ISO 19703:2010
(Main)Generation and analysis of toxic gases in fire - Calculation of species yields, equivalence ratios and combustion efficiency in experimental fires
Generation and analysis of toxic gases in fire - Calculation of species yields, equivalence ratios and combustion efficiency in experimental fires
ISO 19703:2010 provides definitions and equations for the calculation of toxic product yields and the fire conditions under which they have been derived in terms of equivalence ratio and combustion efficiency. Sample calculations for practical cases are provided. The methods can be used to produce either instantaneous or averaged values for those experimental fires in which time-resolved data are available.
Production et analyse des gaz toxiques dans le feu — Calcul des taux de production des espèces, des rapports d'équivalence et de l'efficacité de combustion dans les feux expérimentaux
L'ISO 19703:2010 donne des définitions et des équations permettant de calculer les taux de production en produits toxiques et les conditions de combustion dans lesquelles ces taux de production ont été déterminés en termes de rapport d'équivalence et d'efficacité de combustion. Des exemples pratiques de calculs sur éprouvettes sont également fournis. Les méthodes exposées peuvent être utilisées pour produire des valeurs instantanées ou moyennes pour les feux expérimentaux dans lesquels des données en fonction du temps sont disponibles.
General Information
Relations
Frequently Asked Questions
ISO 19703:2010 is a standard published by the International Organization for Standardization (ISO). Its full title is "Generation and analysis of toxic gases in fire - Calculation of species yields, equivalence ratios and combustion efficiency in experimental fires". This standard covers: ISO 19703:2010 provides definitions and equations for the calculation of toxic product yields and the fire conditions under which they have been derived in terms of equivalence ratio and combustion efficiency. Sample calculations for practical cases are provided. The methods can be used to produce either instantaneous or averaged values for those experimental fires in which time-resolved data are available.
ISO 19703:2010 provides definitions and equations for the calculation of toxic product yields and the fire conditions under which they have been derived in terms of equivalence ratio and combustion efficiency. Sample calculations for practical cases are provided. The methods can be used to produce either instantaneous or averaged values for those experimental fires in which time-resolved data are available.
ISO 19703:2010 is classified under the following ICS (International Classification for Standards) categories: 13.220.01 - Protection against fire in general. The ICS classification helps identify the subject area and facilitates finding related standards.
ISO 19703:2010 has the following relationships with other standards: It is inter standard links to ISO 19703:2018, ISO 19703:2005. Understanding these relationships helps ensure you are using the most current and applicable version of the standard.
You can purchase ISO 19703:2010 directly from iTeh Standards. The document is available in PDF format and is delivered instantly after payment. Add the standard to your cart and complete the secure checkout process. iTeh Standards is an authorized distributor of ISO standards.
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 19703
Second edition
2010-06-15
Generation and analysis of toxic gases in
fire — Calculation of species yields,
equivalence ratios and combustion
efficiency in experimental fires
Production et analyse des gaz toxiques dans le feu — Calcul des taux
de production des espèces, des rapports d'équivalence et de l'efficacité
de combustion dans les feux expérimentaux
Reference number
©
ISO 2010
PDF disclaimer
This PDF file may contain embedded typefaces. In accordance with Adobe's licensing policy, this file may be printed or viewed but
shall not be edited unless the typefaces which are embedded are licensed to and installed on the computer performing the editing. In
downloading this file, parties accept therein the responsibility of not infringing Adobe's licensing policy. The ISO Central Secretariat
accepts no liability in this area.
Adobe is a trademark of Adobe Systems Incorporated.
Details of the software products used to create this PDF file can be found in the General Info relative to the file; the PDF-creation
parameters were optimized for printing. Every care has been taken to ensure that the file is suitable for use by ISO member bodies. In
the unlikely event that a problem relating to it is found, please inform the Central Secretariat at the address given below.
© ISO 2010
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized in any form or by any means,
electronic or mechanical, including photocopying and microfilm, without permission in writing from either ISO at the address below or
ISO's member body in the country of the requester.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2010 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .1
4 Symbols and units.3
5 Appropriate input data required for calculations.4
5.1 Data handling.4
5.2 Test specimen information.5
5.3 Fire conditions.5
5.4 Data collection .6
6 Calculation of yields of fire gases and smoke, stoichiometric oxygen demand and
recovery of key elements.6
6.1 Calculation of measured yields from fire gas concentration data .6
6.2 Calculation of notional gas yields .9
6.3 Calculation of recovery of elements in key products.12
6.4 Calculation of stoichiometric oxygen demand.12
6.5 Calculation of smoke yields .20
7 Calculation of equivalence ratio .23
7.1 General .23
7.2 Derivation of φ for flow-through, steady-state experimental systems.24
7.3 Derivation of φ for flow-through, calorimeter experimental systems .25
7.4 Derivation of φ for closed chamber systems.26
7.5 Derivation of φ in room fire tests .26
8 Calculation of combustion efficiency.26
8.1 General .26
8.2 Heat release efficiency.27
8.3 Oxygen consumption efficiency .28
8.4 Oxides of carbon method .30
Bibliography.34
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 19703 was prepared by Technical Committee ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 3, Fire threat to
people and environment.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 19703:2005), clauses of which have been
editorially revised.
iv © ISO 2010 – All rights reserved
Introduction
It is the view of committees ISO TC 92/SC 3, ISO TC 92/SC 4, and IEC TC 89 that commercial products
should not be regulated solely on the basis of the toxic potency of the effluent produced when the product is
combusted in a bench-scale test apparatus (physical fire model). Rather, the information that characterizes
the toxic potency of the effluent should be used in a fire risk or hazard assessment that includes the other
factors that contribute to determining the magnitude and impact of the effluent. It is intended that the
characterization of
a) the apparatus used to generate the effluent, and
b) the effluent itself
be in a form usable in such a fire safety assessment.
As described in ISO 13571, the time to incapacitation in a fire is determined by the integrated exposure of a
person to the fire effluent components. The toxic species concentrations depend on both the yields originally
generated and the successive dilution in air. The former are commonly obtained using a bench-scale
apparatus (in which a specimen from a commercial product is burned) or a real-scale fire test of the
commercial product. These yields, expressed as the mass of effluent component per mass of fuel consumed,
are then inserted into a fluid mechanical model which estimates the rate of fuel consumption, transport and
dilution of the effluent throughout the building as the fire evolves.
For the engineering analysis to produce accurate results, it is preferred that the yield data come from an
apparatus that has been demonstrated to produce yields comparable to those produced when the full product
is burned. In addition to depending on the chemical composition, conformation and physical properties of the
test specimen, toxic-product yields are sensitive to the combustion conditions in the apparatus. Thus, one
means of increasing the likelihood that the yields from a bench-scale apparatus are accurate is to operate it
under combustion conditions similar to those expected when the real product burns. As described in
ISO 19706, the important conditions include whether the fuel is flaming or non-flaming, the degree of flame
extension, the fuel/air equivalence ratio and the thermal environment. Similarly, these parameters should be
known for a real-scale fire test.
The yields of toxic gases, the combustion efficiency and the equivalence ratio are likely to be sensitive to the
manner in which the test specimen is sampled from the whole commercial product. There can be difficulty or
alternative ways of obtaining a proper test specimen. That is not the subject of this International Standard,
which presumes that a specimen has been selected for study and characterizes the combustion conditions
and the yields of effluent species for that specimen.
For those experimental fires in which time-resolved data are available, the methods in this International
Standard can be used to produce either instantaneous or averaged values. The application can be influenced
by changes in the chemistry of the test specimen during combustion. For those fire tests limited to producing
time-averaged gas concentrations, the calculated values produced by the methods in this International
Standard are limited to being averages as well. In real fires, combustion conditions, the fuel chemistry and the
composition of fire effluent from many common materials and products vary continuously during the course of
the fire. Thus, how well the average yields obtained using these methods correspond to the yields in a given
real fire has much to do with the stage of the fire, the pace of fire development and the chemical nature of the
materials and products exposed.
This International Standard provides definitions and equations for the calculation of toxic product yields and
the fire conditions under which they have been derived in terms of equivalence ratio and combustion efficiency.
Sample calculations for practical cases are provided.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 19703:2010(E)
Generation and analysis of toxic gases in fire — Calculation of
species yields, equivalence ratios and combustion efficiency in
experimental fires
1 Scope
This International Standard provides definitions and equations for the calculation of toxic product yields and
the fire conditions under which they have been derived in terms of equivalence ratio and combustion efficiency.
Sample calculations for practical cases are provided. The methods can be used to produce either
instantaneous or averaged values for those experimental fires in which time-resolved data are available.
This International Standard is intended to provide guidance to fire researchers for
⎯ appropriate experimental fire data to be recorded,
⎯ calculating average yields of gases and smoke in fire effluents in fire tests and fire-like combustion in
reduced scale apparatus,
⎯ characterizing burning behaviour in experimental fires in terms of equivalence ratio and combustion
efficiency using oxygen consumption and product generation data.
This International Standard does not provide guidance on the operating procedure of any particular piece of
apparatus or interpretation of data obtained therein (e.g. toxicological significance of results).
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 13943, Fire safety — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13943 and the following apply.
3.1
mass concentration of gas
mass of gas per unit volume
NOTE 1 The mass concentration of a gas can be derived directly from the measured volume fraction and its molar
mass or measured directly.
NOTE 2 Mass concentration is typically expressed in units of grams per cubic metre.
3.2
mass concentration of particles
mass of solid and liquid aerosol particles per unit volume
NOTE Mass concentration of particles is typically expressed in units of grams per cubic metre.
3.3
molar mass
mass of 1 mole
NOTE Molar mass is normally expressed in units of grams per mole.
3.4
recovery of element
〈in a specified combustion product〉 degree of conversion of an element in the test specimen to a
corresponding gas, i.e. a ratio of the actual yield to notional yield of the gas containing that element
3.5
relative atomic mass
average mass of one atom of an element divided by one twelfth of the mass of one atom of carbon
(isotope C)
3.6
stoichiometric oxygen demand
stoichiometric oxygen-to-fuel mass ratio
amount of oxygen needed by a material for complete combustion
NOTE Stoichiometric oxygen demand is typically expressed in units of grams per gram or kilograms per kilogram.
3.7
uncertainty of measurement
parameter associated with the result of a measurement, that characterizes the dispersion of values which
could reasonably be attributed to the measurand
[24]
NOTE The description and propagation of uncertainty in measurements are described in ISO/IEC Guide 98-3 .
3.8
expanded uncertainty
quantity defining an interval about the result of a measurement that may be expected to encompass a large
fraction of the distribution of values that could reasonably be attributed to the measurand
NOTE Adapted from ISO/IEC Guide 98-3:2008, 2.3.5.
2 © ISO 2010 – All rights reserved
4 Symbols and units
Table 1 — Symbols
Symbol Quantity Typical unit
A extinction area of smoke square metre
A or A specific extinction area of smoke per unit mass of material burned square metres per gram or
σf SEA
square metres per kilogram
D mass optical density (lg analogue of A ) cubic metres per gram or
MO 10 SEA
cubic metres per kilogram
F recovery fraction of element E in gas containing E dimensionless
R,E
∆H measured heat release in a combustion kilojoules per gram
act
∆H net heat of combustion or enthalpy generated in complete combustion kilojoules per gram
c
I/I fraction of light transmitted through smoke dimensionless
o
L is the length of the light path through the smoke metre
m relative atomic mass of the element E dimensionless
A,E
m mass fraction of element E in the material dimensionless
E
m mass of element E in the material percent
E,per
m mass of fuel gram
fuel
m total mass of the gas of interest gram
gas
m total mass loss of material gram
m,loss
m material mass loss rate grams per minute
m,loss
m actual mass of oxygen available for combustion gram
O ,act
m actual mass flow of oxygen available for combustion grams per minute
O,act
m stoichiometric mass of oxygen required for complete combustion gram
O ,stoich
m total mass of particles gram
part
m mass concentration of smoke - Reference [8] grams per cubic metre
s
M molar mass of the gas of interest grams per mole
gas
M molar mass of the polymer unit gram
poly
n number of atoms of element E in one molecule of gas dimensionless
E
n number of atoms of element E in the polymer unit dimensionless
E,poly
P ambient pressure kilopascal
amb
P standard pressure 101,3 kPa
std
T temperature of the gas of interest at the point of measurement degree Celsius
C
V total volume of fire effluent cubic metre
eff
V volume air flow cubic metres per minute
air
w measured mass fraction of oxygen consumed per unit mass of fuel dimensionless
O ,cons
w derived mass fraction of oxygen consumed per unit mass of fuel dimensionless
O ,der
w mass fraction of oxygen in polymer that contributes to the formation of dimensionless
Oex,poly
oxygen-containing products
w mass fraction of oxygen consumed in the form of the major oxygen- dimensionless
Ogases
containing products (w + w + w )
O,CO O,CO O,H O
2 2
w mass fraction of oxygen in the polymer dimensionless
O,poly
Y measured mass yield of gas of interest dimensionless
gas
Table 1 (continued)
Symbol Quantity Typical unit
Y measured mass yield of smoke particles dimensionless
part
α linear decadic absorption coefficient (or optical density) inverse metre
α light extinction coefficient inverse metre
k
χ combustion efficiency ratio dimensionless
χ combustion efficiency ratio calculated from the generation efficiency of dimensionless
cox
carbon in the fuel to oxides of carbon
χ combustion efficiency ratio calculated from oxygen depletion dimensionless
O
χ combustion efficiency ratio calculated from the oxygen in the major dimensionless
prod
combustion products
φ equivalence ratio dimensionless
η generation efficiency for oxides of carbon dimensionless
ϕ volume concentration of the gas of interest volume fraction in percent,
gas
[parts per million (ppm)
deprecated]
ϕ volume fraction oxygen in the air supply (0,209 5 for dry air) dimensionless
O
ρ mass concentration of the gas of interest grams per cubic metre
gas
ρ mass loss concentration of the material grams per cubic metre
m,loss
ρ mass concentration of the smoke particles grams per cubic metre
part
σ mass specific extinction coefficient square metres per gram or
m,α
square metres per kilogram
Ψ notional (mass) yield of gas of interest dimensionless
gas
Ψ stoichiometric mass oxygen-to-fuel ratio (stoichiometric oxygen demand) dimensionless
O
5 Appropriate input data required for calculations
5.1 Data handling
5.1.1 Uncertainty
In calculating the fire parameters described in this International Standard, the uncertainty or error associated
[1]
with each component shall be taken into account and they shall be combined in the correct manner .
Uncertainty is derived from accuracy (how close the measured value is to the true value) and precision (how
well the values agree with each other). There are uncertainties relating to physically measured parameters
(e.g. mass loss and gas concentrations).
Assuming all errors to be independent, the total error, δq, is obtained by summing the squares of the errors in
accordance with the general Equation (1):
⎛⎞δδqq⎛ ⎞
δ=qaδ + .+ δz (1)
⎜⎟ ⎜ ⎟
δδaz
⎝⎠ ⎝ ⎠
In other words, evaluate the error caused by each of the individual measurements, then combine them by
taking the root of the sum of the squares.
In empirically derived equations, uncertainties in “constant” values should be treated similarly to measurement
uncertainties. If a constant is truly constant, i.e. has negligible uncertainty, it can be neglected.
4 © ISO 2010 – All rights reserved
5.1.2 Significant figures and rounding off
When recording and reporting data, significant figures should be handled properly. The general approach is to
carry one digit beyond the last certain one. When rounding off, the typical rule is to round up when the figure
to be dropped is 5 or more and round down when it is less than 5.
5.2 Test specimen information
5.2.1 Composition
Information should be given where possible on the combustible fraction, organic and inorganic combustible
components, inert components, elemental composition, empirical formula and molecular or formula weight.
The combustible in a fire experiment of any scale is often a single, homogenous material, perhaps with
dispersed additives. In this case, the molecular formula of the material should be provided. Commercial
products, however, are generally non-homogeneous combinations of materials, with each component
containing one or more polymers and possibly multiple additives. For complex materials representative of
commercial products, the yields, effective heats of combustion, etc. vary with time as the various components
become involved. For some of the following (global) calculations, a simplification is the use of an empirical
formula for the composite.
5.2.2 Net heat of combustion
The net heat of combustion for combustible components can be required for some of the calculations (e.g.
combustion efficiency).
5.3 Fire conditions
5.3.1 Apparatus
Give the name of the apparatus with a brief description of mode of operation (e.g. flow-through steady state,
calorimeter and closed chamber system). Refer to the appropriate standard or other reference relating to the
procedure.
5.3.2 Set-up procedure
The fire conditions are generally apparatus-dependent and largely dictated by the set-up procedure for the
particular apparatus. The following information shall be required:
a) test specimen details, its mass, dimensions and orientation of the combustible;
b) thermal environment, in terms of the temperature (expressed in degrees Celsius) and irradiance
(expressed in kilowatts per square metre) to which test specimen is subjected;
NOTE The temperature distribution and the radiation field in a test are frequently not uniform and, as a result,
are rarely well documented. Sufficient information about the thermal and radiative conditions is intended to allow
another person to reproduce the results using the same apparatus, compare the results with results for the same
specimen tested in another apparatus, etc.
c) oxygen concentration in the air supply (volume percent or volume fraction);
d) volume of chamber or air flow. For a closed system, give the air volume (expressed in litres or cubic
metres) and for an open system, give the air flow (expressed in litres per minute or in cubic metres per
minute) and the dynamics of the flow. In both cases, give information on the atmospheric mixing
conditions and the degree of homogeneity of the fire effluent.
5.4 Data collection
5.4.1 Data acquisition
Time-resolved data or time-integrated data may be acquired. The method of data acquisition should be
specified in the test protocol.
5.4.2 Measured data and observations
Most of the following data parameters should be used to calculate yields, equivalence ratios and combustion
efficiencies in experimental fires. Usually, the units applied to data should be dictated by the operational
procedure associated with a particular piece of apparatus. The following are a number of suggested typical
units:
a) mass loss of the test specimen, derived by measuring the test specimen mass before and after test to
give overall mass loss (expressed in milligrams, grams or kilograms) or mass loss fraction (expressed in
mass percent, grams per gram or kilograms per kilogram), or by measuring the specimen mass
throughout a test to give mass loss rate (expressed in milligrams per second, grams per minute or
kilograms per minute);
b) gas and vapour concentrations and oxygen depletion (expressed in volume percent, volume fraction,
microlitres per litre, milligrams per litre or milligrams per cubic metre);
c) smoke particulate concentration (expressed in milligrams per litre or milligrams per cubic metre) and
smoke obscuration (expressed in optical density per metre or square metres per kilogram);
d) heat release (expressed in kilojoules per gram), used to calculate combustion efficiency, forms part of the
protocol for some apparatuses;
e) combustion mode, time to ignition (expressed in minutes or seconds) and whether the specimen flames
or not throughout the test.
6 Calculation of yields of fire gases and smoke, stoichiometric oxygen demand and
recovery of key elements
6.1 Calculation of measured yields from fire gas concentration data
In experimental fires, the mass yield, Y , of a gas can be calculated from the measured mass concentration
gas
of the gas of interest and the mass loss concentration of the material or from the total mass of gas generated
and the total mass loss of material in accordance with Equation (2) (see Notes 1, 2 and 3):
ρ
gas
Y = (2)
gas
ρ
m,loss
where
ρ is the mass concentration, expressed in grams per cubic metre, of the gas;
gas
ρ is the mass loss concentration, expressed in grams per cubic metre, of the material.
m,loss
6 © ISO 2010 – All rights reserved
Alternatively, the expression can be written as given by Equation (3):
m
gas
Y = (3)
gas
m
m,loss
where
m is the total mass, expressed in grams, of the gas;
gas
m is the total material mass loss, expressed in grams.
m,loss
NOTE 1 These calculations can be derived from instantaneous data or from data which assumes that the gases are
uniformly dispersed in a certain volume and that this volume is the same one in which the lost sample mass is (evenly)
dispersed. If the dispersion is not uniform, the equations still work if the lost mass and the gas in question are dispersed
equivalently. If a combustion gas is prone to surface losses within the apparatus, the apparent yield depends on where the
concentration is being measured.
NOTE 2 In flow-through devices, the total effluent is generally well mixed at some distance downstream. For closed-
box combustion systems, it is not necessarily so, especially if there are large molecular weight differences and large
thermal gradients. If multiple fuels are involved, only some averaged combined yield can be calculated.
NOTE 3 In setting up these calculations, uncertainties relating to lost sample mass, fluctuations in the measured
concentration, etc. occur.
The uncertainty should be monitored. The calculated yield should take account of and combine these,
enabling a sound basis for comparing yields under different combustion conditions, comparing yields from
different materials and so on.
Whilst concentrations of the specific gas are most often measured in volume units, the mass loss from a solid
are almost always in mass units, since the molar mass of the effluent is difficult to determine. Equations (4)
and (5) show how to convert the volume concentration of a gas to its mass concentration:
M
P
gas 273,16
−3
amb
ρϕ=× × × ×10 (4)
gas gas
22,414 273,16 + T 101,3
()
C
where
ϕ is the concentration, expressed as microlitres per litre, of the gas;
gas
M is the molar mass, expressed in grams per mole, of the gas;
gas
T is the temperature, expressed in degrees Celsius, of the gas at the point of measurement;
C
P is the ambient pressure, expressed in kilopascals;
amb
273,16 is the standard temperature, expressed in Kelvins;
101,3 is the standard pressure, expressed in kilopascals;
22,414 is the volume, expressed in litres, occupied by the molar mass of the gas at standard
temperature and pressure.
Thus, for fire effluent at 20 °C and standard pressure, Equation (4) simplifies to Equation (5):
M
gas
−3
ρϕ=× ×10 (5)
gas gas
24,055
EXAMPLE The calculations for a well-ventilated fire atmosphere where mass loss concentration of the material is
−3
25 g⋅m and carbon monoxide (CO) concentration is 0,125 0 volume % at 20 °C are shown in Equations (6) and (7):
28,01
ρ=××0,125 0 10= 1,456 (6)
CO
24,055
Y==1,456 25 0,058 2 (7)
CO
where
ρ is the mass concentration, expressed in grams per cubic metre, of CO;
CO
Y is the mass yield, expressed in grams of CO per gram material;
CO
28,01 is the molar mass, expressed in grams, of CO.
The relative atomic mass, molar mass and gas concentration conversion factors for the major fire gases are
listed in Tables 2 and 3.
[2]
Table 2 — Relative atomic mass of key fire gas elements
a
Element Symbol Relative atomic mass
Carbon C 12,011
Hydrogen H 1,0079
Oxygen O 15,999
Nitrogen N 14,007
Chlorine Cl 35,453
Bromine Br 79,904
Fluorine F 18,998
Sulfur S 32,065
Phosphorus P 30,973
Antimony Sb 121,76
a
Relative atomic mass values rounded to five significant figures.
8 © ISO 2010 – All rights reserved
Table 3 — Molar masses of common fire gases and volume/mass concentration conversion factors
Gas or vapour Formula Molar Gas concentration conversion factors
a
(at 20 °C and 101,3 kPa)
mass
−1
g·mol
b −3 −3 b
To convert µl/l to g⋅m , To convert g⋅m to µl/l ,
multiply by: multiply by:
c −3 3
Carbon dioxide CO 44,01 1,830 × 10 0,546 × 10
c −3 3
Carbon monoxide CO 28,01 1,164 × 10 0,859 × 10
−3 3
Hydrogen cyanide HCN 27,02 1,124 × 10 0,890 × 10
−3 3
Nitrogen dioxide NO 46,01 1,913 × 10 0,523 × 10
−3 3
Nitrous oxide NO 44,01 1,831 × 10 0,546 × 10
−3 3
Nitric oxide NO 30,01 1,248 × 10 0,801 × 10
−3 3
Ammonia NH17,03 0,708 × 10 1,413 × 10
−3 3
Hydrogen chloride HCl 36,46 1,516 × 10 0,660 × 10
−3 3
Hydrogen bromide HBr 80,91 3,364 × 10 0,297 × 10
−3 3
Hydrogen fluoride HF 20,01 0,832 × 10 1,202 × 10
−3 3
Hydrogen sulfide HS 34,08 1,417 × 10 0,706 × 10
−3 3
Sulfur dioxide SO 64,06 2,663 × 10 0,376 × 10
−3 3
Water HO 18,01 0,749 × 10 1,335 × 10
−3 3
Phosphoric acid H PO 97,99 4,074 × 10 0,245 × 10
3 4
−3 3
Acrolein C HO 56,06 2,331 × 10 0,429 × 10
3 4
−3 3
Formaldehyde CHO 30,03 1,248 × 10 0,801 × 10
−3 3
Oxygen O 32,00 1,331 × 10 0,751 × 10
d
Oxygen depletion O 32,00 See note.
NOTE Example calculation:
−3
0,100 0 volume % CO = 0,100 0 × 1,164 x10 = 1,164 g⋅m .
a
Molar mass values are rounded to two decimal places.
b 4
Conversion factors: µl/l = volume % × 10
µl/l = volume fraction × 10
c
CO /CO volume ratio equals the CO /CO mass ratio divided by 1,571.
2 2
d −3
(initial volume fraction minus the measured volume fraction) × factor of 1 331 = oxygen consumed in g⋅m .
The volume fraction in totally dry air is 0,209 5 and this is appropriate for dry air supplies. Room air is generally lower in oxygen due to
the presence of water vapour. At room temperature and 100 % relative humidity, water is present at a volume fraction of around 0,03.
6.2 Calculation of notional gas yields
6.2.1 General
The notional yields of gases and vapours are a measure of the maximum theoretical combustion product
yields. They are based on the composition of the material and are entirely material-dependent. Two primary
methods for calculating notional yields are described in 6.2.2 and 6.2.3.
6.2.2 From the elemental composition
Provided the elemental composition of the base material is known (e.g. by elemental analysis), the maximum
possible (notional) yield, Ψ , of fire gas corresponding to each specified element, E, is calculated in
gas
accordance with Equations (8) and (9):
M
gas
Ψ =×m (8)
gas E
nm×
EA,E
where
m is the mass fraction of element E in the material;
E
n is the number of atoms of element E in one molecule of the gas;
E
m is the relative atomic mass of the element E.
A,E
or
−2
M ×10
gas
Ψ =×m (9)
gas E,per
nm×
EA,E
where m is the mass of element E in the material, expressed as percent.
E,per
EXAMPLE The notional yield, Ψ , of CO from cellulose is calculated as given by Equation (10):
CO
−2
28,01×10
Ψ =×44,5 = 1,038 (10)
CO
11× 2,011
where
Ψ is expressed in grams of CO per gram of material;
CO
44,5 is the mass, expressed as percent, of carbon in the cellulose;
28,01 is the molar mass, expressed in grams per mole, of CO;
12,011 is the relative atomic mass, expressed in grams, of carbon.
Factors for calculating notional gas yields from the elemental composition and derived from the term
−2
M ×10
gas
in Equation (9), are given in Table 4.
nm×
EA,E
10 © ISO 2010 – All rights reserved
Table 4 — Factors for calculating notional gas yields from the elemental composition of material
b
Gas or vapour Element E considered in base Factor
a
material
Formula Molar mass
g⋅mol-1
−2
CO 44,01 carbon 3,664 × 10
−2
CO 28,01 carbon 2,332 × 10
−2
HO 18,02 hydrogen 8,939 × 10
−2
HCN 27,02 nitrogen 1,929 × 10
−2
NO 46,01 nitrogen 3,284 × 10
−2
NO 44,01 nitrogen 1,571 × 10
−2
NO 30,01 nitrogen 2,142 × 10
−2
NH 17,03 nitrogen 1,216 × 10
−2
HCl 36,46 chlorine 1,028 × 10
−2
HBr 80,92 bromine 1,013 × 10
−2
HF 20,01 fluorine 1,053 × 10
−2
HS 34,08 sulfur 1,063 × 10
−2
H PO 97,98 phosphorus 3,163 × 10
3 4
−2
SO 64,06 sulfur 1,998 × 10
−2
Acrolein (C HO) 56,06 carbon 1,556 × 10
3 4
−2
Formaldehyde (CHO) 30,03 carbon 2,500 × 10
a
Percent composition of element E in material (m ) used to calculate Ψ [see Equation (9)].
E,per gas
−2
M ×10
gas
b
Factor for each gas derived from the term in Equation (9) and rounded to four significant figures.
nm×
EA,E
6.2.3 From the empirical formula
If the empirical formula of the material is known, the notional yield, Ψ , can be calculated from
gas
Equation (11):
nM
E,poly gas
Ψ =× (11)
gas
nM
Epoly
where
n is the number of atoms of element E in the empirical formula;
E,poly
M is the molar mass, expressed in grams, of the empirical formula.
poly
EXAMPLE The notional yield, Ψ , of carbon dioxide (CO ) from polypropylene with the empirical formula (C H ) is
CO 2
3 6
calculated as shown in Equation (12):
3 44,01
Ψ =× = 3,142 (12)
CO
42,03
where
Ψ is expressed in grams of CO per gram of polymer;
CO 2
1 is the number of atoms of carbon in CO ;
3 is the number of atoms of carbon in the polymer unit;
44,01 is the molar mass, expressed in grams per mole, of CO ;
42,03 is the molar mass, expressed in grams, of the polymer unit.
NOTE The notional yield of a gas that contains more than one element from the fuel molecule is determined by the
least prevalent element (other than oxygen). Thus, the notional yield of HCN can be most often determined by the nitrogen
content of the fuel. However, for a product gas like formaldehyde, it can be either the carbon or hydrogen fraction that
provides the criterion, depending on the fuel composition.
6.3 Calculation of recovery of elements in key products
The recovery of an element in a key combustion product (alternatively, the degree of conversion of an element
in the test specimen to a corresponding gas or efficiency yield of the element) can be calculated from the
measured yield, Y , of the gas of interest relative to its notional yield, Ψ . For a material containing
gas gas
element E, this corresponds to Equation (13):
F = Y /Ψ (13)
R,E gas gas
where
Y is derived from Equations (2) to (7);
gas
Ψ is derived from Equations (8) to (12);
gas
F is the recovery fraction of element E in gas containing E.
R,E
6.4 Calculation of stoichiometric oxygen demand
6.4.1 General
Stoichiometric oxygen demand (or oxygen-to-fuel ratio) is the amount of oxygen needed by a material for
complete combustion. Its derivation is somewhat more complex than notional gas yields and can be
calculated by three primary methods as described in 6.4.2 to 6.4.4:
6.4.2 From the chemical equation for complete combustion
6.4.2.1 For fuels containing C, H, O, for complete combustion to carbon dioxide and water
For the complete combustion of fuels containing C, H, O, the products only consist of CO and gaseous H O.
2 2
For organic fuels which contain oxygen, the requirement of oxygen from air for complete combustion is less
than for those which do not contain oxygen. For a polymer with the general formula C H O , Equations (14) to
a b c
(16) apply:
C H O + zO → aCO + b/2 HO (14)
a b c 2 2 2
12 © ISO 2010 – All rights reserved
and
22ab+−c
()
z = (15)
where
z is the (stoichiometric) number of moles of O required for complete combustion of one mole of
C H O ;
a b c
a is the number of atoms of carbon in C H O ;
a b c
b is the number of atoms of hydrogen in C H O ;
a b c
c is the number of atoms of oxygen in C H O .
a b c
The stoichiometric oxygen demand required for complete combustion is then calculated from Equation (16):
z × 32,00
Ψ = (16)
O
M
poly
where
Ψ is the stoichiometric oxygen demand, expressed in grams per gram of polymer;
O
32,00 is the molar mass, expressed in grams per mole, of oxygen.
EXAMPLE The stoichiometric combustion equation for polymethyl methacrylate (PMMA) is given by Equations (17)
and (18):
H O + 1,20 O → CO + 0,80 HO (17)
C
1,0 1,6 0,4 2 2 2
1,20× 32,00
Ψ== 1,918 (18)
O
20,02
where
1,0 is the number of atoms of carbon in C H O ;
1,0 1,6 0,4
1,6 is the number of atoms of hydrogen in C H O ;
1,0 1,6 0,4
0,4 is the number of atoms of oxygen in C H O ;
1,0 1,6 0,4
1,20 is the (stoichiometric) number of moles of O required for complete combustion of one mole of
C H O ;
1,0 1,6 0,4
1,918 is the calculated stoichiometric oxygen demand, expressed in grams of oxygen per gram of PMMA.
6.4.2.2 For fuels containing hetero-elements
For the complete combustion of fuels containing (organically-bound) elements in addition to C, H and O, it is
assumed that nitrogen generates gaseous N , halogens generate gaseous acid gases (HCl, HBr, etc.) and
sulfur generates gaseous SO .
Combustion equations for this type of test material are more complex because, for example, hydrogen from
the material is used to form acid gases as well as water and sulfur consumes oxygen to form SO . For a
halogenated material with the general formula of C H O N Cl Br F S , the equation for stoichiometric oxygen
a b c d e f g h
demand is given by Equation (19):
22ah+−c+b−e−f−g 2
()
z = (19)
where
z is the (stoichiometric) number of moles of O required for complete combustion of one mole of
C H O N Cl Br F S ;
a b c d e f g h
a is the number of atoms of carbon in C H O N Cl Br F S ;
a b c d e f g h
b is the number of atoms of hydrogen in C H O N Cl Br F S ;
a b c d e f g h
c is the number of atoms of oxygen in C H O N Cl Br F S ;
a b c d e f g h
d is the number of atoms of nitrogen in C H O N Cl Br F S ;
a b c d e f g h
e is the number of atoms of chlorine in C H O N Cl Br F S ;
a b c d e f g h
f is the number of atoms of bromine in C H O N Cl Br F S ;
a b c d e f g h
g is the number of atoms of fluorine in C H O N Cl Br F S ;
a b c d e f g h
h is the number of atoms of sulphur in C H O N Cl Br F S .
a b c d e f g h
EXAMPLE The stoichiometric combustion equation for unplasticized polyvinyl chloride (C H Cl) is given by
2 3
Equations (20) to (23):
C H Cl + zO → aCO + (b − e)/2H O + eHCl (20)
a b e 2 2 2
The number of moles of O is calculated by substituting the appropriate values into Equation (19) as given by
Equation (21):
22ac−+ be− 4−0+3−12
() ()
z== = 2,5 (21)
Equation (20) can be written as Equation (21):
C H Cl + 2,5 O → 2CO + H O + HCl (22)
2 3 2 2 2
and
2,5 × 32,00
Ψ== 1, 280 (23)
O
62,5
where
2,5 is the (stoichiometric) number of moles of O required for complete combustion of one mole of C H Cl ;
2 a b e
62,5 is the molar mass, expressed in grams per mole, of C H Cl ;
a b e
1,280 is the calculated stoichiometric oxygen demand, expressed in grams of oxygen per gram of C H Cl .
a b e
14 © ISO 2010 – All rights reserved
6.4.3 From the net heat of combustion, ∆H
c
It has been empirically determined that when a material burns, for every gram of oxygen consumed, the heat
−1 [3]
released is approximately 13,1 kJ⋅g (accurate to ± 5 %) . Thus, if the net heat, ∆H , generated in complete
c
combustion is known (e.g. as measured by bomb calorimetry), the stoichiometric oxygen demand can be
calculated as given by Equation (24):
Ψ = ∆H /13,1 (24)
O c
where
∆H is the net heat or enthalpy per unit mass of fuel consumed, generated in complete combustion. It
c
assumes that any water produced is in the gaseous state;
EXAMPLE The calculation for polystyrene is shown in Equation (25):
Ψ = 39,2/13,1 = 2,99 (25)
O
where
39,2 is the net heat, expressed as kilojoules per gram, of complete combustion for polystyrene;
2,99 is the calculated stoichiometric oxygen demand, expressed in grams of oxygen per gram of polystyrene.
−1
NOTE From its chemical composition, Ψ for polystyrene is 3,07 g⋅g .
O
6.4.4 From the carbon content of the material
There is a less accurate correlation between the carbon content and stoichiometric oxygen demand of
polymeric materials empirically derived from the carbon content where the correlation coefficient, R , is 0,933,
as shown in Equation (26):
Ψ = (m × 0,038 7) − 0,339 9 (26)
O,poly C,per
where
m is the mass fraction, expressed as a percentage, of carbon in the material;
C,per
0,038 7 and 0,339 9 are empirically-derived mathematical coefficients.
EXAMPLE The calculation for polymethyl methacrylate is given by Equation (27):
Ψ = (60,0 × 0,038 7) − 0,339 9 = 1,98 (27)
O
where
60,0 is the mass fraction, expressed as a percentage, of carbon in PMMA;
1,98 is the calculated stoichiometric oxygen demand, expressed in grams O per gram of PMMA.
−1
NOTE From its chemical composition, Ψ for PMMA is 1,918 g⋅g .
O
The step-wise procedures for calculating notional gas yields and stoichiometric oxygen demand for a polymer
containing C, O, H and X and for polyamide using chemical equation methods are summarized in Table 5.
Three methods for calculating stoichiometric oxygen demand for selected polymers are compared in Table 6.
Notional gas yields and stoichiometric oxygen demand derived for a number of common polymers are listed in
Tables 7, 8 and 9.
Table 5 — Example calculations for notional gas yields and stoichiometric oxygen demand for a
polymer containing C, O, H, X and for polyamide using chemical equation methods
Polymer Contains C, H, O, X Polyamide
Empirical formula C H O X C H O N
a b c d 12 22 2 2
b
(C H O N )
1 1,83 0,17 0,17
a
Molar mass of polymer (12 × a) + (1 × b) + (16 × c) + (m × d) (12 × 12) + (1 × 22) + (16 × 2) + (14 × 2) = 226
A,X
M , grams (= 18,83 relative to each C atom)
poly
−1
Notional yield CO a/1 × 44/M 12 × 44/226 = 2,336 g⋅g
2 poly
Ψ , grams per gram
CO
−1
Notional yi
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 19703
Deuxième édition
2010-06-15
Production et analyse des gaz toxiques
dans le feu — Calcul des taux de
production des espèces, des rapports
d'équivalence et de l'efficacité de
combustion dans les feux expérimentaux
Generation and analysis of toxic gases in fire — Calculation of species
yields, equivalence ratios and combustion efficiency in experimental
fires
Numéro de référence
©
ISO 2010
PDF – Exonération de responsabilité
Le présent fichier PDF peut contenir des polices de caractères intégrées. Conformément aux conditions de licence d'Adobe, ce fichier
peut être imprimé ou visualisé, mais ne doit pas être modifié à moins que l'ordinateur employé à cet effet ne bénéficie d'une licence
autorisant l'utilisation de ces polices et que celles-ci y soient installées. Lors du téléchargement de ce fichier, les parties concernées
acceptent de fait la responsabilité de ne pas enfreindre les conditions de licence d'Adobe. Le Secrétariat central de l'ISO décline toute
responsabilité en la matière.
Adobe est une marque déposée d'Adobe Systems Incorporated.
Les détails relatifs aux produits logiciels utilisés pour la création du présent fichier PDF sont disponibles dans la rubrique General Info
du fichier; les paramètres de création PDF ont été optimisés pour l'impression. Toutes les mesures ont été prises pour garantir
l'exploitation de ce fichier par les comités membres de l'ISO. Dans le cas peu probable où surviendrait un problème d'utilisation,
veuillez en informer le Secrétariat central à l'adresse donnée ci-dessous.
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2010
Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée sous
quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit
de l'ISO à l'adresse ci-après ou du comité membre de l'ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2010 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .2
4 Symboles et unités.3
5 Données d'entrée appropriées pour les calculs .5
5.1 Traitement des données .5
5.2 Information sur les éprouvettes d'essai.5
5.3 Conditions de combustion .6
5.4 Collecte des données.6
6 Calcul des taux de production des gaz de combustion et de la fumée, de la demande
stœchiométrique en oxygène et de la régénération des principaux éléments.7
6.1 Calcul des taux de production mesurés à partir des données sur la concentration en gaz
de combustion .7
6.2 Calcul des taux de production théoriques des gaz .10
6.3 Calcul de la régénération des éléments dans les principaux produits .12
6.4 Calcul de la demande stœchiométrique en oxygène .12
6.5 Calcul des taux de production des fumées .20
7 Calcul du rapport d'équivalence .23
7.1 Généralités .23
7.2 Calcul de φ pour les conditions expérimentales à état stable et à débit continu .25
7.3 Calcul de φ pour les conditions expérimentales de calorimétrie à débit continu .26
7.4 Calcul de φ pour les systèmes à chambre fermée .26
7.5 Calcul de φ dans les essais au feu de compartiment .26
8 Calcul de l'efficacité de combustion .27
8.1 Généralités .27
8.2 Efficacité du dégagement de chaleur.27
8.3 Efficacité basée sur la consommation d'oxygène .28
8.4 Méthode basée sur les oxydes de carbone .30
Bibliographie.35
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 19703 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 3, Dangers
pour les personnes et l'environnement dus au feu.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 19703:2005), qui a fait l'objet d'une
révision rédactionnelle.
iv © ISO 2010 – Tous droits réservés
Introduction
Les comités techniques ISO TC92/SC3, ISO TC92/SC4 et CEI TC89 considèrent qu'il convient de ne pas
réglementer les produits commerciaux en se basant uniquement sur le potentiel toxique des effluents
engendrés lorsque ledit produit est soumis à combustion dans un appareillage d'essai au banc (conditions
d'essais conventionnelles). Il est au contraire recommandé d'utiliser les informations caractérisant le potentiel
toxique des effluents dans le cadre d'une évaluation des risques d'incendie ou des dangers de feu qui intègre
les autres facteurs contribuant à déterminer l'ampleur et l'impact des effluents. L'intention est que les
conditions de la caractérisation
a) de l'appareillage servant à produire les effluents, et
b) des effluents eux-mêmes,
soient exploitables dans ce type d'évaluation de la sécurité incendie.
Comme décrit dans l'ISO 13571, le temps disponible avant incapacité dans une situation d'incendie est
déterminé par l'exposition cumulée d'une personne aux composants des effluents du feu. Les concentrations
en espèces toxiques dépendent à la fois des taux de production initialement engendrés et de la dilution
successive dans l'air. Les taux de production sont généralement déterminés en utilisant un appareillage
d'essai au banc (dans lequel un échantillon de produit commercial est brûlé) ou en soumettant le produit
commercial à un essai au feu en vraie grandeur. Ces taux de production, exprimés sous forme de masse de
composant d'effluents par masse de combustible consommé, sont ensuite reportés dans un modèle de
mécanique des fluides, qui estime la vitesse de consommation du combustible, le transport et la dilution des
effluents dans l'ensemble du bâtiment au fur et à mesure de l'évolution du feu.
Pour que l'analyse technique produise des résultats précis, il est nécessaire que les taux de production soient
déterminés à partir d'un appareillage dont il a été démontré qu'il produisait des taux de production
comparables à ceux obtenus lorsque la totalité du produit est brûlée. En plus de dépendre de la composition
chimique, de la conformation et des propriétés physiques de l'éprouvette d'essai, les taux de production en
produits toxiques sont sensibles aux conditions de combustion dans l'appareillage. Par conséquent, l'une des
solutions pour augmenter la probabilité d'obtenir des taux de production précis à partir d'un appareillage
d'essai au banc consiste à reproduire des conditions de combustion similaires à celles attendues lors de la
combustion du produit dans des conditions réelles. Comme décrit dans l'ISO 19706, les principales conditions
incluent la présence ou l'absence d'une flamme lors de la combustion, le degré d'extension de la flamme, le
rapport d'équivalence combustible/air et l'environnement thermique. De même, il convient de déterminer ces
paramètres pour un essai au feu en vraie grandeur.
Les taux de production en gaz toxiques, l'efficacité de combustion et le rapport d'équivalence sont
susceptibles d'être sensibles à la manière dont l'éprouvette d'essai est prélevée dans le produit commercial
global. Des difficultés peuvent apparaître ou des méthodes alternatives peuvent être utilisées pour obtenir une
éprouvette d'essai adaptée. La présente Norme internationale ne traite pas de ces difficultés ou méthodes
alternatives et suppose qu'une éprouvette a été choisie pour l'étude et la caractérisation des conditions de
combustion et les taux de production des espèces chimiques dans les effluents pour cette éprouvette.
Pour les feux expérimentaux pour lesquels des données résolues dans le temps sont disponibles, les
méthodes exposées dans la présente Norme internationale peuvent servir à déterminer des valeurs
instantanées ou moyennes. L'application peut varier en fonction des changements dans la composition
chimique de l'éprouvette d'essai au cours de la combustion. Pour les essais au feu limités à la production de
concentrations en gaz dont la moyenne est établie dans le temps, les valeurs calculées en utilisant les
méthodes de la présente Norme internationale se limitent également à des moyennes. Dans les feux réels,
les conditions de combustion, la composition chimique du combustible et la composition des effluents du feu
issus de nombreux matériaux et produits communs varient en permanence pendant l'évolution du feu. Ainsi,
la précision avec laquelle les taux de production moyens obtenus par ces méthodes correspondent à ceux
d'un feu réel donné dépend fortement de la phase d'incendie, de la vitesse de développement du feu et de la
nature chimique des matériaux et produits exposés.
La présente Norme internationale donne des définitions et des équations permettant de calculer les taux de
production en produits toxiques et les conditions de combustion dans lesquelles ces taux de production ont
été déterminés en termes de rapport d'équivalence et d'efficacité de combustion. Des exemples pratiques de
calculs sur éprouvettes sont également fournis.
vi © ISO 2010 – Tous droits réservés
NORME INTERNATIONALE ISO 19703:2010(F)
Production et analyse des gaz toxiques dans le feu — Calcul
des taux de production des espèces, des rapports
d'équivalence et de l'efficacité de combustion dans les feux
expérimentaux
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale donne des définitions et des équations permettant de calculer les taux de
production en produits toxiques et les conditions de combustion dans lesquelles ces taux de production ont
été déterminés en termes de rapport d'équivalence et d'efficacité de combustion. Des exemples pratiques de
calculs sur éprouvettes sont également fournis. Les méthodes exposées peuvent être utilisées pour produire
des valeurs instantanées ou moyennes pour les feux expérimentaux dans lesquels des données en fonction
du temps sont disponibles.
La présente Norme internationale a pour but de fournir des lignes directrices aux chercheurs du domaine de
la lutte contre l'incendie, afin
⎯ d'enregistrer des données appropriées relatives aux feux expérimentaux,
⎯ de calculer les taux de production moyens en gaz et en fumée dans les effluents pendant les essais au
feu et dans des conditions de combustion analogues à celles d'un incendie sur un appareillage à échelle
réduite, et
⎯ de caractériser les conditions de combustion dans les feux expérimentaux en termes de rapport
d'équivalence et d'efficacité de combustion, en utilisant les caractéristiques de consommation d'oxygène
et de génération de produits.
La présente Norme internationale ne fournit aucune ligne directrice sur le mode opératoire d'un appareil
spécifique ou sur l'interprétation des données acquises (interprétation toxicologique des résultats, par
exemple).
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 13943, Sécurité au feu — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 13943 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1
concentration massique de gaz
masse de gaz par volume unitaire
NOTE 1 La concentration massique de gaz peut être déterminée à partir de la fraction volumique mesurée et sa masse
molaire, ou mesurée directement.
NOTE 2 La concentration massique est généralement exprimée en grammes par mètre cube.
3.2
concentration massique en particules
masse des particules aérosols solides et liquides par volume unitaire
NOTE La concentration massique en particules est généralement exprimée en grammes par mètre cube.
3.3
masse molaire
masse de 1 mole
NOTE La masse molaire est normalement exprimée en grammes par mole.
3.4
régénération d'un élément
〈en un produit de combustion spécifié〉 degré de conversion d'un élément dans l'éprouvette d'essai en un gaz
correspondant, c'est-à-dire rapport entre le taux de production réel et le taux de production théorique du gaz
contenant cet élément
3.5
masse atomique relative
masse moyenne d'un atome d'un élément divisée par un douzième de la masse d'un atome de carbone
(isotope C)
3.6
demande stœchiométrique en oxygène
rapport stœchiométrique de masse oxygène-combustible
quantité d'oxygène dont a besoin un matériau pour réaliser une combustion complète
NOTE La demande stœchiométrique en oxygène est généralement exprimée en grammes par gramme ou en
kilogrammes par kilogramme.
3.7
incertitude de mesure
paramètre associé au résultat d'une mesure, caractérisant la dispersion des valeurs qui pourraient être
attribuées raisonnablement au mesurande
[24]
NOTE La description et la propagation de l'incertitude de mesure sont décrites dans le Guide ISO/CEI 98-3 .
3.8
incertitude élargie
grandeur définissant un intervalle, autour du résultat d'un mesurage, dont on puisse s'attendre à ce qu'il
comprenne une fraction élevée de la distribution des valeurs qui pourraient être attribuées raisonnablement
au mesurande
NOTE Adapté du Guide ISO/CEI 98-3:2008, 2.3.5.
2 © ISO 2010 – Tous droits réservés
4 Symboles et unités
Tableau 1 — Symboles
Symbole Grandeur Unité typique
A surface d'extinction de la fumée mètre carré
A ou A surface d'extinction spécifique de la fumée par masse unitaire de matériau mètre carré par gramme ou
σf SEA
brûlé mètre carré par kilogramme
D densité optique massique (équivalent log de A ) mètre cube par gramme ou
MO 10 SEA
mètre cube par kilogramme
F fraction régénérée de l'élément E dans le gaz contenant E sans dimension
R,E
∆H dégagement de chaleur mesuré pendant la combustion kilojoule par gramme
act
∆H pouvoir calorifique inférieur ou enthalpie générée pendant la combustion kilojoule par gramme
c
complète
I/I fraction de lumière transmise à travers la fumée sans dimension
o
L trajet de la lumière à travers la fumée mètre
m masse atomique relative de l'élément E sans dimension
A,E
m fraction massique de l'élément E dans le matériau sans dimension
E
m masse de l'élément E dans le matériau pourcentage
E,per
m masse du combustible gramme
fuel
m masse totale du gaz étudié gramme
gas
m perte de masse totale du matériau gramme
m,loss
m vitesse de perte de masse du matériau gramme par minute
m,loss
m masse réelle d'oxygène disponible pour la combustion gramme
O ,act
m débit massique réel de l'oxygène disponible pour la combustion gramme par minute
O,act
m masse stœchiométrique d'oxygène nécessaire pour la combustion complète gramme
O ,stoich
m masse totale des particules gramme
part
m concentration massique de la fumée – Référence [8] gramme par mètre cube
s
M masse molaire du gaz étudié gramme par mole
gas
M masse molaire de l'unité polymère gramme
poly
n nombre d'atomes de l'élément E dans une molécule de gaz sans dimension
E
n nombre d'atomes de l'élément E dans l'unité polymère sans dimension
E,poly
P pression ambiante kilopascal
amb
P pression normalisée 101,3 kPa
std
T température du gaz étudié au point de mesure degré Celsius
C
V volume total des effluents du feu mètre cube
eff
V débit d'air volumique mètre cube par minute
air
Tableau 1 (suite)
Symbole Grandeur Unité typique
w fraction massique mesurée de l'oxygène consommé par masse unitaire sans dimension
O ,cons
de combustible
w fraction massique dérivée de l'oxygène consommé par masse unitaire sans dimension
O ,der
de combustible
w fraction massique d'oxygène dans le polymère, contribuant à la formation sans dimension
Oex,poly
de produits contenant de l'oxygène
w fraction massique d'oxygène consommé sous la forme des principaux sans dimension
Ogases
produits contenant de l'oxygène (w + w + w )
OCO OCO OH O
2 2
w fraction massique de l'oxygène dans le polymère sans dimension
O,poly
Y taux de production massique mesuré du gaz étudié sans dimension
gas
Y taux de production massique mesuré des particules de fumée sans dimension
part
α coefficient décimal d'absorption linéaire (ou densité optique) mètre inverse
α coefficient d'extinction de la lumière mètre inverse
k
χ taux d'efficacité de combustion sans dimension
χ taux d'efficacité de combustion calculé à partir du taux d'efficacité sans dimension
cox
de génération d'oxydes de carbone à partir du carbone du combustible
χ taux d'efficacité de combustion calculé à partir de l'appauvrissement en sans dimension
O
oxygène
χ taux d'efficacité de combustion calculé à partir de l'oxygène présent dans sans dimension
prod
les produits de combustion majeurs
φ rapport d'équivalence sans dimension
η taux d'efficacité de génération des oxydes de carbone sans dimension
ϕ concentration volumique du gaz étudié fraction volumique en
gas
pourcentage [ou parties par
million (ppm), déconseillé]
ϕ fraction volumique de l'oxygène dans l'alimentation en air sans dimension
O
(0,209 5 pour l'air sec)
ρ concentration massique du gaz étudié gramme par mètre cube
gas
ρ concentration de perte de masse du matériau gramme par mètre cube
m,loss
ρ concentration massique des particules de fumée gramme par mètre cube
part
σ coefficient d'extinction spécifique massique mètre carré par gramme ou
m,α
mètre carré par kilogramme
Ψ taux de production (massique) théorique du gaz étudié sans dimension
gas
Ψ rapport stœchiométrique de masse oxygène-combustible sans dimension
O
(demande stœchiométrique en oxygène)
4 © ISO 2010 – Tous droits réservés
5 Données d'entrée appropriées pour les calculs
5.1 Traitement des données
5.1.1 Incertitude
Pour calculer les paramètres de combustion décrits dans la présente Norme internationale, il doit être tenu
compte de l'incertitude ou de l'erreur associée à chaque composant et elles doivent être combinées de
[1]
manière correcte . L'incertitude dérive de l'exactitude (c'est-à-dire la justesse de l'accord entre la valeur
mesurée et la valeur réelle) et de la fidélité (l'accord entre les différentes valeurs). Des incertitudes
apparaîtront sur les paramètres mesurés physiquement (par exemple la perte de masse et les concentrations
en gaz).
En supposant que toutes les erreurs sont indépendantes, l'erreur totale, δq, est obtenue en ajoutant les carrés
des erreurs conformément à l'Équation (1) générale:
δδqq
⎛⎞ ⎛ ⎞
δ=qaδ + .+ δz (1)
⎜⎟ ⎜ ⎟
δδaz
⎝⎠ ⎝ ⎠
En d'autres termes, évaluer l'erreur due à chacune des mesures individuelles puis combiner les erreurs en
calculant la racine de la somme des carrés.
Dans les équations établies de manière empirique, il convient de traiter les incertitudes dans les valeurs
«constantes» comme des incertitudes de mesure. Si une constante est réellement constante, c'est-à-dire que
son incertitude est négligeable, elle peut être négligée.
5.1.2 Chiffres significatifs et arrondi
Lors de l'enregistrement des données et de la production de rapports, il convient de traiter correctement les
chiffres significatifs. L'approche générale consiste à conserver un chiffre au-delà du dernier chiffre certain.
Pour l'arrondi, la règle typique est d'arrondir par excès lorsque le chiffre à arrondir est supérieur ou égal à 5,
et d'arrondir par défaut lorsqu'il est inférieur à 5.
5.2 Information sur les éprouvettes d'essai
5.2.1 Composition
Dans la mesure du possible, il convient de donner des informations sur la fraction combustible, les
composants combustibles organiques et inorganiques, les composants inertes, la composition élémentaire, la
formule empirique et le poids moléculaire ou formulaire.
Dans un feu expérimental réalisé sur une échelle quelconque, le combustible est souvent un seul matériau
homogène, contenant éventuellement des additifs dispersés. Dans ce cas, il convient de préciser la formule
moléculaire du matériau. En revanche, les produits commerciaux sont généralement des combinaisons non
homogènes de matériaux dont chaque composant contient un ou plusieurs polymères et éventuellement
plusieurs additifs. Pour les matériaux complexes représentatifs de produits commerciaux, les taux de
production, les chaleurs de combustion effectives, etc., varient en fonction du temps, au fur et à mesure que
les différents composants sont impliqués dans la combustion. Pour certains des calculs suivants (globaux),
une méthode simplifiée consiste à utiliser une formule empirique pour le composite.
5.2.2 Pouvoir calorifique inférieur
Le pouvoir calorifique inférieur des composants combustibles peut être nécessaire pour certains calculs
(efficacité de combustion, par exemple).
5.3 Conditions de combustion
5.3.1 Appareillage
Indiquer le nom de l'appareil et décrire brièvement son mode opératoire (par exemple état d'écoulement
stable, calorimètre, système à chambre fermée). Préciser la norme appropriée ou toute autre référence liée
au mode opératoire.
5.3.2 Mode opératoire de réglage
Les conditions de combustion dépendent généralement de l'appareil et sont influencées en grande partie par
le mode opératoire de réglage de l'appareil particulier. Les informations suivantes doivent être fournies:
a) les détails de l'éprouvette d'essai, sa masse, ses dimensions et l'orientation du combustible;
b) l'environnement thermique en termes de température (exprimée en degrés Celsius) et de rayonnement
calorifique (exprimé en kilowatts par mètre carré) auquel l'éprouvette d'essai est soumise;
NOTE Les champs de température et de rayonnement d'un essai ne sont généralement pas uniformes et sont
donc rarement bien documentés. Le fait de fournir suffisamment d'informations sur les conditions de température et
de rayonnement permet d'assurer qu'une autre personne puisse reproduire les résultats en utilisant le même appareil,
comparer les résultats avec ceux obtenus pour la même éprouvette soumise à essai dans un autre appareil, etc.
c) la concentration en oxygène dans l'alimentation en air (pourcentage en volume ou fraction volumique);
d) le volume de la chambre ou le débit d'air. Pour un système fermé, indiquer le volume d'air (exprimé en
litres ou en mètres cubes) et, pour un système ouvert, préciser le débit d'air (exprimé en litres par minute
ou en mètres cubes par minute) et les paramètres dynamiques de l'écoulement. Dans les deux cas,
donner des informations sur les conditions de mélange atmosphérique et sur le degré d'homogénéité des
effluents du feu.
5.4 Collecte des données
5.4.1 Acquisition des données
Il est possible d'acquérir des données en fonction du temps ou intégrées dans le temps. Il convient de
préciser la méthode d'acquisition des données dans le mode opératoire d'essai.
5.4.2 Données mesurées et observations
Il convient d'utiliser la plupart des paramètres suivants pour calculer les taux de production, les rapports
d'équivalence et les efficacités de combustion dans les feux expérimentaux. Il convient que les unités
appliquées aux données soient dictées par le mode opératoire associé à un appareil particulier. Plusieurs
unités typiques sont suggérées:
a) la perte de masse de l'éprouvette d'essai, déduite en mesurant la masse de l'éprouvette avant et après
l'essai pour obtenir la perte de masse totale (exprimée en milligrammes, en grammes ou en kilogrammes)
ou la fraction de perte de masse (exprimée en pourcentage en masse, en grammes par gramme ou en
kilogrammes par kilogramme), ou en mesurant la masse de l'éprouvette tout au long d'un essai pour
déterminer la vitesse de perte de masse (exprimée en milligrammes par seconde, en grammes par
minute ou en kilogrammes par minute);
b) les concentrations en gaz et en vapeur et l'appauvrissement en oxygène (exprimés en pourcentage en
volume, en fraction volumique, en microlitres par litre, en milligrammes par litre ou en milligrammes par
mètre cube);
c) la concentration en particules de fumée (exprimée en milligrammes par litre ou en milligrammes par
mètre cube) et l'obscurcissement par la fumée (exprimé en densité optique par mètre ou en mètres
carrés par kilogramme);
6 © ISO 2010 – Tous droits réservés
d) le dégagement de chaleur (exprimé en kilojoules par gramme), servant à calculer l'efficacité de
combustion et formant une partie du mode opératoire de certains appareils;
e) le mode de combustion, le délai d'allumage (exprimé en minutes ou en secondes) et l'inflammation ou
non de l'éprouvette tout au long de l'essai.
6 Calcul des taux de production des gaz de combustion et de la fumée, de la
demande stœchiométrique en oxygène et de la régénération des principaux éléments
6.1 Calcul des taux de production mesurés à partir des données sur la concentration en
gaz de combustion
Dans les feux expérimentaux, le taux de production massique d'un gaz, Y , peut être calculé à partir de la
gas
concentration massique mesurée du gaz présentant un intérêt et de la concentration de perte de masse du
matériau, ou à partir de la masse totale de gaz produite et de la perte de masse totale du matériau,
conformément à l'Équation (2) (voir les Notes 1, 2 et 3):
ρ
gas
Y = (2)
gas
ρ
m,loss
où
ρ est la concentration massique du gaz, exprimée en grammes par mètre cube;
gas
ρ est la concentration de perte de masse du matériau, exprimée en grammes par mètre cube.
m,loss
Une variante de l'Équation (2) est donnée par l'Équation (3):
m
gas
Y = (3)
gas
m
m,loss
où
m est la masse totale du gaz, exprimée en grammes;
gas
m est la perte de masse totale du matériau, exprimée en grammes.
m,loss
NOTE 1 Ces calculs peuvent être dérivés de données instantanées ou de données qui supposent que les gaz sont
uniformément dispersés dans un certain volume et que ce volume est celui dans lequel la masse d'éprouvette perdue est
(uniformément) dispersée. Si la dispersion n'est pas uniforme, les équations continueront à être valides si la masse
perdue et le gaz en question sont dispersés en quantités équivalentes. Si un gaz de combustion est sujet à des pertes
superficielles à l'intérieur de l'appareil, le taux de production apparent dépend de l'endroit où est mesurée la concentration.
NOTE 2 Dans les dispositifs à débit continu, tous les effluents sont généralement bien mélangés à une certaine
distance en aval. Pour les systèmes de combustion à chambre fermée, il est possible que ce mélange ne soit pas effectué,
en particulier si les différences de poids moléculaire et les gradients thermiques sont importants. Si la combustion
implique plusieurs combustibles, seul un taux de production combiné moyen peut être calculé.
NOTE 3 Lors de ces calculs, des incertitudes apparaîtront pour ce qui concerne la masse d'éprouvette perdue, les
fluctuations de la concentration mesurée, etc.
Il convient de contrôler ces incertitudes. Il convient que le taux de production calculé tienne compte de ces
incertitudes et les combine afin d'établir une base solide pour comparer les taux de production dans
différentes conditions de combustion, pour comparer les taux de production de différents matériaux, et ainsi
de suite.
Bien que les concentrations en gaz spécifique soient le plus souvent mesurées en unités de volume, la perte
de masse d'un solide est presque toujours exprimée en unités de masse car la masse molaire des effluents
est difficile à déterminer. Les Équations (4) et (5) permettent de convertir la concentration volumique d'un gaz
en concentration massique:
M
273,16 P
gas
−3
amb
ρϕ=× × × × 10 (4)
gas gas
22,414 273,16 + T 101,3
()
C
où
ϕ est la concentration du gaz, exprimée en microlitres par litre;
gas
M est la masse molaire du gaz, exprimée en grammes par mole;
gas
T est la température du gaz au point de mesure, exprimée en degrés Celsius;
C
P est la pression ambiante, exprimée en kilopascals;
amb
273,16 est la température normalisée, exprimée en kelvins;
101,3 est la pression normalisée, exprimée en kilopascals;
22,414 est le volume occupé par la masse molaire du gaz aux température et pression normalisées,
exprimé en litres.
Par conséquent, pour les effluents du feu à 20 °C et sous une pression normalisée, l'Équation (4) se simplifie
et devient l'Équation (5):
M
gas
−3
ρϕ=× × 10 (5)
gas gas
24,055
EXEMPLE Pour une atmosphère de combustion bien ventilée, où la concentration de perte de masse du matériau
−3
est égale à 25 g⋅m et la concentration en monoxyde de carbone (CO) est de 0,125 0 % en volume à 20 °C, les calculs
sont donnés par les Équations (6) et (7):
28,01
ρ=×0,125 0 × 10= 1,456 (6)
CO
24,055
Y = 1,456/25 = 0,058 2 (7)
CO
où
ρ est la concentration massique en CO, exprimée en grammes par mètre cube;
CO
Y est le taux de production massique du CO, exprimé en grammes de CO par gramme de matériau;
CO
28,01 est la masse molaire du CO, exprimée en grammes.
Les Tableaux 2 et 3 indiquent les masses atomiques relatives, les masses molaires et les facteurs de
conversion des concentrations des principaux gaz de combustion.
8 © ISO 2010 – Tous droits réservés
[2]
Tableau 2 — Masse atomique relative des principaux éléments des gaz de combustion
a
Élément Symbole Masse atomique relative
Carbone C 12,011
Hydrogène H 1,007 9
Oxygène O 15,999
Azote N 14,007
Chlore Cl 35,453
Brome Br 79,904
Fluor F 18,998
Soufre S 32,065
Phosphore P 30,973
Antimoine Sb 121,76
a
Valeurs arrondies à cinq chiffres significatifs.
Tableau 3 — Masses molaires des gaz de combustion courants et facteurs de conversion
des concentrations volumiques/massiques
Gaz ou vapeur Formule Masse Facteurs de conversion des concentrations en gaz
a
molaire (à 20 °C et 101,3 kPa)
−1
b −3 −3 b
g⋅mol
Pour convertir µl/l en g⋅m , Pour convertir g⋅m en µl/l ,
multiplier par: multiplier par:
c −3 3
Dioxyde de carbone CO 44,01 1,830 × 10 0,546 × 10
c −3 3
Monoxyde de carbone CO 28,01 1,164 × 10 0,859 × 10
−3 3
Cyanure d'hydrogène HCN 27,02 1,124 × 10 0,890 × 10
−3 3
Dioxyde d'azote NO 46,01 1,913 × 10 0,523 × 10
−3 3
Monoxyde de diazote NO 44,01 1,831 × 10 0,546 × 10
−3 3
Monoxyde d'azote NO 30,01 1,248 × 10 0,801 × 10
−3 3
Ammoniac NH 17,03 0,708 × 10 1,413 × 10
−3 3
Chlorure d'hydrogène HCl 36,46 1,516 × 10 0,660 × 10
−3 3
Bromure d'hydrogène HBr 80,91 3,364 × 10 0,297 × 10
−3 3
Fluorure d'hydrogène HF 20,01 0,832 × 10 1,202 × 10
−3 3
Sulfure d'hydrogène HS 34,08 1,417 × 10 0,706 × 10
−3 3
Dioxyde de soufre SO 64,06 2,663 × 10 0,376 × 10
−3 3
Eau HO 18,01 0,749 × 10 1,335 × 10
−3 3
Acide phosphorique H PO 97,99 4,074 × 10 0,245 × 10
3 4
−3 3
Acroléine C HO 56,06 2,331 × 10 0,429 × 10
3 4
−3 3
Formaldéhyde CHO 30,03 1,248 × 10 0,801 × 10
−3 3
Oxygène O 32,00 1,331 × 10 0,751 × 10
d
Appauvrissement en oxygène O 32,00 Voir note
NOTE Exemple de calcul:
−3
0,100 0 % en volume CO = 0,100 0 × 1,164 10 = 1,164 g⋅m .
a
Les valeurs de masse molaire sont arrondies à deux décimales.
b 4
Facteurs de conversion: µl/l = % en volume × 10
µl/l = fraction volumique × 10
c
Le rapport de volume CO /CO est égal au rapport de masse CO /CO divisé par 1,571.
2 2
d −3
(fraction volumique initiale − fraction volumique mesurée) × facteur de 1 331 = oxygène consommé en g⋅m .
La fraction volumique dans l'air totalement sec est égale à 0,209 5 et convient pour les alimentations en air sec. La teneur en
oxygène de l'air ambiant est généralement inférieure en raison de la présence de vapeur d'eau (à température ambiante et 100 %
d'humidité relative, l'eau est présente à une fraction volumique égale à 0,03 environ).
6.2 Calcul des taux de production théoriques des gaz
6.2.1 Généralités
Les taux de production théoriques des gaz et des vapeurs permettent de déterminer les taux de production
théoriques maximaux des produits de combustion. Ils sont basés sur la composition du matériau et dépendent
entièrement de ce dernier. Deux principales options de calcul sont décrites en 6.2.2 et en 6.2.3.
6.2.2 Calcul à partir de la composition élémentaire
Pour autant que la composition élémentaire du matériau de base soit connue (par analyse élémentaire, par
exemple), le taux de production (théorique) maximal du gaz de combustion, Ψ , correspondant à chaque
gas
élément spécifié, E, est calculé en utilisant les Équations (8) et (9):
M
gas
Ψ =×m (8)
gas E
nm×
EA,E
où
m est la fraction massique de l'élément E dans le matériau;
E
n est le nombre d'atomes de l'élément E dans une molécule du gaz;
E
m est la masse atomique relative de l'élément E.
A,E
ou bien
−2
M × 10
gas
Ψ =×m (9)
gas E,per
nm×
EA,E
où m est la masse de l'élément E dans le matériau, exprimée en pourcentage.
E,per
EXEMPLE Le taux de production théorique du CO, Ψ , à partir de la cellulose est calculé à l'aide de
CO
l'Équation (10):
−2
28,01×10
Ψ =×44,5 = 1,038 (10)
CO
1×12,011
où
Ψ est exprimé en grammes de CO par gramme de matériau;
CO
44,5 est la masse de carbone dans la cellulose, exprimée en pourcentage;
28,01 est la masse molaire de CO, exprimée en grammes par mole;
12,011 est la masse atomique relative du carbone, exprimée en grammes.
Le Tableau 4 indique les facteurs permettant de calculer les taux de production théoriques des gaz à partir de
−2
M ×10
gas
la composition élémentaire et déduits du terme de l'Équation (9).
nm×
EA,E
10 © ISO 2010 – Tous droits réservés
Tableau 4 — Facteurs permettant de calculer les taux de production théoriques des gaz
à partir de la composition élémentaire du matériau
b
Gaz ou vapeur Élément E considéré dans Facteur
a
le matériau de base
Formule Masse molaire
−1
g⋅mol
−2
CO 44,01 Carbone 3,664 × 10
−2
CO 28,01 Carbone 2,332 × 10
−2
HO 18,02 Hydrogène 8,939 × 10
−2
HCN 27,02 Azote 1,929 × 10
−2
NO 46,01 Azote 3,284 × 10
−2
NO 44,01 Azote 1,571 × 10
−2
NO 30,01 Azote 2,142 × 10
−2
NH 17,03 Azote 1,216 × 10
−2
HCl 36,46 Chlore 1,028 × 10
−2
HBr 80,92 Brome 1,013 × 10
−2
HF 20,01 Fluor 1,053 × 10
−2
HS 34,08 Soufre 1,063 × 10
−2
H PO 97,98 Phosphore 3,163 × 10
3 4
−2
SO 64,06 Soufre 1,998 × 10
−2
Acroléine (C HO) 56,06 Carbone 1,556 × 10
3 4
−2
Formaldéhyde (CHO) 30,03 Carbone 2,500 × 10
a
Composition en pourcentage de l'élément E dans le matériau (m ) utilisée pour calculer Ψ [voir Équation (9)].
E,per gas
−2
M ×10
gas
b
Pour chaque gaz, facteur déduit du terme de l'Équation (9) et arrondi à quatre chiffres significatifs.
nm×
EA,E
6.2.3 Calcul à partir de la formule empirique
Si la formule empirique du matériau est connue, il est possible de calculer le taux de production massique
théorique, Ψ , à l'aide de l'Équation (11):
gas
nM
E,poly gas
Ψ =× (11)
gas
nM
Epoly
où
n est le nombre d'atomes de l'élément E dans la formule empirique;
E,poly
M est la masse molaire de la formule empirique, exprimée en grammes.
poly
EXEMPLE Le taux de production théorique, Ψ , du dioxyde de carbone (CO ) à partir du polypropylène ayant
CO 2
pour formule empirique (C H ) est calculé à l'aide de l'Équation (12):
3 6
344,01
Ψ =× = 3,142 (12)
CO
142,03
où
Ψ est exprimé en grammes de CO par gramme de polymère;
CO 2
1 est le nombre d'atomes de carbone dans le CO ;
3 est le nombre d'atomes de carbone dans l'unité polymère;
44,01 est la masse molaire du CO , exprimée en grammes par mole;
42,03 est la masse molaire de l'unité polymère, exprimée en grammes.
NOTE Le taux de production théorique d'un gaz contenant plusieurs éléments provenant de la molécule combustible
est déterminé par l'élément le moins prévalent (autre que l'oxygène). Ainsi, le taux de production théorique du HCN peut
le plus souvent être déterminé par la teneur en azote du combustible. Cependant, pour un gaz de produit tel que le
formaldéhyde, la fraction de carbone ou d'hydrogène peut faire office de critère de calcul, selon la composition du
combustible.
6.3 Calcul de la régénération des éléments dans les principaux produits
La régénération d'un élément dans un produit de combustion principal (c'est-à-dire le degré de conversion
d'un élément en gaz correspondant dans l'éprouvette d'essai ou le taux d'efficacité de l'élément) peut être
calculée à partir du taux de production massique mesuré du gaz étudié, Y , par rapport à son taux de
gas
production massique théorique, Ψ . Pour un matériau contenant l'élément E, cela correspond à
gas
l'Équation (13):
F = Y /Ψ (13)
R,E gas gas
où
Y est déduit des Équations (2) à (7);
gas
Ψ est déduit des Équations (8) à (12);
gas
F est la fraction régénérée de l'élément E dans le gaz contenant E.
R,E
6.4 Calcul de la demande stœchiométrique en oxygène
6.4.1 Généralités
La demande stœchiométrique en oxygène (ou rapport oxygène-combustible) est la quantité d'oxygène dont
un matériau a besoin pour réaliser une combustion complète. Sa détermination est quelque peu plus
complexe que les taux de production théoriques des gaz. Les trois méthodes de base décrites de 6.4.2 à
6.4.4 peuvent être utilisées.
6.4.2 Calcul à partir de l'équation chimique de la combustion complète
6.4.2.1 Combustibles contenant du C, H, O, produisant du dioxyde de carbone et de l'eau
Pour la combustion complète de combustibles contenant du C, H, O, les produits seront uniquement
constitués de CO et de H O gazeuse. Pour les combustibles organiques contenant de l'oxygène, l'exigence
2 2
de présence d'oxygène dans l'air pour une combustion complète est inférieure à celle des combustibles
dépourvus d'oxygène. Pour un polymère de formule générale C H O , les Équations (14) à (16) s'appliquent:
a b c
C H O + zO → aCO + b/2 HO (14)
a b c 2 2 2
12 © ISO 2010 – Tous droits réservés
et
2/ab+−2 c
()
z = (15)
où
z est le nombre (stœchiométrique) de moles de O requises pour la combustion complète d'une mole
de C H O ;
a b c
a est le nombre d'atomes de carbone dans C H O ;
a b c
b est le nombre d'atomes d'hydrogène dans C H O ;
a b c
c est le nombre d'atomes d'oxygène dans C H O .
a b c
La demande stœchiométrique en oxygène requise pour la combustion complète est alors calculée à l'aide de
l'Équation (16):
z × 32,00
Ψ = (16)
O
M
poly
où
Ψ est la demande stœchiométrique en oxygène pour le polymère, exprimée en grammes par
O
gramme de polymère;
32,00 est la masse molaire de l'oxygène, exprimée en grammes par mole.
EXEMPLE L'équation de combustion stœchiométrique pour le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) est donnée par
les Équations (17) et (18):
C H O + 1,20 O → CO + 0,80 HO (17)
1,0 1,6 0,4 2 2 2
1,20 × 32,00
Ψ== 1,918 (18)
O
20,02
où
1,0 est le nombre d'atomes de carbone dans C H O ;
1,0 1,6 0,4
1,6 est le nombre d'atomes d'hydrogène dans C H O ;
1,0 1,6 0,4
0,4 est le nombre d'atomes d'oxygène dans C H O ;
1,0 1,6 0,4
1,20 est le nombre (stœchiométrique) de moles de O requises pour la combustion complète d'une mole de
C H O ;
1,0 1,6 0,4
1,918 est la demande stœchiométrique en oxygène calculée pour le PMMA, exprimée en grammes d'oxygène par
gramme de PMMA.
6.4.2.2 Combustibles contenant des hétéroéléments
Pour la combustion complète des combustibles contenant des éléments (organiquement liés) en plus des
éléments C, H et O, on suppose que l'azote produit du N gazeux, que les halogène
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
Loading comments...