Effects of external cooling on smoldering fire in wood pellets

Abstract

Ulmebrann er en saktegående eksoterm reaksjon, der brensel og oksygen er konsumert for å produsere varme. Det som skiller ulmebrann fra andre forbrenningsformer, er at den brenner uten en synlig flamme. Ulmebranner er også markant lettere å antenne, som i kombinasjon med at brannen er vanskelig å håndtere, gjør at ulmebrann er en av de ledende årsakene til dødsfall i husbranner. Ulmebranners påvirkning på miljøet er også viktig, fordi ulmebranner i torv er ansvarlig for ødeleggelsen av karbonlagre, samt utslipp av store mengder miljøfiendtlige gasser. Hovedmålet med eksperimentene var å utforske hvilke effekter ekstern kjøling hadde på ulmebranner i trepellets. Dette ble gjort ved å sette en testmengde med trepellets i en isolert stålsylinder, varmet opp av en ekstern varmekilde til det oppsto en ulmebrann. Rundt stålsylinderen sirkulerte det vann i en kobberspiral. Under testene ble temperaturer målt, samt massen, luftstrømmen og trykket i systemet, som gjorde det mulig å utføre beregninger etter testene ble avsluttet. Totalt ble det gjennomført 24 tester, der 3 av dem opplevde utstyrsfeil, som resulterte i at datagrunnlaget til denne oppgaven er 21 tester. Hver enkelt test med et formål om å avdekke mer informasjon om ulmebrann ved å undersøke ulike parametere. Den første parameteren var oppvarmingstid, der tenning var hovedfokuset. Tenning av ulmebrann påvirket av ekstern kjøling var en utfordrende oppgave. Med vannstrømmen som ble brukt i denne delen av studiet, var det ikke mulig å få en forutsigbar tenning av ulmebrann, og oppvarmingstider opp til og med 30 timer ble testet uten å få tenning. Sammenlignet med arbeidet til Mikalsen i 2018 oversetter dette til en økning av oppvarmingstid lik 400% mer enn det som var nødvending for å tenne ulmebrann uten ekstern kjøling. Deretter var målet å utforske i hvilken grad ulike rater av vannstrøm i kjøleenheten påvirket varmeoverføringen. Ved å bruke en vannstrøm på 0.29 L/min var varmetapet til vannet 103 W. Da denne vannstrømmen ble økt til 0.42 L/min, økte varmetapet til vannet kun til 106 W, som indikerer at varmeoverføringen kan ha nådd et stagneringspunkt. Dette fenomenet ble ikke utforsket ytterligere, på grunn av tidsbegrensninger. Den totale forbrenningstiden var tydelig lavere i tilfellene med ulmebrann der ekstern kjøling var tatt i bruk. Dette betyr at brannen går raskere og med en høyere varmeproduksjonsrate enn i tilfellene uten ekstern kjøling. Dette resultatet sett i lys av resultatene fra testserien som fokuserte på tenning, indikerer at når ekstern kjøling er tatt i bruk, er det vanskeligere å tenne ulmebrannen, men når den først tenner, brenner den raskere og mer intenst. Dette studiet belyser det relativt uutforskede fenomenet ulmebrann, ved å studere hvilke effekter ekstern kjøling har på ulmebrann i trepellets.

Smoldering fire is a slow exothermic reaction where fuel and oxygen is consumed to generate heat. What separates smoldering from other kinds of combustion’s is the absence of a visible flame. Smoldering fires are also significantly easier to ignite, and the persistent behavior of the fires makes them one of the leading causes of casualties in residential fires. The environmental aspect of smoldering is also important because smoldering peat fires are responsible for the destruction of carbon sinks and the release of severe quantities of environmentally hostile gasses. The main goal of the experiments was to explore the effects of external cooling on smoldering fires in wood pellets. This was done by putting a sample of wood pellets inside an insulated steel cylinder heated by an external heating source until a smoldering fire ignited. Around the steel cylinder, water was circulation in a copper spiral. During the tests, the temperature was carefully monitored, along with mass, airflow, and the pressure of the system, which enabled calculations to be made after the tests. A total of 24 experiments were conducted, three of which suffered equipment malfunctions, making the data basis for this thesis 21 tests. Each with a purpose of uncovering more information on the topic of smoldering by investigating different parameters. The first parameter being heating duration, where ignition was the main focus. The ignition of smoldering under the influence of external cooling was a demanding task. With the flow rate used in this section of the study, a consistent, predictable smoldering fire was impossible to create, and heating duration’s up to 30 hours were tested without the initiation of smoldering. Compared to the work by Mikalsen in 2018, this translates to an increase in heating duration equaling a 400% increase of what was needed to initiate smoldering without external cooling. Next, the target was to explore what impact different flow rates of water in the cooling jacket would have, and how this affected the heat transfer. Using a flow rate of 0.29 L/min, the heat loss to water was 103 W. When the flow rate was increased to 0.42 L/min, the heat loss to water only increased to 106 W, indicating that the heat transfer may have reached a stagnation point. This phenomenon was not further investigated due to time restrictions. The total combustion time was significantly lower in the smoldering cases where external cooling was used, making the fire more rapid, and with a higher heat production rate than in the cases without external cooling. Looking at this result in light of the results from the ignition test series, indicating that when external cooling is applied, the ignition is more difficult, but when ignited, the fire burns more violent and rapid. This study sheds light on the not particularly well-known phenomenon of smoldering fires, by studying the effects of external cooling on smoldering fires in wood pellets.