A Methodology to assess Species Yields of Compartment Fires by means of an extended Global Equivalence Ratio Concept

Forell, Burkhard

Ca. 70 % aller Brandopfer werden durch Inhalation von Brandgasen verursacht, wobei Kohlenmonoxid (CO) den größten Anteil an der Rauchgastoxizität besitzt. Die CO – Entstehung in Raumbränden lässt sich in Abhängigkeit der Ventilationsbedingungen (globales Äquivalenzverhältnis, engl. GER) beschreiben (GER-Konzept). Durch ein Review und die teilweise Neuberechnung von wesentlichen Arbeiten zur CO Ausbeute von Raumbränden wurde die prinzipielle Anwendbarkeit des Konzepts gezeigt. Dabei konnten die empirischen Gleichungen zur Korrelation von CO Ausbeute mit dem GER von Gottuk und Lattimer durch Vergleich mit Ergebnissen aus Experimenten im ISO 9705 Raum im wesentlichen bestätigt werden. Verglichen mit den Ventilationsbedingungen wirkt sich eine reduzierte Sauerstoffkonzentration weniger auf die CO Entstehung aus. Allerdings wurde durch die Neuauswertung von Versuchen gezeigt, dass die Pyrolyse von cellulosehaltigem Brennstoff in der Heißgasschicht auch unter gut ventilierten Bedingungen zu erhöhten CO Ausbeuten führt. Das GER-Konzept wurde erweitert, um den Einfluss externer Verbrennung durch herausschlagende Flammen bzw. durch Nachverbrennung unter unter-ventilierten Bedingungen zu erfassen. Zur Einschätzung des zweiten Phänomens wurde ein von Beyler vorgeschlagenes Entzündungskriterium erweitert, indem die Verbrennungseffektivität im Primärraum bzw. die gesamte Verbrennungseffektivität berücksichtigt wurde. Numerische Brandsimulationen mit dem Model Fire Dynamics Simulator (FDS4) liefern nur bedingt verwertbare Ergebnisse im Rahmen des GER-Konzepts. Zur Einschätzung einer Nachverbrennung unter unter-ventilierten Bedingungen wurde ein Postprocessing-Verfahren angewandt, bei dem aus FDS4 Ausgabedaten Beylers Entzündungskriterium abgefragt wurde. Neben CO wurden auch andere bedeutende Stickgase und Reizgase betrachtet und die Anwendbarkeit des GER-Konzepts auf diese Leitkomponenten geprüft. Abschließend wurde eine erweiterte Methodik dargestellt, mit der sich ein CO Quellterm bei Raumbränden abschätzen lässt. Die Methode berücksichtigt das GER, externe Verbrennung, Effekte der Heißgasschichttemperaturen und Brennstoffpyrolyse in der Heißgasschicht.

About 70 % of fire deaths occur by inhalation of smoke, whose toxicity is for the most part due to CO. The approach of correlating CO generation in compartment fires with ventilation conditions has become known as the global equivalence ratio concept (GER-concept). The review and partial re-examination of the principal research work on CO yields from compartment fires demonstrate the feasibility of this concept. The correlations of CO yields with the GER given by Gottuk and Lattimer are basically confirmed by additional results from large-scale experiments in the ISO 9705 room. In addition to ventilation effects, which are of prime importance, vitiation effects were also studied. These become relevant when fuel is directly released into a vitiated upper layer. The particular case of pyrolysis of, for example, cellulosic fuels in vitiated upper layers leads to increased CO yields under well-ventilated conditions. The GER-concept was extended to cover external combustion, both by flame extensions and in under-ventilated conditions. To assess the second phenomenon, an ignition criterion proposed by Beyler has been extended by taking into account the combustion efficiencies both inside the compartment and overall. Numerical fire simulation with the Fire Dynamics Simulator (FDS4) is of limited suitability for providing functional simulation results to be used for the GER-concept. FDS4 output data was post-processed to assess the ignitability of the exhaust gases by Beyler’s ignition criterion. Beside of CO, species yields of other main asphyxiant and irritant species were scrutinised to be assessed by the GER-concept. An extended methodology to derive the carbon monoxide source term of compartment fires is presented, which considers the GER, the occurrence of external combustion, upper layer temperature effects, and fuel pyrolysis in the upper layer.

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Forell, Burkhard: A Methodology to assess Species Yields of Compartment Fires by means of an extended Global Equivalence Ratio Concept. 2006.

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