Notiuni despre combustibilitatea substantelor

Notiuni despre combustibilitatea substantelor

1.1. Fenomenul de ardere

Dezvoltarea unui incendiu este un fenomen aleatoriu, o insumare de procese fizice si chimice, care se amplifica si devin tot mai complexe pe masura ce se inainteaza in timp, astfel incat nu este posibila descrierea lui prin scheme simple.

Studierea aprofundata a fenomenelor de ardere reprezinta o prima etapa in descifrarea mecanismelor de aparitie si dezvoltarea incendiului.

In prezent, termenul de ardere sau combustie este reglementat prin STAS 11097/1-87 unde a fost definit prin "reactia unui material cu oxigenul, cu degajare de caldura, fenomen insotit, in general, de emisie de flacari si/sau incandescenta si/sau emisie de fum". Arderea este deci posibila numai in conditiile existentei a trei factori:

- prezenta combustibilului, material susceptibil sa treaca in stare de combustie in prezenta focului sau a temperaturilor inalte;

- prezenta comburantului - substanta care intretine arderea (oxigenul din aer sau substante care pot ceda oxigen);

- amorsarea reactiei - prin realizarea energiei de aprindere sau prin sursa de foc.

Arderea are loc aproape intotdeauna in faza gazoasa, amestecul aer - gaz combustibil in reactie, cu emisie de lumina, constituind o flacara.

Combustia fara flacara a materialelor ce raman in stare solida in timpul reactiei, chiar daca produsul arderii este partial sau total un gaz defineste o ardere mocnita.

In urma arderii rezulta produse de ardere (gaze de ardere si, in cazul arderii corpurilor solide, resturi minerale - cenusa) precum si o mare cantitate de caldura disipata in mediul inconjurator. Daca arderea nu este completa rezulta fumul, un ansamblu vizibil de particule si/sau lichide in suspensie in aer.

Culoarea fumului este un indiciu al materialelor aflate in combustie. In cursul arderii incomplete se formeaza, ca produs intermediar, oxidul de carbon - ce prezinta un pericol deosebit, provocand dese cazuri de asfixieri si intoxicatii.

Dupa viteza de reactie intre oxigen si combustibil, se pot deosebi: arderi lente, normale (uniforme), rapide (explozii, deflagratii).

Fenomenele ce se deruleaza in timpul unui incendiu sunt practic arderi normale, precedate de arderi lente.

1.2. Clasificarea substantelor din punct de vedere al combustibilitatii lor

Combustibilitatea reprezinta proprietatea unui material de a se aprinde si de a arde in prezenta aerului, contribuind la cresterea cantitatii de caldura dezvoltata de incendiu.

Materialele si elementele de constructie se clasifica - conform STAS 11357 - 1990 - din punct de vedere al combustibilitatii in doua grupe:

- incompatibile - C_o - cele care sub actiunea focului sau a temperaturilor inalte nu se aprind, nu ard mocnit si nu se carbonizeaza ;

- combustibile - care, functie de proprietatea lor de a se aprinde usor sau greu si de capacitatea de a contribui la dezvoltarea incendiului se clasifica in 4 clase de combustibilitate;

C₁ - practic neinflamabile;

C₂ - dificil neinflamabile;

C₃ - mediu inflamabile;

C₄ - usor inflamabile.

Materialele din grupele C₁ - C­₂ sunt definite ca greu combustibile - arderea avand loc numai in cazul existentei unei surse exterioare de foc sau de temperaturi inalte.

Incadrarea in clase de combustibilitate se face pe baza incercarii materialelor realizate conform STAS 8558 - 1978.

Pentru alte materiale combustibile, folosite sau nu in constructii, se utilizeaza metode detaliate in STAS 7248 - 1981, 8025 - 1984, precum si metode elaborate sau adaptate dupa standardele straine in cadrul Centrului de studii, experimentari si specializare p.s.i.

1.3. Puterea calorifica

Puterea calorifica reprezinta o caracteristica esentiala a substantelor combustibile, indiferent de starea de agregare.

Puterea calorifica reprezinta caldura degajata prin arderea completa a unei cantitati unitare de combustibil (1 kg pentru combustibili solizi si lichizi sau 1m³N in cazul celor gazosi).

Conform definitiei, puterea calorifica a unui combustibil se exprima in J/kg sau J/m³N.

Functie de luarea sau nu in consideratie a cantitatii de caldura utilizata pentru vaporizarea apei continute, sunt definite doua notiuni - putere calorifica superioara si putere calorifica inferioara (ce reprezinta cantitatea de caldura utila degajata prin arderea completa a unei cantitati de combustibil egala cu unitatea, din care s-a scazut cantitatea de caldura luata pentru vaporizarea apei continuta in gazele de ardere).

Pentru a aprecia rolul unui material intr-un incendiu se considera exclusiv puterea calorifica inferioara, deoarece gazele arse nu se acumuleaza decat rareori intr-o incinta degajandu-se spre exterior, iar vaporii de apa nu se condenseaza decat departe de focar.

Tabelul 1

Sarcina termica - conform STAS 10903/2 - 1979 (care contine detalii de aplicare) - reprezinta cantitatea de caldura pe care o poate degaja, prin combustie completa, totalitatea materialelor combustibile fixe si mobile, existenta in spatiul aferent de incendiu. Astfel:

_n

S _Q = ∑ Q _i M _i [MJ]

^{i =1}

unde: Q _i este puterea calorifica inferioara a unui material, in MJ/kg sau MJ/m³; n - numarul materialelor de acelasi fel in spatiul respectiv; M_i - masa materialelor combustibile de acelasi fel, in kg.

1.4. Substante combustibile gazoase

Unele substante gazoase sunt combustibile la temperatura normala: hidrogenul, oxidul de carbon, hidrocarburi cu mai mult de 4 atomi de carbon (butan, propan s.a.), precum si cateva amestecuri gazoase complexe cum sunt: gazul natural (al carui principal constituient este metanul), gazul de sonda, gazul de fermentatie s.a.

Arderea gazelor are loc cu flacara, intr-o cantitate de aer specifica fiecarei substante gazoase.

Viteza de ardere in cazul gazelor se defineste prin cantitatea de gaze ce arde in unitatea de timp fara a tine seama de factorul suprafata (esential in cazul lichidelor).

Factorii care influenteaza viteza de ardere sunt, in primul rand, concentratia si marimea particulelor si, intr-o mai mica masura, presiunea si temperatura, precum si unele adaosuri care maresc, scad sau anihileaza propagarea flacarii.

Comportarea la incendii a substantelor combustibile gazoase este caracterizata de urmatoarele proprietati:

Limite de ardere. Concentratia limita a gazelor in aer la care se produce arderea constituie limita inferioara, iar concentratia minima a oxigenului, respectiv concentratia maxima a gazelor combustibile la care arderea nu mai este posibila, limita superioara de ardere.

Sub limita inferioara, amestecul gazos nu poate sa arda fiind prea sarac in molecule rectante. Energia rezultata din arderea unei particule se disiperseaza inainte de a putea activa o alta particula de substanta combustibila pentru propagarea arderii.

Peste limita superioara, arderea nu poate avea loc datorita lipsei oxigenului necesar. Oxigenul disponibil se consuma in cursul arderii unei particule, nemaifiind timp suficient pentru intretinerea arderii particulei celei mai apropiate.

Cresterea temperaturii are efect de largire a limitelor de ardere, iar adaosul de gaze inerte sau vapori incombustibili efect contrat.

Limitele de ardere includ limitele de explozie si detonatie. In multe cazuri, limitele de ardere si limitele de explozie sunt aproape identice, dar la inceput orice amestec gazos arde cu flacara stabila, dupa care, in anumite conditii, au loc reactii explozive.

Pericolul cel mai mare pentru initierea unor aprinderi explozive il reprezinta gazele cu limite de ardere largi (de exemplu acetilena: circa 4 - 80%).

Temperatura de autoaprindere (sau, mai corect, de aprindere spontana) este definita ca temperatura minima pana la care este necesar sa se incalzeasca o substanta gazoasa combustibila, fara a veni in contact direct cu o sursa de aprindere, pentru a se produce aprinderea si a arde in continuare, fara incalzire ulterioara.

Amestecurile gazoase combustibile pot fi aprinse: cu o scanteie electrica, prin incalzire adiabatica, prin contract cu suprafata calda s.a.

Temperatura de aprindere reprezinta temperatura minima la care o substanta gazoasa, aflata in prezenta aerului sau oxigenului, trebuie incalzita pentru a se aprinde - in contact cu o sursa de initiere de tipul amintit mai sus - si a arde in continuare, dupa indepartarea sursei, de la sine, fara aport de energie din exterior.

Tabelele din literatura de specialitate dau, in general, temperatura de autoaprindere cea mai joasa, corespunzatoare compozitiei stoechiometrice si obtinuta prin compresie adiabatica [10] (Concentratie stoechimetrica intr-un amestec de gaz combustibil si aer este concentratia in care proportiile corespund unei reactii chimice complete, fara exces de oxigen sau combustibil).

Atat temperatura de autoaprindere, cat mai ales temperatura de aprindere nu sunt constante fizice, ci marimi complexe a caror valori se schimba in functie de conditiile exterioare (compozitie, temperatura, presiune, sursa de aprindere) si de metoda de determinare utilizata.

Energia minima de aprindere este definita de marimea minima a energiei unei scantei electrice sau mecanice, suficienta pentru aprinderea unui amestec de gaz - aer la o anumita concentratie.

Energia minima de aprindere nu este o constanta ci variaza functie atat de parametrii amestecului gazos (compozitie, presiune, temperatura etc.), cat si de aparatul cu care se face determinarea.

1.5. Substante combustibile lichide

In afara de unele cazuri rare (dispersia unor lichide pe un corp poros, uleiuri vegetale oxidate), lichidele nu ard niciodata in aceasta stare. Ele se vaporizeaza si ard in stare gazoasa (de vapori), adica cu flacara.

Viteza de ardere in cazul lichidelor depinde esential de suprafata libera a acestora in stare linistita. Viteza de ardere este influentata, in mare masura, de viteza de evaporare, care depinde de presiunea de vapori, de viteza de reinoire a atmosferei deasupra suprafetei libere a lichidului (curentii de aer) si de cantitatea de caldura transmisa de flacari.

Comportarea la incendii a lichidelor este caracterizata de proprietati specifice.

Punctul (temperatura) de inflamabilitate se defineste 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 (flacara, scanteie, corp incandescent s.a.).

Prin aceasta inflamare se consuma prima cantitate de vapori formata. Pentru ca inflamarea sa poate trece in ardere stabila, este nevoie ca temperatura stratului superior al lichidului sa depaseasca punctul de inflamabilitate. Deci lichidul trebuie incalzit in continuare pentru a putea degaja cantitatea de vapori necesara arderii. Prin urmare, la temperatura de inflamare un lichid nu arde spontan, ci doar poate fi aprins cu o sursa de caldura (de exemplu: punctul de inflamabilitate al benzinei este de circa 40sC, dar benzina nu se aprinde spontan (autoaprinde) la aceasta temperatura).

Punctul (temperatura) de aprindere reprezinta temperatura la care un lichid, dupa ce s-au aprins vaporii, intretine arderea datorita evaporarii ulterioare. Este o caracteristica esentiala pentru incendii.

Este temperatura minima pe care trebuie s-o aiba o sursa de foc (scanteie, chibrit s.a.) pentru a initia aprinderea lichidului. In aceasta operatiune este suficient ca zone chiar relativi mici din suprafata substantei sa ajunga local la temperatura de aprindere. Daca restul cantitatii este la un nivel termic peste temperatura de inflamabilitate are loc initierea arderii.

Temperatura de inflamabilitate este direct proportionala cu temperatura de fierbere si invers proportionala cu presiunea de vapori a lichidului. Desi are valori sub punctul de aprindere, pentru siguranta tehnica - punctul de inflamabilitate se ia in considerare la proiectarea instalatiilor si depozitelor de lichide combustibile si determina clasificarea lichidelor combustibile in mai multe grupe din punct de vedere al pericolului si sigurantei in exploatare.

Temperatura de inflamabilitate influenteaza viteza de ardere a lichidelor. Cu cat este mai scazuta, cu atat viteza de ardere este mai mare.

Nici temperatura de inflamabilitate, nici cea de aprindere nu sunt constante fizice, valorile lor difera dupa metoda si aparatura de determinare utilizata.

Temperatura de autoaprindere (mai corect, de aprindere spontana) reprezinta temperatura pana la care este necesar a fi incalzit un lichid combustibil pentru a se produce aprinderea amestecului vapori-aer, fara a veni in contact direct cu o sursa de aprindere.

In prezenta unor substante, cum ar fi sulfura de fier, autoaprinderea poate avea loc la temperaturi mai joase.

Energia minima de aprindere si limitele de ardere pentru vaporii combustibili au acelasi rol de aprindere si incendiu ca in cazul gazelor.

1.6. Substante combustibile solide

Spre deosebire de gaze si lichide, unde arderea are loc intotdeauna sub forma de flacara, in cazul solidelor putem deosebi:

-solide care ard cu flacara: fie ca se transforma in vapori fara descompunere - direct prin sublimare (exemplu: camfor), fie prin topire, urmata de vaporizare (exemplu: parafine).

Arderea, in aceste cazuri, este foarte asemanatoare cu cea a lichidelor, avand loc in intregime in faza gazoasa.

- corpuri solide care ard in stare solida (ardere mocnita).

In aceasta categorie pot fi incluse solide care contin carbon (carbune energetic, grafit, carbune din lemn etc.), materiale poroase (bumbac), materiale pulverulente. Arderea mocnita este, la inceput, o ardere lenta, cantitatea de caldura degajata fiind abia perceptibila. Apoi ea creste proportional cu temperatura, dar legea de variatie depinde de numerosi factori caracteristici, atat ai materialului propriu-zis, cat si ai mediului ambiant: starea suprafetei (existenta unor fisuri, contact brusc cu aerul atmosferic etc.), prezenta unor corpuri straine, ventilatia, forma si granulometria materialelor etc.

- corpuri solide care prezinta simultan cele doua moduri de combustie.

Faza de ardere este precedata de o descompunere a partilor inca neaprinse cu degajare de vapori sub influenta caldurii degajate de fractiunile arzande. Aceasta piroliza ia forme variabile in functie de compusii respectivi, dar si de conditiile concrete in care se desfasoara arderea (incalzire rapida sau treptata, propagarea flacarii in sus sau in jos etc.).

Viteza de ardere a solidelor se defineste in raport cu masa: cantitatea de materiale combustibile arse pe unitatea de suprafata de ardere in unitatea de timp.

Viteza de ardere a unui material solid nu este o constanta, depinzand de numerosi factori: compozitia chimica si proprietatile materialelor combustibile, conditiile meteo (creste cu cresterea temperaturii si presiunii atmosferice), viteza vantului si a curentilor de aer (influenta favorabila), gradul de umiditate (scade la umiditate excesiva, deshidratarea in cazul lemnului duce la aprindere spontana), aportul de aer proaspat in vecinatatea materialului (in spatii inchise viteza de ardere e mai mica), suprafata specifica - adica raportul dintre suprafata libera a materialului si volumul lui (cu cat acest raport este mai mare, cu atat aprinderea si arderea au loc mai rapid - cazul materialelor fibroase, faramitate sau maruntite; corpurile sub forma de fragmente masive ard cel mai lent).

Comportarea la incendiu a substantelor combustibile solide este caracterizata, in primul rand, de temperaturile de aprindere si autoaprindere (aprindere spontana), definite mai sus.

De regula, fiecare solid incalzit la o anumita temperatura de la o sursa de caldura din exterior va incepe, prin descompunere, sa degaje gaze, suficiente pentru sustinerea arderii dupa aprindere.

Sursa de aprindere (flacara, obiect incandescent, scanteie etc.), cu temperatura mai mare decat temperatura de aprindere a solidului respectiv, va initia un proces de ardere ce se poate transforma in incendiu.

In cazul solidelor, temperatura de autoaprindere joaca un rol foarte important in propagarea incendiului. Ridicarea nivelului termic prin radiatie, conductibilitatea determina aprinderea solidului respectiv la atingerea temperaturii de autoaprindere si aparitia, in acest fel, a unor focare de incendiu.

Materialele pulverulente in suspensie in aer sub forma de nori, in contact cu o sursa de aprindere (flacara, scantei etc.), in anumite concentratii, pot initia arderi explozive. Din acest punct de vedere prezinta interes limita inferioara de ardere a pulberii respective, prezentand risc de aprindere si explozie in special pulberile la care aceasta limita nu depaseste 65 g/m³. Limita superioara de ardere (explozie) nu se determina, fiind, practic, de neatins datorita valorii mari.