115 消防設備人員高等考試 消防設備師 火災學 考古題詳解

115 年・消防設備人員・高等考試・消防設備師
試題代碼 火災學

第 一 題25 分

請分別說明黃磷（P4P_4）、氧化鈣（CaOCaO）及硫酸（H2SO4H_2SO_4）等物質，其與空氣或水分的反應，以及起火危險性為何？

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核心觀念

本題考查三種物質與空氣、水分接觸時的化學反應，以及反應是否會造成燃燒、助燃或引燃周遭可燃物。作答時要區分：

  • 物質本身是否可燃：能否作為燃料燃燒。
  • 反應是否放熱或產生可燃物：即使物質本身不燃，反應熱或生成的可燃氣體仍可能引發火災。
  • 與空氣或水分反應的危險性：黃磷遇空氣可自燃；氧化鈣遇水會放熱；硫酸本身不燃，但與水混合放熱，且具強腐蝕性、脫水性，接觸可燃物可能引起燃燒。

題目未涉及計算或選項，無須套用計算公式；屬於依物質性質與反應式比較火災危險性的申論題。

解題方法

依序說明各物質的「與空氣反應」、「與水分反應」及「起火危險性」，並以反應式指出危險來源。判斷重點是：是否直接氧化燃燒、是否因放熱達到可燃物的著火條件，以及是否會生成可燃氣體。

各物質反應與起火危險性

一、黃磷（P4P_4）

  • **與空氣反應：**黃磷在常溫下即可與空氣中的氧反應，氧化放熱；熱量若無法散去，會使黃磷自燃，生成五氧化二磷（固態常稱十氧化四磷）：
P4+5O2→P4O10P_4+5O_2\rightarrow P_4O_{10}
  • **與水分反應：**黃磷不與水發生足以引起火災的劇烈反應，且可隔絕空氣，因此保存時通常置於水中。若水分蒸發或黃磷露出水面，接觸空氣後仍有自燃危險。
  • **起火危險性：**黃磷本身可燃，且在空氣中具有自燃危險；燃燒生成的磷氧化物遇水氣會形成酸性煙霧，具有刺激性與腐蝕性。水中保存的作用是隔絕空氣，不是使黃磷失去可燃性。

二、氧化鈣（CaOCaO，生石灰）

  • **與空氣反應：**氧化鈣不會像黃磷一樣在空氣中自燃；但會逐漸吸收空氣中的水分，轉變為氫氧化鈣。
  • **與水分反應：**氧化鈣遇水會劇烈放熱，生成氫氧化鈣：
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第 二 題25 分

請說明一般火源入射到某距離的受熱平面，所產生的輻射熱通量（kW/m2\mathrm{kW/m^2}），其方程式如何表示？

當有一地面火源的熱釋率 Q=1000 kWQ=1000\ \mathrm{kW}，牆壁是在距離火焰中心水平 2 公尺的位置且垂直火焰（如下圖所示），入射在其上方 1.5 公尺牆面上 A 點的輻射熱通量（kW/m2\mathrm{kW/m^2}）是多少？

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核心觀念

本題考查火源以「點熱源模式」估算受熱面所接受的輻射熱通量。

火源總熱釋率為 QQ，其中僅有比例 χr\chi_r 以輻射形式釋放，故輻射熱釋率為：

Qr=χrQQ_r=\chi_r Q

輻射能量均勻分布於半徑 RR 的球面上，球面積為 4πR24\pi R^2，因此受熱平面的輻射熱通量為：

q˙′′=Qr4πR2=χrQ4πR2(kW/m2)\dot q''=\frac{Q_r}{4\pi R^2} =\frac{\chi_r Q}{4\pi R^2} \quad \left(\mathrm{kW/m^2}\right)

若忽略大氣衰減，則不另乘透射率 τ\tau；若考慮大氣衰減，完整式可寫為：

q˙′′=χrQ4πR2τ\dot q''=\frac{\chi_r Q}{4\pi R^2}\tau

本題未提供 χr\chi_r 與 τ\tau，故須依消防工程常用假設計算。以下採火焰輻射比例 χr=0.35\chi_r=0.35，且取大氣透射率 τ=1\tau=1。

解題方法

由圖可知：

  • 火焰中心至牆面的水平距離：2 m2\ \mathrm{m}
  • A 點高於火焰中心：1.5 m1.5\ \mathrm{m}

因此火焰中心至 A 點的直線距離為：

R=22+1.52=4+2.25=6.25=2.5 mR=\sqrt{2^2+1.5^2} =\sqrt{4+2.25} =\sqrt{6.25} =2.5\ \mathrm{m}

代入點熱源輻射熱通量公式：

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第 三 題25 分

請說明 CNS 15030 化學物品危害分類中之「易燃固體」，其燃燒的形態以及特性為何？

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核心觀念

本題考查 CNS 15030「化學品分類及標示－易燃固體」的定義，以及固體燃燒時的基本形態與危害特性。作答時須把「易燃固體」與「發火性固體」、「自反應物質」區分：易燃固體是容易燃燒或經摩擦可能起火的固體；發火性固體則是與空氣接觸後可在短時間內自行燃燒。

易燃固體的燃燒，依物質形態與受熱狀況，可表現為表面燃燒或分解燃燒。其燃燒速度與危險程度，會受粒徑、形狀、堆積狀態、通風供氧及熱傳狀況影響。

解題方法

先指出 CNS 15030 的分類定義，再分別說明燃燒形態與特性。回答燃燒形態時，應描述固體受熱後如何與氧反應；回答特性時，則說明哪些因素會使火勢快速擴大，以及燃燒可能造成的危害。

燃燒形態

  1. 表面燃燒 固體表面與空氣中的氧接觸並發生氧化反應，火焰或灼熱區沿固體表面蔓延。木材、紙張、纖維等可燃固體常見此類燃燒。固體通常先受熱、乾燥或熱解，再持續燃燒。

  2. 分解燃燒 固體受熱後先熱分解，產生可燃性氣體或蒸氣；這些產物與空氣混合後燃燒。部分固體燃燒時，主要火焰來自熱分解產物，而非固體本身直接與氧反應。

若固體被粉碎成細粉並分散於空氣中，粉塵與氧氣接觸面積大，遇火源可能快速燃燒，甚至形成粉塵爆炸。這是固體燃燒危害中須特別指出的情況。

易燃固體的特性

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第 四 題25 分

有一室內空間火災時，氣體的流動情形如下圖所示，氣體由空間 1 流經空間 2 至空間 3，空間 1 及空間 2 的壓差為 Δp1\Delta p_1，空間 2 及空間 3 的壓差為 Δp2\Delta p_2，每一個開口的流量係數皆為 α\alpha，在空間 1、2 及 3 的氣體溫度及密度分別為 T1,ρ1T_1,\rho_1；T2,ρ2T_2,\rho_2 及 T3,ρ3T_3,\rho_3（如圖示），氣體流經空間 1 及空間 2 的開口分別為 A1A_1 及 A2A_2。

假設氣體流經開口時的質量流率相同，試問兩個開口 A1A_1 及 A2A_2 的等效流動面積各是多少？如果假設 T1=T2T_1=T_2、ρ1=ρ2\rho_1=\rho_2時，則 A1A_1 及 A2A_2 的等效流動面積又是多少？以上請詳細說明計算過程。

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核心觀念

本題考查氣體通過開口時的流量公式，以及串聯流動下的質量流率守恆。

對於流量係數為 α\alpha、開口面積為 AA 的開口，氣體通過開口的質量流率為

m˙=αA2ρ Δp\dot m=\alpha A\sqrt{2\rho\,\Delta p}

其中：

  • m˙\dot m：質量流率
  • α\alpha：開口流量係數
  • AA：開口面積
  • ρ\rho：開口上游氣體密度
  • Δp\Delta p：開口兩側壓差

圖中氣流依序由空間 1 流向空間 2，再流向空間 3。由於兩個開口為串聯，穩定流動時兩處的質量流率必須相同。

解題方法與推導

第一個開口位於空間 1 與空間 2 之間，其上游氣體狀態取空間 1，因此

m˙1=αA12ρ1Δp1\dot m_1=\alpha A_1\sqrt{2\rho_1\Delta p_1}

第二個開口位於空間 2 與空間 3 之間，其上游氣體狀態取空間 2，因此

m˙2=αA22ρ2Δp2\dot m_2=\alpha A_2\sqrt{2\rho_2\Delta p_2}

因題目假設兩個開口的質量流率相同：

m˙1=m˙2=m˙\dot m_1=\dot m_2=\dot m

所以

αA12ρ1Δp1=αA22ρ2Δp2\alpha A_1\sqrt{2\rho_1\Delta p_1} = \alpha A_2\sqrt{2\rho_2\Delta p_2}

整理可得兩開口面積的比例：

A1A2=ρ2Δp2ρ1Δp1\frac{A_1}{A_2} = \sqrt{\frac{\rho_2\Delta p_2}{\rho_1\Delta p_1}}

因此，若以共同質量流率 m˙\dot m 表示兩個開口的等效流動面積，則

A1=m˙α2ρ1Δp1\boxed{ A_1= \frac{\dot m} {\alpha\sqrt{2\rho_1\Delta p_1}} } A2=m˙α2ρ2Δp2\boxed{ A_2= \frac{\dot m} {\alpha\sqrt{2\rho_2\Delta p_2}} }

若將「等效流動面積」定義為流量係數與幾何面積的乘積，即

Aeff=αAA_{\mathrm{eff}}=\alpha A

則

Aeff,1=m˙2ρ1Δp1\boxed{ A_{\mathrm{eff},1} = \frac{\dot m}{\sqrt{2\rho_1\Delta p_1}} } Aeff,2=m˙2ρ2Δp2\boxed{ A_{\mathrm{eff},2} = \frac{\dot m}{\sqrt{2\rho_2\Delta p_2}} }

題目未提供實際質量流率 m˙\dot m 或其中一個開口面積，因此無法求出兩者的絕對數值；但兩者的比例及以 m˙\dot m 表示的結果可以確定。

當 T1=T2T_1=T_2、ρ1=ρ2\rho_1=\rho_2 時

由 ρ1=ρ2=ρ\rho_1=\rho_2=\rho，兩個開口的質量流率方程式變為

m˙=αA12ρΔp1\dot m=\alpha A_1\sqrt{2\rho\Delta p_1} m˙=αA22ρΔp2\dot m=\alpha A_2\sqrt{2\rho\Delta p_2}

因此

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