دانش رسان |
مرکز علم و دانش کشور مقاله در مورد احتراق
در حال بارگذاری
توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد
مقاله در مورد احتراق دارای ۶۹ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است
فایل ورد مقاله در مورد احتراق کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه و مراکز دولتی می باشد.
توجه : در صورت مشاهده بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله در مورد احتراق،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد
بخشی از متن مقاله در مورد احتراق :
احتراق عبارت است از اکسیداسیون سریع مواد، همراه با آزاد شدن سریع انرژی.
یکی از تعاریف اکسیداسیون عبارت است از ترکیب شیمیایی یک ماده با اکسیژن. تعریف دیگر اکسیداسیون چنین است: واکنش شیمیایی که شامل اکسیژن باشد، به طوریکه یک یا تعداد بیشتری از مواد با اکسیژن ترکیب شوند.
افروزش
برای آغاز این فرآیند به یک منبع تولید گرما، مواد سوختی و هوا نیاز است. مواد از نظر قابلیت شعله وری متفاوت اند و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی در این موضوع مؤثر است. مثلاً موادی که به شکل ورقه ای هستند، فوم ها و یا یک تکه پارچه خیلی ساده تر از بلوکهای ضخیم مواد جامد آتش می‌گیرند. طبق تعریف، آغاز فرآیند سوختن را افروزش می‌نامند. برای پایین آوردن قابلیت افروزش مواد در مقابل منابع کوچک تولید گرما می‌توان کارهایی انجام داد اما اینها لزوماً بر روی سرعت سوختن این مواد مؤثر نخواهد بود.
آتش (حریق)
ساده ترین تعریف احتراق، چیزی است که به آن آتش اطلاق می‌شود و عبارت است از ترکیب شیمیایی سریع مواد با اکسیژن که هم نور و هم گرما تولید می‌کند. شعله ور شدن (مشتعل شدن) و سوختن همراه با دود (سوختن سطحی) دو نوع احتراق هستند که ممکن است اتفاق بیفتند.
برای انجام شدن عمل احتراق باید یک اکسید کننده موجود باشد. تقریباً همه آتشها با اکسیژن موجود در اتمسفر به عنوان عامل اکسیدکننده انجام می‌گیرد، اما اکسیدکننده های دیگری نیز موجود است.
بیشتر این اکسیدکننده ها زمانی که در معرض حرارت، فشار یا هر دوی آنها قرار می‌گیرند اکسیژن آزاد می‌کنند. علاوه بر آن اکسیدکننده های دیگری نیز وجود دارد مثل هالوژنها (فلوئور، کلر، برم و ید) که احتراق را تقویت می‌نماید، اما در اینجا فقط احتراق با اکسیژن هوا مورد بحث است.
سوختن و بیشتر انفجارها، نمونه هایی از واکنشهای شیمیایی هستند که از آنها به عنوان آتش (حریق) نام برده می‌شود و در واقع واکنشهای شیمیایی هستند که شامل اکسیداسیون سریع مواد است. با وجود این، سرعت این واکنشها ممکن است صدها یا هزاران مرتبه سریعتر از یک حریق باشد. به عبارت ساده تر، سوختن واکنش اکسیداسیونی است که به طور قابل توجهی سریعتر از حریق است، اما آهسته تر از انفجار است.
مثلث آتش
این تئوری به صورت یک مثلث ارائه گردیده است. به دلیل اینکه سه جزء (وجه) اصلی در آن وجود دارد و مثلث یک شکل بسته است که نمایانگر یک سیستم بسته می‌باشد. قسمتی از تئوری تأکید دارد که برای اینکه یک آتش موجود باشد بسته بودن سیستم الزامی‌است بدین معنی که اگر یکی از سه وجه مثلث در تماس با وجه بعدی نباشد وقوع حریق ممکن نیست. در شکل (۱ ـ ۱) مثلث آتش نشان داده شده است.
سوخت انرژی
اکسیدکننده
شکل ( ۱ـ ۱) مثلث آتش
یک روش دیگر برای بیان تئوری مثلث آتش این است که بگوییم این سه فاکتور باید همزمان موجود باشد تا آتش وجود داشته باشد، همچنین شکل و مقدار مناسبی هم داشته باشند.
اگرچه اکسیژن هوا متداولترین اکسیدکننده هاست ولی اکسیژن به فرمهای دیگر نیز وجود دارد به علاوه هالوژنها نیز جزء اکسیدکننده ها محسوب می‌شوند. به همین ترتیب،
اگر چه گرما متداولترین فرم انرژی به عنوان منبع اشتعال است ولی باید توجه داشت که فرمهای دیگر انرژی (نورانی، شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی و هسته ای) نیز می‌توانند شروع کننده آتش باشند (در صورت وجود سوخت و اکسیدکننده).
به طور خلاصه، این تئوری می‌گوید؛ اگر سوخت، اکسیدکننده و انرژی به مقدار مناسب و شکل دلخواه به طور همزمان کنار یکدیگر آورده شوند، حریق (آتش) اتفاق خواهد افتاد. در مورد سوخت باید به این نکته توجه داشت که نه تنها سوخت باید موجود باشد، بلکه باید فرم صحیح و مناسبی نیز داشته باشد. در واقع سوخت باید به صورت بخار یا گازی شکل باشد تا سوختن اتفاق بیفتند و نیز سوخت باید به مقدار کافی در دسترس باشد، که در این صورت به آن سوخت قابل اشتعال می‌گویند (سوخت باید در محدوده شعله وری قرار داشته باشد).
محدوده شعله وری
محدوده شعله وری عبارت است از درصد سوخت به صورت گاز یا بخار در هوا، که بین بالاترین و پایین ترین حد شعله وری قرار دارد. بالاترین حد شعله وری ماکزیمم درصد سوخت به صورت گاز بخار در داخل هواست که بیشتر از این درصد، احتراق صورت نمی‌گیرد (در این حالت مخلوط را غنی می‌گویند). حد پایین شعله وری عبارت است از می‌نیمم درصد سوخت به صورت گاز یا بخار در هوا، به طوریکه پایین تر از این درصد احتراق صورت نمی‌گیرد (در این حالت مخلوط را ضعیف می‌گویند).
درجه حرارت افروزش
انرژی مورد بحث در مثلث آتش به صورت زیر تعریف می‌شود.
مقدار انرژی لازم برای افزایش درجه حرارت سوخت که به درجه حرارت افروزش (اشتعال) برسد. درجه حرارت افروزش عبارت است از می‌نمیمم درجه حرارتی که سوخت می‌تواند داشته باشد قبل از اینکه مشعل شود.
پیشگیری و محافظت در برابر حریق
برای پیشگیری از حریق قبل از هر چیزی باید به این نکته توجه داشت که علت اصلی برای بسیاری از آتش سوزی ها وجود یک منبع کوچک تولید گرماست، بنابراین دور کردن منابع شناخته شده تولید آتش، از مواد قابل احتراق کاری ضروری است. در جاهایی که نمی‌توان چنین کاری را کرد، مانند افتادن ته سیگار نیم سوخته بر روی اثاث داخل ساختمان، مواد موجود باید سریعاً دچار آتش سوزی نشوند و جنس آنها طوری باشد که حتی در صورت دچار شدن به آن، آتش به سرعت گسترش نیابد.
اگر بتوان جلوی افروزش مواد را گرفت هیچ آتش سوزی اتفاق نمی‌افتد. پس یکی از اقدامات اساسی محافظت در مقابل آتش همین مسأله (افروزش مواد) است.
همچنین باید توجه داشت که کار کردن با مواد غیرقابل سوختن در تمام شرایط
امکان پذیر نیست و در عمل موجب محدودیت هایی می‌شود. اغلب کافی است که این مواد غیرقابل اشتعال بوده و یا در صورت مشعل شدن، استعداد آنها برای گسترش آتش محدود باشد. با انجام آزمایشهایی مثل سرعت آزاد شدن حرارت و ; می‌توان این موضوع را مورد بررسی قرار داد.
در ضمن دوده و بخارات سمی‌حاصل از احتراق بااهمیت تر از خود آتش در مسأله محافظت در مقابل آتش به حساب می‌آید. آلودگی اصلی از احتراق عمدتاً ناشی از گاز منواکسیدکربن (CO) است. با وجود این بعضی از مواد پلیمری، مواد سمی‌چون سیانید هیدروژن (HCN) و اسید کلریدریک (HCL) تولید می‌نماید. همچنین در حین احتراق، کندسوزکننده ها (مواد افزودنی برای کاهش خطر آتش سوزی) با عناصر پلیمری ترکیب شده و احتمالاً تولید محصولات سعی می‌نماید. آمار تلفات آتش سوزی ها نشانگر این مطلب است که اکثر تلفات نه بر اثر سوختگی، بلکه ناشی از اثر گازهای سمی‌و ناتوان کننده حاصل از آتش سوزی بوده است. بنابراین تعیین نوع و مقدار این گازها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. وسایلی از مواد مصنوعی و پلیمری زیادی در آنها وجود دارد از این نظر بسیار بااهمیت است.
مقابله با آتش
معمولی ترین روش خاموش کردن آتش، خارج کردن وجه انرژی از مثلث آتش است. بهترین راه آن این است که گرما (انرژی) را، به وسیله خنک کردن سوخت تا زیر درجه حرارت افروزش با استفاده از آب، از نزدیکی سوخت دور کنیم. راههای دیگری نیز برای خنک کردن آتش وجود دارد. در بعضی از مواقع، آب نمی‌تواند به عنوان یک عامل خاموش کننده آتش به کار رود، مثل آتش (سیمهای الکتریکی باردار) یا آتشی که شامل موادی باشد که با آب واکنش دهد.
و برای خاموش کردن آتشهایی که شامل پلاستیکها است نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. در بعضی مواقع، گرمای جذب شده توسط پلاستیکها ممکن است باعث شود آنها به صورت مایع جاری درآیند. در این مواقع استفاده از قطره های ریز آب به صورت اسپری سریعاً مایع را سرد می‌کند و آن را به حالت جامد اولیه برمی‌گرداند، همچنین این آب باعث خاموش شدن آتش نیز می‌شود.
دومین روش خاموش کردن آتشها، براساس ضلع اکسیژن مثلث آتش است. کاربرد کف برای آتشهای مایع، یا استفاده از دی اکسیدکربن برای آتشهای مواد قابل احتراق که از رسیدن اکسیژن اتمسفر به آتش جلوگیری می‌نماید، معمول است. استفاده از آب برای محصورکردن یک مایع درحال سوختن (مایع سوختنی باید غیرقابل حل در آب و وزن مخصوص بیشتری از آب داشته باشد) نیز می‌تواند مانع رسیدن اکسیژن به آتش شود. به طور کلی یک مایع یا جامد را می‌توان به هر طریقی پوشش داد که اکسیژن به آن نرسد. مثلاً انداختن شیء درحال سوختن، در آب و غرق شدن جسم در زیر آب باعث می‌شود سوخت سریعاً سرد شود و اکسیژن نیز به آن نرسد.
سومین روش خاموش کردن آتش، برمبنای تئوری مثلث آتش، خارج نمودن سوخت است. این کار ممکن است سریع و ساده باشد مثل خارج کردن یک ماده سوختنی از یک خانه. یک مثال پیچیده از دور نمودن سوخت، انتقال دادن مایعی است که درحال سوختن است از یک تانک به تانک دیگر به وسیله لوله ارتباطی، همچنانکه سطح مایع در داخل تانک درحال سوختن کمتر می‌شود، سوخت کمتری در معرض سوختن خواهد بود تا جائیکه تمام مایع از تانک خارج و از طریق لوله ارتباطی وارد تانک دیگر می‌شود. در نتیجه این عمل آتش خاموش می‌شود چون چیزی برای سوختن باقی نمانده است.
پیرولیز
ریشه کلمه پیرولیز از دو کلمه یونانی پیرو به معنای آتش و کلمه لیز به معنای تجزیه کردن گرفته شده است. بنابراین ممکن است پیرولیز به صورت ساده زیر تعریف شود:
تجزیه و شکسته شدن مولکولها بر اثر حرارت
زمانی که یک ماده پیرولیز پیوندهای کووالانسی داخل مولکولها شکسته می‌شود و معمولاً گرمای زیادی نیز تولید می‌شود و در حقیقت عامل به وجود آورنده آتش همان شکسته شدن سوخت به مواد ساده تر است. پیرولیز کلاسیک (بهترین فرم پیرولیز) زمانی اتفاق می‌افتد که به یک ماده جامد مثل چوب و دیگر مواد سلولزی حرارت داده می‌شود. اغلب این کار در غیاب هوا صورت می‌گیرد اگرچه در حضور هوا نیز چوب پیرولیز می‌شود. در نتیجه چنین عملی محصولات پیرولیز شده موادی هستند که در واکنشهای احتراقی سهیم هستند. به عبارت دقیق تر، پیرولیز شکسته شدن پیوندهای کووالانسی ترکیبات بر اثر حرارت است. بنابرانی می‌توان چنین استنباط کرد که مایعات گازهای قابل اشتعال ترکیباتی هستند که دارای پیوند کووالانسی هستند.
نکته قابل توجه در اینجا این است که مایعات نمی‌سوزند و زمانی که ترمهایی مثل «قابل اشتعال یا قابل احتراق» همراه مایعات می‌آید فقط به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد که بین دو گروه از مایعات با محدوده نقطه اشتعال متفاوت، فرقی قائل شده باشند. بسیاری از مردم معتقدند که مایعات قابل اشتعال می‌سوزند، ولی حقیقت این است که فقط بخار این گونه مایعات می‌سوزد. بنابراین مایع قابل اشتعال یا قابل احتراق مایعی است که بر اثر سوختن بخار تولید نماید.
مایع قابل اشتعال، مایعی است که نقطه اشتعال آن کمتر از ۱۰۰ درجه فارنهایت و مایع قابل احتراق، مایعی است که نقطه اشتعال آن در حدود ۱۰۰ درجه فارنهایت و یا بالاتر باشد. نقطه اشتعال به صورت زیر تعریف می‌شود:
می‌نیمم درجه حرارتی که در آن مایع، بخار کافی تولید نماید که بتواند یک مخلوط قابل افروزش در نزدیکی سطح مایع یا ظرف به وجود آورد.
مایعات در پایین تر از نقطه جوش خود با سرعت معینی تبخیر می‌شوند و سرعت تبخیر آنها در نقطه جوش به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد. بخار تولید شده با هوا ترکیب و آماده سوختن می‌شود، اما اگر تئوری چهار وجهی آتش صحیح باشد باید یک مرحله دیگر (تشکیل رادیکالهای آزاد) نیز اتفاق بیفتد. منبع افروزش باعث شکسته شدن مولکولها و تبدیل آنها به مواد ساده تر (رادیکالهای آزاد) می‌شود و زمانی که سوخت با درصد مناسب (در محدوده شعله وری) با هوا مخلوط می‌شود باید دمای مخلوط تا دمای افروزش سوخت افزایش یابد و در این مرحله است که حریق شروع می‌شود.
کندسوزکننده ها
کندسوزکننده ها ترکیباتی شیمیایی یا مخلوطی از ترکیبات شیمیایی است که به رزین پلاستیکها، ترکیبات و مخلوطها اضافه می‌شود تا قابلیت احتراق (آسانی افروزش و سرعت سوختن) مواد را کاهش دهد یا به عبارت دیگر خصوصیات احتراقی را اصلاح نماید. در واقع از آنها به عنوان موادی نام برده می‌شود که وقتی به ماده دیگری افزوده می‌شوند گسترش شعله را به تأخیر می‌اندازند، کاهش می‌دهند یا اینکه متوقف می‌نمایند. این مواد ممکن است علاوه بر اینکه کندسوزکننده به حساب می‌آیند به طور همزمان به عنوان پرکننده یا قالب پذیر نیز عمل نمایند. در حالت ایده آل، کندسوزکننده ها اینطور عمل می‌نمایند که در درجه حرارتی کمتر از درجه حرارت افروزش ماده مورد نظر، تجزیه می‌شوند و تجزیه این ماده قابلیت افروزش ماده را کاهش می‌دهد و سرعت سوختن را نیز پایین می‌آورد.
بنابراین می‌توان چنین استنباط کرد که کندسوزکننده ها به دو منظور به رزین پلاستیکها، ترکیبات و مخلوطها اضافه می‌شود.
۱ به منظور تغییر خصوصیات احتراقی مواد پلاستیکی به طوریکه افروزش آنها مشکلتر شود.
۲ فقط یک بار افروزش اتفاق بیفتد و کندسوزکننده باعث شود آتش خاموش شود یا اینکه باعث شود مواد به آهستگی بسوزند به طوریکه گسترش شعله، سرعت آزاد شدن حرارت یا هر دوی آنها به طور قابل ملاحظه ای کاهش یابند.
اگر اضافه نمودن کندسوزکننده به پلاستیکها، کلاً از افروزش ماده جلوگیری نماید یا اینکه فقط یک بار افروزش اتفاق بیفتد و آتش خاموش شود حالت ایده آل خواهد بود. ولی این امر معمولاً به خاطر طبیعت شیمیایی و فیزیکی کندسوزکننده ها اتفاق نمی‌افتد اگرچه ممکن است کندسوزکننده ها به طور مطلوبی خصوصیات احتراقی پلاستیکها را اصلاح نمایند ولی باعث می‌شوند خصوصیات دیگر ماده پلاستیکی که به آن اضافه شده اند به مقدار خیلی زیادی بدتر شود که در این صورت ترکیب پلاستیکی همراه کندسوزکننده برای استفاده ای که قبلاً از آن انتظار می‌رفت مناسب نخواهد بود.
به طور کلی یک کندسوزکننده ایده آل، ماده ای است که دارای ویژگیهای زیر باشد:
۱ با درصد کم هم در ترکیب مورد نظر مؤثر واقع شود.
۲ درعین بی خطر بودن ماکزیمم خاصیت کندسوزکننده را داشته باشد.
۳ با ترکیب موردنظر کاملاً سازگار باشد.
۴ در تمام دستگاهها و تجهیزات فرآیندی معمول مخصوص ترموپلاستیکها به راحتی مورد فرآیند قرار گیرد.
۵ در درجه حرارتهای نسبتاً بالا مقاوم باشد به طوریکه در ضمن فرآیند تهیه تجزیه نشود ولی قبل از آتش گرفتن ماده اصلی تجزیه شود.
۶ زمانی که در ترکیب موردنظر قرار می‌گیرد تبخیر نشود.
۷ در ضمن فرآیند تهیه یا زمانی که به عنوان کندسوزکننده عمل می‌نماید محصولات فرعی خطرناک تولید نکند.
۸ خصوصیات دیگر ماده پلاستیکی را تغییر ندهد.
۹ محصول نهایی خصوصیات ظاهری مناسب خود را حفظ نماید.
۱۰- به راحتی به رنگ مورد دلخواه محصول نهایی درآید (رنگ پذیر باشد).
۱۱- ارزان باشد.
انواع کندسوزکننده ها
کندسوزکننده ها به دو گروه افزودنی و واکنشی تقسیم می‌شوند و در داخل این طبقه بندی، زیر مجموعه دیگری نیز قرار دارد که نوع شیمیایی است.
کندسوزکننده های افزودنی
نمونه ای از این کندسوزکننده ها عبارتند از:
هیدروکسید منیزیم، فسفات آمونیوم، تری هیدرات آلومینیوم (هیدروکسید آلومینیوم)، پارافین کلرینه شده، پارافین برمینه شده، بورات روی، اکسید آنتیموان، پلی استایرن
برمینه شده، پلی اتیلن کلرینه شده، پلی وینیل کلراید (پی.وی. سی) و ;
کندسوزکننده های افزودنی موادی هستند که وقتی به رزین پلاستیک یا ترکیب اضافه یا با آن مخلوط می‌شوند خصوصیات احتراقی پلیمر موردنظر، جسم مرکب یا رزین را تغییر می‌دهند. این کار ممکن است در مرحله ترکیب نمودن (آمیختن)، زمانی که مواد دیگری مثل پایدارکننده ها، پرکننده ها، رنگ پذیرکننده ها یا قالب پذیر کننده ها اضافه می‌شوند، انجام شود. این نوع کندسوزکننده ها به طور یکنواخت در داخل ماده پلاستیکی پخش می‌شوند و معمولاً این کار در یک فرآیند ساده اختلاط انجام می‌شود و هیچگونه واکنش شیمیایی بین کندسوزکننده و ماده پلاستیکی در این مرحله صورت نمی‌گیرد. ترکیب بدست آمده که به حالت ذوب شده (نرم شده) درآمده به فرم دانه های مکعبی یا قرصی شکل درمی‌آید یا اینکه اجازه داده می‌شود به فرم
پودری شکل باقی بماند که در چنین حالتی یک مخلوط فیزیکی ساده داریم و ماده مورد نظر ترکیب شیمیایی جدیدی نخواهد داشت. در واقع همین موضوع اختلاف اساسی بین کندسوزکننده های افزودنی و واکنشی است.
بعضی از پلیمرها، مخصوصاً آنهایی که شامل هالوژنها هستند و به سختی می‌سوزند ممکن است برای اصلاح خصوصیات احتراقی به پلیمرهای دیگر اضافه شوند و ترکیبات آلیاژی را به وجود آورند. زمانی که این مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد پلیمرهای هالوژن به عنوان کندسوزکننده عمل می‌نمایند.
کندسوزکننده های واکنشی
نمونه ای از این کندسوزکننده ها عبارتند از:
تترابرموفتالئیک بی آب، تتراکلروفتالئیک بی آب و ;
این نوع کندسوزکننده ها موادی هستند که در ضمن فرآیند پلیمریزاسیون به مواد اضافه می‌شود و بنابراین به صورت جزئی از پلیمر درمی‌آیند. چون پلیمریزاسیون یک واکنش شیمیایی است این نوع کندسوزکننده ها یک نوع منومر محسوب می‌شوند و این بدان معنی است که ترکیب پلاستیکی ساخته شده با این نوع کندسوزکننده ها در واقع یک ترکیب شیمیایی جدیدی خواهند داشت. در چنین وضعیتی، به احتمال زیاد تجزیه ماده پلاستیکی خالص در درجه حرارتی پایین تر از درجه حرارت افروزش ماده پلاستیکی که شامل کندسوزکننده شیمیایی است اتفاق می‌افتد. در ضمن در یک درجه حرارت معین تجزیه محصولات پلاستیکی که شامل کندسوزکننده است با همان ماده پلاستیکی در حالت خالص متفاوت خواهد بود.
تئوری اکسیژن مصرف شد در کالریمتر مخروطی
سرعت آزاد شدن انرژی (حرارت) از مهمترین پارامترهایی است که می‌تواند برای توصیف نمودن خصوصیات یک آتش سوزی به کار رود. در واقع این پارامتر تعیین کننده اندازه بزرگی آتش و سرعت گسترش یا شدت آتش سوزی است. همچنین سرعت آزاد شدن حرارت، فاکتوری اساسی و تعیین کننده برای توضیح شعله وری مواد است.
با توجه به نوع محصولات و شرایط عمل احتراق، مقدار حرارت آزاد شده از اجسام مختلف متفاوت خواهد بود. زمانی که یک مقدار کم ماده سوختنی در یک بمب کالریمتر سوخته می‌شود چون اکسیژن کافی در دسترس است مطمئن هستیم که احتراق به طور کامل انجام می‌گیرد و از مبلمان از جنس پلی یورتان حدود (kj/g) 40 و از مبلمان چوبی حدود (kj/g) 20 انرژی آزاد می‌شود در صورتیکه، در یک آتش سوزی واقعی، احتراق به طور کامل انجام نمی‌گیرد (احتراق ناقص صورت می‌گیرد) و حرارت آزاد شده کمتر از مقدار تئوری (محاسبات براساس احتراق کامل) خواهد بود. این حرارت آزاد شده را گرمای مؤثر احتراق می‌نامند. بنابراین، با اندازه گیری سرعت از بین رفتن جرم جسم نمی‌توان سرعت آزاد شدن حرارت از سوختن واقعی را محاسبه کرد. در واقع نمی‌توان گرمای مؤثر احتراق را از این روش بدست آورد.
روش دیگر اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت این است که حرارت آزاد شده به طور مستقیم اندازه گیری شود، ولی چون همیشه در سیستم مقداری اتلاف حرارتی داریم از این طریق نیز نمی‌توان برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت استفاده کرد.
در دو دهه اخیری یک قانون جدید و کامل برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت پیشنهاد گردیده است که عبارت است از «اصل اکسیژن مصرف شده». به طور معمول می‌توان نشان داد برای تمام سوختهای معمول که در حریق با آنها مواجه هستیم گرمای احتراق بر واحد جرم اکسیژن مصرف شده تقریباً مقدار یکسانی دارد. این نتیجه بدان علت است که در فرآیند احتراق اینگونه مواد، محصولات احتراقی در واقع اکسید شده پیوندهای کربن ـ کربن و کربن ـ هیدروژن است. نمونه ای از این مقادیر برای تعدادی از گازها، پلیمرهای مصنوعی و سوختهای طبیعی انتخاب شده است.
در سال ۱۹۸۲ مؤسسه بین المللی استاندارد و تکنولوژی (NIST) یک دستگاه جدید برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت، ارائه کرد. دستگاه فوق کالریمتر مخروطی نام دارد (به این علت به آن مخروطی می‌گویند که المان گرم کننده آن به شکل مخروط ناقص است). این دستگاه تست حریق، اطلاعات استانداردی برای مواد موردنظر که در معرض انرژی تشعشعی کنترل شده و معین (شار حرارتی بین صفر تا ) به طور افقی یا عمودی قرار گرفته اند، بدست می‌دهد.
اطلاعات بدست آمده از دستگاه به صورت زیر است:
الف) سرعت آزاد شدن انرژی (حرارت)
ب) زمان افروزش
ج) غلظت دودهای حاصله
د) گرمای مؤثر احتراق
ه)سرعت از بین رفتن جرم جسم
و) نسبت جرم منواکسیدکربن (CO) تولید شده از احتراق به جرم جسم
ز) نسبت جرم دی اکسیدکربن تولید شده از احتراق به جرم جسم
از این اطلاعات برای موارد زیر استفاده می‌شود:
الف) ارزیابی مواد و محصولات (تعیین استاندارد حریق مواد)
ب) مدلسازی ریاضی در ابعاد واقعی
ج) اهداف طراحی
د) تحقیق و توسعه
گرمای احتراق بر واحد جرم اکسیژن مصرف شده، E
برای این منظور سوختن چند ماده مختلف را مورد بررسی قرار می‌دهیم. به عنوان مثال واکنش سوختن کامل گاز متان به صورت زیر است:
گرمای استاندار احتراق مواد در دمای ۲۵ از رابطه زیر محاسبه می‌شود.
(۲ ـ ۱) مواد واکنش دهنده ـ محصولات
برای گاز متان معادله (۲ ـ ۱) به صورت زیر درمی‌آید.
= متان
از طرفی جرم مولکولی متان برابر است با:
بنابراین خواهیم داشت:
علامت منفی گرمای استاندارد احتراق به این معنی است که از واکنش احتراقی فوق گرما آزاد می‌شود.
جدول ۲ ـ ۱ گرمای احتراق و گرمای احتراق بر واحد جرم اکسیژن مصرف شده برای بعضی از گازها، پلیمرهای مصنوعی و سوختهای طبیعی
گرمای احتراق
فرمول شیمیایی سوخت
۵۴/۱۲- ۰۱/۵۰-
متان
۷۵/۱۲- ۴۸/۴۷-
اتان
۷۸/۱۲- ۷۲/۴۵-
نرمان بوتان
۷۸/۱۳- ۱۶/۴۷-
اتیلن
۶۵/۱۲- ۲۸/۳۲-
پلی اتیلن
۶۶/۱۲- ۳۱/۴۳-
پلی پروپیلن
۸۴/۱۲- ۴۳/۱۶-
پلی وینیل کلراید
۹۷/۱۲- ۸۵/۳۹-
پلی استایون
۹۸/۱۲- ۸۹/۲۴-
پلی متیل متاآکریلیت
۱۲/۱۳- ۷۲/۲۹-
پلی کربنات
۶۰/۱۳- ۶۰/۳۰-
پلی آکریلوتیتریل
۶۷/۱۲- ۵۸/۲۹- ـ نایلون ـ ۶،۶
۵۹/۱۳- ۰۹/۱۶- ـ سلولز
۶۱/۱۳- ۵۵/۱۵- ـ کتان
۴۰/۱۳- ۴۰/۱۸- ـ روزنامه
۵۱/۱۲- ۷۶/۱۷- ـ چوب افرا
همانطور که از واکنش سوختن متان پیداست به ازای یک مول متان مصرفی، دو مول گاز اکسیژن مصرف می‌شود، بنابراین گرمای احتراق به ازای یک گرم اکسیژن مصرفی برابر است با:
= E حرارت آزاد شده از سوختن متان به ازای یک گرم اکسیژن مصرفی
با توجه به روابط فوق، E را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:
(۲ ـ ۲)
که در معادله (۲ ـ ۲)، عبارت است از:
(۲ ـ ۳)
واکنش سوختن کامل نرمال بوتان به صورت زیر است:
نرمال بوتان
به عنوان مثالی دیگر واکنش سوختن کامل سلولز را در نظر می‌گیریم که به صورت زیر است:
سلولز
به عنوان مثال آخر سوختن سلولز را در نظر می‌گیریم.
با توجه به مثالهای ذکر شده می‌توان دریافت که حرارت آزاد شده بر واحد جرم اکسیژن مصرفی برای بیشتر مواد و بیشتر واکنشها تقریباً مقدار ثابتی دارد و فرض
می‌شود که این مقدار ثابت برابر ۱/۱۳ باشد که این مقدار با خطای کمتر از ۵% برای اکثر مواد قابل قبول است.
این واقعیت اساس روش کالریمتری بر مبنای اکسیژن مصرفی است و برای
اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت از آن استفاده می‌شود.
روش کالریمتر مخروطی برای اندازه گیری سرعت آزاد شدن حرارت
محفظه احتراق کالریمتر مخروطی را به صورت ساده زیر در نظر می‌گیریم.
به طوریکه:
دبی جرمی‌هوا به داخل محفظه احتراق
دبی جرمی‌گازهای خروجی از سیستم
با توجه به مطالب توضیح داده شده در قبل، سرعت آزاد شدن حرارت را می‌توان از رابطه زیر بدست آورد.
(۲ ـ ۴)
به طوریکه:
دبی جرمی‌اکسیژن ورودی به سیستم
دبی جرمی‌اکسیژن خروجی از سیستم
ولی کالیمتر مخروطی طوری طراحی شده است که در دستگاه تجزیه کننده اکسیژن آن، درصد یاکسر مولی اکسیژن در گازها اندازه گیری شود. بنابراین در معادله (۲ ـ ۴) به جای دبی جرمی‌اکسیژن باید از مقادیر کسر مولی اکسیژن استفاده شود. همچنین گاز دی اکسیدکربن و بخار آب هوای ورودی به سیستم و خروجی از آن قبل از اینکه وارد دستگاه تجزیه کننده اکسیژن شود جدا می‌شود و چون مقدار گاز منواکسیدکربن(CO) آن ناچیز است از آن صرف نظر می‌شود و بنابراین نمونه گازی که در دستگاه تجزیه کننده اکسیژن مورد تجزیه قرار می‌گیرید فقط شامل اکسیژن و نیتروژن است. در نتیجه رابطه کسر مولی و دبی جرمی‌اکسیژن به صورت زیر خواهد بود.
- در صورتی که به هر دلیلی موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید با ما تماس بگیرید.
