Průběh výbuchu

Průběh výbuchu prachu

Přestože se výbuch navenek jeví jako extrémně rychlý děj, dá se jeho průběh rozdělit do několika částí, které vždy proběhnou a které mají určité zákonitosti. Kromě toho se liší průběhy výbuchu různých látek v závislosti na jejich výbuchových charakteristikách.

Na tomto grafu je znázorněn průběh tlaku u dvou výbuchů prachů, které se liší svým parametrem K_ST. Žlutý graf představuje výbuch, jehož průběh je razantnější (prach má vyšší K_ST) než výbuch dle červeného grafu - za stejný časový úsek došlo u žlutého grafu k vyššímu nárůstu tlaku. Obecně vzato platí, že prachy s vyšším K_ST dosahují také vyšších maximálních výbuchových tlaků, ale nemusí to platit vždy.

Na žlutém grafu můžeme také demonstrovat základní fáze výbuchu:

A - iniciace

V bodě A proběhne iniciace výbuchu, tedy jev, při kterém se v prachovzdušné atmosféře vyskytne iniciační zdroj, jehož energie je rovna nebo vyšší než je minimální iniciační energie daného prachu. V této fázi začíná relativně pomalé hoření a oteplování částic prachu, které se iniciačního zdroje přímo dotýkají. Dochází také zatím k pomalému nárůstu tlaku.

A-B - komprese

Mezi body A a B dochází k hoření čím dál většího množství částic - hoření se začíná lavinovitě šířit do všech směrů. Dochází k zahřívání atmosféry a jejímu stlačování díky tomu, že plynné spaliny výbuchu mají větší objem (a v uzavřené nádobě tedy i vyšší tlak) než původní výbušná atmosféra. Tato fáze trvá cca 3-10 milisekund a je extrémně kritická pro fungování ochranných systémů, které by v právě této fázi měly výbuch detekovat a začít proti němu působit.

B - počátek hoření celé směsi

V bodě B je výbušná atmosféra natolik zahřátá a zkomprimovaná, že se šíření výbuchu mezi jednotlivými částicemi prachu extrémně urychluje a nastává hlavní fáze výbuchu.Těsně za bodem B dochází vlivem přetlaku v uzavřené nádobě k otvírání systémů na odlehčení výbuchu (membrány, speciální ventily) a k počátku vnášení hasiva systémů na potlačení výbuchu.

B-C - hlavní fáze výbuchu

V této fázi probíhá vlastní výbuch. Rychlost jeho šíření, tedy zapalování jednotlivých částic a doba jejich hoření závisí na parametru K_ST a také na počátečním tlaku (pokud má atmosféra na začátku vyšší tlak, není zapotřebí tak dlouhé doby pro komprimaci směsi) a teplotě (vyšší počáteční teplota znamená, že částice se v první fázi výbuchu zahřejí na potřebnou zápanou teplotu daleko rychleji).
Tato fáze výbuchu trvá řádově desítky až stovky milisekund zejména s ohledem na objem výbušné atmosféry a jejích parametrech. Pokud není na zařízení ochranný systém proti výbuchu a zařízení není odolné výbuchovému tlaku, dochází v této fázi k destrukci zařízení, vzniku trhlin a také k počátku šíření výbuchu do propojených částí technologie.

C - dosažení maximálního výbuchového tlaku

Poté, co vyhoří všechny částice, které se na výbuchu podílejí, zastaví se nárůst tlaku, který tak dosáhne svého maxima. Za tímto bodem už dochází pouze k chladnutí spalin a uvolňování tlaku případnými netěsnostmi. Zde také může dojít k zajímavému efektu, kdy zařízení, které byť oslabeno plastickou deformací, vydrží výbuch (nárůst tlaku) - například díky tomu, že výbuch proběhl pouze v malém objemu nebo neměl optimální parametry, vlivem ochlazení spalin dojde k jejich prudkému smrštění a tím pádem může dojít ke zhroucení zařízení směrem dovnitř (implozi).

Průběh výbuchu plynu

Výbuch plynu nebo par hořlavých kapalin v uzavřené nádobě má v podstatě obdobný průběh, jako výbuch prachů, ovšem s daleko vyššími parametry rychlosti nárůstu tlaku a maximálního výbuchového tlaku (křivka je mnohem strmější a má větší maximum). Nutno podotknout, že výbuch plynů a par končí v podstatě vždy destrukcí zařízení kubických objemů a následným požárem. Vzhledem k tomu, že pro ochranu před výbuchem plynů a par v kubických nádobách neexistuje ochranný systém, nemá příliš smysl jeho průběh sledovat.
Výjimku tvoří speciální membrány pro odlehčení výbuchu, které mohou ochránit pláště menších nádob při výbuchu určitých plynů, ty jsou ovšem užívány pouze výjimečně a pro běžné nádrže na hořlavé kapaliny nejsou nijak účinné.

Daleko důelžitější je sledovat postup výbuchu potrubím, protože to většinou výbuchový tlak vydrží (tlak působí nejvíce v axiálním směru) a tak může vést výbuch (nebo požár) z jednoho zařízení do jiného. Tomuto šíření se dá poměrně jednoduše zabránit a proto je důležité vědět, jakým způsobem se výbuch v potrubí šíří.

Na rozdíl od výbuchu prachu není v případě šíření výbuchu plynu potrubím důležitý čas od iniciace, ale vzdálenost od místa iniciace, resp. vzdálenost od začátku potrubí. V určítých vzdálenostech se totiž výbuch projevuje jinak, jak je vidět na výše uvedeném grafu.

A-B - pásmo deflagrace (žlutá barva)

V pásmu deflagrace, které je dlouhé zhruba desetinásobek průměru potrubí, dochází ke komprimaci a zahřívání plynné směsi a jejímu hoření. V této části dochází téměř k lineárnímu nárůstu tlaku a rychlosti jeho šíření. V této fázi je také výbuch relativně snadné zastavit, proto by měl být ochranný systém (protiexplozivní pojistka) umístěn, pokud možno, v této části potrubí.

B-C - pásmo nestabilní detonace (červená barva)

V pásmu nestabilní detonace dochází vlivem turbulencí k extrémním výkyvům rychlosti šíření výbuchu a k enormnímu nárůstu tlaku. V této fázi je těžké výbuch zastavit - existuje jenom velice málo protiexplozovních pojistek, které jsou schopny zastavit výbuch v pásmu nestabilní detonace. V pásmu nestabilní detonace překračuje rychlost šíření výbuchu rychlost zvuku.

C a dále - stabilní detonace (modrá barva)

Za bodem C, který je zhruba ve vzdálenosti stonásobku průměru potrubí, pokračuje výbuch v podstatě konstantní rychlostí a jeho tlakové účinky jsou v zásadě neměnné (ovšem vyšší, než u deflagrace). Výbuch dále pokračuje nadzvukovou rychlostí. Pokud jsou v cestě překážky, které by mohly výbuch zpomalit nebo do jeho šíření zasáhnout (ventily, měřící sondy, odbočky), může dojít znovu k vytvoření pásma nestabilní detonace.
V pásmu stabilní detonace je rovněž možné výbuch zastavit, ovšem za cenu dražšího ochranného systému.