Ovplyvnenie priebehu výbuchu
Priebeh výbuchu a maximálne výbuchové parametre ovplyvňuje:
1.4.1 Veľkosť objemu a tvar nádoby
Nádoby sú kubické a podlhovasté. Kubická nádoba má dĺžku 1 menšiu alebo rovnú dvom priemerom d : 1 £ 2.d. S rastúcim objemom nádoby klesá rýchlosť narastania výbuchového tlaku. Túto závislosť popisuje pri kubických nádobách tzv. kubický zákon:
kde
(dp/dt)max maximálna rýchlosť narastania výbuchového tlaku v MPa.s-1 alebo v bar.s-1
V objem nádoby v m3
K(g), K(st) kubická konštanta pre plyny resp. pre prachy v MPa.m.s-1 alebo v bar.s-1
Kubická konštanta môže byť technicko bezpečnostným parametrom, ak sú splnené tieto podmienky:
Platnosť kubického zákona je podľa (3) pri zmesiach a pár horľavých kvapalín od objemu nádoby 5 l a u prachovdzuchových zmesí od 40 l.
Maximálny výbuchový tlak sa s rastúcim objemom nemení. V kubických nádobách je dosahované tlakov až 1 MPa pri horľavých plynoch a parách až 1,3 MPa pri horľavých prachoch. Rýchlosť šírenia plameňa môže byť až 500 m.s-1.
Kubická konštanta je dôležitým parametrom vyjadrujúcim brizanciu zmesi nezávisle na objeme, v ktorom bola stanovená. Pre zmesi plynov a pár horľavých kvapalín sa označuje K(g) a má rozmer MPa.m.s-1. Hodnoty p(max) a K(g) sú pre niektoré látky uvedené v tabuľke 1.1.
TABUĽKA 1.1. Hodnoty p(max) a K(g) niektorých plynov a pár horľavej kvapaliny. Podľa (5) (guľa 5 l, E(i) = 10 J)
Kubická konštanta sa pri prachovzduchových zmesiach označuje K(st) a podľa nej sa horľavé prachy rozdeľujú do troch tried – viď tab. 1.2.
TABUĽKA 1.2. Rozdelenie horľavých prachov (Podľa (5)).
U podlhovastých nádob a pri potrubiach kubický zákon neplatí. Z rastúcou dĺžkou nádoby a potrubia sa zvyšujú maximálne výbuchové parametre a prejavuje sa smerový účinok výbuchového tlaku. Rýchlosť šírenia čela plameňa sa môže zvýšiť až na detonačnú rýchlosť 2000 m.s-1 s riadiálnymi tlakmi až 3 MPa a osovými tlakmi až 9 MPa.
1.4.2 Počiatočný tlak v okamihu iniciácie
Počiatočný tlak neovplyvní optimálnu koncentráciu. Maximálne výbuchové parametre sa s rastúcim počiatočným tlakom rovnomerne zvyšujú. Je tomu tak preto, že sa zväčšuje množstvo zmesi s optimálnou koncentráciou. Zníženie tlaku naopak zmenšuje maximálne výbuchové parametre. Preto sa zníženie tlaku používa ako určité preventívne opatrenie zmierňujúce následky výbuchu. Na obr. 1.9 je znázornený vplyv počiatočného tlaku na výbuchové parametre metánu so vzduchom.
U prachov sa z rastúcim počiatočným tlakom zvyšuje optimálna koncentrácia. Väčšiemu množstvu vzdušného kyslíku v stlačenej atmosfére je nutné pre dosiahnutie optimálnej koncentrácie pridať väčší podiel prachu. Na obr. 1.10 je uvedený vplyv počiatočného tlaku na zmes prachu so vzduchom.
1.4.3 Počiatočná teplota
Zvýšenie počiatočnej teploty spôsobí zvýšenie maximálnej rýchlosti narastania výbuchového tlaku. (Reakčná rýchlosť s teplotou rastie.)
1.4.4 Iniciačná energia
S rastúcou iniciačnou energiou sa zvyšuje najmä max rýchlosť narastania výbuchového tlaku. Nízkou iniciačnou energiou sa niektoré zmesi nedajú vôbec iniciovať.
Pri skúšaní vlastností zmesí sa ako štandardná energia používa pre plyny a pary energia 10J a pre prachy 10000J. Pri niektorých látkach je však nutné túto energiu zvýšiť (inak by boli omylom považované za nevýbušné). Napr. pary metánu C16 sú nevýbušné pri iniciačnej energii 10J aj pri 100J. Pri iniciačnej energii 500 J majú výbuchovú charakteristiku zrovnateľnú s charakteristikami neratenov s menším počtom uhlíkov v molekule, ktorých pary sú iniciovateľné štandardnou energiou 10J. Na obr. 1.11 je uvedená výbuchová charakteristika neranetu C16.
1.4.5 Turbulencia zmesi
Z rastúcou turbulenciou zmesi v okamihu iniciácie sa zvyšujú maximálne výbuchové parametre, najmä maximálna rýchlosť narastania výbuchového tlaku. Nárast parametrov je väčší pri plynoch a parách s nízkou hodnotou kubickej konštanty v kľudovom stave. (Napr. pri metánovzduchovej zmesi činí nárast o cca 700%.) Na obr. 1.12 je znázornený vplyv turbulencie na výbuchovú charakteristiku metánu.
1.4.6 Spojené nádoby
Ak sú nádoby spojené potrubím, môže sa výbuch potrubím preniesť z jednej nádoby do druhej. Vplyvom predkomprimácie a turbulencie dochádza k značnému zvýšeniu maximálnych výbuchových parametrov. Po iniciácii zmesi v prvej nádobe horí zmes najprv laminárnym plameňom, ktorý po dosiahnutí ústia vstupuje do spojovacieho potrubia. Tu sa rýchlosť šírenia čela plameňa zvyšuje a plameň sa stáva turbulentným. Čerstvá zmes je pred postupujúcim plameňom stláčaná. Preto keď plameň vstupuje z potrubia do druhej nádoby, kde je čerstvá zmes predkomprimovaná a silne turbulentná. dochádza vplyvom prudkého turbulentného horenia k veľmi rýchlemu narastaniu tlaku, ktorý je doprevádzaný mohutnými tlakovými kmitmi. Nárast maximálnych výbuchových parametrov v zrovnaní s výbuchom v jednotlivých nádobách závisí na veľkosti a usporiadaní nádob, na priemere a na dĺžke spojovacieho potrubia.
Najmenej priaznivý prípad nastáva, ak sa šíri výbuch z väčšej do menšej nádoby. Potom môže dôjsť k nárastu maximálneho výbuchového tlaku v druhej nádobe o stovky percent a rýchlosti pri narastaní výbuchového tlaku o desiatky tisíc percent v zrovnaní s výbuchom v jednotlivých nádobách. Autor (3) sledoval vplyv spojenia nádob na maximálne výbuchové parametre. Pri usporiadaní dvoch nádob spojených potrubím s priemerom 400 mm a dĺžky l = 10m, keď sa výbuch šíril z nádoby väčšieho objemu 5 m3 do nádoby väčšie ho objemu 1 m3 je uvedený v tabuľke 1.3.
Na obr. 1.13 je znázornený vplyv turbulencie na maximálne výbuchové parametre zmesi pentánu so vzduchom. V = 1,7 m3 (podľa (5)).
Percentuálny nárast maximálnych výbuchových parametrov pri výbušných zmesiach rôznych brizancií je znazornený na obr. 1.14. Pri najbrizantnejšej zmesi (vodíkovdzuchovej) je nárast tlaku najmenší a naopak.
TABUĽKA 1.3. Vplyv spojenia nádob ma maximálne výbuchové parametre zmesi metánu so vzduchom:
V(1) = 5m3 ® V(2) = 1m3, priemer spojovacieho potrubia D = 400 mm, dĺžka spojovacieho potrubia l = 10m, únikový pomer f= 0,025m2/m3 – výbuch bol iniciovaný vo veľkej nádobe a šíril sa do malej. (Podľa (5)).