ETUDE DES FLUX THERMIQUES D’UN FEU DE … · la bougie. D’où la formule ... est directement lié à la chaleur de combustion du ... l’absorption d’une partie du rayonnement

Affaire N°15545649 ETUDE DES EFFETS THERMIQUES D’UN FEU DE GRAISSES Page 1 /17

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Version du 25/05/2016

ETUDE DES FLUX THERMIQUES D’UN FEU DE GRAISSES

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DATE DE REALISATION : mai 2016

EXEMPLAIRES ENVOYES : A l’attention de M. OLLIVIER

VALIDATION

Rédacteur Fonction Date Signature

Sébastien DENIAU Ingénieur Chargé d’Affaires

Environnement

HISTORIQUE DES MODIFICATIONS

Version Date Objet de la modification

1 25/05/2016


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SOMMAIRE

CALCUL DES FLUX THERMIQUES ........................................................................................................ 3

1.1 PRESENTATION DU SCENARIO ...................................................................................................................... 3 1.2 QUELQUES RAPPELS .................................................................................................................................... 4 1.3 METHODOLOGIE .......................................................................................................................................... 5

FLUX RADIATIF ........................................................................................................................................................ 5 EMITTANCE BRUTE ................................................................................................................................................... 5 DIAMETRE EQUIVALENT.............................................................................................................................................. 6 EVALUATION DE LA FRACTION RADIATIVE ......................................................................................................................... 6 TAUX DE COMBUSTION SURFACIQUE ............................................................................................................................... 7 HAUTEUR DE FLAMME ................................................................................................................................................ 8 EMITTANCE NETTE ................................................................................................................................................... 8 FACTEUR DE FORME ................................................................................................................................................ 10 PRISE EN COMPTE DES PROTECTIONS PASSIVES ................................................................................................................ 11 FACTEUR DE TRANSMISSIVITE ATMOSPHERIQUE ............................................................................................................... 11 LOGICIEL DE CALCUL UTILISE ..................................................................................................................................... 11

1.4 SEUILS REGLEMENTAIRES .......................................................................................................................... 12

RESULTATS ....................................................................................................................................... 13

2.1 SCENARIO ................................................................................................................................................. 13 2.2 CONCLUSIONS ........................................................................................................................................... 17


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CALCUL DES FLUX THERMIQUES

1.1 Présentation du scénario

Nous avons étudié le scénario de feu de nappe dans la rétention des cuves de graisse.

Ce scénario a été étudié dans les conditions majorantes, à savoir : la surface en feu a été considérée comme égale à celle du local de stockage des cuves de graisses.

Ce local a les caractéristiques suivantes :

Longueur en m Largeur en m Surface au sol en m²

Hauteur rétention m

1 local 25 15 375 1,2

2 locaux 50 15 750 1,2

Chaque local de stockage comprend :

- 10 cuves de capacité unitaire de 60 m3 de graisses

La graisse d’os peut être assimilée à la formule chimique suivante :

CH3 – (CH2)n – COOH

Pour la suite des calculs, nous prendrons n = 16, pour obtenir la formule de la stéarine (ou acide stéarique). En effet, la stéarine est une substance tirée du suif et que l’on emploie dans la fabrication de

la bougie.

D’où la formule chimique : C18H36O2


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1.2 Quelques rappels

La combustion se déroule suivant plusieurs phases :

Décompositions primaire et secondaire : se déroulent en phase liquide ou solide. Les

matériaux se dégradent respectivement par oxydation, et par pyrolyse. Si le produit qui

brûle est un liquide, les fortes températures de la surface libre vont conduire à la vaporisation du combustible. Ces décompositions vont générer des produits gazeux

contenant des hydrocarbures ainsi que des espèces chimiques stables.

Combustion en phase gazeuse : ces produits de décomposition vont traverser la zone de

flamme soit pour l’alimenter (produits organiques), soit sans subir de dégradation (produits inertes).

Pour les solides, on peut citer une troisième étape dite phase de « post-combustion » :

des points d’incandescence peuvent persister. On remarque l’émission, même après la disparition des flammes, de gaz de distillation inflammables. C’est alors qu’apparaissent les

risques d’effondrement et de corrosion des éléments métalliques en particulier.

Les risques apparaissant au cours de l’incendie et après l’incendie sont la montée rapide de la

température dégagée, la formation de gaz toxiques, le dégagement de fumées asphyxiantes et irritantes

et de suies responsables d’une perte de visibilité.

Les conséquences d’un incendie en un point situé à proximité du feu sont estimées à partir du flux thermique généré par le rayonnement des flammes en ce point.

Le flux rayonné par la flamme est directement lié à la chaleur de combustion du matériau en feu et

correspond à la fraction de la chaleur dégagée par la flamme sous forme radiative.

Initialement, le combustible se décompose à une vitesse qui est spécifique de sa composition et de sa nature.

Les produits issus de cette dégradation vont brûler en dégageant de l’énergie sous forme thermique.

L’intensité du feu sera donc fonction du pouvoir calorifique du matériau.

Enfin, seule une fraction de cette énergie va participer significativement, par rayonnement, à d’éventuelles conséquences sur les biens et personnes situées dans un certain périmètre autour du feu.

D’autre part, au moins deux aspects liés aux conditions de l’incendie et de l’environnement vont

participer à l’atténuation du flux thermique initialement émis par la flamme : le facteur de forme et le

taux d’atténuation atmosphérique.


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1.3 Méthodologie

La méthode de calcul utilisée est celle du TNO (Yellow book, Methods for the calculation of physical

effects, CPR 14 E, Committee for the Prevention of Disasters, 1997).

Flux radiatif

Les flammes d’un incendie et les combustibles portés à haute température sont la source d’un flux radiatif qui peut être formalisé selon :

aFE

Avec : Flux radiatif reçu par la cible en kW/m2,

E : Flux source émis par le mur de flammes ou émittance en kW/m2,

F : Facteur de forme traduisant les positions relatives de la source et de la cible, qui dépend

à la fois de la distance de l’observateur au foyer et des dimensions du mur de flammes,

a : Transmissivité atmosphérique, facteur d’atténuation représentant l’absorption de flux par

la vapeur d’eau contenue dans l’air.

Emittance brute

L’émittance brute, qui est l’énergie par unité de surface et par unité de temps rayonnée par la

flamme peut être estimée grâce à la formule suivante :

eq

f

cbrute

D

H41

HmE

Avec Ebrute : Emittance brute en kW/m2,

: Fraction radiative (sans unité),

m : Taux de combustion surfacique en kg/m2.s,

cH : Enthalpie de combustion en kJ/kg,

fH : Hauteur de flamme en m,

eqD : Diamètre équivalent de la cuvette en m.

L’émittance brute ne prend pas en compte l’obscurcissement des flammes par les suies.


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Diamètre équivalent Pour un feu de cuvette ou de bâtiment non circulaire, le diamètre équivalent, Deq, peut être estimé

par la formule suivante :

P

A.4D

nappe

eq

Avec Deq : diamètre équivalent en m ;

Anappe : surface de la nappe (surface de la cuvette, du foyer) en m2 ;

P : périmètre du foyer en m.

Il sera pris comme hypothèse que l’incendie occupe toute la surface de la cuvette ou du bâtiment.

Soit dans notre cas, un diamètre équivalent de 19 mètres (1 local) et 20 m (2 locaux)

Evaluation de la fraction radiative

La fraction radiative correspond à la fraction de l’énergie libérée par la combustion et émise par le mur

de flammes sous forme de rayonnement.

Des expériences avec des feux expérimentaux montrent que la fraction radiative dépend à la fois du combustible et du diamètre de la nappe. Beaucoup d’expériences ont été menées sur des feux de petite

taille et les ordres de fraction radiative mesurée ne sont pas transposables aux feux de grande taille.

On peut distinguer en particulier les produits dégageant peu de fumées comme les alcools, et des

produits dégageant beaucoup de fumées, comme les hydrocarbures.

On peut considérer qu’un produit est fumigène lorsque le rapport nombre d’atome de carbone /

nombre d’atome d’hydrogène est supérieur à 0,3 (Mudan, 1984). Par exemple, pour le cas des graisses

animales, C18H36O2 (assimilé à de la stéarine) : rapport de 0,5.

Donc les graisses sont fumigènes.

Lors de ses travaux, Koseki décrit l’évolution de la fraction radiative en fonction du diamètre de la nappe

pour différents hydrocarbures.


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(KOSEKI – "Scale Dependency of Radiation and Smoke Emission from Large Pool Fires" – Second Symposium on Scale Modelling (Inter.) pp87-96, 1997)

La décroissance de la fraction radiative pour des hydrocarbures générant beaucoup de suies (kérosène,

heptane…) peut s’expliquer par l’absorption d’une partie du rayonnement de la flamme par les suies et les fumées. La production de ces fumées augmente avec le diamètre du feu.

Dans notre cas, pour un feu de graisses animales (générant beaucoup de suies) dont le diamètre

équivalent est d’environ 17 mètres, une fraction radiative de 10% est réaliste. Nous avons retenu une

valeur majorante de 20%.

Taux de combustion surfacique

Ce paramètre peut être évalué selon la corrélation de Burgess selon :

ambebpv

c3

TTcH

H10m

Avec m : Taux de combustion surfacique en kg/m2/s,

cH : Enthalpie de combustion en kJ/kg,

vH : Enthalpie de vaporisation en kJ/kg,

cp : Chaleur spécifique du liquide à Tamb en kJ/kg.K,

Teb : Température d’ébullition en K,

Tamb : Température ambiante en K,


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Hauteur de flamme

Dans le cas d’un feu de liquide inflammable, la hauteur de flamme peut être approchée par la corrélation de Thomas :

61.0

eqair

eqfDg

mD42H

Avec Hf : Hauteur de flamme en m,

Deq : Diamètre équivalent de la cuvette en m.

m : Taux de combustion surfacique en kg/m2/s,

g : Accélération de la pesanteur, prise égale à 9,81 m/s2,

air : Masse volumique de l’air, prise égale à 1,61 kg/m3.

NB : Dans la formule de Thomas, on assimile le diamètre de la cuvette au diamètre de la flamme.

Cette hypothèse reste valable pour une cuvette dont la longueur L n’excède pas 2 fois la largeur l. Dans

le cas où la cuvette est trop allongée (L> 2 l), la hauteur de flamme sera calculée avec L = 2 l.

La corrélation de Thomas est d’un usage répandu pour les calculs des feux de nappes.

Emittance nette Deux cas se présentent :

- cas général, des produits dégageant peu de fumées,

- cas des produits dégageant beaucoup de fumées.

On considère qu’un hydrocarbure est fumigène lorsque le rapport nombre d’atome de

carbone/nombre d’atome d’hydrogène est supérieur à 0,3 (Mudan, 1984).

Pour le cas des graisses animales, C18H36O2 (assimilé à de la stéarine) : rapport de 0,5.

Donc les graisses sont fumigènes.

Nous calculerons l’émittance nette en considérant la 2ème formule indiquée page suivante : « Cas des produits générant beaucoup de suies »

Pour information, la formule présentant le calcul de l’émittance nette dans le cas général est également indiquée.


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Cas général (pour information)

Dans un incendie, une part de l’énergie rayonnée par les flammes est en réalité absorbée par les

fumées, puis réémise selon une émittance de 20 kW/m2 (Yellow Book, 1997, Chapitre 6.5.4.4 page 6.68). L’émittance nette peut donc être calculée par la formule suivante :

anette EEE . )1( fuméesbrute

Avec Enette : Emittance nette en kW/m²,

Ebrute : Emittance brute calculée précédemment en kW/m²,

Efumées : Emittance des fumées (20 kW/m²),

: Fraction de la surface de flamme couverte par les fumées (sans unité),

a : Transmissivité atmosphérique

Pour la fraction de la surface de flamme couverte par les fumées, on prend :

- 20 % pour les produits émettant peu de fumées.

Cas des produits générant beaucoup de suies

La décroissance de la fraction radiative pour des hydrocarbures générant beaucoup de suies

(kérosène, heptane..) peut s’expliquer par l’effet de blocage du rayonnement dû aux fumées, dont la production augmente avec le diamètre du feu.

Afin d’estimer directement le pouvoir émissif associé à des feux produisant des quantités

importantes de suies, Mudan et Croce proposent d’utiliser la formule suivante :

)1( fuméesbrute

DeqSDeqS

nette eEeEE

avec Enette : Emittance nette en kW/m²,

Ebrute : Emittance brute calculée précédemment en kW/m²,

Efumées : Emittance des fumées (20 kW/m²),

S : Coefficient expérimental égal à 0,12 m-1,

Deq : Diamètre équivalent de la cuvette en m.


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Facteur de forme

L’évaluation des facteurs de forme est réalisée pour un mur de flamme assimilé à un radiateur

plan, et un observateur de faibles dimensions.

Pour un foyer dont les caractéristiques

géométriques sont représentées sur la figure ci-contre, le facteur de transmission

géométrique est déterminé par la résolution de

l’équation : I

II

x

h

bI

bII

Btan

h

BAtanAh

2

1F 1

r

1rv

AtanxA

x

1tan

2

1F 1

rr

1h

avec : b

hh r

b

xx r

2r

2r xh

1A

2r

r

x1

hB

On prend :

22

max vh FFF

De manière à affiner la connaissance des zones affectées par le rayonnement thermique, les facteurs de forme ont été évalués en 5 points (extrapolés à 16 par symétrie). Ces points sont représentés

sur la figure ci-dessous.

Point A Point B Point E

Point C

Point D45°


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Prise en compte des protections passives

Dans le cas des scénarios pour lesquels des murs coupe-feu existent, ces structures sont

considérées comme faisant écran au rayonnement thermique. La méthodologie utilisée est le principe d’additivité des flux thermiques (« An introduction to fire dynamics », Dougal Drysdale, 2nd édition, 1998,

WILEY).

Facteur de transmissivité atmosphérique

Le facteur de transmissivité atmosphérique traduit le fait que les radiations émises sont en partie

absorbées par l’air présent entre la surface radiante et la cible. Ce facteur vaut (1 – le facteur

d’absorption), dont la valeur dépend des propriétés absorbantes des particules de l’air en relation au spectre d’émission du feu. A une température donnée, cette atténuation est fonction de la distance de la

cible à la flamme et de l’humidité relative de l’air. Pour la plupart des régions françaises, le taux moyen d’humidité relative de l’air est d’environ 70 %.

La formule de calcul du facteur de transmissivité atmosphérique retenue est préconisée par

Brzustowski et Sommer :

161

161

5,3010079,0

HRd

Avec : Facteur de transmissivité atmosphérique (sans unité),

HR : Taux d’humidité relative de l’air ambiant (%),

d : Distance séparant la cible de la surface en feu (m).

Logiciel de calcul utilisé

Le logiciel de calcul utilisé est le logiciel FLUTHERM dans sa version 3.0 qui a été développé par le

Groupe APAVE au niveau national.

Ce logiciel, qui utilise la méthodologie décrite ci-dessus, permet de calculer les effets thermiques pour les feux de nappe et les feux d’entrepôts.

Il faut rappeler que ce logiciel donne des valeurs par calculs. Néanmoins, on peut trouver des incertitudes

relatives, car le logiciel ne prend pas en compte tous les phénomènes physiques, notamment la conduction.


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1.4 Seuils réglementaires

En cas d’inflammation d’un gaz ou d’un liquide inflammable, le flux thermique correspond à la

chaleur rayonnée sur le voisinage.

Celle-ci s’exprime en kilowatt par m2 (kW/m2) et correspond aux effets thermiques attendus sur les

personnes et les installations.

L’arrêté du 29 septembre 2005 relatif à l’évaluation et à la prise en compte de la probabilité d’occurrence, de la cinétique, de l’intensité des effets et de la gravité des conséquences des accidents potentiels dans les études de dangers des installations classées soumises à autorisation fixe deux types de valeurs de référence pour les installations classées :

Effets sur l’homme

Flux

thermiques

Effets sur les hommes

3 kW/m² Effets irréversibles sur l’homme (zone des dangers significatifs pour la vie humaine)

5 kW/m² Effets létaux sur l’homme (zone des dangers graves pour la vie humaine)

8 kW/m² Effets létaux significatifs sur l’homme (zone des dangers très graves pour la vie humaine)

Effets sur les structures

Flux

thermiqu

es

Effets sur les structures

5 kW/m² Destructions des vitres significatives

8 kW/m² Effets dominos (seuil à partir duquel les effets domino doivent être examinés) Dégâts graves sur les structures

16 kW/m² Seuil d’exposition prolongée des structures

Dégâts très graves sur les structures, hors structures béton

20 kW/m² Tenue du béton pendant plusieurs heures Dégâts très graves sur les structures béton

200 kW/m²

Ruine du béton en quelques dizaines de minutes


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RESULTATS

2.1 Scénario

Les données d’entrée et les valeurs calculées par FLUTHERM sont présentées dans le tableau suivant :

Paramètres 1 local 2 locaux

Données d’entrée

Longueur de la zone en feu en m 25 50

Largeur de la zone en feu en m 15 15

Présence de murs coupe-feu Non Non

Hauteur des murs coupe-feu en m - -

Produit

considéré :

Graisses d’os animales

C18H36O2 (stéarine)

Enthalpie de combustion en kJ/kg 39 718

Enthalpie de vaporisation en kJ/kg 450*

Chaleur spécifique du liquide à Tamb en kJ/kg.K

1,866

Température d’ébullition en K 632

Taux de combustion en kg/m²/s 0,0368

Fraction radiative 0,2

Valeurs calculées par FLUTHERM

Diamètre équivalent en m 19 20

Hauteur de flamme en m 19 20

Part de rayonnement absorbée par les fumées en % 80 80

Emittance nette en kW/m² 28 28

Distances d’effets en m pour une cible à 1,8 m de hauteur Voir tableau

suivant Voir tableau

suivant

* Cette valeur a été extrapolée selon différentes valeurs d’enthalpie de vaporisation appartenant à des produits de même type.


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Les distances pour les différents flux thermiques (données à partir du front de flamme) sont présentées

dans le tableau ci-dessous :

Flux reçu Flux reçu

Distance à partir du front de flamme

1 local 2 locaux

Longueur Largeur Longueur Largeur

3 kW/m² Effets irréversibles sur l’homme (zone des dangers significatifs pour la vie humaine)

30 23 42 23

5 kW/m²

Effets létaux sur l’homme (zone des dangers graves pour la vie humaine) Destructions des vitres significatives

21 16 30 17

8 kW/m²

Effets létaux significatifs sur l’homme (zone des dangers très graves pour la vie humaine) Effets dominos (seuil à partir duquel les effets domino doivent être examinés) Dégâts graves sur les structures

15 11 20 11

16 kW/m²

Seuil d’exposition prolongée des structures Dégâts très graves sur les structures, hors structures béton

6 5 8 6

20 kW/m²

Tenue du béton pendant plusieurs heures Dégâts très graves sur les structures béton

4 4 5 4

La cartographie des zones de danger sur les figures suivantes

Figure 1 : Zone d’effet thermique en cas d’incendie au niveau du local existant de stockage de graisse

-40 -20 0 20 40

-40

-20

0

20

40

x

y

FluTherm v3Graphique 2D

3

3

3

5

5

5

8

8

8

853


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Figure 2 : Zone d’effet thermique en cas d’incendie au niveau du futur local de stockage de graisse

Figure 3 : Zone d’effet thermique en cas d’incendie généralisé au niveau des stockages de graisse

-40 -20 0 20 40

-40

-20

0

20

40

x

y


3

3

3

5

5

5

8

8

8

853

-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100

-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

x

y


3

3

3

5

5

5

8

8

8

853


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2.2 Conclusions Les zones de flux de 3 et 5 kW/m2 zones affectent les locaux de production A57 et A41. Toutefois,

les zones d’effets restent limitées à l’intérieur du site.

En termes d’effets dominos, c’est-à-dire pour un flux de 8 kW/m2, le scénario d’incendie du local de

stockage des cuves de graisses d’os pourrait avoir un impact sur les locaux A 57 et A41.

Les quantités de matières combustibles à l’intérieur de ces locaux sont limitées. Les conséquences au niveau seraient donc relativement limitées.

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