Empirické a Deterministické Modely Ovzduší: Rozdíly

Modelování požárů je progresivně se rozvíjející disciplína požárně bezpečnostního inženýrství, neboť nachází stále větší praktické uplatnění při projektování staveb a jejich konstrukcí, hodnocení nebezpečí požáru, vyšetřování příčin požárů, šíření nebezpečných plynů a par prouděním atd.

Deterministické modely

Deterministické modely (odvozeno od anglického slova „determine“ - určit) narozdíl od modelů pravděpodobnostních nesledují onu míru pravděpodobnosti, s jakou k požáru může dojít, ale řeší již konkrétní fyzikální podmínky určující průběh a výsledky požáru, tzv. požární scénáře.

Rozsah deterministických modelů může být široký, od velmi jednoduchých, majících závislost pouze na několika fyzikálních veličinách, až po modely značně složité, popisující požár v jedné nebo i několika místnostech.

V technické praxi se nejvíce používají dvě skupiny deterministických modelů, a to zónové modely a modely typu pole (CFD). Tyto modely jsou označovány též jako dynamické modely, jelikož sledují v modelovaném prostoru měnící se parametry a podmínky v čase. Naopak nejjednodušší statické modely sledují konstantní požárně ustálený stav, který se v čase již nemění.

Deterministické modely se dělí na modely typu pole, mezi které patří programy FDS [1], SOFIE [2], SMARTFIRE [3], FLUENT [4], FLACS [5], EXODUS [10]) a na zónové modely, např. BRANZFIRE [6], CCFM [7], CFAST [8], CONTAM [9] a ARGOS [11]. Modely předpovídají chování požáru např.

Čtěte také: Využití matematických modelů v ochraně ovzduší

Pro úspěšné řešení simulace požáru musí být specifikovány vstupní parametry: třírozměrná geometrie požářiště s rozměry podlah, stěn, stropu, otvorů (dveře, okna) a jejich polohy; tepelně technické vlastnosti hraničních povrchů konstrukcí (obklady stěn, stropu); poloha a tepelně technické a požární charakteristiky materiálů vč. hořícího předmětu; větrání (nucené, přirozené a jejich kombinace); prvky EPS a SHZ a jejich poloha.

Fyzikální tepelně technické a požární charakteristiky hořlavých látek/materiálů lze určit laboratorními požárními testy, nebo mohou být nalezeny v literatuře. Pro kvalitu modelování je důležitá studie citlivosti na přesnost jejich popisu.

Zónové modely

Zónové (dynamické) požární modely se dělí na jedno- a dvouzónové. Jednozónový model uvažuje celý hořící prostor jako homogenní, kdežto dvouzónový model rozděluje řešený prostor (místnost) po výšce na dvě homogenní zóny (vrstvy), kde každá vrstva má stejnoměrnou hustotu, teplotu a koncentraci plynů.

Dolní, studená vrstva se ochlazuje přívodem vzduchu z vnějšku (např. okny) a horní vrstva se ohřívá vzestupným prouděním zplodin požáru (obr. 3). Modely pracují s parciálními diferenciálními rovnicemi pro zachování hmoty a energie mezi jednotlivými vrstvami a obvykle řeší základní otázky teploty horké vrstvy pod stropem, rychlosti uvolňování tepla, optické hustoty kouře, polohy neutrální roviny, výměny plynů s okolím skrze otvory apod.

Zónové modely umožňují v určité fázi požáru samočinný přechod z dvouzónového modelu na model jednozónový, což představuje okamžik prostorového vzplanutí v hořícím prostoru (flashover efekt).

Čtěte také: Klimatické modely: co nám říkají?

Předností těchto modelů je jednoduchost řešení, neboť výpočet probíhá mezi dvěma kontrolními objemy (zónami), což snižuje nároky na hardwarové vybavení. Požárně inženýrský přístup zónových modelů je většinou vhodný pro požární simulace v místnostech, ale nehodí se u prostorů s jedním převládajícím rozměrem (šachty a tunely).

Modely typu pole

Modely typu pole využívají pro modelování požáru rovněž základní rovnice zachování a přenosu energie, hmoty a hybnosti. Simulovaný prostor je rozdělen do velkého počtu kontrolních objemů a v této síti umožňuje model simulovat i chování definovaných hořlavých látek za požáru, rychlost šíření požáru, uvolňování tepla, vývin kouře, rozložení teplotních polí, rychlost proudění apod. (obr. 4).

Nejrozšířenější numerickou metodou využívající modelů typu pole jsou algoritmy dynamického proudění tekutin CFD (Computational Fluid Dynamics). Simulace umožní s výhodou modelování požáru v uzavřených prostorech, ale použitelná je i pro vnější prostředí (např. požáry fasád), a to včetně vlivu větru, gradientu tlaku apod.

Pokrývají celou řadu simulací, kde zónové modely svou aplikací nemohou postačit, kladou vysoký požadavek na hardware, a výpočet tak může být velice zdlouhavý (hodiny, dny). Zadávání vstupních dat bývá značně náročné a o přesnosti výpočtu a náročnosti výpočtu rozhoduje výrazně i jemnost (hrubost) sítě.

Vlastnosti materiálů a modelování požáru

Objemová hustota

Objemová hustota materiálu ρ [kg/m3] je jeho hmotnost v jednotce objemu [12]. Hustota materiálů je stanovována stanovením jejich hmotnosti a objemu, viz např. [13] a [14].

Čtěte také: Využití globálních klimatických modelů

Měrná tepelná kapacita

Pro materiály, u kterých probíhají fyzikálně chemické fázové přeměny při určité teplotě, může být jejich zdánlivá měrná tepelná kapacita definována jako součet vlastní měrné tepelné kapacity a skupenského tepla potřebného pro zvýšení teploty 1 kg materiálu o 1 K.

Měrná tepelná kapacita je obecně měřena pomocí diferenční skenovací kalorimetrie (DSC).

Součinitel tepelné vodivosti

Součinitel tepelné vodivosti λ [W/m.K] bývá chybně označován jako tepelná vodivost. Přestup tepla vedením odpovídá pohybu tepla v materiálu v důsledku teplotního gradientu.

kde je rychlost ustáleného toku tepla vedením jednotkou plochy ve směru osy x [W/m2] a (dT/dx) je teplotní gradient ve směru osy x.

Součinitel tepelné vodivosti závisí na obsahu vlhkosti, teplotě, pórovitosti, hustotě a mikrostruktuře materiálu.

K dispozici jsou dvě metody pro měření součinitele tepelné vodivosti pevných látek: metoda ustáleného stavu a metoda neustáleného stavu.

Metoda ustáleného stavu používá zdroj tepla pro udržení stálého teplotního gradientu napříč vzorkem. Je pomalá a často je potřeba několik dní pro určení tepelné vodivosti při několika teplotách [17].

Metoda neustáleného stavu se obecně uvádí jako metoda „horkého disku“ [18]. Je měřena rychlost vzrůstu teploty elektricky zahřívaného vedení v okolí vzorku při dané teplotě.

Tepelná setrvačnost materiálu

Tepelná setrvačnost materiálu λ ρ c je výsledkem součinitele tepelné vodivosti λ, viz odst. 3 výše, hustoty ρ, viz odst. 1 výše a měrné tepelné kapacity c, viz odst. 2 výše. Používá se při modelování neustáleného zahřívání pevných látek/materiálů.

Při modelování se mohou vyskytnout problémy zejména, když pevné látky rychle tepelně degradují například, když se plamen šíří po povrchu a proto je užitečné zavést efektivní tepelnou setrvačnost materiálů, λ ρ c.

Vznícení pevných paliv

Vznícení pevných paliv je definováno jako počátek plamenného hoření v plynné fázi [20]. Když je pevný materiál vystaven vnějšímu teplu, začne se v určitém okamžiku tepelně rozkládat/pyrolyzovat. Páry paliva se míchají se vzduchem v mezní vrstvě.

Krátce poté pyrolyzní rychlost již může být dostatečná pro dosažení dolní meze výbušnosti a tato směs se může za určitých podmínek vznítit.

Rozlišují se dva typy vznícení: s pomocným zápalným zdrojem a bez tohoto pomocného zdroje. Při zapálení pomocným zdrojem se iniciuje plamenné hoření směsi plynů pomocí malého zápalného zdroje. Zápalným zdrojem může být plamínek plynného hořáku, elektrická jiskra nebo žhavý drát.

Ke vznícení bez pomocného zdroje musí povrch pevné látky dosáhnout dostatečně vysoké teploty, při které probíhají reakce hoření. Je obtížné předpovědět, kdy se pevné palivo vznítí při určité hustotě tepelného toku. Často se jako kritérium pro vznícení používá kritická teplota povrchu při vznícení.

Tato kritická teplota je teplotou vznícení. Je vyšší bez pomocného zdroje zapálení než s tímto zdrojem.

Teplotu vznícení [°C] lze stanovit několika způsoby. V ČR jsou běžně stanovovány: - teploty vzplanutí a teploty vznícení pevných hořlavých materiálů zkuš. metodou podle Setchkina, viz [21], - teploty vznícení hořlavých plynů a par zkušební metodou, která simuluje nebezpečí vznícení od horkých povrchů, viz [22].

Dále jsou publikovány zkuš. metody, které měří: - povrchové teploty při testech vznětlivosti pomocí velmi jemných termočlánků připevněných na povrch vzorku [19]. Tato metoda je obtížná, neboť je obtížné ovládat jemné termočlánky a zajistit dobrý kontakt s měřeným povrchem, - teploty povrchu vzorku materiálu pomocí infračerveného pyrometru zacíleného na malou plošku povrchu.

Nevýhodou v tomto případě je, že se měří tepelné záření a ne povrchová teplota. Tepelné záření je z části emisí a z části odrazem z testovaného povrchu. Protože povrchové charakteristiky (emisivita, pohltivost a odrazivost) se mění v průběhu expozice, není jednoduché vypočítat povrchové teploty ze záznamu pyrometru; - dalším způsobem je zjistit povrchovou teplotu aplikací teorie vznícení na řadu naměřených výsledků zkoušek (různých dob do vznícení při různých hustotách toku tepla).

Teplota vznícení se potom získá z bilančních rovnic tepla při kritické hustotě sálavého toku a pro ustálený stav.

Spalné teplo a výhřevnost

Při všech reakcích spalování/hoření se uvolňuje tepelná energie. Spalná tepla jsou měřena spalovací bombovou kalorimetrií [30]. Známé množství paliva je dokonale spáleno v aparatuře obsahující čistý kyslík.

Z navážky a nárůstu teploty po odečtení rozpouštěcího a slučovacího tepla H2SO4 a HNO3 se vypočte spalné teplo. Výhřevnost se získá odečtením kondenzačního tepla vody vzniklé spálením vodíku (obsaženého v hořlavé látce) a vlhkosti obsažené v původním vzorku.

Efektivní spalné teplo se stanoví například kónickou kalorimetrií [25], kdy se měří rychlost úbytku hmotnosti a rychlost vývinu tepla.

Pro hořící vzorek je absorbovaná hustota toku tepla směřující do materiálu rovna součtu tepelných toků radiace a konvekce z plamene a vnější hustoty toku tepla (ze sálavého tepelného zářiče v malo-rozměrových zkouškách) minus tepelné ztráty sáláním z povrchu.

Tyto vlastnosti jsou závislé na teplotě povrchu, která se velmi obtížně měří. Pro stanovení Δhg se používá kónická kalorimetrie [25] ve spojení s měřením teploty povrchu.

Pro některé materiály je povrchová teplota přibližně konstantní a nezávislá na podmínkách expozice. Graf závislosti rychlosti úbytku hmotnosti na vnější hustotě sálavého toku tepla je téměř lineární pro tento typ materiálů.

Hodnoty Δhg lze následně odhadnout jako inverzní hodnotu směrnice regresní přímky vedené body naměřených dat.

Bohužel povrchové teploty pro většinu materiálů (materiály, které uhelnatí a materiály s vysokou produkcí kouře) nejsou konstantní.

Reakční teplo (pyrolyzní teplo)

Reakční teplo (pyrolyzní teplo) Δhp [kJ/kg] je energie vyzařovaná nebo spotřebovaná při pyrolýze nebo tepelné degradaci materiálu [15]. Lze též definovat jako rozdíl mezi entalpií výchozího materiálu a entalpií produktů pyrolýzy.

Při výpočtech reakčního tepla se předpokládá, že produkty se vyskytují při teplotě tepelného rozkladu a původní materiál při teplotě okolí. Laboratorní zkouškou se měří reakční teplo malého vzorku, který je vystaven předepsaným tepelným podmínkám.

Reakční teplo nebo odpovídající změna entalpie je obvykle vstupním parametrem v bilančních rovnicích energie pro pevné materiály, které jsou tepelně degradovány.

Reakční teplo je používáno v modelech, kde se počítá teplotní profil v pevném materiálu, který je zahříván. Člen vývinu vnitřní energie může být popsán několika různými způsoby v závislosti na použitém modelu.

Běžný způsob je násobit reakční teplo Δhp [kJ/kg] lokální rychlostí rozkladu [kg/m3.s] a tím se získá člen vývinu energie. Místo reakčního tepla je možné použít měrnou tepelnou kapacitu a entalpii vzniku a počítačový program vypočítá entalpie a odpovídající reakční teplo.

Nejběžnější experimentální metodou pro měření reakčního tepla je diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) [16]. Malé množství vzorku (mg) je umístěno v aparatuře a podléhá tepelné degradaci specifickou expozicí teplem v čase.

Teplo je dodáváno do vzorku a inertní referenční látky a oba dva materiály jsou udržovány při stejných teplotách. Přidané teplo je zaznamenáváno a předpokládá se, že je rovno tepelné ztrátě nebo tepelnému zisku, jako výsledek endotermních nebo exotermních reakcí.

Tyto výsledky jsou ovlivněny několika faktory: např. velikostí částic a rychlostí zahřívání. Proto nemohou být tyto výsledky pro takto malé vzorky považovány za reprezentativní chování materiálů v praxi. Metody DSC mohou být použity pro měření měrné tepelné kapacity materiálů a entalpie spojené s fyzikálními procesy jako je vypařování a desorpce.

Další používaná metoda pro stanovení je diferenční termická analýza (DTA) a termogravimetrie (TA) [26].

tags: #empirické #a #deterministické #modely #ovzduší #rozdíly

Oblíbené příspěvky:

• Producenti a jejich role v potravním řetězci
• Přírodní materiály pro matrace
• Jak ekologicky zlikvidovat vozidlo bez motoru
• Bezpečnost na staveništích: CSG Odpady
• Jak správně používat Krtek na odpady?