Presentazione di PowerPoint

Chimica e fisica
dell’incendio
Ing. Michele Saracino CNVVF
16/05/2008
Chimica e fisica dell’incendio
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1
PREMESSA
•LA MATERIA
Ci sono alcuni concetti fondamentali nelle scienze fisiche la cui definizione è veramente
ardua, come per esempio quelli di tempo, spazio, energia e materia.
Il loro significato viene chiarito dal loro uso, dal contesto delle loro applicazioni e dalla loro
associazione ai principi fondamentali della fisica e della chimica.
I termini materia, materiale, sostanza e elemento indicano una gradualità dal generale al
particolare.
Ogni sostanza ha attributi caratteristici chiamati proprietà che possono essere distinte in
proprietà fisiche (aspetto, punto di fusione e di ebollizione, conducibilità elettrica e termica,
lo stato di aggregazione, la densità, ecc.) e chimiche (combustibilità, reattività, stabilità,
proprietà basiche o acide, ecc.).
La materia esiste sotto tre stati di aggregazione: gassoso, liquido e solido.
•Lo stato di esistenza di una sostanza dipende dalle condizioni di temperatura e pressione.
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A pressione costante, con l’aumento della temperatura, una sostanza inizialmente allo stato solido subisce
il processo di fusione quando la temperatura supera la temperatura di fusione, quindi, quando tutta la
massa è diventata liquida, incrementando la temperatura si ha il processo di evaporazione quando viene
superata la temperatura di ebollizione. Inversamente, partendo da una sostanza gassosa, diminuendo la
temperatura si ha il processo di condensazione quando questa diventa inferiore al punto di rugiada
(coincidente con la temperatura di ebollizione) e continuando il raffreddamento si ha la solidificazione,
quando
la
temperatura
diviene
inferiore
a
quella
di
fusione.
In alcune condizioni esistono cambiamenti di stato direttamente dallo stato solido a quello gassoso
mediante il processo detto di sublimazione e viceversa da quello gassoso a quello solido con il processo
di brinamento.
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3
Tutta la materia è costituita da una combinazione di elementi detti atomi.
La più piccola particella che possiede le proprietà di quella sostanza è la
molecola.
Gli elementi (103) sono ordinati nella tavola periodica in funzione del loro
numero atomico.
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L’atomo può essere
schematicamente
rappresentato da un nucleo
centrale formato da protoni e
neutroni, intorno al quale
ruotano, su traiettorie dette
orbitali atomici, gli elettroni.
• Il numero dei protoni (o degli elettroni) determina il
numero atomico che distingue i diversi elementi.
• Il numero dei protoni più quello dei neutroni
determina il peso atomico o numero di massa.
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REAZIONE CHIMICA
Una reazione chimica consiste nella ridistribuzione degli atomi in molecole o aggregati
diversi da quelli esistenti precedentemente e quindi nella formazione di sostanze nuove,
costituite dagli stessi elementi di quelli da cui hanno preso origine.
Queste trasformazioni comportano solitamente la rottura di alcuni legami e la formazione di
altri, che andranno a caratterizzare i prodotti.
Tutte le reazioni chimiche possono essere rappresentate attraverso equazioni
chimiche nelle quali a sinistra vengono indicati i reagenti, a destra tutti i prodotti e fra
essi è indicata una freccia (che generalmente punta verso i prodotti) che indica il
verso della reazione.
REAGENTI
PRODOTTI
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L’INCENDIO
L’incendio può essere identificato generalmente come una rapida
combustione con sviluppo di calore, fiamme e gas ad elevata
temperatura che avviene in un luogo non predisposto a contenerli e
che perciò spesso sfugge al controllo dell’uomo.
L’incendio si sviluppa se sussiste contemporaneamente la concomitanza
di tre condizioni (triangolo della combustione):
• COMBUSTIBILE
• COMBURENTE
• INNESCO
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Analogamente un incendio in atto si combatte agendo sempre sui tre fattori,
mediante:
•
ESAURIMENTO o SOTTRAZIONE del combustibile (allontanamento o
separazione delle sostanze combustibili dal focolaio d’incendio)
•
SOFFOCAMENTO (separazione del comburente dal combustibile o
riduzione della concentrazione del comburente)
•
RAFFREDDAMENTO (sottrazione di calore fino ad ottenere una
temperatura inferiore a quella di attivazione ovvero a quella necessaria
al mantenimento della combustione)
Normalmente per lo spegnimento degli incendi si utilizzano tecniche basate su
combinazioni delle operazioni di esaurimento o sottrazione del combustibile, di
soffocamento e di raffreddamento.
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L’incendio viene suddiviso schematicamente in tre fasi (o secondo altre schematizzazioni
in quattro fasi):
1)inizio o fase dello sviluppo (fase di ignizione e propagazione)
2)Fase di combustione attiva (incendio generalizzato)
3)Fase di esaurimento o regressione (estinzione)
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Nella ricerca delle cause d’incendio, sia a livello preventivo che a livello di
accertamento, è fondamentale individuare tutte le possibili fonti di innesco
che possiamo in linea di massima ricondurre a:
-
ACCENSIONE DIRETTA
ACCENSIONE INDIRETTA
ATTRITO
CAUSE ELETTRICHE
AUTOCOMBUSTIONE o RISCALDAMENTO
SPONTANEO
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TRASMISSIONE DEL CALORE
CONDUZIONE: è caratteristica dei solidi, anche se
non esclusiva; essa avviene per propagazione diretta
dell’energia termica da uno strato di materiale al
contiguo col quale è in contatto. Il calore quindi si
trasferisce da un corpo più caldo ad uno più freddo
per contatto diretto.
La quantità di calore che viene trasferita dipende dal
coefficiente di conduttività termica tipico di ciascun
materiale, dalla superficie di contatto e dal tempo
durante il quale il contatto si protrae:
Q = k A (T2 – T1) t
l
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CONVEZIONE: è caratteristica del contatto tra solidi
e fluidi, in quanto il materiale fluido che subisce
variazioni di temperatura cambia densità e, per
effetto della gravità, tende a muoversi spostando
masse di fluido caldo verso zone dove sono presenti
masse più fredde (a maggiore densità) e viceversa. Il
calore quindi viene trasmesso per interposizione di
un fluido vettore, gas o liquido, ovvero la
trasmissione del calore è associata a movimento di
materia.
L’espressione che si utilizza correntemente è:
x = h S (T1 – T2)
dove
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x = flusso termico (dq/dt)
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IRRAGGIAMENTO: è caratteristico (ancorché non esclusivamente) del
vuoto, in quanto corrisponde allo scambio diretto di energia tra superfici e tra
corpi attraverso un mezzo interposto trasparente; tale scambio avviene per
effetto della temperatura del corpo emittente e non è influenzato dalla presenza
o meno di altri corpi. Il calore quindi si trasferisce da un corpo all’altro attraverso
lo spazio.
Ogni corpo è caratterizzato da un coefficiente di riflessione o assorbimento, per
definizione il corpo nero ha coefficiente di assorbimento = 1.
Il calore ricevuto da un oggetto per irraggiamento è tanto più basso quanto più è
distante la fonte di emissione. La quantità di calore scambiata dipende dalla
differenza di temperatura dei due corpi ed è inversamente proporzionale al
quadrato della loro distanza.
Il fenomeno dell’irraggiamento è piuttosto complesso, così come la sua
definizione quantitativa, infatti l’energia è trasportata nello spazio fra un corpo e
l’altro mediante onde elettromagnetiche, dette radiazioni.
Questo processo di trasmissione implica la trasformazione dell’energia termica
di un corpo in energia raggiante.
La teoria che determina gli studi delle radiazioni rientrano nell’ambito della
meccanica quantistica di Plank:
E = hn
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COMBUSTIONE
•
Dal punto di vista chimico per combustione si intende qualunque
processo esotermico – con sviluppo di gas – che parte da una
sostanza ossidabile e da un ossidante, con rilevante sviluppo di
calore e spesso di luce.
•
•
SOSTANZE OSSIDABILI
OSSIDANTE
•
Chimicamente una combustione è una reazione di ossidazione.
COMBUSTIBILI
COMBURENTE
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Perché ciò avvenga è necessario fornire al sistema una certa
energia, indipendentemente dal fatto che, nel suo svolgersi, la
reazione sia endo o esotermica. A questa energia si dà il nome
di ENERGIA DI ATTIVAZIONE.
L’equazione, dedotta da Arrhenius dall’espressione di Van’t Hoff
relativa alla dipendenza della costante di equilibrio dalla
temperatura, esprime la variazione della velocità di reazione con
la temperatura ed assume la forma:
d ln K / d T = E / RT2
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La combustione quindi è un fenomeno estremamente complesso e, in alcuni casi,
non ancora perfettamente chiarito per il gran numero di processi chimici e fisici,
strettamente connessi tra loro, che intervengono.
•
•
Se consideriamo ad esempio:
2 H2 + O2
•
gli stadi possono essere:
•
H2
•
H+ + 2 O--
•
OH- + 2 H+
2 H2O
H+ + H+
OH- + OH2 O + H+
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H2O
H [ + O2 + H2 ]
H2O
OH [+ H2]
H2O
H [+ O2 + H2]
OH- _ _ _
che rappresenta una reazione a catena.
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A seconda di come si presenta la “catena di radicali”
possiamo avere un processo di combustione lento,
veloce o addirittura esplosivo:
Processo “lento”
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Processo “esplosivo”
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19
•
La velocità di ossidazione costituisce l’elemento determinante e
caratterizzante del fenomeno poiché da essa dipendono:
- velocità di decomposizione o di vaporizzazione del
combustibile;
- la successiva combinazione dei prodotti ottenuti con il
comburente;
- quantità di calore sviluppato.
•
Le reazioni a catena di cui sopra possono arrestarsi per
distruzione o disattivazione delle specie attive
(TERMINAZIONE).
•
Nelle reazioni “lente” si ha equilibrio tra l’inizio e la terminazione
dei trasportatori di catena.
•
Nei processi “esplosivi” la velocità di terminazione è inferiore a
quella di formazione.
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• Si possono quindi avere:
• una combustione ordinaria, quando il
processo di ossidazione non è molto rapido;
• una deflagrazione, quando l’ossidazione
procede velocemente (con velocità del fronte
di propagazione della fiamma di alcune
decine di m/s);
• una detonazione, se il processo è
praticamente istantaneo (con velocità del
fronte di propagazione della fiamma di alcune
migliaia di m/s);
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•
Se una reazione esotermica avviene in uno spazio delimitato,
spesso il calore svolto non può essere dissipato. Come
conseguenza la temperatura aumenta, la velocità di reazione
cresce e ciò determina un ulteriore aumento di produzione del
calore. La velocità di reazione cresce ed il risultato finale è
chiamato esplosione, caratterizzato da aumento repentino di
pressione a cui può seguire un’ onda d’urto e in taluni casi un
riflusso (effetti meccanici).
•
Le esplosioni generalmente si distinguono in:
•
Deflagrazioni: quando il fronte di fiamma si propaga a velocità
sub-sonica e si sviluppa con pressioni fino a 8 atm;
•
Detonazioni: quando il fronte si propaga a velocità supersonica
(> 340 m/min) e sviluppa pressioni fino a 40 atm;
•
Scoppi: quando la reazione si sviluppa in un ambiente confinato
o per la rottura violenta di un contenitore a seguito di un
eccesso di pressione all’interno di esso.
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STABILITA’ TERMICA
La STABILITA’ TERMICA viene quantificata
in base alla cinetica di decomposizione
con la temperatura.
A tal riguardo esistono dati (Madorsky, 1964) che riportano la
temperatura a cui in 30 minuti si ha la decomposizione del
50% di un campione di solido (emivita a 1800 s).
Più alta è la temperatura e maggiore è la
stabilità termica della sostanza.
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FATTORI CHE INFLUENZANO LA STABILITA’ TERMICA
Fattore
Effetto
Esempio
T emivita
(°C)
Ramificazione della catena
Diminuisce
Polimetile
Polietilene
Polipropilene
Polibutilene
415
406
387
348
Doppi legami della catena principale
Diminuisce
Polipropilene
Poliisoprene
387
323
Aumenta
Polibenzile
Polistirolo
430
364
Peso molecolare elevato
Aumenta
Polimetimelacrilato tipo B
Polimetimelacrilato tipo A
327
283
Legami trasversali nella catena
Aumenta
Polivinilbenzene
Polistirolo
399
364
Ossigeno nella catena principale
Diminuisce
Polietilene
Polimetileneossido
Poliossimetilene
415
345
<200
Anello benzenico
principale
nella
catena
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Una ulteriore verifica quantitativa è quella basata sul bilanciamento di ossigeno.
E’ una misura della propensione alla rapida ossidazione delle sostanze che
utilizzano l’ossigeno contenuto nella propria composizione (es. ossigeno
presente come una parte della struttura).
Il calcolo (di cui un esempio è più sotto) basato sulle formule della combustione,
determina un numero adimensionale che viene utilizzato per classificare la
pericolosità potenziale della molecola.
Un valore < -200 indica che la sostanza è da considerarsi stabile termicamente;
valori compresi tra – 200 e –100 indica che la sostanza potrebbe essere
incline ad instabilità termica; valori > -100 indicano che la sostanza ha
probabili proprietà esplosive e che quindi deve essere manipolata con cura
(saranno necessari test su piccola scala o test di classificazione della
sostanza come propriamente esplosiva).
Ca Hb Oc Nd + (a + b/4 – c/2) O2
Bilancio di ossigeno=
aCO2 + b/2 H2 O + d/2 N2
- 1600 (2a + b/2 – c)
Peso Molecolare
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(1)
(2)
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TONALITA’ TERMICA
In generale per quanto attiene l’incendio, più che alla cinetica chimica e ai meccanismi delle reazioni si
preferisce affrontare le problematiche in senso globale.
Il calore di combustione riferito all’unità molecolare di
combustibile (MOLE) è definita TONALITA’ TERMICA della
reazione ed è espressa in Kcal/mole.
Ad esempio si prenderanno in considerazione reazioni “globali” del tipo:
C + O2
H2 + ½ O2
CO2
+ 94.052
Kcal/mole
H2O vap
+ 57.797
“
CO + ½ O2
CO2
+ 67.636
“
CH4 + 2 O2
CO2 + 2 H2O vap+ 191756
“
SO2
“
S + O2
+ 70.940
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• Per grammo molecola o mole di una
sostanza chimica si intende un numero di
grammi di quella sostanza pari al suo peso
molecolare.
• Per chilogrammo molecola o Chilomole di
una sostanza chimica si intende un numero di
chilogrammi di quella sostanza pari al suo
peso molecolare.
• Una mole di qualunque gas occupa in
condizioni normali un volume molto vicino a
22.4 lt. Analogamente, una Chilomole di gas
in condizioni normali occuperà un volume di
circa 22.4 m3 .
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Le tonalità termiche, come abbiamo visto, sono
espresse in kCal/mole e ciò non consente un
facile confronto fra i diversi combustibili, infatti
ogni sostanza ha un proprio peso:
1 mole di
1 “
“
1 “
“
1 “
“
1 “
“
C
vale 12 g
“
2g
H2
CO
“ 28 g
“ 16 g
CH4
S
“ 32 g
E’ quindi più utile, per gli scopi ingegneristici,
riferirsi al potere calorifico
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POTERE CALORIFICO
QUANTITA’
DI
CALORE
PRODOTTA
BRUCIANDO
COMPLETAMENTE
UNA
QUANTITA’
UNITARIA
DI
3
COMBUSTIBILE ( 1 kg se solido o liquido, 1 Nm se gas).
Nella pratica, poiché i combustibili non sono mai puri, sono
composti da varie sostanze la cui percentuale nella composizione
può variare entro certi limiti, si preferisce effettuare la
determinazione del potere calorifico per via sperimentale con
apposite apparecchiature: per i combustibili solidi e liquidi
vengono utilizzati il calorimetro adiabatico o il calorimetro di
Berthelot-Mahler e Bomba di Mahler, mentre per i combustibili
gassosi si utilizza il calorimetro di Junkers.
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Si devono distinguere due poteri calorifici:
- POTERE CALORIFICO SUPERIORE
- POTERE CALORIFICO INFERIORE
Si ha il potere calorifico superiore quando l’acqua presente al termine della
combustione (somma di quella già eventualmente presente nel
combustibile più quella prodotta nella combustione stessa) si trova allo
stato liquido (ciò significa che i prodotti della combustione vengono
raccolti a temperatura ambiente e pertanto se tra di essi vi è acqua,
questa si troverà allo stato liquido, quindi al sistema di misura saranno
state cedute anche le calorie di condensazione).
Si ha il potere calorifico inferiore quando l’acqua si trova allo stato
gassoso. Questo è il caso più comune.
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La differenza fra i due poteri calorifici è evidentemente uguale al calore di
vaporizzazione dell’acqua prodotta:
QS = Qi + n 600
n=
600 =
quantità espressa in kg di acqua presente tra i
prodotti della combustione
numero di kCal necessarie per vaporizzare 1 kg
di acqua
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Bomba di Mahler
QS = D T (P + A) . 1
P
DT =
P =
A =
1 =
p =
aumento della temperatura [°C]
quantità di acqua utilizzata nel
calorimetro [kg]
equivalente in acqua del calorimetro [kg]
calore specifico dell’acqua [kCal/kg °C]
quantità di combustibile utilizzato [kg]
T
ΔT
t
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Il calorimetro di Junkers
QS = G(T2 – T1) .1
VN
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Il metodo per la determinazione del potere calorifico per i materiali
da costruzione è definita dalla norma ISO 1716 e UNI 7557 –
“Determinazione del potere calorifico”.
La conoscenza del potere calorifico delle sostanze è determinante per la
valutazione del carico d’incendio di un compartimento (espresso in
MJ/m2 )
MATERIALI
ABITI
ACETILENE
ALCOOL ETILICO
BENZINA
BUTANO
GASOLIO
IDROGENO
LEGNO STANDARD
METANO
POLIURETANO
PROPANO
ZOLFO
ZUCCHERO
POTERE CALORIFICO [MJ/kg]
17-21
48
25
42
46-51
42
143
18.48
56
26
46
9
17
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TASSO DI COMBUSTIONE
(Burning rate)
Quando un combustibile liquido o solido bruciano si ha una
contemporanea perdita di massa per evaporazione o pirolisi.
Questa perdita di massa spesso viene identificata con il tasso di
combustione.
In effetti questa è un’inesattezza perché, in genere, non tutto il combustibile vaporizzato viene
bruciato.
Esiste infatti il cosiddetto “rapporto di equivalenza” che misura
quanto la reazione di combustione è stechiometrica, cioè se
esiste sovrabbondanza di vapori di combustibile o di ossigeno:
Se Φ < 1 la combustione è povera di combustibile;
Se Φ >1 la combustione è ricca di combustibile.
In linea di massima l’equivalenza “perdita di massa = tasso di combustione” può considerarsi accettabile.
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Dove:
1/A (dU/dt)
Variazione dell’energia disponibile per
unità di area
Variazione, per unità di area,
dell’energia necessaria alla
vaporizzazione
A
Area
L
Calore di massificazione e si trova
tabellato per diversi materiali. Per
materiali solidi è un parametro derivato
sperimentalmente, mentre per i liquidi
coincide col calore di evaporazione ed è
una proprietà derivata da altri parametri
termodinamici.
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TASSO DI RILASCIO TERMICO
(Rate Heat Release)
Il potere calorifico non dà indicazioni circa la “portata termica” che viene
rilasciata durante un incendio. Infatti la portata termica, intesa come rilascio di
energia nel tempo, dipende da diversi fattori quali, ad esempio, il regime di
ventilazione e la forma del combustibile.
In ogni caso è questo tasso di rilascio termico a descrivere, in termini energetici
e quindi di pericolo, l’evoluzione di un incendio.
La conoscenza del tasso di combustione, unitamente
al calore di combustione (potere calorifico),
ci permette di calcolare il tasso di rilascio termico
Se si assume però che l’incendio è controllato
dalla ventilazione (fase post-flashover) e che tutta
l’aria che entra nel compartimento partecipa alla
combustione all’interno di esso, allora il tasso di rilascio
termico può ricavarsi dall’entalpia della massa d’aria
La massa d’aria entrante, con buona approssimazione,
può essere definita
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Le curve di rilascio termico (HRR)
Una combustione rilascia nell’ambiente del calore per
irraggiamento e per convezione (si trascura il calore
perso per conduzione). Ai fini della previsione
dell’evoluzione di un incendio in un ambiente, il dato di
maggiore interesse relativo al materiale che brucia è
quello della POTENZA TERMICA RILASCIATA.
La potenza, di solito espressa in kw, varia istante per
istante. L’insieme dei dati che per un materiale o un
prodotto connotano il rilascio di calore nell’ambiente è
riassunto nelle curve di rilascio termico, definite nella
letteratura anglosassone come heat release rate (HRR).
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Peak fire
size
HRR (kw)
800
600
400
200
0
Time (min)
10
20
30
40
Esempio di curva HRR.
Nel caso raffigurato è illustrato il risultato di una prova su una poltrona.
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Le curve HRR della maggior parte dei materiali ha mostrato un
andamento nella fase di crescita di tipo quadratico in funzione
del tempo. Tale andamento è espresso dalla relazione
α t2
Con riferimento a questi materiali è stato possibile fornire una prima
classificazione dei fuochi, nella quale si suddividono i fuochi in
rapporto al tempo necessario per raggiungere il valore di 1055 kw.
I materiali possono essere classificati nelle quattro categorie
evidenziate, in base alla velocità con cui aumenta la potenza
termica rilasciata nella fase di crescita dell’incendio ed al tempo
necessario per raggiungere 1055 kw (valore corrispondente a
1000 Btu/s).
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Nella fase di pre-flashover dell’incendio è possibile calcolare l’energia
rilasciata necessaria per giungere alle condizioni di incendio generalizzato.
Questo è possibile perché il valore della potenza di flashover può essere
dedotta integrando l’espressione della potenza termica:
Eflashover = 0 ∫
t flashover
α t2 =
1/3 α tflashover3
La tabella seguente riporta alcuni valori di picco di RHR e il tempo necessario per il flashover, relativi ad alcuni materiali.
Si noti la differenza di comportamento tra i materiali presi ad esempio, indipendentemente dal potere calorifico.
Materiale
Valore di picco
di HRR [kw]
Tempo per il
flashover [s]
Pannelli di abete
1330
131
Compensato spesso cm 5.6
1700
195
Compensato spesso cm 12.8
1900
140
Schiuma rigida poliuretanica
5950
8
Trasparenti in acrilico
1920
618
Schiuma polistirolo
4200
71
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ARIA TEORICA DI COMBUSTIONE
e
VOLUME E COMPOSIZIONE DEI FUMI
• PER ARIA TEORICA DI COMBUSTIONE SI
INTENDE LA QUANTITA’ DI ARIA NECESSARIA
AFFINCHE’ UNA SOSTANZA POSSA BRUCIARE
COMPLETAMENTE
• Il volume di aria teorico richiesto per la combustione
dell’unità di massa o di volume di un combustibile è
detto POTERE COMBURIVORO.
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Poiché la composizione dell’aria è data da:
78 % N2 ;
21 % O2 ;
1 % altri gas
si ha:
N2 / O2 = 3.8
(1)
Siamo in grado di calcolare la quantità di aria teorica necessaria per la
combustione di alcune sostanze:
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Combustibili gassosi: Metano
CH4 + 2 O2
CO2
+ 2 H2O
Poiché come corollario del principio di Avogadro, nel caso di gas esiste in prima approssimazione
una proporzionalità diretta fra numero di moli e volume:
Per bruciare 1 m3 di CH4 sono necessari 2 m3 di O2 ;
poiché il rapporto nell’aria N2 / O2 = 3.8, si ha che nella combustione di 1 Nm3 di CH4 sono coinvolti
2 x 3.8 = 7.6 Nm3 di N2 .
La reazione di combustione del metano in aria può conseguentemente essere scritta:
CH4 + 2 O2 + 7.6 N2
CO2 + 2 H2O + 7.6 N2
Per bruciare 1 Nm3 di CH4 occorreranno 2 Nm3 di O2 e 7.6 Nm3 di N2 ,
complessivamente 9.6 Nm3 di aria.
Dalla stessa reazione possiamo anche dedurre la natura e i valori rispettivi dei
prodotti gassosi di combustione che, nella terminologia della combustione,
vengono definiti col nome di fumi.
Bruciando 1 Nm3 di CH4 col quantitativo teorico di aria, i fumi sono costituiti
da 1 Nm3 di CO2, 7.6 Nm3 di N2 e 2 Nm3 di acqua allo stato vapore.
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45
La composizione del combustibile è:
80 % C;
4.5 % H2 ; 8.5 %
O2 ; 1.5 % N2 ; 1.5 % S;
4.0 % Ceneri
Le reazioni di combustione sono:
C + O2
CO2
(1)
Per ogni chilomole (12 kg) di C sono necessari 1 chilomole di O2 (cioè 22,4 Nm3), poiché in 1 kg di combustibile è
presente 0.8 kg di C, si imposta la proporzione:
12 : 22.4 = 0.8 : x
x = 1.49 Nm3 di O2
2 H2 + O2
2 H2O
(2)
SO2
(3)
si imposta la proporzione:
4 : 22.4 = 0.045 : y
y = 0.25 Nm3 di O2
S + O2
si imposta la proporzione:
32 : 22.4 = 0.015 : z
z = 0.0105 Nm3 di O2
Tenendo conto che nel combustibile è contenuto l’ 8.5 % di O2
32 : 22.4 = 0.085 : u
u = 0.06 Nm3 di O2
Il quantitativo totale di O2 richiesto per la combustione completa sarà:
x + y + z – u = 1.49 + 0.25 + 0.0105 – 0.06 = 1.69 Nm3 di O2.
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46
Il quantitativo di N2 associato nell’aria è:
1.69 x 3.8 = 6.42 Nm3
a questo va aggiunto il contributo della trasformazione in N2 elementare dell’azoto presente nel combustibile,
ricavato dalla proporzione:
28 : 22.4 = 0.015 : t
t = 0.01 Nm3 di N2
Il quantitativo di N2 in totale sarà:
6.42 + 0.01 = 6.43 Nm3 (4)
Pertanto l’aria teorica di combustione è data da:
1.69 + 6.43 = 8.12 Nm3
Possiamo impostare più generalmente il calcolo ora effettuato con la formula:
VO2
12
= 22.4 ( % C + % H2 + % S - % O2 )
4
32
32
= 1.87 ( % C) + 5.6( % H2 ) + 0.7 (% S) - 0.7(% O2 )
Indicando per semplicità con C, H, S e O rispettivamente la % C, % H2 , % S e % di O2 , si ottiene la
formula generale:
VO2 = 1.87 C + 5.6 H + 0.7 S - 0.7 O
Varia
= 4.80 VO2 = 8.9 C + 26.7 H + 3.3 S - 3.3 O
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47
La composizione dei fumi:
- Volume di CO2
- Volume di H2O
- Volume di SO2
=
=
=
volume di O2
2 volumi di O2
volume di O2
Pertanto dalla combustione di 1 kg di combustibile in esame si hanno:
1.49
0.50
0.01
6.43
____
8.43
[derivanti dalla reazione (1)]
[= (2 x 0.25) derivanti dalla reazione (2)]
[derivanti dalla reazione (3)]
[derivanti dalla calcolo (4)]
Nm3
“
“
“
O2
H2 O
SO2
N2
Nm3
Volume teorico dei fumi
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48
COMBUSTIONE IN ECCESSO D’ARIA
Nel caso di combustibili solidi, specie quando
vengano bruciati su griglia, per avere una
combustione completa è necessario in pratica fare
uso di un notevole eccesso di aria rispetto al teorico.
L’aria in eccesso non brucia e passa di conseguenza
inalterata fra i prodotti di combustione.
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Consideriamo l’esempio precedente relativo alla combustione di un litantrace
e supponiamo di condurre la combustione con un eccesso di aria al 40%.
In tal caso il quantitativo di aria sarebbe:
8.11 + 0.4 x 8.11 = 8.11 + 3.24 = 11.35 Nm3
I fumi di combustione saranno composti da:
1.49
0.50
0.01
6.43
2.56
0.68
_____
11.67
Nm3
“
“
“
“
“
Nm3
CO2
H2O
SO2
N2
N2 [quota derivante dall’eccesso di aria]
O2 [quota derivante dall’eccesso di aria]
Volume dei fumi
Il volume di CO2 prodotto dalla combustione completa è lo stesso in
assenza o in presenza di un eccesso di aria comburente. Diversa è
nei due casi la percentuale in volume di CO2 nei fumi:
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Si definisce:
% CO2 (teorico)
=
VCO2
VFumi teorici
100;
% CO2 (effettivo)
=
VCO2
VFumi effettivi
100
Da cui
% CO2 (teorico)
% CO2 (effettivo)
=
VFumi effettivi
VFumi teorici
La determinazione sperimentale della percentuale di anidride carbonica
effettiva nei fumi ed il suo confronto con la percentuale teorica, ottenibile dal
calcolo, una volta conosciuta l’analisi elementare del combustibile,
permettono di determinare con continuità l’eccesso di aria effettivamente
impiegato, dato di fondamentale importanza per il controllo della
combustione. Di contro tali parametri possono essere presi a riferimento per il
calcolo del “rendimento” dei bruciatori.
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51
TEMPERATURA TEORICA DI
COMBUSTIONE
Per temperatura teorica di combustione o temperatura di fiamma si
intende la massima temperatura che potrebbe essere raggiunta nel
corso di una combustione se tutto il calore sviluppato fosse speso
unicamente per riscaldare i prodotti della combustione stessa.
La temperatura teorica di combustione
si intende relativa alla
combustione eseguita col quantitativo teorico di aria, infatti la temperatura
di combustione varia in funzione della quantità di aria e della conseguente
composizione dei fumi.
ad esempio:
H 2 + ½ O2
H 2 + ½ O2 + 2 N2
H2O vap
H2O vap + 2 N2
TF = 3280 °C
TF = 2200 °C
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52
GRADO DI DISSOCIAZIONE TERMICA
Quando le temperature superano determinati valori
(all’incirca i 2000 °C) bisogna tener conto di un altro
fenomeno e cioè quello della decomposizione
chimica di alcuni dei possibili prodotti di
combustione: l’anidride carbonica e l’acqua.
2 CO2
2 H2 O
2 CO + O2
2 H2 + O 2
-
135200 Cal
115600 Cal
Le reazioni sono endotermiche e avvengono entrambe
con aumento di volume.
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Il GRADO DI DISSOCIAZIONE teorica a è così definito:
α =
n° di molecole che hanno subito dissociazione
n° di molecole inizialmente presenti
La dissociazione è tanto più spinta quanto più alta è la temperatura e più bassa è la
pressione, a temperatura costante a varia in maniera inversa alla pressione.
Per la CO2 abbiamo la seguente relazione:
Kp =
0.5 α 3
(1 - α )2 (1 + 0.5α )
.p
Poiché Kp varia con la temperatura secondo la legge:
d(ln Kp ) = - Q/ RT2
dt
che integrata assume la ben nota forma:
kp = A e -(Q/RT)
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54
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55
TEMPERATURA DI IGNIZIONE
TEMPERATURA DI INFIAMMABILITA’
LIMITI DI INFIAMMABILITA’
•
PER TEMPERATURA DI IGNIZIONE O DI ACCENSIONE SI
INTENDE LA TEMPERATURA MINIMA ALLA QUALE DEVE
ESSERE PORTATA LA MISCELA COMBUSTIBILECOMBURENTE
PERCHE’
INIZI
A
BRUCIARE
SPONTANEAMENTE ED IN MODO CONTINUO, SENZA
ULTERIORE APPORTO DI CALORE O DI ENERGIA
DALL’ESTERNO.
•
PER
I
COMBUSTIBILI
LIQUIDI
SI
DEFINISCE
TEMPERATURA
DI
INFIAMMABILITA’
QUELLA
TEMPERATURA
ALLA
QUALE
IL
COMBUSTIBILE
PRODUCE UNA QUANTITA’ DI VAPORI SUFFICIENTE A
FORMARE CON L’ARIA UNA MISCELA INFIAMMABILE.
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COMBUSTIBILE
TEMPERATURA DI
INFIAMMABILITA’ [°C]
TEMPERATURA DI
AUTOACCENSIONE [°C]
Etere di petrolio
- 56
288
n-pentano
- 49
285
Benzina
- 43
250-400
n-esano
-22
233
n-ottano
13
220
Acqua ragia minerale
38
232
38-74
227
cherosene
I combustibili possono essere conservati a temperatura ambiente in contatto
con aria, senza che avvengono modificazioni apprezzabili. Se però innalziamo
la temperatura in un punto del combustibile fino ad innescare la reazione di
ossidazione, la velocità di questa può assumere valori elevati e la
combustione procede massivamente e si manifestano i caratteristici fenomeni
termici e luminosi.
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57
La temperatura minima oltre la quale la
reazione
procede
spontaneamente,
indipendentemente cioè dalla fornitura di
calore, prende il nome di TEMPERATURA DI
AUTOACCENSIONE (a volte indicata come
temperatura di autoaccensione o accensione
spontanea).
• La temperatura di accensione varia con lo stato
fisico del combustibile e del rapporto tra
combustibile e comburente.
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58
•
•
In vaso chiuso la
temperatura di
infiammabilità viene
determinata con
l’apparecchio di AbelPensky per i prodotti a
punto di infiammabilità
< 50 °C e quello di
Pensky-Martens per
quelli con punto di
infiammabilità più
elevato.
In vaso aperto è
utilizzato l’apparecchio
di Marcusson.
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59
CATEGORIE DI LIQUIDI INFIAMMABILI
•
In funzione della temperatura o punto di infiammabilità i combustibili liquidi sono
suddivisi in tre categorie:
• A
• B
• C
“
< 21°C
tra 21 °C e 65 °C
“
> 65 °C
punto di infiammabilità
(benzine)
(kerosene)
(oli combustibili)
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60
LIMITI DI INFIAMMABILITA’
Affinchè i vapori di combustibile possano bruciare è necessario che le loro concentrazioni in aria si
trovino entro determinati valori detti LIMITI DI INFIAMMABILITA’.
LIMITE INFERIORE DI INFIAMMABILITA’:
È la più bassa concentrazione in volume di vapore
della miscela al di sotto della quale non si ha
accensione in presenza di innesco.
LIMITE SUPERIORE DI INFIAMMABILITA’:
È la più alta concentrazione di vapore della miscela al
di sopra della quale non si ha innesco per eccesso di
combustibile (o carenza di comburente)
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SOSTANZE
CAMPO DI INFIAMMABILITA’
% IN VOLUME)
LIMITE
INFERIORE
LIMITE
SUPERIORE
Acetone
2.5
13
Ammoniaca
15
18
benzina
1
6.5
gasolio
0.6
6.5
idrogeno
4
75.6
metano
5
15
Anche i gas sono infiammabili entro una zona definita da due limiti di infiammabilità che si
esprimono anch’essi in percentuale in volume di gas combustibile nella miscela totale
combustibile + comburente.
L’ampiezza del campo di infiammabilità dipende da:
-pressione
-temperatura
-direzione dell’accensione (fronte di fiamma)
-dimensioni e forma del contenitore
-presenza di gas inerti e vapor d’acqua.
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AUTOCOMBUSTIONE O COMBUSTIONE SPONTANEA
AVVIENE TUTTE LE VOLTE CHE IL PROCESSO DI COMBUSTIONE
NON VIENE INNESCATO DA UNA SORGENTE DI ENERGIA ESTERNA
AL MATERIALE CONBUSTIBILE, BENSI’ DAL CALORE PRODOTTO
DALLO STESSO COMBUSTIBILE.
I materiali che, ammassati in gran quantità sono più suscettibili di poter
bruciare per autocombustione sono:
•carbone di legna
•vernici all’olio o pitture contenenti essiccativi
•erba medica e fieno
•farina di pesce
•oli vegetali
•oli di pesce
•stracci impregnati di oli e vernici
•cacao in grani
•carta da macero umida
•cuoio e cascami
•feltri e cartoni catramati
•fertilizzanti organici
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