تحقیق بررسی احتراق (آتش)

تحقيق بررسي احتراق (آتش) در 44 صفحه ورد قابل ويرايش

احتراق

احتراق عبارت است از اكسيداسيون سريع مواد، همراه با آزاد شدن سريع انرژي.

يكي از تعاريف اكسيداسيون عبارت است از تركيب شيميايي يك ماده با اكسيژن. تعريف ديگر اكسيداسيون چنين است: واكنش شيميايي كه شامل اكسيژن باشد، به طوريكه يك يا تعداد بيشتري از مواد با اكسيژن تركيب شوند.

افروزش

براي آغاز اين فرآيند به يك منبع توليد گرما، مواد سوختي و هوا نياز است. مواد از نظر قابليت شعله وري متفاوت اند و خصوصيات فيزيكي و شيميايي در اين موضوع مؤثر است. مثلاً موادي كه به شكل ورقه اي هستند، فوم ها و يا يك تكه پارچه خيلي ساده تر از بلوكهاي ضخيم مواد جامد آتش مي‌گيرند. طبق تعريف، آغاز فرآيند سوختن را افروزش مي‌نامند. براي پايين آوردن قابليت افروزش مواد در مقابل منابع كوچك توليد گرما مي‌توان كارهايي انجام داد اما اينها لزوماً بر روي سرعت سوختن اين مواد مؤثر نخواهد بود.

آتش (حريق)

ساده ترين تعريف احتراق، چيزي است كه به آن آتش اطلاق مي‌شود و عبارت است از تركيب شيميايي سريع مواد با اكسيژن كه هم نور و هم گرما توليد مي‌كند. شعله ور شدن (مشتعل شدن) و سوختن همراه با دود (سوختن سطحي) دو نوع احتراق هستند كه ممكن است اتفاق بيفتند.

براي انجام شدن عمل احتراق بايد يك اكسيد كننده موجود باشد. تقريباً همه آتشها با اكسيژن موجود در اتمسفر به عنوان عامل اكسيدكننده انجام مي‌گيرد، اما اكسيدكننده هاي ديگري نيز موجود است.

بيشتر اين اكسيدكننده ها زماني كه در معرض حرارت، فشار يا هر دوي آنها قرار مي‌گيرند اكسيژن آزاد مي‌كنند. علاوه بر آن اكسيدكننده هاي ديگري نيز وجود دارد مثل هالوژنها (فلوئور، كلر، برم و يد) كه احتراق را تقويت مي‌نمايد، اما در اينجا فقط احتراق با اكسيژن هوا مورد بحث است.

سوختن و بيشتر انفجارها، نمونه هايي از واكنشهاي شيميايي هستند كه از آنها به عنوان آتش (حريق) نام برده مي‌شود و در واقع واكنشهاي شيميايي هستند كه شامل اكسيداسيون سريع مواد است. با وجود اين، سرعت اين واكنشها ممكن است صدها يا هزاران مرتبه سريعتر از يك حريق باشد. به عبارت ساده تر، سوختن واكنش اكسيداسيوني است كه به طور قابل توجهي سريعتر از حريق است، اما آهسته تر از انفجار است.

مثلث آتش

اين تئوري به صورت يك مثلث ارائه گرديده است. به دليل اينكه سه جزء (وجه) اصلي در آن وجود دارد و مثلث يك شكل بسته است كه نمايانگر يك سيستم بسته مي‌باشد. قسمتي از تئوري تأكيد دارد كه براي اينكه يك آتش موجود باشد بسته بودن سيستم الزامي‌است بدين معني كه اگر يكي از سه وجه مثلث در تماس با وجه بعدي نباشد وقوع حريق ممكن نيست. در شكل (1 ـ 1) مثلث آتش نشان داده شده است.

مقابله با آتش

معمولي ترين روش خاموش كردن آتش، خارج كردن وجه انرژي از مثلث آتش است. بهترين راه آن اين است كه گرما (انرژي) را، به وسيلة خنك كردن سوخت تا زير درجه حرارت افروزش با استفاده از آب، از نزديكي سوخت دور كنيم. راههاي ديگري نيز براي خنك كردن آتش وجود دارد. در بعضي از مواقع، آب نمي‌تواند به عنوان يك عامل خاموش كنندة آتش به كار رود، مثل آتش (سيمهاي الكتريكي باردار) يا آتشي كه شامل موادي باشد كه با آب واكنش دهد.

و براي خاموش كردن آتشهايي كه شامل پلاستيكها است نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در بعضي مواقع، گرماي جذب شده توسط پلاستيكها ممكن است باعث شود آنها به صورت مايع جاري درآيند. در اين مواقع استفاده از قطره هاي ريز آب به صورت اسپري سريعاً مايع را سرد مي‌كند و آن را به حالت جامد اوليه برمي‌گرداند، همچنين اين آب باعث خاموش شدن آتش نيز مي‌شود.

دومين روش خاموش كردن آتشها، براساس ضلع اكسيژن مثلث آتش است. كاربرد كف براي آتشهاي مايع، يا استفاده از دي اكسيدكربن براي آتشهاي مواد قابل احتراق كه از رسيدن اكسيژن اتمسفر به آتش جلوگيري مي‌نمايد، معمول است. استفاده از آب براي محصوركردن يك مايع درحال سوختن (مايع سوختني بايد غيرقابل حل در آب و وزن مخصوص بيشتري از آب داشته باشد) نيز مي‌تواند مانع رسيدن اكسيژن به آتش شود. به طور كلي يك مايع يا جامد را مي‌توان به هر طريقي پوشش داد كه اكسيژن به آن نرسد. مثلاً انداختن شيء درحال سوختن، در آب و غرق شدن جسم در زير آب باعث مي‌شود سوخت سريعاً سرد شود و اكسيژن نيز به آن نرسد.

سومين روش خاموش كردن آتش، برمبناي تئوري مثلث آتش، خارج نمودن سوخت است. اين كار ممكن است سريع و ساده باشد مثل خارج كردن يك مادة سوختني از يك خانه. يك مثال پيچيده از دور نمودن سوخت، انتقال دادن مايعي است كه درحال سوختن است از يك تانك به تانك ديگر به وسيلة لولة ارتباطي، همچنانكه سطح مايع در داخل تانك درحال سوختن كمتر مي‌شود، سوخت كمتري در معرض سوختن خواهد بود تا جائيكه تمام مايع از تانك خارج و از طريق لوله ارتباطي وارد تانك ديگر مي‌شود. در نتيجة اين عمل آتش خاموش مي‌شود چون چيزي براي سوختن باقي نمانده است.

پيروليز

ريشه كلمه پيروليز از دو كلمه يوناني پيرو به معناي آتش و كلمه ليز به معناي تجزيه كردن گرفته شده است. بنابراين ممكن است پيروليز به صورت سادة زير تعريف شود:

تجزيه و شكسته شدن مولكولها بر اثر حرارت

زماني كه يك ماده پيروليز پيوندهاي كووالانسي داخل مولكولها شكسته مي‌شود و معمولاً گرماي زيادي نيز توليد مي‌شود و در حقيقت عامل به وجود آورندة آتش همان شكسته شدن سوخت به مواد ساده تر است. پيروليز كلاسيك (بهترين فرم پيروليز) زماني اتفاق مي‌افتد كه به يك ماده جامد مثل چوب و ديگر مواد سلولزي حرارت داده مي‌شود. اغلب اين كار در غياب هوا صورت مي‌گيرد اگرچه در حضور هوا نيز چوب پيروليز مي‌شود. در نتيجة چنين عملي محصولات پيروليز شده موادي هستند كه در واكنشهاي احتراقي سهيم هستند. به عبارت دقيق تر، پيروليز شكسته شدن پيوندهاي كووالانسي تركيبات بر اثر حرارت است. بنابراني مي‌توان چنين استنباط كرد كه مايعات گازهاي قابل اشتعال تركيباتي هستند كه داراي پيوند كووالانسي هستند.

نكته قابل توجه در اينجا اين است كه مايعات نمي‌سوزند و زماني كه ترمهايي مثل «قابل اشتعال يا قابل احتراق» همراه مايعات مي‌آيد فقط به اين منظور مورد استفاده قرار مي‌گيرد كه بين دو گروه از مايعات با محدودة نقطه اشتعال متفاوت، فرقي قائل شده باشند. بسياري از مردم معتقدند كه مايعات قابل اشتعال مي‌سوزند، ولي حقيقت اين است كه فقط بخار اين گونه مايعات مي‌سوزد. بنابراين مايع قابل اشتعال يا قابل احتراق مايعي است كه بر اثر سوختن بخار توليد نمايد.

مايع قابل اشتعال، مايعي است كه نقطه اشتعال آن كمتر از 100 درجه فارنهايت و مايع قابل احتراق، مايعي است كه نقطه اشتعال آن در حدود 100 درجه فارنهايت و يا بالاتر باشد. نقطه اشتعال به صورت زير تعريف مي‌شود:

مي‌نيمم درجه حرارتي كه در آن مايع، بخار كافي توليد نمايد كه بتواند يك مخلوط قابل افروزش در نزديكي سطح مايع يا ظرف به وجود آورد.

مايعات در پايين تر از نقطه جوش خود با سرعت معيني تبخير مي‌شوند و سرعت تبخير آنها در نقطه جوش به ماكزيمم مقدار خود مي‌رسد. بخار توليد شده با هوا تركيب و آماده سوختن مي‌شود، اما اگر تئوري چهار وجهي آتش صحيح باشد بايد يك مرحلة ديگر (تشكيل راديكالهاي آزاد) نيز اتفاق بيفتد. منبع افروزش باعث شكسته شدن مولكولها و تبديل آنها به مواد ساده تر (راديكالهاي آزاد) مي‌شود و زماني كه سوخت با درصد مناسب (در محدودة شعله وري) با هوا مخلوط مي‌شود بايد دماي مخلوط تا دماي افروزش سوخت افزايش يابد و در اين مرحله است كه حريق شروع مي‌شود.
شرح دستگاه

دستگاه كالريمتر مخروطي از قسمتهاي اصلي زير تشكيل شده است.

1. هيتر (گرم كننده) الكتريكي به شكل مخروط ناقص (منبع انرژي تشعشعي سيستم) و ابزارآلات متصل شده به آن براي كنترل شدت جريان (كنترل درجه حرارت هيتر)
3. نگهدارنده تجزيه كننده (آناليزور) اكسيژن و ديگر گازها
5. سيستم اندازه گيري غلظت دود
6. راديومتر حرارتي (دستگاه اندازه گيري شار حرارتي)

2. سيستم دودكش و كانال خروجي گازها
4. جرقه زن الكتريكي و تايمر

1 ـ همان طور كه اشاره شد هيتر به شكل مخروط ناقص درست شده است و اين امر بدان علت است كه در تست احتراق مشخص شده است كه قابليت تشعشعي (تابشي) آن در گسترة وسيعي قرار دارد. عامل فعال و گرم كنندة هيتر يك سيم مقاومت الكتريكي است كه يك لايه از جسم نسوز (اكسيد منيزيم)، آن را پوشانده و در نهايت در يك محافظ آلياژي. مقاوم در درجه حرارتهاي بالا، قرار گرفته است. اين مجموعه در قسمت داخلي يك مخروط ناقص دوجدارة فولادي به صورت مارپيچ مطابق شكل (3 ـ 2) قرار گرفته است.

در ولتاژ 240 ولت كه جريان الكتريكي مورد نياز دستگاه است ماكزيمم بار حرارتي هيتر برابر kw5 است كه اين مقدار توان الكتريكي قادر است انرژي تا حد را به وجود آورد. انرژي تشعشعي مورد نياز با يك كنترل كننده الكترونيكي قابل تنظيم است. يك ترموكوپل كه در تماس مستقيم با المان حرارتي است متصل به يك كنترل كننده است كه اين كنترل كننده قادر است درجه حرارت را در محدودة صفر تا با خطاي يا بهتر در درجه حرارت موردنظر تنظيم نمايد.

2 ـ سيستم دودكش و كانال خروجي گازها

ابعاد دودكش و كانال خروجي طوري طراحي شده است كه قادر باشد كل گازهاي حاصل از احتراق (جريان تا حد35) را به راحتي از محفظه احتراق خارج نمايد.

مطابق شكل (3 ـ 3) اين سيستم شامل كلاهك دودكش (هود)، كانالهاي ارتباطي، فن، حلقه نمونه گير گاز براي تجزيه كننده اكسيژن و ديگر گازها، صفحه سوراخدار همراه با دريافت كننده هاي فشار براي اندازه گيري اختلاف فشار گاز در دو طرف اين صفحه و ترموكوپل براي تعيين دماي گازهاي خروجي است.

همانطور كه در شكل مشاهده مي‌شود بعد از هود يك صفحه سوراخدار (قطر سوراخ آن mm57 است) قرار دارد كه كار ان اختلاط كامل گازهاي حاصل از احتراق است. بعد از آن به فاصله 685 ميليمتري از هود يك حلقه نمونه گير گاز قرار دارد كه اين حلقه داراي دوازده سوراخ است و اين امر بدان علت است كه نمونه گاز گرفته شده از نظر تركيب درصد نشان دهنده تركيب كل گازهاي خروجي حاصل از احتراق باشد. براي تعيين دبي جرمي‌گازهاي خروجي مطابق معادله (2 ـ 37) احتياج به درجه حرارت اين گازهاست كه براي اين منظور از يك ترموكوپل استفاده مي‌شود كه بعد از فن قرار دارد و موقعيت آن بايد طوري باشد كه حداقل mm100 قبل از صفحه سوراخدار قرار داشته باشد. بعد از ترموكوپل صفحه سوراخدار براي ايجاد فشار قرار دارد (قطر سوراخ آن mm57 است). فاصله صفحه سوراخدار از فن بايد حداقل mm350 باشد.

3 ـ نگهدارنده نمونه و ترازو

نگهدارنده نمونه به شكل مكعب مستطيلي است كه وجه بالايي آن كاملاً باز است جنس آن از فولاد ضدزنگ است و در ته آن (بين نمونه مورد آزمايش و نگهدارنده) يك لايه عايق حرارتي از جنس پشم با دانسيته كم(65) قرار داده مي‌شود كه ضخامت اين لايه حداقل بايد mm13 باشد و اين كار بدين علت است كه ترازو از تشعشع انرژي حرارتي محفوظ بماند (نوسانات حرارتي باعث مي‌شود كه وسيلة توزين دقت كافي را نداشته باشد).

موقعيت نگهدارنده نسبت به مخروط ناقص طوري تنظيم مي‌شود كه فاصله بين
پايين ترين قسمت مخروط و سطح رويي نمونه mm25 باشد. همچنين در حين آزمايش سطح زيرين نمونه و جوانب آن به وسيله فويل آلومينيومي‌پوشيده مي‌شود. طرز
قرار گرفتن نگهدارنده نمونه در محفظه احتراق در دو حالت افقي و عمودي به ترتيب در شكلهاي (3 ـ 5) و (6ـ3) نشان داده شده است.

نگهدارنده روي يك ترازو قرار مي‌گيرد ك دقت آن g1/0 است و اين ترازو براي تعيين كاهش جرم نمونه در محاسبات مورد استفاده قرار مي‌گيرد.


4 ـ تجزيه كننده گازها

نمودار جريان اين مجموعه در شكل (3 ـ 7) نشان داده شده است و مطابق اين شكل قسمتهاي مختلف آن عبارتند از: حلقه نمونه گير گازها، فيلتر دودگير، تله سردكننده، پمپ، ستونهاي سيليكاژل و قلياي آهكي تجزيه كننده گاز اكسيژن، تجزيه كننده گاز دي اكسيدكربن و منواكسيدكربن، تجزيه كننده گاز اكسيژن از نوع پارا مغناطيسي است و اكسيژن را در محدودة صفر تا 5/0 اندازه گيري مي‌نمايد. چون اين تجزيه كننده به فشار حساس است قبل از اينكه گازها وارد آن شوند بايد از يك تعديل كننده فشار عبور نمايند.

5 ـ جرقه زن الكتريكي و تايمر

براي افروختن نمونه ها از يك شمع الكتريكي استفاده مي‌شود كه با برق 10 كيلوولت تغذيه مي‌شود (با استفاده از ترانسفورماتور افزاينده) و بين دو سر شمع يك فاصله 3 ميليمتري وجود دارد. طول الكترود و طرز قرار گرفتن آن مطابق شكل (3 ـ 6) طوري انتخاب شده است كه شمع درست در مركز نمونه و به فاصله 13 ميليمتري از سطح نمونه قرار گرفته است.

شمع موردنظر با يك كنترل كننده دستي كنترل مي‌شود و براي قراردادن شمع در مجاورت نمونه (همراه با جرقه زدن) و برگرداندن شمع به جاي اوليه اش (همراه با قطع نمودن جرقه) مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در ضمن براي تعيين زمان افروزش به يك زمان سنج (تايمر) احتياج است كه حداكثر خطاي آن يك ثانيه در يك ساعت است.


6 ـ دستگاه اندازه گيري غلظت دود

روش صحيح و مناسب براي اندازه گيري ضريب تيرگي برمبناي استفاده از يك سيستم با منبع نور سفيد و سيستم آشكارگري كه در محدودة مياني طول موجهايي كه چشم انسان به آنها حساس است قرار دارد.