Dôležité vplyvy na výbuchové parametre prachu

Dôležité vplyvy na výbuchové parametre prachu

Vplyv veľkosti častíc

 Podľa grafov „Protivýbuchová prevencia“ sú maximálne výbuchové parametre vybraných prachov v závislosti na strednej veľkosti zŕn. Je zrejmé, že jemnejšie prachy reagujú prudkejšie ako prachy hrubé, pričom sa veľkosti zrna výraznejšie prejavujú na zmene prudkosti výbuchu ako na výbuchovom tlaku. Z toho vyplýva pre skúšobnícku prax požiadavka, že pri stanovení veličín prachu musí byť vzorka prachu pripravená tak, aby hlavný podiel častíc mal rozmer menší ako 40 mm.

 Horľavé prachy o veľkosti zrna väčšie ako ako je medzný rozmer 400 mm obecne nie je možné priviesť k výbuchu ani silným iniciačným zdrojom (10 000 J). Je nutné si však uvedomiť, že stačí iba malá prímes jemného prachu k hrubému prachu 10 % resp. 5 %, aby bolo možné zmes hrubého prachu priviesť k výbuchu, pričom výbuchový tlak dosahuje takmer hodnotu maximálneho výbuchového tlaku jemných podielov. Nebezpečnosť výbuchu hrozí vždy, keď je prekročená dolná medza výbušnosti jemných podielov prachu obsiahnutých v zmesi s nevýbušným hrubým prachom.

 Toto zistenie dovoľuje urobiť záver, že prekročenie medzného priemeru zrna nie je možné považovať za bezpečnostné opatrenie proti výbuchu prachu, pretože nepatrný podiel primiešaného jemného prachu (vniknutého napríklad otvorom) stačí k tomu, aby sa vytvorila výbušná zmes.

Vplyv veľkosti objemu

 Experimentálne skúmanie veľkého počtu horľavých prachov ukazuje, že pre objemy väčšie ako 0,04 m³ platí tiež pre prachové výbušné súbory "kubický zákon":

Na rozdiel od horľavých plynov sa kubická konštanta označuje indexom "st". Je teda možné na základe výsledkov meraní v malej nádobe pomocou vyššie uvedeného vzťahu odhanúť prudkosť výbuchu vo veľkej nádobe.

 Ak porovnáme výbuchové parametre horľavých plynov a horľavých prachov, vidíme, že výbuchy prachov môžu prebiehať rovnako prudko ako výbuchy plynov.

Vplyv počiatočného tlaku

 Podobne ako pri horľavých plynoch ovplyvňuje počiatočný tlak maximálne výbuchové parametre. Ovplyvňuje tiež optimálnu koncentráciu prachu.

Vplyv iniciačnej energie

 Pri prachoch sa používa iniciačná energia Ei = 10 000 J realizovaná pyrotechnickým zápalným zdrojom. Znázorňuje vplyv energie na výbuchové parametre.

Z obrázka je zrejmé, že maximálny výbuchový tlak je len málo ovplyvnený druhom zápalného zdroja. Inak je to pri prudkosti výbuchu a teda hodnoty k_st, kde je zrejmé, že prechodom do silného pyrotechnického zdroja (10 kJ) ku zdroju iskrenia (10 J)klesajú veľmi významne hodnoty kst. Pomaly reagujúce prachy sú pritom silnejšie ovplyvnené ako reaktívne prachy. Tak ako vidieť na príklade pigmentového prachu, použitie malej iniciačnej energie napr. 10 J (ako sa obvykle používa pri plyno-vzduchových zmesiach) by mohlo mať za následok, že by sme takýto prach považovali za nevýbušný. Silné iniciačné energie sú teda pri skúšaní prachov nutné, aby sme jednoznačne poznali ich výbušné vlastnosti.

Zhrnutie

 Pomocou kubického zákona je možné vypočítať prudkosť výbuchu horľavých prachov v uzavretej nádobe keď poznáme:

a) druh horľavej látky

b) objem nádoby a stupeň naplnenia výbušnou zmesou

c) stupeň turbulencie

d) tlak v nádobe v okamžiku pôsobenia iniciačného zdroja

e) druh a usporiadanie iniciačného zdroja

 Potrebné hodnoty pre výpočet môžu byť stanovené v laboratórnom meradle, pričom skúšobná nádoba musí byť zásadne guľového alebo kubického tvaru a iniciačný zdroj musí byť umiestnený v geometrickom strede nádoby.

 Zvláštnu pozornosť je potrebné venovať reakciám prachovzduchových zmesí, ktoré prebiehajú v prítomnosti zmesi plynu so vzduchom, resp. pary horľavých kvapalín so vzduchom, kedy samotná koncentrácia plynu alebo pary je pod ich dolnou medzou výbušnosti. Pri týchto hybridných zmesiach je nutné si uvedomiť:

a) nevýbušné prachovzduchové a nevýbušné plynovzduchové zmesi môžu tvoriť výbušné hybridné zmesi

b)prudkosť výbuchu hybridných zmesí môže byť silne zvýšená so stúpajúcim obsahom horľavého plynu (pary)

c) minimálna iniciačná energia prachu v hybridnej zmesi prudko klesá s rastúcim obsahom plynu a blíži sa k hodnotám primiešanej horľavej látky

d) optimálna koncentrácia pri hybridných zmesiach s prímesou plynov (pár) lineárne klesá, takže maximálnych výbuchových parametrov hybridných zmesí, ktoré sú vyššie ako pri prachových zmesiach, sa dosiahne už pri menšom množstve horľavého prachu (pri nižšej koncentrácii prachu)

 Aby mohla vzniknúť zmes prachu so vzduchom, musí tu existovať určitý stupeň turbulencie.

 So znižovaním priemeru potrubia sa tiež pri prachoch znižuje výbuchová rychlosť a výbuchový tlak prachovej explózie. Aj keď zatiaľ nie sú k dispozícii rozsiahlejšie výsledky skúmania, zdá sa, že na rozdiel od horľavých plynov nebudú ležať hodnoty kritických priemerov v rozsahu mm, ale v rozsahu cm.

 Platí tiež, že pri výbuchoch v potrubí určuje priebeh výbuchu vypudzovací efekt, prúdenie a stupeň turbulencie. Hodnota k_st, ktorá udáva prudkosť výbuchu v uzavretých nádobách, pri výbuchu prachu v potrubí stráca v podstate svoj význam.

 Ukazuje sa, že v porovnaní s horľavými plynmi má pri horľavých prachoch dĺžka potrubia omnoho väčší vplyv. Pri skúšobnom potrubí dĺžky 40 m môže výbuch prachu na dráhe 20 až 40 m pri prachoch, ktorých k_st je väčšia ako 20 MPa.m.s_-1(PE, drevo, hliník), prejsť do detonácie s rychlosťami okolo 2000 m.s_-1. Tlakové prejavy odpovedajú príslušnej detonácii plynovzduchových zmesí.

 Detonácie horľavých prachov sú definované ako spaľovacie procesy, ktoré prebiehajú na dlhších dráhach s vysokou konštantnou rýchlosťou. Zatiaľ nie je jasné, či sa pritom jedná o stabilnú detonáciu alebo detonáciu nestabilnú (quasidetonaci).

 Podobne ako je tomu pri horľavných plynoch, menší priemer potrubia uľahčuje pri horľavých prachoch vznik detonácie. Rozbehové dráhy sú pri prachoch dlhšie ako pri horľavých plynoch zrovnateľnej výbušnosti.

 Pri výbuchoch prachov v obojstranne uzavretom potrubí sa prejavuje tlamenie výbuchu prachu smerom k uzavretému konci len pri pomaly reagujúcich prachoch (k_st < 20 MPa.m.s_-1). Pri prudko reagujúcich prachoch (k_st > 20 MPa.m.s_-1) sa dosahuje okamžitej vysokej rýchlosti šírenia výbuchu tak ako v objostranne uzavretých, tak aj v jednostranne uzavretých potrubiach.

Tak ako pri horľavých plynoch, tak tiež pri horľavých prachoch dosahuje maximálny výbuchový tlak v uzavretom potrubí o niekoľko sto kPa vyššie hodnoty ako u jednostranne uzatvorenom potrubí. Rovnako tlak na uzatvárajúcu prírubu je v uzavretej nádobe v dôsledku náhleho zbrzdenia výbuchovej (detonačnej) rýchlosti a reflexnej tlakovej vlny asi trojnásobný.