|
تحقیق بررسی احتراق (آتش)
تحقیق بررسی احتراق (آتش) در 44 صفحه ورد قابل ویرایش
|
|
| دسته بندی | علوم انسانی |
| فرمت فایل | doc |
| حجم فایل | 117 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 44 |
تحقیق بررسی احتراق (آتش) در 44 صفحه ورد قابل ویرایش
احتراق
احتراق عبارت است از اکسیداسیون سریع مواد، همراه با آزاد شدن سریع انرژی.
یکی از تعاریف اکسیداسیون عبارت است از ترکیب شیمیایی یک ماده با اکسیژن. تعریف دیگر اکسیداسیون چنین است: واکنش شیمیایی که شامل اکسیژن باشد، به طوریکه یک یا تعداد بیشتری از مواد با اکسیژن ترکیب شوند.
افروزش
برای آغاز این فرآیند به یک منبع تولید گرما، مواد سوختی و هوا نیاز است. مواد از نظر قابلیت شعله وری متفاوت اند و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی در این موضوع مؤثر است. مثلاً موادی که به شکل ورقه ای هستند، فوم ها و یا یک تکه پارچه خیلی ساده تر از بلوکهای ضخیم مواد جامد آتش می‌گیرند. طبق تعریف، آغاز فرآیند سوختن را افروزش می‌نامند. برای پایین آوردن قابلیت افروزش مواد در مقابل منابع کوچک تولید گرما می‌توان کارهایی انجام داد اما اینها لزوماً بر روی سرعت سوختن این مواد مؤثر نخواهد بود.
آتش (حریق)
ساده ترین تعریف احتراق، چیزی است که به آن آتش اطلاق می‌شود و عبارت است از ترکیب شیمیایی سریع مواد با اکسیژن که هم نور و هم گرما تولید می‌کند. شعله ور شدن (مشتعل شدن) و سوختن همراه با دود (سوختن سطحی) دو نوع احتراق هستند که ممکن است اتفاق بیفتند.
برای انجام شدن عمل احتراق باید یک اکسید کننده موجود باشد. تقریباً همه آتشها با اکسیژن موجود در اتمسفر به عنوان عامل اکسیدکننده انجام می‌گیرد، اما اکسیدکننده های دیگری نیز موجود است.
بیشتر این اکسیدکننده ها زمانی که در معرض حرارت، فشار یا هر دوی آنها قرار می‌گیرند اکسیژن آزاد می‌کنند. علاوه بر آن اکسیدکننده های دیگری نیز وجود دارد مثل هالوژنها (فلوئور، کلر، برم و ید) که احتراق را تقویت می‌نماید، اما در اینجا فقط احتراق با اکسیژن هوا مورد بحث است.
سوختن و بیشتر انفجارها، نمونه هایی از واکنشهای شیمیایی هستند که از آنها به عنوان آتش (حریق) نام برده می‌شود و در واقع واکنشهای شیمیایی هستند که شامل اکسیداسیون سریع مواد است. با وجود این، سرعت این واکنشها ممکن است صدها یا هزاران مرتبه سریعتر از یک حریق باشد. به عبارت ساده تر، سوختن واکنش اکسیداسیونی است که به طور قابل توجهی سریعتر از حریق است، اما آهسته تر از انفجار است.
مثلث آتش
این تئوری به صورت یک مثلث ارائه گردیده است. به دلیل اینکه سه جزء (وجه) اصلی در آن وجود دارد و مثلث یک شکل بسته است که نمایانگر یک سیستم بسته می‌باشد. قسمتی از تئوری تأکید دارد که برای اینکه یک آتش موجود باشد بسته بودن سیستم الزامی‌است بدین معنی که اگر یکی از سه وجه مثلث در تماس با وجه بعدی نباشد وقوع حریق ممکن نیست. در شکل (1 ـ 1) مثلث آتش نشان داده شده است.
سوخت انرژی
اکسیدکننده
شکل ( 1ـ 1) مثلث آتش
یک روش دیگر برای بیان تئوری مثلث آتش این است که بگوییم این سه فاکتور باید همزمان موجود باشد تا آتش وجود داشته باشد، همچنین شکل و مقدار مناسبی هم داشته باشند.
اگرچه اکسیژن هوا متداولترین اکسیدکننده هاست ولی اکسیژن به
فرمهای دیگر نیز وجود دارد به علاوه هالوژنها نیز جزء اکسیدکننده ها محسوب
می‌شوند. به همین ترتیب،
اگر چه گرما متداولترین فرم انرژی به عنوان
منبع اشتعال است ولی باید توجه داشت که فرمهای دیگر انرژی (نورانی،
شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی و هسته ای) نیز می‌توانند شروع کنندة آتش باشند
(در صورت وجود سوخت و اکسیدکننده).
به طور خلاصه، این تئوری می‌گوید؛ اگر سوخت، اکسیدکننده و انرژی به مقدار مناسب و شکل دلخواه به طور همزمان کنار یکدیگر آورده شوند، حریق (آتش) اتفاق خواهد افتاد. در مورد سوخت باید به این نکته توجه داشت که نه تنها سوخت باید موجود باشد، بلکه باید فرم صحیح و مناسبی نیز داشته باشد. در واقع سوخت باید به صورت بخار یا گازی شکل باشد تا سوختن اتفاق بیفتند و نیز سوخت باید به مقدار کافی در دسترس باشد، که در این صورت به آن سوخت قابل اشتعال می‌گویند (سوخت باید در محدودة شعله وری قرار داشته باشد).
تئوری اکسیژن مصرف شد در کالریمتر مخروطی
سرعت آزاد شدن انرژی (حرارت) از مهمترین پارامترهایی است که می‌تواند برای توصیف نمودن خصوصیات یک آتش سوزی به کار رود. در واقع این پارامتر تعیین کنندة اندازة بزرگی آتش و سرعت گسترش یا شدت آتش سوزی است. همچنین سرعت آزاد شدن حرارت، فاکتوری اساسی و تعیین کننده 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 که یک مقدار کم مادة سوختنی در یک بمب کالریمتر سوخته می‌شود چون اکسیژن کافی در دسترس است مطمئن هستیم که احتراق به طور کامل 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 صورتیکه، در یک آتش سوزی واقعی، احتراق به طور کامل انجام نمی‌گیرد (احتراق ناقص صورت می‌گیرد) و حرارت آزاد شده کمتر از مقدار تئوری (محاسبات براساس احتراق کامل) 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 کرد. در واقع نمی‌توان گرمای مؤثر احتراق را از این روش بدست آورد.
روش دیگر اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت این است که 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 کرد.
در دو دهة اخیری یک قانون جدید و کامل برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت پیشنهاد گردیده است که عبارت است از «اصل اکسیژن مصرف شده». به طور معمول می‌توان نشان داد برای تمام سوختهای معمول که در حریق با آنها مواجه هستیم گرمای احتراق بر واحد جرم اکسیژن مصرف شده تقریباً مقدار یکسانی دارد. این نتیجه بدان علت است که در فرآیند احتراق اینگونه مواد، محصولات احتراقی در واقع اکسید شدة پیوندهای کربن ـ کربن و کربن 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 تکنولوژی (NIST) یک دستگاه جدید برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت، ارائه کرد. دستگاه فوق کالریمتر مخروطی نام دارد (به این علت به آن مخروطی می‌گویند که المان گرم کنندة آن به شکل مخروط ناقص است). این دستگاه تست حریق، اطلاعات استانداردی برای مواد موردنظر که در معرض انرژی تشعشعی کنترل 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 منواکسیدکربن (CO) تولید شده از احتراق به جرم جسم
ز) نسبت جرم دی اکسیدکربن 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 اکسیژن مصرف شده، E
احتراق
احتراق عبارت است از اکسیداسیون سریع مواد، همراه با آزاد شدن سریع انرژی.
یکی از تعاریف اکسیداسیون عبارت است از ترکیب شیمیایی یک ماده با اکسیژن. تعریف دیگر اکسیداسیون چنین است: واکنش شیمیایی که شامل اکسیژن باشد، به طوریکه یک یا تعداد بیشتری از مواد با اکسیژن ترکیب شوند.
افروزش
برای آغاز این فرآیند به یک منبع تولید گرما، مواد سوختی و هوا نیاز است. مواد از نظر قابلیت شعله وری متفاوت اند و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی در این موضوع مؤثر است. مثلاً موادی که به شکل ورقه ای هستند، فوم ها و یا یک تکه پارچه خیلی ساده تر از بلوکهای ضخیم مواد جامد آتش می‌گیرند. طبق تعریف، آغاز فرآیند سوختن را افروزش می‌نامند. برای پایین آوردن قابلیت افروزش مواد در مقابل منابع کوچک تولید گرما می‌توان کارهایی انجام داد اما اینها لزوماً بر روی سرعت سوختن این مواد مؤثر نخواهد بود.
آتش (حریق)
ساده ترین تعریف احتراق، چیزی است که به آن آتش اطلاق می‌شود و عبارت است از ترکیب شیمیایی سریع مواد با اکسیژن که هم نور و هم گرما تولید می‌کند. شعله ور شدن (مشتعل شدن) و سوختن همراه با دود (سوختن سطحی) دو نوع احتراق هستند که ممکن است اتفاق بیفتند.
برای انجام شدن عمل احتراق باید یک اکسید کننده موجود باشد. تقریباً همه آتشها با اکسیژن موجود در اتمسفر به عنوان عامل اکسیدکننده انجام می‌گیرد، اما اکسیدکننده های دیگری نیز موجود است.
بیشتر این اکسیدکننده ها زمانی که در معرض حرارت، فشار یا هر دوی آنها قرار می‌گیرند اکسیژن آزاد می‌کنند. علاوه بر آن اکسیدکننده های دیگری نیز وجود دارد مثل هالوژنها (فلوئور، کلر، برم و ید) که احتراق را تقویت می‌نماید، اما در اینجا فقط احتراق با اکسیژن هوا مورد بحث است.
سوختن و بیشتر انفجارها، نمونه هایی از واکنشهای شیمیایی هستند که از آنها به عنوان آتش (حریق) نام برده می‌شود و در واقع واکنشهای شیمیایی هستند که شامل اکسیداسیون سریع مواد است. با وجود این، سرعت این واکنشها ممکن است صدها یا هزاران مرتبه سریعتر از یک حریق باشد. به عبارت ساده تر، سوختن واکنش اکسیداسیونی است که به طور قابل توجهی سریعتر از حریق است، اما آهسته تر از انفجار است.
مثلث آتش
این تئوری به صورت یک مثلث ارائه گردیده است. به دلیل اینکه سه جزء (وجه) اصلی در آن وجود دارد و مثلث یک شکل بسته است که نمایانگر یک سیستم بسته می‌باشد. قسمتی از تئوری تأکید دارد که برای اینکه یک آتش موجود باشد بسته بودن سیستم الزامی‌است بدین معنی که اگر یکی از سه وجه مثلث در تماس با وجه بعدی نباشد وقوع حریق ممکن نیست. در شکل (1 ـ 1) مثلث آتش نشان داده شده است.
سوخت انرژی
اکسیدکننده
شکل ( 1ـ 1) مثلث آتش
یک روش دیگر برای بیان تئوری مثلث آتش این است که بگوییم این سه فاکتور باید همزمان موجود باشد تا آتش وجود داشته باشد، همچنین شکل و مقدار مناسبی هم داشته باشند.
اگرچه اکسیژن هوا متداولترین اکسیدکننده هاست ولی اکسیژن به
فرمهای دیگر نیز وجود دارد به علاوه هالوژنها نیز جزء اکسیدکننده ها محسوب
می‌شوند. به همین ترتیب،
اگر چه گرما متداولترین فرم انرژی به عنوان
منبع اشتعال است ولی باید توجه داشت که فرمهای دیگر انرژی (نورانی،
شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی و هسته ای) نیز می‌توانند شروع کنندة آتش باشند
(در صورت وجود سوخت و اکسیدکننده).
به طور خلاصه، این تئوری می‌گوید؛ اگر سوخت، اکسیدکننده و انرژی به مقدار مناسب و شکل دلخواه به طور همزمان کنار یکدیگر آورده شوند، حریق (آتش) اتفاق خواهد افتاد. در مورد سوخت باید به این نکته توجه داشت که نه تنها سوخت باید موجود باشد، بلکه باید فرم صحیح و مناسبی نیز داشته باشد. در واقع سوخت باید به صورت بخار یا گازی شکل باشد تا سوختن اتفاق بیفتند و نیز سوخت باید به مقدار کافی در دسترس باشد، که در این صورت به آن سوخت قابل اشتعال می‌گویند (سوخت باید در محدودة شعله وری قرار داشته باشد).
تئوری اکسیژن مصرف شد در کالریمتر مخروطی
سرعت آزاد شدن انرژی (حرارت) از مهمترین پارامترهایی است که می‌تواند برای توصیف نمودن خصوصیات یک آتش سوزی به کار رود. در واقع این پارامتر تعیین کنندة اندازة بزرگی آتش و سرعت گسترش یا شدت آتش سوزی است. همچنین سرعت آزاد شدن حرارت، فاکتوری اساسی و تعیین کننده 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 که یک مقدار کم مادة سوختنی در یک بمب کالریمتر سوخته می‌شود چون اکسیژن کافی در دسترس است مطمئن هستیم که احتراق به طور کامل 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 صورتیکه، در یک آتش سوزی واقعی، احتراق به طور کامل انجام نمی‌گیرد (احتراق ناقص صورت می‌گیرد) و حرارت آزاد شده کمتر از مقدار تئوری (محاسبات براساس احتراق کامل) 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 کرد. در واقع نمی‌توان گرمای مؤثر احتراق را از این روش بدست آورد.
روش دیگر اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت این است که 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 کرد.
در دو دهة اخیری یک قانون جدید و کامل برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت پیشنهاد گردیده است که عبارت است از «اصل اکسیژن مصرف شده». به طور معمول می‌توان نشان داد برای تمام سوختهای معمول که در حریق با آنها مواجه هستیم گرمای احتراق بر واحد جرم اکسیژن مصرف شده تقریباً مقدار یکسانی دارد. این نتیجه بدان علت است که در فرآیند احتراق اینگونه مواد، محصولات احتراقی در واقع اکسید شدة پیوندهای کربن ـ کربن و کربن 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 تکنولوژی (NIST) یک دستگاه جدید برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت، ارائه کرد. دستگاه فوق کالریمتر مخروطی نام دارد (به این علت به آن مخروطی می‌گویند که المان گرم کنندة آن به شکل مخروط ناقص است). این دستگاه تست حریق، اطلاعات استانداردی برای مواد موردنظر که در معرض انرژی تشعشعی کنترل 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 منواکسیدکربن (CO) تولید شده از احتراق به جرم جسم
ز) نسبت جرم دی اکسیدکربن 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 اکسیژن مصرف شده، E
کالیبراسیون دستگاه
1 ـ کالیبراسیون دستگاه تجزیه کننده گاز اکسیژن
همانطور که در فصل دوم توضیح داده شد برای اندازه گیری سرعت آزادشدن حرارت (RHR) از «اصل اکسیژن مصرف شده» استفاده می‌شود. بنابراین چنین استنباط می‌شود که دستگاه تجزیه کننده گاز اکسیژن حساس ترین وسیله در محاسبات مربوط به سرعت آزادشدن حرارت است پس باید این وسیله با دقت بسیار زیادی کالیبره گردد. اگر کالیبراسیون 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 کالیبره گردد.
برای این منظور وسیله فوق در دو نقطه مجزا (دو گاز متفاوت با درصد معین گاز اکسیژن) تنظیم و سپس کالیبره می‌گردد که یکی از آن نقاط نیتروژن خالص (درصد اکسیژن آن صفر است) و نقطه دیگر هوای محیط (95/20% گاز اکسیژن، زمانیکه 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 نکته حائز اهمیت این است که کالیبراسیون دقیق و صحیح این وسیله بستگی بسیار زیادی به گار کالیبراسیون دارد.
2 ـ کالیبراسیون دستگاه تجزیه کننده
برای این منظور از گاز کالیبراسیونی استفاده می‌شود که مخلوطی از گازهای منواکسیدکربن و دی اکسیدکربن است که با گاز نیتروژن بالانس گردیده است (درصد گاز و با دقت بسیار زیادی مشخص است).
(توجه: گواهینامه کالیبراسیون روی سیلندر گاز موردنظر قرار دارد که بیان کننده درصد دقیق گازها در سیلندر است).
اگر این وسیله نیز با دقت کالیبره گردد، کالیبراسیون برای مدت زمان طولانی پایدار خواهد ماند فقط قبل از انجام هر آزمایش باید تنظیم روی صفر صورت گیرد که در هر زمانی این کار به طور دستی یا اتوماتیک می‌تواند صورت گیرد. تنظیم اتوماتیک هر 3 ساعت یکبار یا 12 ساعت یکبار انجام می‌شود. برای تنظیم 3 ساعته دکمه وسطی (سه دکمه ای که در زیر دستگاه تجزیه کننده قرار دارد) و برای تنظیم 12 ساعته دکمه وسطی و دست راستی به طور همزمان فشار داده می‌شود.
توجه: برای تنظیم کردن روی صفر از هوای محیط استفاده می‌شود.
