TEORIJA GORENJA I GAŠENJA

1. ANATOMIJA POŽARA U GRAĐEVINAMA 1. predavanje: TEORIJA GORENJA I GAŠENJA Slobodan Kocijan, dipl.ing.teh.

2. PROCES GORENJA PLAMEN IZGARANJE FLASHOVER BACKDRAUGHT BLEVE POŽARNE ZNAČAJKE TEORIJA PROCESA GORENJA

3. Fizikalno – kemijske osnove gorenja G O R E Nj E= složeni fizikalno – kemijski proces gdje dolazi do reakcije oksidansa (kisika) s gorivom tvari uz postignutu temperaturu paljenja, pri čemu se oslobađaju velike količine topline produkata potpunog i nepotpunog sagorijevanja, uz pojavu: • plamena, • žara i • vidljive svjetlosti.

5. VATRA ≠ POŽAR • Često se poistovjećuju pojmovi “vatra” i “požar”, iako među njima postoji bitna razlika. Vjerojatno je tome razlog što se pod pojmom i “vatre” i “požara” podrazumijeva gorenje. • “vatra” podrazumijeva svako kontrolirano gorenje, • “požar"svako nekontrolirano gorenje u kojem su ugroženi ljudski životi i nastaje materijalna šteta.

6. RAZVOJ POŽARA

7. Osnovni uvjeti za nastanak gorenja i nesmetano izgaranje, odnosno za izbijanje i nastanak požara su istovremeno: prisutnost dovoljne količine gorive tvari, prisutnost dovoljne količine oksidansa (kisika), djelovanje dovoljno jakog izvora energije i temperature paljenja, slobodno odvijanje (ne zaustavljanje razvitka) lančanih reakcija u plamenu (za sve slučajeve paljenja i izgaranja gorive tvari u obliku plamena i plamena i žara). UVJETI GORENJA

8. OKSIDANS LANČANE REAKCIJE GORIVA TVAR TEMPERATURA PALJENJA UVJETI GORENJA

9. PROCES GORENJA

10. TEMPERATURA • Temperatura nekog sustava izražava intenzivnost gibanja atoma i molekula koji se nalaze u tom sustavu. • Drugim riječima, ako je mirovanje atoma i molekula u nekom sustavu apsolutno, temperatura je nula. Tu temperaturu nazivamo apsolutnom ili termodinamičkom (T), za razliku od nule na Celsiusovoj skali (t) koja odgovara talištu leda, odnosno ledištu vode. Isto vrijedi i za 100°C što odgovara vrelištu vode pri 101325 PA. • T=0 K (kelvin) • t=-273,15°C t = T – 273,15K

11. TOPLINA • Toplina je oblik energije čiju veličinu (veću ili manju količinu topline) osjećamo čulima – dodirom; objektivno mjerilo o toplini dobiva se promatranjem i mjerenjem djelovanja zagrijanih tijela na druga tijela. • Prenošenje topline je uzrok širenje požara na okolne tvari i predmete. • Prijenos topline: • Kondukcija (vođenje) • Konvekcija (strujanje) • Radijacija (zračenje).

12. VOĐENJE - KONDUKCIJA

13. KONVEKCIJA -STRUJANJE

14. ZRAČENJE

15. PROCES GORENJA • Goriva tvar i oksidans moraju biti zagrijani do određene temperature nekim izvorom paljenja: • plamenom, • iskrom, • vrućim predmetom, • toplinom kemijske reakcije ili • toplinom mehaničkog rada. • Postizavanjem određene temperature gorive tvari i oksidansa (ili u pojedinim njihovim dijelovima) pojavljuje se zona gorenja, tj. područje gdje nastaje reakcija – oslobađa se svjetlo i toplina.

16. PROCES GORENJA • Za početak i nastavljanje procesa gorenja potrebno je da goriva tvar i oksidacijsko sredstvo budu u određenim minimalnim koncentracijama odnosno određenim međusobnim odnosima. • Tako pri gorenju u zraku koncentracija kisika ne smije biti niža od 16%. • Za neke tvari gorenje se može odvijati i pri nižim koncentracijama kisika.

17. Toplina se može prenijeti u gorivo radijacijom, iskrama i plamenom. Od posebnog značaja za nastavak gorenja je intenzitet (udaljenost izvora topline od gorive tvari) i trajanje izvora paljenja; Kisik je potreban za nastavak procesa gorenja, npr. za kemijske reakcije s gorivom. Mora ga biti u suvišku (npr. putem ventilacije) na mjestu gorenja; PROCES GORENJA

18. UVJETI GORENJA • Uklanjanjem bilo kojeg od prikazanih uvjeta sprječava se nastanak gorenja. • Djelovanjem na bilo koji od prikazanih uvjeta dolazi do prestanka gorenja, tj. gašenja, a na tim principima se i temelji cjelokupan sustav zaštite od požara.

19. UVJETI GORENJA • U smislu prevencije nastanka požara prednost se daje uklanjanju ili smanjivanju prisutnosti gorive tvari iz prostora u kojima postoji opasnost od požara i eksplozija. • Ukoliko to nije moguće, iz takvih prostora se uklanjaju svi mogući potencijalni uzročnici paljenja. • U prostorima i tehnološkim procesima u kojima se ne može izbjeći prisutnost gorive tvari i izvora paljenja, eliminira se prisutnost kisika (oksidansa) hermetizacijom procesa i vođenjem pod vakuumom ili u atmosferi inertnih plinova.

20. UVJETI GORENJA • Specifični slučajevi koji zahtijevaju istovremenu prisutnost gorive tvari i izvora paljenja i oksidansa rješavaju se četvrtim uvjetom, tj. najčešće primjenom sredstava za gašenje antikatalitičkog djelovanja na gorenje. • Takvo djelovanje imaju: • haloni - halogenizirani ugljikovodici, • univerzalni prahovi i • neke vrste pjena.

21. TVARI NEGORIVE GORIVE kvarc vapno polikarbonat teflon itd. LAKOZAPALJIVE TEŠKOZAPALJIVE vuna PVC poliamidi polibenzen- imidazol itd GORIVE TVARI metan benzen drvo ugljen polistiren magnezij itd

22. TVARI • N e g o r i v e t v a r isu one koje se ne mogu zapaliti pri normalnim uvjetima pripaljivanja (815,6° C u vremenu od 5 minuta), a mnoge ni kada su izložene djelovanju ekstremno povišene temperature (primjerice: beton, staklo, azbest, kamen). • G o r i v e t v a r i su one koje se pri normalnim (standardnim) uvjetima pripaljivanja mogu lakše ili teže zapaliti i dovesti do pojave požara ili u uvjetima požara potpomagati njegov nesmetani razvoj i širenje (zapaljivi plinovi, zapaljive tekućine, zapaljive krutine).

23. La k o z a p a lj i v e t v a r i – su one tvari koje se pod normalnim uvjetima ili na određenoj povišenoj temperaturi pod utjecajem inicijalnog plamena zapale i gore (primjerice: neke zapaljive krute tvari, zapaljive tekućine ili zapaljivi plinovi). T e š k o z a p a lj i v e t v a r i– koje se pod utjecajem inicijalnog plamena zapale, ali gore samo dok na njih izravno djeluje plamen (primjerice: sve vrste životinjskih vlakana, polimerne sintetičke tvari, inpreginrano drvo ili tekstil i dr.). GORIVE TVARI

24. GORIVE TVARI • Goriva tvar sama po sebi utječe na svoje gorenje na nekoliko načina. • Osnovni parametri koji značajno utječu na ponašanje gorive tvari u požaru uključuju: • mjesto gorenja u prostoriji, • građevinsku izvedbu prostorije, • oblik (forma, debljina, karakteristike površine, razmještaj, gustoću itd.) i konačno • fizikalno – kemijske karakteristike (plamište, temperatura zapaljenja, toplinska provodljivost, specifična toplina, toplina gorenja itd.)

25. U redoslijedu dubljeg razumijevanja procesa gorenja, nije dovoljno usredotočiti se samo na makroskopske manifestacije, nego i na razmatranje mikroskopskog ili molekularnog područja gdje svojstva materijala predstavljaju značajnu ulogu. Dok je požar vanjska manifestacija procesa nekontroliranog gorenja i zbog toga se ne može egzaktno definirati, plamen se može proučavati kao pojava kontroliranog gorenja i može se opisati. PLAMEN

26. PLAMEN • U osnovi, postoje dva tipa plamena: • Predmiješani plamen u kojem je plin prije zapaljenja pomiješan sa zrakom (npr. Bunsen plamenik) i • difuzijski plamen – tako je nazvan jer kisik potreban za gorenje difuzijom ulazi u plinsku smjesu iz okolne atmosfere.

27. Najbolji primjer za difuzijski plamen je plamen svijeće. Ilustracija gorenja svijeće

28. Parafin se tali zbog isijavanja topline i diže se gore u fitilj pomoću kapilara i pirolizira se na površini fitilja gdje je temperatura između 600 - 800 °C. Pirolitički plinovi migriraju dalje (povrh toga) i također zaostaju u unutarnjem dijelu plamena, plamena jezgra, ili obogaćuju vanjski plameni plašt PLAMEN – Održavanje reakcije izgaranja

29. PLAMEN – Održavanje reakcije izgaranja • Reducirajuća atmosfera postoji u jezgri nesvijetlećeg plamena u kojoj postoji pomanjkanje kisika. • Dijelovi ugljikovodika nastali pirolizom migriraju u područje u kojoj temperatura dostiže 1000 °C. • Stvaraju se konjugirane dvostruke veze praćene ciklizacijom i aromatizacijom što dovodi do stvaranje čestica čađe. • Potonje sudjeluju u stvaranju svjetlosti i plamena. • One se istroše u zoni sjajnog plamena reakcijom s vodom i ugljkovim dioksidom stvarajući ugljikov monoksid.

30. PLAMEN – Održavanje reakcije izgaranja • Plinovi nastali pirolizom se odvode prema vani gdje dolaze u dodir s kisikom koji difuzijom prodire prema unutrašnjosti plamena. • U tom plaštu od plamena – reakcijskoj zoni, visoke energije, naročito kisika koji se sastoji od radikala, nastaju temperature od oko 1400 °C. To održava reakciju izgaranja.

31. PLAMEN – Održavanje reakcije izgaranja • Ako je proces neometen i odgovarajuće snabdijevan s kisikom on se održava, a konačni produkti gorenja svijeće su ugljikov dioksid i voda. • Procesi koji se javljaju kod gorenja plastike su u principu slični procesu u plamenu svijeće.

32. Izgaranje je katalitička egzotermna reakcija koja se održava pomoću interno stvorenih slobodnih radikala uz pojavu svjetlosti i topline. IZGARANJE

33. IZGARANJE • Radikali, kisik i toplinska energija potrebni za gorenje dovode se na mjesto izgaranja različitim transportnim mehanizmima: • Prijenosom mase: • Procesom strujanja kao što je vrtložna difuzija: masa se transportira u turbulentnoj struji. • Molekularna difuzija: masa se transportira izravno kroz koncentracijski gradijent. • Toplinska difuzija: masa se transportira izravno kroz temperaturni gradijent. • Prijenosom energije • Toplinskom vodljivošću: toplina se prenosi temperaturnim gradijentom. • Radijacijom: energija se prenosi radijacijom

34. Plamen je dio procesa izgaranja koji se javlja samo u plinskoj fazi. To predstavlja, katkad, samo jedan aspekt gorenja obzirom da postoje i drugi tipovi gorenja. Na primjer, u nekom sustavu reakcjske komponente su prisutne u plinskoj i krutoj fazi. Ako je temperatura isparavanja krutine veća od njezine temperature gorenja, proces gorenja se direktno javlja na njezinoj površini. Kod nižih temperatura u prisustvu viška kisika, javlja se usijani žar, to jest javlja se gorenje bez plamena. Kod smanjenog dotoka kisika, javlja se tinjanje bez pojave plamena ili usijanog žara. IZGARANJE

35. 1. faza: Proces izgaranja Izgaranje plastike je proces koji se sastoji od mnogo koraka, a neki od njih još nisu istraženi. Zbog toga ne mogu biti opisani kvantitativno, ali se zato mogu opisati kvalitativno. Pojednostavljeni shematski prikaz opisuje različite fenomene koji se javljaju tijekom izgaranja plastike. PRIMJER: Gorenje plastike (polimera)

36. PRIMJER: Gorenje plastike (polimera)

37. 2. faza: Zagrijavanje Kruta plastika se zagrijava pomoću povratnog djelovanja topline ili iz jednog vanjskog izvora topline (npr. radijacijom ili plamenom). U toj početnoj fazi termoplastična masa ima tendenciju, na račun održanja dužine molekularnog lanca, omekšati ili se rastaliti i početi teći. Termostabilne plastične mase imaju trodimenzionalne križno povezane molekularne strukture koje sprečavaju omekšavanje ili taljenje. Polimeri ne prelaze, kao takvi, u plinsku fazu ako se i nadalje dovodi energija, ali se raspadaju prije isparavanje. PRIMJER: Gorenje plastike (polimera)

38. PRIMJER: Gorenje plastike (polimera) • 3. faza: Razlaganje • Razlaganje je endotermni proces u kojem se višak energije mora dovesti da se savlada velika energija veza između pojedinih atoma (između 200 i 400 kJ/mol) i da dođe do potrebne energije aktivacije. • Kao što se pojedine plastične mase razlikuju u svojoj strukturi, tako se i njihove temperature razlaganja razlikuju. • U većini slučaja pojava razlaganja se odvija preko lančanih reakcija slobodnih radikala, iniciranih tragovima kisika ili oksidirajućih nečistoća, kojima su onečišćene sve plastikama tijekom proizvodnje.

39. UVJETI ZA PROCES IZGARANJA PLASTIKE • Oksidacijsko razlaganje polimera često se odvija putem stvaranja hidroperoksidnih skupina koje se razlažu na jako reaktivne čestice kao što su H i OH radikali i na taj način dolazi do stvaranja razgranatog lanca. Ovi slobodni radikali su odgovorni za širenja plamena u procesu izgaranja.

40. UVJETI ZA PROCES IZGARANJA PLASTIKE • Stvaranjem tako visoko energetskih radikala prikazano je niže navedenim kemijskim reakcijama (jednadžbama): • Start (poliolefin) RH → R∙ + H∙ (1) • Rast R∙ + O2 → ROO∙ (2) • ROO∙ + RH → ROOH + R∙ (3) • Grananje ROOH → RO∙ + ∙OH (4) • Radikal R nastao u jednadžbi (1) reagira s kisikom i daje ROO∙ (2)., koji zajedno s ostalim poliolefinom stvara hidroperoksid (3). • U narednom koraku grananja hidroperoksid se razlaže dajući RO∙ i visoko reaktivne čestice ∙OH(4).

41. UVJETI ZA PROCES IZGARANJA PLASTIKE • Paljenje • Zapaljivi plinovi nastali pirolizom pomiješani s atmosferskim kisikom, zagrijani na donju granicu zapaljenja mogu se zapaliti bilo: • vanjskim plamenom ili • ako su zagrijani na dovoljno visoku temperaturu samozapaljenja.

42. UVJETI ZA PROCES IZGARANJA PLASTIKE • Paljenje ovisi o brojnim varijablama kao što su: • dostupnost kisika, • temperatura i • fizikalno kemijska svojstva polimera. • Reakcija gorivih plinova s kisikom je egzotermna uz oslobađanje suviška topline, što omogućava endotermne pirolitičke reakcije i početak širenja plamena.

43. Egzotermne reakcije gorenja pojačane pirolizom polimera odnosno povratnim djelovanjem topline pojačavaju plamen. Reakcije ugljikovodika u plamenu mogu se prikazati slijedećim modelom: Rast: CH4 + OH∙ → CH3∙ + H2O (1) CH4 + H∙ → CH3∙ + H2 (2) CH3∙ + O → CH2O + H∙ (3) CH2O + CH3∙ → CHO∙ + CH4 (4) CH2O + H∙ → CHO∙ + H2 (5) CH2O + OH∙ → CHO∙ + H2O (6) CH2O + O → CHO∙ + OH∙ (7) CHO∙ → CO + H∙ (8) CO + OH∙ → CO2 + H∙ (9) Grananje: H∙ + O2 → OH∙ + O (10) O + H2 → OH∙ + H (11) Postupnim grananjem lanca stvaraju se pojedinačni se H i OH radikali s visokom energijom. Ovi radikali daju veliku brzinu plamenoj fronti. ŠIRENJE PLAMENA POLIMERA

44. Kod kemijske jednadžbe izgaranja na lijevoj strani jednadžbe su reaktanti, a na desnoj strani su produkti. Izgaranje može biti: potpuno i Pri potpunom izgaranju nastaju produkti izgaranja koji ne mogu dalje izgarati (CO2, H2O, HCl); nepotpuno pri nepotpunom izgaranju nastaju produkti izgaranja koji su sposobni i dalje gorjeti (CO, H2S, HCN, NH3, aldehidi i sl.) JEDNADŽBE IZGARANJA POLIMERA

45. JEDNADŽBE IZGARANJA POLIMERA • U uvjetima požara pri gorenju organskih gorivih tvari najčešće se odvija nepotpuno izgaranje. • Kao vanjski znak nepotpunog izgaranja je pojava dima koji sadrži neizgorjele čestice ugljika

46. Zapaljivi plinovi u smjesi sa zrakom mogu gorjeti samo ako su koncentracije plina u smjesi sa zrakom, odnosno kisikom ili nekim drugim oksidansom u točno određenom omjeru. Na primjer gorenje metana u zraku kao oksidansu: CH4 + 2O2 + 2∙3,76 N2 → CO2 + 2H2O + 7,52 N2 22,4 + 44,8 + 168,5 22,4 + 44,8 + 168,5 • Iz jednadžbe se vidi da je za potpuno gorenje 1 mola (22,4 L) metana potrebno 2 mola (44,8 L) kisika, odnosno 213,3 L zraka (44,8 + 168,5 = 213,3 jer zrak sadržava 21% kisika i 79% dušika odnosno na 1 vol. dio kisika dolazi 79/21 = 3,76 vol. dijelova dušika).

47. Iz reakcije koja se odvija prema gornjoj jednadžbi može se zaključiti da je volumni udio metana u početnoj smjesi (22,4 + 213,3 = 235,7 L) jednak • Prema tome može se zaključiti da će zapaljiva smjesa, koja sadrži 9,5 vol. % metana u zraku pri paljenju potpuno izreagirati i da neće biti ni jedne reagirajuće komponente u višku. Ovakva smjesa koja sadrži upravo toliko zapaljivog plina i kisika (iz zraka) da nastaje potpuno izgaranja, naziva se stehiometrijska smjesa.

48. Gorenje čistih kemijskih tvari Vpi – volumen vlažnih produkata izgaranja m³/kg m – broj kmola produkta izgaranja te broj kmola gorive tvari prema jednadžbi izgaranja M – molekularna masa gorive tvari 1 mol = 22,4 litre 1kmol = 22,4 m³ Za jedinicu m³/m³ (m³ dima po m³ plina) VOLUMEN PRODUKATA IZGARANJA

49. Izgaranje toluena (M=92): C7H8 + 9O2 + 9∙3,76 N2 → 7CO2 + 4H2O + 33,84 N2 (7+4+33,8) ● 22,4 Vpi = ------------------------ = 10,92 m3/kg 1 ● 92

50. Proces izgaranja je egzotermni proces pri čijem odvijanju se oslobađa toplina koja nastaje kao rezultat spajanja gorive tvari s kisikom. U proces gorenja zajedno s kisikom ulazi i dušik. Količina dušika ovisi o njegovom prisustvu u zraku. Volumen zraka Vzr = nO2 + n•3,76N2 n = mol PLIN: n – broj molova kisika m – broj molova goriva M – molna masa goriva TEORETSKI UTROŠAK ZRAKA PRI IZGARANJU