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.

مقابله با آتش

معمولی ترین روش خاموش کردن آتش، خارج کردن وجه انرژی از مثلث آتش است. بهترین راه آن این است که گرما (انرژی) را، به وسیلة خنک کردن سوخت تا زیر درجه حرارت افروزش با استفاده از آب، از نزدیکی سوخت دور کنیم. راههای دیگری نیز برای خنک کردن آتش وجود دارد. در بعضی از مواقع، آب نمی‌تواند به عنوان یک عامل خاموش کنندة آتش به کار رود، مثل آتش (سیمهای الکتریکی باردار) یا آتشی که شامل موادی باشد که با آب واکنش دهد.

و برای خاموش کردن آتشهایی که شامل پلاستیکها است نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. در بعضی مواقع، گرمای جذب شده توسط پلاستیکها ممکن است باعث شود آنها به صورت مایع جاری درآیند. در این مواقع استفاده از قطره های ریز آب به صورت اسپری سریعاً مایع را سرد می‌کند و آن را به حالت جامد اولیه برمی‌گرداند، همچنین این آب باعث خاموش شدن آتش نیز می‌شود.

دومین روش خاموش کردن آتشها، براساس ضلع اکسیژن مثلث آتش است. کاربرد کف برای آتشهای مایع، یا استفاده از دی اکسیدکربن برای آتشهای مواد قابل احتراق که از رسیدن اکسیژن اتمسفر به آتش جلوگیری می‌نماید، معمول است. استفاده از آب برای محصورکردن یک مایع درحال سوختن (مایع سوختنی باید غیرقابل حل در آب و وزن مخصوص بیشتری از آب داشته باشد) نیز می‌تواند مانع رسیدن اکسیژن به آتش شود. به طور کلی یک مایع یا جامد را می‌توان به هر طریقی پوشش داد که اکسیژن به آن نرسد. مثلاً انداختن شیء درحال سوختن، در آب و غرق شدن جسم در زیر آب باعث می‌شود سوخت سریعاً سرد شود و اکسیژن نیز به آن نرسد.

سومین روش خاموش کردن آتش، برمبنای تئوری مثلث آتش، خارج نمودن سوخت است. این کار ممکن است سریع و ساده باشد مثل خارج کردن یک مادة سوختنی از یک خانه. یک مثال پیچیده از دور نمودن سوخت، انتقال دادن مایعی است که درحال سوختن است از یک تانک به تانک دیگر به وسیلة لولة ارتباطی، همچنانکه سطح مایع در داخل تانک درحال سوختن کمتر می‌شود، سوخت کمتری در معرض سوختن خواهد بود تا جائیکه تمام مایع از تانک خارج و از طریق لوله ارتباطی وارد تانک دیگر می‌شود. در نتیجة این عمل آتش خاموش می‌شود چون چیزی برای سوختن باقی نمانده است.

پیرولیز

ریشه کلمه پیرولیز از دو کلمه یونانی پیرو به معنای آتش و کلمه لیز به معنای تجزیه کردن گرفته شده است. بنابراین ممکن است پیرولیز به صورت سادة زیر تعریف شود:

تجزیه و شکسته شدن مولکولها بر اثر حرارت

زمانی که یک ماده پیرولیز پیوندهای کووالانسی داخل مولکولها شکسته می‌شود و معمولاً گرمای زیادی نیز تولید می‌شود و در حقیقت عامل به وجود آورندة آتش همان شکسته شدن سوخت به مواد ساده تر است. پیرولیز کلاسیک (بهترین فرم پیرولیز) زمانی اتفاق می‌افتد که به یک ماده جامد مثل چوب و دیگر مواد سلولزی حرارت داده می‌شود. اغلب این کار در غیاب هوا صورت می‌گیرد اگرچه در حضور هوا نیز چوب پیرولیز می‌شود. در نتیجة چنین عملی محصولات پیرولیز شده موادی هستند که در واکنشهای احتراقی سهیم هستند. به عبارت دقیق تر، پیرولیز شکسته شدن پیوندهای کووالانسی ترکیبات بر اثر حرارت است. بنابرانی می‌توان چنین استنباط کرد که مایعات گازهای قابل اشتعال ترکیباتی هستند که دارای پیوند کووالانسی هستند.

نکته قابل توجه در اینجا این است که مایعات نمی‌سوزند و زمانی که ترمهایی مثل «قابل اشتعال یا قابل احتراق» همراه مایعات می‌آید فقط به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد که بین دو گروه از مایعات با محدودة نقطه اشتعال متفاوت، فرقی قائل شده باشند. بسیاری از مردم معتقدند که مایعات قابل اشتعال می‌سوزند، ولی حقیقت این است که فقط بخار این گونه مایعات می‌سوزد. بنابراین مایع قابل اشتعال یا قابل احتراق مایعی است که بر اثر سوختن بخار تولید نماید.

مایع قابل اشتعال، مایعی است که نقطه اشتعال آن کمتر از 100 درجه فارنهایت و مایع قابل احتراق، مایعی است که نقطه اشتعال آن در حدود 100 درجه فارنهایت و یا بالاتر باشد. نقطه اشتعال به صورت زیر تعریف می‌شود:

می‌نیمم درجه حرارتی که در آن مایع، بخار کافی تولید نماید که بتواند یک مخلوط قابل افروزش در نزدیکی سطح مایع یا ظرف به وجود آورد.

مایعات در پایین تر از نقطه جوش خود با سرعت معینی تبخیر می‌شوند و سرعت تبخیر آنها در نقطه جوش به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد. بخار تولید شده با هوا ترکیب و آماده سوختن می‌شود، اما اگر تئوری چهار وجهی آتش صحیح باشد باید یک مرحلة دیگر (تشکیل رادیکالهای آزاد) نیز اتفاق بیفتد. منبع افروزش باعث شکسته شدن مولکولها و تبدیل آنها به مواد ساده تر (رادیکالهای آزاد) می‌شود و زمانی که سوخت با درصد مناسب (در محدودة شعله وری) با هوا مخلوط می‌شود باید دمای مخلوط تا دمای افروزش سوخت افزایش یابد و در این مرحله است که حریق شروع می‌شود.
شرح دستگاه

دستگاه کالریمتر مخروطی از قسمتهای اصلی زیر تشکیل شده است.

1. هیتر (گرم کننده) الکتریکی به شکل مخروط ناقص (منبع انرژی تشعشعی سیستم) و ابزارآلات متصل شده به آن برای کنترل شدت جریان (کنترل درجه حرارت هیتر)
3. نگهدارنده تجزیه کننده (آنالیزور) اکسیژن و دیگر گازها
5. سیستم اندازه گیری غلظت دود
6. رادیومتر حرارتی (دستگاه اندازه گیری شار حرارتی)

2. سیستم دودکش و کانال خروجی گازها
4. جرقه زن الکتریکی و تایمر

1 ـ همان طور که اشاره شد هیتر به شکل مخروط ناقص درست شده است و این امر بدان علت است که در تست احتراق مشخص شده است که قابلیت تشعشعی (تابشی) آن در گسترة وسیعی قرار دارد. عامل فعال و گرم کنندة هیتر یک سیم مقاومت الکتریکی است که یک لایه از جسم نسوز (اکسید منیزیم)، آن را پوشانده و در نهایت در یک محافظ آلیاژی. مقاوم در درجه حرارتهای بالا، قرار گرفته است. این مجموعه در قسمت داخلی یک مخروط ناقص دوجدارة فولادی به صورت مارپیچ مطابق شکل (3 ـ 2) قرار گرفته است.

در ولتاژ 240 ولت که جریان الکتریکی مورد نیاز دستگاه است ماکزیمم بار حرارتی هیتر برابر kw5 است که این مقدار توان الکتریکی قادر است انرژی تا حد را به وجود آورد. انرژی تشعشعی مورد نیاز با یک کنترل کننده الکترونیکی قابل تنظیم است. یک ترموکوپل که در تماس مستقیم با المان حرارتی است متصل به یک کنترل کننده است که این کنترل کننده قادر است درجه حرارت را در محدودة صفر تا با خطای یا بهتر در درجه حرارت موردنظر تنظیم نماید.

2 ـ سیستم دودکش و کانال خروجی گازها

ابعاد دودکش و کانال خروجی طوری طراحی شده است که قادر باشد کل گازهای حاصل از احتراق (جریان تا حد35) را به راحتی از محفظه احتراق خارج نماید.

مطابق شکل (3 ـ 3) این سیستم شامل کلاهک دودکش (هود)، کانالهای ارتباطی، فن، حلقه نمونه گیر گاز برای تجزیه کننده اکسیژن و دیگر گازها، صفحه سوراخدار همراه با دریافت کننده های فشار برای اندازه گیری اختلاف فشار گاز در دو طرف این صفحه و ترموکوپل برای تعیین دمای گازهای خروجی است.

همانطور که در شکل مشاهده می‌شود بعد از هود یک صفحه سوراخدار (قطر سوراخ آن mm57 است) قرار دارد که کار ان اختلاط کامل گازهای حاصل از احتراق است. بعد از آن به فاصله 685 میلیمتری از هود یک حلقه نمونه گیر گاز قرار دارد که این حلقه دارای دوازده سوراخ است و این امر بدان علت است که نمونه گاز گرفته شده از نظر ترکیب درصد نشان دهنده ترکیب کل گازهای خروجی حاصل از احتراق باشد. برای تعیین دبی جرمی‌گازهای خروجی مطابق معادله (2 ـ 37) احتیاج به درجه حرارت این گازهاست که برای این منظور از یک ترموکوپل استفاده می‌شود که بعد از فن قرار دارد و موقعیت آن باید طوری باشد که حداقل mm100 قبل از صفحه سوراخدار قرار داشته باشد. بعد از ترموکوپل صفحه سوراخدار برای ایجاد فشار قرار دارد (قطر سوراخ آن mm57 است). فاصله صفحه سوراخدار از فن باید حداقل mm350 باشد.

3 ـ نگهدارنده نمونه و ترازو

نگهدارنده نمونه به شکل مکعب مستطیلی است که وجه بالایی آن کاملاً باز است جنس آن از فولاد ضدزنگ است و در ته آن (بین نمونه مورد آزمایش و نگهدارنده) یک لایه عایق حرارتی از جنس پشم با دانسیته کم(65) قرار داده می‌شود که ضخامت این لایه حداقل باید mm13 باشد و این کار بدین علت است که ترازو از تشعشع انرژی حرارتی محفوظ بماند (نوسانات حرارتی باعث می‌شود که وسیلة توزین دقت کافی را نداشته باشد).

موقعیت نگهدارنده نسبت به مخروط ناقص طوری تنظیم می‌شود که فاصله بین
پایین ترین قسمت مخروط و سطح رویی نمونه mm25 باشد. همچنین در حین آزمایش سطح زیرین نمونه و جوانب آن به وسیله فویل آلومینیومی‌پوشیده می‌شود. طرز
قرار گرفتن نگهدارنده نمونه در محفظه احتراق در دو حالت افقی و عمودی به ترتیب در شکلهای (3 ـ 5) و (6ـ3) نشان داده شده است.

نگهدارنده روی یک ترازو قرار می‌گیرد ک دقت آن g1/0 است و این ترازو برای تعیین کاهش جرم نمونه در محاسبات مورد استفاده قرار می‌گیرد.


4 ـ تجزیه کننده گازها

نمودار جریان این مجموعه در شکل (3 ـ 7) نشان داده شده است و مطابق این شکل قسمتهای مختلف آن عبارتند از: حلقه نمونه گیر گازها، فیلتر دودگیر، تله سردکننده، پمپ، ستونهای سیلیکاژل و قلیای آهکی تجزیه کننده گاز اکسیژن، تجزیه کننده گاز دی اکسیدکربن و منواکسیدکربن، تجزیه کننده گاز اکسیژن از نوع پارا مغناطیسی است و اکسیژن را در محدودة صفر تا 5/0 اندازه گیری می‌نماید. چون این تجزیه کننده به فشار حساس است قبل از اینکه گازها وارد آن شوند باید از یک تعدیل کننده فشار عبور نمایند.

5 ـ جرقه زن الکتریکی و تایمر

برای افروختن نمونه ها از یک شمع الکتریکی استفاده می‌شود که با برق 10 کیلوولت تغذیه می‌شود (با استفاده از ترانسفورماتور افزاینده) و بین دو سر شمع یک فاصله 3 میلیمتری وجود دارد. طول الکترود و طرز قرار گرفتن آن مطابق شکل (3 ـ 6) طوری انتخاب شده است که شمع درست در مرکز نمونه و به فاصله 13 میلیمتری از سطح نمونه قرار گرفته است.

شمع موردنظر با یک کنترل کننده دستی کنترل می‌شود و برای قراردادن شمع در مجاورت نمونه (همراه با جرقه زدن) و برگرداندن شمع به جای اولیه اش (همراه با قطع نمودن جرقه) مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ضمن برای تعیین زمان افروزش به یک زمان سنج (تایمر) احتیاج است که حداکثر خطای آن یک ثانیه در یک ساعت است.


6 ـ دستگاه اندازه گیری غلظت دود

روش صحیح و مناسب برای اندازه گیری ضریب تیرگی برمبنای استفاده از یک سیستم با منبع نور سفید و سیستم آشکارگری که در محدودة میانی طول موجهایی که چشم انسان به آنها حساس است قرار دارد.