LA COMBUSTIONE. La combustione è un caso particolare della reazione esotermica.

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2 LA COMBUSTIONE La combustione è un caso particolare della reazione esotermica. E con il termine COMBUSTIONE si indicano quelle reazioni chimiche che avvengono con l intervento di ossigeno dell aria e che sono accompagnate da uno sviluppo di calore e da una produzione di radiazioni luminose (fiamma). Il processo chimico della combustione (ossidazione del combustibile) dipende dalla composizione della sostanza.

3 CONDIZIONI NECESSARIE PER LA COMBUSTIONE Perché possa determinarsi la combustione è necessaria la commistione di tre grandezze fisiche: massa combustibile; massa comburente; energia di attivazione;

4 COMBUSTIBILI Si definiscono combustibili le sostanze in grado di combinarsi chimicamente con l ossigeno. Gli elementi fondamentali che li compogono sono il carbonio e l idrogeno combinati fra loro con altri elementi. Poiché le caratteristiche di combustione dipendono e le modalità d uso sono connesse allo stato fisico delle sostanze combustibili, questa vengono classificate in: solide in natura: legno, torba, lignite, litantrace derivati: carbone di legna, coke liquide in natura: oli minerali grezzi derivati: benzine, petroli, raffinati, kerosene, oli combustibili, g.p.l. gassose in natura: gas naturale derivati: gas illuminante, gas d aria, idrogene

5 LA COMBUSTIONE I combustibili tradizionali sono costituiti principalmente da carbonio e idrogeno. Questi combinandosi con l ossigeno danno: C 1 2O 2 CO cal CO 1 2O 2 CO cal H 2 1 2O 2 H 2 O cal

6 CONDIZIONI NECESSARIE PER LA COMBUSTIONE Il COMBURENTE è l ossigeno, sia esso puro o contenuto nell aria ovvero contenuto in composti quali clorati, nitrati, perossidi. Altri comburenti sono il protossido di azoto N 2 O, il biossido di azoto NO 2,, l ossido di azoto NO, ecc.

7 CONDIZIONI NECESSARIE PER LA COMBUSTIONE L ENERGIA DI ATTIVAZIONE è il calore necessario a portare almeno una piccola della miscela infiammabile (combustibile+comburente) alla temperatura di ignizione. È correlata sia al materiale combustibile, sia alla pezzatura con cui tale materiale è disponibile. Con un fiammifero riesco ad accendere un foglio di carta, ma non riesco ad accendere un volume dell enciclopedia!

8 CONDIZIONI NECESSARIE PER LA COMBUSTIONE La reazione delle unità elementari delle miscele infiammabili non avviene in un unica fase di trasformazione chimico fisica bensì attraverso il susseguirsi di stadi. Affinché possa aver luogo una combustione e questa possa continuare occorre il verificarsi congiunto di quattro condizioni: presenza del combustibile; presenza del comburente; temperatura di accensione; autocatalisi (auto-alimentazione della combustione, nonostante viene a cessare l innesco esterno il combustibile continua a reagire con il comburente). Il triangolo del fuoco di Kinsley viene sostituito dalla croce del fuoco che si compone di quattro grandezze di cui uno non è una grandezza fisica ma una fenomeno fisico- chimico.

9 PARTAMETRI FISICI DELLA COMBUSTIONE La combustione è caratterizzata da numerosi parametri fisici e chimici, i principali dei quali sono i seguenti: temperatura di accensione temperatura teorica di combustione calore di combustione - potere calorifico aria teorica di combustione velocità di combustione temperatura di infiammabilità limiti di infiammabilità e di esplodibilità

10 TEMPERATURA DI ACCENSIONE É la minima temperatura alla quale la miscela combustibile-comburente inizia a bruciare spontaneamente in modo continuo senza ulteriore apporto di calore o di energia dall esterno.

11 TEMPERATURA DI ACCENSIONE

12 TEMPERATURA DI INFIAMMABILITÀ É la temperatura minima alla quale i liquidi combustibili emettono vapori in quantità tali che, techiometricamente miscelati con l ossigeno (presente nell aria), si incendiano in presenza di innesco.

13 TEMPERATURA DI INFIAMMABILITÀ

14 TEMPERATURA TEORICA DI COMBUSTIONE É il più elevato valore di temperatura che è possibile raggiungere nei prodotti di combustione di una sostanza

15 CALORE DI COMBUSTIONE-POTERE CALORIFICO Per calore di combustione si intende il calore liberato in ogni reazione di ossidazione. In tutte le applicazioni pratiche di combustibile si ha interesse che la combustione avvenga in modo completo al fine di ottenere la massime quantità possibile di calore. Infatti l utilizzazione massima di un combustibile si ha quando questo brucia completamente, dando luogo esclusivamente alla formazione di acqua e di anidride carbonica. Ciò può ottenersi con una sufficiente quantità di aria e l utilizzazione completa dell ossigeno contenuto nella stessa aria. Nella pratica utilizzazione dei combustibili si ha la necessità di conoscere la quantità di calore prodotta da un dato peso di sostanza, che viene chiamato potere calorifico.

16 CALORE DI COMBUSTIONE-POTERE CALORIFICO Il calore di combustione è la quantità di calore prodotta dalla combustione di un grammoatomo o di una grammomolecola di elemento o composto chimico definito in rapporto ad una definita reazione chimica. Il potere calorifico è la massima quantità di colore che si può ottenere da 1 Kg (nel caso liquidi o solidi) o 1mc (nel caso di gas) di sostanza combustibile, quando si fa bruciare in modo da ottenere l ossidazione completa dei singoli componenti. Per ossidazione completa si intende quella nel corso della quale tutto il carbonio, venie trasformato in CO 2, tutto l idrogeno in H 2 O, tutto lo zolfo in SO 2 e tutto l azoto in azoto elementare N 2.

17 CALORE DI COMBUSTIONE-POTERE CALORIFICO UNITÀ DI MISURA DELLA QUANTITÀ DI CALORE: piccola caloria - quantità di calore necessaria per riscaldare da 14,5 a 15,5 1 g di acqua; grande caloria - quantità di calore necessaria per riscaldare da 14,5 a 15,5 1 kg di acqua. Per le sostanze combustibili contenente idrogeno e che bruciano dando luogo a formazione di acqua, si distinguono: potere calorifico superiore, da cui non viene detratto il calore di vaporizzazione dell acqua formatasi nella reazione di combustione; potere calorifico inferiore, pari al potere calorifico superiore da cui viene detratto il calore di evaporazione dell acqua formatasi nella reazione della combustione.

18 ARIA TEORICA DI COMBUSTIONE Il volume d aria teoricamente necessario per la combustione completa di 1 kg o di un 1 mc di combustibile prende il nome di potere comburivoro ed è espresso in mc/kg per i combustibili solidi e liquidi e in mc/mc per i combustibili gassosi: dove V ta = volume teorico d aria V to = volume teorico d ossigeno V to = 1,87C 5,6H V 4,76V ta to 0,7S- 0,7O C,H,S,O sono rispettivamente le quantità in peso espressi in kg dei componenti del carbonio, idrogeno, zolfo, ed ossigeno contenuti in kg di sostanza combusibile.

19 ARIA TEORICA DI COMBUSTIONE

20 VELOCITÀ DI COMBUSTIONE La velocità di combustione si fa coincidere con la velocità di propagazione della fiamma che nel caso di combustibile solido è la velocità di propagazione della base della fiamma sulla superficie combustibile; nel caso di un gas è la velocità di propagazione del fronte della fiamma ed ossia della zona di confine fra il gas combusto e quello incombusto. La velocità di combustione è la velocità con cui il fronte di fiamma avanza dal punto di ignizione e generalmente è misurata come la quantità di combustibile che brucia nell unità di tempo

21 VELOCITÀ DI COMBUSTIONE Ricavabile con le formule sperimentali, valide per incendio di legno già sviluppato. V c KA F H kg h V c1 K A 1 F H kg min K = coefficiente = K 1 = coefficiente = kgm -5 h 2-1 5,5 kgm -5 h A F = area finestre dell ambiente in mq H = altezza finestre dell ambiente in m

22 LIMITI DI INFIAMMABILITÀ I limiti di infiammabilità individuano il campo all interno del quale si ha, in caso d innesco, l accensione e la propagazione della fiamma nella miscela. Sono: limite inferiore di infiammabilità: la più bassa concentrazione in volume di vapore della miscela al di sotto della quale non si ha accensione in presenza di innesco per carenza di combustibile; limite superiore di infiammabilità: la più alta concentrazione in volume di vapore della miscela al di sopra della quale non si ha accensione in presenza di innesco per eccesso di combustibile.

23 LIMITI DI INFIAMMABILITÀ

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25 COMBUSTIBILI SOLIDI Tutte le sostanze sono presenti in natura in differente forma fisica allo stato SOLIDO, LIQUIDO, AERIFORME e possono, in diverse condizioni di pressione e/o di temperatura transitare da uno stato fisico all altro: Ciò che brucia nella combustione delle sostanze nei tre stati fisici sono i vapori che i solidi e i liquidi comunque emettono.

26 COMBUSTIBILI SOLIDI La combustione dei combustibili avviene per stadi. I combustibili solidi a una certa temperature emettono sostanze volatili infiammabili (pirolisi) che a contatto con l aria (esistendo la temperature di accensione) bruciano con fiamma. Una parte del calore prodotto riscalda la massa adiacente del combustibile con emissione di ulteriori sostanze volatili infiammabili che alimenteranno e manterranno la fiamma. La combustione continua in questo modo fino all esaurirsi di tutti i vapori infiammabili per poi proseguire sotto forma di brace.

27 COMBUSTIBILI SOLIDI La combustione delle sostanze solide è condizionata da: forma e dimensioni del materiale (con un fiammifero è più facile accendere un cumulo di trucioli che non un tronco); elementi che compongono la sostanza (carbonio, idrogeno, ossigeno, cloro, ecc.); umidità (rallenta la velocità di propagazione dell incendio); condizioni di ventilazione; La combustione nei solidi può avvenire con o senza fiamma

28 COMBUSTIBILI LIQUIDI I combustibili liquidi non bruciano come tali ma come vapori, originati al di sopra della superficie del liquido, che si comportano come gas combustibili. Al raggiungimento di una certa temperatura (temperatura di infiammabilità, diversa per ciascuna sostanza) la superficie del liquido emette vapori in quantità tali che, mescolati con l aria, danno luogo ad una combustione in presenza di innesco. Il calore sviluppato provoca l evaporazione di ulteriore liquido che, combinandosi con l ossigeno dell aria, mantiene la combustione.

29 COMBUSTIBILI LIQUIDI Poiché più bassa è la temperatura di infiammabilità di un liquido più grave è il pericolo di incendio, gli stessi liquidi sono divisi in più classi, ognuna delle quali è definita da una temperatura o punto di infiammabilità. Categoria A. Liquidi i cui vapori possono dar luogo ad esplosioni. Liquidi con punto di infiammabilità inferiore a 21 C petroli greggi, etere di petrolio, benzine. Categoria B. Liquidi infiammabili. Liquidi con punto di infiammabilità compreso tra 21 C e 65 C, petrolio raffinato, acqua ragia minerale Categoria C, Liquidi combustibili. Liquidi con punto di infiammabilità superiore ai 65 C, olii minerale, lubrificanti

30 COMBUSTIBILI GASSOSI Il comportamento dei combustibili gassosi nella combustione è analogo a quello dei vapori dei liquidi infiammabili. Anche per incombustibili gassosi vale quanto già detto per i liquidi infiammabili relativamente ai limiti di infiammabilità. Per questi sistemi, oltre alla presenza del materiale combustibile, alla presenza del comburente e alla presenza di un punto di ignizione a temperatura uguale o superiore a quella di ignizione del materiale combustibile, deve sussistere una quarta condizione e cioè che la proporzione relativa del combustibile gassoso rispetto a quella del comburente gassoso (ossigeno o aria) deve essere compresa entro due limiti determinati.

31 COMBUSTIBILI GASSOSI I gas infiammabili in funzione delle loro caratteristiche fisiche vengono classificati in: gas pesanti - la cui densità è maggiore dell aria. Tende a stratificare e a permanere nella parte bassa dell ambiente. Es. g.p.l., benzine gas medi la cui densità è pressoché uguale a quella dell aria. Tendono a rimanere dove sono in quanto hanno una densità prossima all aria. Es. etilene, ossido di carbonio, acetilene gas leggeri - la cui densità è minore di quella dell aria. Tende a stratificare verso l alto. Es. metano, idrogeno.

32 In funzione delle loro modalità di conservazione possono essere classificati: gas compresso - gas che vengono conservati allo stato gassoso ad una pressione superiore a quella atmosferica; COMBUSTIBILI GASSOSI GAS Pressione di stoccaggio (bar) valori indicativi Metano 300 Idrogeno 250 Gas nobili 250 Ossigeno 250 Aria 250 CO 2 (gas) 20

33 In funzione delle loro modalità di conservazione possono essere classificati: gas liquefatto - gas che per le sue caratteristiche chimico - fisiche può essere liquefatto a temperatura ambiente mediante compressione. Il vantaggio consiste nella possibilità di detenere grossi quantitativi in spazi contenuti. COMBUSTIBILI GASSOSI GAS LIQUEFATTO Grado di riempimento (kg/dm 3 ) Ammoniaca 0,53 Cloro 1,25 Butano 0,51 Propano 0,42 GPL miscela 0,43-0,47 CO 2 0,75

34 gas refrigerati - gas che possono essere conservati in fase liquida mediante refrigerazione a pressioni molto basse; COMBUSTIBILI GASSOSI In funzione delle loro modalità di conservazione possono essere classificati:

35 gas disciolti - gas che sono conservati in fase gassosa disciolti in un liquido ad una determinata pressione (acetilene in acetone, anidride carbonica in acqua gassata). COMBUSTIBILI GASSOSI In funzione delle loro modalità di conservazione possono essere classificati:

36 COMBUSTIBILI GASSOSI DENSITA DEI VAPORI RISPETTO ALL ARIA DI ALCUNI GAS SOSTANZA Den. Vapori Acetilene 0,89 Ammoniaca 0,58 Anidride carbonica 1,51 Benzina 3,86 Cloro 2.44 GPL 1,86 Metano 0.55 Propano 1,51 Idrogeno 0,06

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38 L INCENDIO

39 DINAMICA DELL INCENDIO TEMPERATURA (flash-over) inizio espansione incendio generalizzato estinzione TEMPO

40 CLASSI DEGLI INCENDI Gli incendi si dividono in cinque classi: Classe A incendi di materiali solidi la cui combustione normalmente avviene formando brace incandescente (legno, carta, tessuti, pellami, ecc.); Classe B incendi di liquidi infiammabili o solidi liquefacibili (benzine, alcool, oli minerali ecc.); Classe C incendi di gas infiammabili (propano, idrogeno, metano ecc.); Classe D incendi di metalli combustibili (sodio, potassio, magnesio ecc.); Classe E incendi di apparecchiature elettriche.

41 SOLIDI COMBUSTIBILI CON PRODUZIONE DI BRACE A LIQUIDI INFIAMMABILI B GAS INFIAMMABILI METALLI INFIAMMABILI (Magnesio--Fosforo--Alluminio--ecc.) C D

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43 FASI DI INCENDIO Vi sono due teorie relativamente le fasi di un incendio, per quanto riguarda l andamento della temperatura in funzione della variabile tempo: Una che stabilisce in tre le fasi dell incendio accensione, incendio vero e proprio, ed estinzione, considerando il flash over il punto finale della prima fase ed esattamente il punto che consente il passaggio dalla fase di accensione a quella dell incendio vero e proprio. l altra che stabilisce in quattro le fasi dell incendio, considerando il flash over una vera fase: propagazione, flash over, incendio vero e proprio, ed estinzione.

44 FASE DI IGNIZIONE Dipende da: qualità del combustibile (facilità di accensione); pezzatura del combustibile; possibilità di propagazione della fiamma; geometria e volume degli ambienti; possibilità di dissipazione del calore nel combustibile; ventilazione degli ambienti; distribuzione nel volume del combustibile.

45 FASE DI ESPANSIONE È caratterizzata da: produzione dei gas tossici e corrosivi; riduzione di visibilità a causa dei fumi di combustione; aumento della partecipazione alla combustione nei combustibili solidi e liquidi; aumento rapido delle temperature; aumento dell energia di irraggiamento.

46 INCENDIO GENERALIZZATO (flash over) È caratterizzato da: brusco incremento della temperatura; crescita esponenziale della velocità di combustione; forte aumento di emissioni di gas e di particelle incandescenti, che si espandono e vengono trasportate in senso orizzontale, e soprattutto in senso ascensionale, si formano zone di turbolenze visibili; i combustibili vicini al focolaio si auto accendono, quelli più lontani si riscaldano e raggiungono la loro temperatura di combustione con produzione di gas di distillazione infiammabili.

47 ESTINZIONE E RAFFREDDAMENTO Quando l incendio ha terminato tutto il materiale combustibile, ha inizio la fase di decremento delle temperature all interno del locale a causa della progressiva diminuzione dell apporto termico residuo e della dissipazione di calore attraverso i fumi.

48 DANNI PRODOTTI DALL INCENDIO

49 LE SORGENTI DI INNESCO ACCENSIONE DIRETTA Quando una fiamma, una scintilla o altro materiale incandescente entra a contatto con un materiale combustibile in presenza di ossigeno Esempi: operazioni di taglio e saldatura, fiammiferi e mozziconi di sigaretta, lampade e resistenze elettriche, scariche statiche.

50 LE SORGENTI DI INNESCO ACCENSIONE INDIRETTA Quando l innesco avviene: per convezione (correnti di aria calda generate da un incendio); per conduzione (propagazione di calore attraverso elementi metallici presenti negli edifici); per irraggiamento (propagazione di onde elettromagnetiche).

51 LE SORGENTI DI INNESCO ATTRITO Quando il calore è prodotto dallo sfregamento di due materiali Esempi: malfunzionamento di parti meccaniche rotanti quali cuscinetti, motori; urti; rottura violenta di materiali metallici.

52 LE SORGENTI DI INNESCO AUTOCOMBUSTIONE Quando il calore viene prodotto dallo stesso combustibile (Reazioni chimiche, decomposizioni esotermiche, azione biologica) Esempi: cumuli di carbone, stracci o segatura imbevuti di olio di lino, polveri di ferro o nichel, fermentazione di vegetali.

53 PRODOTTI DELLA COMBUSTIONE Gas di combustione Fiamma Calore Fumo

54 PRODOTTI DELLA COMBUSTIONE

55 I GAS DI COMBUSTIONE I gas di combustione sono quei prodotti della combustione che restano allo stato gassoso anche quando vengono raffreddati OSSIDO DI CARBONIO E un gas presente in grandi quantità negli incendi e di solito costituisce il pericolo maggiore. L azione tossica è dovuta al fatto che esso altera la composizione del sangue impedendo l ossigenazione dei tessuti del corpo umano. E mortale quando viene assorbito nelle seguenti percentuali: 0.05% in 3 ore 0.15% in 1 ora 0.4% in 30 minuti ANIDRIDE CARBONICA Si forma in grandi quantità negli incendi. È un gas asfissiante e provoca un accelerazione del ritmo cardiaco aumentando la quantità immessa nell organismo di gas tossici presenti in un incendio;

56 I GAS DI COMBUSTIONE OSSIDO DI CARBONIO Concentrazione di CO (ppm) Tempo max di esposizione (sec)

57 I GAS DI COMBUSTIONE IDROGENO SOLFORATO E ANIDRIDE SOLFOROSA Si sviluppa negli incendi di materiali che contengono zolfo come la lana, gomma, pelli, carni e capelli. Ha un odore di uova marce. E tossico in percentuale superiore allo 0.07% per una esposizione di circa 1/2 ora e attacca il sistema nervoso; AMMONIACA Si forma nella combustione di materiali che contengono azoto come la lana, seta, materiali acrilici e resine. L esposizione per 1/2 ora con una concentrazione dello 0.25% è letale. Provoca irritazioni agli occhi, naso, gola e polmoni; FOSGENE E presente nella combustione di materiali che contengono cloro (PVC). E maggiormente pericoloso in incendi in locali chiusi.

58 I GAS DI COMBUSTIONE ACIDO CIANIDRICO Si forma nelle combustioni incomplete (con scarsità di ossigeno) della lana, seta, resine. Ha un odore di mandorle amare. È mortale con una concentrazione superiore allo 0.3%; ACIDO CLORIDRICO Si forma nella combustione di materiali che contengono cloro come la maggioranza delle materie plastiche. Ha un forte odore pungente. ALDEIDE ACRILICA Si forma durante l incendio dei derivati del petrolio, oli e grassi. E molto tossica.

59 CALORE Durante la combustione è la causa principale della propagazione dell incendio. Può diventare dannoso per l uomo causando disidratazione, blocco della respirazione e scottature. Nel corso di un incendio, a causa della produzione di vapore acqueo, l aria diventa già insopportabile a temperature intorno ai 50 C.

60 CALORE Nello schema grafico a seguire sono riportati i diagrammi di andamento delle temperature sulla facciata di un edificio di civile abitazione al momento di massima evoluzione di un incendio, in differenti condizioni di ventosità.

61 FUMO E costituito da particelle solide o liquide, nebbie o vapori condensati. Le particelle solide sono costituite da catrami, carbonio e altre sostanze incombuste che vengono trascinate verso l alto dai gas caldi. Il fumo è dannoso perché limita la visibilità, è irritante per le vie respiratorie ed inoltre propaga l incendio.

62 FIAMMA E un aspetto della combustione che può caratterizzare l andamento della stessa. In base al calore la fiamma assume diversi colori Scala cromatica delle temperature Rosso nascente 525 C Rosso scuro 700 C Rosso ciliegia 900 C Giallo 1200 C Bianco 1300 C Bianco abbagliante 1500 C

63 FASI DI INCENDIO

64 FASI DI INCENDIO