1. Interpretacja procesu spalania /definicje, czynniki wpływające na ten proces/

SPALANIE- 1)jest to proces fizykochemiczny przebiegający pomiędzy materiałem palnym i powietrzem z wydzieleniem ciepła i powstaniem efektów świetlnych. 2)jest to egzotermiczna reakcja palnego materiału (paliwa) z utleniaczem zwykle z towarzyszeniem płomieni, i(lub) tlenia lub żarzenia i(lub) dymu.

Procesy fizyczne przygotowują materiał palny do spalania, w przypadku gazu są to procesy dyfuzyjne, w przypadku cieczy- parowanie, ciał stałych- rozkład termiczny (dysocjacja termiczna, piroliza, rozkład termiczny)

2. Typy spalania /dyfuzyjne, kinetyczne/. Co różnicuje ten proces i jak typ spalania wpływa na szybkość spalania

1. Spalanie dyfuzyjne (wolne), np. pożar - szybkość spalania zależy od dyfuzji powietrza do środowiska pożarowego. Występuje tutaj rozdział substancji palnej i powietrza. Łączą się one dopiero w chwili zapoczątkowania reakcji spalania. Tym typem spalania rządzi zjawisko fizyczne (dyfuzja), więc jest to spalanie wolne.

b) Spalanie kinetyczne (szybkie), np. wybuch - szybkość spalania nie zależy od dyfuzji powietrza. Występuje tutaj mieszanina substancji palnej z powietrzem, której całkowity czas spalania uzależniony jest od kinetyki reakcji chemicznej, co oznacza, że jest to spalanie bardzo szybkie (wybuchowe), ponieważ reakcja chemiczna przebiega o wiele rzędów szybciej niż zjawisko fizyczne.

3. Podstawowa różnica między spalaniem, a pożarem w odniesieniu do warunków przebiegu procesów.

Gdy spalanie jest niekontrolowanym w czasie i przestrzeni wydzielaniem ciepła połączonym z przenoszeniem masy, mamy do czynienia z pożarem

Pożar- jest to efekt cieplny powstały z różnych przemian chemicznych i zjawisk mechanicznych w danych warunkach wymiany gazowej w określonym układzie termodynamicznym powodujący zmianę stanu równowagi termodynamicznej tego układu. Różni się tym, że poza spalaniem pożar charakteryzuje przede wszystkim wymiana gazów w takim układzie palnym w którym zachodzi. Wymiana gazowa następuje pomiędzy produktami rozkładu termicznego, a produktami spalania i zimnym powietrzem. Na skutek zmian temperatury środowiska pożarowego i zimnego powietrza następuje zmiana gęstości poszczególnych gazów i w konsekwencji w skutek działania sił wyporu wymiana gazowa -spalanie jest elementem pożaru

4. Termostabilność materiałów palnych /definicja, sposoby jej określania/. Jak termostabilność wpływa na palność materiałów.

Termostabilność jest to ubytek masy w czasie ogrzewania lub poprzez temperaturę. Oznacza się ją: 1.Temperatura maksymalnego ubytku. 2. Temperatura, przy której polimer traci 50% masy w czasie 30 minut (czas połowicznego rozkładu lub temperatura czasu półtrwania polimeru oznaczana Th) - dla tworzyw.

Termostabilność decyduje o szybkości spalania się materiału w środowisku pożarowym, ponieważ powstałe z rozkładu termicznego produkty decydują o tym, jak szybko nastąpi zapłon, czy samozapłon i ile energii cieplnej z płomienia zostanie zwrócone spalającej się powierzchni.

Termostabilność -wpływa na nią moc wiązania pomiędzy atomami tworzącymi polimery, co obrazuje wartość energii dysocjacji tych wiązań. Im ta energia jest większa tym polimer jest odporniejszy termicznie. Innymi słowy termostabilność określana jest jako graniczna temperatura, po osiągnięciu której ma miejsce termiczny lub termochemiczny rozkład polimeru charakteryzujący się wydzielaniem substancji lotnych.

Najłatwiej jest rozłożyć polimery, gdzie są wiązania: C-Cl, C-Br, C-I, trudniej typu C-C, C=C.

Moc wiązania pomiędzy atomami w łańcuchu polimeru zależy również od podstawnika i budowy całej makrocząsteczki:

1. niska odporność cieplna charakteryzuje posiadające w swojej budowie grupy -OH, -Cl, -NH2 z których w czasie ogrzewania wytwarza się H2O, chlorowodór, amoniak, alkohole

2. Zmniejszanie odporności termicznej obserwuje się w polimerach posiadających duże grupy boczne (np. fenylowe) przyłączone do łańcucha głównego.

3. Polimery, których łańcuchem głównym są pierścienie aromatyczne mają większą termostabilność niż te o budowie łańcuchowej lub cyklicznej.

4. Zastąpienie wodoru przy węglu w łańcuchu glównym przez grupe metylową powoduje zmniejszenie termostabilności.

5. Polimery mające wbudowane w łańcuchu głównym, węglowym, atomy tlenu, są mniej odporne na ciepło niż te złożone wyłącznie z atomów węgla.

5. Płomień /definicja, typy płomieni, wpływ różnych czynników na charakterystykę termiczną i spektralną płomienia, temperatura płomienia, kształt, szerokość, wysokość, intensywność promieniowania, własności dymu/.

Płomień jest to objętość gazowa, w której występuje spalanie się palnej fazy lotnej.

Płomień dyfuzyjny charakteryzuje spalanie dyfuzyjne. Jest to płomień powstały w wyniku zapalenia tej części objętości, w której następuje mieszanie się paliwa z powietrzem. Szybkość spalania w płomieniu dyfuzyjnym jest określona szybkością dyfuzji powietrza do strefy spalania płomienia. Szybkośc ta jest podstawą klasyfikacji płomieni na :

1. laminarne - przy niskich szybkościach przepływu

2. turbulentne - przy wysokich szybkościach przepływu

Pomiędzy dyfuzyjnym płomieniem laminarnym, a turbulentnym jest taka różnica że płomień turbulentny dla tego samego paliwa ma:

• mniejszą wysokość ( wysokość płomienia zależy od szybkości przepływu fazy lotnej; lepsze mieszanie mieszaniny, szybsze spalanie)

• większą szybkość spalania ( ze względu na penetrację głębiej powietrza w głębiej położonej objętości płomienia)

• wyższą temperaturę spalania ( ze względu na szybkość spalania)

Temperatura spalania jest funkcją ciepła spalania. Decyduje o własnościach

środowiska pożarowego. Zależy od:

1. ciepła spalania - im wyższe ciepło spalania, tym wyższa temperatura płomienia

2. współczynnika nadmiaru powietrza  - oznacza on stosunek objętości powietrza niezbędnego do spalenia jednostki masy materiału w warunkach rzeczywistych, do objętości powietrza wyliczonej z równania stechiometrycznego.

3. wysokości płomienia - jest funkcją objętościowej szybkości przepływu paliwa w przepływie laminarnym. Najwyższą temperaturę notuje się w 1/3 wysokości płomienia, a najniższą tuż przy powierzchni spalania, w górnej części płomienia maleje, gdyż produkty spalania uniemożliwiają dopływ powietrza do paliwa.

4. charakterystyki spektralnej płomienia ( emisyjności płomienia w warunkach pożarowych) - im płomień więcej wypromieniowuje ciepła, tym bardziej temperatura spalania spada. Charakterystyka ta jest zmienna i zależna od ilości węgla, która znajduje się w danej substancji. Wszystkie związki które mają zawartość węgla powyżej 60%, dają płomień świecący.

5. Współczynnika emisji ciepła promieniowania z płomienia do otoczenia - im jest większy, tym temperatura spalania jest niższa.

Dym to dyspersyjny układ aerozolowy, składający się z ośrodka gazowego

(faza rozpraszająca, tzw. dyspersyjna), oraz fazy rozproszonej w stanie ciekłym lub stałym.

Dym tworzący się podczas spalania płomieniowego składa się prawie całkowicie z cząstek stałych (sadzy). W warunkach oddziaływania płomienia jako wysokoenergetycznego strumienia ciepła mała część cząsteczek stałych oblepia ciekłe produkty spalania, dlatego też przy spalaniu płomieniowym powstaje znacznie mniej dymu niż przy bezpłomieniowym. Większość zaś tych cząstek jest tworzona w fazie gazowej w wyniku niecałkowitego spalenia, wysokiej temperatury i niskiej zawartości tlenu. Własności dymu zależą od rodzaju ośrodka gazowego, fazy dyspersyjnej, tzw. Stężenia liczbowego i masowego, rozmiarów cząsteczek, pierwotnego kształtu cząsteczek nie zaglomerowanych, stopnia ich agregacji, kształtu agregatów i ładunku elektrycznego cząsteczek.

Własności dymu:

• stopień przezroczystości - jest to stosunek natężenia wiązki światła wchodzącego w dym I₀, do natężenia wiązki światła I po przebyciu przez nią w obłoku dymu drogi o długości l, przy założeniu że część strumienia świetlnego określonego różnicą natężenia I₀-I nie osiąga punktu detekcji.

• optyczna gęstość dymu:D= log I₀/I

• właściwa gęstość optyczna dymu - gęstość optyczna warstwy aerozolu dymu o grubości 1 m wytworzonego w obj. 1 m3 w czasie rozkładu term. lub spalania próbki badanego materiału o powierzchni 1 m2. D_s= D*V/A*l gdzie: V- obj. komory dymowej, A- powierzchnia próbki, l- grubość mierzonej warstwy dymu.

• masowa gęstość optyczna dymu- gęst. opt. Warstwy dymu o grubości 1 m wytworzonego w obj. 1m3 w czasie rozkładu term. i spalania 1 kg materiału: MOD= D_s*A/m gdzie m- ubytek masy próbki w wyniku spalania lub bezpłomieniowego rozkładu termicznego w komorze

• ilość wydzielonego dymu: S=δV gdzie δwspółczynnik tłumienia

DYM jest nośnikiem ciepła a nie płomień!!!!!

6. Różnica między temperaturą płomienia, a temperaturą pożaru. Co jest najistotniejszą wielkością, która różni obie wyżej wymienione temperatury

Temperatura pożaru to średnia temperatura gazów spalinowych, które tworzą się w środowisku pożarowym.

Temperatura płomienia jest funkcją ciepła spalania, odwrotnie proporcjonalną do ciepła właściwego (entalpii) gazów spalinowych. Im wyższe ciepło spalania tym wyższa temperatura płomienia. Jest to najwyższa temperatura strefy spalania płomienia osiągana w następujących warunkach:

objętość powietrza, zużywana do spalania paliwa równa jest ilości powietrza teoretycznie wyliczonej z reakcji, czyli współczynnik nadmiaru powietrza  W wyniku spalania otrzymuje się produkty całkowitego spalania. Rzeczywista temperatura jest zawsze niższa od temp. teoretycznej ponieważ spalanie zachodzi w nadmiarze powietrza ( >). Spalanie jest niecałkowite i część ciepła spalania wypromieniowana jest do otaczającego środowiska.

Najwyższą temperaturę płomienia dają paliwa gazowe (acetylen, wodór), zawierające dużo węgla, najniższe- włókna syntetyczne (elana, nylon), średnie temp. płomienia dają między innymi materiały celulozopochodne.

Temp. płomienia zależy od wysokości, w której ją w płomieniu mierzymy. Najniższa temp. występuje bezpośrednio nad paliwem, najwyższa obserwowana jest w 1/3 wysokości płomienia.

Metale palą się bezpłomieniowo, bo nie mają fazy lotnej.

7.Co to znaczy własność palna materiału? Podać przykłady własności palnych materiałów o różnych stanach skupienia.

Własność palna- jest to taka własność materiału, która wyznaczana jest w warunkach laboratoryjnych, w warunkach niskoenergetycznych. Zalicza się tutaj temperaturę zapłonu, samozapłonu, samozapalenia.

Samozapalenie jest funkcją bilansu cieplnego. Temperatura samozapłonu jest funkcją masy.

Temp. zapłonu

1.Pyłów (ciał stałych) - najniższa temp. ziarna(ogrzewanej powierzchni), przy której produkty rozkładu termicznego tego ziarna zapalą się od płomieniowego źródła ciepła(punktowego bodźca energetycznego).

2.Cieczy- najniższa temp. cieczy ogrzewanej w ściśle określony sposób, w której to pary cieczy tworzą mieszaninę z powietrzem- mieszaninę zapalającą się przy zbliżeniu płomienia.

Ciecze palne to ciecze, które mają temperaturę zapłonu poniżej 100°C.Ciecze niebezpieczne pożarowo to te, które mają temperaturę zapłonu poniżej 55°C.

I kl. niebezpieczeństwa pożarowego < 21°C

II kl. niebezpieczeństwa pożarowego 21-55°C

III kl. niebezpieczeństwa pożarowego 55-100°C

Gazy nie są charakteryzowane przy pomocy temperatury zapłonu. Gazy nie mają temperatury zapłonu, ponieważ od płomienia zapalają się w każdej temperaturze powyżej ich temp. skroplenia.

Temp. samozapłonu

1.Pyłów - najniższa temp. ziaren pyłu, w której ulega on samorzutnemu zapaleniu się płomieniem. Przy samozapłonie dostarczmy tylko strumień ciepła ( bez płomienia).

-gazów 400-600°C.Wyjątki:

• C₂H₂ czysty 305

• C₂H₂ techniczny 140

• PH₃ 100

• P₂ H₄ 80

• H₂ S 240

Gazy mają wysoką temp. samozapłonu, bo są termoprzepuszczalne - przepuszczają promieniowanie cieplne.

- cieczy: 300- 500 °C. Wyjątki:

• benzyna lotnicza 260

• eter dwuetylowy 180

• dwusiarczek węgla 112

• aldehyd octowy 140

Jako ciecze mają szerokie granice wybuchowości.

-ciał stałych: 200-400°C. Wyjątki:

• koks

• antracyt

Mają wyższe temperatury samozapłonu z powodu nieporowatości i małego λ.

Temperatura Zapalenia:

Cieczy-nazywamy najniższą temperaturę ścianek naczynia, w której w danych warunkach i dla danej mieszaniny następuje samorzutne zapalenie cieczy w całej masie bez udziału tzw. zewnętrznego bodźca energetycznego.

8.Spalanie gazów (układów homogenicznych). Mechanizm reakcji łańcuchowej. Zasadnicze elementy łańcucha interpretacja tych elementów w procesie spalania. Omówienie na dowolnym gazie (wodór, tlenek węgla, metan itd.)

Spalanie gazów to spalanie homogeniczne. Jest to taki typ spalania, w którym mat. palny i utleniacz się w tym samym stanie skupienia. W takim spalaniu nie ma granicy rozdziału faz, ponieważ istnieje tylko jedna faza lotna.

Spalanie gazów może być

1. dyfuzyjne-(wolne), np. pożar- szybkość spalania zależy od dyfuzji powietrza do środowiska pożarowego. Występuje tutaj rozdział powietrza od gazu, mieszanina powstaje dopiero w strefie spalania.

2. kinetyczne-(szybkie)- wybuch, tzn. szybkość spalania nie zależy od dyfuzji powietrza, lecz od czynników cieplnych i hydrodynamicznych. Występuje tutaj mieszanina gazów, której szybkość spalania zależy od szybkości reakcji chemicznej.

Mechanizm reakcji łańcuchowej na przykładzie metanu CH₄ :

C+H = CH₃^*+H^*+M a inicjacja reakcji-paliwo zużywa się

CH₄+OH^*=CH₃^*+H₂O b

CH₄+H^*= CH₃^*+H₂ c

CH₄+O₂= CH₃^*+OH^* d

O₂+H^*=O^*+OH^* e Etap rozgałęzienia łańcucha

CH₃^*+O₂=CH₂O+OH^* f

CH₂O+O^*=CHO^*+OH^* g

CH₂O+OH^*=CHO^*+H₂O h

CH₂O+H^*=CHO^*+H₂ -cząstka niereaktywna i

H₂+O^*=H^*+OH^* j

H₂+OH^*=H^*+H₂O k

CHO^*+O^*=CO+OH^* l

CHO^*+OH^*=CO+H₂O m

CHO^*+H^*=CO+H₂ n

CO+OH^*=CO₂+H^* o Zakończenie reakcji łańcuchowej

H^*+OH^*+M=H₂O+M p

H^*+H^*+M=H₂+M r

H^*+O₂+M=H₂O+M s Zakończenie reakcji

Jeżeli z jednej cząsteczki powstaje jeden rodnik - reakcja łańcuchowa prosta.

Jeżeli powstają dwa rodniki - reakcja łańcuchowa rozgałęziona.

Obecność wolnej wartościowości w rodnikach powoduje, iż szybko łączą się one z paliwem w płomieniu wg pokazanego schematu łańcuchowego.

Aby powstał rodnik cząsteczka metanu musi zderzyć się z cząsteczką obojętną mp. powierzchnią naczynia. W wyniku zderzenia rozpocznie się proces inicjacji reakcji, tzn. paliwo zużywa się wg zapisu a-d. Na reakcji d kończy się etap inicjacji, ponieważ z jednego rodnika przed reakcją powstają dwa rodniki po reakcji, taką reakcję nazywamy reakcją łańcuchową rozgałęzioną, a rozpoczynający się etap- etapem rozgałęzienia łańcucha.

W reakcji f powstaje bardzo istotny pośredni produkt reakcji spalania w płomieniu wszystkich materiałów palnych lotnych, tzn. formaldehyd ( CH₂O ). Jest on bardzo ważnym etapem pośrednim w reakcji spalania paliw gazowych. Aldehyd łączy się następnie z poszczególnymi rodnikami. Powstały wodór (i) jest materiałem palnym. Występuje jednak w tej reakcji w postaci cząsteczkowej, czyli niereaktywnej, dlatego musi ulec rozbiciu na rodniki.

Reakcje e-l są to tzw. reakcje podstawowe rozgałęzienia łańcucha. Z chwilą powstania tlenku węgla zaczyna się tzw. terminacja, czyli zakończenie reakcji łańcuchowej. Polega to na dezaktywacji wolnych rodników poprzez przekształcenie ich w cząsteczki. W reakcji m-o powstały związki obojętne plus rodnik H^* , wchodzi on następnie w reakcję wg schematu p-s.

W ten sposób przebiega każda reakcja spalania paliwa gazowego.

10Źródło ciepła - definicje, typy, przykłady źródeł ciepła ich kaloryczność, moc,temp.

Źródło ciepła (bodziec energetyczny)-dowolny impuls cieplny, mający niezbędny (wystarczający w danych warunkach ) zapas energii cieplnej do zapoczątkowania reakcji spalania.

1.Punktowe(Q+ światło), są to takie bodźce, które oddziałują na ściśle określoną powierzchnie lub objętość(temp.pow.400ºC),zaliczamy do nich:

a)płomień zapałki

b)tlący się papier

c)żarzące się cząstki sadzy

2.Ciągłe (tylko ciepło) inicjują samozapłon. Zaliczamy do nich wszystkie nagrzane powierzchnie instalacji, mające temp. niższą niż 400ºC,mają energię nie świecą.

Inicjator spalania jest to ilość ciepła dostarczone przez źródło do układu palnego w stosunku do wartości ciepła spalania jednostki masy paliwa.

-niskoenergetyczne małe Q-kilka do kilkunastu kJ

-wysokoenergetyczne -duże Q- duża moc strumienia ciepła kJ, MJ.

Źródłem ciepła jest nawet najmniejszy impuls ciepła lecz nie każdy impuls wystarczy, by om świecił, musi oj by ć wystarczająco duży. Dlatego dzieli się je na punktowe i ciągłe. Źródła ciepła nazywane jako symulator pożarowy to takie impulsy cieplne, które w warunkach laboratoryjnych odtwarzają warunki pożarowe, tzn. podczas spalania dają strumień ciepła zbliżony do mocy strumienia ciepła, tworzącego się w pierwszej fazie pożaru. Najczęściej są to, moce rzędu od kilkudziesięciu do stu kJ.

Źródła ciepła -symulatory pożaru

Jednorodne Kombinowane

Jednoczesne oddziaływanie

źródeł płomieniowych i

bezpłomieniowych

O działaniu ogólnym Lokalne efekty Duża intensywność

(bezpośrednie zetknięcie np.:pożar fotela, pożaru(14-17 W/cm²,

się ze źródłem płomieni): stosu drewna. Tzn.140-170 kW/m²)

-zapałka

-tlący papieros

-rozżarzone cząstki metalu

Symulatory dzielimy na jednorodne, tzn. takie źródła, które składają się z jednego rodzaju materiału, ich oddziaływanie polega ma bezpośrednim zetknięciu się z materiałem. Drugi typ to duże źródła ciepła o lokalnym działaniu. Trzeci typ to źródła o dużej intensywności.

Symulatory pożaru kombinowane (łączone) to taki typ symulatorów pożarowych, które oddziałują na materiał palny jednocześnie płomieniem i warstwą tlącą lub żarzącą się (powierzchnie nie rozłożone ).Temperatura źródła ciepła ma maksymalną wartość w obszarze działania źródła ( płomień ).

---