description

APPAREIL DE MESURE DE DEBIT CALORIFIQUE D'UN ECHANTILLON EN
COMBUSTION
L'invention a pour objet un appareil de mesure du débit calorifique d'un échantillon de matériau dans des conditions représentatives de celles d'un incendie. Il est en effet important de connaître, pour déterminer le comportement d'un matériau en cas d'incendie, non seulement la chaleur totale dégagée lors de sa combustion complète, mais aussi la vitesse de libération de la chaleur qui elle-même dépend de la formation de produits gazeux combustibles.
APPARATUS FOR MEASURING CALORIFIC FLOW OF A SAMPLE IN
COMBUSTION
The subject of the invention is an apparatus for measuring the heat flow rate of a sample of material under conditions representative of those of a fire. It is indeed important to know, to determine the behavior of a material in the event of a fire, not only the total heat released during its complete combustion, but also the rate of release of the heat which itself depends on the formation of combustible gaseous products.

Le mode prépondérant de transfert de chaleur vers des matériaux susceptibles de s'enflammer, lors d'un incendie, est le rayonnement. On a en conséquence déjà proposé différents appareils permettant de soumettre des échantillons, généralement de quelques dizaines de grammes, à un flux de rayonnement et de mesurer la chaleur dégagée au cours de leur combustion. Parmi ces appareils on connaît notamment le calorimètre de TEWARSON. The predominant mode of heat transfer to materials liable to ignite during a fire is radiation. Consequently, various devices have already been proposed making it possible to submit samples, generally of a few tens of grams, to a flux of radiation and to measure the heat given off during their combustion. Among these devices, the TEWARSON calorimeter is known in particular.

A condition de connaître la chaleur nette de combustion totale de l'échantillon, qui peut être déterminée séparément, la mesure du débit et de la teneur en CO et en
CO2 permet de calculer le débit calorifique fourni par l'échantillon. Mais l'appareil ne permet pas de déterminer directement quelle est la fraction de la chaleur qui est émise par rayonnement : en effet, le tube joue simplement un rôle de réflecteur qui renvoie le rayonnement et permet de retrouver l'énergie rayonnée sous forme d'énergie supplémentaire ajoutée à l'énergie de convection. I1 s'agit là d'une insuffisance de l'appareil, d'autant plus gênante que l'énergie libérée sous forme de rayonnement est souvent de l'ordre de 40% de l'énergie totale.
Provided that the total net heat of combustion of the sample is known, which can be determined separately, the measurement of the flow rate and of the CO and
CO2 makes it possible to calculate the heat flow supplied by the sample. But the device does not make it possible to directly determine what is the fraction of the heat which is emitted by radiation: in fact, the tube simply plays a role of reflector which returns the radiation and makes it possible to find the energy radiated in the form of additional energy added to convection energy. This is an insufficiency of the device, all the more troublesome since the energy released in the form of radiation is often of the order of 40% of the total energy.

La présente invention vise notamment à fournir un appareil de mesure du type ci-dessus défini permettant de mesurer directement l'énergie rayonnée, et cela en ne mettant en oeuvre que des moyens simples.  The present invention aims in particular to provide a measuring device of the type defined above making it possible to measure the radiated energy directly, and this by using only simple means.

Dans ce but, l'invention propose notamment un appareil du type ci-dessus dans lequel ledit tube est muni de moyens d'isolement thermique freinant la transmission de chaleur vers l'extérieur dans le sens radial et de moyens de circulation de liquide de refroidissement et de mesure du débit de liquide et de son élévation de température, le tube étant muni d'au moins une fenêtre de passage d'un faisceau étroit de rayonnement fourni par lesdits moyens de chauffage de l'échantillon, placés hors du tube. To this end, the invention provides in particular an apparatus of the above type in which said tube is provided with thermal insulation means slowing the transmission of heat towards the outside in the radial direction and with means for circulating coolant. and for measuring the liquid flow rate and its temperature rise, the tube being provided with at least one window for the passage of a narrow beam of radiation supplied by said means for heating the sample, placed outside the tube.

La chaleur rayonnée par la flamme et par la surface de l'échantillon est collectée par la paroi du tube et le débit thermique enlevé par la circulation de liquide (eau par exemple) permet de suivre l'évolution du débit thermique rayonné au cours de la combustion. The heat radiated by the flame and by the surface of the sample is collected by the wall of the tube and the thermal flow removed by the circulation of liquid (water for example) makes it possible to follow the evolution of the radiated thermal flow during the combustion.

Pour éviter les pertes de chaleur par combustion, la fenêtre de passage du faisceau de rayonnement est avantageusement constituée par un hublot qui est transparent pour le rayonnement émis vers l'échantillon. On peut notamment utilisée une lampe à halogène comme source du faisceau et constituer le hublot en fluorure de calcium. Une circulation d'air de refroidissement et de nettoyage est avantageusement prévue le long du hublot. To avoid heat loss by combustion, the window for the passage of the radiation beam is advantageously constituted by a window which is transparent to the radiation emitted towards the sample. It is possible in particular to use a halogen lamp as source of the beam and to constitute the window in calcium fluoride. A circulation of cooling and cleaning air is advantageously provided along the window.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est une vue schématique en perspective de l'appareil avec un arrachement, sans les moyens de collecte des gaz, montrant une constitution matérielle possible
- la figure 2 est un schéma de principe destiné à montrer la circulation des fluides et les opérations de mesure effectuées dans un appareil du genre montré en figure 1 ;;
- la figure 3 est une vue de détail à grande échelle, en coupe suivant le plan passant par l'axe de l'enceinte de combustion, montrant le hublot de passage du faisceau de rayonnement
- les figures 4 et 5 montrent, respectivement en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 5 et en vue de dessus, la grille d'injection de gaz comburant et le porteéchantillon.
The invention will be better understood on reading the following description of a particular embodiment, given by way of non-limiting example. The description refers to the accompanying drawings, in which
- Figure 1 is a schematic perspective view of the device with a cutaway, without the gas collection means, showing a possible material constitution
- Figure 2 is a block diagram intended to show the circulation of fluids and the measurement operations carried out in an apparatus of the kind shown in Figure 1;
- Figure 3 is a detail view on a large scale, in section along the plane passing through the axis of the combustion chamber, showing the porthole for passage of the radiation beam
- Figures 4 and 5 show, respectively in section along the line IV-IV of Figure 5 and in top view, the combustion gas injection grid and the sample holder.

L'appareil dont la constitution générale est montrée en figure 1 comporte un bâti 10 qui contient les différentes alimentations et un tronçon d'essai fixe, supporté par le bâti. Le bâti contient également une balance, accessible par une trappe d'accès non représentée, qui supporte un porteéchantillon 11 qui sera décrit plus loin. The apparatus, the general construction of which is shown in FIG. 1, comprises a frame 10 which contains the various power supplies and a fixed test section, supported by the frame. The frame also contains a scale, accessible by an access hatch not shown, which supports a sample holder 11 which will be described later.

Le tronçon d'essai peut être regardé comme ayant une enceinte externe cylindrique 12, un tube intérieur 14 formant cheminée, placé à l'intérieur de l'enceinte, et un manchon isolant thermique 16 occupant l'espace compris entre le tube 14 et l'enceinte externe 12. A la face externe du tube 14 sont fixés des moyens de circulation d'un liquide de refroidissement (eau en général) destiné à évacuer la chaleur que l'échantillon 17 porté par le porte-échantillon émet par rayonnement et qui est absorbée par le tube 14. The test section can be viewed as having a cylindrical external enclosure 12, an inner tube 14 forming a chimney, placed inside the enclosure, and a thermal insulating sleeve 16 occupying the space between the tube 14 and l external enclosure 12. On the external face of the tube 14 are fixed means for circulating a cooling liquid (water in general) intended to evacuate the heat that the sample 17 carried by the sample holder emits by radiation and which is absorbed by the tube 14.

Le tube 14 peut être constitué en tôle mince (par exemple de 0,3 mm d'épaisseur) d'acier inoxydable. Les moyens de circulation peuvent alors être constitués par un serpentin 18 fixé au tube par brasure à l'étain, relié en amont à une source de circulation d'eau et en aval à un rejet à l'égout. L'isolant peut notamment être de la fibre de verre ou céramique. L'enceinte externe 12 sera généralement métallique et mise à la masse. Son extrémité haute est en forme de cône destiné à s'engager dans une hotte de collecte 20 prolongée par un conduit d'évacuation 22 qui peut être équipé d'un détecteur de débit 24, tel qu'un venturi relié à un appareil de mesure de pression différentielle non représenté (figure 2). The tube 14 can be made of thin sheet (for example 0.3 mm thick) of stainless steel. The circulation means can then be constituted by a coil 18 fixed to the tube by soldering with tin, connected upstream to a source of water circulation and downstream to a discharge into the sewer. The insulator can in particular be glass or ceramic fiber. The external enclosure 12 will generally be metallic and grounded. Its upper end is cone-shaped intended to engage in a collection hood 20 extended by an exhaust duct 22 which can be equipped with a flow detector 24, such as a venturi connected to a measuring device differential pressure not shown (Figure 2).

Des trous radiaux obturables peuvent être ménagés dans le tronçon d'essai. Dans le cas illustré en figure 1, ces trous comportent notamment un trou inférieur 25 placé en face de l'emplacement de l'échantillon et qui permet d'insérer un allumeur. Closable radial holes can be made in the test section. In the case illustrated in FIG. 1, these holes include in particular a lower hole 25 placed opposite the location of the sample and which makes it possible to insert an igniter.

Enfin, conformément à l'invention, au moins une fenêtre 26 de passage d'un faisceau de rayonnement de chauffage de l'échantillon 17 est ménagée à travers le tronçon d'essai. En général toutefois, plusieurs fenêtres seront prévues et régulièrement réparties autour de l'axe du tronçon d'essai. Chaque fenêtre peut avoir la constitution montrée en figure 3 et être délimitée par une chemise plus large que le faisceau qui est émis par une lampe 30 et défini par un diaphragmme. La fenêtre est fermée par un hublot 28, par exemple en fluorure de calcium, qui évite les échappement de fumée à travers la paroi du tronçon d'essai. Finally, in accordance with the invention, at least one window 26 for the passage of a beam of heating radiation from the sample 17 is provided through the test section. In general, however, several windows will be provided and regularly distributed around the axis of the test section. Each window can have the constitution shown in FIG. 3 and be delimited by a jacket wider than the beam which is emitted by a lamp 30 and defined by a diaphragm. The window is closed by a window 28, for example made of calcium fluoride, which prevents smoke from escaping through the wall of the test section.

Le porte-échantillon 11 peut avoir la constitution montrée en figure 4. Il est alors constitué d'un tube ayant à sa partie haute une coupelle de réception de l'échantillon 17 et à sa partie basse un embout destiné à s' engager dans le plateau 32 de la balance. Une fenêtre 34 peut être prévue à la partie basse du tube pour permettre une circulation de gaz comburant. The sample holder 11 can have the constitution shown in FIG. 4. It then consists of a tube having at its upper part a cup for receiving the sample 17 and at its lower part a nozzle intended to engage in the weighing pan 32. A window 34 can be provided in the lower part of the tube to allow a circulation of oxidizing gas.

L'alimentation en gaz comburant s'effectue par l'intermédiaire du bâti qui contient un collecteur 34 (figure 2) relié à des sources des différents gaz à utiliser, par exemple une soufflante de refoulement d'air et des bouteilles d'oxygène et d'azote comprimé. Sur chaque alimentation est prévu un détecteur de débit, fournissant une mesure qui est affichée sur une colonne 36 portée par le bâti, à côté du tronçon d'essai amovible. The supply of oxidizing gas takes place via the frame which contains a manifold 34 (FIG. 2) connected to sources of the various gases to be used, for example an air delivery blower and oxygen cylinders and compressed nitrogen. A flow detector is provided on each supply, providing a measurement which is displayed on a column 36 carried by the frame, next to the removable test section.

Pour garantir une alimentation homogène en gaz comburant et pour protéger la balance contre les effets thermiques dus à la combustion, une grille de répartition refroidie est placée sur le bâti, à la base du tronçon d'essai. To ensure a uniform supply of oxidizing gas and to protect the balance against thermal effects due to combustion, a cooled distribution grid is placed on the frame, at the base of the test section.

La grille 38 (figures 4 et 5) comporte une plaque 40 en matériau isolant thermique (fibres céramiques par exemple) surmontée d'un disque 42 en matériau présentant une bonne conductibilité thermique (feuille de cuivre de quelques millimètres d'épaisseur par exemple). La plaque 40 et le disque 42 sont percés de trous 44 de passage du gaz comburant amené sous la grille. Ces trous, généralement de quelques millimètres d'épaisseur, sont régulièrement répartis dans la grille. The grid 38 (Figures 4 and 5) comprises a plate 40 of thermal insulating material (ceramic fibers for example) surmounted by a disc 42 of material having good thermal conductivity (copper foil a few millimeters thick for example). The plate 40 and the disc 42 are pierced with holes 44 for the passage of the oxidizing gas supplied under the grid. These holes, generally a few millimeters thick, are evenly distributed in the grid.

La chaleur provenant du flux émis par les lampes 30 et provenant de la chaleur rayonnée par la flamme de l'échantillon 17 est évacuée par des moyens de circulation de liquide réfrigérant, constitués dans le cas illustré sur la figure 4 par un serpentin en spirale 46 relié à une extrémité à une alimentation en eau, à l'autre extrémité à un rejet. The heat coming from the flux emitted by the lamps 30 and coming from the heat radiated by the flame of the sample 17 is removed by means of circulation of coolant liquid, constituted in the case illustrated in FIG. 4 by a spiral coil 46 connected at one end to a water supply, at the other end to a discharge.

A l'intérieur de la hotte sont généralement placés des moyens de prélèvement, permettant de déterminer la composition des gaz. Ces moyens de prélèvement peuvent notamment être constitués par un tore 48 percé de trous d'aspiration régulièrement répartis, relié par des tubes 50 à une boîte de collection elle-meme reliée à un analyseur, qui peut être porté par la colonne 36, par une conduite 52. Inside the hood are generally placed sampling means, making it possible to determine the composition of the gases. These sampling means can in particular be constituted by a torus 48 pierced with regularly distributed suction holes, connected by tubes 50 to a collection box itself connected to an analyzer, which can be carried by the column 36, by a driving 52.

Le dispositif sera généralement complété par un fluxmètre thermique susceptible d'être placé au fond de la section d'essai, à la place du porte-échantillon 11, pour mesurer l'énergie thermique amenée par les lampes 30. The device will generally be supplemented by a thermal fluxmeter capable of being placed at the bottom of the test section, in place of the sample holder 11, to measure the thermal energy supplied by the lamps 30.

Le mode d'utilisation du dispositif qui vient d'être décrit est comparable à celui du calorimètre de TEWARSON, si ce n'est que des paramètres supplémentaires, et notamment la chaleur dégagée par rayonnement, sont rendus disponibles.  The mode of use of the device which has just been described is comparable to that of the TEWARSON calorimeter, except that additional parameters, and in particular the heat given off by radiation, are made available.

Claims (8)

REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure du débit calorifique d'un échantillon en combustion, comprenant : une enceinte contenant, dans une partie basse, un porte-échantillon muni de moyens de mesure de la masse de l'échantillon et de moyens d'amenée de gaz comburant permettant la mesure du débit dudit gaz comburant ; un tube entourant le porte-échantillon, en saillie au-dessus de l'échantillon et constituant cheminée ; des moyens de chauffage de l'échantillon par rayonnement ; et un espace de collecte relié à la partie haute de l'enceinte pour recevoir les gaz de combustion, muni de moyens de mesure du débit de ces gaz et éventuellement de leur teneur en CO et CO2, caractérisé en ce que ledit tube (14) est muni de moyens d'isolement thermique (16) freinant la transmission de chaleur de l'extérieur dans le sens radial et de moyens (18) de circulation de liquide de refroidissement et de mesure du débit de liquide et de son élévation de température et en ce que le tube est muni d'au moins une fenêtre de passage d'un faisceau étroit de rayonnement fourni par lesdits moyens de chauffage de l'échantillon, placés hors du tube. 1. Apparatus for measuring the calorific flow of a sample in combustion, comprising: an enclosure containing, in a lower part, a sample holder provided with means for measuring the mass of the sample and with gas supply means oxidizer allowing the measurement of the flow rate of said oxidant gas; a tube surrounding the sample holder, projecting above the sample and constituting the chimney; means for heating the sample by radiation; and a collection space connected to the upper part of the enclosure for receiving the combustion gases, provided with means for measuring the flow rate of these gases and possibly their CO and CO2 content, characterized in that said tube (14) is provided with thermal insulation means (16) slowing the transmission of heat from the outside in the radial direction and with means (18) for circulating coolant and for measuring the flow rate of the liquid and its rise in temperature and in that the tube is provided with at least one window for the passage of a narrow beam of radiation supplied by said sample heating means, placed outside the tube. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fenêtre ou chaque fenêtre de passage (26) est ménagée à travers le tube (14), les moyens d'isolement (16) et l'enceinte (12) qui constituent ensemble un tronçon d'essai amovible et en ce que les moyens de chauffage de l'échantillon sont constitués par au moins une lampe (30) placée hors du tronçon d'essai. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that said window or each passage window (26) is formed through the tube (14), the isolation means (16) and the enclosure (12) which together constitute a removable test section and in that the means for heating the sample consist of at least one lamp (30) placed outside the test section. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque fenêtre est obturée par un hublot (28) en matériau transparent pour le rayonnement des moyens de chauffage, par exemple en fluorure de calcium. 3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that each window is closed by a window (28) of transparent material for the radiation of the heating means, for example calcium fluoride. 4. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de circulation sont constitués par un serpentin (18) fixé à la face externe du tube par brasure, relié en amont à une source de circulation d'eau et en aval à un rejet. 4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the circulation means consist of a coil (18) fixed to the external face of the tube by brazing, connected upstream to a source of water circulation and downstream to a rejection. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'extrémité haute de l'enceinte est en forme de cône et s'engage dans une hotte (20) prolongée par un conduit d'évacuation (22) équipé d'un détecteur de débit (24). 5. Apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the upper end of the enclosure is cone-shaped and engages in a hood (20) extended by a discharge duct (22 ) fitted with a flow detector (24). 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que le porte-échantillon (11) comprend une coupelle supérieure de réception d'échantillon et un tube porté par le plateau (32) d'une balance constituant lesdits moyens de mesure de masse, et en ce que ledit tube traverse une grille refroidie (38) de répartition du gaz comburant, qui est amené sous la grille. 6. Apparatus according to any one of claims I to 5, characterized in that the sample holder (11) comprises an upper sample receiving cup and a tube carried by the plate (32) of a balance constituting said mass measurement means, and in that said tube passes through a cooled grid (38) for distributing the oxidizing gas, which is brought under the grid. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la grille (38) comporte une plaque (40) en matériau isolant thermique surmontée d'un disque (42) en matériau présentant une bonne conductibilité thermique et en ce que la plaque (40) et le disque (42) sont percés de trous (44) de passage du gaz comburant, amené sous la grille. 7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the grid (38) comprises a plate (40) of thermal insulating material surmounted by a disc (42) of material having good thermal conductivity and in that the plate (40 ) and the disc (42) are pierced with holes (44) for the passage of the oxidizing gas, brought under the grid. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé par un serpentin en spirale (46) relié à une extrémité à une alimentation en eau et à l'autre extrémité à un rejet, fixé à la face inférieure du disque.  8. Apparatus according to claim 7, characterized by a spiral coil (46) connected at one end to a water supply and at the other end to a discharge, fixed to the underside of the disc.
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