محدوده اشتعال

در طول آتش، یک لکه دود شکل می گیرد. لایه دود یک ترکیب نسبتا پیچیده است . گازهای مختلف در برخی موارد، شعله های آتش در لایه دود ظاهر می شود. چرا این آتش سوزی در آن زمان و محل مشخص رخ می دهد؟ پاسخ ساده این است:
که در آن زمان یک ” مثلث آتش کامل ” تشکیل شده است. مخلوط سوخت (گاز) واکسیژن به دمای مناسب رانده شده است. بسیاری از آتش نشانان در تلاش هستند برای درک این موضوع ، چرا مخلوطی خاص در ابتدا ناچیز است بعد خیلی غنی؟ مقاله زیر تلاش می کند تا همه این موارد را به نحوی قابل درک توضیح دهد.

در ادامه ترجمه مقاله ای در خصوص محدوده اشتعال را بررسی می کنیم .

محدودیت اشتعال پذیری یا محدودیت مواد منفجره

محدودیت اشتعال پذیری یا محدودیت های انفجاری یک مفهوم در رفتار آتش است. در اثر آتش سوزی، سوخت گازی به علت دما تغییر شیمیایی پیدا می کند. این گازکه بر اثر دما تغییر شیمایی یافته است  می تواند با سایر گازها در محیط اطراف ترکیب شود. هنگامی که گازهای قابل اشتعال کافی تشکیل شوند، محدوده انفجاری پایین تر به دست می آید. مقادیر پایین ترین حد انفجار (LEL) و پایین تر حد آتش سوزی (LFL) دو اصطلاح متفاوت برای یک اصل هستند.

بسیاری از آتش نشانان احتمالا مخفف LEL را بر روی یک گاز سنج و دتکتورهای  چندگانه (“انفجار متر”) دیده اند. در این مقاله، اصطلاح محدود کننده آتش سوزی را بیان می کنیم. لحظه ای که مخلوط گاز دود و هوا این حد پایین را می گذراند، می توان آن را آتش زد. همانطور که اتفاق می افتد یک مخلوط، در یک اتاق مانند یک اتاق خواب، که فقط بالاتر از حد پایین است منفجر نخواهد شد. در بیشتر موارد، احتراق آهسته رخ خواهد داد.

شکل 1 احتراق مخلوط گاز و هوا. در تصویر چپ دست، احتراق فقط اتفاق افتاده است. جلوی شعله در مسیر دایره ای به همه جهات حرکت می کند. تصویر سمت راست نشان می دهد افزایش حجم شعله های آتش است.

هنگامی که مقدار گازهای قابل اشتعال افزایش می یابد، درصد گاز قابل اشتعال در مخلوط افزایش می یابد. در بعضی موارد، گازهای قابل اشتعال وجود دارد که مخلوط آنها دیگر نمیتواند  آتشزا  باشد . به آن حد بالای انفجاری (UEL) یا حد بالای اشتعال زایی (UFL) نامیده می شود.

مخلوط اکسیژن و سوخت که بین این دو محدوده قرار دارند، قابل اشتعال هستند. آنها می توانند آتش بگیرند .در میان این دو محدوده مخلوط ایده آل است. این مخلوطی است که باعث انفجار شدیدتر می شود. مقاله در حال حاضر بر روی محدودیت های انفجاری متان تمرکز دارد .

در زیر معادله شیمیایی است که توصیف احتراق متان است. Metane (CH4) نام علمی برای گاز طبیعی است. این گاز به عنوان مثال در اجاق گاز آشپزخانه استفاده می شود. وقتی که اکسیژن (O2) وجود دارد، متان می تواند جاری شود. معمولا هر دو جزء گاز هستند. در این معادله خاص، یک مولکول متان وجود دارد که با دو مولکول اکسیژن واکنش می دهد. پس از واکنش، متان یا اکسیژن دیگر وجود ندارد. یک مولکول دی اکسید کربن (CO2) و دو مولکول آب (H2O) تشکیل شده است. مخلوطی که در آن تمام اکسیژن و سوخت تمام سوختند، مخلوط استوکیومتری نامیده می شود. این نام دیگری برای مخلوط ایده آل است

.                                               

با این حال، این دو ماده تنها محصولات واکنش نیستند. احتراق متان یک واکنش ح است. این به این معنی است که انرژی نیز تولید می شود. فرض کنید یک ترکیب از متان و اکسیژن تشکیل شده است. در این مخلوط دو مولکول اکسیژن برای هر مولکول متان وجود دارد. تصور کنید کل یک کیلوگرم متان سوخته است. این انرژی 50 مگاوات (مگا جول) را تولید خواهد کرد.

واکنش با این حال شروع نمی شود. اگر بخواهید گاز بخاری یا آشپزخانه را در خانه باز کنید، گاز طبیعی شروع به جریان می کند. گاز با هوا مخلوط خواهد شد، اما خود را به خودی خود نمی سوزاند. این نیاز به یک آتش سوزی دارد. اکسیژن و گاز طبیعی هر دو دمای حدود 20 درجه سانتیگراد دارند. انرژی احتراق باعث می شود که دمای در یک مکان خاص افزایش یابد، به طوری که برای شروع واکنش به اندازه کافی بالا خواهد بود: دمای احتراق. هر چه دمای ابتدای هر دو گاز بالاتر باشد، انرژی احتراق مورد نیاز پایین تر خواهد بود.

به عبارت دیگر انرژی در فضای باز در طول زمستان با درجه حرارت 20-  درجه سانتیگراد برای احتراق مخلوط، بیشتر از تابستان  با دمای هوای 30 درجه سانتیگراد خواهد بود.

این مخلوط باید در طول زمستان بیش از 50 درجه سانتیگراد گرم شود. این یک عامل مهم است، زیرا دود که سوخت را در طی آتش فراهم می کند، می تواند به شدت در دمای متفاوت باشد. بالاتر از دمای دود، انرژی کمتری برای احتراق دود لازم است. این انرژی انرژی فعال است (AE). انرژی تولید شده در طی واکنش شیمیایی باعث می شود که دمای محصولات واکنش بالاتر از دمای اولیه گازهایی است که واکنش آغاز شده است. انرژی شیمیایی موجود در متان به انرژی حرارتی تبدیل شده است. در حقیقت، درست است که انرژی در طول واکنش آزاد شود. قبل از فرایند واکنش، انرژی در گاز متان ذخیره می شود. انرژی که آزاد شد، در میان محصولات واکنش CO2 و آب توزیع می شود.

نمودار 1

تصویر برداری از احتراق ایده آل متان در اکسیژن خالص. دو محصول (متان و اکسیژن) تقریبا در دمای اتاق (20 درجه سانتی گراد) هستند. مقدار مشخصی از انرژی فعال سازی اضافه شده و واکنش شروع می شود. محصولات واکنش تا دمای پایینی آنها گرم می شود.

هنگامی که جرقه در جایی در مخلوط رخ می دهد، حرارت تولید می شود. این گرما به مولکول های مجاور گسترش می یابد. حرارت تولید شده به عنوان انرژی فعال برای مولکول های همسایه به کار می رود. این موجب واکنش زنجیره ای خواهد شد.

در نمودار بالا  ، دماي محور عمودی را نشان می دهد. محصولات اولیه   CH4 و اکسیژن.در آبی ذکر شده است.در این مورد خاص، محصولات اولیه دارای دمای 20 درجه سانتیگراد هستند. این نیز دما اولیه واکنش است.
سطح مساحت مستطیل آبی، انرژی ذخیره شده در دو گاز را نشان می دهد. این بدان معنی است که محور X که نشان دهنده انرژی نیست. انرژی به اندازه یک اندازه سطح نشان داده شده است. محور X دارای محصولات اولیه در سمت چپ خط نقطه نقطه است. در سمت راست خط نقطه چین محصول محصولات واکنش است.
همانطور که در بالا ذکر شد، مقدار انرژی مشخصی برای فعال شدن باید به گاز اضافه شود. برای این منظور ما نیاز به یک منبع اشتعال داریم. این می تواند یک جرقه، یک سطح گرم، … مقدار انرژی که باید اضافه شود، توسط مستطیل نارنجی نشان داده شده است.

انرژی باید اضافه شود تا محصولات اولیه به یک درجه خاص برسند: درجه حرارت احتراق Ti. این واکنش به واسطه خط خطی سیاه و سفید نشان داده شده است. باز هم، به سمت چپ خط نقطه نقطه محصولات اولیه هستند، در سمت راست محصولات تولید شده در طول واکنش. همچنین در طول واکنش مقدار زیادی انرژی تولید می شود. این انرژی برای گرم کردن محصولات واکنش استفاده می شود. نمودار نشان می دهد که دمای پایینی CO2 و آب به طور قابل توجهی بالاتر از دمای اولیه است. دمای محصولات واکنش توسط T1 نشان داده شده است.

انرژی تولید شده توسط واکنش توسط سطح مستطیل قرمز نشان داده شده است. این انرژی حرارتی است که در نتیجه فرآیند احتراق است. لازم به ذکر است که محور عمودی در مقیاس کامل نیست. اگر مستطیل قرمز در اندازه واقعی کشیده شود، به جای چند سانتیمتر که اکنون کشیده شده است، چند متر ارتفاع خواهد بود. این بدان معنی است که تمام تصاویر زیر نشان می دهد که دمای محصولات واکنش “خیلی کم” است.

در آشپزخانه چیزی متفاوت از آنچه در بالا توضیح داده شده اتفاق می افتد. در آشپزخانه متان در اکسیژن خالص سوخت نمی کند. مخلوط واقعی حاوی نیتروژن (N2) در کنار متان و اکسیژن است. هوا در اطراف ما 21 درصد اکسیژن و 79 درصد نیتروژن است. این بدان معنی است که برای هر مولکول اکسیژن، 3،76 مولکول نیتروژن وجود دارد. معادله شیمیایی برای احتراق متان در هوا در حال حاضر به شرح زیر است:

طراحی این واکنش نیز تغییر کرده است. در هر دو انتها یک عنصر اضافی اضافه شده است. نمودار زیر نیتروژن را به عنوان دو مستطیل سبز نشان می دهد. نیتروژن قبل از احتراق. وجود دارد و حتی اگر آن را در واکنش شیمیایی شرکت نکنید، هنوز هم باید به Ti گرم شود. پس از همه، طبیعت تلاش می کند همه چیز را به همان اندازه گرم یا سرد نگه دارد. اگر ما می خواهیم مخلوط را بجوشانیم (یا اگر ما می خواهیم مخلوط را به درجه حرارت احتراق حرارت دهیم)، پس ما باید انرژی بیشتری نسبت به نمونه مخلوط اکسیژن متان اضافه کنیم.  اندازه سطح مستطیل نارنجی به طور قابل ملاحظه ای افزایش یافته است. مخلوطی از متان و هوا یک منبع اشتعال قویتری نسبت به مخلوط متان و اکسیژن لازم دارد

نمودار 2 .

تصویر گرافیکی احتراق ایده آل متان در هوا. مستطیل سبز نیتروژن را نشان می دهد که در فرآیند احتراق شرکت نمی کند. دمای محصولات واکنش در سمت راست خط نقطه نقطه پایین تر از نقاشی قبلی است. اندازه سطح مستطیل قرمز و سبز در سمت راست خط خال خال، نشان دهنده انرژی حرارتی است.

نتیجه احتراق نیز متفاوت خواهد بود. نیتروژن در واکنش شیمیایی شرکت نمی کند و بعدا می تواند دوباره یافت شود. مخلوطی از CO2، آب و نیتروژن تشکیل می شود. گرما تولید شده دقیقا همانند در وضعیت قبلی است. پس از همه، مقدار مساوی متان سوخته است. با این حال، مقدار گرما تولید شده در حال حاضر باید در میان سه محصول مختلف متفاوت توزیع شود. نیتروژن یک مقدار زیادی از حرارت را جذب می کند. نمودار بالا همچنین نشان می دهد که دمای انتهای فرایند واکنش کمتر از نمودار قبلی آن است: T2 اندازه مربع مربع مستطیل قرمز و سبز در نمودار بالا برابر با اندازه مربع مربع مستطیل قرمز در نمودار قبلی  آن می باشد.

هر دو واکنش که در بالا شرح داده شده است با مخلوط های ایده آل برخورد می کنند. در واقع، یک مخلوط ایده آل به ندرت وجود خواهد داشت. در آن صورت سوخت بیش از حد وجود خواهد داشت یا اکسیژن زیادی وجود خواهد داشت. این واکنش را تحت تاثیر قرار خواهد داد. فرض کنید در حال حاضر سه مولکول اکسیژن به جای دو وجود دارد. سپس واکنش به شرح زیر است: