تحقیق بررسی احتراق (آتش) در 44 صفحه ورد قابل ویرایش

احتراق

احتراق عبارت است از اكسیداسیون سریع مواد، همراه با آزاد شدن سریع انرژی.

یكی از تعاریف اكسیداسیون عبارت است از تركیب شیمیایی یك ماده با اكسیژن. تعریف دیگر اكسیداسیون چنین است: واكنش شیمیایی كه شامل اكسیژن باشد، به طوریكه یك یا تعداد بیشتری از مواد با اكسیژن تركیب شوند.

افروزش

برای آغاز این فرآیند به یك منبع تولید گرما، مواد سوختی و هوا نیاز است. مواد از نظر قابلیت شعله وری متفاوت اند و خصوصیات فیزیكی و شیمیایی در این موضوع مؤثر است. مثلاً موادی كه به شكل ورقه ای هستند، فوم ها و یا یك تكه پارچه خیلی ساده تر از بلوكهای ضخیم مواد جامد آتش می‌گیرند. طبق تعریف، آغاز فرآیند سوختن را افروزش می‌نامند. برای پایین آوردن قابلیت افروزش مواد در مقابل منابع كوچك تولید گرما می‌توان كارهایی انجام داد اما اینها لزوماً بر روی سرعت سوختن این مواد مؤثر نخواهد بود.

آتش (حریق)

ساده ترین تعریف احتراق، چیزی است كه به آن آتش اطلاق می‌شود و عبارت است از تركیب شیمیایی سریع مواد با اكسیژن كه هم نور و هم گرما تولید می‌كند. شعله ور شدن (مشتعل شدن) و سوختن همراه با دود (سوختن سطحی) دو نوع احتراق هستند كه ممكن است اتفاق بیفتند.

برای انجام شدن عمل احتراق باید یك اكسید كننده موجود باشد. تقریباً همه آتشها با اكسیژن موجود در اتمسفر به عنوان عامل اكسیدكننده انجام می‌گیرد، اما اكسیدكننده های دیگری نیز موجود است.

بیشتر این اكسیدكننده ها زمانی كه در معرض حرارت، فشار یا هر دوی آنها قرار می‌گیرند  اكسیژن آزاد می‌كنند. علاوه بر آن اكسیدكننده های دیگری نیز وجود دارد مثل هالوژنها (فلوئور، كلر، برم و ید) كه احتراق را تقویت می‌نماید، اما در اینجا فقط احتراق با اكسیژن هوا مورد بحث است.

سوختن و بیشتر انفجارها، نمونه هایی از واكنشهای شیمیایی هستند كه از آنها به عنوان آتش (حریق) نام برده می‌شود و در واقع واكنشهای شیمیایی هستند كه شامل اكسیداسیون سریع مواد است. با وجود این، سرعت این واكنشها ممكن است صدها یا هزاران مرتبه سریعتر از یك حریق باشد. به عبارت ساده تر، سوختن واكنش اكسیداسیونی است كه به طور قابل توجهی سریعتر از حریق است، اما آهسته تر از انفجار است.

مثلث آتش

این تئوری به صورت یك مثلث ارائه گردیده است. به دلیل اینكه سه جزء (وجه) اصلی در آن وجود دارد و مثلث یك شكل بسته است كه نمایانگر یك سیستم بسته می‌باشد. قسمتی از تئوری تأكید دارد كه برای اینكه یك آتش موجود باشد بسته بودن سیستم الزامی‌است بدین معنی كه اگر یكی از سه وجه مثلث در تماس با وجه بعدی نباشد وقوع حریق ممكن نیست. در شكل (1 ـ 1) مثلث آتش نشان داده شده است.

                              سوخت                      انرژی

                                                                   اكسیدكننده

شكل ( 1ـ 1) مثلث آتش

یك روش دیگر برای بیان تئوری مثلث آتش این است كه بگوییم این سه فاكتور باید همزمان موجود باشد تا آتش وجود داشته باشد، همچنین شكل و مقدار مناسبی هم داشته باشند.

اگرچه اكسیژن هوا متداولترین اكسیدكننده هاست ولی اكسیژن به فرمهای دیگر نیز وجود دارد به علاوه هالوژنها نیز جزء اكسیدكننده ها محسوب می‌شوند. به همین ترتیب،
اگر چه گرما متداولترین فرم انرژی به عنوان منبع اشتعال است ولی باید توجه داشت كه فرمهای دیگر انرژی (نورانی، شیمیایی، الكتریكی، مكانیكی و هسته ای) نیز می‌توانند شروع كنندة آتش باشند (در صورت وجود سوخت و اكسیدكننده).

به طور خلاصه، این تئوری می‌گوید؛ اگر سوخت، اكسیدكننده و انرژی به مقدار مناسب و شكل دلخواه به طور همزمان كنار یكدیگر آورده شوند، حریق (آتش) اتفاق خواهد افتاد. در مورد سوخت باید به این نكته توجه داشت كه نه تنها سوخت باید موجود باشد، بلكه باید فرم صحیح و مناسبی نیز داشته باشد. در واقع سوخت باید به صورت بخار یا گازی شكل باشد تا سوختن اتفاق بیفتند و نیز سوخت باید به مقدار كافی در دسترس باشد، كه در این صورت به آن سوخت قابل اشتعال می‌گویند (سوخت باید در محدودة شعله وری قرار داشته باشد).

تئوری اكسیژن مصرف شد در كالریمتر مخروطی

سرعت آزاد شدن انرژی (حرارت) از مهمترین پارامترهایی است كه می‌تواند برای توصیف نمودن خصوصیات یك آتش سوزی به كار رود. در واقع این پارامتر تعیین كنندة اندازة بزرگی آتش و سرعت گسترش یا شدت آتش سوزی است. همچنین سرعت آزاد شدن حرارت، فاكتوری اساسی و تعیین كننده برای توضیح شعله وری مواد است.

با توجه به نوع محصولات و شرایط عمل احتراق، مقدار حرارت آزاد شده از اجسام مختلف متفاوت خواهد بود. زمانی كه یك مقدار كم مادة سوختنی در یك بمب كالریمتر سوخته می‌شود چون اكسیژن كافی در دسترس است مطمئن هستیم كه احتراق به طور كامل انجام می‌گیرد و از مبلمان از جنس پلی یورتان حدود (kj/g) 40 و از مبلمان چوبی حدود (kj/g) 20 انرژی آزاد می‌شود در صورتیكه، در یك آتش سوزی واقعی، احتراق به طور كامل انجام نمی‌گیرد (احتراق ناقص صورت می‌گیرد) و حرارت آزاد شده كمتر از مقدار تئوری (محاسبات براساس احتراق كامل) خواهد بود. این حرارت آزاد شده را گرمای مؤثر احتراق می‌نامند. بنابراین، با اندازه گیری سرعت از بین رفتن جرم جسم نمی‌توان سرعت آزاد شدن حرارت از سوختن واقعی را محاسبه كرد. در واقع نمی‌توان گرمای مؤثر احتراق را از این روش بدست آورد.

روش دیگر اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت این است كه حرارت آزاد شده به طور مستقیم اندازه گیری شود، ولی چون همیشه در سیستم مقداری اتلاف حرارتی داریم از این طریق نیز نمی‌توان برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت استفاده كرد.

در دو دهة اخیری یك قانون جدید و كامل برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت پیشنهاد گردیده است كه عبارت است از «اصل اكسیژن مصرف شده». به طور معمول می‌توان نشان داد برای تمام سوختهای معمول كه در حریق با آنها مواجه هستیم گرمای احتراق بر واحد جرم اكسیژن مصرف شده تقریباً مقدار یكسانی دارد. این نتیجه بدان علت است كه در فرآیند احتراق اینگونه مواد، محصولات احتراقی در واقع اكسید شدة پیوندهای كربن ـ كربن و كربن ـ هیدروژن است. نمونه ای از این مقادیر برای تعدادی از گازها، پلیمرهای مصنوعی و سوختهای طبیعی انتخاب شده است.

در سال 1982 مؤسسه بین المللی استاندارد و تكنولوژی (NIST) یك دستگاه جدید برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت، ارائه كرد. دستگاه فوق كالریمتر مخروطی نام دارد (به این علت به آن مخروطی می‌گویند كه المان گرم كنندة آن به شكل مخروط ناقص است). این دستگاه تست حریق، اطلاعات استانداردی برای مواد موردنظر كه در معرض انرژی تشعشعی كنترل شده و معین (شار حرارتی بین صفر تا  ) به طور افقی یا عمودی قرار گرفته اند، بدست می‌دهد.

اطلاعات بدست آمده از دستگاه به صورت زیر است:

الف) سرعت آزاد شدن انرژی (حرارت)

ب) زمان افروزش

ج) غلظت دودهای حاصله

د) گرمای مؤثر احتراق

ه)سرعت از بین رفتن جرم جسم

و) نسبت جرم منواكسیدكربن (CO) تولید شده از احتراق به جرم جسم

ز) نسبت جرم دی اكسیدكربن   تولید شده از احتراق به جرم جسم

از این اطلاعات برای موارد زیر استفاده می‌شود:

الف) ارزیابی مواد و محصولات (تعیین استاندارد حریق مواد)

ب) مدلسازی ریاضی در ابعاد واقعی

ج) اهداف طراحی

د) تحقیق و توسعه

گرمای احتراق بر واحد جرم اكسیژن مصرف شده، E 

احتراق

احتراق عبارت است از اكسیداسیون سریع مواد، همراه با آزاد شدن سریع انرژی.

یكی از تعاریف اكسیداسیون عبارت است از تركیب شیمیایی یك ماده با اكسیژن. تعریف دیگر اكسیداسیون چنین است: واكنش شیمیایی كه شامل اكسیژن باشد، به طوریكه یك یا تعداد بیشتری از مواد با اكسیژن تركیب شوند.

افروزش

برای آغاز این فرآیند به یك منبع تولید گرما، مواد سوختی و هوا نیاز است. مواد از نظر قابلیت شعله وری متفاوت اند و خصوصیات فیزیكی و شیمیایی در این موضوع مؤثر است. مثلاً موادی كه به شكل ورقه ای هستند، فوم ها و یا یك تكه پارچه خیلی ساده تر از بلوكهای ضخیم مواد جامد آتش می‌گیرند. طبق تعریف، آغاز فرآیند سوختن را افروزش می‌نامند. برای پایین آوردن قابلیت افروزش مواد در مقابل منابع كوچك تولید گرما می‌توان كارهایی انجام داد اما اینها لزوماً بر روی سرعت سوختن این مواد مؤثر نخواهد بود.

آتش (حریق)

ساده ترین تعریف احتراق، چیزی است كه به آن آتش اطلاق می‌شود و عبارت است از تركیب شیمیایی سریع مواد با اكسیژن كه هم نور و هم گرما تولید می‌كند. شعله ور شدن (مشتعل شدن) و سوختن همراه با دود (سوختن سطحی) دو نوع احتراق هستند كه ممكن است اتفاق بیفتند.

برای انجام شدن عمل احتراق باید یك اكسید كننده موجود باشد. تقریباً همه آتشها با اكسیژن موجود در اتمسفر به عنوان عامل اكسیدكننده انجام می‌گیرد، اما اكسیدكننده های دیگری نیز موجود است.

بیشتر این اكسیدكننده ها زمانی كه در معرض حرارت، فشار یا هر دوی آنها قرار می‌گیرند  اكسیژن آزاد می‌كنند. علاوه بر آن اكسیدكننده های دیگری نیز وجود دارد مثل هالوژنها (فلوئور، كلر، برم و ید) كه احتراق را تقویت می‌نماید، اما در اینجا فقط احتراق با اكسیژن هوا مورد بحث است.

سوختن و بیشتر انفجارها، نمونه هایی از واكنشهای شیمیایی هستند كه از آنها به عنوان آتش (حریق) نام برده می‌شود و در واقع واكنشهای شیمیایی هستند كه شامل اكسیداسیون سریع مواد است. با وجود این، سرعت این واكنشها ممكن است صدها یا هزاران مرتبه سریعتر از یك حریق باشد. به عبارت ساده تر، سوختن واكنش اكسیداسیونی است كه به طور قابل توجهی سریعتر از حریق است، اما آهسته تر از انفجار است.

مثلث آتش

این تئوری به صورت یك مثلث ارائه گردیده است. به دلیل اینكه سه جزء (وجه) اصلی در آن وجود دارد و مثلث یك شكل بسته است كه نمایانگر یك سیستم بسته می‌باشد. قسمتی از تئوری تأكید دارد كه برای اینكه یك آتش موجود باشد بسته بودن سیستم الزامی‌است بدین معنی كه اگر یكی از سه وجه مثلث در تماس با وجه بعدی نباشد وقوع حریق ممكن نیست. در شكل (1 ـ 1) مثلث آتش نشان داده شده است.

                              سوخت                      انرژی

                                                                   اكسیدكننده

شكل ( 1ـ 1) مثلث آتش

یك روش دیگر برای بیان تئوری مثلث آتش این است كه بگوییم این سه فاكتور باید همزمان موجود باشد تا آتش وجود داشته باشد، همچنین شكل و مقدار مناسبی هم داشته باشند.

اگرچه اكسیژن هوا متداولترین اكسیدكننده هاست ولی اكسیژن به فرمهای دیگر نیز وجود دارد به علاوه هالوژنها نیز جزء اكسیدكننده ها محسوب می‌شوند. به همین ترتیب،
اگر چه گرما متداولترین فرم انرژی به عنوان منبع اشتعال است ولی باید توجه داشت كه فرمهای دیگر انرژی (نورانی، شیمیایی، الكتریكی، مكانیكی و هسته ای) نیز می‌توانند شروع كنندة آتش باشند (در صورت وجود سوخت و اكسیدكننده).

به طور خلاصه، این تئوری می‌گوید؛ اگر سوخت، اكسیدكننده و انرژی به مقدار مناسب و شكل دلخواه به طور همزمان كنار یكدیگر آورده شوند، حریق (آتش) اتفاق خواهد افتاد. در مورد سوخت باید به این نكته توجه داشت كه نه تنها سوخت باید موجود باشد، بلكه باید فرم صحیح و مناسبی نیز داشته باشد. در واقع سوخت باید به صورت بخار یا گازی شكل باشد تا سوختن اتفاق بیفتند و نیز سوخت باید به مقدار كافی در دسترس باشد، كه در این صورت به آن سوخت قابل اشتعال می‌گویند (سوخت باید در محدودة شعله وری قرار داشته باشد).

تئوری اكسیژن مصرف شد در كالریمتر مخروطی

سرعت آزاد شدن انرژی (حرارت) از مهمترین پارامترهایی است كه می‌تواند برای توصیف نمودن خصوصیات یك آتش سوزی به كار رود. در واقع این پارامتر تعیین كنندة اندازة بزرگی آتش و سرعت گسترش یا شدت آتش سوزی است. همچنین سرعت آزاد شدن حرارت، فاكتوری اساسی و تعیین كننده برای توضیح شعله وری مواد است.

با توجه به نوع محصولات و شرایط عمل احتراق، مقدار حرارت آزاد شده از اجسام مختلف متفاوت خواهد بود. زمانی كه یك مقدار كم مادة سوختنی در یك بمب كالریمتر سوخته می‌شود چون اكسیژن كافی در دسترس است مطمئن هستیم كه احتراق به طور كامل انجام می‌گیرد و از مبلمان از جنس پلی یورتان حدود (kj/g) 40 و از مبلمان چوبی حدود (kj/g) 20 انرژی آزاد می‌شود در صورتیكه، در یك آتش سوزی واقعی، احتراق به طور كامل انجام نمی‌گیرد (احتراق ناقص صورت می‌گیرد) و حرارت آزاد شده كمتر از مقدار تئوری (محاسبات براساس احتراق كامل) خواهد بود. این حرارت آزاد شده را گرمای مؤثر احتراق می‌نامند. بنابراین، با اندازه گیری سرعت از بین رفتن جرم جسم نمی‌توان سرعت آزاد شدن حرارت از سوختن واقعی را محاسبه كرد. در واقع نمی‌توان گرمای مؤثر احتراق را از این روش بدست آورد.

روش دیگر اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت این است كه حرارت آزاد شده به طور مستقیم اندازه گیری شود، ولی چون همیشه در سیستم مقداری اتلاف حرارتی داریم از این طریق نیز نمی‌توان برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت استفاده كرد.

در دو دهة اخیری یك قانون جدید و كامل برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت پیشنهاد گردیده است كه عبارت است از «اصل اكسیژن مصرف شده». به طور معمول می‌توان نشان داد برای تمام سوختهای معمول كه در حریق با آنها مواجه هستیم گرمای احتراق بر واحد جرم اكسیژن مصرف شده تقریباً مقدار یكسانی دارد. این نتیجه بدان علت است كه در فرآیند احتراق اینگونه مواد، محصولات احتراقی در واقع اكسید شدة پیوندهای كربن ـ كربن و كربن ـ هیدروژن است. نمونه ای از این مقادیر برای تعدادی از گازها، پلیمرهای مصنوعی و سوختهای طبیعی انتخاب شده است.

در سال 1982 مؤسسه بین المللی استاندارد و تكنولوژی (NIST) یك دستگاه جدید برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت، ارائه كرد. دستگاه فوق كالریمتر مخروطی نام دارد (به این علت به آن مخروطی می‌گویند كه المان گرم كنندة آن به شكل مخروط ناقص است). این دستگاه تست حریق، اطلاعات استانداردی برای مواد موردنظر كه در معرض انرژی تشعشعی كنترل شده و معین (شار حرارتی بین صفر تا  ) به طور افقی یا عمودی قرار گرفته اند، بدست می‌دهد.

اطلاعات بدست آمده از دستگاه به صورت زیر است:

الف) سرعت آزاد شدن انرژی (حرارت)

ب) زمان افروزش

ج) غلظت دودهای حاصله

د) گرمای مؤثر احتراق

ه)سرعت از بین رفتن جرم جسم

و) نسبت جرم منواكسیدكربن (CO) تولید شده از احتراق به جرم جسم

ز) نسبت جرم دی اكسیدكربن  تولید شده از احتراق به جرم جسم

از این اطلاعات برای موارد زیر استفاده می‌شود:

الف) ارزیابی مواد و محصولات (تعیین استاندارد حریق مواد)

ب) مدلسازی ریاضی در ابعاد واقعی

ج) اهداف طراحی

د) تحقیق و توسعه

گرمای احتراق بر واحد جرم اكسیژن مصرف شده، E

كالیبراسیون دستگاه

1 ـ كالیبراسیون دستگاه تجزیه كننده گاز اكسیژن

همانطور كه در فصل دوم توضیح داده شد برای اندازه گیری سرعت آزادشدن حرارت (RHR) از «اصل اكسیژن مصرف شده» استفاده می‌شود. بنابراین چنین استنباط می‌شود كه دستگاه تجزیه كننده گاز اكسیژن حساس ترین وسیله در محاسبات مربوط به سرعت آزادشدن حرارت است پس باید این وسیله با دقت بسیار زیادی كالیبره گردد. اگر كالیبراسیون به طور صحیح انجام شود این وسیله برای مدت زمان طولانی (آزمایش چندین نمونه) پایدار خواهد ماند. در واقع در ابتدای هر روز باید این وسیله كالیبره گردد.

برای این منظور وسیله فوق در دو نقطه مجزا (دو گاز متفاوت با درصد معین گاز اكسیژن) تنظیم و سپس كالیبره می‌گردد كه یكی از آن نقاط نیتروژن خالص (درصد اكسیژن آن صفر است) و نقطه دیگر هوای محیط (95/20% گاز اكسیژن، زمانیكه هوای محیط عاری از بخار آب باشد) است. در ضمن دبی حجمی‌و فشار این گازها باید مطابق با شرایط گازی خروجی حاصل از احتراق در حین آزمایش نمونه ها باشد. در اینجا نكته حائز اهمیت این است كه كالیبراسیون دقیق و صحیح این وسیله بستگی بسیار زیادی به گار كالیبراسیون دارد.

2 ـ كالیبراسیون دستگاه تجزیه كننده

برای این منظور از گاز كالیبراسیونی استفاده می‌شود كه مخلوطی از گازهای منواكسیدكربن و دی اكسیدكربن است كه با گاز نیتروژن بالانس گردیده است (درصد گاز و  با دقت بسیار زیادی مشخص است).

(توجه: گواهینامه كالیبراسیون روی سیلندر گاز موردنظر قرار دارد كه بیان كننده درصد دقیق گازها در سیلندر است).

اگر این وسیله نیز با دقت كالیبره گردد، كالیبراسیون برای مدت زمان طولانی پایدار خواهد ماند فقط قبل از انجام هر آزمایش باید تنظیم روی صفر صورت گیرد كه در هر زمانی این كار به طور دستی یا اتوماتیك می‌تواند صورت گیرد. تنظیم اتوماتیك هر 3 ساعت یكبار یا 12 ساعت یكبار انجام می‌شود. برای تنظیم 3 ساعته دكمه وسطی (سه دكمه ای كه در زیر دستگاه تجزیه كننده  قرار دارد) و برای تنظیم 12 ساعته دكمه وسطی و دست راستی به طور همزمان فشار داده می‌شود.

توجه: برای تنظیم كردن روی صفر از هوای محیط استفاده می‌شود.