Fenomene de ardere

Arderea

Arderea, ca fenomen natural fizico-chimic, este o reactie de oxidare a unei substante aflata in stare gazoasa.

Arderea, ca fenomen tehnic, este o reactie exoterma a unei substante combustibile cu un agent oxidant (EN ISO 13943-2008) sau o reactie exoterma a unei substante combustibile cu un comburant insotita, in general, de emisie de flacari si/sau incandescenta si/sau emisie de fum (SR ISO 8421/1).

Pentru ca procesul de ardere sa aiba loc trebuie intrunite simultan, in timp si spatiu, conditiile:

- prezenta materialului combustibil;

- prezenta substantei comburant (oxigenul din aer sau alta substanta care poate ceda oxigenul);

- prezenta sursei de aprindere (care sa asigure energie suficienta pentru initierea arderii).

La baza conceptiilor actuale despre mecanismul reactiilor de ardere se afla teoria reactiilor in lant. Aceasta teorie presupune formarea in timpul reactiei de oxidare a radicalilor liberi, care in urma reactiei cu alte molecule, formeaza noi radicali liberi ce reactioneaza la randul lor cu moleculele neutre. Aceste reactii sunt denumite reactii secundare de continuare a lantului. In acest mod apare un lant de reactii ce se repeta si pe timpul carora produsele finale se formeaza printr-o serie de faze intermediare, care initiaza inceputul unui nou lant ce constituie centrul activ al reactiei. Reactia, sustinuta de centrii activi, inceteaza cand lantul se intrerupe datorita ciocnirilor atomilor sau radicalilor cu molecule inerte (de exemplu haloni) sau cu o suprafata care absoarbe energia acestora (de exemplu particule de pulbere stingatoare).

Din punctul de vedere al tipului de reactie, arderile se pot clasifica in:

- arderi complete, cand substanta combustibila arde in intregime, existand la dispozitie o cantitate suficienta de oxigen pentru procesul de oxidare;

- arderi incomplete, cand substanta combustibila nu arde in intregime, deoarece nu exista la dispozitie o cantitate suficienta de oxigen pentru procesul de oxidare.

Arderea substantelor combustibile are loc, aproape intotdeauna, in faza gazoasa, exceptie facand arderea mocnita.

Inflamabilitatea este proprietatea unei substante combustibile, aflata in faza gazoasa, de a trece si ramane in stare de ardere cu emisie de lumina (initial notiunea s-a utilizat pentru gazelor cu proprietatea de a fi inflamabile, ulterior extinzandu-se si la substantele lichide si solide).

Temperatura de inflamabilitate constituie unul dintre indicii importanti pentru stabilirea pericolului de incendiu la substantele combustibile. Cu cat aceasta temperatura este mai scazuta, cu atat substanta respectiva prezinta un pericol mai mare de incendiu si explozie.

Flacara este un amestec de aer si gaz combustibil in reactie, cu emisie de lumina (anexa 1.1).

Din punctul de vedere al posibilitatilor de percepere, arderile se pot clasifica in:

- arderi cu flacara, cazul arderii combustiilor in faza gazoasa cu emisie de lumina (arderea cel mai des intalnita);

- arderi cu incandescenta, cazul arderii unor combustibili fara flacara, cu emisie vizibila de lumina la suprafata acestora;

- arderi mocnite, cazul arderii unor combustibili fara emisie luminoasa vizibila, adesea pusa in evidenta de cresterea temperaturii mediului inconjurator si aparitia fumului.

Produsele de ardere sunt rezultatul arderii: gaze de ardere, o mare cantitate de caldura disipata si, in cazul substantelor solide, resturi minerale-cenusa; daca arderea este incompleta, rezulta fumul (un ansamblu vizibil de particule si/sau lichide in suspensie) si se formeaza, ca produs intermediar, oxidul de carbon care prezinta un pericol deosebit, putand provoca asfixieri si intoxicatii.

O clasificare a arderilor, des utilizata, este cea dupa cantitatea de caldura degajata (in consecinta, functie de cresterea temperaturii) si viteza de propagare a arderii:

- arderea lenta, cand cresterea de temperatura este suficienta, fara a atinge valori care sa conduca la emisia de lumina;

- arderea normala, cand arderea se propaga cu viteza relativ redusa, de ordinul centimetrilor pana la un metru pe secunda (are loc in spatii deschise);

- arderea rapida (deflagratiile, exploziile), cand arderea se propaga cu viteza foarte mare, de ordinul zecilor de metri pe secunda (subsonica), instantanee si cu degajare mare de caldura (are loc, de regula, in spatii inchise);

- detonatia, cand arderea se propaga cu viteza foarte mare, de ordinul kilometrilor pe secunda (supersonica), insotita de o unda de soc.

Intensitatea arderii este data de cantitatea de caldura degajata, exprimata in J (Jouli); raportarea acesteia la cantitatea unitara de combustibil ce a produs-o (1 kg, in cazul substantelor lichide si solide, sau 1 m³N, in cazul substantelor gazoase) defineste puterea calorifica, exprimata in J/kg sau J/m³N. Reglementarile europene care au preluat terminologia  ISO 13943-2008 utilizeaza pentru aceasta caracteristica a materialelor combustibile expresia de caldura de ardere.

Puterea calorifica sau caldura de ardere, dupa modul de condensare a vaporilor de apa, rezultati in procesul de incercare, poate fi (tabelul 1.1 si anexa 1.2):

- putere calorifica superioara (PCS) sau caldura de ardere bruta (importanta pentru clasificarea produselor pentru constructii conform SR EN ISO 1716, privind reactia la foc a acestora);

- puterea calorifica inferioara (PCI) sau caldura de ardere neta (importanta pentru calculul sarcinii termice conform SR EN 1991-1-2, notata cu H_ui).

Tabelul 1.1Puteri calorifice sau calduri de ardere

Temperatura de ardere este temperatura minima de la care un combustibil arde pana la epuizare.

Viteza de ardere reprezinta cantitatea de combustibil (masurata in unitati de masa, volum sau de lungime) care se consuma, prin ardere, in unitatea de timp (tabelul 1.2).

Tabelul 1.2 Viteze de ardere

Aprinderea este initierea arderii cu flacara sustinuta, aceasta realizandu-se in functie de starea de agregare a substantei combustibile: gazoasa, lichida sau solida; aprinderea unei substante combustibile se produce numai in faza gazoasa si cu atat mai usor cu cat emanarea de vapori si gaze incepe la o temperatura mai mica.

Aprinderea substantelor combustibile gazose este procesul de initiere a arderii, dupa care, indepartand sursa de aprindere, combustia continua pana cand tot amestecul arde (figura 1.1). Parametrii care caracterizeaza aprinderea substantelor combustibile gazoase sunt:

- temperatura de aprindere, definita ca temperatura minima pana la care trebuie incalzita o substanta combustibila gazoasa, in prezenta oxigenului sau aerului si de o sursa de initiere (de exemplu scanteie), pentru a se produce aprinderea si arderea in continare (dupa indepartarea sursei si fara aport de energie din exterior);

- temperatura de autoaprindere, definita ca temperatura minima pana la care este necesar a fi incalzita o substanta combustibila gazoasa, in prezenta oxigenului sau aerului si fara a veni in contact direct cu o sursa de aprindere (de exemplu prin incalzire adiabatica), pentru a se produce aprinderea si arderea in continuare, fara incalzire ulterioara, tabelul 1.3.

Tabelul 1.3 Temperatura de autoaprindere a unor substante combustibile gazoase

Aprinderea substantelor lichide este procesul care necesitatea, mai intai, producerea fenomenului de vaporizare, urmat de aprinderea vaporilor (figura 1.1). In consecinta, este necesar, la aprindere, o cantitate de energie mai mare decat in cazul substantelor combustibile gazoase. Parametrii care caracterizeaza aprinderea substantelor combustibile lichide sunt:

- temperatura de inflamabiltate (flash-point) definita ca temperatura minima, la presiune atmosferica normala, la care vaporii degajati de un lichid combustibil formeaza cu aerul (deasupra suprafetei sale) un amestec, de o anumita concentratie, ce se aprinde la contactul cu o sursa de aprindere (la temperatura de inflamare un lichid combustibil nu arde), tabelul 1.4;

Tabelul 1.4 Temperaturi de inflamablitate si aprindere a unor substante combustibile lichide

- temperatura de aprindere, definita ca temperatura minima la care un lichid combustibil, dupa ce s-au aprins vaporii, intretine arderea (prin evaporare in continuare), tabelul 1.4;

- temperatura de autoaprindere, definita ca temperatura pana la care este necesar a fi incalzit un lichid combustibil, in prezenta oxigenului sau aerului si fara a veni in contact direct cu o sursa de aprindere, ca, dupa ce s-au aprins vaporii, sa intretina arderea (la majoritatea lichidelor combustibile aceasta variaza intre 250⁰C si 650⁰C);

Aprinderea substantelor solide este procesul care necesita, mai intai, producerea fenomenului de piroliza (descompunerea chimica a unei substante sub actiunea caldurii) prin care se degaja amestecuri de gaze si aerosoli, incluzand particule suspendate (efluentii arderii), urmat de aprinderea acestora, cu sustinerea in continuare a arderii (figura 1.1). In consecinta, este necesar, la aprindere, o cantitate de energie mai mare decat in cazul substantelor combustibile lichide. Parametrii care caracterizeaza aprinderea substantelor combustibile solide sunt:

- temperatura de aprindere, definita ca temperatura minima de suprafata la care debitul de volatile este suficient pentru a asigura o flacara sustinuta pe acea suprafata; tabelul 1.5;

- autoaprinderea sau aprinderea spontana, definita ca fenomenul de aprindere bazat pe autoincalzirea substantei combustibile solide, datorata reactiilor chimice si/sau fizico-chimice si/sau biologice care se produc in masa substantei.

- inertia termica, definita ca produsul dintre conductivitatea termica (λ), densitate masica (ρ) si caldura specifica (c), tabelul 1.6 (materialele cu inertie termica mica pot fi aprinse de surse de energie termica redusa: muc de tigara, flacara de chibrit etc.);

Figura 1.1 Schema generala a proceselor de ardere

Autoaprinderea chimica este aprinderea spontana care se produce in masa substantelor ce au capacitate intensa de combinare cu oxigenul din aer, cu apa sau alte substante. Substantele combustibile predispuse la autoaprindere chimica pot fi impartite in trei grupe:

- substante care, la temperatura normala, se aprind spontan in contact cu aerul (substante pirofore), precum fosforul, metalele alcaline etc.;

- substante care, in conditii normale, reactioneaza violent in contact cu apa, precum carbura de calciu, metalele alcaline etc.;

- substante care se aprind violent in contact cu substante organice (oxidanti si peroxizi), precum cloratul de potasiu in contact cu acidul oxalic, acidul azotic si sulfuric in contact cu materiale celulozice etc..

Tabelul 1.5 Temperatura de aprindere a unor substante combustibile solide

Autoaprinderea fizico-chimica este aprinderea spontana a unor substante combustibile stimulata atat de factori de natura fizica cat si de procese chimice (suprafata specifica, grad de aerare, izolare termica fata de mediul exterior, prezenta unor impuritati). Susceptibile la acest gen de autoaprindere sunt carbunele, bumbacul, azotatul de amoniu, lacurile de ulei, semintele si turtele de floarea soarelui.

Autoaprinderea biologica este aprinderea spontana a unor produse vegetale (furaje, borhot, rumegus de lemn, tutun, taitei de sfecla etc.) sau a unor produse de natura animala (lana, par etc.), care sub influenta actiunii microorganismelor genereaza reactii chimice ce produc cantitatea de caldura necesara initierii procesului de ardere.

Fenomenul autoaprinderii poate genera incendii instantanee sau mocnite (in stare ascunsa), aparitia si dezvoltarea acestora fiind favorizata de factori aleatori (umiditate, aerare, prezenta de impuritati, grad de concasare etc.).

In afara de lichide se mai inflameaza si vaporii unor substante solide (camfor, naftalina, fosfor) din cauza ca aceste substante se volatilizeaza la temperatura normala.

Tabelul 1.6 Inertia termica a unor substante combustibile solide

Explozia

Explozia este arderea foarte rapida si violenta a amestecurilor explozive, cu degajare de caldura, lumina si generare de presiuni mari; este improprie folosirea termenului de explozie pentru a desemna spargerea unui recipient presurizat, datorata suprapresiunii interioare sau defectelor de fabricatie.

Exploziile pot fi cauze ale unor incendii, dupa cum, in unele cazuri, si incendiile pot fi cauze ale unor explozii.

Concentratiile explozive sunt amestecuri de gaze combustibile si sau vapori combustibi si/sau praf al unor substante solide combustibile cu aerul care se exprima in de volum sau g/m³; in general, o explozie se produce in momentul in care amestecul exploziv are o anumita concentratie si vine in contact cu o sursa de aprindere.

Limita inferioara de explozie este concentratia minima a gazelor, vaporilor sau prafurilor combustibile in aer la care se  poate produce explozia; sub limita inferioara de explozie amestecul nu poate sa produca explozia din cauza excesului de aer.

Limita superioara de explozie este concentratia maxima a gazelor, vaporilor sau prafului in aer de la care explozia nu mai este posibila; peste limita superioara de explozie nu mai poate avea loc explozia din cauza lipsei de aer.

Interval de explozie este dat de zona dintre limitele inferioara si superioara de explozie; intervalul de explozie are un rol determinant in stabilirea pericolului de explozie la gaze, lichide, si prafuri combustibile, explozia acestora devenind posibila numai intre aceste limite.

Limita inferioara superioara de explozie a amestecurilor formate din mai multe substante se poate calcula cu relatia 1.1 (a lui Le Chatelier):

(1.1)

unde: L este concentratia care defineste limita inferioara/superioara de explozie a amestecului, in

a, b, c, , n - continutul in % de volum pentru fiecare component din amestecul considerat;

A, B, C, , N - limita inferioara/superioara de explozie pentru fiecare component din amestecul considerat.

Limitele de explozie nu au o valoare constanta, deoarece amestecurile explozive sunt supuse actiunii unor factori ca: temperatura mediului ambiant, presiunea la care este supus amestecul exploziv etc.. Limitele de explozie, inferioara si superioara, publicate in literatura de specialitate sunt determinate pentru temperatura normala (20⁰C) si presiunea atmosferica. In unele situatii reale,  in special in obiectivele industriale, se poate depasi temperatura si presiunea la care au fost determinate limitele de explozie pentru unele substante indicate in literatura de specialitate. In acest caz, limitele de explozie se pot calcula cu relatiile 1.2:

unde: este limita inferioara/superioara de explozie la temperatura t;

- limita inferioara/superioara de explozie la temperatura de 20⁰C;

t - temperatura la care a ajuns amestecul, respectiv temperatura data, in ⁰C.

Cu cresterea temperaturii peste cea normala (20⁰C), intervalul de explozie se mareste. Temperatura mediului inconjurator exercita o influenta mai mare asupra limitei superioare de explozie decat asupra celei inferioare. Pentru determinarea practica a limitelor de explozie, cu si mai mare usurinta, in cazul cresterii temperaturii, se poate aplica urmatoarea regula: la ridicarea temperaturii cu fiecare 100⁰C limita inferioara de explozie scade cu 10% si limita superioara creste cu 15%.

Cu variatia presiunii la care sunt supuse amestecurile explozive, limitele de aprindere sau de explozie ale acestora se modifica. Cresterea presiunii, chiar si pana la 20 atm, nu influenteaza prea mult valoarea limitelor de explozie, dar scaderea presiunii face ca intervalul de explozie sa se reduca considerabil; la o presiune mult scazuta, indiferent de compozitia amestecului, initierea exploziei devine imposibila.

Intre temperaturile de inflamabilitate si limitele de explozie exista o stransa legatura; de aceea, gradul de periculozitate al amestecului exploziv se poate caracteriza fie prin concentratiile limita, fie prin temperaturile limita (in prezenta fazei lichide).

Explozia amestecurilor de praf cu aer depinde de urmatorii factori:

- compozitia chimica a prafului, cantitatea mai mare de substante volatile continute de praf facand ca pericolul de explozie sa fie mai accentuat;

- concentratia prafului, cele doua limite de explozie (ca si in cazul vaporilor si gazelor) depinzand de gradul de dispersie a prafului, umiditate, continut de substante volatile si temperatura; pentru majoritatea prafurilor combustibile limita superioara este destul de ridicata si practic nu poate fi atinsa;

- starea fizica a prafului, pericolul de explozie fiind mai mare cu cat praful este mai fin dispersat;

- compozitia atmosferica si temperatura inconjuratoare, umiditatea, in principiu, micsorand pericolul de explozie, in afara de cazul acelor substante cu care umiditatea intra in reactie; prezenta unor cantitati determinate de gaze inerte in aer micsoreaza sau chiar inlatura pericolul de explozie.

Printre prafurile cu cel mai mare pericol de explozie si incendiu se pot enumera praful de: zahar, amidon, textile, lemn, cereale si faina, materiale plastice, pulberi metalice (de: zirconiu, titan, magneziu, aluminiu etc.).

In general, in timpul unei explozii se dezvolta si o cantitate mare de caldura, care provoaca dilatarea gazelor rezultate. Pentru majoritatea substantelor, temperatura de explozie este cuprinsa intre 1000⁰C si 3000⁰C; la explozia amestecurilor de prafuri combustibile aceasta este mai scazuta.

Presiune maxima de explozie este presiunea maxima care s-ar produce in cazul ca nu ar exista schimb de caldura intre produsele de ardere si peretii incintei si poate fi calculata cunoscand concentratia, compozitia substantelor respective, starea initiala a sistemului si cantitatea substantelor volatile (in cazul prafurilor). In urma exploziilor amestecurilor, in cladirile industriale inchise, se produc presiuni semnificative capabile sa provoace distrugeri la cladiri. Cu cat efectul presiunii dureaza mai putin, in urma unei explozii, cu atat distrugerea este mai redusa.

Timpul de explozie este timpul de actionare a solicitarii dinamice din explozie. Acest timp variaza de la sutimi de secunda (cazul amestecului de hidrogen-aer) pana la zecimi de secunda.