Heat Release Rate in Fire Title Cover

อัตราการปล่อยพลังงานความร้อนของกองเพลิง

อัตราการเผาไหม้ (Burning Rate)

การคำนวณอัตราการเผาไหม้

ṁ” =  q̇”net/L

ṁ” คือ อัตราการเผาไหม้ต่อพื้นที่ (g/m2·s)
q̇”net คือ ฟลักซ์ความร้อนสุทธิที่ผิวของเชื้อเพลิง (net heat flux, kW/m2)
L คือ ค่าความร้อนจำเพาะเพื่อการกลายเป็นไอ (Specific heat of gasification, kJ/g)

ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ (Specific Heat of Gasification, L) คือ พลังงานที่ของแข็งหรือของเหลวต้องใช้ในการเปลี่ยนสถานะให้กลายเป็นไอ ค่าความร้อนนี้เป็นคุณสมบัติทางเทอโมไดนามิกส์ (Thermodynamics) สำหรับเชื้อเพลิงที่เป็นของเหลว สำหรับเชื้อเพลิงที่เป็นของแข็งค่าความร้อนจะแปรผันไปตามเวลา เช่น ไม้ เมื่อเวลาผ่านไปจะกลายเป็นถ่านที่มีความเป็นฉนวนความร้อนในการเผาไหม้ ค่าความร้อน L ของของแข็งจึงมีค่าที่ไม่แน่นอน

ค่า L ที่สูง จะเผาไหม้ได้ยากกว่าค่า L ต่ำ

ตาราง Heat of gasification values

Fuel

L (kJ/g)
Liquids:

Gasoline

0.33

Hexane

0.45

Heptane

0.5

Kerosene

0.67

Ethanol

1.00

Methanol

1.23
Thermoplastic:

Polyethylene

1.8 – 3.6

Polypropylene

2.0 – 3.1

Polymethylmethacrylate

1.6 – 2.8

Nylon 6/6

2.4 – 3.8

Polystyrene Foam

1.3 – 1.9

Flexible polyurethane Foam

 1.2 – 2.7
Char Formers

Polyvinyl Chloride

1.7 – 2.5

Rigid Polyurethane Foam

 1.2 – 5.3

Whitman Filter Paper no.3

3.6

Corrugated paper

2.2

Woods

4 – 6.5
  • อัตราการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงโดยทั่วไปมีค่าอยู่ระหว่าง 5~50 g/m2·s
  • ถ้าอัตราการเผาไหม้อยู่ต่ำกว่า 5 g/m2·s การเผาไหม้จะไม่สามารถดำเนินต่อไปได้
  • อัตราการเผาไหม้สูงสุด (Maximum Burning Rate)

อัตราการเผาไหม้สูงสุด (Maximum burning rate) คือ ค่าขีดจำกัดของเชื้อเพลิงแต่ละชนิดว่า สามารถเกิดการเผาไหม้ได้สูงสุดเท่าไหร่ อัตราการเผาไหม้สูงสุดได้จากการทดลองเผาเชื้อเพลิงจริงในสภาวะที่มีออกซิเจนอย่างเพียงพอ (Fuel-limited combustion)

ตาราง Maximum burning flux values

Fuel

ṁ (g/m2·s)
Liquified propane 100-130
Liquified natural gas 80-100
Benzene 90
Butane 80
Hexane

70-80
Xylene

70
JP-4 50-70
Heptane 65-75
Gasoline 50-60
Acetone

40 
Methanol 22
Polystyrene (granular) 38
Polymethyl methacrylate (granular)

28
Polyethylene (granular) 26
Polypropylene (granular)

24
Rigid Polyurethane foam 22-25
Flexible Polyurethane foam

21-27
Polyvinyl chloride (granular)

16
Corrugated paper cartons

14
Wood crib 11

อัตราการปล่อยพลังงานความร้อน  (Heat Release Rate)

อัตราการปล่อยพลังงานความร้อน (Heat Release Rate) เราสามารถคำนวณหาอัตราการปล่อยความร้อนของเพลิงไหม้ได้จากสมการ

Q̇ = ṁ”f AX∆HC 

ṁ”f คือ อัตราการเผาไหม้ต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ (g/m2·s)
Q̇ คือ อัตราการปล่อยพลังงาน (kW)
X คือ ประสิทธิภาพการเผาไหม้ ~60-70%
∆HC คือ ความร้อนของการเผาไหม้ (Heat of combustion, kJ/g)

ตาราง Burning Rate per unit area and complete heat of combustion for various materials

Material

Tefl

∆HC

Aliphatic Carbon-Hydrogen Atoms

Polyethylene

0.026

43.6

Polypropylene

0.024

43.4

Heavy Fuel oil (2.6-23 m)

 0.036

——

Kerosene (30-80 m)

0.065

44.1

Crude oil (6.5-31 m)

 0.056 ——

n-Dodecane (0.94)

0.036

44.2

Gasoline (1.5-223 m)

0.062

——

JP-4 (1-5.3 m)

 0.067

——
JP-5 (0.6-1.7 m) 0.055 ——
n-Heptane (1.2-10 m)

0.075

44.6
n-Hexane (0.75-10 m)

0.077

44.8

Transformer fluids (2.37 m)

 0.025-0.030

——

Aromatic Carbon-Hydrogen Atoms
Polystyrene (0.93 m) 0.034

39.2
Xylene (1.22 m)

0.067

39.4
Benzene (0.75-6.0 m) 0.081

40.1
Aliphatic Carbon-Hyddrogen-Oxygen Atoms

Po;yoxymethylene

 0.016

15.4
Polymethymethacrylate, PMMA (2.37 m)

0.03

25.2

Methanol (1.2-2.4 m)

0.025

20
Acetone (1.52 m)

0.038

29.7

Aliphatic Carbon-Hydrogen-Oxygen-Nitrogen Atom
Flexible Polyurethane foams

0.021-0.027

23.2-27.2

Rigid Polyurethane foams 

 0.022-0.025

25.0-28.0

Aliphatic Carbon-Hydrohen-Halogen Atoms

Polyvinylchloride

 0.016

16.4

Tefzel (ETHE)

 0.014

12.6

Teflon (FEP)

0.007

4.8

ตาราง Effective heat of combustion,

Fuel

∆HC (kJ/g)
Methane

50
Ethane

47.5
Ethene

50.4
Propane

46.5
Carbon monoxide

10.1
N-butane

45.7
c-Hexane

43.8
Heptane

44.6
Gasoline

43.7
Kerosene

43.2
Benzene

40
Acetone

30.8
Ethanol

26.8
Methanol

19.8
Polyethylene

43.3
Polypropylene

43.3
Polystyrene

39.8
Polycarbonate

29.7
Nylon 6/6

29.6
Polymethyl methacrylate

24.9
Polyvinyl chloride

16.4
Cellulose

16.1
Glucose

15.4
Wood

13-15

ตาราง A.8.2.6 Unit Heat Release Rate for Commodities

Commodity

Heat Release Rate
(kW per m2 of floor area)*
Wood pallets, stacked 0.46 m high (6%-12% moisture)

1,420
Wood pallets, stacked 1.52 m high (6%-12% moisture)

4,000
Wood pallets, stacked 3.05 m high (6%-12% moisture)

6,800
Wood pallets, stacked 4.88 m high (6%-12% moisture)

10,200
Mail bags, Filled, Stacked 1.52 m high

400
Cartons, Compartmented, Stacked 4.5 m high

1,700
PE letter trays, filled, stacked 1.5 high on cart

8,500
PE trash barrels in cartons, stacked 4.5 high

2,000
FRP shower stalls in cartons, stacked 4.6 high

1,400
PE bottles packed in compartmented cartons, stacked 4.5 high

6,200
PE bottles in cartons, stacked 4.5 m high

2,000
PU insulation boards, rigid foam, stacked 4.2 high

1,900
PS jars packed in compartmented cartons, stacked 4.5 m high

14,200
PS tubs nested in cartons, stack 4.2 m high

5,400
PS toy parts in cartons, stacked 4.2 high

2,000
PS insulation board, rigid foam, stacked 4.2 m high

3,300
PVC bottles packed in compartmented cartons, stacked 4.5 m high

3,400
PP tubs packed In compartmented cartons, stacked 4.5 m high

4,400
PP and PE film in rolls, stacked 4.1 m high

6,200
Methyl Alcohol

740
Gasoline

2,500
Kerosene

1,700
Fuel oil. No. 2

1,700

อัตราการเผาไหม้ของ Pool Fire

อัตราการเผาไหม้ Pool Fire

ṁ” = ṁ”∞ (1-e-kßD)

ṁ” คือ อัตราการเผาไหม้ของกองเพลิง (g/m2•s)
ṁ”∞ คือ อัตราการเผาไหม้ Asymtotic ของกองเพลิง (g/m2•s)
kß คือ ค่าพารามิเตอร์ของกองเพลิงขึ้นกับชนิดของเชื้อเพลิง (m-1)
D คือ เส้นผ่านศูนย์กลางของกองเพลิง (m)
Deq = √4A/π

กราฟอัตราการเผาไหม้ของกองเพลิงตามตามขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางกองเพลิง

ภาพ - กราฟอัตราการเผาไหม้ของกองเพลิงตามตามขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางกองเพลิง

ภาพ - ลักษณะของ Pool Fire

ภาพ - ลักษณะของ Pool Fire ที่มา https://pubs.acs.org

ตาราง Burning Rate of Pool Fire

Material

 Density (kg/m3) ṁ” (kg/m2s) ∆HC (MJ/kg)

kß (m-1)
Cryogenics

Liquid H2

70

 0.017 120

6.1
LNG (mostly CH4)

415

 0.078 50

1.1

LPG (mostly C3H8)

585

 0.099 46

1.4
Alcohols

Methanol (CH3OH)

796

 0.017 20

a

Ethanol (C2H5OH)

794

 0.015 26.8

b

Simple Organic Fuels
Butane (C4H10)

573

 0.078 45.7 

2.7
Benzene (C6H6)

874

 0.085 40.1

2.7

Hexane (C6H14)

650

 0.074 44.7

1.9
Heptane (C7H16)

675

 0.101 44.6

1.1
Xylene (C8H10)

870

 0.09 40.8

1.4
Acetone (C3H6O)

791

 0.041 25.8

1.9
Dioxane (C4H8O2)

1035

 0.018 26.2

5.4b
Diethyl ether (C4H10O)

714

 0.085 34.2

0.7
Petroleum Products

Benzine

740

 0.048 44.7

3.6
Gasoline

740

 0.055 43.7

2.1
Keroline

820

 0.039b 43.2

3.5

JP-4

760

 0.051 43.5

3.6
JP-5

810

 0.054 43

1.6
Transformer Oil, Hydrocarbon

760

 0.039 46.4

0.7
Fuel oil, heavy

940-1000

 0.035 39.7

1.7

Crude oil

830-880

 0.022-0.045 42.5-42.7

2.8
Solids

Polymethymethacrylate (C5H8O2)n

1184 

 0.02 24.9

3.3

Polypropylene (C3H6)n

905

 0.018 43.2 

Polystyrene (C8H8)n

1050 

 0.034 39.7

a Value independent of diameter in turbulent regime

b Estimate uncertain, sine only two points available

ตัวอย่างที่ 1

เกิดอุบัติเหตุที่ทำให้น้ำมันหม้อแปลงไฟฟ้า (Transformer oil) จำนวน 20 ลิตร หกกระจายไปบนพื้นโดยครอบคลุมบริเวณประมาณ 2 ตารางเมตร น้ำมันได้เกิดลุกติดไไฟขึ้น จงคำนวณหาอัตราการปล่อยพลังงาน (Energy Release rate) และระยะเวลาในการเผาไหม้

วิธีทำ

จากตารางของ Pool Fire ของ Transformer oil จะได้

ρ = 760 kg/m3         ṁ”∞ = 0.039 kg/m3•s          kß = 0.7 m-1             ∆Hc = 46.4 MJ/kg

คำนวณ D จากวงกลมที่มีพื้นที่เท่ากับ 2 ตารางเมตร

D = Deq = √4A/π = √4×2/π = 1.6 m

อัตราการปล่อยพลังงานของ transfoemer oil ต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่เท่ากับ

ṁ” = 0.038 x (1- e-(0.7×1.6)) = 0.026 kg/m2•s

อัตราการปล่อยพลังงานทั้งหมดเท่ากับ

Q̇ = ṁ”f AX∆HC = (0.026)(2)(0.7)(46.4) = 1.69 MW

อัตราการเผาไหม้ทั้งหมด                         ṁ = Aṁ” = 0.052 kg/s

มวลของ Transformer oil ที่หกทั้งหมด m = ρV = 760(20×10-3) = 15.2 kg

ระยะเวลาในการเผาไหม้ทั้งหมด             t = m/ṁ = 15.2/0.052 = 292 s ≈ min

การประมาณอัตราการปล่อยพลังงานจากการเผาเชื้อเพลิงจริง

การประมาณค่าอัตราการปล่อยพลังงานโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงจริง ในทางปฏิบัติเราจะทดสอบด้วยอุปกรณที่เรียกว่า Oxygen Consumption Calorimeter (Cone Calorimeter) หรือ Furniture Calorimeter

วิธีวัดอัตราการปล่อยพลังงานด้วยวิธี Cone Calorimeter

เครื่องวัดปริมาณความร้อนแบบกรวย (Cone Calorimeter Test) คือ เครื่องที่วัดปริมาณความร้อนตามทฤษฎีการทดสอบของ Cone Calorimeter เป็นไปตามหลักการที่ว่าแคลอรี่ที่เผาผลาญไปจะแปรผันตามปริมาณการใช้ออกซิเจน การใช้ออกซิเจน 1 g จะทำให้เกิดความร้อน 13.1 kJ 

Cone Calorimeter

ภาพ - Cone Calorimeter

วิธีวัดอัตราการปล่อยพลังงานด้วยวิธี Furniture Calorimeter Test

Furniture Calorimeter Test คือ เป็นอุปกรณ์ขนาดใหญ่ที่ใช้หลักการเดียวกับ Cone Calorimeter แต่จะมีกรวยที่มีขนาดใหญ่และใช้สำหรับเผาเฟอร์นิเจอร์ต่างๆ

T-Square Fire

T-square fire คือช่วงตั้งแต่วัตถุลุกติดไฟ (Growth Phase) การเผาไหม้จะลุกลามอย่างรวดเร็วเป็นทวีคูณกับเวลาลังกลังสอง (T-square)

Q̇ = αt2

Q̇ คือ อัตราการปล่อยพลังงาน (kW)
α คือ Growth Factor (kW/s2)
t คือ เวลาของการเผาไหม้เริ่มนับตั้งแต่วัตถุลุกติดไฟ (s)

ค่า Growth Factor α
tg คือ ระยะเวลาที่วัตถุเริ่มติดไฟจนสามารถปล่อยพลังงานความร้อนได้ 1000 kW โดย

α = 1000/tg2

เป็นดัชนีบอกถังอัตราการลุกลามไฟของเชื้อเพลิงแต่ละชนิด

NFPA 204 Standard for smoke and heat ventilating ได้จัดลำดับค่า Growth Factor ออกเป็น 4  ระดับ

ตาราง จำแนกความเร็วในการลามเพลิง

Class

Time to Reach 1000 kW (s)
Ultra-fast

75
Fast

150
Medium

300
Slow

600
Conceptual Illustration of Continuous Growth Fire

ภาพ - T-Square Fire

growth factor NFPA 204

ภาพ - Growth Factor

Rates of Energy Release for t squared Fire

ภาพ - Rate of Energy Release for t-square Fire

เชื้อเพลิงแต่ละชนิดมีค่า Growth factor แตกต่างกัน

ตารางค่า Growth Factor α

Fuel

Growth Time (s)
Wood pallets, stacked 0.46 m high (6%-12% moisture)

160-320
Wood pallets, stacked 1.52 m high (6%-12% moisture)

90-190
Wood pallets, stacked 3.05 m high (6%-12% moisture)

80-120
Wood pallets, stacked 4.88 m high (6%-12% moisture)

75-120
Mail bags, Filled, Stacked 1.52 m high

190
Paper, Vertical rolls, stacked 6.10 m high

60
Cotton (also PE, PE/cot acrylic/nylon/PE), garments in 3.66 m high rack

17-28
Cartons, Compartmented, Stacked 4.57 m high

22-43
“Ordinary Combustibles” rack storage, 4.57 m – 9.14 m high

40-270
Paper products, densely packed In cartons, rack storage, 6.10 m high

470
PE letter trays, filled, stacked 1.52 high on cart

180
PE trash barrels in cartons, stacked 4.57 high

55
FRP shower stalls in cartons, stacked 4.57 high

85
PE bottles packed in compartmented cartons, stacked 4.57 high

85
PE bottles packed in compartmented cartons, stacked 4.57 high

75
PE pallets, stacked 0.91 m high

150
PE pallets, stacked 1.83 m-2.44 m high

32-57
PU mattress, single, horizontal

120
PU insulation boards, rigid foam, stacked 4.57 high

8
PS jars packed in compartmented cartons, stacked 4.5 m high

55
PS tubs nested in cartons, stack 4.2 m high

110
PS toy parts in cartons, stacked 4.2 high

120
PS insulation board, rigid foam, stacked 4.2 m high

7
PVC bottles packed in compartmented cartons, stacked 4.5 m high

9
PP tubs packed In compartmented cartons, stacked 4.5 m high

25-40
PP and PE film in rolls, stacked 4.1 m high

40
Distilled spirits in barrels, stacked 6.10 m high

25-40

แบ่งปันเรื่องราว