第二章 複合爐火場模擬建置與平板測溫器之應用
第五節 平板式測溫器之應用
依照 ISO834 或 EN1363-1 於標準升溫曲線下進行構件耐火試驗，其爐內 溫度須經由平板式測溫器量得，以減低加熱爐本身構造因素，燃料種類對 爐內溫度、熱量分布之影響並使爐內溫度量測能同時對於熱輻射與熱對流 之效應較為靈敏，以使溫度控制較精確，而國內 CNS12514 標準除應用熱 電偶外亦可採用此一方法。
此裝置之構成、形狀、尺度等規格說明如下：
(1)平板測溫計係由"ㄇ"型摺疊鋼板、熱電偶及絕緣材料所構成。摺疊鋼板 係由長度 150±1mm，寬度 100±1mm，厚度 0.7±0.1mm 鎳合金鋼片摺疊加 工而成，如圖 2-25 所示。
(2 測溫用熱電偶線為 CNS 5534 所規定之 0.75 級性能以上直徑 0.65mm 之 K 型熱電偶線，且包封於直徑約 2mm 耐熱不銹鋼鞘管中，其熱接點須 位在鞘管頂端處，但與鞘管絕緣。熱電偶頂端須以相同材質小鋼片固定於 平板中心點位置，該小鋼片得以銲接或螺釘固定並幫助調整熱電偶位置。
若採點銲固定方式，小鋼片尺度須為 18×6mm，若採螺絲固定方式，其尺 度為 25×6mm，且螺絲須用直徑 2mm 者。摺疊平板與熱電偶組合妥後，
須置入無機絕緣墊片，其尺度須為長、寬 97±1mm、厚 10±1mm、密度 280
±30kg/m3。
(3)第一次使用之平板測溫計須經適當老化處理；置於耐火試驗爐在標準加 熱溫度－時間曲線條件下曝火 90 分鐘。
(4)平板測溫計之熱電偶及絕緣墊片經過 50 小時爐火加熱後應予以更換。
實驗規劃與初步成果
為初步探討兩種不同測溫設備所造成之鋼材表面溫度影響，試驗規劃如 下共計四支試體，鋼材表面溫度量測位置如圖 2-26 所示:
試體編號 鋼柱 BOX 試體 鋼樑 I 試體
爐內溫升控制(熱電偶) BOX-1 I-1
爐內溫升控制(PT) BOX-2 I-2
試驗升溫曲線皆依照 CNS12514 規定 T=345*Log(8*t+1)+20
由圖 2-28 與 2-29 實驗結果可知，於一樣之標準爐溫升溫狀態下，利用 PT 控制爐溫所造成之鋼材表面溫度，其升溫速率較利用熱電偶控制爐溫者 快，惟到實驗 1 小時後，兩者溫度差異甚小。
表 2- 1 FDS 設定參數說明 邊界條件 設定說明
幾何大小 9.0×4.8×5.0m 格點數 90×48×50
模擬時間 30 分鐘(beam4050 為 60 分鐘) 火源 初始熱釋放率為 2390
kW m
2通風口 兩個排氣孔，寬 50cm，高 50cm，排氣速 率為 4
m s
實驗爐 周圍牆壁地板天花板材質設為絕熱
梁柱試體 熱 傳 導 係 數 依 圖 2-2 所 示 ， 密 度 為 7850kg/m3，比熱如圖 2-3 所示。
表 2- 2 FDS 噴火口位置座標
熱源編號 座標範圍(x1,x2,y1,y2,z1,z2) (unit：m)
Burner1 (-1.10,-0.90,-1.70,-1.60,2.90,3.10) Burner2 (0.20,0.40,-1.70,-1.60,2.90,3.10) Burner3 (1.50,1.70,-1.70,-1.60,2.90,3.10) Burner4 (2.9,3.1,-1.70,-1.60,2.90,3.10) Burner5 (4.2,4.4,-1.70,-1.60,2.90,3.10) Burner6 (5.5,5.7,-1.70,-1.60,2.90,3.10) Burner7 (-1.10,-0.90,-1.70,-1.60,1.60,1.80) Burner8 (0.20,0.40,-1.70,-1.60,1.60,1.80) Burner9 (1.50,1.70,-1.70,-1.60,1.60,1.80) Burner10 (2.9,3.1,-1.70,-1.60,1.60,1.80) Burner11 (4.2,4.4,-1.70,-1.60,1.60,1.80) Burner12 (5.5,5.70,-1.70,-1.60,1.60,1.80) Burner13 (-1.10,-0.90,-1.70,-1.60,0.40,0.60) Burner14 (0.20,0.40,-1.70,-1.60,0.40,0.60) Burner15 (1.50,1.70,-1.70,-1.60,0.40,0.60) Burner16 (-1.10,-0.90,2.20,2.30,2.90,3.10) Burner17 (0.20,0.40,2.20,2.30,2.90,3.10) Burner18 (1.50,1.70,2.20,2.30,2.90,3.10) Burner19 (2.9,3.1,2.20,2.30,2.90,3.10) Burner20 (4.2,4.4,2.20,2.30,2.90,3.10) Burner21 (5.50,5.70,2.20,2.30,2.90,3.10) Burner22 (-1.10,-0.90,2.20,2.30,1.60,1.80) Burner23 (0.20,0.40,2.20,2.30,1.60,1.80) Burner24 (1.50,1.70,2.20,2.30,1.60,1.80) Burner25 (2.9,3.1,2.20,2.30,1.60,1.80)
Burner26 (4.2,4.4,2.20,2.30,1.60,1.80) Burner27 (5.50,5.70,2.20,2.30,1.60,1.80) Burner28 (-1.10,-0.90,2.20,2.30,0.40,0.60) Burner29 (0.20,0.40,2.20,2.30,0.40,0.60) Burner30 (1.50,1.70,2.20,2.30,0.40,0.60)
表 2- 3 爐溫測點編號位置座標
爐溫測點 座標(m) 量測點 座標(m)
AN17 (-0.70,-0.10,3.30) AN34 (5.40,-0.10,2.00) AN18 (0.50,-0.10,3.30) AN35 (-0.80,-0.10,0.80) AN19 (1.40,-0.10,3.30) AN36 (0.50,-0.10,0.80) AN21 (2.80,-0.10,3.30) AN37 (1.40,-0.10,0.80) AN22 (4.10,-0.10,3.30) AN41 (5.20,0.70,3.30) AN23 (5.40,-0.10,3.30) AN42 (3.90,0.70,3.30) AN28 (-0.80,-0.10,2.00) AN46 (0.20,0.70,3.30) AN29 (0.50,-0.10,2.00) AN48 (-0.80,0.70,3.30) AN30 (1.40,-0.10,2.00) AN51 (0.30,0.70,2.00) AN32 (2.80,-0.10,2.00) AN52 (0.30,0.70,0.80) AN33 (4.10,-0.10,2.00)
表 2- 4 Type-C 爐溫實驗值與分析值 26 分最後溫度與相差值
AN17 852.75 818.88 -33.87 -3.97 AN18 821.18 817.23 -3.94 -0.48 AN19 816.95 838.20 21.25 2.60 AN21 829.25 841.03 11.78 1.42 AN22 838.35 852.07 13.72 1.64 AN23 821.55 851.43 29.88 3.64 AN28 848.48 813.80 -34.67 -4.09 AN29 803.80 816.10 12.30 1.53 AN30 805.13 796.10 -9.02 -1.12 AN32 811.93 820.26 8.33 1.03 AN33 820.78 823.43 2.66 0.32 AN34 814.03 820.15 6.12 0.75 AN35 832.95 774.49 -58.46 -7.02 AN36 825.45 773.76 -51.69 -6.26 AN37 819.78 765.60 -54.17 -6.61 AN41 826.68 846.65 19.97 2.42 AN42 832.15 844.22 12.07 1.45 AN46 821.88 789.29 -32.59 -3.96 AN48 877.63 820.18 -57.45 -6.55 AN51 812.40 783.14 -29.26 -3.60 AN52 827.68 737.56 -90.12 -10.89
表 2- 5 Type-D 爐溫實驗值與分析值 30 分最後溫度與相差值
AN17 864.20 829.80 -34.40 -3.98 AN18 843.70 830.27 -13.43 -1.59 AN19 784.80 840.71 55.91 7.12 AN21 847.50 859.02 11.52 1.36 AN22 858.20 883.57 25.37 2.96 AN23 843.00 870.94 27.94 3.31 AN28 860.70 823.27 -37.43 -4.35 AN29 830.40 827.87 -2.53 -0.31 AN30 818.80 813.70 -5.10 -0.62 AN32 828.30 847.79 19.49 2.35 AN33 840.00 857.76 17.76 2.11 AN34 843.10 850.64 7.54 0.89 AN35 841.30 794.39 -46.91 -5.58 AN36 842.20 788.39 -53.81 -6.39 AN37 835.50 782.15 -53.35 -6.38 AN41 843.80 860.11 16.31 1.93 AN42 847.60 861.95 14.35 1.69 AN46 858.40 812.80 -45.60 -5.31 AN48 892.10 831.82 -60.28 -6.76 AN51 842.20 795.76 -46.44 -5.51 AN52 846.70 775.77 -70.93 -8.38
圖 2- 4 大型複合實驗爐
圖 2- 5 安全側撐裝置 Anti-torsion
frame
圖 2- 6 火源編號及排氣口位置
圖 2- 7 FDS 虛擬耐火爐情境示意圖
Burner 2
1 3
4 5
6 7
8
1
0 11 9
12 13
14 15 17 18 16
19 20 21 22 23 24
25 26
27 28 29
30
排 氣
圖 2- 8 實驗爐內部噴火孔和量測火爐溫度的熱電偶
圖 2- 9 FDS 模擬座標原點
X
Y Z
0
Burners Furnace
thermocouples
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Time(min) HRR(MW/m2 )
圖 2- 10 Type-C 火源熱釋放率曲線
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Time(min) HRR(MW/m2 )
圖 2- 11 Type-D 火源熱釋放率曲線
0
ISO 834
FDS
圖 2- 14 FDS 模擬爐溫測點位置示意圖
0
0
Temperature(℃)
Tseting-AN42
Tseting-AN46
0
0
0
I 梁試體
BOX 柱試體
圖 2-26 鋼材表面測溫點佈設
圖 2-27 鋼柱試體配置
圖 2-28 鋼梁試體配置
PT
表面溫度 測點
PT
圖 2-29 鋼柱表面溫度比較
圖
2-30 鋼梁表面溫度比較