belépés / regisztráció
2019. december 5. csütörtök
Aktuális lapszám

Mérnöki módszerek alkalmazása a hő- és füstelvezetésben II.

A bevezetés alatt álló Országos Tűzvédelmi Szabályzat legújabb változatában már nem titkolt cél, hogy a tételes előíró elvek háttérbe szorításával a mérnöki módszerek kerüljenek egyre inkább előtérbe. Az utóbbi hónapokban munkabizottságok alakultak, amelyek műhelymunkában alakítják ki az egyes részterületeken az új módszereket és azok használatának feltételeit, amelyeket „Műszaki Irányelvek” formában fogalmaznak meg. A munkabizottságok a műszaki irányelveket az OKF szakembereivel és az azokat használni kívánó szakmai közösségekkel egyeztetve alakítják ki. A hő- és füstelvezetés területével két munkabizottság is foglalkozik. Az alábbiakban be szeretnénk mutatni, hogy gravitációs berendezések esetén a mérnöki módszerek milyen módon alkalmazhatók a hőés füstelvezetők mértezésének területén. A második, befejező részben szó lesz a lángmagasság és csóvamodellekről.

 

A lángmagasságot egy adott felületen égő tűz esetén a hőfelszabadulás mértéke és a tűz felületének kiterjedtsége határozza meg. Származtatása turbulens (fluktuáló) lángok esetében tapasztalati úton, a hasonlóságelmélet felhasználásával lehetséges. Ha a relatív lángmagasságot (L/D) a dimenziótlan lángteljesítmény

(Képlet)

függvényében ábrázoljuk logaritmikus skálán, általánosabb érvényű összefüggés alkotható. Az egyenletben ρ, cp, T∞ a tűz keletkezése előtt a környezeti levegő jellemzői (sűrűség, fajhő, hőmérséklet), a láng teljesítménye. A tűz geometriai jellemzőiből is alkothatunk dimenziótlan mennyiséget a jellemző átmérő és a közepes lángmagasság hányadosaként: L/D (1. ábra).

Kihasználva, hogy a dimenziótlan lángteljesítmény 100 és 104 tartományban a logaritmikus skálán lineáris, a közepes lángmagasság

(Képlet)

egyenlettel számítható. Érdemes megjegyezni, hogy Q˙ *az égés jellegét is jelenti, kisebb értékei a szabadfelszíni tüzekre jellemzőek.

A közepes lángmagasság egy példája a mérnöki módszerek alkalmazásának, hiszen a modell egyenletének fejlesztéséhez a hasonlóságelméletet hívtuk segítségül. A közepes lángmagasság használható a szerkezeti integritás vizsgálatokhoz, illetve bemenő paramétere a későbbi számításoknak (pl.: csóva egyenleteinek érvényesség tartomány vizsgálatához).

Csóvamodellek

A közepes lángmagasság mellett fontos ismernünk a csóva hőmérsékletét és a feláramló tömeget. A feláramló tömeg a tűzből kilépő és a környezet hígító levegőjével keveredő tömegek összessége (2. ábra).

Ideális csóvamodell

Az ideális csóvamodell mérnöki gyakorlatban is használható eredményei a tűz környezetében felfelé haladó tömegáram és a tömeggel szállított teljesítmény egyenletei. Hő- és füst terjedésének modelljeiben a füstmentes levegőréteg határán vizsgáljuk a füsttel telített rétegbe lépő tömegáramot. A csóva átlaghőmérséklete ezen a magasságon a kétzónás modellek hőmérsékletének számításához szükséges:

(Képlet)

Az egyenletekből látszik, hogy a környezet jellemzői mellett a csóvában haladó tömegáram (m˙ p ) és átlaghőmérséklet (ΔT) a láng előző fejezetben tárgyalt teljesítményétől függ. Az alapvető fizikai princípiumok felhasználásával lehetett alkotni egy modellt, amelynek segítségével a csóva fontosabb fizikai jellemzői közelíthetők. A kapott függvények, ha nem is pontosak, de a csóva fizikai jellemzőinek magasság szerinti változását jellegre helyesen mutatják. Az ideális csóvamodellből származó egyenletek alkalmasak, hogy mérésekkel, az elhanyagolások számának csökkentésével pontosabb modelleket alkothassunk a csóvában uralkodó sebesség, hőmérséklet és tömegáram viszonyainak leírására.

Valóságos csóvamodellek

A valóságos csóvamodellek a mérnöki gyakorlatban számos feladatra használhatók, ezért érdemes megismerni őket. Az ideális csóvamodellhez képest jelentős előrelépést figyelhetünk meg. Gyakran Heskestad [2] modelljét használjuk, amely a pontszerű forrás helyett bevezeti a padló síkja alatt definiált látszólagos pontszerű forrást. A tűz síkján, pontszerű forrás helyett a tűznek valódi kiterjedése van. A konvektív lángteljesítménnyel (Qc) tovább pontosítható a csóva viselkedése. Az átlagos hőmérséklet helyett az egyenletek, a valóságnak megfelelően, adott síkban a sebesség- és hőmérséklet eloszlását modellezik. A feláramlási jellemzők maximumait a feláramlás tengelyében találjuk.

A pontszerű hőforrás látszólagos helyzetét (z0) a tűz egyenértékű átmérője és a lángteljesítmény ismeretében a

(Képlet)

egyenlettel határozhatjuk meg. A csóva termikus jellemzői szempontjából a konvektív hőáram (Q˙ c) a meghatározó, hisz épp a konvektív hőáram a felhajtó erő forrása. A szokványos tüzekben a láng sugárzási vesztesége 20- 40%, ami alapján a konvektív hányad meghatározható. A csóva tengelyében a környezethez viszonyított hőmérséklet-emelkedést az alábbi összefüggés írja le:

(Képlet)

A csóva tömegáramát a szokásos környezeti jellemzőkkel az

(Képlet)

egyenlet írja le, de csak a közepes lángmagasság fölött. A közepes lángmagasság szintjéig a tömegáramot az

(Képlet)

egyenlettel számíthatjuk.

A csóvamodellek a mérnöki modellek egymásra épülésére tanítanak. Az ideális és valóságos csóvamodellek a mérnöki gyakorlatban számos feladatra használhatók, többek között a hőérzékelők viselkedésének tanulmányozására, a csóva útjában lévő szerkezeti elemek átmelegedésének számítására és nem utolsó sorban a gravitációs hő- és füstelvezető berendezések méretezésére.

A hő- és füstelvezetés statikus modellje

A mennyezeten elhelyezett hő-és füstelvezető kupolák esete átvezet minket a kétzónás modellek területére. A kétzónás modellek alapfeltételezése, hogy az egyes zónákon belül állandó a hőmérséklet és a sűrűség. A légkör egyensúlyi feltételéből a környezet és a tűztér nyomáseloszlásának egyenletei származtathatóak. A füstkupolán eláramló gázkeverék tömege megegyezik a légpótló nyílásokon a tűztérbe érkező levegő tömegével. A két zóna a füsttel telített és a füstmentes levegőréteg. A füstmentes levegőréteg magassága HD, a belmagasság H. A két zóna sűrűségének segítségével a helyiségbe áramló levegő (ΔPl) és a füstkupolán távozó gázok (ΔPc) hajtóereje (nyomáskülönbsége) számítható. A hajtóerőkből a tömegáramegyenletek meghatározhatók. A tömegáram azonosságából HN természetes zóna magassága számítható. A természetes zóna magasságában a külső környezet nyomása egyezik a tűztér nyomásával. A természetes zóna felett túlnyomás, alatta alulnyomás uralkodik (3. ábra).

A számításokhoz szükségünk van a beáramló levegő tömegáram egyenletére, illetve az eláramló égéstermék egyenletére:

(Képlet)

A két zóna sűrűségét az ideális gáztörvényből számíthatjuk. A modell egyenleteiben Cd a keresztmetszeti tényező (4. ábra).

Ugyan a fenti egyenletek számos elhanyagolást tartalmaznak, ennek ellenére alkalmasak vízszintes hő- és füstelvezető kupolák és függőleges légutánpótló nyílások esetén mérnöki számítások elvégzésére. Alapvetően két lehetséges feladatcsoport méretezési feladatait segítik a fenti egyenletek:

Adott a csarnok belmagassága (H), a tűz teljesítménye, a légutánpóló nyílások mérete (Al). A követelmény a füstmentes levegőréteg magassága (HD), amely adott feladat esetén nem egyezik az OTSZ által előírtakkal. Keressük a füstelvezető nyílás szükséges (névleges) méretét. A feladat végrehajtásához feltételt használjuk, amely azt jelenti, hogy a füstmentes levegőréteg határán a csóva tömege lép a füsttel telített zónába. Továbbra is szükséges feltétel, hogy a légutánpótló nyílásokon távozó tömegáram megegyezik a kupolákon távozó tömegárammal. A zónák sűrűségét az ideális gáztörvénnyel számíthatjuk. A számítási modell pontosítható a tűzből a csarnokba lépő tömeg modellbe építésével. A feladat a két fenti egyenlet segítségével egyértelműen megoldható.

Adottak a füstelvezető kupolák geometriai méretei, a légutánpótló nyílások méretei, a csarnok magassága, tűz teljesítménye, keressük a füstmentes levegőréteg határát. A feladat nem oldható meg egyértelműen, mivel a csóva egyenleteiből számítjuk a füstmentes levegőréteg határán a tömegáramot, ezért kezdetben feltételezzük, hogy a füstmentes levegőréteg határa a csarnok magasságának felénél van. Ezzel a feltételezéssel számíthatjuk a csóva tömegáramát. A csóva tömegáramának segítségével a valós füstmentes magasság már számítható. Az eljárást addig ismételjük, amíg a füstmentes magasság már nem változik számottevően.

A mérnöki számítások utolsó eleme az eredmények értékelése, a modell által szolgáltatott eredmény pontosságának vizsgálata. Ehhez az érzékenység analízis módszerét választhatjuk. Hő- és füstelvezető nyílások esetén ez azt jelenti, hogy a kupolák mérete hogyan változik a környezeti hőmérséklet, a lángteljesítmény, vagy a füsttel telített réteg hőmérsékletének kismértékű módosításának hatására. A módszerrel feltárhatók a modell esetleges hibái, illetve megmutatják, hogy mely jellemzők precízebb meghatározása szükséges a végeredmény pontosítása érdekében.

Cellamodellek

Ha az előző fejezetben leírt zónamodelleknél jóval pontosabban követhető a füst mozgása a mozgás- és hőtani egyenletek diszkrét egyenletként történő megoldása révén a háromdimenziós térben (CFD modellek). A tűzvédelmi szakmában a legelterjedtebb számítógépes program (a NIST által fejlesztett FDS, mely jelenleg a 6.1.2 verziószámnál tart) a háromdimenziós térben kocka vagy téglatest formájú cellákból álló cellahálót definiál, ezért cellamodelleknek nevezik. Ezt az analógiát követve mondhatjuk, hogy az előző fejezetben ismertetett hő- és áramlási egyenleteket cellánként oldjuk meg. Cellamodellek esetén sokkal pontosabb és ezért időigényesebb feldolgozás szükséges, hiszen el kell készíteni az épület térbeli geometriai modelljét az épületszerkezetben alkalmazott anyagok hőtani tulajdonságaival. A geometria mellett az alkalmazott célprogram kezelni képes a tűz legfontosabb jellemzőit, mint a hőforrás teljesítményének időbeli változását, a tűzforrásból kilépő tömegnélküli füst jellemzőit (mennyiségét, abszorpcióját, méretének eloszlását stb.). A hővel, füsttel és cseppekkel terhelt vektoriális térbe a jellemzők vizsgálatára pontszerű érzékelők helyezhetők el, amelyekkel számszerűsíthetők a hőmérséklet, a sebesség, a láthatóság értékei. Ezek a számszerű értékek alkalmasak különböző tűzvédelmi vezérlések megvalósítására (pl. hő- és füstelvezető elemek üzembe helyezésére, vagy sprinklerek indítására stb.) (5. ábra).

A komplexebb feldolgozás komplexebb vizsgálatokat is lehetővé tesz. Ennek érdekében lehetőségünk van vizsgálati síkokat definiálni a vizsgált térben, amelyek lehetnek: a hőmérséklet, a sebesség, a láthatóság stb. (6. ábra).

A vizsgálati síkok mellett a füstszemcsék és a vízcseppek térbeli eloszlását is megjeleníthetjük (7., 8. ábra). A térbe akár elhelyezhetők épületgépészeti berendezések is, mint ventilátorok, anemosztátok, hűtő- és fűtőeszközök. Ezek segítségével akár JET-ventilátoros füstelvezető megoldások is vizsgálhatóvá válnak (9. ábra).

Összefoglalás

Láthattuk, hogy a zárt téri tüzek lefolyásának elemzésével, a tűz teljesítményének időbeli lefolyásának ismeretében a lángmagasság egyenleteivel, a zárt téri tüzek és a környezet nyomásviszonyainak elemzésével modellek készíthetők a hő- és füstelvezető nyílások méretének megállapítására. Az eljárás merőben különbözik a jelenleg hatályos OTSZ-ben megismert előíró elvektől. A tűzvédelmi berendezések viselkedése tovább pontosítható a cellamodellek segítségével (10. ábra).

A cellamodellek legnagyobb értéke azonban a mérnöki módszereken alapuló méretezéseken túl a különböző tűzvédelmi eszközök kereszthatásainak elemzési lehetősége, amire egy jellegzetes példát a 11. ábrán láthatunk. A sprinklerek indulásának hatására a födém alatt keletkezett tűz füstje intenzíven kezd szétterjedni.

 

Irodalomjegyzék

[1] McCaffrey, B., “Flame Height,” SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2nd ed., National Fire Protection Association, Quincy, MA, 1995.
[2] Heskestad, G., “Fire Plumes,” SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2nd ed., National Fire Protection Association, Quincy, MA, 1995.
[3] Blair J. Stratton, Determining Flame Height And Flame Pulsation Frequency And Estimating Heat Release Rate From 3D Flame Reconstruction, Fire Engineering Research Report 05/2, July 2005. (http://www.civil.canterbury.ac.nz/fire/pdfreports /Blair_Stratton_05.pdf)
[4] Zukoski, E.E., Kubota, T., and Cetegen, B., “Entrainment in Fire Plumes,” Fire Safety Journal, Vol.3, pp. 107–121, 1980.
[5] SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 3rd Edition, NFPA
[6] Szikra Csaba, Takács Lajos Gábor PhD: Approach To Define The Aerodynamic Free Area For Natural Smoke Vents In A CFD Simulation Environment. Proceedings, Fire and Evacuation Modeling Technical Conference (FEMTC) 2014, Gaithersburg, Maryland, September 8-10, 2014
[7] Szikra Csaba, Takács Lajos Gábor PhD: Practical Experiences of CFD Modelling in Smoke and Heat Spread Simulations. Cellamodellek alkalmazásának gyakorlati tapasztalatai hő- és füstterjedés modellezésében. Proceedings of ÉPKO, International Conference of Civil Engineering and Architecture 2014, Csíksomlyó, Romania, 14 June 2014., p. 313-319.

***

1. ábra. Relatív lángmagasság (L/D) a dimenziótlan lángteljesítmény függvényében
2. ábra. A korlátozás nélküli csóva viselkedése
3. ábra. Mennyezeti hő- és füstelvezetők esetében használt modell jelölései
4. ábra. Az adott füstszegény levegőréteghez tartozó szükséges elvezető felület (Ac) a füstgázhőmérséklet függvényében, különböző tűzteljesítmények (Q) esetében (balra). A tűz teljesítménye (Q), és a szükséges felület (Ac) összefüggése (jobbra).
5. ábra. Csarnoképület háromdimenziós modellje füstérzékelőkkel és sprinkler berendezéssel
6. ábra. Vizsgálati síkok
7. ábra. Füstszemcsék eloszlása
8. ábra. Sprinklerek vízcseppjeinek eloszlása
9. ábra. Födém alatt elhelyezett JET ventilátorok által keltett sebességmező
10. ábra. Módszerek összevetése
11. ábra. A sprinklerek hatása a füst szétterjedésére

Szikra Csaba
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem,
Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék


Dr. Takács Lajos Gábor
okl. építészmérnök, egyetemi docens
BME Épületszerkezettani Tanszék

A szerzõ egyéb cikkei:

  Nyitott szórófejes oltórendszer és nagynyomású vízköddel oltó berendezés együttes működésének numerikus szimulációja, különböző
  Mérnöki módszerek alkalmazása a hő- és füstelvezetésben I.

Eseménynaptár

Hirdetés
Kiadja a Média az épületgépészetért Kft.
Szerkesztőség és kiadóhivatal:
H-1112 Budapest, Oltvány u. 43. I/2.
Telefon: +36 (1) 614 5688
E-mail: kiado@magyarinstallateur.hu

 
Előfizetésben terjeszti a Magyar Posta Zrt. Hírlap Igazg.
Előfizetés és reklamáció: +36 (1) 767-8262
E-mail: hirlapelofizetes@posta.hu
 
 
elfelejtettem a jelszavam