Ανάλυση Φαινομένων Μετάδοσης Θερμότητας Στο Εσωτερικό Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Εργαστήριο Ετερογενών Μιγμάτων και Συστημάτων Καύσης Ανάλυση Φαινομένων Μετάδοσης Θερμότητας Στο Εσωτερικό Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Δ. Κοντογεώργος, Δ. Κολαΐτης, Μ. Φούντη, Μαΐου 2008 Αθήνα Ξενοδοχείο Divani Caravel

2 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Περιεχόμενα Εισαγωγή Μαθηματική Μοντελοποίηση Εφαρμογές & Αποτελέσματα Συμπεράσματα 2

3 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Περιεχόμενα Εισαγωγή Μαθηματική Μοντελοποίηση Εφαρμογές & Αποτελέσματα Συμπεράσματα 3

4 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Εισαγωγή Θερμοχημεία του γύψου Γύψος: Διυδρίτης Θειικού Ασβεστίου (CaSO 4. 2H 2 O) Η ποσότητα του νερού στο κρυσταλλικό πλέγμα είναι υπεύθυνη για την καλή συμπεριφορά της γυψοσανίδας σε συνθήκες φωτιάς (απορρόφηση θερμότητας) Θέρμανση του γύψου (>80 o C) απελευθερώνει το νερό από το κρυσταλλικό πλέγμα και ο διυδρίτης μετατρέπεται σε ημι-υδρίτη CaSO 4 2H2O Q CaSO4 1 H2O 3 2 H2O 2 Περαιτέρω θέρμανση του γύψου οδηγεί σε αφυδάτωσή του και ο ημι-υδρίτης μετατρέπεται σε ανυδρίτη (~250 o C) CaSO 1 H O Q CaSO H2O 2 4

5 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Περιεχόμενα Εισαγωγή Μαθηματική Μοντελοποίηση Εφαρμογές & Αποτελέσματα Συμπεράσματα 5

6 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Μαθηματική Μοντελοποίηση Υπολογιστικός κώδικας HETRAN HEat TRansfer ANalysis (Εργ. ΕΜΣΚ) Επίλυση της μονοδιάστατης μη μόνιμης εξίσωσης μετάδοσης θερμότητας Πολυ-στρωματικά υλικά Φυσικές ιδιότητες υλικών συναρτήσει της θερμοκρασίας Οριακές συνθήκες χρονικά μεταβαλλόμενες Διακριτοποίηση με τη μέθοδο των πεπερασμένων όγκων Επιλύτης πρόβλεψης-διόρθωσης Euler (predictorcorrector scheme) 6

7 ΕΜΠ Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Μαθηματική Μοντελοποίηση Υπολογιστικός κώδικας HETRAN Εξίσωση Μη Μόνιμης Μετάδοσης Θερμότητας C p T t d T dt t kt h Q T C C p p T Πυκνότητα [kg/m 3 ] Ειδική Θερμοχωρητικότητα [J/kg/K] k k T Θερμική Αγωγιμότητα [W/m/K] 7

8 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Μαθηματική Μοντελοποίηση Υπολογιστικός κώδικας HETRAN Οριακές Συνθήκες Αδιαβατικό τοίχωμα T k x xx Surface 0 Πολυστρωματικά υλικά T k x xx k T x xx Solid1 Solid2 Θερμοκρασία επιφάνειας T t, x X T t Surface USER X Solid,1 X Solid,2 Ροή θερμότητας επιφάνειας Q, t x X Q t Surface USER Solid 1 Solid 2 8

9 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Μαθηματική Μοντελοποίηση Υπολογιστικός κώδικας HETRAN Οριακές Συνθήκες Συναγωγή Ακτινοβολία Με το περιβάλλον (Ambient) Q 4 t x X h T t T T t 4, Surface Amb, USER Surface Amb, USER TSurface Με εσωτερικούς κόμβους Q t, x X Surface h TNeighbor t 4 4 T Solid T 1 Solid 2 Q Radiation T Surface Q Radiation 2 1 Surface Neighbor Surface Solid 1 Fluid Solid 2 9

10 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Εφαρμογές & Αποτελέσματα Εισαγωγή Μαθηματική Μοντελοποίηση Εφαρμογές & Αποτελέσματα Συμπεράσματα 10

11 12mm ΕΜΠ Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Εφαρμογές & Αποτελέσματα Γυψοσανίδα σε συνθήκες φωτιάς T in =20 o C Πλευρά Δωματίου ISO 834 Τυποποιημένη Φωτιά Πλευρά Δωματίου T Amb =20 o C h=10w/m/k ε=0.9 Πλευρά Φωτιάς Πειραματική τιμή επιφανειακής θερμοκρασίας Πλευρά Φωτιάς Θερμοστοιχεία 11

12 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Εφαρμογές & Αποτελέσματα Γυψοσανίδα σε συνθήκες φωτιάς Καμπύλη Απώλειας Μάζας Δύο στάδια απώλειας μάζας: στους 150 o C και 700 Κλίση o C της καμπύλης: Στάδια της αφυδάτωσης (δύο αντιδράσεις) Απώλεια μάζας μετά τους 700 o C: Αποσύνθεση του CaCO 3 CaCO3 CaO CO2 Αφυδάτωση Διάσπαση CaCO 3 12

13 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Εφαρμογές & Αποτελέσματα Γυψοσανίδα σε συνθήκες φωτιάς Φυσικές ιδιότητες Πυκνότητα Ειδική Θερμοχωρητικότητα Θερμική Αγωγιμότητα 13

14 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Εφαρμογές & Αποτελέσματα Γυψοσανίδα σε συνθήκες φωτιάς Σταθερές Ιδιότητες ρ=810kg/m 3 C p =1000J/kg/K k=0.28w/m/k Πολύ καλή προσέγγιση με τις μεταβλητές ιδιότητες Πολύ καλή συμπεριφορά της γυψοσανίδας σε συνθήκες φωτιάς 13min Πλευρά Δωματίου Πλευρά Φωτιάς 0mm 4mm 8mm 12mm 14

15 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Συμπεράσματα Εισαγωγή Μαθηματική Μοντελοποίηση Εφαρμογές & Αποτελέσματα Συμπεράσματα 15

16 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Συμπεράσματα Ο HETRAN μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση προβλημάτων μετάδοσης θερμότητας Σημαντική η επίδραση των φυσικών ιδιοτήτων στα αποτελέσματα, όπου λαμβάνεται υπόψη η αφυδάτωση του γύψου Πολύ καλή συμπεριφορά των γυψοσανίδων σε συνθήκες φωτιάς λόγω των ενδόθερμων αντιδράσεων και την απορρόφηση θερμότητας 16

17 Γυψοσανίδας Εκτεθειμένης Σε Φωτιά Ευχαριστώ για την προσοχή σας! 17