Podstawy teoretyczne

Wybuch lub inaczej eksplozja chemiczna jest to gwałtowna reakcja chemiczna połączona z intensywnym wydzielaniem ciepła, zdolna do samopodtrzymującej się propagacji w materiale. Zwiększenie ciśnienia podczas wybuchu jest przede wszystkim spowodowane wzrostem temperatury, ale ważna może być też zmiana liczby moli gazu w wyniku reakcji chemicznych.

Niezbędne czynniki do wystąpienia wybuchu pyłowego:

• Paliwo musi mieć kontakt z utleniaczem

• Zapoczątkowanie spalania wymaga czynnika inicjującego

• Do wytworzenia chmury pyłowej niezbędne jest mechaniczne mieszanie (np. podmuch)

• Ograniczenie przestrzeni

Wybuchy paliw zachodzą w fazie gazowej (stałe paliwo wybucha tylko w postaci aerozolu), co decyduje o mechanizmie rozwoju wybuchu. Mierzona szybkością wzrostu ciśnienia dynamika wybuchu jest zdeterminowana prędkością rozprzestrzeniania się płomienia w kierunku świeżej mieszanki.

Inicjacja wybuchu następuje w wyniku zapłonu mieszanki palnej. Może on mieć charakter wymuszony lub samorzutny. Zapłon wymuszony może być spowodowany przez różne postacie energii wyzwalanej w rozmaitych procesach (iskra elektryczna, płomień, żarzące się cząstki, gorąca struga gazu, nagrzane ciało, silnie skupione promieniowanie, reakcje chemiczne i fala uderzeniowa). Warunkiem koniecznym wywołania zapłonu jest osiągnięcie odpowiedniej temperatury mieszanki przez dostarczenie do niej wystarczającej porcji energii. Minimalna energia zapłonu należy do ważnych parametrów charakteryzujących właściwości wybuchowe paliw i zależy od rodzaju paliwa, składu mieszanki oraz warunków zapłonu. Samorzutny charakter inicjacji wybuchu (zapłonu) występuje wówczas, gdy temperatura palnej mieszanki osiągnie taką wartość, że następuje lawinowy rozwój reakcji bez jakichkolwiek bodźców z zewnątrz. Ta wstępna faza wybuchu może mieć charakter cieplny lub łańcuchowy.

.

Schemat układu pomiarowego

Wykaz przyrządów pomiarowych

1. Analizator ciśnienia, koncentracji pyłu i prędkości narostu ciśnienia podłączony do komputera.

Tabele pomiarowe

Tabela 1. Tabela pomiarowa i obliczeniowa

Lp.	koncentracja	maksymalne	maksymalna prędkość	współczynnik
	pyłu	ciśnienie wybuchu	narostu ciśnienia	wybuchowości
	c	pmax	dp/dtmax	K
	kg/m^3	bar	bar/s	MPa*m/s
0	0	0,6533	1,583	0,04
1	0,03	2,9884	38,18	1,08
2	0,06	4,8182	43,39	1,22
3	0,125	6,7539	66,32	1,87
4	0,25	7,8997	72,88	2,05
5	0,5	8,7835	97,35	2,74
6	0,65	9,4548	108,3	3,05
7	0,8	9,9654	128,2	3,61
8	0,9	10,587	132,5	3,74
9	1	10,226	130,8	3,69
10	1,25	9,9841	126,5	3,57
11	1,5	9,7893	111,4	3,14

Przykłady obliczeń

$$K = \left( \frac{\text{dp}}{\text{dt}} \right)_{\max} \bullet V^{1/3} = 1,583 \bullet 10^{5} \bullet \left( 22,4 \bullet 10^{- 3} \right)^{1/3} = 44623,5\ Pa\frac{m}{s} = 0,04\ MPa\frac{m}{s}$$

Maksymalna wartość $K = 3,74\ MPa\frac{m}{s}$. Zgodnie z tabelą 2. oznacza to pył słabo wybuchowy.

Tabela 2. Klasyfikacja pyłów ze względu na ich właściwości wybuchowe.

Wykresy

Rys.2. Wykres zależności maksymalnego ciśnienia wybuchu od koncentracji pyłu.

Rys.3. Wykres zależności maksymalnej prędkości narostu ciśnienia od koncentracji pyłu.

Uwagi i wnioski

Pył, którego używaliśmy do przeprowadzenia ćwiczenia, to węgiel brunatny z elektrowni Turów o frakcji ziaren < 80μm. Po obliczeniu współczynnika wybuchowości K sklasyfikowaliśmy go jako pył słabo wybuchowy. Zgadza się to z danymi teoretycznymi zawartymi w tabeli 7.4 w skrypcie „Spalanie i Paliwa”. Dolna granica wybuchowości pyłu wyznaczona graficznie na wykresie z rys.2. wyniosła ok. 0,01 kg/m3, co jest niższe od danych teoretycznych dla węgla brunatnego (0,1-0,15 kg/m3). Na wykresie zależności p_max=f(c) można zauważyć, że charakterystyka rośnie aż do ciśnienia ok. 11 bar przy koncentracji 0,9 kg/m³, a następnie zaczyna powoli opadać. Podobnie wygląda wykres zależności (dp/dt)_max=f(c), który osiąga maksimum ok. 130 bar/s.