Brann og dens luner Ragnar Wighus 1
Innhold: Tid- temperaturkurver for branntester Innelukkede spray- og poolbranner (Blast &Fire prosjektet) Brann på sjø: Råolje (Svalbardeksperimentene) Trepaller i tunnel (Runehamar tunnelen) Måling av temperatur og varmefluks 2
Brann er: Ild som er kommet løs En kjedereaksjon hvor oksydasjonsprosessen gir mer varme enn det som tapes 3
Branntrekanten: Oksygen Varmeutvikling (overskuddsvarme) Brensel Alle sidene av branntrekanten er nødvendige 4
Væskedamsbrann Stråling Avdamping 5
Brann i faste materialer: Stråling Pyrolyse+ avdamping 6
Brennverdi: Hva er det? Treverk: Olje: Gass: ~ 20 000 kj/kg ~ 40 000 kj/kg ~ 45 000 kj/kg 7
Reaktivitet for 100 ulike reaksjoner ved forbrenning av metan med 9% etan i luft 1,00E+19 1,00E+17 1,00E+15 1,00E+13 1,00E+11 1,00E+09 1,00E+07 1,00E+05 1,00E+03 1,00E+01 1,00E-01 1,00E-03 1,00E-05 1,00E-07 1,00E-09 1,00E-11 1,00E-13 1,00E-15 1,00E-17 1,00E-19 1,00E-21 1,00E-23 1,00E-25 1,00E-27 1,00E-29 1,00E-31 1,00E-33 1,00E-35 1,00E-37 1,00E-39 1,00E-41 1,00E-43 1,00E-45 1,00E-47 1,00E-49 1,00E-51 1,00E-53 1,00E-55 1,00E-57 1,00E-59 1,00E-61 1,00E-63 1,00E-65 1,00E-67 1,00E-69 1,00E-71 1,00E-73 1,00E-75 1,00E-77 1,00E-79 0 500 1000 1500 2000 2500 K 8
9
Tid temperaturkurver for branntester TID- TEMPERATUR KURVER 1500 1400 3: "RWS kurve" 1300 Temperature in furnace [ C] 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 2: HC-kurve 1: Standard ISO 834 400 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 [Time in minutes] 10
Brannstørrelse [kw] 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Tid [sek] tg [sek] 60 90 120 150 11
Blast and Fire Engineering for Topside Structures 1994-1998 12
Vertikal kondensatspray 0,9 kg/s, 415 m3 13
Vertikal kondensatspray 0,9 kg/s, 415 m 3 (~40 MW) Flames Smoke Air 14
Maksimaltemperaturer i innelukket brann, 415 m 3 1600 1400 1200 Bottom Middle Top Temperature ( C) 1000 800 600 400 200 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Equivalence Ratio (phi) 15
Gutta på tur til testområdet ved Sveagruva, Svalbard 16
17
Et ståltårn som fløt i vannet ble instrumentert med termoelementer, varmefluksmålere og gasskonsentrasjonsmålere 18
19
20
10 m diameter råoljepool på havoverflata 21
22
Testoppsett i Runehamartunnelen 2003 23
Trepaller i tunnelbrann (~200 MW) 24
Romeffekt: Resirkulasjon av forbrenningsprodukter Flames Smoke Air 25
Et termoelement måler en forskjell mellom mottatt og avgitt varme Thermocouple Outflux Influx Convection Conduction Radiation 26
Måling av temperatur og varmefluks I praksis kan et termoelement brukes til å fastlegge total varmeflukstetthet, ved å bruke Stefan-Boltzmans lov of stråling fra et svart legeme Dersom en slik måling skal brukes til å angi gasstemperatur må en ta spesielle hensyn Varmeledning og akkumulert varme i termoelementet kan som oftest neglisjeres 27
Grå stråling (flammestråling) q = σ ϕ ε T 4 σ : Stefan-Boltzmans konstant ϕ : geometrisk faktor ε : flamme-emmissivitet T : temperatur [Kelvin] 28
Blackbody radiation 400 300 kw/m 2 200 100 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Temperature [ C] 29
Emissivity [-] 1,0 0,8 k m 0,6 0,4 0,4 0,335 0,2 0,0 0 2 4 6 8 10 Flame thickness L [m] 30
Radiation trapping å fange strålingen, ulike brannstørrelser 31
Radiation trapping/romeffekter: En brann hvor forbrenningsproduktene er fanget eller resirkulert inn i flammeplumen kan inneholde store soner hvor blandingsforholdet mellom brensel og oksygen er ideelt for fullstendig forbrenning En brann hvor stråling fra flammene er hindret fra å nå omgivelsene, men stråles tilbake inn i forbrenningsonen, gir høye temperaturer Når mindre energi tapes ved stråling kan flere av de kjemiske reaksjonene foregå med raskere rate, og forholdene nærmer seg såkalt adiabatisk (uten varmetap) 32
Konklusjoner: Skala ser ut til å være den mest betydningsfulle faktor når det gjelder brannlast Selv moderate lekkasjerater skaper høy brannlast Kombinasjonen radiation trapping og resirkulasjon av forbrenninsprodukter ser ut til å kunne forklare de registrerte høye brannlastene Den mest pålitelige måleteknikken er å måle temperaturutviklingen i reelle objekter utsatt for brann Temperaturer målt i ulike brannscenarier indikerer at brannlast i størrelse på 300-400 kw/m 2 må forventes i storskala branner 33
Storskala brann: Trondheim sentrum Desember 2002 34