Tiilipiipun palonkestävyysanalyysi Simulointi välipohjan paksuudella 600 mm Lämpötilaluokka T450

Transkriptio

1 Lämmönsiirtolaskelmat Tiilipiipun palonkestävyysanalyysi Simulointi välipohjan paksuudella 600 mm Lämpötilaluokka T450 Kokkola Rauli Koistinen, DI Femcalc Oy Insinööritoimisto Femcalc Oy Talonpojankatu 15 D KOKKOLA Puh femcalc@anvianet.fi

2 2 Sisältö 1. Johdanto 2. Piipun mitat, materiaalit ja eristys 3. Simulointi 4. Simuloinnin tulokset ja yhteenveto Liitteet 1. Simulointimallien materiaalien lämpötekniset ominaisuudet

3 3 1. Johdanto Tässä raportissa esitetään lämpösimulointien tulokset tiilipiipulle, joka lävistää 600 mm paksun, eristetyn läpivientirakenteen (rakennusten yläpohjat). Simulointilaskelmat on tilannut Tiiliteollisuus ry. Simulointien tarkoituksena on ollut tutkia lämpötilojen kehittymistä 600 mm paksun läpiviennin sisällä olevassa puurakenteessa, eristeissä ja tiilipiipun pinnassa sekä piipun pintaa vasten olevassa verhoilulevyssä. Simulointilämpötilana oli 550 ºC lämpötilaluokan T450 mukaisesti. Nokipalosimulointi ajettiin 1000 ºC:een lämpötilalla. Simuloinnit tehtiin läpivientiratkaisulla, joista koko läpivienti oli suojattu 50 mm paksulla läpimenevillä suojaeristeellä (palovillalevyt). 2. Piipun mitat, materiaalit ja eristys Simuloidun piipun mitat, materiaalit ja eristeet simulointimalleissa olivat seuraavat: - piippu muurattu yhden kiven hormi - tiili: reikätiili 257x123, sauma 12 mm - hormin sisämitat: 147x281 - hormin ulkomitat: 392x527 - läpivientipaksuus 600 mm, alaverhoilulevy 12 mm:n vaneri - läpiviennin kohdalla suojaeristekerroksia seuraavasti: i. täysin eristetty läpivienti: suojaeriste Paroc palovillalevy 140 kg/m 3, paksuus 50 mm ja korkeus 700 mm - läpiviennin eriste: kivivilla 100 kg/m 3 - kuvassa 1 on esitetty simuloidun läpivientirakenteen mitat ja materiaalit ja tulostuskäyrissä esitetyt lämpötilojen seurantapisteet - liitteessä 1 on esitetty simuloinnissa käytetyt materiaalien lämpötekniset ominaisuudet

4 Kuva 1. Täysin eristetty läpivientirakenne 4

5 5 3. Simulointi Tarkastellun tiilipiipun lämpötilojen kehittymistä paksussa läpiviennissä on simuloitu Femcalc Oy:n kehittämillä laskentamalleilla. Simulointiparametrit on määritelty piippujen yleisen testausnormin EN mukaisesti. Laskentaohjelmana on käytetty elementtimenetelmään perustuvaa ohjelmistoa Cosmosm ja sen Heat Transfer moduulia. Kuvassa 2 on esitetty simuloinnin laskentamalli, jossa elementtityyppinä on käytetty 8-solmuista tilavuuselementtiä Solid. Simulonnit ajettiin ¼ mallilla simulointiajan pienentämiseksi (voidaan käyttää pystysuuntaisia symmetriatasoja). Testausnormissa EN ei ole määritelty 200 mm paksumpia läpivientejä. Tässä simuloinnissa välipohjan puupalkki 50x200 sijoitettu läpiviennin keskelle palovillaeristettä vasten. Suojaetäisyyden määritys on siten tehty puun keskipisteen lämpötilan kehittymisen suhteen (mittauspiste T2). Käyttölämpötilasimuloinnissa on hormin sisäpuolisen savukaasujen lämpötilaksi asetettu 550 C käyttölämpötilaluokan T450 mukaisesti. Sisäpuolen lämmönsiirtokertoimet on määritetty testinormissa määritetyn virtausnopeuden 4,96 m/s ja nestekaasun polton (ilmakerroin 4,99) savukaasujen säteilevien kaasukomponenttien (CO 2 -pit. 2,4 % ja H 2 O-pit. 3,5 %) pohjalta. Piipun ja välipohjien ulkopintojen reunaehdoiksi on asetettu vapaan konvektion ja säteilyn jäähdyttävä vaikutus (mukana myös piipun ulkovaipan ja seinäpintojen välinen säteilylämmönsiirto sekä säteily ympäristöön). Pintojen emissiviteetteinä on käytetty arvoa 0,92. Käyttölämpötilasimulointi suoritettiin transienttina, jossa lämpötilojen kehittymistä seurattiin 6 h:n ajan iterointivälin ollessa 5 min. Kyseisestä ajasta 6 h:n aikana piipun sisällä vaikutti normin mukainen testilämpötila, jonka jälkeen lämpötila pudotettiin 20 C:een (testinormin mukainen maksimi testausaika 6 h). Nokipalosimulointi suoritettiin normin mukaisella savukaasujen lämpötilalla 1000 C ja normissa määritellyn testiohjelman mukaisesti. Tässä savukaasujen lämpötila hormin sisällä nostetaan 10 min:n aikana 1000 C:een ja pidetään siinä 30 min:n ajan. Simuloinnissa tämän jälkeen savukaasujen lämpötila pudotettiin 5 min:ssa 20 C:een. Simulointiaikana käytettiin 360 min (= 6 h), jolloin lämpötilojen kehittymistä voitiin seurata vielä 320 min savukaasun syötön lopetuksen jälkeen. Sisäpuolen lämmönsiirtokertoimet on määritetty testinormissa määritetyn virtausnopeuden 6,9 m/s ja nestekaasun polton pohjalta. Laskennassa otettiin myös huomioon eristeiden ja lämmönsiirtokertoimien lämpötilariippuvuus (eristevillan lämmönjohtavuus kasvaa huomattavasti korkeissa lämpötiloissa). Mallissa käytetyt materiaalien lämpötekniset ominaisuudet (lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti ja tiheys) lämpötilan funktiona perustuvat eristemateriaalitoimittajilta saatuun dataan. Puumateriaalien ominaisuuksina käytettiin yleisiä kirjallisuusarvoja. Piipun lämpötekniset ominaisuudet (lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti ja tiheys) sovitettiin kirjallisuusarvojen pohjalta siten, että piipun pintalämpötilan nousukäyrä vastasi aikaisemmissa mittauksissa saatuja tuloksia. Liitteessä 1 on esitetty malleissa käytetyt materiaalien lämpötekniset ominaisuudet.

6 Kuva 2. Simulointimalli, täysin eristetty läpivienti 6

7 7 4. Tulokset Kuvassa 3 on esitetty lämpötilajakautumat ajan hetkellä 360 min läpivientirakenteessa käyttölämpötilasimuloinnista. Kuvissa 4 7 on esitetty tulostuspisteiden T1 T6 lämpötilakäyrät käyttölämpötilasimuloinnista ja kuvissa 8 11 nokipalosimuloinnista. Seuraavassa taulukossa on esitetty tarkasteltujen pisteiden maksimilämpötilat. Simulointitilanne Mittauspiste ( C) Maksimilämpötila ( C) Käyttölämpötilasimulointi - piipun pinta vapaa tila (T1) 108,6 - läpiviennin puu (T2) 67,2 - piipun pinta läpiviennin sisällä (T4) 229,2 - vaneri piippua vasten (T5) vaneri 10 mm päässä (T6) 76,7 Nokipalosimulointi - piipun pinta vapaa tila (T1) 80,7 - läpiviennin puu (T2) 55,0 - piipun pinta läpiviennin sisällä (T4) 143,7 - vaneri piippua vasten (T5) 91,6 - vaneri 10 mm päässä (T6) 56,6 Tulosten mukaan suojaetäisyys 50 mm palovillaeristeellä riittää lämpötilaluokassa T450 puun lämpötilojen suhteen (maksimi sallittu 85 ºC). Puun keskellä lämpötila nousee 67,2 ºC:een. Lämpötilakäyrien mukaan puun lämpötila (T2) lähtee nousemaan vasta n. 2 h:n kuluttu. Vanerin lämpötila piipun pintaa vasten nousee 6 h:n aikana n. 132 ºC:een ja ylittää palavalle materiaalille sallitun lämpötilan 85 ºC. Vanerin lämpötila 10 mm:n päässä on jo sitä vastoin alle sallitun, simulointituloksen mukaan 76,7 ºC. Kyseisen tuloksen mukaan kattoverhoilun ja tiilipiipun väliin tulisi siten jättää pieni 5 10 mm:n suojarako. Läpiviennin sisällä (keskellä) nousee piipun pintalämpötila täysin eristetyssä rakenteessa 229 ºC:een (mittauspiste T4). Piipun pintalämpötila vapaassa tilassa nousee simuloinnin mukaan 6 h:n aikana 108,6 ºC:een (mittauspiste T1). Palovillaeristeen 50 mm mukainen suojaetäisyys riittää myös nokipalosimulointitilanteessa, jossa kaasun lämpötilaa pidetään 1000 ºC:eessa 30 min:n ajan. Palaville materiaaleille sallittu lämpötila on tällöin 100 ºC ja tulosten mukaan läpiviennin puu ja vanerin pintalämpötilat jäävät tämän alle.

8 Kuva 3. Lämpötilajakautuma 6 h:n kohdalla, käyttölämpötilasimulointi 8

9 9 Kuva 4. Käyttölämpötila, mittauspiste T1, piipun pintalämpötila vapaassa tilassa Kuva 5. Käyttölämpötila, mittauspiste T2, läpiviennin puu

10 10 Kuva 6. Käyttölämpötila, mittauspiste T4, piipun pinta läpiviennin sisällä Kuva 7. Käyttölämpötila, mittauspisteet T5 ja T6, alavanerin pinta

11 11 Kuva 8. Nokipalosimulointi, piipun pinta, piste T1 Kuva 9. Nokipalosimulointi, läpiviennin puu, piste T2

12 12 Kuva 10. Nokipalosimulointi, piipunpinta, piste T4 Kuva 11. Nokipalosimulointi, vanerin lämpötilat, pisteet T5 ja T6

13 13 Liite 1. Simulointimallissa käytettyjen materiaalien lämpötekniset ominaisuudet Tiilihormi, reikätiili 257x123, ominaisuudet muurattuna - tiheys 1500 kg/m 3 - ominaislämpökapasiteetti 900 J/kgK - lämmönjohtavuus 0,55 W/mK Palovilla Paroc tiheys 140 kg/m 3 - ominaislämpökapasiteetti 840 J/kgK - lämmönjohtavuus lämpötilasta riippuen seuraavasti T ( C) λ (W/mK) 10 0, , , , , ,41 Puu, mäntypalkki - tiheys 550 kg/m 3 - ominaislämpökapasiteetti 1400 J/kgK - lämmönjohtavuus 0,14 W/mK Vaneri - tiheys 550 kg/m 3 - ominaislämpökapasiteetti 1200 J/kgK - lämmönjohtavuus 0,12 W/mK Välipohjakivivilla - tiheys 100 kg/m 3 - ominaislämpökapasiteetti 840 J/kgK - lämmönjohtavuus lämpötilasta riippuen seuraavasti T ( C) λ (W/mK) 10 0, , , , , , ,159