Ρυθμός Καύσης

Εισαγωγή

Καίτοι το τρίγωνο της καύσης (καύσιμη ύλη, οξυγόνο και ενεργεία) βοηθά στην επεξήγηση της φωτιάς, η ανάφλεξη, η διάδοση της φλόγας και ο ρυθμός καύσης, όπως δεικνύονται στο σχήμα 6-1, αποτελούν (απαρτίζουν) το τρίγωνο ανάπτυξης της φωτιάς. Η ανάφλεξη μας λέει πότε αρχίζει η ανάπτυξη της φωτιάς. Η θεωρία της διάδοσης της φλόγας μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε την έκταση των ορίων ανάπτυξης της φωτιάς και ο ρυθμός καύσης μας δίδει την κατανάλωση της καύσιμης ύλης μέσα σ' αυτά τα όρια. Σ' αυτό το κεφάλαιο περιγράφουμε πώς καίγονται τα αντικείμενα αεριοποιώντας την υγρή ή στερεά καύσιμη ύλη των από την θερμότητα της δικής τους φλόγας. Παρουσιάζεται και μια θεωρία ρυθμού καύσης, αλλά τα πραγματικά αντικείμενα απαιτούν πραγματικά στοιχεία. Σ' αυτό το κεφάλαιο επιδεικνύεται πώς να χρησιμοποιούνται αυτά τα στοιχεία.

Ορισμός και Θεωρία

Ο ρυθμός καύσης ορίζεται ως η μάζα της στερεάς ή υγρής καύσιμης ύλης που καταναλώνεται ανά μονάδα χρόνου. Με τη λέξη καύση εννοούμε την αντίδραση με το οξυγόνο. Σε μεγάλες πυρκαγιές οικημάτων, η καύσιμη ύλη μπορεί" να εξατμισθεί αλλά να μη καεί αμέσως λόγω του περιορισμού του οξυγόνου. 'Ετσι, κάποιος θα πρέπει να ξεχωρίζει τον ρυθμό απώλειας μάζας της καύσιμης ύλης στη φωτιά (παρεχόμενη καύσιμη ύλη) και το ρυθμό καιόμενης μάζας (καύσιμη ύλη που αντιδρά με το οξυγόνο). Σ' αυτό το κεφάλαιο, όπου περιγράφεται η καύση απλών αντικειμένων, αυτοί οι δύο διαχωρισμοί θεωρούνται συνώνυμοι. Έτσι, αν κάψουμε μια λεκάνη οινοπνεύματος υπό κλίμακα, η θερμότητα από τη φλόγα θα προκαλέσει εξάτμιση στο υγρό και η απώλεια της μάζας του μπορεί να καταγραφεί με το χρόνο. Η απωλεσθείσα μάζα διαιρεμένη με τον χρόνο που χρειάζεται είναι ο ρυθμός καύσης, m, και συνήθως εκφράζεται σε γραμμάρια ανά δευτερόλεπτο (g/s).
Για να αναφλέγει' το οινόπνευμα στη λεκάνη του σχήματος 6-2 πρέπει να βρεθεί (το οινόπνευμα) τουλάχιστον στη θερμοκρασία του σημείου ανάφλεξης του. Μόλις δημιουργηθεί μια φλόγα μετάδοσης πάνω από την επιφάνεια της, η επιφανειακή θερμοκρασία αυξάνει μέχρι το σημείο βρασμού του. Κατά τη διάρκεια αυτής της αύξησης, ο ρυθμός αεριοποίησης ή ο ρυθμός καύσης, επίσης αυξάνει ανάλογα. Αυτός ο εναλασσόμενος ή ασταθής ρυθμός καύσης είναι χαρακτηριστικός του τρόπου που καίγονται οι καύσιμες ύλες. Γενικά, ο ρυθμός καύσης εξαρτάται από τις ιδιότητες της καύσιμης ύλης, τον προσανατολισμό της ή τη διαμόρφωση της και από την εμπλεκόμενη επιφάνεια. Η εν λόγω επιφάνεια ελέγχεται από την ανάφλεξη και την διάδοση της φλόγας. Ο ρυθμός της καύσης γι' αυτήν την επιφάνεια μπορεί να μην είναι Ορισμός και Θεωρία
Ο ρυθμός καύσης ορίζεται ως η μάζα της στερεάς ή υγρής καύσιμης ύλης που καταναλώνεται ανά μονάδα χρόνου. Με τη λέξη καύση εννοούμε την αντίδραση με το οξυγόνο. Σε μεγάλες πυρκαγιές οικημάτων, η καύσιμη ύλη μπορεί" να εξατμισθεί αλλά να μη καεί αμέσως λόγω του περιορισμού του οξυγόνου.'Ετσι, κάποιος θα πρέπει να ξεχωρίζει τον ρυθμό απώλειας μάζας της καύσιμης ύλης στη φωτιά (παρεχόμενη καύσιμη ύλη) και το ρυθμό καιόμενης μάζας (καύσιμη ύλη που αντιδρά με το οξυγόνο). Σ' αυτό το κεφάλαιο, όπου περιγράφεται η καύση απλών αντικειμένων, αυτοί οι δύο διαχωρισμοί θεωρούνται συνώνυμοι. Έτσι, αν κάψουμε μια λεκάνη οινοπνεύματος υπό κλίμακα, η θερμότητα από τη φλόγα θα προκαλέσει εξάτμιση στο υγρό και η απώλεια της μάζας του μπορεί να καταγραφεί με το χρόνο. Η απωλεσθείσα μάζα διαιρεμένη με τον χρόνο που χρειάζεται είναι ο ρυθμός καύσης, m, και συνήθως εκφράζεται σε γραμμάρια ανά δευτερόλεπτο (g/s).
Για να αναφλέγει' το οινόπνευμα στη λεκάνη του σχήματος 6-2 πρέπει να βρεθεί (το οινόπνευμα) τουλάχιστον στη θερμοκρασία του σημείου ανάφλεξης του. Μόλις δημιουργηθεί μια φλόγα μετάδοσης πάνω από την επιφάνεια της, η επιφανειακή θερμοκρασία αυξάνει μέχρι το σημείο βρασμού του. Κατά τη διάρκεια αυτής της αύξησης, ο ρυθμός αεριοποίησης ή ο ρυθμός καύσης, επίσης αυξάνει ανάλογα. Αυτός ο εναλασσόμενος ή ασταθής ρυθμός καύσης είναι χαρακτηριστικός του τρόπου που καίγονται οι καύσιμες ύλες. Γενικά, ο ρυθμός καύσης εξαρτάται από τις ιδιότητες της καύσιμης ύλης, τον προσανατολισμό της ή τη διαμόρφωση της και από την εμπλεκόμενη επιφάνεια. Η εν λόγω επιφάνεια ελέγχεται από την ανάφλεξη και την διάδοση της φλόγας. Ο ρυθμός της καύσης γι' αυτήν την επιφάνεια μπορεί να μην είναι

Θερμότητα αεριοποίησης, L (KJ/g)

Ένας γενικός τύπος πρόβλεψης του ρυθμού καύσεως μάζας ανά μονάδα εμβαδού ή ρυθμός ροής καιόμενης μάζας, δίδεται από:
 m" = q"/L
όπου q" είναι η καθαρή (ωφέλιμη) θερμική ροή προς την επιφάνεια της καύσιμης ύλης, και L είναι η θερμότητα αεριοποίησης.
Η καθαρή θερμική ροή, βασικά, οφείλεται στην φλόγα πάνω από την επιφάνεια, αλλά μπορεί να ενισχυθεί από άλλες ακτινοβολούσες πηγές θερμότητας. Αυτές οι εξωτερικές ακτινοβόλες πηγές μπορεί να παρουσιασθούν λόγω ενός θερμασμένου δωματίου κατά τη διάρκεια μιας πυρκαγιάς ή λόγω της διαμόρφωσης (προδιαγραφής) της καύσιμης ύλης, όπως στην αλληλεπίδραση των ξύλινων κούτσουρων στο τζάκι. Επίσης, αυτές οι ακτινοβάλες πηγές μπορεί να παρουσιασθούν σε δοκιμές υλικών προκειμένου να διευκολυνθεί η καύση των. Η καθαρή (ωφέλιμη) θερμική ροή είναι το αλγεβρικό άθροισμα των συνιστωσών θερμικών ροών (σχήμα 6-3) στην επιφάνεια.

Για τα υγρά η επιφάνεια θα είναι στο σημείο βρασμού. Τα άκαυστα θερμοπλαστικά στερεά θα ανταποκριθούν παρόμοια με τα υγρά. Αλλά τα μη θερμοπλαστικά στερεά, το ξύλο και άλλα καρβουνιασμένα σχήματα (κατασκευάσματα) θα επιδείξουν μια αυξανόμενη επιφανειακή θερμότητα καθώς το καρβούνιασμα δημιουργεί ένα στρώμα μόνωσης. Η εξίσωση (6-1) είναι μια ακριβής περιγραφή της σταθερής καύσης υγρών καυσίμων υλών και μη αποτεφρούμενων θερμοπλαστικών, αλλά αποτελεί μόνο μια εκτίμηση της μέγιστης καιόμενης ροής μάζας για υλικά αποτέφρωσης. Για ρηχές λακούβες υγρών ή υγρές καύσιμες ύλες εμποτισμένες μέσα σε στερεά, ο τύπος υπερεκτιμά τη ροή της καιόμενης μάζας λόγω της απώλειας θερμότητας στο υπόστρωμα του υγρού. Επίσης, για υγρό όπως η βενζίνη που χύνεται πάνω σε ξύλο, θα καιγότανε πάντα η βενζίνη και ακόμη θα έψυχε το εμποτισμένο με βενζίνη ξύλο στη συνέχεια της διαδικασίας.
Η ποσότητα L είναι η απαιτούμενη ενέργεια για την αεριοποίηση της στερεάς ή υγρής καύσιμης ύλης. Είναι μια θερμοδυναμική ιδιότητα των υγρών καυσίμων υλών και μπορεί να εκφρασθεί με μεγάλη ακρίβεια. Για τα στερεά, ειδικά για αποτεφρωμένα στερεά, είναι μια κατά προσέγγιση μέση ιδιότητα που μπορεί να ποικίλει με το χρόνο, διότι το κάρβουνο διατηρεί ορισμένη από την ενέργεια. Ενώ οι υγρές καύσιμες ύλες και μη αποτεφρούμενα θερμοπλαστικά στερεά "φθάνουν" στην καύση σε δευτερόλεπτα και λεπτά αντίστοιχα ενώ τα καρβουνιασμένα κατασκευάσματα γρήγορα φθάνουν σε μέγιστη ροή καύσης και μετά αποσυντίθενται με το χρόνο. Αυτή η ξηρή σήψη (σάπισμα) προκαλείται από την μονωτική φύση του κάρβουνου. Αργότερα, ακολουθείται από άμεση οξείδωση του καθώς η φλόγωση' σβήνει. Μέσα στο γενικό πλαίσιο αυτού του τύπου, το L είναι μόνο μια κατά προσέγγιση ιδιότητα για καρβουνιασμένα κατασκευάσματα. Ωστόσο, η εξίσωση (6-1) μας δίδει ένα απλό, αλλά κατάλληλο εργαλείο για τον υπολογισμό της ροής της καιόμενης μάζας.
Ατυχώς, η ωφέλιμη θερμική ροή q" ή πιο συγκεκριμένα, η θερμική ροή της φλόγας, δεν είναι άμεσα διαθέσιμη.

Οι χαρακτηριστικές ροές καιόμενων μαζών κυμαίνονται από 5 έως 50 g/ms τιμές κάτω από 5 g/ms συνήθως καταλήγουν σε εξαφάνιση. Όπως φαίνεται άμεσα από την εξίσωση (6-1), η εξωτερική θέρμανση μπορεί να αυξήσει τη ροή της καιόμενης μάζας. Τέτοια εξωτερική θέρμανση μπορεί να προέλθει από μια φωτιά σε δωμάτιο με αποτέλεσμα μια ανακυκλωμένη ανατροφοδότηση που μπορεί να επιταχύνει την καύση. Επειδή η αύξηση του ατμοσφαιρικού οξυγόνου οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας της φλόγας, θα πρέπει να αναμένουμε από την επακόλουθη θερμική ροή της φλόγας, να οδηγεί σε μια αντίστοιχη αύξηση της ροής της καιόμενης μάζας. Για το λόγο αυτό, η καύση σε μεγάλη ποσότητα οξυγόνου ατμόσφαιρας θα είναι μεγαλύτερη απ' ότι σε μολυσμένες.
Σβήσιμο της φωτιάς μπορεί να συμβεί, για m" < 5 g/m-s, καθώς το οξυγόνο εξαντλείται και συμβαίνει εάν το εξατμιζόμενο νερό παρέχει μια απώλεια της επιφανειακής θερμικής ροής. Δεν υπάρχει μια απλή θεωρία για να εξηγηθεί το σβήσιμο. Όμως το εμπειρικό όριο των 5 g/m-s αποτελεί ένα καλό σημείο εκκίνησης. Η καταστολή της φωτιάς δια ψύξεως με νερό συνήθως οδηγεί σε σβήσιμο. Συνεπώς, η εξίσωση (6-1) μπορεί να μας βοηθήσει να εξηγήσουμε μια σειρά επιδράσεων του ρυθμού καύσης.
Χαρακτηριστικές τιμές θερμοκρασιών αεριοποίησης παρατίθενται στον πίνακα 6-1. Αυτές έχουν συγκεντρωθεί από διάφορες πηγές και παρατίθενται για γενική χρήση. Χημικά πρόσθετα και η φυσική μορφή του υλικού (σπυρωτό, αφρώδες, στερεό) μπορεί να επηρεάσει την τιμή του ίγια στερεά καύσιμα. Πράγματι, ένα χημικό επιβραδυντικό μπορεί να αυξήσει το ίγια στερεά καύσιμα κάνοντας το πιο δύσκολο να εξατμισθεί. Όπως αναφέρθηκε, οι τιμές του L για καθαρά υγρά καύσιμα αποτελούν ακριβείς ιδιότητες. Αλλά, καθώς η διαδικασία του υποβιβασμού γίνεται πιο συνθέτη όπως για τα κατασκευάσματα κάρβουνου, το L είναι μια κατά προσέγγιση εκπροσώπηση της διαδικασίας. Για στερεά καύσιμα, κατά προσέγγιση τιμές του L έχουν συμπερασματικά εξαχθεί από πειράματα θέρμανσης τα οποία βασίζοντο στη χρήση της εξίσωσης (6-1). Γενικά, μπορεί κανείς να παρατηρήσει από τον πίνακα 6-1 ότι οι τιμές του L τείνουν να αυξηθούν καθώς κινούμεθα από υγρά ( KJ/g) προς θερμοπλαστικά (1-3 KJ/g) και προς κατασκευάσματα κάρβουνου (2-6 KJ/g).
Υπό συνθήκες φλόγωσης, τα υγρά καύσιμα διατηρούν το σημείο βρασμού των στην επιφάνεια. Έτσι, η βενζίνη θα φθάσει περίπου 30 "C στην επιφάνεια, το μεθυλόπνευμα φθάνει στους 12 °C και η κηροζίνη στους 232°C. Καίτοι η θερμοκρασία ατμοποίησης για τα στερεά καύσιμα δεν είναι μια ακριβής ιδιότητα όπως για τα καθαρά υγρά καύσιμα, τα μη αποτεφρούμενα θερμοπλαστικά επιτυγχάνουν επιφανειακές θερμοκρασίες των 2 50 - 400 °C ενώ τα κατασκευάσματα κάρβουνου φθάνουν τους 400 - 500 "C όταν καίγονται.

Πίνακας 6-1 Τιμές θερμοκρασιών αεριοποίησης
Καύσιμη ύλη	L (kj/g)
Υγρά:
βενζίνη	0.33
εξάνιο	0.45
επτάνιο	0.580
κηροζίνη	0.67
εθυλόπνευμα	1.00
μεθυλόπνευμα	1.23
Θερμοπλαστικά
Πολυεθυλένιο	1.8-3.6
Προπυλένιο	2.0-3.1
Πολυμεθυλασετίνη	1.6-2.8
Νάιλον	2.4-3.8
Αφρός πολυστερίνης	1.3-1.9
Εύκαμπτος αφρός πολυουρεθάνης	1.2-2.7
Κατασκευάσματα κάρβουνου
Χλωριούχο πολυβινύλιο	1.7-2.5
Ακαμπτος αφρός πολυουρεθάνης	1.2-5.3
Χαρτί φίλτρου Whatman No3	3.6
Χαρτί "γκοφρέ"	2.2
Ξύλα	4-6.5

Μέγιστη Ροή Καύσης

Καίτοι η εξίσωση (6-1) είναι ένα χρήσιμο ποσοτικό εργαλείο για την εξήγηση του ρυθμού καύσης, έχει περιορισμένη πρακτική χρήση. Το βασικό πρόβλημα είναι να γνωρίζει κανείς πως να καθορίσει τον όρο θερμική ροή. Αυτή η ποσότητα μπορεί να εξαρτάται από την καύσιμη ύλη, τον προσανατολισμό της και τη διαμόρφωση της. Για τοίχους που καίγονται, που δεν υπερβαίνουν τα 2 m, η φλόγα του τοίχου φαίνεται ότι έχει μια κατά προσέγγιση σταθερή τιμή των 25+5 KW/m2. Αυτό μας δίδει μια στρατηγική εκτίμησης του ρυθμού καύσης μιας φωτιάς τοίχου.
Για  άλλες διαμορφώσεις, δεν μπορούμε εύκολα να καθορίσουμε εκτιμήσεις του q" χωρίς στοιχεία από συγκεκριμένες πειραματικές μετρήσεις. Θεωρήστε την διαμόρφωση οριζόντιας καύσης του σχήματος 6-3. Για υγρές καύσιμες ύλες, έχουν γίνει διάφορα πειράματα. Απ' αυτά βρέθηκε ότι η διάμετρος της λακούβας του υγρού είναι σημαντική. Μια χαρακτηριστική καμπύλη της ροής καιόμενης μάζας δείχνεται στο σχήμα 6-4 για το μεθυλόπνευμα.

Για πολύ μικρές διαμέτρους, d < 5cm, η φλόγα έχει χαρακτηριστικά στοιχισμένης φλόγας έχοντας λεπτό μέγεθος με 2000 "C. Καθώς η διάμετρος αυξάνει, η φλόγα κινείται μακρύτερα από την επιφάνεια, ελαττώνοντας τη θερμική ροή και συνεπώς τη ροή της καιόμενης μάζας. Για μεγέθη διαμέτρων της τάξεως των 5 - 20 cm η μετάδοση θερμότητας της φλόγας είναι πιο συμβολισμένη, με μέση θερμοκρασία της φλόγας της τάξεως των 800 "C. Όπως είδαμε στο Κεφάλαιο 3, ο συντελεστής μετάδοσης θερμοκρασίας δια μεταφοράς είναι σχεδόν 5-10 W/m-C, που δίδει μια κατά προσέγγιση σταθερή θερμική ροή της φλόγας 8 KW/m το μέγιστο. Έτσι, γι' αυτή τη "γκάμα" διαμέτρων η ροή της καιόμενης μάζας είναι σχεδόν σταθερή. Αλλά καθώς η διάμετρος αυξάνει περισσότερο, το μέγεθος και το πλάτος της στροβιλιζόμενης φλόγας αυξάνει, παρέχοντας μια αυξανόμενη πηγή, από πρόσθετη ακτινοβόλο θερμική ροή από την παχιά φλόγα. Όμως, όπως είδαμε στο Κεφάλαιο 3, η ακτινοβολία της φλόγας φθάνει την μέγιστη τιμή της όταν η δυνατότητα εκπομπής της γίνει ένα (1). Ως επακόλουθο, η ροή της καιόμενης μάζας αποκτά μια μέγιστη τιμή. Αυτή η τιμή εξαρτάται από τις ιδιότητες ρύπανσης της καύσιμης ύλης, αλλά γενικά δημιουργείται για διαμέτρους φωτιάς της τάξεως των 1 έως 2 cm. Παρόμοιο αποτέλεσμα δείχνεται στο σχήμα 6-5 για τη βενζίνη για τιμές διαμέτρων μεγαλύτερες των 20 cm. Η μέγιστη τιμή έχει φθάσει μέχρι και 55 g/ms. Τέτοιες όμως τιμές έχουν επιτευχθεί πειραματικά για άλλες υγρές καύσιμες ύλες καθώς και για στερεά καύσιμα. Αυτές οι μέγιστες ροές καύσης, έχουν ταξινομηθεί, από διάφορους πίνακες, στον πίνακα 6-2. Καίτοι αυτές οι τιμές πρέπει να λαμβάνονται για κατά προσέγγιση υπολογισμούς στερεών καυσίμων υλών, παρέχουν όμως ένα πλαίσιο υπολογισμού των χειρότερων περιπτώσεων καύσεων.

Ρυθμός Έκλυσης Ενέργειας, Q

Ίσως η πιο σπουδαία ποσότητα που έχει σχέση με τη φωτιά είναι ο ρυθμός έκλυσης (απελευθέρωσης) ενέργειας, η ισχύς της φωτιάς μετρημένη σε Kilowatt (KW) και υποδηλούμενο με το σύμβολο Q. Περισσότερο από κάθε άλλο παράγοντα, αντιπροσωπεύει το μέγεθος της φωτιάς και το δυναμικό της για πρόκληση ζημιάς. Θα δούμε ότι είναι άμεσα συνδεδεμένος με το ύψος της φλόγας και από το Κεφάλαιο 3, είδαμε ότι είναι άμεσα συνδεδεμένος με την ακτινοβόλο θερμική ροή που περιβάλλει την φωτιά. Το συνολικό δυναμικό της ανάπτυξης της φωτιάς και της απότομης έκρηξης (ανάφλεξης) των καπνών της μπορεί να σχετισθεί (συνδεθεί) με το Q.
Ο ρυθμός έκλυσης ενέργειας βρίσκεται μέσω της γνώσης της ροής καιόμενης μάζας, όπου

Q=m"AΔHc
όπου Α είναι το εμβαδόν που εμπλέκεται στην ατμοποίηση και ΔΗα είναι η ενεργός θερμότητα καύσης (η εκλυόμενη ενέργεια από τη φωτιά ανά μονάδα μάζας της καιόμενης καύσιμης ύλης).

Πίνακας 6-2 Μέγιστες τιμές ροής καύσης
Καύσιμη ύλη	m" (g/m2 - s)
Υγροποιημένο προπάνιο	100-130
Υγροποιημένο φυσικό αέριο	80-100
βενζόλιο	90
βουτάνιο	80
εξάνιο	70-80
ξυλένιο	70
κηροζίνη	50-70
επτάνιο	65-75
βενζίνη	50-60
ακετόνη	40
μεθανόλη	22
πολυστερίνη (σε κόκκους)	38
πολυμεθυλασετίνη (σε κόκκους)	28
πολυαιθυλένιο (σε κόκκους)	26
πολυπροπυλένιο (σε κόκκους)	24
Ακαμπτος αφρός πολυουθεράνης	22-25
Εύκαμπτος αφρός πολυουθεράνης	21-27
Χλωριούχο πολυβινύλιο	16
Χάρτινα "γκοφρέ" κουτιά	14
Ξύλινα καφάσια	11

Ο όρος "ενεργός θερμοκρασία καύσης" χρησιμοποιείται σε αντίθεση προς την θεωρητική θερμοκρασία καύσης διότι η πρώτη αφορά (ισχύει) κατά τη διάρκεια του καυτού τμήματος της φωτιάς. Η θερμοκρασία καύσης αντιπροσωπεύει την εκλυόμενη χημική ενέργεια ανά μονάδα μάζας της ατμοποιημένης καύσιμης ύλης, που δραστηριοποιείται. Είναι δυνατόν να μετρήσουμε αυτή τη τιμή για ένα στερεό όπως το ξύλο με μια συσκευή που λέγεται "βόμβα οξυγόνου" (συσκευή για τη μέτρηση της μέγιστης εκλυόμενης ενέργειας κατά τη καύση για μια δεδομένη μάζα καύσιμης ύλης). Σ' αυτή τη συσκευή όλο το εύφλεκτο περιεχόμενο του ξύλου θα δραστηριοποιηθεί και η προκύπτουσα ενέργεια και η καταναλωθείσα μάζα θα μετρηθεί. Θα μείνει μόνο ανόργανη τέφρα. Χαρακτηριστικά αυτή η θερμοκρασία της καύσης (θεωρητική) θα είναι περίπου 19 KJ/g. Αν εγένοντο οι ίδιες μετρήσεις υπό αντιπροσωπευτικές συνθήκες για το ξύλο, θα είχαμε τιμή για το ΔΗο 13 KJ/g περίπου για τη φάση της καύσεως με φλόγα και ΔΗα 30 KJ/g για τη φάση της βραδείας καύσης του καρβουνιασμένου ξύλου.
Αυτή η διαδικασία δεικνύεται στο σχήμα 6-6 για ένα χαρακτηριστικό υλικό που μοιάζει με ξύλο.

Εδώ ανησυχούμε για τις επιπτώσεις της θερμοκρασίας καύσεως κατά τη διάρκεια της καύσης με φλόγες (περίοδο φλόγωσης). Καθώς αναπτύσσεται το στρώμα του κάρβουνου, η καύση με φλόγες παύει (σταματά) με μια ροή απώλειας μάζας των 5 g/ms. Η βραδεία καύση μετά καταναλώνει το καρβουνιασμένο υλικό δια της οξείδωσης. Αυτή η διαδικασία είναι πολύ αργή. Γενικά, η δημιουργία κάρβουνου και ο σχηματισμός ημιτελών προϊόντων της καύσης όπως η αιθάλη και το μονοξείδιο του άνθρακα, ελαττώνουν την θερμοκρασία καύσης κατά τη διάρκεια της φλόγωσης. Χημικά πρόσθετα - επιβραδυντικά - μπορούν επίσης να παίξουν σοβαρό ρόλο εδώ. Για το λόγο αυτό το ΔΗο πρέπει να μετράται για κάθε υλικό ώστε να είναι ακριβείς.
Οι ωφέλιμες θερμοκρασίες καύσης τείνουν να είναι υψηλότερες για αέρια και υγρά καύσιμα υλικά και μικρότερες για κατασκευάσματα κάρβουνου. Ο πίνακας 6-3 παραθέτει χαρακτηριστικές τιμές.
Ένας σημαντικός παράγων κατά την εκτίμηση ζημιών λόγω πυρκαγιάς είναι ο λόγος του AHc/L, διότι αυτός μας δίδει την εκλυόμενη ενέργεια ανά απαιτούμενη ενέργεια για την ατμοποίηση της καύσιμης ύλης. Μπορεί κανείς να δεί από τους πίνακες 6-1 και 6-3 ότι τα υγρά καύσιμα είναι συγκριτικά πιο επικίνδυνα απ' ότι τα στερεά.

Πειραματικά Αποτελέσματα για Επιλεγμένα Είδη

Ο μόνος τρόπος προσδιορισμού του ρυθμού καύσης ή του ρυθμού έκλυσης ενέργειας ενός υλικού είναι δια της ακριβούς μέτρησης. Η μέτρηση εξαρτάται από τον τρόπο ανάφλεξης, ιδιαίτερα για την αρχική ανάπτυξη της φωτιάς σε βάθος χρόνου. Συ-σκευές ζύγισης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της απώλειας μάζας ενώ καίγεται κάποιο αντικείμενο. Εάν τα προϊόντα της καύσης συλλεχτούν σε έναν αγωγό εξαγωγής και μετρηθεί το περιεχόμενο οξυγόνο σ' αυτά, μπορεί έτσι να υπολογισθεί ο ρυθμός έκλυσης (απελευθέρωσης) της ενέργειας. Μια τέτοια συσκευή καλείται θερμιδόμετρο κατανάλωσης οξυγόνου (σχήμα 6-8). Η συσκευή λειτουργεί βάσει της αρχής ότι η θερμοκρασία της καύσης ανά μονάδα μάζας του καταναλωθέντος οξυγόνου είναι σχεδόν σταθερή (15 KJ/g) για μια μεγάλη "γκάμα" συνηθισμένων καυσίμων ενώσεων. Ο ρυθμός έκλυσης ενέργειας βρίσκεται κατ' ευθείαν από την καταγραφή του ρυθμού κατανάλωσης του οξυγόνου. Παραδείγματα αποτελεσμάτων "ταπετσαρισμένων" επίπλων δείχνονται στο σχήμα 6-9.
Το αρχικό τμήμα της ανάπτυξης της καμπύλης του διαγράμματος εξαρτάται από την διαδικασία ανάφλεξης. Η απότομη αύξηση του Q οφείλεται στη γενική ανάπτυξη της φωτιάς - διάδοση της φλόγας και ρυθμός καύσης - του επίπλου. Η ξηρά σήψη από το ρυθμό έκλυσης της μέγιστης ενέργειας απεικονίζει (δείχνει) το σβήσιμο των διαφόρων τμημάτων του επίπλου. Το πάχος των καμπυλών ή πιο συγκεκριμένα, το εμβαδόν κάτω απ' αυτές, αντιπροσωπεύει την ποσότητα της καύσιμης ύλης.
Ο ευκολότερος τρόπος για την εκτίμηση της εκλυόμενης ενέργειας είναι η μέτρηση του ρυθμού απώλειας μάζας καίγοντας ένα αντικείμενο πάνω σε μια κλίμακα (ζυγαριά). Από την εξίσωση το Q βρίσκεται πολλαπλασιάζοντας τον ρυθμό απώλειας της μάζας με μια κατάλληλη θερμοκρασία καύσης. Ο πίνακας 6-4 δίδει ορισμένες μέγιστες τιμές ρυθμού καύσης για πραγματικά αντικείμενα.

 

 

 

 

 

 

Πίνακας 6-4 Αντιπροσωπευτικές μέγιστες τιμές  ρυθμού καύσης (σε g/s)
Μικρά κουτιά απορριμμάτων                      3-6
Μεγάλα κουτιά απορριμμάτων                    5-10
Καρέκλες ξύλινες και ταπετσαρίας             10-60
Καναπέδες                                             20-100
Κρεβάτια                                                20-140
Ντουλάπα                                                -40
Γραφείο                                                  -90
Κρεβατοκάμαρα                                      ~130
Κουζίνα                                                  -190
Οικία                                                     -30.000