SERVICE DEPARTEMENTAL D INCENDIE ET DE SECOURS DOCUMENT STAGIAIRE. FAE Chef d Agrès 16/01/2011 INC 2 Combustion - Incendie

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1 SERVICE DEPARTEMENTAL D INCENDIE ET DE SECOURS COMBUSTION - INCENDIE DOCUMENT STAGIAIRE 1

2 TABLE DES MATIERES 1. - COMBUSTION DIFFERENTS TYPES DE COMBUSTION 3 PRODUITS DE COMBUSTION 4 FLAMMES 4 CHALEUR.5 FUMEE ZONE D'INFLAMMABILITE TRANSFERT DE CHALEUR ET PROPAGATION NOTIONS DE PUISSANCE DE FEU PERTES ET GAINS DE PUISSANCE DE FEU COURBE DE CROISSANCE DE FEU FEU VENTILE ET FEU SOUS VENTILE AIDE MEMOIRE 15 LEXIQUE TERMES DE COMBUSTION.16 2

3 1. - COMBUSTION Une combustion est une réaction chimique au cours au cours de laquelle des espèces combustibles se combinent à un comburant, pour former de nouvelles espèces chimiques appelées produits de combustion. Elle résulte de la combinaison de 3 éléments : le combustible, qui peut être solide, liquide ou gazeux, REACTIFS le comburant, l'oxygène de l air, l'énergie d'activation, source de chaleur, étincelle ). L'ensemble est représenté schématiquement sous la forme du triangle de feu. Les différents types de combustions : Très Lente : oxydation des métaux, ni flamme, ni chaleur. Lente : feu couvant sans apport de chaleur, corps ayant des particules en suspension. Vive : flamme de diffusion, feu de bois, cheminée, forêt Très vive : flamme pré mélange déflagrante, déflagration, matières en combustion projetées à 340m/s. Instantanée : flamme pré mélange détonante, détonation, vitesse de réaction > à la vitesse du son (340 m/s pression en tonne/m²). En fonction de l alimentation en air du foyer, une combustion peut être complète ou incomplète. D une manière générale, un incendie est une combustion vive incomplète 3

4 Les produits de la combustion : En brûlant, les combustibles subissent une transformation chimique, émettent des vapeurs et changent de forme et d'état par : Pyrolyse s il est solide (décomposition chimique irréversible produite par une élévation de température) Vaporisation s il est liquide Un combustible, en brûlant, dégage 3 produits : une flamme, de la chaleur, de la fumée qui renferme de l'oxygène, de l'azote, du monoxyde et dioxyde de carbone, de fines particules de carbone (suies) et divers autres produits (gaz de combustion) Les flammes Les flammes sont le phénomène visible d une combustion vive. C est le lieu où les vapeurs réagissent avec l oxygène. Il est essentiel de savoir que ce sont les vapeurs émises qui brûlent dans les flammes. Deux types de flammes : Flamme de diffusion, les réactifs gazeux ne sont pas mélangés avant d arriver au niveau de la flamme. Ex : la bougie Flamme de pré mélange, les réactifs gazeux sont déjà mélangés. Ex : le chalumeau Flamme de diffusion Flamme de prémélange 4

5 Notions de chaleur et température : La chaleur, c est une forme d énergie, mesurée en Joule, qui «passe» d un corps chaud à un corps froid sous l effet d une différence de température. La température, c est la mesure de la chaleur d un corps, on utilise une échelle de température. Ex degré Celsius. L'échelle Celsius est définie de la manière suivante : l'origine «0» correspond à la température de la fusion de la glace à la pression atmosphérique, la valeur «100» correspond à la température de la vaporisation de l'eau à la pression atmosphérique, l'échelle ainsi définie permet de disposer d'une unité de référence, le degré Celsius noté C qui correspond au 1/100 ème du domaine séparant les valeurs 0 et C Au cours de la combustion, on peut atteindre successivement : le point éclair : c'est la température à partir de laquelle, un solide ou un liquide commence à émettre des vapeurs susceptibles de former avec l'air, un mélange dont l'inflammation se produit au contact d'une énergie d'activation (flamme). A cette température, la combustion s'arrête au retrait de l'énergie d'activation. le point d'inflammation : c'est la température à laquelle, un mélange combustible s enflammera au contact d'une énergie d'activation dont la combustion se prolongera d'elle-même. le point d'auto inflammation ou auto ignition : c'est la température minimale (entre 250º et 650º) à laquelle un mélange combustible peut s'enflammer spontanément sans énergie d'activation. 5

6 La fumée La fumée est l ensemble visible des particules solides et/ou liquides en suspension dans les gaz, résultant d une combustion ou d une pyrolyse. La fumée présente 5 DANGERS. Les fumées sont toxiques : la teneur en oxygène est très réduite, de nombreuses espèces très toxiques (dioxyde de carbone (CO2), cyanure d hydrogène (HCN) lors de la combustion des polyuréthannes, chlorure d hydrogène (HCl) lors de la combustion du P.V.C. sont présentes. En particulier, le monoxyde de carbone (CO) possède la faculté de se fixer sur l hémoglobine du sang ce qui interdit toute fixation de l oxygène, la température (plusieurs centaines de degrés) rend le milieu irrespirable alors que les échanges gazeux au niveau du sang, comme toutes les réactions chimiques liées à la vie, doivent se faire à des températures voisines de la température ambiante. 6

7 La fumée : un mélange opaque La présence d espèces solides (suies) ou d aérosols (gouttelettes) dans la fumée provoque un écran qui empêche de voir au travers. Lorsque les fumées sont particulièrement épaisses, la visibilité se réduit à quelques centimètres. L obscurité est totale au point que l on ne voit même pas le faisceau de la lampe torche tenue à la main. Dans la fumée, une personne est totalement aveugle. Ceci rend très difficile la progression du sapeur-pompier ou de toute autre personne prisonnière d une pièce enfumée. La présence de toutes ces espèces est un obstacle à la progression des ondes sonores. Dans certains cas, lorsque les fumées sont très intenses, les sons sont assourdis ce qui perturbe la perception des voix, des bruits et l appréciation des distances. La fumée : un mélange inflammable, voire explosif Résultant d une combustion incomplète, elle est chargée en produits imparfaitement brûlés (monoxyde de carbone (CO)) ou imbrûlés (suies, produits gazeux de pyrolyse), ainsi qu en air entraîné dans le panache. La fumée : un corps rayonnant La plus grande partie de la chaleur est emportée dans le panache de fumées par convection. Cette fumée étant très chargée en particules solides (suies) et très chaude, elle va émettre un rayonnement thermique d autant plus important que sa température est élevée. Ces valeurs commencent à être très importantes à partir de 200 C, infligeant des brûlures aux personnes non protégées. Au-delà, les flux rayonnés peuvent enflammer des combustibles présents dans la pièce. La fumée : un mélange envahissant La fumée, étant un mélange de gaz chargé en particules solides, se comporte comme un fluide. Elle a tendance à se répandre dans tous les volumes qui lui sont offerts. Elle s insinue par toutes les ouvertures qu elle rencontre (porte ouverte, gaine de V.M.C., etc.). On retrouve de la fumée dans des pièces éloignées de la pièce origine du feu, en particulier au-dessus du volume sinistré (notamment dans les combles où arrivent les gaines de V.M.C.). 7

8 2. ZONE D INFLAMMABILITE Le mélange comburant + combustible ne peut s enflammer au contact d une source d allumage que s il se trouve dans une certaine proportion (Mélange idéal). Il s agit plus précisément d un domaine d inflammabilité défini par 2 valeurs : La Limite inférieure d inflammabilité (ou explosivité) notée L.I.I (ou L.I.E), correspond à la concentration minimale (%) du combustible dans le mélange au dessous de laquelle celui-ci ne peut être enflammé. La Limite supérieure d inflammabilité (ou explosivité) notée L.S.I (ou L.S.E), correspond à la concentration maximale (%) du combustible dans le mélange au dessus de laquelle celui-ci ne peut être enflammé. Le domaine défini par les deux valeurs de L.I.I et de L.S.I est le domaine de combustion possible, hors de ce domaine, la combustion ne peut avoir lieu. 0% AIR GAZ 100% ZONE 1 ZONE 2 ZONE 3 0% LII LSI 100% Zone 1 : le mélange n est pas assez riche, il ne peut s enflammer, on parle de mélange trop pauvre. Zone 2 : le mélange et en proportion correcte, il peut s enflammer sous l action d une source d ignition, zone dangereuse. Zone 3 : le mélange est trop riche, il ne peut s enflammer, zone potentiellement dangereuse. 8

9 3. TRANSFERT DE CHALEUR ET PROPAGATION Il existe 4 modes principaux de chaleur. Par convection : La propagation par convection suit surtout une trajectoire ascendante. La chaleur est transportée par des gaz à haute température, mouvements d'air chaud et froid, de bas en haut. C est le mode de propagation du feu par les couloirs, les cages d'escaliers, les puits d'ascenseur, entre les murs, dans les greniers. Par rayonnement : Les matériaux très chauds émettent des rayonnements qui transportent la chaleur en ligne droite. Cette forme de transmission constitue l'une des principales causes de la propagation des incendies, raison pour laquelle il faut protéger tout de suite les endroits où les risques d'exposition au rayonnement sont importants. Le rayonnement contribue à chauffer encore davantage les objets contenus dans une pièce ; c est un véritable cercle sans fin dont la principale conséquence est une élévation importante de la température dans la pièce 9

10 Par conduction : La chaleur d'un corps peut se transmettre à un autre par contact direct ou par l'intermédiaire d'un matériau conducteur. La quantité de chaleur transmise et la rapidité de transmission dépendent de la conductibilité thermique du matériau soumis à la source de chaleur. Par transport : La propagation intervient par déplacement d'objets enflammés. Elle est due à plusieurs phénomènes tels qu'une explosion, un transport de flammèches en feux de forêts, une chute d'objets incandescents, un écoulement de liquide en feu. En pratique, la chaleur émise dans la flamme est transportée à 65 % par convection dans le panache et à 35 % par rayonnement. 10

11 4. NOTIONS DE PUISSANCE DE FEU Pouvoir calorifique : C est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de 1kg de combustible s il est solide ou liquide, de 1m3 s il est gazeux. Il s exprime en Joules par kilogramme (J/Kg ou m3) Potentiel calorifique : C est la quantité totale de chaleur que peuvent dégager l ensemble des combustibles présents dans un espace déterminé, ramenée à une unité de surface (m2). ( J/Kg/m2) Charge calorifique : C est la quantité totale de chaleur que peuvent dégager l ensemble des combustibles présents dans un espace déterminé (KJ) Débit calorifique : Quantité de chaleur produite par unité de temps pour la combustion d une unité de masse de combustible (J/g/s). Puissance Thermique C est la quantité de chaleur dégagée pendant une unité de temps lors d un incendie. Cette chaleur dépend du potentiel calorifique et est exprimée en MW. La puissance doit être au moins égal à 1,5 MW (chambre dimensions moyennes) pour qu il y ait embrasement généralisé. Une valeur importante du potentiel calorifique est une condition nécessaire mais NON suffisante pour avoir des feux violents ou dangereux. Flux Thermique Sert à quantifier le rayonnement thermique. S exprime en MW/m2 (puissance/surface) Degrés de ventilation Quantité d air amenée dans le volume. Plus un feu est ventilé, plus la quantité de chaleur dégagée est importante et donc le feu est plus violent. Débit de pyrolyse Quantité de combustible produite par la pyrolyse d un matériau par unité de temps. Le débit de pyrolyse influence directement la qualité du mélange combustible présente dans la fumée. 11

12 La violence d un feu dépend essentiellement de 2 paramètres Le potentiel calorifique Le degré de ventilation 5. PERTES ET GAINS DE PUISSANCE On appelle «gains» tous les éléments permettant au feu d augmenter sa puissance et son énergie. A l inverse, les «pertes» regroupent tous les phénomènes qui concourent à en diminuer sa puissance. Les pertes et les gains peuvent varier en fonction de plusieurs paramètres : Accroissement de la ventilation ; Diminution des pertes aux parois ; Accroissement de l aire du feu ; Accroissement des radiations émises par le plafond de fumées. 12

13 6. COURBES DE DEVELOPPEMENT DU FEU Le développement d un feu suit toujours les trois étapes suivantes : Croissance Plein développement Décroissance 13

14 7. LES FEUX VENTILES ET FEUX SOUS-VENTILES L influence de l environnement du foyer est essentielle lorsque l on aborde le domaine des feux dans une enceinte. Les feux d enceintes ou volumes sont à opposer aux feux à l air libre. Quatre caractéristiques très importantes les opposent : Quantité d oxygène limitée Gaz libérés par la combustion emprisonnés Mauvaise évacuation de la chaleur Surpression en partie haute du volume Les connaissances actuelles permettent de considérer qu il existe deux types de développements bien distincts : Les feux entretenus par le combustible (ce qui brûle) F.L.C Les feux ventilés sont des feux entretenus par le combustible. Tant que la concentration en oxygène dans le local est supérieure aux besoins du feu, ce dernier prend de l extension. La perte de masse (transfert de masse) est favorisée par la concentration en oxygène. Le feu s alimente seul, les gaz sont brûlés en production. La croissance du feu ne dépend que du combustible. Dans les feux ventilés, la température peut atteindre les températures seuil de Les feux entretenus par le comburant (ce qui permet de brûler) F.L.V Dans les feux sous-ventilés, le feu ne dispose pas de suffisamment de comburant (concentration inférieure à 13%), le transfert de masse est bien moindre puisqu il ne produira pas suffisamment de chaleur. La température n excède pas 600. La puissance thermique est directement asservie à la quantité de comburant pouvant atteindre le combustible. Ce type de feu devient désormais la règle, l isolation des constructions devenant de plus en plus efficace ayant pour résultat de modifier le comportement du feu, au développement plus instable, avec des feux limités par la ventilation (FLV). 14

15 Aide mémoire du chef d agrès La combustion d un matelas synthétique produit débit calorifique moyen de 3 MW. un La combustion d un canapé 3places 3,5 MW. Une chambre à coucher «conventionnelle», d une dizaine de mètres carrés, contenant 1 lit, une armoire et deux tables de chevet, va produire une puissance de l ordre de 10MW lors de son embrasement généralisé. Une porte d entrée d appartement avec de la fumée à mi hauteur dégage environ 3MW, deux fenêtres dégagent environ 3MW. L EGE dégage environ 6 MW (en moyenne). Nos EPI protégent contre un flux thermique de 40 KW/m2, Le carton brûle sous l effet d un flux de 20 KW/m2. La LDT absorbe 0,5 MW. La LDMRS absorbe 6 MW. 1 Porte = 2 Fenêtres = 3 MW = 1 LDMRS 15

16 Conclusion : au vu de tous ces éléments, il est évident que l emploi d une L.D.T. lors d un feu de structure, est très notoirement insuffisant. Un débit de l ordre de 500 l/mn est indispensable pour prévenir et traiter un tel incendie. Lexique des termes de combustion CHALEUR : forme d énergie, mesurée en Joule. COMBURANT : Corps dont la nature chimique et la présence permettent à un corps de brûler. COMBUSTIBLE : Corps solide, liquide ou gazeux, susceptible de brûler. COMBUSTION : Combinaison d un corps combustible avec un corps comburant en présence d une énergie d activation. La combustion s accompagne d un dégagement de chaleur accompagné d une émission de flammes et/ou de fumées. CONDUCTION : Phénomène de transmission de chaleur entre deux points de température différente, sans aucun transfert de matière, dans la masse d un même matériau, ou par contact direct d un autre CONVECTION : Phénomène de transport de chaleur par le mouvement ascendant d un fluide ENERGIE D'ACTIVATION : Source de chaleur nécessaire pour activer une combustion. EXPLOSION * : réaction brusque d oxydation ou de décomposition entraînant une élévation de température, de pression ou les deux simultanément. FEUX VENTILES : feu entretenus par le combustible. Tant que la concentration en oxygène dans le local est supérieure aux besoins du feu. La croissance du feu ne dépend que du combustible. FLC FEUX SOUS VENTILES : feux entretenus par le combustible. Le feu ne dispose pas de suffisamment de comburant. FLV FEU : Manifestation visible d une combustion caractérisée par une émission de chaleur accompagnée de fumées, de flammes ou des deux. FEU DE STRUCTURE : sinistre dont le comportement est, ou peut encore, être influencé par la structure dans laquelle il se développe. 16

17 FEU LIBRE : sinistre dont le développement n est pas ou plus influencé par le contenant. FLAMME * : zone de combustion en phase gazeuse émettant de la chaleur et de la lumière. FLAMME DE DIFFUSION : flamme où les réactifs gazeux ne sont pas mélangés avant d arriver dans la zone de combustion (exemple : la bougie). FLAMME DE PREMELANGE : flamme où les réactifs gazeux sont mélangés avant d arriver dans la zone de combustion (exemple : le chalumeau). FUMÉES : Particules visibles solides et/ou liquides, en suspension dans les gaz résultant D une combustion et/ou d une pyrolyse. Le plus souvent, les fumées d incendie comportent des particules de carbone imbrûlées entrainées par les courants de tirage. INCANDESCENCE * : émission de lumière produite par un corps chauffé intensément. Elle peut se produire avec ou sans combustion. INCENDIE : Feu violent qui échappe au contrôle et à la maîtrise de l homme dans l espace et dans le temps. LIMITE INFÉRIEURE d'inflammabilité (L.I.I.) ou d'explosibilité (L.I.E.) : On appelle LII ou LIE d un mélange, la concentration minimale du combustible dans l air en dessous de laquelle la combustion ne peut ni s entretenir ni se propager. Les valeurs des limites s expriment en % des vapeurs du produit dans l air. LIMITE SUPÉRIEURE d'inflammabilité (L.S.I.) ou d'explosibilité (L.S.E.) : On appelle LSI ou LSE d un mélange, la concentration maximale du combustible dans l air au dessus de laquelle la combustion ne peut ni s entretenir ni se propager. Les valeurs des limites s expriment en % des vapeurs du produit dans l air. MELANGE IDEAL : mélange de combustible et d air, dont la combustion ne produit quasiment pas d imbrûlés et dégage la plus forte température ainsi que la réaction la plus violente. POINT ÉCLAIR : Température minimale à laquelle un liquide combustible émet suffisamment de vapeurs pour former avec l air un mélange gazeux dont l inflammation se produit au contact d une énergie d activation. PYROLYSE : Processus de dégradation irréversible de la matière sous l effet de la chaleur. PLAFOND DE FUMÉES : Couches successives de fumées et de gaz potentiellement Inflammables, accumulées en partie haute d un contenant. 17

18 ZONE D'INFLAMMABILITÉ : Intervalle compris entre la LII et la LSI dans lequel la concentration du mélange gazeux dans l air ambiant brûle en présence d une énergie d activation. PLAGE D'EXPLOSIBILITÉ : Intervalle compris entre la LIE et la LSE dans lequel la concentration du mélange gazeux dans l air ambiant explose en présence d une énergie d activation. POINT D'AUTO-INFLAMMATION: Température à laquelle un mélange gazeux combustible peut s enflammer spontanément du fait de sa chaleur sans la présence de flamme ou d étincelle. On parle aussi de «point d auto-ignition» ou de «point d auto-combustion». POINT D INFLAMMATION : c'est la température à laquelle, un mélange combustible s enflammera au contact d'une énergie d'activation dont la combustion se prolongera d'ellemême. RAYONNEMENT : Phénomène de transmission de chaleur par ondes électromagnétiques émises dans toutes les directions par un corps chauffé. SUIES : Particules charbonneuses finement divisées, produites et /ou déposées au cours de la combustion de matériaux organiques. TEMPERATURE : mesure de la chaleur d un corps. TRANSFERT DE MASSES : Mouvement aéraulique induit par une différence de densité entre deux matières au moins (Exemple : apport d air et sortie de fumées). 18