Corso di specializzazione in prevenzione
incendi
Chimica e fisica dell’incendio
Ing. Vincenzo CIANI
Corso di specializzazione di prevenzione
incendi
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ARGOMENTI DELLA LEZIONE
Fisica e chimica
dell’incendio;
Generalità sulla
combustione;
Solidi combustibili;
Liquidi combustibili;
Gas combustibili;
Aria necessaria alla
combustione;
Classi di fuoco;
Prodotti della combustione;
Dinamica dell’incendio.
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Chimica e fisica del fuoco
Calore di combustione
Potere calorifico
di
Temperatura di combustione
Temperatura
combustione
teorica
e incendi
Temperatura di accensione
Temperatura (o punto) di
infiammabilità
Influenza della temperatura
sull’infiammabilità
Influenza della pressione
sull’infiammabilità
Descrizione del fenomeno
della “pirolisi
Energia di accensione
Modalità di propagazione della
fiamma
Limiti di infiammabilità
Limiti di infiammabilità di
miscele gassose
Limiti di infiammabilità dei
liquidi
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Calore di combustione
Caso A) : per un elemento chimico (C,S,Na,P) o
composto chimico che non contenga idrogeno
si definisce come:
“Quantità di calore messa in libertà nel corso della
reazione di completa combustione di un grammoatomo dell'elemento o di una grammo-molecola
del composto”:
C + 02 ----> C02 + 96,7 kcal/g-atomo
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Calore di combustione
misure in condizioni controllate, precise e
costanti, così da renderle perfettamente ripetibili
completa ossidazione del campione in esame
È necessario partire da una determinata
“temperatura iniziale” (per es. reagenti a 20°C)
ed arrivare, a combustione avvenuta, ad una
determinata temperatura finale (per es. prodotti
di reazione anch'essi a '20°C).
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Calore di combustione
Caso B):o di una sostanza contenente atomi di
idrogeno nella molecola
Es. reazioni:
H2 + 1,/2 02 ---> H20
CH4 + 2 02 ----> C02 + 2 H20 + Calore di combustione
N.B. - la temperatura finale alla quale vengono portati
i prodotti della combustione riveste un significato
ancora più importante
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Calore di combustione
Se la temperatura finale alla quale si misura il
calore di combustione è superiore a 100°C, il
valore ottenuto sarà minore di quello che si
misurerebbe per una temperatura finale
inferiore ai 100°C, perché in queste ultime
condizioni
il
vapore
acqueo
formato
“condensa”, mettendo in libertà il relativo
CALORE LATENTE (circa 30 kcal/g-mole di
acqua).
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Calore di combustione
In questi casi quindi, possono essere
definiti “due distinti” calori di
combustione: quello SUPERIORE,
comprendente il calore di condensazione
dell'acqua, e quello INFERIORE per il quale
l'acqua formatasi resta allo stato di
VAPORE.
Nella tabella seguente sono riportati a
titolo di esempio i calori di combustione di
alcuni composti chimici
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Calore di combustione di alcuni
composti chimici
Calore di combustione
(in kcal/g-atomo o g-mole)
Composto
P. A.
o P. M.
Superiore
Inferiore
Carbonio
12
96,7
96,7
CO
28
67,6
67,6
H2
2
68,3
37,2
Metano, CH4
16
212,3
190,5
etilene, C2H4
36
443,1
414,3
acetilene, C2H2
26
311,2
300,1
benzene, C6H6
78
782,0
748,6
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Potere calorifico
Nella pratica tecnologica della combustione si
preferisce fare uso di unità di misura riferite non
a quantità quali il grammo-atomo o la grammomolecola, ma al peso (kg) o al volume (Nm3 o
litro). Le quantità di calore in gioco vengono
quindi normalmente espresse in kcal/kg
(o MJ/kg) e in kcal/litro o kcal/Nm3, che prendono
il nome di potere calorifico, anzichè calore di
combustione.
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Potere calorifico inferiore
Si definisce Potere calorifico inferiore quello che
si ha quando fra i prodotti della combustione
l'acqua è allo stato di vapore; esso è
evidentemente legato al potere calorifico
superiore dalla relazione:
P.C. sup = P.C. inf. + m 560
in cui m è la quantità d'acqua (espressa in kg)
prodotta nella combustione di un kg di sostanza;
560 kcal/kg è il calore latente di condensazione
dell'acqua.
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Poteri calorifici di alcuni
combustibili gassosi.
Combustibile
Potere calorifico(kcal,/Nm3)
Superiore
Inferiore
CO
3017
3017
H2
3048
2550
Metano, CH4
9465
8499
Butano, C4H10
34460
32000
Etilene, C2 H4
15377
14381
Acetilene, C2 H2
13887
13389
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Poteri calorifici inferiori di alcuni materiali
industriali di scarto
Materiale
P.C.I.
kcal/kg
Materiale
P. C. I.
kcal/kg
Olio lubrif.
9800
Legno duro
4400
Bitume
5200
Legno dolce
4000
Residui catrame
7500
Carta parati
4150
Fanghi di carbone
4800
Cartone ondulato
3900
Scarti di vernice
4030
Giornali
4430
Tessuto pneumatici
6670
Carta da imballo
4030
Gomma sintetica
6400
Riviste
2820
Scarti cellophan
3260
Cartone latte
6280
P.V.C.
9700
Cuoio
4020
Gomme auto
8650
Stracci cotone
3600
Legno verde
2330
Lana
4600
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Potere calorifico superiore
Il potere calorifico superiore si può
determinare direttamente mediante la bomba
calorimetrica di Mahler o apparecchi simili in
cui il calore prodotto dalla reazione viene
assorbito da una massa di acqua o di altro
liquido di cui si osserva l'aumento della
temperatura.
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Bomba calorimetrica (Mahler)
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Temperatura teorica di
combustione
Temperatura raggiunta dai prodotti della
stessa combustione, cioè dai fumi, nell'ipotesi
che non vi siano perdite di calore per
convezione, conduzione e irraggiamento (T. di
combustione adiabatica) e che la combustione
sia completa ed avvenga con la quantità
teorica di aria.
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Temperatura teorica di
combustione
Nella pratica industriale i fumi non
raggiungeranno mai la temperatura teorica,
perché le perdite di calore sono inevitabili e
perché è sempre necessario impiegare un
certo eccesso di aria al fine di completare la
combustione ed evitare la presenza di
incombusti nei fumi.
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Temperature di combustione
(combustione complete)
Combustibili
Valori teorici
calcolati, °C
Valori sperimentali °C
(adiabatica)
Idrogeno
2205
2145
Ossido di carbonio
2430
2095
Metano
2050
1875
Etano
2085
Acetilene
2635
Benzene
2200
Petrolio
1800
Carbone amorfo
2040
Litantrace
1980
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Temperatura di combustione e
incendi
Nel caso di incendi la temperatura di combustione
effettiva è molto più bassa di quella teorica:
eccesso di aria: si hanno perdite di calore
sensibile per conduzione, alle quali si aggiungono
le perdite per irraggiamento ( Q = σT 4 : legge di
Stefan).
difetto di aria: si verificano forti perdite per
calore latente, dovute alla combustione
incompleta, che ha come conseguenza la
presenza di incombusti nei fumi (CO, particelle
carboniose, gas prodotti dalla pirolisi,ecc.)
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Temperatura di accensione
“ E’ la minima temperatura alla quale il materiale
all'aria comincia a bruciare e continua a bruciare
senza apporti di calore dall'esterno”.
Non è direttamente legata alla costituzione
chimica di una sostanza: lo è solo in modo
indiretto. Ciò sta a significare che non la si può
calcolare teoricamente, come si fa con quella di
combustione.
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Velocità di combustione
Comb. lenta: il calore di combustione si libera in modo
graduale nel tempo, tanto che le zone circostanti non
riescono a scaldarsi fino ad arrivare anch'esse a
combustione; anche se la si innesca dall'esterno, la
combustione non si mantiene.
Comb. veloce: il calore di combustione si sviluppa
anch'esso rapidamente, in modo concentrato nel tempo e le
zone circostanti si scaldano tanto da arrivare anch'esse a
bruciare, così facendo scaldano le altre zone vicine con
andamento che si autosostiene;
Comb. molto veloce: si ha una vera reazione a catena e si
può arrivare alla deflagrazione o anche all'esplosione.
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Fattori che influenzano la T. di
accensione:
il tenore di ossigeno: un suo aumento abbassa la
temperatura di accensione.
la pressione: un suo incremento corrisponde quasi ad
una maggior quantità di ossigeno nel senso che
abbassa il valore della temperatura di accensione.
L'andamento non è lineare.
lo stato di suddivisione (sol. e liq.): maggiore il loro
grado di dispersione o suddivisione (goccioline, polveri),
più bassa a parità di altri fattori la loro temperatura di
accensione.
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Energia di accensione
Per avere l'accensione di una miscela aria
combustibile, al di sotto della temperatura di
accensione, è necessaria la presenza di un
innesco, cioè di una fonte di ignizione.
Le possibili fonti di ignizione differiscono per
energia fornita, durata e livello di temperatura.
L'energia di accensione deve consentire che
almeno una parte della miscela si porti alla
temperatura di accensione (o autoaccensione).
L'energia di accensione è minima alla
concentrazione stechiometrica.
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Es. di fonti di ignizione:
- fiamme, calore diretto, superfici
- saldature e taglio alla fiamma;
- scintille di origine meccanica;
- energia chimica;
- surriscaldamento;
- elettricità statica;
- apparecchi elettrici.
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calde;
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Energia di accensione
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Energia di accensione
Acetilene
Carbone
Idrogeno
Metano
Ossido di etilene
Polipropilene
Propano
Propilene
Zolfo
0.02
60
0.02
0.2
0.087
30
0.3
0.282
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mJ
“
“
“
“
“
“
“
“
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Modalità di propagazione della fiamma
Il calore sviluppato dalla reazione viene ceduto
allo strato di combustibile immediatamente
adiacente, che si riscalda e reagisce a velocità
elevata.
Si forma un fronte di reazione (fronte di fiamma)
che si muove dai gas combusti verso la miscela
fresca. I gas combusti hanno elevata
temperatura ma scarsa attività chimica, mentre
la miscela combustibile, che deve ancora
reagire, è a bassa temperatura.
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Modalità di propagazione della fiamma
La velocità di propagazione della fiamma, ossia
quella a cui si muove il fronte di fiamma, è
governata, in prima approssimazione, dalla
velocità di conduzione del calore.
Si possono avere due distinti fenomeni:
la deflagrazione – si ha quando il fronte di
fiamma si mantiene piano e la velocità di
propagazione è di qualche m/s (inferiore a
quella del suono);
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Modalità di propagazione della fiamma
la detonazione –
si sviluppa quando il fronte
di fiamma è frastagliato e turbolento e si può
avere una autoaccelerazione della fiamma che
si propaga ad una velocità dell'ordine delle
migliaia di m/s (superiore a quella del suono);
nella detonazione si creano onde di
compressione che si propagano nella miscela
combustibile come un'onda d'urto che precede il
fronte di reazione.
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Modalità di propagazione della fiamma
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Limiti di infiammabilità
Generalmente i limiti inferiori e superiori di
infiammabilità sono rispettivamente pari a 0.5 e
2 volte la concentrazione stechiometrica.
In alcuni casi, uno dei due limiti di infiammabilità
può addirittura non esistere, come avviene per
gas o vapori che subiscono una decomposizione
esplosiva, come l'idrazina o l'ossido di etilene.
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Limiti di infiammabilità
I limiti di infiammabilità di gas e vapori sono
generalmente espressi come percentuale in volume del
combustibile nella miscela aria - combustibile.
nel caso di polveri, i limiti di infiammabilità sono espressi
come peso di polvere per unità di volume di aria
(tipicamente mg/litro)
ad una maggiore ampiezza del campo di infiammabilità,
corrisponde una maggiore pericolosità del prodotto.
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Limiti di infiammabilità
Limite inf.
(% vol)
Limite sup.
(% vol)
Acetilene
2.5
100
Alcool etilico
3.3
19
Alcool metilico
5,5
26,6
Ammoniaca
15
28
Benzene
1.3
7.9
Benzina
0,7
7,0
Butano
1,5
8,5
Etilene
2.7
37
Idrogeno
4.0
75
Metano
5.0
15
Ossido di etilene
3.0
100
Propano
2.1
9.5
Propilene
2.4
11
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Limiti di infiammabilità
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Limiti di infiammabilità di miscele
gassose
100
L = ------------ %
(Vi/Li)
dove:
L = limite inferiore (o superiore) di infiammabilità della
miscela
Li = limite inferiore (o superiore) di infiammabilità del
componente i
Vi = percentuale in volume del componente “i” nella
miscela
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Esempio numerico
Consideriamo un gas naturale la cui miscela ha la
seguente composizione:
metano
etano
propano
butano
Linf = 100/(80/5 + 15/2.9 + 4/2.1 + 1/1.8) = 4.2 %
80%
15 %
4%
1%
Li = 5.0
Li = 2.9
Li = 2.1
Li = 1.8
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Limiti di infiammabilità dei liquidi
Nel caso di vapori sprigionati da combustibili
liquidi,i limiti di infiammabilità, a parità di
volume, possono essere espressi anche in
termini di temperatura.
Infatti la concentrazione del vapore è
proporzionale alla sua pressione parziale che
eguaglia la tensione di vapore del liquido alla
temperatura T (dalla relazione di equilibrio pi
= psi(T)).
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Esempio numerico
L'alcool etilico ha i seguenti valori del campo di infiammabilità:
Linf = 3.3 %;
Lsup = 19 %.
A pressione atmosferica (760 mm Hg) i corrispondenti valori di pi
sono:
pinf = 760x3.3/100 = 25.08 mm Hg
psuP = 760x19/100 = 144.40 mm Hg
Dalla figura nella diapositiva successiva, che riporta la curva di
tensione di vapore di alcuni combustibili in funzione della
temperatura, si ottiene:
Tinf = 12.7 ° C
TsuP = 43.3 ° C
N.B.: Questi valori sono validi nell'ipotesi che l'aria sia satura di
vapore; ciò è ragionevole in prossimità del pelo libero.
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Tensione di vapore e
Temperatura
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Temperatura (o Punto) di
infiammabilità
La T. di infiammabilità (Flash Point) è la
temperatura minima (più bassa) in
corrispondenza della quale il vapore
sviluppato da un liquido forma con l’aria una
miscela che si infiamma in presenza di
innesco e mantiene la combustione
La temperatura del punto di infiammabilità
corrisponde circa al limite inferiore di
infiammabilità.
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Martens (vaso chiuso - per derivati del petrolio con
p.to inf. > 50 °C)
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Abel – Pensky (per derivati del petrolio con p.to inf.
fino a 50 °C)
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Cleeveland (vaso aperto - per derivati del petrolio
con p.to inf. > 50 °C )
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Influenza della temperatura
sull'infiammabilità
La temperatura influenza il grado di
infiammabilità agendo sulla velocità di reazione,
sui limiti di infiammabilità, sulla tensione di
vapore, sulla velocità di propagazione della
fiamma, ecc.
Solitamente, aumentando la temperatura, la zona
di infiammabilità si allarga, attraverso la
diminuzione del limite inferiore e, soprattutto,
l'aumento del limite superiore.
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Influenza della temperatura
sull'infiammabilità
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Influenza della pressione
sull'infiammabilità
Anche la pressione influenza i limiti di
infiammabilità, la velocità di reazione, la velocità
di propagazione della fiamma, ecc.
All'aumentare della pressione la zona di
infiammabilità si allarga, soprattutto per
l'aumento del limite superiore, come osservato in
precedenza per gli effetti della temperatura,
mentre al diminuire della pressione la sua
ampiezza si riduce.
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Influenza della pressione
sull'infiammabilità
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Temperatura (o Punto) di
infiammabilità
Nel caso di materiali liquidi (benzine, gasoli, olii
combustibili, solventi, ecc) si ha una, maggior
difficoltà nel definire in modo univoco il concetto
di infiammabilità, in quanto ad ogni temperatura i
liquidi sono in equilibrio con i loro vapori.
La temperatura del punto di infiammabilità
corrisponde circa al limite inferiore di
infiammabilità.
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Grado di infiammabilità
Possiamo a questo punto definire il grado di
infiammabilità o più in generale parlare di
infiammabilità di una sostanza, come la misura
della sua tendenza a dar luogo ad incendi ed
esplosioni. Tale parametro dipenderà dai fattori
evidenziati nella successiva tabella.
Corso di specializzazione di prevenzione
incendi
49
Direzione Regionale Vigili del Fuoco Abruzzo – Ordine degli Ingegneri della Provincia di Teramo - Corso ex Legge 818/84 – Edizione 2012
Grado di infiammabilità
Il grado di infiammabilità aumenta quanto
- temperatura di infiammabilità
(per i combustibili liquidi)
più è bassa
- limiti di infiammabilità
più sono distanti tra loro
-temperatura di accensione o
autoaccensione
più è bassa
- energia di accensione
più è bassa
- velocità della fiamma
più è alta
Corso di specializzazione di prevenzione
incendi
50
Direzione Regionale Vigili del Fuoco Abruzzo – Ordine degli Ingegneri della Provincia di Teramo - Corso ex Legge 818/84 – Edizione 2012
