Yangın dayanım test fırını modellenmesi ve termodinamik analizi

Teknolojik gelişimin hızlanarak devam ettiği günümüzde çalışmalar sadece yaşam konforunu arttırmaya yönelik değil aynı zamanda can güvenliği önlemlerini arttırma hedefi ile devam etmektedir. Kalabalıklaşan dünyamızda kentsel yaşam oranının da giderek artmasıyla toplu yaşam alanları daha da kalabalıklaşmış ve bu toplu yaşam alanlarının sayıları da giderek artmıştır.(örneğin; alışveriş merkezleri, yüksek katlı binalar) Yaşam alanlarının kalabalıklaşması can güvenliği risklerinin artmasına sebep olmuştur. Kalabalık yaşam alanlarındaki en önemli can güvenliği risklerinden biri de yangın durumudur. Yangın durumunda risklerin oldukça fazla olması günümüzde yangın durumunda can güvenliği önlemlerinin giderek artmasına sebep olmuştur. Bu konudaki çalışmalar sadece yangın söndürme üzerine değil aynı zamanda yangın durumunda yaşam alanlarının yangın şartlarından olabildiğince az etkilenmesini sağlayıp yangın süresince can güvenliği risklerini en aza indirmeye yöneliktir. Yaşam alanlarının yangın şartlarından etkilenme oranlarını azaltma hedefi, yapı malzemelerinin dayanımlarının yangın durumunda sorgulanmasına sebep olmuştur. Yapı malzemelerinin yangın dayanımları günümüzde çeşitli standartlarla belirlenmiştir. Bu malzemelerin standartlara uygun olup olmadığının belirlenebilmesi için yangın durumundaki şartlar oluşturularak bu malzemelerin test edilmesi gerekmektedir. Aynı yapı malzemelerinin yangın dayanımında olduğu gibi bu malzemelerin yangın dayanımlarının testleri de standartlarla belirlenmiştir. Günümüzde yangın durumundaki ortam şartlarını sağlayan yangın dayanım test fırınları bulunmakta, sanki yangın şartları oluşturularak malzemeler zamana bağlı olarak belirli standartlara göre test edilebilmektedir. Bu çalışmada TS EN 1363-1 standardında yer alan yangına dayanıklılık deneyleri genel kuralları baz alınarak bir yangın dayanım test fırını SolidWorks programı ile üç boyutlu modellenmiş, termodinamik hesaplamalar yapılmış ve HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analiz programlarından ANSY Fluent yazılımı ile HAD analizleri yapılmıştır. TS EN 1363-1'de yer alan en önemli kriterlerden zamana bağlı fırın içi ortalama sıcaklığı elde edebilmek için tasarlanan bu modelin yanma reaksiyonu içermesi nedeniyle HAD analizlerinin yüksek işlem güçlü E tipi işlemciye sahip bilgisayarla dahi çok uzun süreceği belirlenmiştir. Bu sebeple HAD analizinde ayrıklaştırma sonucu ortaya çıkacak düğüm noktası sayısı mümkün olduğunca az olmalıdır. Termodinamik ve HAD analizi yapılacak yangın dayanım test fırınının bu sebepten dolayı nispeten küçük sayılabilecek 1m eninde, 1m genişliğinde ve 1m yüksekliğinde kübik ayrıtlar ile toplam 1m3 hacme sahip olması kararlaştırılmıştır. HAD analizine başlanmadan önce tasarlanan yangın dayanım test fırını için termodinamik analiz yapılmış, termodinamik analizdeki hesaplamalar ile TS EN 1363-1'de yer alan ve ISO 834 sıcaklık eğrisi olarak da adlandırılan zamana bağlı fırın içi ortalama sıcaklık değerinin elde edilmesi hedeflenmiştir. Bu hedef ile yapılan termodinamik hesaplamalar sonucunda bu çalışmada yakıt olarak kullanılan propan ve yakıcı olarak kullanılan havanın zamana bağlı olarak değişen kütlesel debileri belirlenmiştir. Böylece yapılan kabuller ile birlikte gerçekleştirilecek HAD analizi için başlangıç ve sınır koşulları elde edilmiştir. Termodinamik analizin tamamlanmasının ardından ANSYS Fluent yazılımı ile HAD analizleri yapılmış; yapılan bu analizlerin sonuçlarına göre tasarlanan yangın dayanım test fırını için brülör tasarımı ve yerleşimi ile egzoz tasarım ve yerleşimi optimizasyonları gerçekleştirilmiştir. Yine yapılan HAD analizleri sonucunda propan ve havanın yangın dayanım test fırınına giriş hızlarına belirleyen giriş kesitleri de optimize edilmiştir. HAD analizleri sonuçlarına göre yapılan optimizasyonlar ile yanma reaksiyonu propan-hava karışımının fırın içerisinde oluşmasını sağlayan çapraz simetrik yerleştirilmiş dört adet brülör ile sağlanmıştır. Propan ve havanın yangın dayanım test fırınına girişi iç içe geçmiş iki kare kesitten gerçekleşmektedir. Propan girişi 10mm x 10mm kare kesiti ile hava girişi ise 30mm x 30mm kare kesiti ile sağlanmıştır. Termodinamik analiz sonucu belirlenen zamana bağlı değişen propan ve hava kütlesel debileri yazılan kod ile ANSYS Fluent HAD analiz programına aktarılarak yangın dayanım test fırınına girecek propan ve hava miktarının zamanla nasıl değiştiği HAD analiz programına tanıtılmıştır. Zaman adımının 0,01 saniye, düğüm noktaları arasındaki mesafenin 10 mm olarak belirlenmesi ile birlikte termodinamik hesaplamalarda yapılan tüm kabullerin HAD analizine de aynen uygulanmasıyla tasarlanan yangın dayanım test fırını için HAD analiz sonuçları elde edilmiştir. HAD analizinden elde edilen sonuçlara göre yapılan analiz süresince fırın içi ortalama sıcaklığın ISO 834 sıcaklık eğrisinin üzerinde olduğu görülmüştür. Bu yangın dayanım test fırını içerisine istenenden daha fazla ısı aktarıldığını anlamına gelmektedir. Bu fazla ısının kaynağı araştırıldığında ortalama egzoz çıkış sıcaklığının ilk 21 saniye boyunca beklenenden daha düşük olduğu belirlenmiştir. Egzoz çıkış sıcaklığının beklenenden düşük olması fırın içerisine istenenden daha fazla ısı aktarılmasına sebep olmuştur. Egzoz çıkış sıcaklığının istenen sıcaklıkta olmamasının sebebi ise fırın içi sıcaklık dağılımının ilk 21 saniye boyunca uniform olmaması olarak belirlenmiştir. Yapılan hata analizlerinde yangın dayanım test fırını içerisi sıcaklık dağılımının uniform hala gelmesi ile birlikte ortalama egzoz çıkış sıcaklığının ISO 834 sıcaklık eğrisine göre % hata oranı sabitlenmektedir. Ortalama egzoz çıkış sıcaklığı hata oranın sabitlenmesi ile birlikte yangın dayanım test fırını içi ortalama sıcaklığının ISO 834 sıcaklık eğrisine göre % hata oranının azalmaya başladığı görülmüştür. Ortalama egzoz çıkış sıcaklığı % hata oranının sabitlenmesi ve yangın dayanım test fırını içi ortalama sıcaklığı % hata oranın azalmaya başlamasının görülmesi sonucu analizin 60. saniyede kesilmesinin uygun olduğu kararına varılmış ve analiz 60. saniyede kesilmiştir. Analizin 60.saniyeye gelmesi toplam 15 gün sürmüştür. Yangın dayanım test fırını ortalama sıcaklığının ISO 834 sıcaklık eğrisinin üzerinde kalmasının, ilk 21 saniyede fırın içi sıcaklık dağılımının uniform olmamasından kaynaklandığı sonucuna varılmıştır.