LIEKIN LEVIÄMISEN KOKEITA JA MALLINNUSTA

Transkriptio

1 LIEKIN LEVIÄMISEN KOKEITA JA MALLINNUSTA Johan Mangs & Olavi Keski-Rahkonen VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka PL VTT TIIVISTELMÄ Liekin leviämistä pystysuoran, hiiltyvän aineen pinnalla on tässä työssä selvitetty laajalla kirjallisuustutkimuksella, kartoittavilla kokeilla erilaisilla puunäytteillä ja yksinkertaisilla malliehdotuksilla. Pienkokeilla on rajattu malliin liittyviä ilmiöitä, testattu käytettävissä olevia yksinkertaisia mittausmenetelmiä sekä ehdotettu uusia testauslaitteistoja. Käytännön sovelluksena esitetään palosuojatun ei-syövyttävän (FRNC) kaapelin palamisominaisuuksien arviointi. JOHDANTO Palon numeerisen simuloinnin keskeisimpiä puutteita on, että palon koko ajan funktiona on annettava lähtötietona. Erilaisilla palosimulointiohjelmilla voidaan laskea palon seurauksia annetulle palotilanteelle, mutta ei ennustaa luotettavasti palon kokoa silloin kun polttoaine on pinta-alaltaan laaja jähmeä aine. Esimerkkeinä vakiintuneen syttymisen jälkeen ovat palavasta materiaalista tehty seinäpinta tai kaapelikouru suuressa rakennuksessa. Suomen ydinturvallisuusohjelman SAFIR paloturvallisuusprojektissa POTFIS on kartoitettu liekin leviämisen mallituksen kansainvälistä tilannetta [1]. Uusimpien, erityisesti avaruustekniikassa saatujen tulosten pohjalta on hahmoteltu riittävän yksinkertaisen, mutta kaikki fysikaalisesti merkittävät ilmiöt sisältävän liekin leviämisen mallin luomista. Tämä kirjoitetaan palon virtauslaskentaohjelmistojen sisään, erityisesti NIST:in FDS:ään algoritmeiksi, joilla liekin leviäminen voidaan laskea luotettavasti ja riittävän nopeasti kaiken kokoisissa kohteissa. Toisena tavoitteena on määritellä simuloinnin syötteiksi tarvittavien suureiden mittausmenetelmät mieluiten olemassa olevilla laitteilla, mutta tarvittaessa suunnittelemalla ja rakentamalla niihin räätälöityjä uusia laitteita. Koska ongelma on vaikea ja monitahoinen, työskentelytavaksi on valittu mallituksen, pienkokeiden ja eritasoisen numeerisen simuloinnin käyttö vuorovaikutteisesti siten, että osatulos pyritään saamaan aikaan todennäköisesti nopeimmalla tavalla. Kirjallisuustutkimuksen vinkkien ja osamallien ohjaamana pienillä leviämiskokeilla (yhteensä 103 kappaletta) ongelmaa on rajattu sekä testattu käytettävissä olevia mittausmenetelmiä. Erilaiset puulajit tarjoavat hiiltyvinä materiaaleina hyvän näytevalikoiman. Puu on halpaa ja helposti työstettävää tutkimuksissa tarvittavaan muotoon. Tärkein puun palamiseen vaikuttava muuttuja on puun tiheys, joka on valittavissa puulajia vaihdellen karkeasti väliltä kg/m 3. Puunäytteet on mitattava uunikuivina, koska jo huonekosteudella (n. 10%) on merkittävä vaikutus palamiseen. Puu on hyvä malli myös hiiltyville kaapelieristeille, joiden mallittaminen on toimeksiantajan päätavoite. Lisäksi on tehty kokeita alumiinitrihydroksidilla (ATH) palosuojatuilla kaapeleilla. Työssä on ensin tutkittu liekin nopeinta leviämismuotoa pystysuoraan ylöspäin ja hahmoteltu tarvittava mittauslaitteisto. Noin 2 m mittaisessa pystysuorassa pyöreässä näytteessä liekki leviää jonkin ajan kuluttua sytyttämisestä vakionopeudella unohtaen syttymisolosuhteet. 1

2 Mittaamalla liekin leviämisnopeus sekä kaasun lämpötilan jakauma näytteen pinnan läheisyydessä ohuilla termopareilla saadaan määritetyksi olennaisimmat leviämisparametrien arvot. Leviämisnopeus riippuu pienkokeiden mukaan likimain eksponentiaalisesti näytteen tiheydestä ja alkulämpötilasta. Simulointia varten leviämisnopeus on määritettävä lämpötilaalueella, joka ulottuu ympäristön lämpötilasta näytteen itsesyttymislämpötilaan ( o C). Leviämisnopeuteen vaikuttaa kirjallisuuden mukaan myös ympäristön kaasukehän koostumus (happipitoisuus) sekä ulkopuolelta näytteen pinnalle tuleva lämpösäteily. Koska suurissa tulipaloissa on harvoin rikastunutta happikehää, kokeemme tehdään normaaliilmassa. Ulkoista voimakasta säteilylähdettä ei ole helppo rakentaa suurikokoiselle näytteelle. Siksi uudeksi testauslaitteeksi valittiin suunniteltavaksi 2 m näytteelle soveltuvaa kaappia, jonka lämpötila ja syötettävä ilma voidaan nostaa ennen koetta ja sen aikana halutulle tasolle huoneenlämpötilan ja itsesyttymislämpötilan väliltä, mikä simuloi ulkoista lämpösäteilyä. Palamisen energia- ja massataseet on perinteisesti mitattu kartiokalorimetrillä [2]. Kokeet ja lämmönsiirtomallit osoittavat, että näytteen takapinta on merkittävä energianielu, kun mittauksia käytetään liekin leviämisen syötteinä. Käyttämällä sylinterimäistä näytettä kartion akselilla voitiin osoittaa, että takapinnan heikosti määritelty reunaehto voitiin muuttaa sylinterisymmetrian luomaan tarkkaan adiabaattiseen reunaehtoon akselilla. Siksi pystysuorissa leviämiskokeissa näytteen muodoksi valittiin pyöreä rima. Kartiokalorimetrilla lämpösäteily jakautuu akselin suunnassa hyvin epätasaisesti. Siksi säteilykartio vaihdetaan sylinteriksi, jolla 100 mm pituiselle sylinterinäytteelle saadaan likimain tasainen lämpösäteily samaan tapaan kuin tasonäytteille kartiokalorimetrissä. PYSTYSUORAN LIEKIN LEVIÄMISEN JA SYTTYMISEN KOKEITA Puu- ja kaapelinäytteiden pienkokeissa on sekä testattu erilaisia mittausmenetelmiä että tutkittu fysikaalisia ilmiöitä ja tarkasteltu malleja. Koematriisi ja pääkohteet esitetään tiivistettyinä taulukossa 1. Taulukko 1. Pienkoesarjojen yhteenveto aikajärjestyksessä. Sarja Näyte Muuttuja: vaihteluväli Pääkohde l (m) Ensisijainen Toissijainen W1 W17 2 D: 4 21 mm Puu V(D), instr. S1 S22 0,3 ρ: kg/m 3 Puu V(ρ), instr. F1 F31 0,3 T 0 : o C ρ: kg/m 3 V(T 0,ρ), instr. C1 C14 0,3 0,5 ρ: kg/m 3 I: kw/m 2 RHR(ρ,I), instr. A1 A15 0,3 ρ: kg/m 3 Puu T a (ρ), τ a (ρ) H1 H4 0,3 ρ: kg/m 3 RH: 0 10 % T h (ρ), τ h (ρ) 2

3 Näytteet tuettiin yläosastaan tukikehyksessä koesarjoissa W, S ja F, ja sytytettiin alhaalta pienellä propaaniliekillä kuten kuvassa 1a on esitetty sarjojen S ja F kokeille. Sarjan W pitemmät näytteet kiinnitettiin vastaavasti korkeampaan tukikehykseen hieman poikkeavalla termopari-instrumentoinnilla. Liekin leviämistä seurattiin termopareilla lähellä näytteen pintaa, silmämääräisillä havainnoilla ja ottamalla digitaalisia valokuvia. Sarjan C kokeet tehtiin muunnetulla standardikartiokalorimetrilla [2], missä säteilykartio oli käännetty ylösalaisin ja ylhäältä tuettu pystysuora näyte sijoitettiin kartion keskiakselille kuvan 1b mukaisesti. Näyte syttyi itsestään korkeimmilla säteilytasoilla ja sytytettiin tulitikulla alhaisemmilla säteilytasoilla. T1...T S F B (a) (b) Kuva 1. (a) Pystysuoraan leviävän liekin koejärjestely 300 mm kaapeli- ja puunäytteille, joiden tiheys ja esilämmityslämpötila vaihtelivat. S puu- tai kaapelinäyte, F tukikehys, B Bunsenpoltin, T1-T6 termopareja 25 mm pystysuorin välein; mitat mm:ssä. (b) Muunnettu kartiokalorimetri [2], mäntynäyte, 3 sekuntia itsesyttymisen jälkeen. Näkyvyyskerroin kalorimetrin katkaistun kartion akselilla mallinnettiin analyyttisillä laskentakaavoilla pitäen kartion sisäpintaa vakiolämpötilassa olevana säteilypintana. Katkaistun kartion näkyvyyskerroin vaakasuoralle (F h ) tai pystysuoralle (F v ) pintaelementille on piirretty kuvassa 2b kartion keskiakselilla olevan etäisyyden funktiona. Malli osoitti, että säteilykenttä muuttui niin nopeasti pitkin kartion akselia, että kuvan 1b mukaiset kokeet pystysuorilla näytteillä eivät ole kovin käyttökelpoisia. Kokeet C1 C14 osoittivat kuitenkin, että näytteen taustan huonosti määritellyn lämmönsiirron aiheuttama ongelma (kuva 3a) poistuu käyttämällä pystysuoria näytteitä (kuva 3b). Jatkossa tarvitaan toisenlainen kalorimetrilämmitin energiataseen parametrien määrittämiseksi, joko pitempi sylinteri pystysuoran sylinterisymmetrisen näytteen ympärillä tai kaksi yhdensuuntaista levyä tasomaisen näytteen molemmilla puolilla. Kartiokalorimetrin palotehomittauksen aikaresoluutio määritettiin työntämällä äkkiä vakiotehoinen kaasuliekki lyhyiksi hetkiksi (1 60 s) kartion alle ja poistamalla se nopeasti. Kuvan 2a pisteet osoittavat 30 s pulssin mitatun vasteen ja yhtenäinen käyrä suorakaidepulssin ja Gaussin ikkunan konvoluution. Hajonnalla σ = 5 s konvoluutio antoi kohtuullisen sovitteen kaikille mitatuille pulsseille. Tästä voitiin päätellä, että kuvan 3 kaltaisissa mittaustuloksissa instrumentti-ikkunan aiheuttama vääristymä ei ylitä 3 s, mikä on 3

4 tarkasteltavien ilmiöiden nopeuksiin verrattuna niin pieni, että siitä ei tarvitse enempää huolehtia. Kuva 2. (a) Kartiokalorimetrin vaste 30 s palotehopulssille (pisteet) ja teoreettinen sovite (viiva) 5 s standardipoikkeaman Gaussin ikkunalla. (b) Näkyvyyskertoimet F katkaistusta kartiosta kartion keskiakselilla olevalle vaakasuoralle (F h ) ja pystysuoralle (F v ) pintaelementille laaduttoman etäisyyden z/h funktiona. Katkaistun kartion säteilevä sisäpinta on kuvattu paksulla viivalla välissä 0 < z/h < RP1;50; C11;P1 RP2;50;15 C12;B1 Paloteho (kw/m 2 ) RP3;35;11 RO1;35;10 Paloteho (kw/m 2 ) C13;P2 C14;B Aika (s) a) Aika (s) b) Kuva 3. Palotehokäyriä kartiokalorimetrikokeista. (a) Tasomaiset näytteet RP1 RP3 mänty ja RO1 tammi standardikokeissa. (b) Pystysuorat sylinterimäiset näytteet (φ 20x140 mm) kartion keskiakselilla: P1 & P2 mänty, B1 & B2 balsa kahdella säteilytystasolla kokeissa C11 C14. Aika-asteikkojen nollakohta on siirretty syttymisen käännepisteeseen. 4

5 LIEKIN LEVIÄMISEN MALLINTAMINEN Liekin leviämisen mallintamisessa on käytetty yksinkertaistettua insinöörilähestymistapaa. Keskimäärin palorintaman mukana liikkuvassa koordinaatistossa liekki on ajasta riippumaton ja kohteen mittoihin verrattuna ohut lähellä näytteen pintaa sijaitseva kuuma kerros. Äärimmilleen yksinkertaistettuna liekkiä voisi kuvata laminaarin virtauksen malleista tutulla liekkipintana näytteen pinnan lähellä. Jos lämmönsiirto tapahtuisi pelkästään säteilemällä, näytteen pinnan lämpötila olisi verrannollinen liekin näkyvyyskertoimeen akselin suuntaiselle pintaelementille. Tällä mallilla onnistuttiin kuvaamaan melko hyvin pinnan lähellä olevan yksittäisen termoparin näkemän lämpötilan kulku kokeen aikana (kuva 4a). Kuvassa 4b mäntynäytteen liekkien valokuvat kokeesta W15 osoittavat tämän ajatuskuvion toimivaksi ainakin periaatteessa. Myöhemmät tarkastelut ovat osoittaneet, että menetelmä toimii periaatteessa, mutta kuvassa 4a käytetyn mallin yksityiskohdat vaativat joitakin muutoksia. Kuva 4. (a) Liekin lämpötila näytteen pinnan lähellä, (b) Valokuvia liekin etenemisestä pystysuorassa mäntynäytteessä kokeessa W15. 2 m pitkien pystysuorien sylinterinäytteiden koesarjassa W mitattiin liekin leviämisen nopeuksia näytteillä joiden halkaisija vaihteli. Kuvassa 5 esitetään kokeen W15 tuloksia. Läpipalaminen (BT), pyrolyysirintama (PF) ja liekin kärki (FT) havaittiin silmämääräisesti (avoimet symbolit) ja valokuvin (täytetyt symbolit). Suorat (yhtenäiset käyrät) sovitettiin kokeen loppupuolen valokuvahavaintoihin. Sytyttämisestä johtuva muutostila tasoittuu 0,5 m alueella sytytyskohdasta. Kuvasta 5 on mitattavissa asymptoottiset liekin nopeus ja pyrolyysipituus. Valokuvien ja silmämääräisten havaintojen välillä on joitakin kvantitatiivisia eroja, joiden merkitys jää tässä vaiheessa avoimeksi, koska pyrolysoituminen ilmeni kuvissa vain näytteen pinnan värinmuutoksena. 5

6 W15, Mänty Pine halk. 8 mm 8 dia mm Korkeus (mm) Height (mm) Aika Time (s) (s) PFV BTV BTP PFP FTP Fit BTP Fit PFP Fit FTP Kuva 5. Liekin leviäminen ajan funktiona kokeessa W15. Läpipalamisen, pyrolyysirintaman ja liekin kärjen nopeuksia mitattiin sarjassa F näytteen alkulämpötilan funktiona kuten kuvassa 6 esitetään tammelle. Nopeudet kasvavat karkeasti eksponentiaalisesti lämpötilan funktiona itsesyttymislämpötilan lähelle asti. Kuva 6. Tamminäytteen läpipalamisen, pyrolyysirintaman ja liekin kärjen nopeudet näytteen lämpötilan funktiona. Kaapeli- tai puunäyte lämmitettiin koesarjassa A laboratoriouunissa lämpötilaa hitaasti nostamalla kunnes näyte syttyi. Uunin ja näytteen lämpötiloja seurattiin termopareilla. 6

7 Esimerkkeinä esitetään kuvassa 7 tamminäytteen (A11) ja palosuojatun ei-syövyttävän (FRNC) kaapelinäytteen (A4) lämpötilakäyrät ajan funktiona. Kaapelinäytteiden lisäksi tutkittiin systemaattisesti apassi-, mänty- ja tammipuunäytteiden itsesyttymistä ja aikakäyttäytymistä; nämä edustivat kevyttä, tavallista ja raskasta puuta. FRNC-näyte syttyi lämpötilassa 394 o C (kuva 7a), ja paloi kokonaan sen jälkeen. Tulos osoittaa, että palosuojausominaisuudet heikentyvät lämpötilan kohotessa kunnes lopuksi näyte syttyy ilman ulkoista sytytyslähdettä. FRNC-kaapeleissa palosuojaus perustuu alumiinitrihydroksidin (ATH) endotermiseen (energiaa kuluttavaan) hajoamiseen [4]. Lämpötilan noustessa erilaiset prosessit johtavat sitoutuneen veden vähenemiseen kuten kuvan 8c differentiaalikalorimetrin (DTA) ja termogravimetrin (TGA) käyrät osoittavat. Sisätiloissakin puu sisältää noin 10 % kosteutta (kuva 8a) ja tämä vaikuttaa selvästi lämpenemiseen verrattuna uunikuivaan puuhun (kuva 8b). Puunäytteiden lämmityskokeissa sarjassa H1...H4 huoneenlämpötilassa ollut näyte sijoitettiin nopeasti kuumaan uuniin. Näytteen lämpenemistä ja kosteuden vaikutusta seurattiin lämpötilamittauksilla näytteessä ja uunissa. Lämpötilan nousun hidastuminen noin 500 s kohdalla kuvassa 8a on samanlainen ilmiö alhaisemmalla lämpötilatasolla kuin ATH-palosuojaus FRNC-kaapeleissa. Uusi testauslaitteisto noin 2 m pituisille näytteille palosuojausominaisuuksien heikkenemisen kriittisten lämpötilaraja-arvojen määrittämiseksi ehdotetaan ja on suunnitteilla. Kuva 7. (a) Itsesyttymiskokeessa A4 palosuojattu ei-syövyttävä kaapelinäyte Afumex 500 NHXMH-J syttyi lämpötilassa 394 o C noin 10 min. jälkeen. Lämpötila laski 3 min. kohdalla koska uunin luukkua avattiin järjestelmän silmämääräistä tarkistusta varten. (b) Itsesyttymiskokeessa A11 tamminäyte syttyi lämpötilassa 313 o C noin 13 h jälkeen. Uunin ja näytteen keskikohdan lämpötilat mitattiin erikseen. 7

8 Kuva 8. (a) 9.5% kosteuden vaikutus mäntynäytteen lämpenemiseen verrattuna (b) uunikuivaan mäntynäytteeseen, paksu viiva on näytteen lämpötila, ohut viiva on uunin lämpötila. (c) Veden poistumisen riippuvuus lämpötilasta ATH:ssa differentiaalikalorimetrillä ja termogravimetrillä mitattuna [4]. SOVELLUKSIA Koska FRNC-kaapelit ovat hyvin merkityksellisiä Suomen uuden ydinvoimalahankkeen kannalta, kaapelinäytteitä mitattiin kaikilla tässä mainituilla menetelmillä. Syttymisrajoja ja liekin leviämisen mahdollisuus pystyttiin arvioimaan kvantitatiivisesti, ja tuloksia on jo käytetty alustavissa todellisissa arvioinneissa. POTFIS-projektissa liekin leviämisen mallittaminen jatkuu vuonna 2005 uusien laitteiden käyttöönotolla, fysikaalisilla ja numeerisilla kokeilla sekä varsinaisten mallien kirjoittamisella, vuonna 2006 mallien siirtämisellä FDS-koodiin [5] ja niiden testauksilla. JOHTOPÄÄTÖKSIÄ Uusi insinöörimenetelmä jähmeän aineen pinnalla leviävän pystysuoran liekin mallintamiselle on hahmotettu ja alustavasti osoitettu järkeväksi nopeilla pienkokeilla. Uusi muunnettu kalorimetritesti ja uusi liekinleviämisen testauslaitteisto on esitetty ja on suunnitteilla. Alustavia kokeita FRNC-kaapeleilla on tehty uuden ydinvoimalaitoksen kaapelien arviointia varten. Vaikka leviämisen perusperiaate on selvitetty, mallin ja mittausmenetelmien yksityiskohdat tarkentuvat tai saattavat muuttuakin työn edetessä. LÄHDELUETTELO 1. Keski-Rahkonen, O. & Mangs, J. Flame spread on cables Literature study and bench scale experiments. VTT Building and Transport, POTFIS work report for years 2003 and 2004, (internal unpublished draft report). 211 s. 8

9 2. ISO Reaction-to-fire tests Heat release, smoke production and mass loss rate Part 1: Heat release rate (cone calorimeter method). Geneva: International Organization for Standardization, s. 3. Honda, L.K. & Ronney, P.D. Mechanisms of Concurrent-Flow Flame Spread over Solid Fuel Beds. Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 28, s Snyder, C.A. Alumina Trihydrate: A New Generation for an Old Flame Retardant. Teoksessa: Flame Retardancy Advances in Fire Safety Regulations, Testing, Products, Markets. Papers presented at Callaway Gardens, Pine Mountain, GA, March 28-30, S McGrattan, K. (ed.): Fire Dynamics Simulator (Version 4) - Technical Reference Guide. Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology. Special Publication s. 9