Vplyv kyslíku v oxidačnej atmosfére
Zvýšený obsah kyslíku spôsobí zvýšenie výbuchových parametrov s výnimkou spodnej medze výbušnosti, ktorá zostane neovplyvnená. (Horná medza výbušnosti sa výrazne zvyšuje.) V dôsledku väčšieho množstva reagujúcej látky je teplota plameňa vyššia. Preto sa zvyšujú taktiež maximálne výbuchové parametre. Na obr. 1.6 sú pre porovnanie uvedené výbuchové charakteristiky zmesi metánu so vzduchom a s kyslíkom podľa (5).
Zmes horľavý plyn – kyslík má v dôsledku väčšieho množstva reagujúcej látky vyššiu teplotu plameňa a tým aj vyšší výbuchový tlak a maximálnu rýchlosť narastania výbuchového tlaku. V tabuľke 1.4. sú (podľa (3)) pre porovnanie uvedené maximálne výbuchové parametre vodíku a metánu v zmesi s kyslíkom a so vzduchom. V kyslíku majú obidva plyny zhruba rovnakú brizanciu. Významný je nárast hodnoty maximálneho výbuchového tlaku pri metáne z 0,74 na 1,6 MPa.
Tabuľka 1.4. Výbuchové parametre metánu a vodíku v zmesi s kyslíkom. E(i) = 10J. (Podľa (3)).
Opačný vplyv má zníženie obsahu kyslíku. Pri poklese obsahu kyslíku pod. tzv. limitný obsah už nemôže k výbuchu dôjsť. Limitné hodnoty sú závislé na druhu horľavej látky a taktiež na druhu inertného plynu, ktorým sa dosiahne zníženie koncentrácie kyslíku. Pri horľavých prachoch je koncentrácia potrebná pre dosiahnutie nevýbušnosti prachu podstatne vyššia ako medzná koncentrácia kyslíku pri požiari prachu.
1.4.8 Vplyv veľkosti častíc pri prachu
Z rastúcou veľkosťou častíc, tj. s klesajúcou veľkosťou merného povrchu, sa maximálne výbuchové parametre znižujú. Pri strednej veľkosti častíc väčšej než 0,4 mm nie je možné väčšinu prachov štandardnou energiou iniciovať. Stačí však prídavok 5 až 10 hmot.% podielu jemného prachu so strednou veľkosťou zrna cca 0,04 mm a zmes je opäť výbušná. Pritom si je nutné uvedomiť, že pri manipulácii s prachom vznikajú oterom z väčších častíc častice menšie.
1.4.9 Vytváranie hybridných zmesí
Pridanie malého množstva horľavého plynu alebo pary horľavej kvapaliny (pod spodnou medzou výbušnosti) významne mení výbuchové parametre prachovzuchovej zmesi. Maximálne výbuchové parametre sa zvyšujú viď obr. 1.15, spodná medza výbušnosti, minimálna iniciačná energia a optimálna koncentrácia sa prudko znižujú – viď obr. 1.16, 1.17, a 1.18.
Výskyt hybridnej zmesi predstavuje mimoriadne nebezpečie, pretože výbuch je možný už pri veľmi malom množstve horľavého prachu (pod jeho dolnou medzou výbušnosti) i horľavého plynu (pod jeho dolnou medzou výbušnosti). Ako veľký je percentuálny pokles pôvodnej medze výbušnosti horľavého prachu je uvedené na obr. 1.16. Tieto výsledky bolí získané meraním dvadsiatich rôznych druhov čiernouhoľných prachov s obsahom prchavej horľaviny 14 až 35 hmot.%. Zvisle čiarkované čiary znázorňujú rozptyl výsledkov merania (smerodajnú odchýlku).
Hybridnú zmes možno iniciovať podstatne nižšou energiou ako pôvodnú prachovzduchovú zmes. Ako veľký je percentuálny pokles pôvodnej hodnoty iniciačnej energie je pre 10 rôznych druhov černouhoľných prachov s obsahom prchavej horľaviny 14 až 35 hmot.% uvedené na obr. 1.17.
Pritom maximálnych výbuchových parametrov sa dosiahne už pri výrazne nižších koncentráciách prachu, ako je vidieť na obr. 1.18 (množstvo prachu pre dosiahnutie optimálnej koncentrácie s prídavkom plynu lineárne klesá). Účinky výbuchu (maximálne výbuchové parametre) pritom s prídavkom plynu lineárne rastú, najmä však rýchlosť narastania výbuchového tlaku – viď obr. 1.15.
Preto je nutné pri posudzovaní nebezpečia výbuchu a najmä však pri navrhovaní protivýbuchových opatrení dôkladne posúdiť možnosť vytvárania hybridnej zmesi. Ak dôjde k neočakávanému výskytu, potom môže k výbuchu dôjsť aj tam, kde s ním pôvodne nebolo počítané, a taktiež prípadné protivýbuchové opatrenia, pri ktorých návrhu nebolo s hybridnými zmesami počítané, môžu byť neúčinné.
1.4.10 Potrubie
Priebeh výbuchu v potrubí, kde diaľka je omnoho väčšia ako priemer potrubia, je odlišný od priebehu v kubickej nádobe resp. podlhovastej nádobe. Rýchlosť šírenia čela plameňa je ovplyvnená množstvom faktorov, najmä dĺžkou a priemerom potrubia, umiestnením iniciačného zdroja, stavom pohybu zmesi (rýchlosti prúdenia), druhom zmesi, prekážkami v potrubí, uzatvorením potrubia atď.
Ak je potrubie na jednom konci uzatvorené, potom je veľký rozdiel v mechanizmu šírenia čela plameňa v prípadoch, ak bude zmes iniciovaná na uzatvorenom konci alebo na otvorenom konci potrubia.
Ak je zmes iniciovaná na otvorenom konci potrubia, plameň sa šíri smerom do čerstvej zmesi pomerne malou rýchlosťou odpovedajúcou normálnej rýchlosti horenia a celá zmes zhorí v potrubí. Spaliny pritom môžu voľne vytekať z potrubia, postupne dochádza ku kmitaniu zmesi v potrubí, na vypudzovaniu spalín je potreba stále väčšej energie, takže čerstvá zmes pred čelom plameňa je stláčaná a to spôsobuje narastanie rýchlosti šírenia plameňa.
Ak je zmes iniciovaná na uzatvorenom konci potrubia a čelo plameňa sa šíri k otvorenému koncu, sú podmienky šírenia plameňa podstatne odlišné. Vznikajúce spaliny, ktorých objem predstavuje cca 7 násobok objemu čerstvej zmes, vytláča „ako piest“ pred čelom plameňa čerstvú zmes z potrubia. Rýchlosť pohybu čela plameňa je preto daná súčtom rýchlostí horenia zmesi a (z 80 –90 %) rýchlosti vypudzujúcej. V potrubí pritom zhorí len časť zmesi (cca 1/7). Rýchlosť čela plameňa sa tak rýchlo zvyšuje, až prekročí hodnotu Reynoldsovho čísla pre laminárne prúdenie (Re < 2100). Turbulentné prúdenie znamená, že sa podstatne zväčší povrch čela plameňa a tým sa ďalej prudko zvýši rýchlosť horenia zmesi.
Príklad šírenia plameňa v potrubí pri iniciácii na uzatvorenom a otvorenom konci potrubia je uvedený na obr. 1.19 (podľa (3)).
Ak je potrubie dostatočne dlhé, potom pri iniciácii na uzatvorenom konci potrubia rýchlosť šírenia čela plameňa neustále rastie, až dosiahne detonačnej rýchlosti. Dráha na dosiahnutie detonačnej rýchlosti, tzv. rozbehová vzdialenosť, je závislá na druhu plynu a na priemeru potrubia. Ak je v potrubí iniciovaná prúdiaca zmes plynu so vzduchom (turbulentné prúdenie), rozbehové vzdialenosti sa s rastúcim priemerom predlžujú. Viď tabuľka 1.5.
Ak je potrubie obojstranne uzatvorené, rýchlosť šírenia čela plameňa je nižšia a maximálnych hodnôt nedosahuje na konci potrubia – viď tab. 1.6. Iba pri plyne s veľkou brizanciou (vodík) uzavretie potrubia rýchlosť neovplyvní. Brzdiaci efekt uzatvoreného konca však nie je účinný – výbuch sa na 30 m dráhe rozvinie do detonácie pri všetkých troch skúšaných plynoch (metán, propán, vodík), aj keď rozbehové dráhy sú dlhšie ako v jednostranne otvorenom potrubí.
TABUĽKA 1.5. Rozbehové vzdialenosti (dĺžka potrubia potrebná pre dosiahnutie detonačnej rýchlosti) pre rôzne horľavé plyny v zmesi so vzduchom pri optimálnej koncentrácii (turbulentná zmes v okamihu iniciácie). Podľa (3).
TABUĽKA 1.6. Rýchlosť šírenia výbuchu horľavých plynov v jednostranne otvorenom potrubí a v uzatvorenom potrubí. Priemer d = 400 mm, l = 30 m (zmes je iniciovaná v kľudovom stave), E(i) = 10J. Rýchlosť je uvedená v m.s-1. (Podľa(3)).
Pretože v uzatvorenom potrubí nie je možný únik čerstvej nezreagovanej zmesi pred čelom plameňa, zreaguje celá zmes, takže pri rovnakej výbuchovej rýchlosti sú výbuchové tlaky vyššie ako v jednostranne otvorenom potrubí.
Zvlášť vysokých tlakov sa dosiahne, ak sa šíri detonácia proti pevnej prekážke, napr. proti uzatváracej prírube potrubia. Plyny sú tu zbrzdené na nulovú rýchlosť a dochádza k odrazu rázovej vlny.
Zaujímavé je zistenie, že tlaky na zaslepenú prírubu sú asi dvojnásobné pri zmesiach uhľovodíkov so vzduchom v zrovnaní so zmesou vodíku so vzduchom – viď tab. 1.7.
TABUĽKA 1.7. Radiálny tlak na stenu potrubia p(r) a na zaslepenú prírubu pri detonácii p(prír). Tlaky sú uvedené v MPa. Podľa (3).
Pri obávaných výbuchoch horľavých plynov v potrubí je priebeh výbuchu určovaný vypudzovacím efektom resp. prúdením a s ním spojeným stupňom turbulencie zmesi. Normálna rýchlosť horenia má podradný význam. Priebeh horenia je v podstate nezávislý na druhu horľavého plynu a môže najmä v potrubiach malého prierezu prejsť na pomerne krátkej vzdialenosti do detonácie. Analogicky sa chovajú zmesi horľavých prachov so vzduchom s tým, že pri prachovzduchovej zmesi sa vždy jedná o zmes turbulentnú. Pritom pri horľavých prachoch má dĺžka potrubia väčší vplyv. Dĺžka rozbehovej dráhy je pri prachoch väčšia.
V potrubí s priemerom 400 mm dĺžky 40 m môže výbuch prachov o K(st) väčšej než 20 MPa.M.s-1 (PE, drevo) prejsť do detonácie s rýchlosťou okolo 2000 m.s-1. Pri výbuchoch prachov v obojstranne uzatvorenom potrubí sa prejavuje tlmenie výbuchu smerom k uzatvorenému koncu len pri prachoch s kubickou konštantou nižšou než 20 MPa.m.s-1. Pri prudko reagujúcich prachoch je rýchlosť šírenia výbuchu vysoká aj v uzatvorenom potrubí.
Radiálny tlak na potrubie je závislý na rýchlostí šírenia výbuchu v potrubí – bez ohľadu na druh horľavej látky. S rastúcou rýchlosťou šírenia plameňa radiálny tlak v potrubí lineárne rastie. Viď obr. 1.20.
Obecne môžeme povedať, že pri rýchlosti nižšej ako 500 m.s-1 radiálny tlak neprekročí 1,0 MPa, zatiaľ čo pri rýchlosti nad 1000 m.s-1 dosahujú radiálne tlaky krátkodobo 2,5 až 3,0 MPa. Pritom osové tlaky (v rovine kolmé na os potrubia) sú cca viac než trojnásobkom radiálnych tlakov, tj. dosahujú hodnôt až 10 MPa. Viď obr. 1.21.