بخشی از مقاله
احتراق عبارت است از اكسيداسيون سريع مواد، همراه با آزاد شدن سريع انرژي.
يكي از تعاريف اكسيداسيون عبارت است از تركيب شيميايي يك ماده با اكسيژن. تعريف ديگر اكسيداسيون چنين است: واكنش شيميايي كه شامل اكسيژن باشد، به طوريكه يك يا تعداد بيشتري از مواد با اكسيژن تركيب شوند.
افروزش
براي آغاز اين فرآيند به يك منبع توليد گرما، مواد سوختي و هوا نياز است. مواد از نظر قابليت شعله وري متفاوت اند و خصوصيات فيزيكي و شيميايي در اين موضوع مؤثر است. مثلاً موادي كه به شكل ورقه اي هستند، فوم ها و يا يك تكه پارچه خيلي ساده تر از بلوكهاي ضخيم مواد جامد آتش مي‌گيرند. طبق تعريف، آغاز فرآيند سوختن را افروزش مي‌نامند. براي پايين آوردن قابليت افروزش مواد در مقابل منابع كوچك توليد گرما مي‌توان كارهايي انجام داد اما اينها لزوماً بر روي سرعت سوختن اين مواد مؤثر نخواهد بود.
آتش (حريق)
ساده ترين تعريف احتراق، چيزي است كه به آن آتش اطلاق مي‌شود و عبارت است از تركيب شيميايي سريع مواد با اكسيژن كه هم نور و هم گرما توليد مي‌كند. شعله ور شدن (مشتعل شدن) و سوختن همراه با دود (سوختن سطحي) دو نوع احتراق هستند كه ممكن است اتفاق بيفتند.
براي انجام شدن عمل احتراق بايد يك اكسيد كننده موجود باشد. تقريباً همه آتشها با اكسيژن موجود در اتمسفر به عنوان عامل اكسيدكننده انجام مي‌گيرد، اما اكسيدكننده هاي ديگري نيز موجود است.
بيشتر اين اكسيدكننده ها زماني كه در معرض حرارت، فشار يا هر دوي آنها قرار مي‌گيرند اكسيژن آزاد مي‌كنند. علاوه بر آن اكسيدكننده هاي ديگري نيز وجود دارد مثل هالوژنها (فلوئور، كلر، برم و يد) كه احتراق را تقويت مي‌نمايد، اما در اينجا فقط احتراق با اكسيژن هوا مورد بحث است.
سوختن و بيشتر انفجارها، نمونه هايي از واكنشهاي شيميايي هستند كه از آنها به عنوان آتش (حريق) نام برده مي‌شود و در واقع واكنشهاي شيميايي هستند كه شامل اكسيداسيون سريع مواد است. با وجود اين، سرعت اين واكنشها ممكن است صدها يا هزاران مرتبه سريعتر از يك حريق باشد. به عبارت ساده تر، سوختن واكنش اكسيداسيوني است كه به طور قابل توجهي سريعتر از حريق است، اما آهسته تر از انفجار است.
مثلث آتش
اين تئوري به صورت يك مثلث ارائه گرديده است. به دليل اينكه سه جزء (وجه) اصلي در آن وجود دارد و مثلث يك شكل بسته است كه نمايانگر يك سيستم بسته مي‌باشد. قسمتي از تئوري تأكيد دارد كه براي اينكه يك آتش موجود باشد بسته بودن سيستم الزامي‌است بدين معني كه اگر يكي از سه وجه مثلث در تماس با وجه بعدي نباشد وقوع حريق ممكن نيست. در شكل (1 ـ 1) مثلث آتش نشان داده شده است.
سوخت انرژي
اكسيدكننده
شكل ( 1ـ 1) مثلث آتش
يك روش ديگر براي بيان تئوري مثلث آتش اين است كه بگوييم اين سه فاكتور بايد همزمان موجود باشد تا آتش وجود داشته باشد، همچنين شكل و مقدار مناسبي هم داشته باشند.
اگرچه اكسيژن هوا متداولترين اكسيدكننده هاست ولي اكسيژن به فرمهاي ديگر نيز وجود دارد به علاوه هالوژنها نيز جزء اكسيدكننده ها محسوب مي‌شوند. به همين ترتيب،
اگر چه گرما متداولترين فرم انرژي به عنوان منبع اشتعال است ولي بايد توجه داشت كه فرمهاي ديگر انرژي (نوراني، شيميايي، الكتريكي، مكانيكي و هسته اي) نيز مي‌توانند شروع كنندة آتش باشند (در صورت وجود سوخت و اكسيدكننده).
به طور خلاصه، اين تئوري مي‌گويد؛ اگر سوخت، اكسيدكننده و انرژي به مقدار مناسب و شكل دلخواه به طور همزمان كنار يكديگر آورده شوند، حريق (آتش) اتفاق خواهد افتاد. در مورد سوخت بايد به اين نكته توجه داشت كه نه تنها سوخت بايد موجود باشد، بلكه بايد فرم صحيح و مناسبي نيز داشته باشد. در واقع سوخت بايد به صورت بخار يا گازي شكل باشد تا سوختن اتفاق بيفتند و نيز سوخت بايد به مقدار كافي در دسترس باشد، كه در اين صورت به آن سوخت قابل اشتعال مي‌گويند (سوخت بايد در محدودة شعله وري قرار داشته باشد).
محدودة شعله وري
محدودة شعله وري عبارت است از درصد سوخت به صورت گاز يا بخار در هوا، كه بين بالاترين و پايين ترين حد شعله وري قرار دارد. بالاترين حد شعله وري ماكزيمم درصد سوخت به صورت گاز بخار در داخل هواست كه بيشتر از اين درصد، احتراق صورت نمي‌گيرد (در اين حالت مخلوط را غني مي‌گويند). حد پايين شعله وري عبارت است از مي‌نيمم درصد سوخت به صورت گاز يا بخار در هوا، به طوريكه پايين تر از اين درصد احتراق صورت نمي‌گيرد (در اين حالت مخلوط را ضعيف مي‌گويند).
درجه حرارت افروزش
انرژي مورد بحث در مثلث آتش به صورت زير تعريف مي‌شود.
مقدار انرژي لازم براي افزايش درجه حرارت سوخت كه به درجه حرارت افروزش (اشتعال) برسد. درجه حرارت افروزش عبارت است از مي‌نميمم درجه حرارتي كه سوخت مي‌تواند داشته باشد قبل از اينكه مشعل شود.
پيشگيري و محافظت در برابر حريق
براي پيشگيري از حريق قبل از هر چيزي بايد به اين نكته توجه داشت كه علت اصلي براي بسياري از آتش سوزي ها وجود يك منبع كوچك توليد گرماست، بنابراين دور كردن منابع شناخته شده توليد آتش، از مواد قابل احتراق كاري ضروري است. در جاهايي كه نمي‌توان چنين كاري را كرد، مانند افتادن ته سيگار نيم سوخته بر روي اثاث داخل ساختمان، مواد موجود بايد سريعاً دچار آتش سوزي نشوند و جنس آنها طوري باشد كه حتي در صورت دچار شدن به آن، آتش به سرعت گسترش نيابد.
اگر بتوان جلوي افروزش مواد را گرفت هيچ آتش سوزي اتفاق نمي‌افتد. پس يكي از اقدامات اساسي محافظت در مقابل آتش همين مسأله (افروزش مواد) است.
همچنين بايد توجه داشت كه كار كردن با مواد غيرقابل سوختن در تمام شرايط
امكان پذير نيست و در عمل موجب محدوديت هايي مي‌شود. اغلب كافي است كه اين مواد غيرقابل اشتعال بوده و يا در صورت مشعل شدن، استعداد آنها براي گسترش آتش محدود باشد. با انجام آزمايشهايي مثل سرعت آزاد شدن حرارت و ... مي‌توان اين موضوع را مورد بررسي قرار داد.
در ضمن دوده و بخارات سمي‌حاصل از احتراق بااهميت تر از خود آتش در مسأله محافظت در مقابل آتش به حساب مي‌آيد. آلودگي اصلي از احتراق عمدتاً ناشي از گاز منواكسيدكربن (CO) است. با وجود اين بعضي از مواد پليمري، مواد سمي‌چون سيانيد هيدروژن (HCN) و اسيد كلريدريك (HCL) توليد مي‌نمايد. همچنين در حين احتراق، كندسوزكننده ها (مواد افزودني براي كاهش خطر آتش سوزي) با عناصر پليمري تركيب شده و احتمالاً توليد محصولات سعي مي‌نمايد. آمار تلفات آتش سوزي ها نشانگر اين مطلب است كه اكثر تلفات نه بر اثر سوختگي، بلكه ناشي از اثر گازهاي سمي‌و ناتوان كنندة حاصل از آتش سوزي بوده است. بنابراين تعيين نوع و مقدار اين گازها از اهميت ويژه اي برخوردار است. وسايلي از مواد مصنوعي و پليمري زيادي در آنها وجود دارد از اين نظر بسيار بااهميت است.
مقابله با آتش
معمولي ترين روش خاموش كردن آتش، خارج كردن وجه انرژي از مثلث آتش است. بهترين راه آن اين است كه گرما (انرژي) را، به وسيلة خنك كردن سوخت تا زير درجه حرارت افروزش با استفاده از آب، از نزديكي سوخت دور كنيم. راههاي ديگري نيز براي خنك كردن آتش وجود دارد. در بعضي از مواقع، آب نمي‌تواند به عنوان يك عامل خاموش كنندة آتش به كار رود، مثل آتش (سيمهاي الكتريكي باردار) يا آتشي كه شامل موادي باشد كه با آب واكنش دهد.
و براي خاموش كردن آتشهايي كه شامل پلاستيكها است نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در بعضي مواقع، گرماي جذب شده توسط پلاستيكها ممكن است باعث شود آنها به صورت مايع جاري درآيند. در اين مواقع استفاده از قطره هاي ريز آب به صورت اسپري سريعاً مايع را سرد مي‌كند و آن را به حالت جامد اوليه برمي‌گرداند، همچنين اين آب باعث خاموش شدن آتش نيز مي‌شود.
دومين روش خاموش كردن آتشها، براساس ضلع اكسيژن مثلث آتش است. كاربرد كف براي آتشهاي مايع، يا استفاده از دي اكسيدكربن براي آتشهاي مواد قابل احتراق كه از رسيدن اكسيژن اتمسفر به آتش جلوگيري مي‌نمايد، معمول است. استفاده از آب براي محصوركردن يك مايع درحال سوختن (مايع سوختني بايد غيرقابل حل در آب و وزن مخصوص بيشتري از آب داشته باشد) نيز مي‌تواند مانع رسيدن اكسيژن به آتش شود. به طور كلي يك مايع يا جامد را مي‌توان به هر طريقي پوشش داد كه اكسيژن به آن نرسد. مثلاً انداختن شيء درحال سوختن، در آب و غرق شدن جسم در زير آب باعث مي‌شود سوخت سريعاً سرد شود و اكسيژن نيز به آن نرسد.
سومين روش خاموش كردن آتش، برمبناي تئوري مثلث آتش، خارج نمودن سوخت است. اين كار ممكن است سريع و ساده باشد مثل خارج كردن يك مادة سوختني از يك خانه. يك مثال پيچيده از دور نمودن سوخت، انتقال دادن مايعي است كه درحال سوختن است از يك تانك به تانك ديگر به وسيلة لولة ارتباطي، همچنانكه سطح مايع در داخل تانك درحال سوختن كمتر مي‌شود، سوخت كمتري در معرض سوختن خواهد بود تا جائيكه تمام مايع از تانك خارج و از طريق لوله ارتباطي وارد تانك ديگر مي‌شود. در نتيجة اين عمل آتش خاموش مي‌شود چون چيزي براي سوختن باقي نمانده است.
پيروليز
ريشه كلمه پيروليز از دو كلمه يوناني پيرو به معناي آتش و كلمه ليز به معناي تجزيه كردن گرفته شده است. بنابراين ممكن است پيروليز به صورت سادة زير تعريف شود:
تجزيه و شكسته شدن مولكولها بر اثر حرارت
زماني كه يك ماده پيروليز پيوندهاي كووالانسي داخل مولكولها شكسته مي‌شود و معمولاً گرماي زيادي نيز توليد مي‌شود و در حقيقت عامل به وجود آورندة آتش همان شكسته شدن سوخت به مواد ساده تر است. پيروليز كلاسيك (بهترين فرم پيروليز) زماني اتفاق مي‌افتد كه به يك ماده جامد مثل چوب و ديگر مواد سلولزي حرارت داده مي‌شود. اغلب اين كار در غياب هوا صورت مي‌گيرد اگرچه در حضور هوا نيز چوب پيروليز مي‌شود. در نتيجة چنين عملي محصولات پيروليز شده موادي هستند كه در واكنشهاي احتراقي سهيم هستند. به عبارت دقيق تر، پيروليز شكسته شدن پيوندهاي كووالانسي تركيبات بر اثر حرارت است. بنابراني مي‌توان چنين استنباط كرد كه مايعات گازهاي قابل اشتعال تركيباتي هستند كه داراي پيوند كووالانسي هستند.
نكته قابل توجه در اينجا اين است كه مايعات نمي‌سوزند و زماني كه ترمهايي مثل «قابل اشتعال يا قابل احتراق» همراه مايعات مي‌آيد فقط به اين منظور مورد استفاده قرار مي‌گيرد كه بين دو گروه از مايعات با محدودة نقطه اشتعال متفاوت، فرقي قائل شده باشند. بسياري از مردم معتقدند كه مايعات قابل اشتعال مي‌سوزند، ولي حقيقت اين است كه فقط بخار اين گونه مايعات مي‌سوزد. بنابراين مايع قابل اشتعال يا قابل احتراق مايعي است كه بر اثر سوختن بخار توليد نمايد.
مايع قابل اشتعال، مايعي است كه نقطه اشتعال آن كمتر از 100 درجه فارنهايت و مايع قابل احتراق، مايعي است كه نقطه اشتعال آن در حدود 100 درجه فارنهايت و يا بالاتر باشد. نقطه اشتعال به صورت زير تعريف مي‌شود:
مي‌نيمم درجه حرارتي كه در آن مايع، بخار كافي توليد نمايد كه بتواند يك مخلوط قابل افروزش در نزديكي سطح مايع يا ظرف به وجود آورد.
مايعات در پايين تر از نقطه جوش خود با سرعت معيني تبخير مي‌شوند و سرعت تبخير آنها در نقطه جوش به ماكزيمم مقدار خود مي‌رسد. بخار توليد شده با هوا تركيب و آماده سوختن مي‌شود، اما اگر تئوري چهار وجهي آتش صحيح باشد بايد يك مرحلة ديگر (تشكيل راديكالهاي آزاد) نيز اتفاق بيفتد. منبع افروزش باعث شكسته شدن مولكولها و تبديل آنها به مواد ساده تر (راديكالهاي آزاد) مي‌شود و زماني كه سوخت با درصد مناسب (در محدودة شعله وري) با هوا مخلوط مي‌شود بايد دماي مخلوط تا دماي افروزش سوخت افزايش يابد و در اين مرحله است كه حريق شروع مي‌شود.
كندسوزكننده ها
كندسوزكننده ها تركيباتي شيميايي يا مخلوطي از تركيبات شيميايي است كه به رزين پلاستيكها، تركيبات و مخلوطها اضافه مي‌شود تا قابليت احتراق (آساني افروزش و سرعت سوختن) مواد را كاهش دهد يا به عبارت ديگر خصوصيات احتراقي را اصلاح نمايد. در واقع از آنها به عنوان موادي نام برده مي‌شود كه وقتي به مادة ديگري افزوده مي‌شوند گسترش شعله را به تأخير مي‌اندازند، كاهش مي‌دهند يا اينكه متوقف مي‌نمايند. اين مواد ممكن است علاوه بر اينكه كندسوزكننده به حساب مي‌آيند به طور همزمان به عنوان پركننده يا قالب پذير نيز عمل نمايند. در حالت ايده آل، كندسوزكننده ها اينطور عمل مي‌نمايند كه در درجه حرارتي كمتر از درجه حرارت افروزش ماده مورد نظر، تجزيه مي‌شوند و تجزيه اين ماده قابليت افروزش ماده را كاهش مي‌دهد و سرعت سوختن را نيز پايين مي‌آورد.
بنابراين مي‌توان چنين استنباط كرد كه كندسوزكننده ها به دو منظور به رزين پلاستيكها، تركيبات و مخلوطها اضافه مي‌شود.
1. به منظور تغيير خصوصيات احتراقي مواد پلاستيكي به طوريكه افروزش آنها مشكلتر شود.
2. فقط يك بار افروزش اتفاق بيفتد و كندسوزكننده باعث شود آتش خاموش شود يا اينكه باعث شود مواد به آهستگي بسوزند به طوريكه گسترش شعله، سرعت آزاد شدن حرارت يا هر دوي آنها به طور قابل ملاحظه اي كاهش يابند.
اگر اضافه نمودن كندسوزكننده به پلاستيكها، كلاً از افروزش ماده جلوگيري نمايد يا اينكه فقط يك بار افروزش اتفاق بيفتد و آتش خاموش شود حالت ايده آل خواهد بود. ولي اين امر معمولاً به خاطر طبيعت شيميايي و فيزيكي كندسوزكننده ها اتفاق نمي‌افتد اگرچه ممكن است كندسوزكننده ها به طور مطلوبي خصوصيات احتراقي پلاستيكها را اصلاح نمايند ولي باعث مي‌شوند خصوصيات ديگر مادة پلاستيكي كه به آن اضافه شده اند به مقدار خيلي زيادي بدتر شود كه در اين صورت تركيب پلاستيكي همراه كندسوزكننده براي استفاده اي كه قبلاً از آن انتظار مي‌رفت مناسب نخواهد بود.
به طور كلي يك كندسوزكننده ايده آل، ماده اي است كه داراي ويژگيهاي زير باشد:
1. با درصد كم هم در تركيب مورد نظر مؤثر واقع شود.
2. درعين بي خطر بودن ماكزيمم خاصيت كندسوزكننده را داشته باشد.
3. با تركيب موردنظر كاملاً سازگار باشد.
4. در تمام دستگاهها و تجهيزات فرآيندي معمول مخصوص ترموپلاستيكها به راحتي مورد فرآيند قرار گيرد.
5. در درجه حرارتهاي نسبتاً بالا مقاوم باشد به طوريكه در ضمن فرآيند تهيه تجزيه نشود ولي قبل از آتش گرفتن ماده اصلي تجزيه شود.
6. زماني كه در تركيب موردنظر قرار مي‌گيرد تبخير نشود.
7. در ضمن فرآيند تهيه يا زماني كه به عنوان كندسوزكننده عمل مي‌نمايد محصولات فرعي خطرناك توليد نكند.
8. خصوصيات ديگر ماده پلاستيكي را تغيير ندهد.
9. محصول نهايي خصوصيات ظاهري مناسب خود را حفظ نمايد.
10- به راحتي به رنگ مورد دلخواه محصول نهايي درآيد (رنگ پذير باشد).
11- ارزان باشد.
انواع كندسوزكننده ها
كندسوزكننده ها به دو گروه افزودني و واكنشي تقسيم مي‌شوند و در داخل اين طبقه بندي، زير مجموعة ديگري نيز قرار دارد كه نوع شيميايي است.
كندسوزكننده هاي افزودني
نمونه اي از اين كندسوزكننده ها عبارتند از:
هيدروكسيد منيزيم، فسفات آمونيوم، تري هيدرات آلومينيوم (هيدروكسيد آلومينيوم)، پارافين كلرينه شده، پارافين برمينه شده، بورات روي، اكسيد آنتيموان، پلي استايرن
برمينه شده، پلي اتيلن كلرينه شده، پلي وينيل كلرايد (پي.وي. سي) و ...
كندسوزكننده هاي افزودني موادي هستند كه وقتي به رزين پلاستيك يا تركيب اضافه يا با آن مخلوط مي‌شوند خصوصيات احتراقي پليمر موردنظر، جسم مركب يا رزين را تغيير مي‌دهند. اين كار ممكن است در مرحله تركيب نمودن (آميختن)، زماني كه مواد ديگري مثل پايداركننده ها، پركننده ها، رنگ پذيركننده ها يا قالب پذير كننده ها اضافه مي‌شوند، انجام شود. اين نوع كندسوزكننده ها به طور يكنواخت در داخل ماده پلاستيكي پخش مي‌شوند و معمولاً اين كار در يك فرآيند ساده اختلاط انجام مي‌شود و هيچگونه واكنش شيميايي بين كندسوزكننده و ماده پلاستيكي در اين مرحله صورت نمي‌گيرد. تركيب بدست آمده كه به حالت ذوب شده (نرم شده) درآمده به فرم دانه هاي مكعبي يا قرصي شكل درمي‌آيد يا اينكه اجازه داده مي‌شود به فرم
پودري شكل باقي بماند كه در چنين حالتي يك مخلوط فيزيكي ساده داريم و ماده مورد نظر تركيب شيميايي جديدي نخواهد داشت. در واقع همين موضوع اختلاف اساسي بين كندسوزكننده هاي افزودني و واكنشي است.
بعضي از پليمرها، مخصوصاً آنهايي كه شامل هالوژنها هستند و به سختي مي‌سوزند ممكن است براي اصلاح خصوصيات احتراقي به پليمرهاي ديگر اضافه شوند و تركيبات آلياژي را به وجود آورند. زماني كه اين مواد مورد استفاده قرار مي‌گيرد پليمرهاي هالوژن به عنوان كندسوزكننده عمل مي‌نمايند.
كندسوزكننده هاي واكنشي
نمونه اي از اين كندسوزكننده ها عبارتند از:
تترابرموفتالئيك بي آب، تتراكلروفتالئيك بي آب و ...
اين نوع كندسوزكننده ها موادي هستند كه در ضمن فرآيند پليمريزاسيون به مواد اضافه مي‌شود و بنابراين به صورت جزئي از پليمر درمي‌آيند. چون پليمريزاسيون يك واكنش شيميايي است اين نوع كندسوزكننده ها يك نوع منومر محسوب مي‌شوند و اين بدان معني است كه تركيب پلاستيكي ساخته شده با اين نوع كندسوزكننده ها در واقع يك تركيب شيميايي جديدي خواهند داشت. در چنين وضعيتي، به احتمال زياد تجزية ماده پلاستيكي خالص در درجه حرارتي پايين تر از درجه حرارت افروزش ماده پلاستيكي كه شامل كندسوزكننده شيميايي است اتفاق مي‌افتد. در ضمن در يك درجه حرارت معين تجزيه محصولات پلاستيكي كه شامل كندسوزكننده است با همان ماده پلاستيكي در حالت خالص متفاوت خواهد بود.
تئوري اكسيژن مصرف شد در كالريمتر مخروطي
سرعت آزاد شدن انرژي (حرارت) از مهمترين پارامترهايي است كه مي‌تواند براي توصيف نمودن خصوصيات يك آتش سوزي به كار رود. در واقع اين پارامتر تعيين كنندة اندازة بزرگي آتش و سرعت گسترش يا شدت آتش سوزي است. همچنين سرعت آزاد شدن حرارت، فاكتوري اساسي و تعيين كننده براي توضيح شعله وري مواد است.
با توجه به نوع محصولات و شرايط عمل احتراق، مقدار حرارت آزاد شده از اجسام مختلف متفاوت خواهد بود. زماني كه يك مقدار كم مادة سوختني در يك بمب كالريمتر سوخته مي‌شود چون اكسيژن كافي در دسترس است مطمئن هستيم كه احتراق به طور كامل انجام مي‌گيرد و از مبلمان از جنس پلي يورتان حدود (kj/g) 40 و از مبلمان چوبي حدود (kj/g) 20 انرژي آزاد مي‌شود در صورتيكه، در يك آتش سوزي واقعي، احتراق به طور كامل انجام نمي‌گيرد (احتراق ناقص صورت مي‌گيرد) و حرارت آزاد شده كمتر از مقدار تئوري (محاسبات براساس احتراق كامل) خواهد بود. اين حرارت آزاد شده را گرماي مؤثر احتراق مي‌نامند. بنابراين، با اندازه گيري سرعت از بين رفتن جرم جسم نمي‌توان سرعت آزاد شدن حرارت از سوختن واقعي را محاسبه كرد. در واقع نمي‌توان گرماي مؤثر احتراق را از اين روش بدست آورد.
روش ديگر اندازه گيري سرعت آزاد شدن حرارت اين است كه حرارت آزاد شده به طور مستقيم اندازه گيري شود، ولي چون هميشه در سيستم مقداري اتلاف حرارتي داريم از اين طريق نيز نمي‌توان براي اندازه گيري سرعت آزاد شدن حرارت استفاده كرد.
در دو دهة اخيري يك قانون جديد و كامل براي اندازه گيري سرعت آزاد شدن حرارت پيشنهاد گرديده است كه عبارت است از «اصل اكسيژن مصرف شده». به طور معمول مي‌توان نشان داد براي تمام سوختهاي معمول كه در حريق با آنها مواجه هستيم گرماي احتراق بر واحد جرم اكسيژن مصرف شده تقريباً مقدار يكساني دارد. اين نتيجه بدان علت است كه در فرآيند احتراق اينگونه مواد، محصولات احتراقي در واقع اكسيد شدة پيوندهاي كربن ـ كربن و كربن ـ هيدروژن است. نمونه اي از اين مقادير براي تعدادي از گازها، پليمرهاي مصنوعي و سوختهاي طبيعي انتخاب شده است.
در سال 1982 مؤسسه بين المللي استاندارد و تكنولوژي (NIST) يك دستگاه جديد براي اندازه گيري سرعت آزاد شدن حرارت، ارائه كرد. دستگاه فوق كالريمتر مخروطي نام دارد (به اين علت به آن مخروطي مي‌گويند كه المان گرم كنندة آن به شكل مخروط ناقص است). اين دستگاه تست حريق، اطلاعات استانداردي براي مواد موردنظر كه در معرض انرژي تشعشعي كنترل شده و معين (شار حرارتي بين صفر تا ) به طور افقي يا عمودي قرار گرفته اند، بدست مي‌دهد.
اطلاعات بدست آمده از دستگاه به صورت زير است:
الف) سرعت آزاد شدن انرژي (حرارت)
ب) زمان افروزش
ج) غلظت دودهاي حاصله
د) گرماي مؤثر احتراق
ه)سرعت از بين رفتن جرم جسم
و) نسبت جرم منواكسيدكربن (CO) توليد شده از احتراق به جرم جسم
ز) نسبت جرم دي اكسيدكربن توليد شده از احتراق به جرم جسم
از اين اطلاعات براي موارد زير استفاده مي‌شود:
الف) ارزيابي مواد و محصولات (تعيين استاندارد حريق مواد)
ب) مدلسازي رياضي در ابعاد واقعي
ج) اهداف طراحي
د) تحقيق و توسعه
گرماي احتراق بر واحد جرم اكسيژن مصرف شده، E
براي اين منظور سوختن چند ماده مختلف را مورد بررسي قرار مي‌دهيم. به عنوان مثال واكنش سوختن كامل گاز متان به صورت زير است:
گرماي استاندار احتراق مواد در دماي 25 از رابطه زير محاسبه مي‌شود.
(2 ـ 1) مواد واكنش دهنده ـ محصولات
براي گاز متان معادله (2 ـ 1) به صورت زير درمي‌آيد.
= متان
از طرفي جرم مولكولي متان برابر است با:
بنابراين خواهيم داشت:
علامت منفي گرماي استاندارد احتراق به اين معني است كه از واكنش احتراقي فوق گرما آزاد مي‌شود.
جدول 2 ـ 1 گرماي احتراق و گرماي احتراق بر واحد جرم اكسيژن مصرف شده براي بعضي از گازها، پليمرهاي مصنوعي و سوختهاي طبيعي
گرماي احتراق
فرمول شيميايي سوخت
54/12- 01/50-
متان
75/12- 48/47-
اتان
78/12- 72/45-
نرمان بوتان
78/13- 16/47-
اتيلن
65/12- 28/32-
پلي اتيلن
66/12- 31/43-
پلي پروپيلن
84/12- 43/16-
پلي وينيل كلرايد
97/12- 85/39-
پلي استايون
98/12- 89/24-
پلي متيل متاآكريليت
12/13- 72/29-
پلي كربنات
60/13- 60/30-
پلي آكريلوتيتريل
67/12- 58/29- ـ نايلون ـ 6،6
59/13- 09/16- ـ سلولز
61/13- 55/15- ـ كتان
40/13- 40/18- ـ روزنامه
51/12- 76/17- ـ چوب افرا
همانطور كه از واكنش سوختن متان پيداست به ازاي يك مول متان مصرفي، دو مول گاز اكسيژن مصرف مي‌شود، بنابراين گرماي احتراق به ازاي يك گرم اكسيژن مصرفي برابر است با:
= E حرارت آزاد شده از سوختن متان به ازاي يك گرم اكسيژن مصرفي
با توجه به روابط فوق، E را مي‌توان به صورت زير محاسبه كرد:
(2 ـ 2)
كه در معادله (2 ـ 2)، عبارت است از:
(2 ـ 3)
واكنش سوختن كامل نرمال بوتان به صورت زير است:
نرمال بوتان
به عنوان مثالي ديگر واكنش سوختن كامل سلولز را در نظر مي‌گيريم كه به صورت زير است:
سلولز
به عنوان مثال آخر سوختن سلولز را در نظر مي‌گيريم.
با توجه به مثالهاي ذكر شده مي‌توان دريافت كه حرارت آزاد شده بر واحد جرم اكسيژن مصرفي براي بيشتر مواد و بيشتر واكنشها تقريباً مقدار ثابتي دارد و فرض
مي‌شود كه اين مقدار ثابت برابر 1/13 باشد كه اين مقدار با خطاي كمتر از 5% براي اكثر مواد قابل قبول است.
اين واقعيت اساس روش كالريمتري بر مبناي اكسيژن مصرفي است و براي
اندازه گيري سرعت آزاد شدن حرارت از آن استفاده مي‌شود.
روش كالريمتر مخروطي براي اندازه گيري سرعت آزاد شدن حرارت
محفظه احتراق كالريمتر مخروطي را به صورت ساده زير در نظر مي‌گيريم.
به طوريكه:
دبي جرمي‌هوا به داخل محفظه احتراق
دبي جرمي‌گازهاي خروجي از سيستم
با توجه به مطالب توضيح داده شده در قبل، سرعت آزاد شدن حرارت را مي‌توان از رابطه زير بدست آورد.
(2 ـ 4)
به طوريكه:
دبي جرمي‌اكسيژن ورودي به سيستم
دبي جرمي‌اكسيژن خروجي از سيستم
ولي كاليمتر مخروطي طوري طراحي شده است كه در دستگاه تجزيه كنندة اكسيژن آن، درصد ياكسر مولي اكسيژن در گازها اندازه گيري شود. بنابراين در معادله (2 ـ 4) به جاي دبي جرمي‌اكسيژن بايد از مقادير كسر مولي اكسيژن استفاده شود. همچنين گاز دي اكسيدكربن و بخار آب هواي ورودي به سيستم و خروجي از آن قبل از اينكه وارد دستگاه تجزيه كنندة اكسيژن شود جدا مي‌شود و چون مقدار گاز منواكسيدكربن(CO) آن ناچيز است از آن صرف نظر مي‌شود و بنابراين نمونه گازي كه در دستگاه تجزيه كنندة اكسيژن مورد تجزيه قرار مي‌گيريد فقط شامل اكسيژن و نيتروژن است. در نتيجه رابطه كسر مولي و دبي جرمي‌اكسيژن به صورت زير خواهد بود.
