圖解火災學
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目錄

推薦序

自序

第1章 緒 論

1-1 氧化與起火 

1-2 吸熱與潛熱 

1-3 熱傳導(一) 

1-4 熱傳導(二) 

1-5 熱對流 

1-6 熱輻射(一) 

1-7 熱輻射(二) 

1-8 火焰接觸與熱慣性 

1-9 火災特性(一) 

1-10 火災特性(二) 

1-11 火災分類

1-12 火災與氣象 

第2章 燃燒原理

2-1 活化能與化學反應 

2-2 理想氣體定律 

2-3 燃燒與爆炸 

2-4 燃燒熱與熱釋放率 

2-5 燃燒所需空氣量 

2-6 燃燒界限(一) 

2-7 燃燒界限(二) 

2-8 燃燒原則 

2-9 燃燒機制 

2-10 燃燒速率 

2-11 燃燒危險性 

2-12 五大燃燒 

第3章 滅火原理

3-1 發火源(一) 

3-2 發火源(二) 

3-3 火四面體(一) 

3-4 火四面體(二) 

3-5 火四面體(三) 

3-6 火三角應用 

3-7 滅火原理(一) 

3-8 滅火原理(二) 

第4章 固體火災學理

4-1 固體理化性 

4-2 固體燃燒形態 

4-3 固體燃燒速度影響因素 

4-4 木材類燃燒(一) 

4-5 木材類燃燒(二) 

4-6 金屬類燃燒(一) 

4-7 金屬類燃燒(二) 

第5章 液體火災學理

5-1 液體燃燒屬性 

5-2 閃火點、著火點與發火點 

5-3 液體燃燒形態與速度 

5-4 液體起火能量 

5-5 引火性與高閃火點 

5-6 液體防火防爆方法 

第6章 氣體火災學理

6-1 氣體理化性 

6-2 氣體危險度及火焰型態 

6-3 氣體燃燒速度影響因素 

6-4 氣體爆炸特性 

第7章 滅火劑適用

7-1 固體滅火劑 

7-2 水滅火劑 

7-3 細水霧 

7-3 泡沫 

7-4 CO2氣體滅火劑 

7-5 海龍替代品 

7-6 金屬滅火劑 

第8章 爆炸工學

8-1 爆炸類型 

8-2 爆炸效應 

8-3 粉塵類爆炸及防制 

8-4 粉塵爆炸影響因素 

8-5 BLEVE現象 

8-6 蒸氣雲爆炸與油池火災 

8-7 蒸氣爆炸 

8-8 氣體類爆炸 

8-9 容器槽體爆炸徵兆 

8-10 低階爆燃與爆轟 

第9章 區劃空間火災發展

9-1 火災初期(一) 

9-2 火災初期(二) 

9-3 成長期(一) 

9-4 成長期(二) 

9-5 燃料與通風控制火災 

9-6 閃燃現象 

9-7 閃燃影響因素 

9-8 閃燃與爆燃防範對策 

9-9 閃燃與爆燃差異 

9-10 閃燃與爆燃發生徵兆 

9-11 最盛期與衰退期 

9-12 建築物防火安全設計 

9-13 火災各時期防火對策 

第10章 區劃空間火災煙流

10-1 火災煙能見度 

10-2 火災煙消光係數 

10-3 火災生成物毒性 

10-4 區劃空間煙層流動(一) 

10-5 區劃空間煙層流動(二) 

10-6 區劃空間煙層流動(三) 

10-7 區劃空間防煙方式(一) 

10-8 區劃空間防煙方式(二) 

10-9 區劃空間防煙方式(三) 

10-10 防煙對策及等效流動面積 

10-11 區劃空間排煙煙控 

第11章 建築火災概論

11-1 耐火構造建築 

11-2 超高層建築 

11-3 地下建築 

11-4 鐵皮屋建築 

第12章 電氣火災概論

12-1 電氣系統及火災防範 

12-2 電氣火災原因 

12-3 電阻發熱火災 

12-4 電弧火災 

12-5 靜電原因與條件 

12-6 靜電放電類型 

12-7 靜電防制管理(一) 

12-8 靜電防制管理(二) 

12-9 閃電 

第13章 化學火災概論

13-1 自燃發火 

13-2 影響自燃發火因素 

13-3 自燃發火性分類 

13-4 準自燃發火性物質 

13-5 公共危險物品 

13-6 危險物品混合危險 

13-7 危險物品應變作業程序 

13-8 油槽類火災 

13-9 沸溢、濺溢與冒泡溢因素與徵兆 

13-10 沸溢與濺溢條件與油質 

參考文獻 

火災學術語 

火災學公式總整理 

火災學重點總整理 

試閱內容

1-1 氧化與起火

氧化反應

由碳和氫構成的物質才能被氧化,而大多可燃性固體有機物、液體和氣體,就是以碳和氫為主成分。最常見氧化劑是空氣中的氧,空氣約由1/5氧和4/5氮組成。氧化性物質如硝酸鈉(NaNO3)和氯酸鉀(KClO3)是一種易於釋出氧,此種分子中含有氧,反應時無需外界氧,遇熱能自行氧化燃燒。

氧化(Auto-Oxidation)是一種發熱反應,由於氧化速度不同,如蘋果削好一些時間表面泛黃,或報紙久置數年形成泛黃,此種氧化速度慢,發熱量小,沒有明顯熱及光之物理現象。人類呼吸作用就是氧化葡萄醣,使得葡萄醣中的氫被氧取代,氧化發熱至37℃。基本上,氧化是一種有機化合物與氧分子發生的自由基鏈反應,於金屬物質特別容易自動氧化如鐵生鏽、鋁陽級氧化(Anodization)產生蝕洞或銀表面喪失光澤。為防生鏽,以油擦拭金屬或擦油漆,使金屬表面隔離空氣中氧,致其不能氧化反應;又如油性乳液枺在臉部肌膚上產生抗氧化效果,以保青春,其理在此。

生活中許多有機物易於自動氧化,橡膠與塑膠的老化變質,常是緩慢氧化過程的結果,如橡皮筋於一段長時間慢慢氧化(發熱)變粘。假使船艙中貨物自動氧化所產生熱量,如不散失就會自行升溫(Self-Heating),甚致自燃。多孔性固體物質如煤更是如此,因空氣能滲入到內部自動氧化,卻因物質多孔的空氣隔熱屬性(空氣為不良熱導體),而能有效蓄熱,致常形成煤炭自燃現象。

起火

起火(Ignition)是溫度與時間的一個函數,能自行持續的一種燃燒過程;若沒有外界引燃源而本身起火係為自燃現象。物質的起火溫度是指某一可燃物質達到起火的最低溫度,通常物質遭到熱源引燃溫度顯著低於其自燃溫度。

因此,可燃物質起火現象,不僅包含複雜化學過程,也含熱物理過程如熱傳導、對流及質傳過程,以及這些過程之相互作用等。一般而言,燃料和氧分子產生化學反應之前,需先在一定溫度以上激發成活性狀態。

1-2 吸熱與潛熱

吸熱和放熱化學反應

物質固體受熱熔化(物理變化)為液體(化學變化),液體再受熱蒸發(物理)為氣體(化學);或固體直接受熱分解昇華(物理)為氣體(化學),上述化學過程皆為吸熱反應(Endothermic);反之過程,則為放熱化學反應。

以乙炔而言,是一種吸熱化合物,在組成乙炔時需吸收大量熱,一旦乙炔分解時,就放出其在生成時所吸收熱:

C2H2 → 2C + H2 + 226.4

乙炔在化學上分解時有固態碳及氫氣,如果是密閉容器內,分解產生放熱反應使溫度升高,壓力增大致形成爆炸之危險。因此,乙炔在物理上常溶於丙酮或酒精等液體儲存,這類似二氧化碳溶於水中,形成碳酸氣泡水一樣。當打開鋼瓶閥門,壓力下降,蒸發(液體至氣體)潛熱吸收大量熱。工業上,乙炔配合氧氣,使其更完全燃燒,形成氧乙炔火焰,能高達攝氏3200度,以進行快速切割金屬作業。

潛熱

物質從固態轉成液態,或液態轉成氣態,所吸收的熱量稱為潛熱(Latent Heat);潛熱可分為熔化熱及氣化熱。與之相反,從氣態至液態或從液態至固態轉變過程中,則會放出熱量。潛熱是物質在液相與氣相之間轉變(蒸發潛熱)或固相與液相之間轉變(溶解潛熱)時吸收的熱量,以單位質量內焦耳數計量。水在沸點(100℃)下的氣化潛熱為2260 J/g(539 cal/g),使水是所有物質中具有最高蒸發潛熱,這正是水能快速冷卻,作為有效滅火劑之主因;使水在火焰中高溫氣化時吸走燃燒中大量熱量。以現今一般消防車是裝水,假如未來有比水更經濟有效物質,屆時消防車就有可能不裝水,改裝如此物質。

1-3 熱傳導(一)

熱傳遞

火災是一種熱量傳遞之結果,對熱量或能量轉移之熱傳理解,是瞭解火行為和火災過程之關鍵。從火三角的概念可知熱能是燃燒必要條件之一,燃燒一旦開始,重要的是了解火如何藉熱能傳遞而持續進行。熱傳之基本條件是存在溫度差異,根據熱力學第二定律,熱傳之方向必往溫度較低移動,溫度差就是構成熱傳之推動力。

在區劃空間如船艙能夠透過熱傳4種方式中的一個或多個進行傳輸:即傳導、對流、輻射和火焰直接接觸(Impingement)。事實上,熱傳對一物質而言,是一種熱損失。於固體的傳熱方式主要是傳導;熱從高溫的物體傳到低溫的物體,即固體溫度梯度內部傳遞的過程。基本上,在固體或靜止流體(液體或氣體)中,熱傳導是由於物體內分子、原子、電子之無規則運動所造成,其是一分子向另一分子傳遞振動能的結果。各種材料熱傳導性能不同,傳導性能佳如金屬,其電子自由移動,熱傳速度快,能做熱交換器材料;傳導性能不良如石棉,能做熱絕緣材料。以物質三態熱傳導性,為固體 > 液體 > 氣體。依傅立葉定律(Fourier's Law)指出,在熱傳導中,單位時間內通過一定截面積的熱量,正比於溫度變化率和截面面積,而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。

傳導問題

以下思考一下!把1張A4紙完全貼在牆壁上,以打火機進行引燃A4紙,卻無法使其點燃,為什麼?又引燃1張拿在手上A4紙時,從邊緣或中央位置何者較易點燃?為什麼?如果你可正確回答此問題,表示你已具某種專業知識。貼在牆壁紙張受打火機之熱量,接收到熱量一直被牆壁大面積熱傳導擴展出去,無法使熱量累積至紙張能點燃或是自行延燒程度。又紙張從中央位置起燃,其熱量透過四面八方擴散出去,但以邊緣位置熱傳面積有限(空氣為熱不良傳導體),而易以點燃。

熱傳導與火災

在建築物火災中熱傳導之熱量相當有限,主要是以火災之起火期階段為主,電線設備、煙蒂、線香、火星等熱源,接觸可燃物進行熱傳導,導致起火。在台灣建築物係屬鋼筋混凝土結構,且牆壁厚度相對厚,依傅立葉定律(Fourier's Law),固體物質厚度與熱傳量成反比難以熱傳導;但在船舶結構如同鐵皮屋火災一樣,金屬牆壁薄,比熱容小,易以熱傳,這也導致鐵皮屋或船舶火災鋼製邊界層扮演熱傳重要因素,尤其是上面屋頂(艙頂)面會有溫度最大傳導熱量。

又依傅立葉定律(Fourier's Law),熱量傳導與距離成反比,所以火災蔓延常以相鄰空間,火勢擴大規模是有限的。

以防火塗料而言,使用熱傳導係數(k)低之無機材質,噴灑在鋼結構之厚度愈厚,保護效果愈佳,即增加上述公式之L(厚度)使Q(熱量)減小;有些防火塗料利用在高溫下生成一層比原塗層厚十倍難燃炭層,且其熱傳導係數(k)低,也是同樣增加L,減小k,以隔絕火焰對底材加熱,達到防火之目的。

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4. 本職博士,實務理論

30年火場經驗,實務理論佳。

作者簡介

盧守謙 博士

學經歷:

吳鳳科技大學消防研究所助理教授

消防類全國考試命題委員

三等高考、消防設備師、外語領隊、四等榜首

中央警察大學入學消防榜首及第1名畢業

臺灣高等法院/臺中/士林/彰化地方法院-火災鑑定案主持人

公務人員簡任官等結訓

英國FSC/美國DWF/美國TCC 結訓認證

國際AOSFST期刊/ICSSMET研討會審稿委員

消防安全PCB廠/石化廠輔導委員

林火類農委會審查委員

作者自序

火焰是一種氣相燃燒而能夠產生至少1500K高溫的化學反應,於火災對人類和環境影響能否成為社會關注問題,取決於一個國家的意識形態與經濟狀況;而對火災預防與控制投入程度,則取決於一個國家風險意識與價值觀。在消防救災、消防工程或產業安全上,火災學是一門重要理論基礎,從各項消防國考科目上可見一斑。其中消防工程更是因應火災而設,脫離了火災學就失去其存在意義。尤其歐美國家日益倡行性能化設計,消防設計更應瞭解火災可能動態情境,以達到消防設備在經濟、安全及有效之預期目標。另在火場方面,能預期火勢發展及潛在危險,是關係到第一線搶救行動安全及有效作業與否之指標。

在過去500年,科學已經從早期的一般數學近似,利用一套能量守恆定理來解決大量問題,並加速發展。雖然火是人類最早利用工具之一,但只是在過去50年才得到相關數學表達式,因火確實是過於複雜,於近十幾年來火災研究工作卻有相當加速發展,湧現出大量的新理論。在本書也儘可能網羅NFPA, SFPE Handbook, Drysdale𠏋 Book等,納入其內涵、圖表與運算,也加入多元化型態如鐵皮屋、倉儲類等本土化常發生火災。在此以30年火場實務經驗之消防本職博士專業背景,來進行系統式精心彙編,並儘量插入工學應有之數值運算演練,以整合一門完整之學科。

觀之國內坊間火災學書籍繁多,關於建築物火災發展過程中,閃燃現象是一種非常態,以國內居多之耐火建築物,發生閃燃需滿足火三要素環境,始有可能發生。對於引火、發火點、閃火點或著火,這些專業名詞之間常混為使用,令很多讀者感到困惑,而許多適用木造建築物之實驗曲線或關係式如開口因子、燃料控制燃燒或通風控制燃燒等,這些公式用於鋼筋混凝土內纖維/塑膠燃料或鐵皮屋建築,是必須依燃燒物不同而作修正的。因此,對於火災專業用語及觀念,沒有統一及整合,令年輕學子在學習火災學時,可能在某種程度上是一知半解的。

本書之編輯重心,回歸於火災動力為主,一些消防搶救、避難等版面儘量移除,在一些如沸溢或濺溢等專有名詞,再考究更多原文資料,予以明確化。另為方便讀者為準備三(四)等消防特考或消防設備師(士)等考試,內容儘量濃縮重點,並以名詞間差異進行比較研究,以利有效閱讀及記取,並大幅增加圖表及其精進化,以符讀者群之反應及高度期待。作為一位消防教育工作者,無不希望國內消防教材之專業水平能提升,這也是作者孳孳不倦之動力根源。

名人導讀

推薦序

火災學為一門綜合應用之多元科學,其內容涵蓋熱傳、理化、電學、材料及建築等,為相關基礎科學之應用與整合,目前亦為本校消防系必修課程,也是消防工作重要之專業學科。許多先進國家相繼以性能法規精神,作為消防相關法規修訂之依據,因此,對火災學專業素養,更顯得格外重要。

基本上,燃燒通常是由發火源(微小火源、明火等)使局部燃料和氧化劑之混合物引燃,或燃料自燃,在固體自燃可以是300℃低溫下不發焰之悶燒或是超過1000℃有焰燃燒;而火災為上述現象,因成長失去控制而擴大,並造成財物或人命損失之過度燃燒事件。換言之,火災是在時間軸和空間軸上發展,所形成的災害;而在眾多災害中,火災卻是發生頻率最多之一種。

火災發展過程是一種非常複雜的理化熱傳動態事件。於室外火災明顯受到風勢、雨量或地形等影響,而室內火災則受到通風開口、空間體積、高度及現有火載量等變數影響。因此,所有不受控制的火災燃燒,會以一種穩態或不穩態發展,延燒擴大過程也取決於許許多多之變數。

為培育出防火安全專業人力,本校於2002年首創消防系(所)(除警察大學外),建置了火災虛擬實驗室、火災鑑識實驗室、低氧實驗室、水系統消防實驗室、電系統消防實驗室、氣體消防實驗室、消防設備器材展示室及消防檢修實驗室等軟硬體設備,也設置了氣體燃料導管配管、工業配管等兩間乙級技術士考場;也擁有全方位師資團隊,跨消防、機械、化工、電機、電子、土木及理化等完整博士群組成,每年消防系設日間部四技3班、進修部四技1班、進修學院二技1班、碩士在職專班1班,目前也申請博士在職專班,為未來消防人力注入所需的充分能量。

作者盧守謙博士在消防領域學有專精,對於火災學進行深入淺出且有條不紊地加以說明,不僅內容豐富,涵蓋的問題面也相當廣,本人極為樂意將其推薦給有志學習火災學的讀者。

蘇銘宏

吳鳳科技大學 校長

圖解火災學
作者:盧守謙
出版社:五南圖書出版股份有限公司
出版日期:2019-09-28
ISBN:9789577636294
定價:550元
特價:93折  512