Tulipalojen terveyskustannukset - Pelastustieto

missä n s,αβ , A s,αβ ja E s,αβ ovat kineettisiä kertoimia.kss∂rR= kg∂rε r, in−′ εσTqs ′+RKoivumateriaalissa 2,0 oletettiin tapahtuvaksi kaksi rinnakkaista reaktiota: puun muuttuminen2,5hiileksi ja kaasumaiseksi missä disteet kvapautuvat g on kaasufaasin heti kiinteästä johtavuus, kaasufaasiin,kiinteä aine ja höyrystyvät yhdisteet ovatε on pinnaKoivu, halk. 8 mm polttoaineeksi sekä kosteuden PVC muuttuminen kaapeli MCMK vesihöyryksi. Mallien1,52kineettiset jaIlmantermisetkuivaustaparametrit määritettiin geneettisellä 4 x 1.5 mm2 algoritmilla [9], joka minimoikokeellisen Pyrolyysimalli paikallisessa lämpötasapainossa, olettaa, että kaasumaisetyhdisteet eivät nesteydy ja että huokoi-Kuivattu ja laskennallisen datan välisen eron.41,5 Kineettisetx 6 mm2parametrit määritettiinhöyrystyvät yhd1,0termogravimetrisellä kokeella (TGA) typpikaasussa, missä noin 20 mg näyte lämmitetään kiinteä aine ja höyrystyvät yhdisteet ovat1tasaisella nopeudella ja samalla mitataan näytteen hajoamisesta johtuva massahäviö. Kuvassa suudella ei ole vaikutusta. Kemiallinen lähdetermion0,5yhdisteet eivät nesteydy ja että huokoisuudella4a esitetään kokeelliset ja laskennalliset TGA-käyrät 0,5 koivupuunäytteelle kahdellalämmitysnopeudella. 0,0Lämpötilariippuva ominaislämpö c0 p ja reaktiolämpö määritettiinN Nm r,αerillisellä0differentiaalipyyhkäisykalorimetrikokeella. 100 200 3000Muut termiset 50 100 parametrit 150 määritettiin200Ympäristön lämpötila kaasupolttimenq s−=′ ρs0′ αβHrr,′αβ(3)sytyttämishetkellä ( o Ympäristön lämpötila kaasupolttimenkartiokalorimetrikokeen massahäviönopeudesta. C)Koe suoritettiin 50 kW/m 2 säteilytystasollasytyttämishetkellä ( o C)α= 1 β=1sekä typessä että ilmassa. Mallisovituksen vertailu koetulokseen esitetään kuvassa 4b.Säädettävien parametrien a) lukumäärästä huolimatta sovituksen ja koetuloksen b) yhteensopivuus missä ρ s0 on alkuperäinen kerrostiheys, H r,αβon vain tyydyttävä. Syttymisaika ja keskimääräinen palamisnopeus ovat lähellä mitattuja, missä on materiaalin ρ s0 on alkuperäinen α reaktion kerrostiheys, β reaktiolämpö H r,αβ ja on materimutta Kuva ensimmäinen 3. Palava osuus huippu 2 m pitkillä massanmuutosnopeudessa pystysuorilla näytteilla on ympäristön selvästi ennustetettu lämpötilan funktiona: liian korkeaksi a) vastaava r αβ vastaava reaktionopeus reaktionopeustypessä. koivupuurima, Puun huokoisuuden halkaisija 8 mm, ja b) kuitujen PVC kaapeli kaksiulotteisuuden MCMK. kuvaaminen mallissa paremminns, αβsaattaisi edistää yhteensopivuutta. Mallin parametrit esitetään taulukossa 2. ρs,α = E −s,αβrαβAs, αβexp ρsRT0s (4)LASKENNALLISET MENETELMÄTPalava osuus (m)Palava osuus (m)Mallin kuvausmissä n s,αβ, , A s,αβ ja E s,αβ ovat kineettisiä kertoimia. kertoimia.Numeerinen palosimulointi suoritettiin Fire Dynamics Simulator (FDS) -ohjelmistolla Koivumateriaalissa oletettiin tapahtuvaksi kaksi rinnayhdistettynä materiaalien pyrolyysimalleihin. Koelaitteen simuloinneissa laskenta-alueen hiileksi Koivumateriaalissa ja kaasumaiseksi oletettiin polttoaineeksi tapahtuvaksi sekä kosteudealareunaan kiinnitettiin vakioilmavirtausnopeus 0,3 m/s ylöspäin, ja vakiolämpötila kineettiset ja termiset parametrit määritettiin geneettkaksi rinnakkaista reaktiota: puun muuttuminenhiileksi ja kaasumaiseksi kokeella (TGA) polttoaineek-pystysuoraan ulkoreunaan. Laskenta-alueen yläreuna jätettiin avoimeksi. Avoimen tilan kokeellisen ja laskennallisen datan välisen eron.termogravimetrisellä simuloinneissa kaikki kolme reunaa jätettiin avoimiksi. Näyte sijoitettiin alueentyppikaasussa, mkeskiakselille. Näytteen sisäinen lämpötila T tasaisella si sekä kosteuden nopeudella muuttuminen ja samalla mitataan vesihöyryksi.Mallien esitetään kineettiset kokeelliset ja termiset ja laskennalliset parametrit TGA-s ratkaistiin yksiulotteisesta lämmönjohtavuusyhtälöstäsuunnassa kohtisuoraan näytteen pintaa vastaan4anäytteen hajoa2,0lämmitysnopeudella. 2,5määritettiin geneettisellä Lämpötilariippuva algoritmilla [9], jokaminimoi differentiaalipyyhkäisykalorimetrikokeella. kokeellisen ja laskennallisen da-MominaislämpKoivu, halk. 8 mmPVC kaapeli MCMK∂Terilliselläs1 ∂ a) ∂Ts1,5b)2ρ css= rks qs′ ′ ′+ Ilman kuivausta4 x 1.5 mm22,0kartiokalorimetrikokeentan välisen eron. Kineettisetmassahäviönopeudesta.parametrit määritettiintermogravimetriselläKoe s∂ ∂rrt ∂2,5 4 x 6 mm2Kuivattu(1) sekä 1,5typessä että ilmassa. Mallisovituksen vertailu1,0 Koivu, halk. 8 mmPVC kaapeli MCMKSäädettävien parametrien lukumäärästäkokeella (TGA)2,0huolimatta soviKuva 4. Kokeelliset (Exp) ja laskennalliset (FDS) 1,5 tulokset2,52Ilman koivupuulle: kuivausta a) TGA1on typpikaasussa,4 x 1.5 mm2missä ρ s , c vain tyydyttävä. missä Syttymisaika noin 20 mg näyte ja keskimääräinen lämmitetäänensimmäinen tasaisella nopeudella huippu massanmuutosnopeudessa ja samalla mi-oKoivu, s ja halk. k s 8 ovat mm näytteen tiheys, ominaislämpö 0,5 ja lämmönjohtavuus. PVC kaapeli MCMK Reunaehto4 x 6 mm2lämmitysnopeuksilla 2 ja 20 K/min typpikaasussa; b) Kartiokalorimetrin Kuivattumassahäviönopeusnäytteen 1,5 pinnalla (r = R) on2muttapinta-alayksikköä kohden (MLRPUA) säteilytystasolla 50 kW/m 2 0,51,51,0Ilman kuivausta4 x 1.5 mm2.0,0typessä. tataan näytteen Puun huokoisuuden hajoamisesta ja johtuva kuitujen massahäviö.edistää Kuvassa yhteensopivuutta. 4a esitetään kokeelliset Mallin parametrit ja esitkaksiulotteisu4 x 6 mm2Taulukko 2. Koivupuun materiaalimallin parametrit.01Kuivattu1,5∂T1,0 ∂Tsaattaisig0,50 100 200 3000 50 100 150 200s4Ympäristön lämpötila kaasupolttimenksSymboli = kgr inTqsr Parametri ε ,−′ εσlaskennalliset TGA-käyrät koivupuunäytteellekahdella lämmitysnopeudella. Lämpötila-Rr ′+ Kosteus Koivupuu HiiliA∂s,x ∂Reaktion taajuustekijä R (1/s) 1 × 10 13 1sytyttämishetkellä7,513 × 10 11 ( o 0,5 Ympäristön lämpötila kaasupolttimenC)sytyttämishetkellä (- (2)o C)0,00,5E s,x Reaktion aktivoitumisenergia 1 × 10 5 1,61 × 10 5 00 100 -0,5 a)200 3000 50 100 150 200(J/mol)Ympäristön lämpötila kaasupolttimen riippuva ominaislämpö b) c p ja reaktiolämpömissä 0,0 k g on kaasufaasin johtavuus, ε on pinnan emissiivisyys ja q sytyttämishetkellä ′ , i tuleva nr säteilyvuo. (n s,x Reaktion kertaluku 1,0 3,12 o Ympäristön lämpötila kaasupolttimenC)määritettiin erillisellä differentiaalipyyhkäisykalorimetrikokeella.ympäristön lämpötilan Muut termiset funktiona: paramet-a)0-sytyttämishetkellä ( o C)0 100 200ν s,x Hiilen saantoKuva 3000,03. Palava osuus0,222 m pitkillä pystysuorilla-näytteilla0 50 100 150 200Pyrolyysimalli Ympäristön olettaa, että lämpötila höyrystyvät kaasupolttimen yhdisteet koivupuurima, vapautuvat halkaisija heti a)νkiinteästä kaasufaasiin,g,x,f Polttoaineen sytyttämishetkellä saanto ( rit määritettiin kartiokalorimetrikokeen massahäviönopeudesta.Koe suoritettiin 50 kW/kiinteä aine ja höyrystyvät yhdisteet o 0,0 0,78 Ympäristön 8 mm, lämpötila b) PVC kaapeli- kaasupolttimen MCMK.C)b)ovat paikallisessa lämpötasapainossa, sytyttämishetkellä kaasumaiset (ν g,x,w Veden saanto 1,0 0,0 -o C)yhdisteet eivät nesteydy ja että huokoisuudella ei ole vaikutusta. Kemiallinen lähdetermi onc s,x Ominaislämpö (kJ/kg⋅K) Kuva 4,19 3. Palava61,20 osuus (20 °C) 2 m pitkillä 0,76 pystysuorilla (235 °C) näytteillam2 säteilytystasollaympäristönsekälämpötilantypessä ettäfunktiona:ilmassa.a)a)LASKENNALLISET MENETELMÄTkoivupuurima, 1,36 halkaisija (180 °C) 8 mm, 0,82 b) b) (260 PVC °C) kaapeli MCMK.N NMallisovituksen vertailu koetulokseen esitetäänkuvassa 4b. Säädettävien parametrienm r,αqs−=′ ρs0′ αβHrr,′1,42 (210 °C) 0,94 (300 °C)αβMallin kuvausKuva 3. Palava α= 1 β=1 osuus 2 m pitkillä pystysuorilla näytteilla ympäristön 1,10 lämpötilan (450 °C)(3)funktiona: a)lukumäärästä huolimattaa)sovituksen ja koetuloksenyhteensopivuus on vain tyydyttävä.koivupuurima, H r,s,x Reaktiolämpö halkaisija 8 (kJ/kg) mm, b) PVC kaapeli LASKENNALLISET Numeerinen 2410 MCMK. palosimulointi 315 MENETELMÄT suoritettiin - Fire Dynamics Simulator (FDS) -ohjelmistollaPalamislämpö (kJ/kg) 0 14,5 × 10 3 -yhdistettynä materiaalien pyrolyysimalleihin. Koelaitteen simuloinneissa laskenta-alueenε v,x Pinnan emissiivisyys Mallin 0,8 0,85 0,95 Kuva Syttymisaika 4. Kokeelliset ja keskimääräinen (Exp) ja laskennalliset palamisnopeusovat lähellä mitattuja, 2 20 mutta K/min ensimmäinen typpikaasussa; b) Ka(FDS) tulok5 alareunaan kuvaus kiinnitettiin vakioilmavirtausnopeus 0,3 m/s ylöspäin, ja vakiolämpötilak s,x Lämmönjohtavuus (W/m⋅K) 0,58 0,2 (20 °C) 0,065 (20 °C) lämmitysnopeuksillaLASKENNALLISET MENETELMÄT pystysuoraan ulkoreunaan. Laskenta-alueen yläreuna jätettiin avoimeksi. Avoimen tilanNumeerinen simuloinneissa palosimulointi 0,4 kaikki (400 °C) kolme 0,2 suoritettiin (500 reunaa °C) Fire jätettiin Dynamics pinta-alayksikköä huippu avoimiksi. massanmuutosnopeudessa Simulator Näyte kohden (FDS) sijoitettiin (MLRPUA) -ohjelmistolla on alueen säteilytystasolla selvästiennustetettu yksiulotteisesta simuloinneissa liian korkeaksi lämmönjohtavuus-laskenta-alueentypessä. Puun5ρ x Tiheys (kg/m 3 ) yhdistettynä keskiakselille. 1000 materiaalien Näytteen 606 sisäinen pyrolyysimalleihin. lämpötila 133 T s ratkaistiin KoelaitteenMallin Y s,xkuvaus Alkuperäinen massaosuus alareunaan 0,01 yhtälöstä / 0,0 suunnassa kiinnitettiin 0,99 kohtisuoraan vakioilmavirtausnopeus näytteen 0,0 pintaa huokoisuuden vastaan 0,3 m/s ylöspäin, ja kuitujen ja kaksiulotteisuudenkuvaaminenvakiolämpötila(kg/kg)pystysuoraan ulkoreunaan. Laskenta-alueen yläreuna jätettiinmallissaavoimeksi.paremminAvoimensaattaisiedistää yhteensopivuutta. Mallin paramet-tilanNumeerinen palosimulointi suoritettiin simuloinneissa Fire ∂TDynamics Simulator (FDS) -ohjelmistollas1 ∂ kaikki ∂Tkolmes reunaa jätettiin avoimiksi. Näyte sijoitettiin alueenρ css= rks qs′ ′ ′+yhdistettynä materiaalien pyrolyysimalleihin. keskiakselille. ∂Koelaitteen ∂Näytteen rrt ∂simuloinneissa sisäinen lämpötila laskenta-alueenT s ratkaistiin yksiulotteisesta lämmönjohtavuusyhtälöstäsuunnassa 0,3 m/s kohtisuoraan ylöspäin, näytteen ja vakiolämpötilapintaa vastaanSimulointituloksiarit esitetään taulukossa 2.(1)alareunaan kiinnitettiin vakioilmavirtausnopeuspystysuoraanselille. Esitetyn Näytteen mallin ulkoreunaan.sisäinen validoimiseksi Laskenta-alueenlämpötila simuloitiin T s ratkaistiinyksiulotteisesta lämmönjohtavuus-ρ näytteen c onmissä koivupuunäytteiden yläreuna jätettiin liekinleviämiskokeita.avoimeksi. Avoimen tilannaislämpö ρ s , c jaslämmönjohtavuus. ja k s ovat näytteen Reunaehto tiheys, ominaislämpö ja lämmönjohtavuus. Reunaehtosimuloinneissa Syttymisrintaman kaikki sijainti jokaisessa kolme reunaa ajallisessa näytteen jätettiin ∂laskentapisteessäTspinnalla 1 ∂avoimiksi. (r = ∂TR) määritettiin s Näyte ylimpänä sijoitettiin alueenss=Simulointituloksiakeskiakselille. korkeutena missä Näytteen palamisnopeus sisäinen ylitti lämpötila 0,001 kg/m T 2 pinnalla rks(r = R) on qs′ ′ ′+∂ s s. ratkaistiin Simuloidut ∂rrt yksiulotteisesta ∂syttymisrintamasijainnit lämmönjohtavuusyhtälöstäsuunnassa kohtisuoraan näytteen koivuriman pintaa ∂Tvastaan halkaisijoilla ∂T2-10 mm ympäristön6yhtälöstä esitetään suunnassa kuvassa 5a kohtisuoraan avoimen tilan tapuksessa näytteen(1)pintaa lämpötilassa vastaan 20 o sg4 C. Jokaisessa käyrässä on kskiihtyvä = alkuvaihe, kgjonka r in jälkeen Tqs liekin Esitetyn mallin validoimiseksi simuloitiinleviämisnopeus hidastuu hieman ja saavuttaa vakior ε ,−′ εσtai R lähes vakionopeuden.r ′+missä ∂ρ (2)s , c s ja ∂k s ovat näytteenSovittamalla tiheys, ominaislämpö ja lämmönjohtavuus. ReunaehtoR koivupuunäytteiden liekinleviämiskokeita. (2)suora ∂Tsjälkimmäiseen 1 ∂ ∂Tosaan sρ c saadaan liekinnäytteenleviämisnopeudenpinnalla (r = R)riippuvuusonnäytteen Syttymisrintaman sijainti jokaisessa ajallisessass= rks qs′ ′ (1) ′+halkaisijasta. ∂ Kuvassa ∂rrt 5b ∂esitetään simuloitujen ja kokeellisten tulosten vertailu. Kuvassa onmissä k ε on pinnan emissiivisyys laskentapisteessä määritettiin ylimpänä korkeutenamissä palamisnopeus ylitti 0.001 kg/missä kiinnostavasta ρ s , ρ smyös simuloitu ja kokeellinen liekin leviämisnopeus 8 g on kaasufaasin johtavuus, ɛ on pin-5,5-10 emissiivisyys = kmm g ovat ja lähellä in toisiaan, Tqmm koivunäytteelle 2 m:n laitteessa. (1) ja q ′ , i tuleva nr säteilyvuo.∂T ∂Tsg4 Simuloidut ja mitatut leviämisnopeudet alueella ksnan s muttac, s c ja k vaiheesta, ts. missä halkaisijan vaikutus nopeuteen on merkittävä, on vain m2s. Simuloidut syttymisrintamasijainnit esiss ja ovat k näytteens ovat näytteen tiheys, omi-r ε r ,−′ tuleva εσ säteilyvuo.Rr ′+∂että yhdisteet vapautuvat heti kiinteästä kaasufaasiin,tiheys, Pyrolyysimalli ominaislämpö ∂olettaa, ja lämmönjohtavuus. että höyrystyvät R yh- Reunaehto(2)näytteen laskettuja pinnalla arvoja.kiinteä aine ja höyrystyvät yhdisteet ovat paikallisessa lämpötasapainossa, kaasumaiset(r = R) onyhdisteet eivät nesteydy ja että huokoisuudella ei ole vaikutusta. Kemiallinen lähdetermi onmissä k g on kaasufaasin johtavuus, ε on pinnan emissiivisyys PALOTUTKIMUKSEN ja q ′ , i tuleva PÄIVÄT nr 2011 säteilyvuo. 67T ∂Tsgk∂ = kε −′ εσTq 4N Nm r,α′+ Pyrolyysimalli q s−=′ ρs0olettaa, ′αβHrr,′αβ että höyrystyvät yhdisteet vapautuvat heti kiinteästä kaasufaasiin,Palava osuus (m)Palava osuus (m)Palava osuus (m)Palava osuus (m)Palava osuus Palava (m) osuus (m)