Bränden Quellterme und Berechnung

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1 Einführung in Strahlungsmodelle bei Bränden Quellterme und Berechnung Prof. Dr. Axel Schönbucher Institut für Technische Chemie I Universität Duisburg-Essen Sicherheitstechnischer Erfahrungsaustausch, LUBW, Karlsruhe, 15./

2 Gliederung Typen von Bränden Physikalische Vorgänge in adiabatischen Lachen- und Poolbränden Energiebilanzen Experimentelle Untersuchungen Quellterme (Massenabbrandrate, Wärmeströme, mit Berechnungsbeispielen Thermische Strahlungsmodelle Folgerungen und Ausblick 1/43

3 Einführung 2/43 JP-4 Poolfeuer

4 Einführung Poolfeuer (mit Berandung) Lachenfeuer (ohne Berandung) auf Land, auf Wasser Tankfeuer Rinnen-, Schlitz- bzw. Kanalfeuer Typen von Feuern bzw. Bränden 3/43

5 Gliederung Quellterme (nach z. B. VDI 3783, Blatt 4,Oktober 2004): : m, m, Q f Abgase top Hierfür sind charakteristische Größen zu bestimme n : d v a bzw. Brandflächen oder m, Branddauer f Hd /, H / d,, d / d m ent SEP Ttop cl W A oder A P L 4/43

6 Physikalischer Vorgänge _. _ m Abgase T top _. Q top Ruß- ballen 80% N 2 (T ) sp _ H P SEP hot spots T hs SEP _ H P _ H u _ u ~ cm/s. Q ba,tot _ H pul Expansion von Verbrennungsprodukten u F brennbares Volumen V Z Ringwirbel Brennstoff-Ballen (T ) f, b H cl H cl Luft-Entraiment (flüssiger) Brennstoff d Pool/Tank/Lache Pyrolysegas Brennstoffdampf ( ~ 1cm/s) u f Physikalische Vorgänge in Pool-, Lachen- und Tankfeuern 5/43

7 Gesamt-Energiebilanz zwischen Flamme und Plume Plume und Flamme._ Q top I Q Q Q Q Q c a,rad top,ges ba,tot verl Q q A m A ( h ) c f P f,max P c,i _. Q c _. Q F a,rad ( A A ) SEP top ma Q Q A SEP top,ges conv top Q conv Q top,rad ma Brennstoffballen brennbare Flüssigkeit in Pool/Tank._ Q ba,tot _. Q verl e A /A Q top P A top e A 2 Q u r c T T conv ax Pl Pl Pl a oder näherungsweise: Q conv c ma SEP f Q A f m h A A Gesamt-Energiebilanz im Bilanzgebiet I rad c / F rad f,max( c) P / F P 6/43

8 Gesamt-Energiebilanz im Bilanzgebiet II im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche klare Verbrennungszone Brennstoffballen ^ BB 1 Flüssigkeits- oberfläche (Phasengrenze) BB.. Q _ Q f. T Q V._ Q ba,tot II _. Q Q verl Q Q Q ba,tot f,ges verl Q Q Q Q f,ges v T,f Q Q Q Q ba,tot ba,rad ba, ba, Energie-Rückkopplungsmechanismus Energiebilanz an Phasengrenzfläche im Bilanzgebiet II 7/43

9 Experimentelle Untersuchungen Brennstoffe: n-pentan, Superbenzin, Normalbenzin, Diesel, JP-4, LNG, DTBP Durchmesser: d = 1 m, 2.5 m, 8 m, 16 m und 25 m (a) Hochgeschwindigkeits-Fotografie zur Visualisierung momentaner VIS-Strahldichtestrukturen (0.4 μm < < 0.75 μm) (b) Thermografisches IR-Kamerasystem mit Videomischeinheit zur Visualisierung momentaner IR-Strahldichtestrukturen (2 μm<<5.6μm) und Überlagerung mit momentanen VIS-Strahldichtestrukturen (c) Pyroelektrische und ellipsoidale Radiometrie (0.6 μm < < 15 μm) zur direkten Messung zeitlich gemittelter Bestrahlungsstärken (d) Meteorologische Messstation zur Erfassung insbesondere von Windrichtung und Windgeschwindigkeit g 8/43

10 Abbrandgeschwindigkeiten und Massenabbrandraten bei Einzel-Feuern Blinov et al. (1957) Abbrandgeschwindigkeiten v a als f(d) 9/43

11 Abbrandgeschwindigkeiten und Massenabbrandraten bei Einzel-Feuern Muños et al. (1957) Massenabbrandraten m f in Abhängigkeit vom Durchmesser d 10/43

12 Abbrandgeschwindigkeiten und Massenabbrandraten bei Einzel-Feuern Nach Hottel (1959) folgt für Q,f 0, Qverl 0, Qba, 0, Qba, 0 : QQba,rad / A m f m f / A fva h c ( T T ) v p,f f,b f,a, d 1 m m, f m f und v a sind abhängig von d, Brennstoff, u W, (h c )/h v, t, Poolrandeffekten und stellen fundamentale Schlüsselgrößen dar; A = A L oder AP Einstrahlzahl φ zwischen Flamme und Pooloberfläche ist konstant für adiabatische Lachen-, Pool- und Tankfeuer Allgemeine Beziehungen für v a und mm f 11/43

13 Abbrandgeschwindigkeiten und Massenabbrandraten bei Einzel-Feuern Nach Burgess et al. (1962) und Babrauskas (1983, 1986) gilt: m ( d ) m 1 e f f,max k β d oder a k β d amax a,max v ( d ) v 1 e, 0.004m d 30m k β d F k [1/m]: Extinktionskoeffizient [ ]: Korrekturfaktor für mittlere Strahllänge L 0.63d bzw. 0.73d b 1 e : effektiver Emissionsgrad der Flamme; für d 1 m gilt 0.95 insbes. für Benzin, Diesel, Kerosin, Transformatorenöl, Petroleum für windstille Bedingungen F Abhängigkeit vom Durchmesser d 12/43

14 Abbrandgeschwindigkeiten und Massenabbrandraten bei Einzel-Feuern Maß für die Verbrennungsgeschwindigkeit g g für unfallbedingte Lachen-, Pool- und Tankfeuer: m v ( h h ) 6 fmax f,max f a,max amax f c,i ci/ vi v,i mm ( fmax f,max 2 ( d 5m) = kg/(m s) für Benzin 2 = kg/(m s) für Diesel m ( d 9m) [ Munoz, 2004] f,max } nach Hottel (1957); Babrauskas (1983) m ( d 20m) für Rohöl [ Koseki, 2000] f,max m( d)= m 1 e f f,max k β d : je kleiner k, umso größer d. Maximale Massenabbrandraten m und maximale Abbrandgeschwindigkeiten f,max va,max 13/43

15 Abbrandgeschwindigkeiten und Massenabbrandraten bei Einzel-Feuern m f,max : Abhängigkeit der thermochemischen Eigenschaften des Brennstoffes 14/43

16 Abbrandgeschwindigkeiten und Massenabbrandraten bei Einzel-Feuern für d 1 m v ( h ) / h : insbes. für Methanol, H, LNG, Butan, 6 a,max c,i v,i 2,l Hexan, Benzol, Xylole 3 10 ( h c,i) für vieleeinzel -Brennstoffegültig: insbes. Butan, Hexan, m f,max : hv,i cp,f( Tf,b Tf,a ) Benzin, JP-4, Methanol, Aceton, Benzol, Xylole, LNG, LPG, LEG Berechnung der Abhängigkeit von den thermodynamischen Eigenschaften des Brennstoffes 15/43

17 Abbrandgeschwindigkeiten und Massenabbrandraten bei Einzel-Feuern Nach Babrauskas (1983) gilt: m f, ( u ) a2u 1 m d W W W f,für u 5 m/s 2 W a = ; nicht für Alkohole Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit u W 16/43

18 Abbrandgeschwindigkeiten und Massenabbrandraten bei Einzel-Feuern m (H O) 2 m (Land) LPG 2 LPG m (H O) 3 m (Land) LNG 2 LNG für Rohöl, Benzin gilt: m (H O) m (La nd) f 2 f Petty -Korrelation (1983): 3 10 Q rad,ba m f(h2o) ln(bc 1) h ln(b 1) c v c p,f B 3000/ h : konvektive Spald ing sche Massentransferzahl c 10.17< B < c v Nicht adiabate Lachen- und dpoolfeuer 17/43

19 Abbrandgeschwindigkeiten und Massenabbrandraten bei Einzel-Feuern Brennstoff Rohöl m f,max (h c,i ) q f,max h v va,max [kg/(m 2 s)] [kj/kg] [kw/m 2 ] [kj/kg] [10 4 m/s] [m 1 ] [m 1 ] Diesel Benzin JP JP Kerosin LNG / Methan LPG/Propan LNG (d = 15 m) (auf Wasser) k k Messdaten für technisch wichtige Brennstoffe 18/43

20 Neue Konsequenzmodelle (multiple Feuer) D = 20 cm, d = 5 cm, Δy/d = 3 n-heptane, 15 x 15 fire array N x N fire array d ges = N d (array) N. Liu, Q. Liu, J. S. Lozano, L. Zhang, J. Zhu, Z. Deng, K. Satoh 32 nd International Symposium on Combustion, August 3-8, 2008, McGill University, Montréal, Canada 19/43

21 Modeling of multiple fires 4 x 4 15 x 15 Fire merging 7 x 7 Burning enhancement Fire whirl Naian LIU 1, Qiong LIU 1, Jesse S. LOZANO 2, Linhe ZHANG 1, Jiping ZHU 1, Zhihua DENG 1, Kohyu SATOH 1 1 State Key Laboratory of Fire Science, University of Science & Technology of China, China 2 Mechanical Engineering Department, University of California, Riverside, USA 32nd International Symposium on Combustion August 3-8, 2008, McGill University, Montréal, Canada 20/43

22 Neue Konsequenzmodelle (multiple Feuer) Comparison of multiple n-heptane tank fires and single free- burning tank fires with equal fuel areas N d (m) bzw. d ges (m) D (m) A P (m 2 ) exp H (m) exp exp H / d max max H max / d (fuel) (fire array) (single fire, no array) (d ges ) (d ges ) Measurements from N. Liu et al. (2008) 21/43

23 Abbrandgeschwindigkeiten und Massenabbrandraten multipler Feuer D d m f,max : erhöht sich um den Faktor 2 bis 4 Heat radiation 4 x 4 fire array Heat feedback enhancement nach N. Liu et al. (2008) Charakteristische Eigenschaft multipler Tankfeuer Air entrainment restriction 22/43

24 Berechnungsbeispiele Benzin-Poolfeuer (d = 20 m) m kg / (m² s) ; A 314 m² ; stöchiometrische Verbrennung f c ma SEP 50 kw /m² ; H / d 1.7 ; h kj / kg P Berechnung des Benzinmassenstromes m f m 2 f mf A P ( ) kg /s 26 kg /s Berechnung der Brandleistung Q Q c 3 c qf AP ( ) kw MW Berechnung des konvektiven k Wärmestroms Q conv Q conv Qc 0.7( ) MW 797 MW 23/43

25 Berechnungsbeispiele Berechnung von Q und top,rad Q ba,rad es gilt: A top e A P für e 1 folgt: ma Q Q A SEP (314 50) kw MW top,rad ba,rad P Berechnung des gesamten axialen Strahlungswärmestroms Q (in Richtung Flammenspitze und Brennstoffoberfläche) ges,rad,f Q Q Q 31.4 MW ges,rad,f top,rad ba,rad Berechnung des Wärmestroms Q an der Flammenspitze Q top Q Q Q ( ) MW MW top conv top,rad 24/43

26 Berechnungsbeispiele Näherungsweise Berechnung der Flammenoberfläche A F A dh d²/4 d²h/d d²/4 F (( m²) 314) m² 2450 m² Berechnung des Strahlungswärmestroms QQ rad von der Flammenoberfläche an die Umgebung Q ma SEP (A A ) ( )kW 107 MW a,rad F top Bilanz: Q Q 3 c top Qa,rad Q ba,rad ( ) MW MW 25/43

27 Bisherige Konsequenzmodelle (PSM / API 521) x E ( y d) f ( h ) m 1e rad c f,max PSM 2 für y/d > 4 16 ( y d) k β d y E ( y d) T PSM N F B 4 A P 0 d Pool A E y N H / d ( y d) 2 Application: y >4d d bis 5 d for gas fires for pool/tank fires E ( y d) f ( h ) m PSM N rad c f,max für 0.5 < y/d < 4 26/43

28 Bisherige Konsequenzmodelle (SFM, conventional) x postulierte Zylinderflamme SEP ma SFM T Pool y ma 4 4 SEP ( T T ) SFM a F conventional F = 0.95 (gray flame) = 1173 K (900 C) ma SEPSFM = 100 kw/m 2 f(d, fuel) 27/43

29 Modified Solid Flame Radiation Model (MSFM) x SEP u H SEP ma MSFM (, f d) f ( d) m ( h ) rad f c 4 H( d)/ d ma SEP cl H l H cl d y H (d)/ d cl f rad, cl ( d ) m ( h ) 4 f,max ma SEP cl c ; ( ) ( ). exp 005d. für frad, cl d frad d 0 35e und ma SEP Cl 100kW / m 2 exp resultiert: MSFM H / d frad ( d ) m ( h ) cl f,max c 28/43

30 Neue Konsequenzmodelle (Flammenlängen) Relative Längen der heißen, klaren Verbrennungszone Im Rahmen von OSRAMO II gilt: h H / d f ( d ) m ( ) II II 3 rad, cl f, max cl c frad,cl ( d) frad,cl ( d) SEP ma cl II SEP II cl ma (1 4 H / d ) SEPcl T 180 kw/m f,b 2 d : Strahlungsanteil Für ein Benzin Poolfeuer resultiert: H II cl / d 1.0 und rad,cl 0.2 f II 29/43

31 Neue Konsequenzmodelle (Stahlungsmodell OSRAMO II) II ma act hs hs sp sp SEP ( d) a ( d) SEP ( d) a ( d) SEP ( d) ˆ ˆ ˆ i a re a SEPi( d) 1 i( d) T T i( d) 1 re( d) T T i = hs, sp für i = re, hs, sp : 1 τ ˆ ( d ) ε ˆ ( d ) 1exp( æ ˆ d) i eff,i eff,i æ ˆ (T) æ b f bt bt 3 3 eff,i eff,i i V i i i i a d a d d d hs a3 ( ) 1 ( ) 1exp[ ( ) ] sp o Ergebisse : T 1413 K, T 1329 K, re Tsp 632 K. hs 30/43

32 CFD-Simulation Validierung Validierung adeugder CFD- und der OSRAMO II-Vorhersagen mit gemessenen SEP-Werten als f(d,brennstoff) 31/43

33 33 32/43

34 Stochastisches Strahlungsmodell OSRAMO III DTBP Poolfeuer DTBP Poolfeuer (d = 1 m) Momentanes Thermogramm (d = 1 m) Temperatur-Histogramm 33/43

35 Histogramm und log-normale l pdf gt ( T ) eines JP-4 4Poolfeuers (d = 16 m) 34/43

36 Histogramm und log-normale pdf g ( SEP SEP ) eines JP-4 Poolfeuers (d = 16 m) 35/43

37 Neue Konsequenzmodelle (CFD Simulation) Conservation Equations Continuity Momentum Energy Species Soot Solver Coupled - CFX Segregated/ Coupled - FLUENT Combustion models Multistep chemical reactions (6 species, 6 steps) -CFX Laminar flamelets with PDF for JP-4 (112 species, 800 reactions) PDF Transport model - FLUENT (20 species, 60 reactions) Turbulence models LES Smagorinsky model - FLUENT Scale Adaptive Simulation (SAS) -CFX Thermal radiation models Monte Carlo method - CFX Discrete Ordinates method - FLUENT Absorption coefficient modeling Soot models Magnussen - CFX Lindstedt - CFX Tesner - FLUENT 36/43

38 Neue Konsequenzmodelle (CFD Simulation) CFD Simulation ermöglicht Vorhersage der folgenden Größen Strömungsgeschwindigkeiten gg g Spezif. Ausstrahlung (SEP) Spezieskonzentrationen Bestrahlungsstärke (E) Emissionstemperaturen Windeinfluss JP-4 (d = 16 m) Transientes SEP(x,y,z,t)-Feld (,) auf einer Zeitlich-gemitteltes SEP(x,y,z)-Feld ( ) auf einer Isofläche der Temperatur (T = 400 K) Isofläche der Temperatur (T = 400 K) 37/43

39 Neue Konsequenzmodelle (thermische Abstände) Krit. therm. Abstände bei Einzel- und multiplen Poolfeuern mit Weitwinkelradiometer 1 : bisher; gesamte Flamme (JP-4) 2 : Einzelfeuer; klare Verbrennungszone (Benzin) 3 : multiples Feuer; klare Verbrennungszone (Benzin) /43

40 Zeitlich gemittelte, kritische Bestrahlungsstärken beliebiger Einwirkungsdauer einiger Schutzobjekte Zu schützendes Objekt E cr (kw/m 2 ) Grenze für nachteilige Wirkungen 1.6 Empfindliche Gebäude: Krankenhäuser, Altenheime, Schulen, Wohnhäuser 2.0 Öffentliche Straßen 4.5 Grenze für wahrscheinliche 8.0 Feuerübertragung Ungekühlte Lagertanks 10.0 Fabrikgebäude: Leitwarten, Werkstätten 12.6 Gekühlte Lagertanks /43

41 Folgerungen und Ausblick (I) Bisher angewandte Modelle: teilweise ungeeignet, g z.b. SFM, MSFM, Betrachtung von H/d der gesamten Flamme (II) Neue Modelle: teilweise existent, gute Übereinstimmung mit Experimenten z. B. OSRAMO II, III, CFD-Modelle, Betrachtung der Höhe H cl /d der heißen, klaren Verbrennungszone, teilweise noch zu entwickeln, z.b. für multiple Feuer: H cl /d, m f, SEP, CFD-Modelle (III)Bisherige Worst Case Annahmen sind zu über- arbeiten: Betrachtung von einem Einzel-Tank bzw. einem Tankfeld; stattdessen: multiple Feuer 40/43

42 Folgerungen und Ausblick (IV) Bisherige Regelwerke (z.b. IP15 Code, 15 m Gefahrenzone vom Rand der Tanktasse) sind teilweise zu überarbeiten. (V) Wissenslücken lokale SEP f rad (d,brennstoff, t) Rußbildung, Ruß-Flamelet Modelle Nicht bzw. wenig rußende, große Feuer z.b. Methanol, LNG, Acetaldehyd 41/43

43 Folgerungen und Ausblick Modellierung des stochastischen Verhaltens Windeinfluss (mit CFD) Große Rechenzeiten; Validierung von Submodellen Mangel an experimentellen Daten für d > 25 m sowie von multiplen Feuern 42/43

44 Für weitere Informationen zu den Folien M. Gawlowski, M. Hailwood, I. Vela, A. Schönbucher, (2009), Deterministic and probabilistic estimation of appropriate distances: motivation for considering the consequences for industrial sites. Chem. Eng. Technol., 32, M. Hailwood, M. Gawlowski, B. Schalau, A. Schönbucher, (2009), Conclusions drawn from the Buncefield and Naples incidents regarding the utilization of consequence models. Chem. Eng. Technol., 32, I. Vela, H. Chun, K. B. Mishra, M. Gawlowski, P. Sudhoff, M. Rudolph, K.-D. Wehrstedt, A. Schönbucher, (2009), Vorhersage der thermischen Strahlung großer Kohlenwasserstoff und Peroxid-Poolfeuer mit CFD Simulation. Forsch. Ingenieurwes., 73, H. Chun, K.-D. Wehrstedt, I. Vela, A. Schönbucher, (2009), Thermal radiation of di-tert-butyl peroxide pool fires Experimental investigation and CFD simulation. J. Hazard. Mater., 167, /43