Προϊόντα της Καύσης

Εισαγωγή

Είδαμε ότι ο βαθμός της καιόμενης μάζας είναι μια σημαντική ποσότητα που προκύπτει από τον βαθμό της ροής καύσης (m") και την επιφάνεια (Α) που εμπλέκεται στην καύση λόγω της ανάφλεξης και διάδοσης (διασποράς): m = m"A. Απ' αυτόν το βαθμό (ρυθμό) καύσης (m) μπορούμε να αντλήσουμε όλα τα προϊόντα που προκύπτουν από τη χημική αντίδραση της φωτιάς. Είδαμε ότι ο βαθμός έκλυσης ενέργειας (Q) λαμβάνεται ως mΔHc όπου ΔΗc είναι η θερμότητα καύσης. To Q ελέγχει τη θερμοκρασία του καπνού και την περιβάλλουσα θερμική ροή. Προκαλεί μια ταχίστη επίδραση στο περιβάλλον του. Όλα τα άλλα προϊόντα της χημικής αντίδρασης της φωτιάς καθηλώνονται στο καπνό που πηγάζει από την αντωτική γλώσσα που εξέρχεται από τη φωτιά. Όπως με το Q που είναι ανάλογο με το m/ΔHc), οι ρυθμοί παραγωγής άλλων προϊόντων είναι ανάλογοι με το m σύμφωνα με τη χημική αντίδραση της φωτιάς. Αυτή η αναλογικότητα καλείται παράγωγο για κάθε προϊόν χημικής ένωσης. Αυτά τα προϊόντα της καύσης εμπεριέχουν διοξείδιο του άνθρακα και ατμούς νερού για πλήρη καύση υδρογονανθρακούχων καυσίμων υλών, όμως, και άλλα προϊόντα είναι δυνατόν να παραχθούν λόγω ατελούς καύσης ή λόγω της παρουσίας άλλων στοιχείων σε περισσότερο συνθέτες καύσιμες ύλες. Αυτά τα προϊόντα καύσης μπορεί να έχουν μια ποικιλία επιβλαβών συνεπειών στους ανθρώπους σε εμπορεύματα και σε εξοπλισμό. Συνήθως η βλάβη ή ζημιά σχετίζεται με την ποσότητα (ή συγκέντρωση) του προϊόντος καύσης και του χρόνου έκθεσης. Σ' αυτό το κεφάλαιο, παρουσιάζουμε ποσοτικά κριτήρια για διάφορα προϊόντα καύσης, θεωρώντας ότι ο μελετητής έχει μια στοιχειώδη γνώση χημείας.
Πεδίο των Προϊόντων Καύσης
Η φύση των προϊόντων της καύσης εξαρτάται από τη σύνθεση της καύσιμης ύλης και της διαδικασίας της φωτιάς. Είδαμε μέχρι τώρα ότι η φωτιά μπορεί να χαρακτηρισθεί ως (1) μια προαναμεμιγμένη φλόγα (2) μια φλόγα διάδοσης, (3) καύση ή επιφανειακή οξείδωση και (4) απότομη ανάφλεξη που οδηγεί σε μια από τις καταστάσεις (2) ή (3). Στην προκειμένη περίπτωση θα εξετασθούν μόνο η καύση με φλόγες και η βραδεία καύση. Τελικά, θα πρέπει να παρουσιασθεί και η χημική αντίδραση που λαμβάνει χώρα κατά τη διαδικασία της φωτιάς. Αυτή η αντίδραση εξαρτάται από την πληρότητα της. Για παράδειγμα εάν κάψουμε μεθάνιο στον αέρα (θυμηθείτε ότι 1 μόριο αέρος είναι 0,21 μόρια 02 και 0,79 μόρια Ν2) μπορούμε να γράψουμε μια χημική εξίσωση.
CH4 + (4)/0,42 (0'21 °2 + °'79 Ν2) → Cο2 + 2H2Ο + (4)(0,429) /0,42 *N2
Για πλήρη ή ιδανική συνθήκη τα προϊόντα, κατ' ανάγκη και εξ ορισμού, είναι CO2 (διοξείδιο του άνθρακα) και Η2Ο (νερό). Στις θερμοκρασίες καύσης, αυτά είναι αέρια, καίτοι το νερό θα μπορούσε να συμπυκνωθεί, εάν βρει μια ψυχρή επιφάνεια. Οι συντελεστές κάθε όρου της χημικής αντίδρασης έχουν συμπεραθεί ώστε τα άτομα (π.χ. 1 άτομο C και 4 άτομα Η του CH4) να μην καταστραφούν. Απ' αυτή την ισότητα μπορούμε να υπολογίσουμε για κάθε 16 γραμμάρια του CH4 (θυμηθείτε ότι 1 μόριο του CH4 έχει μάζα 16 γραμμαρίων, 12 γραμμάρια C και ένα γραμμάριο για κάθε ένα Η) ότι πρέπει να έχουμε
(4) /0,42 * [0,21 (32)+ 0,79(28)]
ή 274,7 γραμμάρια αέρος. (Υπόψη ότι ένα γραμμάριο αέρος έχει 0,23 γραμμάρια Ο2 και 0,77 γραμμάρια Ν2). Αυτές οι αναλογίες εξασφαλίζουν ότι όλο το μεθάνιο και το οξυγόνο θα καταναλωθούν πλήρως στην αντίδραση. Η αναλογία αυτής της μάζας του αέρος προς τη μάζα της καύσιμης ύλης καλείται (ιδανική) στοιχειομετρική αναλογία μάζας αέρος προς καύσιμη ύλη (s), π.χ.,
 s=247 γραμμάρια αέρος / 16 γραμμάρια CΗ4 = 17,2
Εάν διατίθεται περισσότερος αέρας, τότε η συνθήκη που επικρατεί καλείται υπεραερισμένη ή η κατεργασία είναι φτωχή σε καύσιμη ύλη. Για λιγότερο αέρα, η διαδικασία καλείται υποεαρισμένη ή πλούσια σε καύσιμη ύλη. Παρατηρείστε ότι σ' όλες τις περιπτώσεις το άζωτο στον αέρα είναι αδρανές και παραμένει σταθερό. Όμως, θα θερμανθεί ως αποτέλεσμα της έκλυσης ενέργειας από τη χημική αντίδραση.
Τα χαρακτηριστικά εμπλεκόμενα καύσιμα στις διαδικασίες της φωτιάς είναι υδρογονάνθρακες, δηλαδή, συνθέσεις υδρογόνου (Η) και άνθρακα (C). Άλλες ουσίες μπορεί να περιλαμβάνουν οξυγόνο (Ο), άζωτο (Ν), χλώριο (CL), φθόριο (F) και βρώμιο (Br). Τα προκύπτοντα προϊόντα της καύσης εξαρτώνται από τη διαδικασία, όπως δεικνύεται στο σχήμα 8-1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Σε μια ιδανική πλήρη αντίδραση, τα Ν, Cl, F και Br θα παρήγαγαν τα αντίστοιχα τους αέρια. Όμως, σε κάθε διαδικασία φωτιάς η αντίδραση δεν είναι πλήρης και τα προκύπτοντα αέρια συνήθως είναι HCN (κυανιούχο υδρογόνο), υδροχλώριο (HCL), υδροφθόριο (HF) και Υδροβρώμιο HBr, αντίστοιχα. Επιπλέον, η ατελής καύση οδηγεί σε μονοξείδιο του άνθρακα (CO) αντί του διοξειδίου του άνθρακα, αιθάλη (κυρίως άνθρακα) και πολλούς υδρογονάνθρακες (HCs) ως αποτέλεσμα της θερμικής αποσύνθεσης της αρχικής καύσιμης ύλης. Το σχήμα 8-1 δείχνει τα διάφορα στάδια της φωτιάς και των σχετικών προϊόντων της καύσης. Είναι πολύ σημαντικό να αναγνωρίζεται η διαδικασία της φωτιάς, διότι τα προϊόντα της καύσης εξαρτώνται από την εν λόγω διαδικασία καθώς και από την καύσιμη ύλη. Η βραδεία καύση απαιτεί πολύ λίγο αέρα για να διατηρηθεί. Η καύση της είναι ατελής με αποτέλεσμα να προκύπτουν σημαντικά παράγωγα μονοξειδίου του άνθρακα (CO).
Αρχικά, υπάρχει αρκετός αέρας διαθέσιμος σε ένα δωμάτιο για την διατήρηση καύσεως με φλόγες. Εάν η φωτιά συμβεί σε κλειστό δωμάτιο, το οξυγόνο του αέρα μπορεί να καταναλωθεί και η όλη διαδικασία γίνεται υποαερισμένη. Πλήρες σβήσιμο θα λάβει χώρα εάν δεν διατεθεί άλλος αέρας. Ένα μικρό άνοιγμα στο δωμάτιο θα φέρει λίγο αέρα μέσα σ' αυτό, αλλά εάν η υπάρχουσα καύσιμη ύλη είναι πολύ, η φωτιά θα συνεχίζει να είναι υποαερισμένη.
Η παράμετρος που αντιπροσωπεύει ποσοτικά τις καταστάσεις υπεραερισμού και υποαερισμού καλείται αναλογία ισοδυναμίας, Φ, και ορίζεται ως η αναλογία μάζας της διαθέσιμης καύσιμης ύλης (αέριας) προς τον αέρα επί την στοιχειομετρική αναλογία, s.
_ Φ=(μάζα καύσιμης ύλης (αέριας) /  μάζα αέρος) χ S
Δηλαδή, εάν Φ>1, η φωτιά είναι υποαερισμένη. Όπως είδαμε και στη φλόγα του κεριού που σβήστηκε από μεταλλικό πλέγμα, η φλόγα προκαλεί θερμική αποσύνθεση της καύσιμης ύλης, πριν η βασική διαδικασία καύσης λάβει χώρα στην φλόγα. Για Φ>1, αυτά τα προϊόντα αποσύνθεσης δεν έχουν καεί πλήρως. Για Φ, υπάρχει αρκετός αέρας και η διαδικασία θα είναι πλήρης. Αυτή η περίπτωση θεωρείται υπεραερισμένη. Όλες οι φωτιές αρχίζουν με Φ<1 και με συνεχή ανάπτυξη μπορούν να φθάσουν καταστάσεις όπου Φ>1. Η χημεία αυτών των διαδικασιών είναι σύνθετη και συνεπώς πρέπει να χρησιμοποιηθούν εμπειρικά στοιχεία για τον υπολογισμό της ποσότητος των προϊόντων καύσης, για κάθε καύσιμη ύλη.

Παράγωγα

Καθώς η θερμότητα της καύσης μας δίδει την έκλυση ενέργειας ανά μονάδα μάζας της καιόμενης καύσιμης ύλης, τα παράγωγα μας δίδουν τη μάζα παραγωγής του κάθε είδους προϊόντος ανά μονάδα μάζας της καιόμενης καύσιμης ύλης. Για παράδειγμα, το παράγωγο του CO ορίζεται ως
Υco= mco/m όπου mco είναι η μάζα του παραχθέντος CO και m είναι η μάζα της καιόμενης καύσιμης ύλης. Εναλλακτικά, μπορούμε να λάβουμε υπόψη τους ρυθμούς μάζας, π.χ., Yco = mco/m, όπου m είναι ο ρυθμός καύσης και mco είναι ο ρυθμός της παραχθείσης μάζας CO. Γενικά είναι παραδεκτό ότι τα παράγωγα είναι σχετικά σταθερά για μια δεδομένη καύσιμη ύλη εφ' όσον Φ<1. Όμως καθώς η συνήθης φωτιά γίνεται υποαεριζόμενη τα παράγωγα αλλάζουν.
Ο TEWARSON του δημοτικού συμβουλίου έρευνας εργοστασίων καθιέρωσε μια σωρεία πληροφοριών (στοιχείων) επί των παραγώγων των διαφόρων καύσιμων υλών. Καίτοι, κυρίως προέρχονται από σχετικά μικρής κλίμακας δοκιμές για μια σειρά (πεδίο) συνθηκών οξυγόνωσης και θέρμανσης, αναμένεται ότι αυτά τα αποτελέσματα ισχύουν για πραγματικές συνθήκες φωτιάς. Ο πίνακας 8-1 περιέχει ένα δείγμα των στοιχείων του για αντιπροσωπευτικές κατηγορίες καύσιμων υλών: αέρια, υγρά και στερεά. Τα παράγωγα αφορούν σε CO2, CO και αιθάλη συγχρόνως με τη μετρηθείσα θερμότητα της καύσης, ΔHC. Αυτές είναι τιμές πειραματικές, αντιπροσωπευτικές της διαδικασίας της φωτιάς. Το ΔΗ0, είναι λιγότερο από τη θεωρητική του τιμή που θα προέκυπτε για την ιδανική πλήρη αντίδραση του σχήματος 8-1. Αυτές οι ιδανικές τιμές υπάρχουν στο κείμενο και δεν αντιπροσωπεύουν απαραίτητα την εκλυθείσα ενέργεια για τη συγκεκριμένη συνθήκη φωτιάς. Για συγκριτικούς λόγους, οι ιδανικές τιμές υπάρχουν επίσης στον Πίνακα 8-1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα παράγωγα (ή αρνητικά παράγωγα, όπως κατά την κατανάλωση οξυγόνου) είναι ελαφρώς μικρότερα από τις ιδανικές τους τιμές της χημικής αντίδρασης για CU2, Η2θ και Ο2. Τα παράγωγα που έχουν σχέση με τα προϊόντα της ατελούς καύσης (π.χ. CO, αιθάλη) είναι σχετικά μικρά. Αλλά όπως θα δούμε, αυτά είναι η αιτία της βλάβης.
 

Συγκεντρώσεις

Τα παράγωγα δίδουν το τι παράγεται στην πηγή της φωτιάς. Ο βασικός κίνδυνος της φωτιάς είναι η σύνθεση και οι σχετικές συγκεντρώσεις του καπνού. Με τον όρο "καπνός" εννοούμε το ρεύμα αερίου που ρέει πέρα από τη φωτιά (όπως δεικνύεται στο σχήμα 8-3) και που συνεχίζει να αναμιγνύεται με τον αέρα χωρίς περαιτέρω χημικές αντιδράσεις. Η ποσότητα ανάμιξης με αέρα προσδιορίζει τη συγκέντρωση. Ανάλογα με κάθε είδος παραγώγου έχουμε την αντίστοιχη συγκέντρωση. [Πέραν τούτου, ανάλογα με το παράγωγο ενέργειας, ΔΗο, έχουμε την μεταβλητή που προσομοιάζει με συγκέντρωση, την θερμοκρασία]. Όπως ορισμένα είδη (χημικών ενώσεων), έτσι και η θερμοκρασία φθίνει λόγω των απωλειών (θερμότητας) καθώς ο καπνός συναντά καθαρές, κρύες επιφάνειες. Για παράδειγμα, η αιθάλη εναποτίθεται και το υδροχλώριο (αέριο) μπορεί να συμπυκνωθεί επί επιφανειών. Αυτή η επιφανειακή μεταφορά αυξάνεται καθώς η ταχύτητα του τοπικού καπνού αυξάνει. Για το λόγω αυτό οι εναποθέσεις της αιθάλης φαίνονται γύρω από ρωγμές πόρτων, καθώς ο καπνός εκτοξεύεται δια μέσου των με μεγάλη ταχύτητα.

 

 

 

 

 

 

 

 

Κίνδυνοι

Κάθε συγκέντρωση είδους χημικής ένωσης μπορεί να εμφανίσει έναν συγκεκριμένο κίνδυνο σε ανθρώπους, σε εξοπλισμό και περιουσία. Εδώ εξετάζουμε τον κίνδυνο προς τους ανθρώπους. Όμως, κατά βάση για κάθε περίπτωση, ο κίνδυνος μετράται από τη διάρκεια της αποκαλυπτόμενης συγκέντρωσης. Κάτω από ένα σημείο συγκέντρωσης, τίποτε δεν βλάπτεται. Εδώ χρησιμοποιούμε τη συγκέντρωση σε γενική μορφή. Μπορεί να περιλαμβάνει θερμοκρασία την ελάττωση σε οξυγόνο (μόλυνση, 0,21 - Χο2)/ καθώς και συγκεκριμένα επιβλαβή προϊόντα καύσης όπως μονοξείδιο του άνθρακα, Xco·
Τα προϊόντα της καύσης, όπως η αιθάλη και ορισμένοι αρωματικοί υδρογονάνθρακες μπορούν να καταστρέψουν σημαντικές ποσότητες αγαθών ακόμη και όταν η πραγματική ζημιά από τη φωτιά είναι μικρή. Η αιθάλη φορτωμένη με Hcl ή άλλα όξινα αέρια (π.χ. ΗΒ2, HF) μπορεί να επικαθήσει επί διαφόρων αντικειμένων. Εάν δεν καθαριστεί έγκαιρα, η οξύτητα μπορεί να προκαλέσει σημαντική ζημιά, αργότερα, δια της διάβρωσης. Τέτοιες επιδράσεις επί αγαθών και εξοπλισμού δεν τις επιδιώκουμε περισσότερο.
Κατωτέρω θα εξετάσουμε τις επιδράσεις τοξικότητας διαφόρων τοξικών αερίων που μνημονεύονται από τον PURSER.

Ναρκωτικά αέρια

Η νάρκωση είναι η κατάσταση προκαλούμενου ύπνου, η οποία ελαττώνει την δυνατότητα διαφυγής και μπορεί να οδηγήσει σε θάνατο. Μπορεί να προκληθεί από τα αέρια της καύσης CO, HCN ακόμη και CU2 σε μεγάλες συγκεντρώσεις. Μπορεί επίσης να προκληθεί από την έλλειψη οξυγόνου. Όλα τα ζώα χρειάζονται το οξυγόνο να μεταφέρεται στο σώμα τους από την οξυγονοαιμοσφαιρίνη (OiHb). Η εισαγωγή του CO στους πνεύμονες προκαλεί στην αιμοσφαιρίνη να προσκολάται στο CO αντί στο Ο2, ως (COHb) ανθρακοαιμοσφαιρίνη εμποδίζοντας έτσι την προσκόλληση του οξυγόνου. Η εισαγωγή του HCN επηρεάζει τα κύτταρα και επίσης εμποδίζει τη χρήση του οξυγόνου από το σώμα. Γενικά, όλες αυτές οι επιδράσεις είναι προσθετικές, έτσι όταν είσαστε μισοπεθαμένος λόγω CO, 3/8 πεθαμένος λόγω HCN, και 1/8 πεθαμένος λόγω έλλειψης οξυγόνου, τότε είσαστε τελείως πεθαμένος!
Το σχήμα 8-4 δείχνει το χρόνο απώλειας των αισθήσεων λόγω έκθεσης σε HCN και CO σε ανθρώπους ενός επιπέδου δραστηριότητος. Βλέπουμε απ' αυτό το σχήμα, ότι το HCN είναι περισσότερο τοξικό: χρειάζεται πολύ λιγότερη συγκέντρωση για να προκαλέσει απώλεια αισθήσεων. Επίσης τα οριακά επίπεδα κάτω από τα οποία δεν συμβαίνει απώλεια αισθήσεων είναι περίπου 90 p.p.m. για το HCN και 900 p.p.m. (ή 0,09%) για το CO. Κάτω απ' αυτά τα επίπεδα, είναι πολύ δυνατόν να συμβεί ανικανότητα αντίδρασης. Ο πίνακας 8-2 δείχνει την επίδραση έλειψης του οξυγόνου λόγω του μονοξειδίου του άνθρακα, στους ανθρώπους. Ανικανότητα αντίδρασης μπορεί να προκληθεί σε ποσοστά 8-12% Ο2 και 0,015 - 0,040% CO που αντιστοιχούν σε 20 - 40% COHb. Συνήθως 40% COHb δεικνύει ένα επίπεδο ανικανότητας και 60% COHb μια θανατηφόρο κατάσταση. Αυτά τα επίπεδα δεν είναι ακριβή και μπορεί να ποικίλουν στους ανθρώπους ανάλογα με τη φυσική κατάσταση και άλλους παράγοντες.
Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ο πρωτεύων φονιάς των ανθρώπων στις πυρκαγιές, κυρίως από τον μεγάλο χρόνο έκθεσης στις φωτιές βραδέων καύσεων (συνήθως > 1 ώρα) ή ένεκα της απότομης ανάπτυξης της φωτιάς που προκύπτει σε μια υποαεριζόμενη πυρκαγιά.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ερεθιστικά αέρια

Τα ερεθιστικά αέρια αποτελούνται από τα όξινα αέρια HCl, HF, HBr και άλλα υδρογονανθρακούχα υποπροϊόντα, όπως η ακρολεϊνη και φορμαλδεΰδη που προέρχονται από το ξύλο. Αυτά τα αέρια μπορεί να προκαλέσουν πόνο στα μάτια και τις διόδους αέρος (μύτη), αλλά δεν θα προκαλέσουν θανατηφόρα ζημιά αν αναπνευσθούν. Το πλέον πιθανόν είναι ο θάνατος να επέλθει μετά την έκθεση στα αέρια αυτά. Η πνευμονική ζημιά μπορεί να προκαλέσει θάνατο ακόμη και μετά από μια μέρα έκθεσης στα εν λόγω αέρια. Είναι ακόμη πιθανόν, αυτά τα αέρια, να έχουν την τάση να μειώσουν την RMV (ρυθμό αναπνοής).

Ορατότητα μέσω του καπνού

Η ορατότητα μέσω του καπνού είναι η πρώτη επίδραση σε μια φωτιά, πριν ακόμη γίνει πραγματική θερμική απειλή. Το φως μετριάζεται από τον καπνό, λόγω των σωματιδίων, κυρίως αιθάλης, αλλά και λόγω πισσωμένων συμπυκνωμάτων. Η αιθάλη δίδει στον καπνό ένα μαύρο χρώμα. Η πίσσα, που δημιουργείται από τη θέρμανση σε άφθονη παροχή αέρος, δίδει στον καπνό το "ασπρουδερό" του χρώμα. Η ιδιότητα που μετράει το μετρίασμα (απορρόφηση και διασπορά) στον καπνό είναι ο συντελεστής απόσβεσης, Ks. Ο Ks μετράται σε m" . Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της μείωσης της έντασης του φωτός, Ι, για ένα μήκος πορείας (ίχνους) φωτός, Ι. Η αρχική ένταση, Ιο ελαττώνεται από τον καπνό σε:
Ι = Ι0 exp (-Ksl) (8-8)
Η ικανότητα να δούμε μέσω του καπνού καλείται ορατότητα, Lv, και σχετίζεται με το Ks.