-
ETANOLUL, COMBUSTIBIL CURAT DESTINAT TESTELOR DE INCENDIU.
SIMULARE
COMPUTERIZAT
Constantin POPA, Valeriu PANAITESCU, Aurelian CONSTANTINESCU,
Ctlin NETCU
ETHANOL, CLEAN FUEL FOR FIRE TESTS. COMPUTER SIMULATIONS
The following article presents information on the choice of
ethanol
as combustible for suppression tests, after running a computer
simulation program, called Pyrosim.
Cuvinte cheie: etanol, teste de incendiu, modele, simulare,
mediu, Keywords: ethanol, fire tests, models, simulation
environment
1. Informaii cu privire la etanol Dup cum se cunoate, la arderea
etanolului rezult elemente
nepoluante pentru mediu
C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O Totui, etanolul pur nu se gsete n
comer. De obicei se
ntlnete un amestec. De asemenea, n aer nu se afl doar oxigen, ci
i azot i alte gaze.
Prin urmare, la reacia normal de oxidare n atmosfer a
etanolului, rezult i alte produse de ardere, cum ar fi de exemplu
oxizii de azot.
533
-
La arderea benzinei sau a altor combustibili similari, rezult o
mulime de produi de ardere poluani
Fig. 1 Comparaie vizual ntre arderea benzinei (stnga) i arderea
etanolului (dreapta), din punct de vedere al cantitii de fum
eliberate
Combustibil + Aer Hidrocarburi + oxizi de azot + dioxid
de carbon + monoxid de carbon + ap, prin urmare ar fi de
preferat utilizarea pentru testele de
stingere, a etanolului (figura 1). De asemenea, n afar de
poluarea mediului, produsele de
ardere nnegresc pereii incintei de testare, se depun pe
termocupluri, ducnd n final la degradare.
Avnd n vedere i faptul c temperaturile dezvoltate de etanol sunt
mai sczute dect n cazul benzinei, se recomand pentru astfel de
teste repetitive, etanolul. Avnd n vedere c este vorba despre un
lichid combustibil, n momentul aprinderii i dup aprindere, ceea ce
arde este doar stratul de vapori de la suprafaa liber a lichidului,
prin urmare lichidul combustibil este mult mai recomandat pentru
teste, n comparaie cu materialele combustibile solide.
n cazul materialelor combustibile solide, arderea se manifest
complex, cu muli compui toxici i resturi din arderi incomplete.
De asemenea, materialul solid arde n unele cazuri n tot volumul,
fiind greu de observat i analizat un astfel de focar.
534
-
Pentru testri, n cadrul activitilor de organizare, a fost
achiziionat cantitatea de 50 de litri de etanol (alcool etilic
tehnic denaturat coninnd 90 % etanol, 10 % - ap demineralizat i
violet de metil), ambalat n sticle de un litru fiecare.
2. Datele de intrare i ieire pentru simularea computerizat
Programul Pyrosim reprezint o platform pentru utilizarea
FDS, foarte folositoare pentru specialitii n securitate la
incendiu, oferindu-le acestora din urm date susinute matematic, cu
privire la calitile i cantitile asociate de obicei unui
incendiu:
temperaturi (ale aerului, ale suprafeelor); concentraii (de
oxigen, de gaze de ardere, de fum); vizibilitate, strns legat de
cantitatea de fum; presiuni (ale diferitelor spaii, presiuni
exercitate de diferite
surse tip ventilator etc.); cmpuri de temperatur, presiune i
alte elemente. FDS este un model de simulare dinamic a fluidelor,
respectiv
a fluxului termic degajat de incendiu. Modelul rezolv numeric o
form a ecuaiilor Navier-Stokes pentru vitez redus, flux termic
degajat i evoluie a fumului. Derivatele pariale ale ecuaiilor de
conservare a masei, momentului i energiei sunt aproximate ca
diferene finite, iar soluia este avansat n timp pe o reea
tridimensional, rectilinie.
Componentele majore ale programului FDS sunt: Modelul
hidrodinamic. FDS rezolv numeric ecuaiile
Navier-Stokes pentru dinamica incendiilor. Derivatele pariale a
ecuaiilor de conservare a masei, momentului i energiei sunt
aproximate ca diferene finite, iar soluia este avansat n decursul
timpului pe o reea tridimensional, rectilinie. Algoritmul principal
este o schem explicit tip predictor-corector. Turbulena este tratat
cu modelul Smagorinski. Este posibil s se fac o simulare numeric
direct, dac grila de discretizare este suficient de fin. Pentru a
simula micarea fumului se folosesc particule de tip Lagrangian.
Modelul de combustie. Pentru majoritatea aplicaiilor, FDS
folosete un model de combustibil bazat pe amestecul fracionar
combustibil-oxigen. Modelul presupune c
535
-
materialul combustibil este controlat (se cunoate rata de
pierdere masic) i c reacia dintre combustibil i oxigen este
suficient de rapid. Fracia de mas, pentru toi reactanii i produsele
majore poate fi derivat din fracia de amestecare.
Transportul de radiaie. Transferul radiativ de cldur este inclus
n model prin soluia ecuaiei de transport prin radiaie. Radiaia
termic este calculat folosind tehnica volumului finit pe aceeai
reea.
Geometria. FDS aproximeaz ecuaiile cu derivate pariale pe mai
multe reele rectangulare. Utilizatorul prescrie obstruciile
rectangulare, care sunt forate s se conformeze cu reeaua de
calcul.
Condiiile la limit. Toate suprafeele solide au condiii termice
la limit, plus informaii despre comportamentul la ardere al
materialului. De obicei, caracteristicile materialului sunt stocate
ntr-o baz de date, ns pot fi adugai i ali combustibili.
2.1. Discretizarea spaiului pentru un calcul eficient
S-au creat n spaiul de simulare dou reele de calcul, conform
tabelului 1 (Dimensiunilor prezente n simularea arderii
etanolului) i figurii 2.
Tabelul 1 Domeniul de
calcul Numr de celule i dimensiuni Obs.
Domeniul 1
Numrul de celule pe direcia Au rezultat un
numr de
71442 celule,
cu
dimensiunile
0,09 x 0,05 x
0,04 m
ox oy oz
18 63 63
Dimensiuni fizice pe
lungime lime nlime
2 m 3 m 2,4 m
Domeniul 2
Numrul de celule pe direcia Au rezultat un
numr de
333396 celule,
ox oy oz
21 126 126
536
-
Domeniul de calcul
Numr de celule i dimensiuni Obs.
Dimensiuni fizice pe cu
dimensiunile
0,02 x 0,02 x
0,02 m
lungime lime nlime
0,5 m 3 m 2,4 m
S-au introdus manual caracteristicile etanolului i s-a bifat
opiunea ca reaciile de ardere s fie guvernate manual (eng: reaction
governed manually). Caracteristicile etanolului introduse n program
sunt conform tabelului 2 (Caracteristicile etanolului introduse n
Pyrosim n cadrul simulrii).
Fig. 2 Imagine din programul Pyrosim. Vedere din spate a celor
dou domenii de calcul folosite n simularea numrul 3
Tabelul 2
Nr. crt. Proprietile caracteristice
etanolului Valoarea i unitatea de
msur
1 Viteza de pierdere masic prin 0,02 kg/ (m2s)
537
-
Nr. crt. Proprietile caracteristice
etanolului Valoarea i unitatea de
msur
ardere
2 Cldur de vaporizare 26.800 kJ/kg
3 Densitate 787 kg/m3
4 Cldur specific 2,45 kJ/(kg.K)
A fost pstrat o grosime a peliculei de etanol din tav de 1 cm.
Ca rezultate, s-a cerut programului urmtoarele date: valorile de
temperatur ntr-un plan vertical care trece prin focar, rata de
ardere, valorile ratei de eliberare a cldurii, pierderea de mas,
temperatura peretelui; au fost poziionate un numr de trei
termocupluri conform planului iniial. Pentru simulare s-au deschis
limitele domeniilor de calcul pe cte trei fee: cele dou paralele cu
plafonul camerei, cele dou paralele cu ieirea din camer i cele dou
care se unesc n focar.
Fig. 3 Imagine de la simularea numrul 3 cu programul Pyrosim.
Rezultat cu privire la valorile nregistrate de termocuplul aflat n
flacr
538
-
Au fost impuse pentru calcul programului un numr de 155 de
secunde de ardere i o temperatur iniial a mediului de 5 0C.
Dup comanda run, programul a rulat pentru 10,19 ore, cu un flux
de cldur cumulat calculat de 48.263 kW.
Pentru rulri a fost folosit un computer performant, cu procesor
de 2400 MHz Intel Core 2 Duo i memorie RAM de 2048 MB
Urmrind graficul din figura 3 se observ pentru valorile de
temperatur din flacr, o evoluie foarte dinamic, specific, denumit n
literatura de specialitate dini de fierstru.
Avnd n vedere c diferenele ntre valori luate la secunde
apropiate sunt de chiar 300 0C, este logic faptul c, pentru a fi
folosit, valoarea trebuie mediat.
La baza acestor salturi st rezolvatorul su Navier-Stokes
(ecuaiile Navier-Stokes) utilizat de program.
3. Concluzii
n urma simulrilor succesive n care s-au modificat diferii
parametri i diverse materiale, s-au obinut urmtoarele informaii
generale:
n cazul folosirii etanolului ca lichid combustibil n focar,
temperatura aproximativ a fost preconizat a fi de aproximativ
600 0C;
pentru rezultate optime, avnd n vedere dimensiunile modelului,
este necesar a se utiliza o reea de calcul de minim 300.000 de
celule.
Cum era de ateptat, fumul gros, aa cum este el cunoscut la
arderea benzinelor, nu este prezent n cazul etanolului (n urma
ecuaiei chimice de oxidare a etanolului, rezult dioxid de carbon i
ap).
BIBLIOGRAFIE
[1] Popa, C., Contribuii privind simularea, modelarea i
stingerea incendiilor n structuri dezvoltate pe vertical, tez de
doctorat, Universitatea Politehnica Bucureti, septembrie 2011. [2]
Popa,C., Panaitescu, V.N., Securitatea la incendiu a cldirilor
dezvoltate pe vertical. tiin i inginerie. Vol. 20/2011, ISSN
2067-7138, Editura AGIR, Bucureti, 2011, pag. 253-260.
539
-
[3] Quintiere, J.G., Fundamentals of Fire Phenomena, University
of Maryland, USA, John Wiley & Sons Ltd, 2006, ISBN
0-470-09113-4 / 449 pag. [4] DiNenno, P.J., SFPE Handbook of Fire
Protection Engineering - National Fire Protection Association,
Quincy, Massachusetts, 3rd edition, 2002.
Asist.univ. Dr.Ing. Constantin POPA Academia de Poliie A. I.
Cuza, Facultatea de Pompieri
membru AGIR e-mail: [email protected]
Prof.univ.Dr.Ing. Valeriu PANAITESCU
Universitatea Politehnica Bucureti, Facultatea de Energetic
membru AGIR
e-mail: [email protected]
Drd.Ing. Aurelian CONSTANTINESCU Ofier n cadrul IGSU
e-mail: [email protected]
Drd.Ing. Ctlin NETCU Universitatea Politehnica Bucureti,
Facultatea de Energetic
e-mail: [email protected]
540
