Sähkökaapelien palomallinnuksen uusia menetelmiä ja tuloksia Anna Matala, Simo Hostikka, Johan Mangs VTT Palotutkimuksen päivät 27.-28.8.2013
2 Motivaatio
3 Pyrolyysimallinnuksen perusteet Pyrolyysimallinnus kytkee lämpöhajoamisesta johtuvan massan muutoksen materiaalin lämpötilaan. kaasu Onko kaasu palavaa vai palamatonta? lämpö Kiinteä aine pyrolyysireaktio Kiinteä aine koostuu usein monista eri komponenteista, jotka hajoavat erilaisten reaktioiden myötä.
4 Pyrolyysimallinnuksen koelaitteita Pienen mittakaavan koelaitteet Termogravimetria (TGA) massan muutos lämpötilan funktiona Mikrokalorimetri (MCC) paloteho lämpötilan funktiona Kartiokalorimetri Suuri mittakaava (validointi) Massa ja paloteho.
5 Mikrokalorimetrin hyödyntäminen pyrolyysimallinnuksessa TGA mittaa massanmuutoksen kussakin lämpötilassa MCC kytkee samoihin lämpötiloihin palotehon voidaan määrittää kunkin reaktion massanmuutos sekä kokonaispalamislämpö Simulointeja varten tulokset pitää muuttaa reaktiopoluiksi ja parametreiksi. Kaksi menetelmää: 1. Yksinkertainen, nopea, ei vaadi esitietoja. Tuottaa oikean palamislämmön jokaista reaktiota kohti. 2. Kunnianhimoisempi, haastavampi, vaatii esitietoja näytemateriaalista. Tavoitteena totuudenmukaisempi malli aineen lämpöhajoamiselle ja koostumukselle.
6 Menetelmien esittely Menetelmä 1 Perustuu ajatukseen, että jokainen hajoamisreaktio tuottaa tietyn määrän palavaa ja palamatonta kaasua. Kukin reaktio hajottaa ko. komponentin täydellisesti, ainoastaan viimeinen reaktio jättää (mahd.) jäännöksen. Palavan kaasun osuus lasketaan ennalta määrättävän palamislämmön avulla. Menetelmä 2 Jokainen näkyvä reaktioaskel voi olla seurausta useasta yhtä aikaa tapahtuvasta hajoamisreaktiosta. Vaatii esitietoja näytemateriaalin mahdollisista komponenteista, hajoamislämpötiloista ja reaktioista. Ratkaistaan optimoinnin avulla (minimoidaan virhettä mitatun ja lasketun massan- ja lämmönvapautumisen välillä) Muuttujina komponenttien osuus alkuperäisessä seoksessa, palavien kaasujen osuus vapautuvista kaasuista ja palamislämmöt.
7 Esimerkkimateriaali: PVC-kaapeli Kaapelin komponentit: Vaippa (PVC-seos) Eriste (PE-seos) Johdin (kupari) Seokset sisältävät varsinaisen polymeerin lisäksi ainakin merkittäviä määriä pehmittimiä ja kalsiumkarbonaattia (CaCO 3 ). Todellinen, tarkka koostumus on usein mallintajalle tuntematon.
8 PVC:n lämpöhajoaminen PVC-seos: PVC, pehmitin, CaCO 3 1. PVC alkaa hajota vapauttaen suolahappoa (HCl, palamaton) sekä pieniä määriä palavia kaasuja. Jättää hiilijäännöksen. Samaan aikaan pehmitin hajoaa täydellisesti vapauttaen palavia kaasuja. 2. PVC:stä jäljelle jäänyt hiillos hajoaa edelleen tuottaen palavia kaasuja 3. Kalsiumkarbonaatti hajoaa tuottaen (pääasiassa) palamatonta kaasua. 1 2 3
9 Tulokset Menetelmä 1 Menetelmä 2 Palamislämpö jokaisessa reaktiossa 46.45 MJ/kg 1. Palavan kaasun osuus 33 % 2. Palavan kaasun osuus 77 % 3. Palavan kaasun osuus 0 %, jäännös 83 % Hajoamattomassa näytteessä PVC 51.4 % 1. palavaa kaasua 4.3 % (49.1 MJ/kg), palamatonta 60.6 % 2. palavaa kaasua 78.6 % (35.8 MJ/kg) pehmitin 26.8 % 1. palavaa kaasua 100 % (30.2 MJ/kg) CaCO 3 21.8 % 3 palamatonta kaasua 18.4 %
10 Kartiotulokset (50 kw/m 2 )
11 Kartiotulosten validointi (25 ja 75 kw/m 2 )
12 Yhteenveto Yhdistämällä TGA- ja MCC-kokeiden tulokset saadaan tarkempaa tietoa aineen lämpöhajoamisesta. Tärkeää etenkin polymeeriseoksille, joiden lämmöntuotto riippuu merkittävästi lisäaineiden (pehmittimet) määrästä ja laadusta. Kokeiden avulla voidaan tehdä malleja, jotka ennustavat lämmönvapautumisen oikein kaikissa lämpötiloissa. Kaksi menetelmää MCC-tulosten hyödyntämiseksi: 1. Yksinkertainen ja yleinen. 2. Monimutkainen ja tarkempi. Molemmat menetelmät toistavat massan- ja lämmöntuoton oikein.
13 Kiitokset Kevin McGrattan (NIST) MCC- ja kartiokoetuloksista Christifirekaapelille #701 Tuula Leskelä (Aalto yliopisto) TGA-kokeista Työ on tehty Valtion Ydinjäterahaston (VYR) osittaisella tuella.