Principi della combustione

Principi della combustione

La combustione è una reazione chimica sufficientemente rapida di una sostanza combustibile con un comburente che da luogo allo sviluppo di calore, fiamma, gas, fumo e luce.

La combustione può avvenire con o senza sviluppo di fiamme superficiali. La combustione senza fiamma superficiale si verifica generalmente quando la sostanza combustibile non è più in grado di sviluppare particelle volatili.

Solitamente il comburente è l’ossigeno contenuto nell’aria, ma sono possibili incendi di sostanze che contengono nella loro molecola un quantità di ossigeno sufficiente a determinare una combustione, quali ad esempio gli esplosivi e la celluloide.

Le condizioni necessarie per avere una combustione sono:

  • presenza del combustibile
  • presenza del comburente
  • presenza di una sorgente di calore

pertanto solo la contemporanea presenza di questi tre elementi da luogo al fenomeno dell’incendio, e di conseguenza al mancare di almeno uno di essi l’incendio si spegne.

Quindi per ottenere lo spegnimento dell’incendio si può ricorrere a tre sistemi:

  • esaurimento del combustibile:

allontanamento o separazione della sostanza combustibile dal focolaio d’incendio;

  • soffocamento:

separazione del comburente dal combustibile o riduzione della concentrazione di comburente in aria;

  • raffreddamento:

sottrazione di calore fino ad ottenere una temperatura inferiore a quella necessaria al mantenimento della combustione;

Normalmente per lo spegnimento di un incendio si utilizza una combinazione delle operazioni di esaurimento del combustibile, di soffocamento e di raffreddamento.

La combustione è una reazione chimica sufficientemente rapida di una sostanza combustibile con un comburente che da luogo allo sviluppo di calore, fiamma, gas, fumo e luce.

La combustione può avvenire con o senza sviluppo di fiamme superficiali. La combustione senza fiamma superficiale si verifica generalmente quando la sostanza combustibile non è più in grado di sviluppare particelle volatili.

Solitamente il comburente è l’ossigeno contenuto nell’aria, ma sono possibili incendi di sostanze che contengono nella loro molecola un quantità di ossigeno sufficiente a determinare una combustione, quali ad esempio gli esplosivi e la celluloide.

Le condizioni necessarie per avere una combustione sono:

  • presenza del combustibile
  • presenza del comburente
  • presenza di una sorgente di calore

pertanto solo la contemporanea presenza di questi tre elementi da luogo al fenomeno dell’incendio, e di conseguenza al mancare di almeno uno di essi l’incendio si spegne.

Quindi per ottenere lo spegnimento dell’incendio si può ricorrere a tre sistemi:

  • esaurimento del combustibile:

allontanamento o separazione della sostanza combustibile dal focolaio d’incendio;

  • soffocamento:

separazione del comburente dal combustibile o riduzione della concentrazione di comburente in aria;

  • raffreddamento:

sottrazione di calore fino ad ottenere una temperatura inferiore a quella necessaria al mantenimento della combustione;

Normalmente per lo spegnimento di un incendio si utilizza una combinazione delle operazioni di esaurimento del combustibile, di soffocamento e di raffreddamento.

Esempi: malfunzionamento di parti meccaniche rotanti quali cuscinetti, motori; urti; rottura violenta di materiali metallici.

  • autocombustione o riscaldamento spontaneo

quando il calore viene prodotto dallo stesso combustibile come ad esempio lenti processi di ossidazione, reazione chimiche, decomposizioni esotermiche in assenza d’aria, azione biologica.

Esempi: cumuli di carbone, stracci o segatura imbevuti di olio di lino, polveri di ferro o nichel, fermentazione di vegetali.

Prodotti della combustione

I prodotti della combustione sono suddivisibili in quattro categorie:

  •        gas di combustione
  •        fiamme
  •        fumo
  •        calore

Gas di combustione

I gas di combustione sono quei prodotti della combustione che rimangono allo stato gassoso anche quando raggiungono raffreddandosi la temperatura ambiente di riferimento 15 °C.

I principali gas di combustione sono:

ossido di carbonio                        aldeide acrilica
anidride carbonica           fosgene
idrogeno solforato                       ammoniaca
anidride solforosa                                   ossido e perossido di azoto
acido cianidrico   acido cloridrico

La produzione di tali gas dipende dal tipo di combustibile, dalla percentuale di ossigeno presente e dalla temperatura raggiunta nell’incendio.

Nella stragrande maggioranza dei casi, la mortalità per incendio è da attribuire all’inalazione di questi gas che producono danni biologici per anossia o per tossicità.

Fiamme

Le fiamme sono costituite dall’emissione di luce conseguente alla combustione di gas sviluppatisi in un incendio.

In particolare nell’incendio di combustibili gassosi è possibile valutare approssimativamente il valore raggiunto dalla temperatura di combustione dal colore della fiamma.

Fumi

I fumi sono formati da piccolissime particelle solide (aerosol), liquide (nebbie o vapori condensati). Le particelle solide sono sostanze incombuste che si formano quando la combustione avviene in carenza di ossigeno e vengono trascinate dai gas caldi prodotti dalla combustione stessa. Normalmente sono prodotti in quantità tali da impedire la visibilità ostacolando l’attività dei soccorritori e l’esodo delle persone.

Le particelle solide dei fumi che sono incombusti e ceneri rendono il fumo di colore scuro.

Le particelle liquide, invece, sono costituite essenzialmente da vapor d’acqua che al di sotto dei 100°C condensa dando luogo a fumo di color bianco.

Calore

Il calore è la causa principale della propagazione degli incendi. Realizza l’aumento della temperatura di tutti i materiali e i corpi esposti, provocandone il danneggiamento fino alla distruzione.

I parametri fisici della combustione

La combustione è caratterizzata da numerosi parametri fisici e chimici, i principali dei quali sono i seguenti:

  • temperatura di accensione
  • potere calorifico
  • temperatura di infiammabilità
  • limiti di infiammabilità e di esplodibilità

Temperatura di accensione o di autoaccensione (°C)

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.

Potere calorifico (MJ/Kg o MJ/mc)

É la quantità di calore prodotta dalla combustione completa dell’unità di massa o di volume di una determinata sostanza combustibile; si definisce potere calorifico superiore la quantità di calore sviluppata dalla combustione considerando anche il calore di condensazione del vapore d’acqua prodotto, si definisce invece potere calorifico inferiore quando il calore di condensazione del vapor d’acqua non è considerato; in genere nella prevenzione incendi viene considerato sempre il potere calorifico inferiore.

SOSTANZEPotere calorifico inferiore (MJ/Kg)
legno17
carbone30-34
benzina42
alcool etilico25
polietilene35-45
propano46
idrogeno120

Temperatura di infiammabilità (°C)

É la temperatura minima alla quale i liquidi combustibili emettono vapori in quantità tali da incendiarsi in caso di innesco

SOSTANZETemperatura di infiammabilità (°C)
gasolio65
acetone-18
benzina-20
alcool metilico11
alcool etilico13
toluolo4
olio lubrificante149

Limiti di infiammabilità (% in volume)

Tali limiti individuano il campo di infiammabilità 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 limite superiore di infiammabilità.

SOSTANZECampo di infiammabilità ( % in volume) 
 limite inferiorelimite superiore
acetone2,513
ammoniaca1518
benzina16,5
gasolio0,66,5
idrogeno475,6
metano515

Limiti di esplodibilità  (% in volume)

Sono la più bassa concentrazione in volume di vapore della miscela al di sotto della quale non si ha esplosione in presenza di innesco (limite inferiore di esplodibilità) e la più alta concentrazione in volume di vapore della miscela al di sopra della quale non si ha esplosione in presenza di innesco (limite superiore di esplodibilità).

Combustione delle sostanze solide, liquide e gassose

La combustione delle sostanze solide è caratterizzata dai seguenti parametri:

  • pezzatura e forma del materiale;
  • dal grado di porosità del materiale;
  • dagli elementi che compongono la sostanza;
  • dal contenuto di umidità del materiale;
  • condizioni di ventilazione.

Inoltre il processo di combustione delle sostanze solide porta alla formazione di braci che sono costituite dai prodotti della combustione dei residui carboniosi della combustione stessa.

La combustione dei liquidi infiammabili

Tutti i liquidi sono in equilibrio con i propri vapori che si sviluppano in misura differente a seconda delle condizioni di pressione e temperatura sulla superficie di separazione tra pelo libero del liquido e mezzo che lo sovrasta.

Nei liquidi infiammabili la combustione avviene proprio quando, in corrispondenza della suddetta superficie i vapori dei liquidi, miscelandosi con l’ossigeno dell’aria in concentrazioni comprese nel campo di infiammabilità, sono opportunamente innescati.

Pertanto per bruciare in presenza di innesco un liquido infiammabile deve passare dallo stato liquido allo stato di vapore.

L’indice della maggiore o minore combustibilità di un liquido è fornito dalla temperatura di infiammabilità. In base alla temperatura di infiammabilità i liquidi infiammabili sono classificati come segue:

Categoria A    liquidi aventi punto di infiammabilità            inferiore a     21 °C

Categoria B    liquidi aventi punto d’infiammabilità            compreso tra  21°C e 65°C

Categoria C    liquidi aventi punto d’infiammabilità            compreso tra  65°C e 125°C

SOSTANZETemperatura di infiammabilità (°C)Categoria
gasolio 65C
acetone-18A
benzina-20A
alcool metilico 11A
alcool etilico 13A
toluolo4A
olio lubrificante149C

I gas infiammabili

Nelle applicazioni civili ed industriali i gas, compresi quelli infiammabili, sono generalmente contenuti in recipienti atti ad impedirne la dispersione incontrollata nell’ambiente.

I gas in funzione delle loro caratteristiche fisiche possono essere classificati come segue:

GAS LEGGERO

Gas avente densità rispetto all’aria inferiore a 0,8 (idrogeno, metano, etc.)

Un gas leggero quando liberato dal proprio contenitore tende a stratificare verso l’alto.

GAS PESANTE

Gas avente densità rispetto all’aria superiore a 0,8 (GPL, acetilene, etc.)

Un gas pesante quando liberato dal proprio contenitore tende a stratificare ed a permanere nella parte bassa dell’ambiente ovvero a penetrare in cunicoli o aperture praticate a livello del piano di calpestio.

In funzione delle loro modalità di conservazione possono essere classificati come segue:

GAS COMPRESSO

Gas che vengono conservati allo stato gassoso ad una pressione superiore a quella atmosferica in appositi recipienti detti bombole o trasportati attraverso tubazioni. La pressione di compressione può variare da poche centinaia millimetri di colonna d’acqua (rete di distribuzione gas metano per utenze civili) a qualche centinaio di atmosfere (bombole di gas metano e di aria compressa)

GASPressione di stoccaggio (bar) valori indicativi
metano300
idrogeno250
gas nobili250
ossigeno250
aria250
CO2 (gas)20

GAS LIQUEFATTO

Gas che per le sue caratteristiche chimico-fisiche può essere liquefatto a temperatura ambiente mediante compressione (butano, propano, ammoniaca, cloro).

Il vantaggio della conservazione di gas allo stato liquido consiste nella possibilità di detenere grossi quantitativi di prodotto in spazi contenuti, in quanto un litro di gas liquefatto può sviluppare nel passaggio di fase fino a 800 litri di gas.

I contenitori di gas liquefatto debbono garantire una parte del loro volume geometrico sempre libera dal liquido per consentire allo stesso l’equilibrio con la propria fase vapore; pertanto è prescritto un limite massimo di riempimento dei contenitori detto grado di riempimento.

GAS LIQUEFATTOGrado di riempimento (kg/dm3)
ammoniaca0,53
cloro1,25
butano0,51
propano0,42
GPL miscela0,43-0,47
CO20,75

GAS REFRIGERATI

Gas che possono essere conservati in fase liquida mediante refrigerazione alla temperatura di equilibrio liquido-vapore con livelli di pressione estremamente modesti, assimilabili alla pressione atmosferica.

GAS DISCIOLTI

Gas che sono conservati in fase gassosa disciolti entro un liquido ad una determinata pressione (ad es.: acetilene disciolto in acetone, anidride carbonica disciolta in acqua gassata – acqua minerale)

Circolare 22 luglio 2020 resistenza al fuoco capitolo S2 del DM 18/10/2019
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