Numerische Modellierung des Schwelverhaltens von Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen

Abstract

Die vorliegende Arbeit entstand parallel zur Bearbeitung des Forschungsprojektes „Pyro- ProBiD“ und beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Modellierung der Schwelprozesse in Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen. Das Modell basiert auf einer expliziten Kopplung von Wärme-, Feuchte- und Stofftransport mit einem Re- aktionsmodell. Zunächst werden die Grundlagen des Schwelverhaltens von Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen hinsichtlich Entzündung, Schwelen und Übergang von Schwel- zu Flammenbrand beschrieben. Anschließend werden die bauordnungsrechtlichen Anforderungen für die Anwendung der Materialien in Deutschland aufgezeigt. Eine Li- teraturrecherche zur Modellierung von lignocellulosehaltigen Materialien bildet den Aus- gangspunkt für die Modellentwicklung. Aufbauend auf einem Pyrolysemodell für Schütt- güter wurde ein gekoppeltes Reaktionsmodell entwickelt, welches die physikochemische Zersetzung des Materials im Rahmen von Schwelprozessen beschreibt. Das Reaktions- modell beinhaltet die Stöchiometrie eines mehrstufigen Reaktionsmechanismus unter Be- rücksichtigung des Stofftransportes der an der Reaktion teilnehmenden Spezies. Die Be- schreibung der temperatur- und diffusionsabhängigen Reaktionsgeschwindigkeit basiert auf einem modifizierten Arrhenius-Ansatz. Als Grundlage für die Implementierung wurde die Finite-Element Software COMSOL Multiphysics® verwendet. Für die experimentelle Bestimmung der notwendigen Materialparameter wurden eine statistische Versuchspla- nung durchgeführt, mit der generische Datensätze für Holzfaser- und Zellulosedämmstoffe entwickelt wurden. Dabei wurden fehlende Materialparameter auf Grundlage einer Lite- raturrecherche ergänzt. Die Validierungsversuche in einem 1,5 m langen Rohrofen zeigen, dass das Model in der Lage ist, die Schwelprozesse im mittleren Maßstab auf Grundlage der gegebenen Randbedingungen mit guter Genauigkeit vorherzusagen. Die Sensitivitäts- analyse deutet darauf hin, dass insbesondere die chemischen und thermischen Materialpa- rameter einen signifikanten Einfluss haben und für die Modelloptimierung eine entschei- dende Rolle spielen. Das Anwendungsbeispiel demonstriert, wie Einflüsse auf Schwelpro- zesse in Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen auf Grundlage eines vollständig gekoppelten Materialmodells bestimmt werden können. Die Modellierung ermöglicht ein tieferes Verständnis der komplexen Wechselwirkungen und bildet die Grundlage für eine Erweiterung auf die Bauteil- bzw. Fassadenebene.

This thesis was written as part of the research project „PyroProBiD“ and deals with the development of a new approach to modelling the smoldering processes in bio-based insulation materials. The model is based on an explicit coupling of heat, moisture and mass transport with a reaction model. First, the fundamentals of the smoldering behavior of bio-based insulation materials are described in terms of ignition, smoldering and the smoldering-to-flaming transition. Subsequently, the building regulations for the applica- tion of the materials in Germany are shown. A literature research on the modelling of lignocellulosic materials forms the starting point for the development of the model. Based on a pyrolysis model for bulk materials, a coupled reaction model was developed that describes the physico-chemical decomposition of the material in the context of smoldering processes. The reaction model includes the stoichiometry of a multistage reaction mecha- nism, taking into account the mass transfer of the species participating in the reaction. The description of the temperature- and diffusion-dependent reaction rate is based on a modified Arrhenius approach. The finite element software COMSOL Multiphysics® was used for the implementation. For the experimental determination of the necessary mate- rial parameters, a statistical experimental design was carried out to develop generic data sets for wood fiber and cellulose insulation materials. Missing material parameters were added based on a literature search. The validation tests in a 1.5 m long tube furnace show that the model is able to predict the smoldering processes in the medium scale with good accuracy based on the given boundary conditions. The sensitivity analysis indicates that the chemical and thermal material parameters in particular have a significant influence and play a crucial role in model optimization. With the developed model, it is possible in the future to predict smoldering processes in insulation materials made from renewable raw materials on the basis of a fully coupled material model. Ultimately, it enables a deeper understanding of the complex interactions and forms the basis for an extension to the component or facade level.