113 消防設備人員高等考試 消防設備師 火災學 考古題詳解

核心觀念

本題考查穩定狀態下的熱傳遞平衡。外側牆面同時以對流及熱輻射向周圍散熱；穩定時，這些散熱量等於熱量經磚牆傳導的速率。

所用公式如下：

• 磚牆導熱熱通量：$q''_{\mathrm{cond}}=k(T_i-T_s)/L$
• 外側對流熱通量：$q''_{\mathrm{conv}}=h(T_s-T_\infty)$
• 外側輻射熱通量：$q''_{\mathrm{rad}}=\varepsilon\sigma(T_s^4-T_{\mathrm{sur}}^4)$

其中，$T_i$ 為磚牆內側溫度，$T_s$ 為已知的外側表面溫度，$T_\infty$ 為流動空氣溫度，$T_{\mathrm{sur}}$ 為周圍輻射環境溫度。輻射公式中的溫度必須使用絕對溫度（K）。

解題方法

取單位面積，令流入磚牆外側的傳導熱量等於外側對流與輻射的總散熱量：

$$\frac{k(T_i-T_s)}{L} = h(T_s-T_\infty) +\varepsilon\sigma(T_s^4-T_{\mathrm{sur}}^4)$$

題目指出火爐外界及周圍空氣溫度均為 $27^\circ\mathrm{C}$，故令 $T_\infty=T_{\mathrm{sur}}=27+273.15=300.15\ \mathrm{K}$。已知外側表面溫度為 $T_s=127+273.15=400.15\ \mathrm{K}$。

先計算外側散熱熱通量：

核心觀念

本題考查中庭的煙囪效應與上下開口間的穩態自然通風量。室內空氣較冷、密度較大，戶外空氣較暖、密度較小，因此戶外空氣由底部開口流入，室內空氣由頂部開口流出。穩態時，兩開口的質量流率大小相等。

上下開口串聯時，等效開口面積為

$$A_{\mathrm{eq}} =\frac{1}{\sqrt{\dfrac{1}{A_1^2}+\dfrac{1}{A_2^2}}} =\frac{A_1A_2}{\sqrt{A_1^2+A_2^2}}$$

自然通風的質量流率可用下式計算：

$$\dot m=C_d A_{\mathrm{eq}}\sqrt{2gH\rho_i(\rho_o-\rho_i)}$$

其中 $C_d$ 為開口係數，$H$ 為上下開口高度差，$\rho_i$、$\rho_o$ 分別為室內與室外空氣密度。

解題方法

題目給定空氣在 $7^\circ\mathrm{C}$ 時密度為 $1.26\ \mathrm{kg/m^3}$。採用定壓理想氣體關係，密度與絕對溫度成反比：

$$\rho=\rho_{7}\frac{273+7}{273+T}$$

室內溫度 $T_i=17^\circ\mathrm{C}$，室外溫度 $T_o=27^\circ\mathrm{C}$，因此

$$\rho_i=1.26\frac{280}{290} =1.2166\ \mathrm{kg/m^3}$$ $$\rho_o=1.26\frac{280}{300} =1.1760\ \mathrm{kg/m^3}$$

核心觀念

本題考查氣體的燃燒範圍、危險度，以及完全燃燒所需的理論空氣量。

燃燒上限為 $U$、燃燒下限為 $L$ 時，燃燒範圍為 $U-L$。常用危險度指標為：

$$H=\frac{U-L}{L}$$

$H$ 越大，表示可燃濃度範圍相對於燃燒下限越寬，危險性越大。

理論空氣量則由完全燃燒反應式求得：先算每莫耳燃料所需的氧氣莫耳數，再以空氣含氧約 $21\%$ 換算空氣量，最後除以燃料分子量，求出每單位質量燃料所需的理論空氣量。

解題方法與計算

一、計算三種氣體的危險度

甲烷：

$$H_{\mathrm{CH_4}}=\frac{14-5.3}{5.3} =\frac{8.7}{5.3}\approx 1.64$$

丙烷：

$$H_{\mathrm{C_3H_8}}=\frac{9.5-2.2}{2.2} =\frac{7.3}{2.2}\approx 3.32$$

氨：

$$H_{\mathrm{NH_3}}=\frac{25-16}{16} =\frac{9}{16}=0.5625$$

因此危險度由大至小為：

$$\boxed{\text{丙烷}>\text{甲烷}>\text{氨}}$$

二、計算相同質量燃燒所需的理論空氣量

完全燃燒反應式及每莫耳燃料所需氧氣如下：

甲烷：

$$\mathrm{CH_4+2O_2\rightarrow CO_2+2H_2O}$$

每莫耳甲烷需 $2$ 莫耳氧氣。以 $1\ \mathrm{kg}$ 甲烷計，分子量為 $16$，故：

$$n_{O_2}=\frac{1000}{16}\times 2=125\ \mathrm{mol}$$

理論空氣量為：

$$n_{\text{air}}=\frac{125}{0.21}\approx595.2\ \mathrm{mol}$$

丙烷：

$$\mathrm{C_3H_8+5O_2\rightarrow3CO_2+4H_2O}$$

每莫耳丙烷需 $5$ 莫耳氧氣。以 $1\ \mathrm{kg}$ 丙烷計，分子量為 $44$，故：

核心觀念

本題考查兩類儲槽受火災加熱時，槽內物質狀態與壓力變化所造成的危害徵兆，以及如何防止 BLEVE（沸騰液體膨脹蒸氣爆炸）。

易燃液體在常溫下多以液態儲存；受熱後，液體蒸發增加，槽內蒸氣壓上升，蒸氣經通氣口或破損處外逸，與空氣混合後遇火源會燃燒或爆炸。易燃氣體儲槽則常以加壓液化氣體儲存；若槽體遭火焰加熱，液體沸騰使槽內壓力升高，槽壁強度又因高溫降低，可能突然破裂並發生 BLEVE。

BLEVE 的關鍵條件是：加壓液化液體受熱、容器失效破裂、液體瞬間減壓汽化膨脹。若內容物可燃，外逸蒸氣雲遇火會形成火球；即使內容物不可燃，仍會有爆炸性膨脹與容器碎片飛散危害。

解題方法

依「儲存物相態與壓力變化 → 容器受熱狀況 → 失效前警訊」分別說明易燃液體容器與易燃氣體儲槽。最後將 BLEVE 防制分成兩個階段：平時降低槽體失效機率；火災時降低槽體溫度、壓力及人員暴露風險。

一、易燃液體容器火災爆炸徵兆

易燃液體容器的主要危險，是液體受熱後大量蒸發，槽內蒸氣壓升高，並在通氣或洩漏位置形成可燃蒸氣與空氣的混合物。應注意下列徵兆：

• 容器受火焰直接加熱：槽壁溫度升高，液體持續沸騰或蒸發，槽內壓力逐漸增加。
• 通氣口或洩漏處持續排出蒸氣：蒸氣遇火源後，可能形成火焰；若蒸氣先與空氣混合，再遇點火源，可能發生閃燃或爆燃。
• 槽體異常變形或接縫洩漏：槽壁膨脹、鼓脹，焊道或接合處出現裂縫、滲漏，表示容器承受的熱與壓力已造成損傷。
• 容器發出異常聲響或火焰突然變化：出現噴氣聲、爆裂聲，或火焰突然增大，代表蒸氣外逸、燃燒狀態或容器完整性已改變。

若為有水層或含水油品的油槽火災，還須防範 沸溢（boilover）：油面下方的水受熱汽化，體積急遽膨脹，將燃燒中的油品猛烈推出槽外。長時間燃燒、油面沸騰或噴濺加劇、火焰與黑煙突然增大，都是重要警訊。沸溢與 BLEVE 的成因不同，不可混為一談。

二、易燃氣體儲槽火災爆炸徵兆

易燃氣體儲槽若儲存的是加壓液化氣體，受火焰加熱後，槽內液體沸騰加劇，蒸氣壓上升；同時，未被液體冷卻的槽壁上部可能迅速升溫、強度下降。典型危險徵兆包括：

• 火焰直接衝擊槽體，尤其是液面以上的槽壁：液面以上的槽壁缺乏液體吸熱冷卻，受熱後容易快速升溫及弱化。
• 安全閥持續或劇烈排放：表示槽內壓力升高；安全閥排出的可燃氣體若被點燃，會形成持續火焰並繼續加熱槽體。
• 槽壁變色、局部發紅、鼓脹或變形：顯示槽體局部過熱或強度降低，破裂風險升高。
• 異常噪音或壓力變化：槽體出現爆裂聲、金屬異音，或洩壓狀況突然改變，可能代表容器已接近失效。