Samarbeidspartner: Petrell as

Samarbeidspartner: Petrell as

2 INNHOLDSFORTEGNELSE 1 Sammendrag og konklusjoner...3 2 Innledning og formål med prosjektet...3 3 Prøveutrustning...4 3.1 Forsøksovn...5 3.2 Strømforsyning med effektforsyning...5 3.3 Instrumentering for måling av tilført effekt...6 3.4 Prøvestykke...6 3.5 Instrumentering for måling av temperatur...8 4 Justering av prøveutrustning...9 4.1 Varmebalanse...9 4.2 Måling av tilført effekt...9 4.3 Sammenligning mellom avgitt effekt i ovnen og varmetransport gjennom prøvestykke10 4.4 Beskrivelse av prøvestykker...11 5 Fysiske oppvarmingsforsøk...12 6 Simulering i datamaskin av oppvarmingsforsøk...15 6.1 Modellering av varmebalanse med Brilliant CFD-kode...15 6.2 Simuleringsmodell...15 6.3 Simulering av oppvarmingsforsøk...15 6.4 Simuleringsresultater 600 C...16 6.5 Simuleringsresultater 800 C...17 6.6 Simuleringsresultater 1000 C...20 7 Diskusjon av metode og resultater...22 7.1 Energibalanse i forsøksovn...22 7.2 Strålingsverdier og emissivitet...22 7.3 Beregning av konduktivitet...23 7.4 Diskusjon av metode...23 8 Litteratur - referanser...25 9 Liste over figurer...25 Vedlegg A Tegning av forsøksovn...26 Vedlegg B Logging av effekt...27 Vedlegg C Retningslinjer for måling av trefaseeffekt...28 Vedlegg D Oversikt over forsøk og simuleringer...29 D.1 Oversikt over utførte forsøk i ovn...29 D.2 Oversikt over simuleringer av forsøk...29

3 1 Sammendrag og konklusjoner En forsøksovn for utprøving av passive brannbeskyttende materialer er bygd og instrumentert i samsvar med prosjektforslaget. Det er utført et antall simulerte branntester med varmeeksponering av ubeskyttet stål samt stål beskyttet med et brannbeskyttende isolasjonsmateriale. Forsøkene i ovnen er simulert med Brilliant 1 programvare der resultatene viser at det er mulig å gjenskape varmebalansen i testovnen med svært god repeterbarhet, med og uten isolasjonsmateriale. Forsøksapparaturen er i foreliggende utgave begrenset til en operasjonstemperatur på opp til omlag 1000 C. Energitilførsel basert på elektrisk oppvarming har vært en forutsetning for å gi en kontrollert varmebalanse i forsøksovnen slik at varmeeksponeringen på forsøksstykket kunne simuleres. Forsøksutrustningen har fungert slik som forutsatt i prosjektforslaget. 2 Innledning og formål med prosjektet I løpet av de siste årene har vi sett en økning i bruk av simuleringsverktøyer til simulering av ulike fysiske fenomener. Datasimuleringsverktøy blir utviklet eller modifisert til bruk i forbindelse med analyse av sikkerhet og ulike farer. En utfordring med slike verktøy i dag er tilgangen på inngangsdata. Branneksponering av konstruksjoner påført en eller annen form for passiv brannbeskyttelse, er eksempel på en simulering hvor tilgang på inngangsdata er begrenset. Ekspanderende sprøytebaserte epoxymaterialer, sementbaserte materialer, keramiske fibermaterialer og mineralull er eksempler på materialer hvor de fysiske egenskapene endrer seg med temperatur. Tilgangen på materialdata for slike materialer som er utsatt for en varmelast (brann), er begrenset. Brann- og varmefluks belastning i fysiske simuleringsmodeller er i stor grad realistiske, men dersom oppførsel og egenskaper til brannbeskyttelsesmaterialene er ukjente eller delvis antatt, vil simuleringene også bli usikre. På bakgrunn av at materialdata til passive brannbeskyttende (PFP) materialer under brannpåkjenning er mangelvare, så har målet for dette prosjektet vært å utvikle en metode for å kartlegge materialdata til PFP materialer. Med utgangspunkt i varmebalansen i en ovn hvor PFP materialene blir påført en kjent varmelast, skal man ved bruk av metoden kunne kartlegge ulike materialers termiske ledningsevne (termisk konduktivitet). I dette prosjektet er det blitt bygget en ovn med elektrisk strålingspanel. Det er kjørt tester i ovnen med målinger av temperatur på strålingspanelet og på et prøvestykke, en 5 mm tykk stålplate. 1 Brilliant er en CFD-kode basert på objektteknologi for å analysere transiente og stasjonære fysiske fenomen

4 Parallelt med dette er det bygget en datamodell av ovnen og sammen med dataene fra testene, har dette vært grunnlaget for datasimuleringer og en kontroll av metoden. Prosjektet har vært et samarbeid mellom SINTEF NBL AS og Petrell AS, hvor SINTEF NBL har stått for konstruksjon, bygging av ovn og gjennomføring av tester, mens Petrell har bygd datamodellen og gjennomført datasimuleringene. 3 Prøveutrustning For å benytte seg av varmebalansen i ovnen til å kartlegge materialers termiske ledningsevne, er man avhengig av å kjenne den tilførte varmelasten (effekten). I brannteknisk prøving er varmelasten ofte i form av en gassbrann (propan), men effekten av denne og fordeling over en flate, er ofte ujevn. I dette prosjektet er det derfor valgt å bruke elektrisitet som oppvarmingskilde. Metallfolie med tilpasset motstand kan brukes som strålingspanel. Erfaringer og beregninger viser at tynn folie i form av en stållegering, Knufoil 2, egner seg til bruk i et slikt strålingspanel. Prøveutrustningen består av: o Ovn o Strømforsyning med effektstyring o Prøvestykke påmontert stålplate o Instrumentering for måling av temperaturer o Instrumentering for måling av tilført effekt Figur 1 viser hele prøveutrustningen montert opp. Transformator Styringspanel med regulator Tyristor Forsøksovn Figur 1: Forsøksutrustning med ovn, transformator, tyristor og styringspanel med temperaturregulator 2 Knufoil er en stållegering inneholdende nikkel og krom som brukes til innpakking av verktøy etc. ved herding. Folien er 0,05 mm, leveres i 610 mm bredde og har smeltetemperatur på 1455 C.

5 3.1 Forsøksovn For å oppnå et mest mulig adiabatisk 3 system, som samtidig skal være lett å reparere eller videreutvikle, er ovnen bygget opp i blokker av lettbetong belagt med isolasjon og stål på innsiden (figur 2-1). Figur 2-1: Ovn med tilførselskabler og figur 2-2: strålingspanel med 3 vertikale folier Strålingspanelet (figur 2-2) består av 3 vertikale folier, henholdsvis 145 mm brede og 440 mm lange. Disse er forsynt med spenning mellom de tre ulike fasene i strømforsyningen. Indre dimensjoner på ovnen er 450x450x150mm (bxhxl). Prøvestykket blir montert 150 mm fra strålingspanelet. For detaljerte tegninger av ovnskonstruksjonen, se vedlegg A. 3.2 Strømforsyning med effektforsyning Strømforsyningen består av 400 Volt 3-fas strømforsyning, en tyristor styrt ved hjelp av en regulator og en 400/48 Volt transformator, se figur 1. Utstyret er dimensjonert for en kontinuerlig effekt på 150 kw og en effekt på 300 kw for en kortere periode. Justering av effekten foregår ved hjelp av et styringspanel med regulator som styrer en tyristor. Tyristoren regulerer strømstyrken og derved effekten ved at den bare slipper deler av sinuskurvene igjennom avhengig av ønsket pådrag. Det er tilført opp til omlag 20 kw effekt i forsøkene som er utført. Siden varmefolien som er brukt har et areal på 0,44 x 0,435 m = 0,19 m 2, vil tilført effekt være i størrelsesorden 20/0,19 100 kw per m 2. Strømforsyningen har altså kapasitet til å gi apparaturen opp til 150/0,19 750 kw/m 2 effekt, men den begrensende faktor i apparaturen er varmefoliens evne til å omsette energi uten å miste fasong eller brenne av. 3 Adiabatisk: Tilført varme beholdes i systemet

6 3.3 Instrumentering for måling av tilført effekt De fleste måleinstrumenter for måling av strøm baserer seg på at vekselstrømmen har en sinus kurveform. Effektregulering ved hjelp av en tyristor foregår ved at sinuskurvene klippes og bare biter slippes gjennom som strøm- og spenningsimpulser. I slike tilfeller klarer ikke tradisjonelt måleutstyr å måle den virkelige strømmen og spenningen. Mye av utfordringen med dette prosjektet sådan har så vært å klare å måle den tilførte effekten til ovnen. Figur 3 viser et utsnitt av strømkurvene som er målt på utgangen av transformatoren. Det fremgår av figuren at den opprinnelige sinusformen er degenerert og blir irregulær etter passering av tyristor og transformator. Diagramtittel 12 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 -12 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Figur 3: Illustrasjon av irregulær strømkurve fra transformator samt underliggende sinusform (noe faseforskjøvet) Vekselstrøm med 50 Hz frekvens har strøm og spenning som svinger 50 ganger per sekund. Den gjennomsnittlige strøm og spenning for en svingning (periode) vil kunne bestemmes ved integrering over perioden. For å kunne foreta en slik integrering er en avhengig av tilstrekkelig antall målinger pr svingning. Loggeren som er brukt i dette prosjektet har en maksimal samplingshastighet på 9600 Hz fordelt på antall benyttede kanaler. Det er kjørt tester med både 2 og 6 kanaler for å kontrollere samplingshastighetens innvirkning på resultatet av målingene. Ved bruk 2 og 6 kanaler er det oppnådd 96 og 32 målinger per periode. Integrering ved hjelp av et stolpediagram gir grunnlaget for beregning av strøm og spenning. Målingene viser at strøm- og spenningskurvene har form med en relativ rask stigning med påfølgende spiss toppverdi. Forenkling med integrasjon ved hjelp av et stolpediagram vil trolig ikke få med seg hele denne toppverdien og derfor gi en måling som er litt mindre enn reelt. I form av justeringsfaktorer blir dette avviket tatt hånd om. Se vedlegg B for måleoppsett for strømlogging. Vedlegg C viser retningslinjer for måling av trefaseeffekt. 3.4 Prøvestykke En 5 mm tykk stålplate i kvalitet ST 37 er brukt i selve prøvestykket. Denne stålplaten har en eksponert overflate på 450 x 450 mm. For innkjøring av ovnen og bestemmelse av justeringsfaktorer er det kjørt tester med kun stålplate uten isolasjon. Stålplaten påmontert 25 mm keramisk isolasjon er brukt for å teste metoden.

7 Figur 4-1 Stålplate og Figur 4-2: Stålplate montert i ovn med termoelementer påmontert Varmefolie Stålplate Termoelementer Figur 5: Ovn sett ovenfra med stålplate, 3stk. varmefolie og termoelementer for å måle temperatur

8 3.5 Instrumentering for måling av temperatur Overflatetemperaturen på foliene i strålingspanelet er målt ved hjelp av 0,5 mm tykke termoelementer av type K. Disse er sydd fast midt i hver folie slik at termoelementets tupp (som måler temperaturen) er i kontakt med folien. Varmetransporten gjennom stålplata i selve prøvestykket er målt ved hjelp av et 0,5 mm termoelement av type K montert inntil platen ved hjelp av sveisede klammer. Et termoelement er montert i senter av platen på henholdsvis eksponert og ueksponert side. For å fastsette størrelsen på varmetapet via strømlederne fra transformator til strålingspanel, er det målt temperaturer flere steder på strømlederne av kobber. Det var i starten av forsøkene uklart om oppvarmingen som ble målt i strømlederne kunne skyldes ohmsk resistans i lederne eller varmeledning fra strålingspanelet. Det ble derfor montert temperaturmåling fire steder langs strømlederne for å få en temperaturprofil, henholdsvis 3 cm, 20 cm, 25 cm og 78 cm fra bakveggen av ovnen. 350 300 Temperatur 250 200 150 Kabel 25cm fra ovn Kabel 78cm fra ovn Kobber 3cm fra ovn Kabel 20cm fra ovn 100 50 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Figur 6: Temperaturutvikling over 15 minutter i 4 målepunkter med avstand 3, 20, 25 og 78 cm fra ovnen. Resultatet fra målingene viser at strømlederne blir oppvarmet betydelig 3 cm fra ovnen, men lite oppvarmet 78 cm fra ovnen. Oppvarmingen skyldes derfor varmeledning fra strålingspanelet og ikke ohmsk resistans i lederne.

9 4 Justering av prøveutrustning 4.1 Varmebalanse Sammenhengen mellom den tilførte elektriske energien til ovnen og den energien som blir sendt mot prøvestykket i form av stråling, er avhengig av flere forhold. Energien fra folien blir avgitt i form av stråling, konveksjon og ledning. Det aller meste av energien vil bli sendt ut som stråling, noe vil bli avgitt i form av konveksjon og en liten del vil bli avgitt som ledning ut gjennom ovnens bakvegg via strømlederne. Figur 7: Varmebalanse i ovnen med varmetap via luftspalte og via strømledere. Tilført effekt måles og er grunnlaget for simuleringene. Imidlertid går noe av energien med til oppvarming av materialet i prøvestanden og kan følgelig ikke tas med som energi som eksponerer prøvestykket. I den matematiske modelle er oppvarming av vegger og isolasjon med, men oppvarming av kopperet som holder varmefoliene er ikke med. Det gjøres derfor et estimat av varmetapet i kopperen. Dette tapet trekkes fra tilført effekt. E sim = E målt - E tap Koppertapet, E tap har to tapsledd: Tak som skyldes oppvarming av selve kopperen og Tap som skyldes varmeledning ut av ovnen gjennom kopperledningene som fører strøm inn i prøvestanden. Det er lite ohmsk oppvarming av selve kopperledningene. Koppertapet regnes ut på basis av temperaturstigningen i kopperen. Denne blir målt gjennom hele forsøket. 4.2 Måling av tilført effekt Instrumentpanelet som benyttes for å styre effekttilførselen har uttak for å logge effektpådraget. Dette signalet må imidlertid kalibreres. Det ble gjort ved å måle effekten gjennom kablene mellom trafoen og testaparaturen. En sampler med samplingsfrekvens vesentlig høyere enn 50 Hz ble benyttet. Målinger ble gjort ved ulike pådrag og signalene ble samholdt med målt effekt.

10 Resultatet var en kurve som viste sammenhengen mellom effekt og signal. Signalet ble så benyttet til å finne tilført effekt. Se Figur 8. Den tilnærmede kurven ble benyttet til omregning og hadde formen E målt 4,743 p 1,667 Der p er målt signalspenning. 18 16 14 Målt effekt [kw] 12 10 8 6 4 2 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Målt signal [Volt] Målt kurve Tilnærmet kurve Figur 8: Sammenligning mellom tilført effekt og signalspenning. 4.3 Sammenligning mellom avgitt effekt i ovnen og varmetransport gjennom prøvestykke Prøvestykket monteres på en stålplate som har en avstand fra strålingspanelet på 150 mm. Ved å påføre denne stålplaten uten påmontert prøvestykke stråling inntil stålplatens temperatur stabiliserer seg ( steady state ) er det mulig å bestemme strålingspanelets emissivitet. Figuren under viser temperaturen målt på strålingspanelet og på begge sider av stålplaten ved ulike effektpådrag.

11 1000 900 800 700 Folie (V-W) Folie (U-V) Kobber Stålplate-eksponert Stålplate-ueksponert 600 500 400 300 200 100 0 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900 Figur 9: Temperatur målt på strålingspanel og på henholdsvis eksponert og ueksponert side av stålplate ved ulike effektpådrag. 4.4 Beskrivelse av prøvestykker Det er gjort innledende forsøk med to typer isolasjonsmateriale: Betegnelse Produsent Beskrivelse Tykkelse Kaowool TM 1400 Thermal Ceramics Vakumstøpt plate bygd opp av 25 mm. keramiske fibre Firemaster 607 Thermal Ceramics Plate bygd opp av AES ull (Alcaline earth silicate) 25 mm. Begge typer materiale er keramiske fibermaterialer som beholder form og tykkelse under oppvarmingen; er lett å bearbeide og krever ingen spesielle verktøy eller metode for påføring. Isolasjonsmaterialet er lagt på fremsiden av stålplaten slik at temperaturen i stålet blir redusert, som vist i figur 10.

12 Isolasjonsmateriale Figur 10: Isolasjonsmateriale montert inn i ovnen på fremsiden av stålplata 5 Fysiske oppvarmingsforsøk Det er utført 20 oppvarmingsforsøk med apparaturen, og en oversikt over forsøkene er vist i vedlegg D.1. De første 11 testene er utført med måling av temperaturer på stålplate som funksjon av tid for å justere inn ovn og etablere varmebalanse og emissivitet. Av de resterende forsøk er 5 stk. utført med Kaowool isolasjon og 4 stk. med Firemaster isolasjon. Tabellen under viser de tre første oppvarmingsforsøkene som er utført. Prøvestykket er en 5 millimeter stålplate i alle tester. Referanse Prøvestykke Temperatur Kommentar 080108_01 Stålplate 5mm 600 C Måling av temperatur med to sett TC. 080108_02 Stålplate 5mm 800 C Måling av temperatur med to sett TC. Effektøkning etter 9 min? 080108_03 Stålplate 5mm 1000 C Måling av temperatur med to sett TC. Test avbrutt etter 1 min+ De første testene viste at varmefolien utvidet seg mye i lengderetning ved høy temperatur, typisk over 800 C. Ved temperatur mellom 1050 og 1100 C ble folien buklet og endret form som vist i figur 12. De nærliggende foliestykkene med potensialforskjell på 48 V berørte hverandre ved flere anledninger, slik at det oppsto en kortvarig lysbue og folien brant av og forsøket måtte avsluttes. Figur 11 viser eksempel på at folien brenner av ved temperatur på omlag 1000 C. Målingen vil alltid vise noe lavere verdi enn den reelle materialtemperaturen i øyeblikket, så den riktige materialtemperaturen ved tidspunktet der folien brenner av er i overkant av det som fremgår av figur 11.

13 Effekt (kw) 32,0 30,0 28,0 26,0 24,0 22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Temperatur 1200 1000 800 600 Folie (V-W) Folie (U-V) 400 Kobber Stålplate-eksponert 200 Stålplate-ueksponert Stålplate-eksponert-2 Stålplate-ueksponert-2 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Figur 11: Måling av tilført effekt samt temperaturer i ovnen ved foliebrudd etter ca 100 s. For å hindre deformasjon på grunn av termisk utvidelse i lengderetning ble nedre kopperskinne montert fleksibelt slik at den kunne beveges i z-retning og gi strekk i folien. Dette fungerte bra, men forhindret ikke at maksimum arbeidstemperatur for varmefolien i dette oppsettet ble omlag 1050 grader. Det ble derfor besluttet at forsøkene skulle utføres opp til 1000 C, og det ble valgt å ta opp målinger ved tre temperaturer for å kunne etablere tre punkter i en funksjon. Det ble valgt å bruke temperaturene 600, 800 og 1000 grader i oppvarmingsforsøkene. Figur 12: Tre stykker varmefolie montert i ovn og påsatt spenning.

14 Figur 13 viser effektkurve ved oppvarming av ovn til 600 C. Det fremgår av kurven at det er et innsvingningsforløp helt i starten før regulatoren trekker i overkant av 7 kw effekt for å heve temperaturen opp til noe under 600 C. Deretter synker tilført effekt langsomt som funksjon av tiden, fordi energien som allerede er tilført beholdes i ovnen og stadig lavere effekt er nødvendig for å opprettholde konstant temperatur. Figur 14 viser temperturen i varmefolie (to øverste kurver) som etter ca. 30 sekunder holdes stabil på mellom 550 og 600 C. Kurve 14 viser også at temperaturen stiger både i stålplate og i kobberskinne. Alle fire målinger i stål, kalt henholdsvis stålplate eksponert, stålplate ueksponert, stålplate eksponert 2, stålplate ueksponert 2, ligger ganske nær i verdi. 14,0 12,0 10,0 Effekt (kw) 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Figur 13: Tilført effekt til ovnen starter med en høy initialverdi og synker deretter Temperatur 700 600 500 400 300 Folie (V-W) Folie (U-V) Kobber Stålplate-eksponert Stålplate-ueksponert Stålplate-eksponert-2 Stålplate-ueksponert-2 200 100 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Figur 14: Temperatur i varmefolie(øverst), stålplate og i kobberskinne (nederst).

15 6 Simulering i datamaskin av oppvarmingsforsøk 6.1 Modellering av varmebalanse med Brilliant CFD-kode Den teoretiske bakgrunnen for simuleringsprogrammet Brilliant og ligningene som benyttes er diskutert i referanse [2]. I dette prosjektet et det skrevet programkode som beskriver varmeovnen som en fysisk modell med de korrekte fysiske mål og egenskaper til de materialer som inngår. De fysiske prosesser som inngår i ovnen med hensyn til varmestråling, konveksjon blir beskrevet ved å velge såkalte kontrollvolumer som omslutter de ulike materialene som inngår, for eksempel blir varmefolien omsluttet av et kontrollvolum. 6.2 Simuleringsmodell De elementene som inngår i simuleringsmodellen er vist skjematisk i Figur 15-1. Følgende elementer inngår: Element Vegger i ovnen Varmefolie Brannbeskyttende materiale pfp Stålplate Farge i figur Orange Rød Gul Grå Figur 15-2 viser simuleringsmodellen med de fysiske mål som er lagt inn i dataprogrammet. Avstanden mellom varmefolie og stålplate er 150 mm. T 0 (t) varmetap via luftspalt T 1 (t) Q inn Stå lplate Varmefolie pfp Isolasjo n Stålplate varmetap via strømleder Indre ve ggfla te Figur 15-1: Prinsippskisse av varmeovnen og 15-2: Simuleringsmodellen i programmet 6.3 Simulering av oppvarmingsforsøk Oversikt over utførte simuleringer er vist i vedlegg D2. De første tre simuleringene har hatt som mål å etablere justeringsfaktorer og emissivitet for varmefolie og stålplate. Det er simulert oppvarming av stålplate ved henholdsvis 600, 800 og 1000 grader. Det er også simulert oppvarmingsforsøk med påmontert 25 mm isolasjon av stålplata ved henholdsvis 600 og 800 grader. For å oppnå samsvar mellom fysiske forsøk og simuleringer, har det vært helt avgjørende at energibalansen i ovnen er beregnet med riktige inngangsverdier. Energibalansen er styrt av effekttilførselen, som er diskutert i kapittel 4.

16 6.4 Simuleringsresultater 600 C I figur 16 er vist simulering av temperaturene som ble målt i forsøk 080108_01 jfr. Vedlegg D2. De målte temperaturene er vist med tynne kurver, mens de simulerte temperaturene er vist med tykke kurver. Øverst er temperaturen i varmefolien vist. Det fremgår av figur 16 at det er godt samsvar mellom målte og simulerte verdier for folietemperaturen. Det er også godt samsvar mellom målte og simulerte verdier for stålplata fra starten til omkring midten av forsøket, mens den simulerte temperaturen blir noe høyere enn målt mot slutten av måleperioden. 700 600 Temperatur 500 400 300 Folie (V-W) Folie (U-V) Kobber Stålplate-eksponert Stålplate-ueksponert Stålplate-eksponert-2 Stålplate-ueksponert-2 Forlietemperatur Ueksponert side Eksponert side 200 100 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Figur16: Temperatur i varmefolie(øverst), stålplate og i kobberskinne (nederst). I figur 17 er vist simulering av temperaturene som ble målt i forsøk 080114_01 jfr. Vedlegg D2. De målte temperaturene er vist med tynne kurver, mens de simulerte temperaturene er vist med tykke kurver. Dette forsøket er samme oppsett og med samme måltemperatur som for figur 16; 600 C. Den simulerte folietemperaturen er stabil og følger temperaturmålingene godt frem til Tid = 450 s; deretter blir den mer ustabil og lavere enn målingen. Temperaturen på eksponert og ueksponert side av stålplata er mye lavere med isolasjon, stiger ikke over 50 C i måleperioden. Det er godt samsvar mellom målte og simulerte temperaturer. Det er små differenser i temperatur mellom eksponert og ueksponert side av stålplata både uten isolasjon og med isolasjon, men minst forskjell når det ligger isolasjon pålagt. Når den absolutte temperaturen er lav, vil også den relative temperaturforskjellen mellom eksponert og ueksponert side være lav.

17 700 600 Temperatur 500 400 300 Folie (V-W) Folie (U-V) Kobber Stålplate-eksponert Stålplate-ueksponert Luft inn Luft ut Folietemperatur Eksponert stål Ueksponert stål 200 100 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Figur17: Temperatur i varmefolie(øverst), stålplate og i kobberskinne (nederst) stålplate påført 25 mm isolasjon 6.5 Simuleringsresultater 800 C I figur 18 er vist simulering av temperaturene som ble målt i forsøk 080108_02 jfr. Vedlegg D1. Måltemperaturen i dette forsøket er 800 C. I første del av perioden ligger temperaturene i underkant av måltemperatur, mens i siste del av perioden er målte temperaturer noe i overkant av 800 C. Simulert folietemperatur (folietemperatur sim) følger målt temperatur godt men ligger noe under i verdi. Simulerte verdier for temperatur i stålplate følger målingene godt og ligger noe over disse i verdi. Temperaturen i stålplata stiger langsomt i hele perioden men stiger ikke over 50 C. Det er en markert forskjell på temperatur målt på eksponert og ueksponert side.

18 900 800 700 600 Temperatur 500 400 300 200 100 0 Folie (V-W) Folie (U-V) Kobber Stålplate-eksponert Stålplate-ueksponert Stålplate-eksponert-2 Stålplate-ueksponert-2 Folietemperatur sim Eksponert stål sim Ueksponert stål sim 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Figur18: Temperatur i varmefolie(øverst), stålplate og i kobberskinne (nederst) I figur 19 er vist simulering av temperaturene som ble målt i forsøk 080111_03 jfr. Vedlegg D2. Måltemperaturen i dette forsøket er 800 C. I første del av perioden ligger temperaturene i underkant av måltemperatur, mens i siste del av perioden er målte temperaturer noe i overkant av 800 C. Simulert folietemperatur (folietemperatur sim) følger målt temperatur godt men ligger noe under i verdi. Simulerte verdier for temperatur i stålplate følger målingene godt og ligger noe over disse i verdi. Det er en markert forskjell på temperatur målt på eksponert og ueksponert side.

19 900 800 Temperatur 700 600 500 400 Folie (V-W) Folie (U-V) Kobber Stålplate-eksponert Stålplate-ueksponert Luft inn Luft ut Folietemperatur Eksponert stål Ueksponert stål 300 200 100 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Figur19: Temperatur i varmefolie(øverst), stålplate og i kobberskinne (nederst) stålplate påført 25 mm isolasjon. Måltemperaturen i dette forsøket er 800 C. Målt temperatur til varmefolien ligger stabilt på 800 C. Simulert folietemperatur (folietemperatur) starter på måltemperatur men faller i verdi til under 700 grader i løpet av forsøket. Dette skyldes trolig at tilført effekt synker mye fra initialt nesten 8 kw til omlag 3 kw i løpet av måleperioden som vist i Figur 20. Siden isolasjon på stålet reduserer energistrømmen inn i stålet brukes mindre energi for å opprettholde temperaturen i systemet enn i forsøket uten isolasjon. Temperaturen i stålplata stiger langsomt i hele perioden og stiger opp til 54 C. 8,0 6,0 Effekt (kw) 4,0 2,0 0,0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Figur 20: Måling av effekt tilført varmeovnen i forsøk med isolasjon på stålplate

20 6.6 Simuleringsresultater 1000 C I Figur 21 er vist tilført effekt til varmeovnen for å oppnå en måltemperatur på 1000 C. I løpet av ca. 100 sekunder stiger effekten til i overkant av 16 kw, og synker deretter til ca. 11 kw. 18,0 16,0 14,0 12,0 Effekt (kw) 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Figur 21: Måling av effekt tilført varmeovnen i forsøk uten isolasjon på stålplate I Figur 22 er vist simulering av temperaturene som ble målt i forsøk 080116_03 jfr. Vedlegg D2. Folietemperaturen er målt til å være stabil i underkant av 1000 C. Den simulerte folietemperaturen stiger til omlag 950 C og synker derfra noe ned til 900 C. Temperaturen i stålplata stiger til over 600 C i løpet av 4 minutter, og stabiliseres ved omlag 700 C. Den simulerte temperaturen i stålplata følger målingene godt og ligger i underkant av 700 C. De målte temperaturene er vist med tynne kurver, mens de simulerte temperaturene er vist med tykke kurver.

21 1200 Temperatur 1000 800 600 400 200 Folie (V-W) Folie (U-V) Kobber Stålplate-eksponert Stålplate-ueksponert Luft inn Luft ut Folietemperatur sim Eksponert stål sim Ueksponert stål sim 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Tid (sek) Figur 22: Temperatur i varmefolie(øverst), stålplate i kobberskinne og i luftspalte (nederst) Differensen mellom målt verdi for stålplate eksponert og ueksponert varierer fra 10 til 14 C. Differensen i simulert verdi er lavere, ca. 4 C. En beregning basert på konduktivitet til stål viser at 4-6 C skal være observert verdi, slik at målingene viser for høy verdi. Dette kan skyldes en feil ved målingen på et eller begge termoelementene. En sannsynlig årsak er at det termoelementet som ligger på eksponert side mottar strålingsenergi og derfor får en høyere temperatur enn stålet som det ligger i kontakt med.

22 7 Diskusjon av metode og resultater 7.1 Energibalanse i forsøksovn Figur 23-1 viser varmeovnen sett fra siden som snitt (gjennomskåret). Oppe, nede og bak varmefolien ligger sidevegger i 100 mm tykk lettbetong (aerated concrete). En luftspalte (ventilation gap) er lagt inn oppe og nede for å ventilere ut avgass fra isolasjonsmaterialet. Figur 23-1 og Figur 23-2: Ovn snitt-tegning og prinsippskisse Via øvre luftspalte er det en strømning av oppvarmet luft som blir erstattet av kaldere luft fra nedre luftspalte. Tapet av oppvarmet luft representerer et energitap fra ovnen, som simuleres i modellen. Strømningen oppstår ved naturlig sirkulasjon fordi varm luft ekspanderer og stiger. Strømningshastigheten er styrt av bredden på luftspalten og temperaturen til varmefolien. Via kobberskinne og strømledere transporteres varme ut gjennom bakveggen av ovnen. Det ble tatt målinger fire steder langs strømlederne for å bestemme en temperaturgradient, som vist i Figur 6. Ut fra dette forsøket ble det fastslått at oppvarmingen av strømlederne skyldes varmeledning fra varmefolien, og at varmetapet representerer i størrelsesorden 1-2 kw effekt. Varmetapet er størst for høye temperaturer i ovnen. 7.2 Strålingsverdier og emissivitet Emissivitet er en viktig parameter ved beregning av varmeovergang ved stråling. Den angir forholdet mellom faktisk mengde utstrålt energi og teoretisk maksimum, som er en svart stråler. Emissiviteten har en verdi mellom 0 og 1. Emissiviteten for et materiale er avhangig av temperaturen til materialet (T); bølgelengden til utstrålt energi (λ); samt utstrålingsvinkelen i rommet (θ). For praktiske formål gjøres noen forenklinger ved at emissiviteten gjøres uavhengig av retning. For vårt formål kan vi angi en emissivitet ε (λ,t) som et tall i området 0,5 til 0,7. En utførlig diskusjon av grunnlaget for å bestemme ε er gitt i referanse [2].

23 Emissiviteten utrykker evnen til å avgi stråling men settes i praktisk sammenheng ofte lik med absorpsjonsevne α til materialet, der α er et dimensjonsløst tall mellom 0 og 1. For en varmestråler bestemmer ε hvor mye stråling som sendes ut ved en gitt temperatur, og derved overflatetemperaturen. For en absorbator, som stålplata er i forsøkene, er det absorpsjonsevnen α som bestemmer temperaturen til materialet. Simuleringsmodellen er svært avhengig av at verdien for emissivitet er riktig angitt for varmefolien. Emissivitet styrer varmeavgivelsen og dermed temperaturen til varmestråleren. Dersom ikke temperaturen i varmefolien samsvarer med den målte verdien, vil det bli feil energitilførsel som forplanter seg til varmebalansen i ovnen. 7.3 Beregning av konduktivitet Termisk konduktivitet λ er gitt slik: dq/dt = λ AdT/dx der dq/dt er varmestrømmen normalt på arealet A og dt/dx er temperaturgradienten. Termisk konduktivitet λ har enhet W/mK eller gitt med SI-enheter Js -1 m -1 K -1 I ovnen er arealet A av varmefolien 0,19 m 2, se avsnitt 3.2. Arealet av stålplate (prøvestykke) er 0,20 m 2 og har en tykkelse dx = 0,005 m Typisk verdi for termisk konduktivitet til stål er 50 W/m2. Verdi for termisk konduktivitet til Firemaster 607 er oppgitt i datablad til verdier fra 0,06 til 0,22 W/m3 avhengig av temperatur og densitet. En beregning av konduktivitet basert på ovenstående likning for forsøk med 1000 C måltemperatur (avsnitt 6.6) gir med følgende måleverdier: Varme tilført fra trafo 16000,0 W Areal av varmefolie 0,2 m2 Varme tilført pr m2 84210,5 W/m2 Emissivitet 0,7 Varme overført 58947,4 W/m2 Temp.differense dt/dx 6,0 K dx 0,00500 m Areal av stålplate A 0,2 m2 lambda x A x dt/dx 12000 W Varme overført pr m2 60000 W/m2 Beregnet konduktivitet 46,7 En beregnet temperaturdifferens på 6 K og en beregnet konduktivitet på 46,7 W/mK samsvarer godt med typisk verdi for stål på 50 W/mK. Dersom temperaturdifferensen settes til 14 K som ble målt i forsøket, blir beregnet konduktivitet på 20 W/mK, dette er en mye lavere verdi enn forventet for materialet. Beregning av konduktiviteten avhenger av at temperaturgradienten blir beregnet svært nøyaktig. På ueksponert side av isolasjonsmaterialet er temperaturgradienten liten, typisk 3-4 grader per minutt. 7.4 Diskusjon av metode Det fremgår av kapittel 6 at målingene av temperaturdifferensen mellom eksponert side og ueksponert side av stålplata synes å være usikker. Mens den antatte differensen skal være 4-6 C er den målt til 14 C. For å kunne beregne riktig konduktivitet til isolasjonsmaterialet er det viktig