Физика взрыва ➽ Что общего между пожаром на кухне и взрывом доменной печи?
В одной из серий передачи "Разрушители легенд" на телеканале Дискавери, Адам и Джейми опровергают миф о пожаре на кухне. Всё при строго обозначенных условиях. Они действительно не дают никаких поблажек выполняя свои эксперименты.
Серия довольно показательная, но я решил пойти чуть дальше. Когда легенду разрушили у Джейми появилась идея с помощью масла и обычной консервной банки с бульоном совершить взрыв на импровизированной кухне. В выпуске этому уделено немного внимания. Это скорее баловство или инженерное любопытство. Информация о данном эксперименте как-то упущена из виду. Я решил дополнить этот выпуск своим не большим исследованием!
Объясню, с точки зрения физики взрыва, что же там происходило.
А также я поискал в истории металлургической промышленности примеры действия такого взрыва и его последствия. Для понимания масштаба мы переместимся с импровизированной американской кухни, на Днепровский металлургический комбинат к доменной печи. Потому как принцип возникновения аварии одинаковый. За исключением масштабов и приведенных частей вещества.
Физическая детонация
Итак, серия была про пламя высотой в девять метров. Достигали такого эффекта применяя раскалённое масло. Случай довольно известный. Для его реализации потребуется две части масла, оливковое или пальмовое тут неважно и одна часть воды. Температура кипения одного из представленных веществ должна быть значительно больше другого. Условно выражаясь понадобиться две жидкости горячая и холодная. Как ни странно, для физической детонации этого достаточно.
Разница температур воспламенения и кипения должна быть существенной. Минимум одно из значений должно быть превышено вдвое. Другое дело что требуются неординарные условия. Так что же происходит в процессе?
Механизм Физической детонации
Взрыв — это, по сути, скачок давления, скорости либо температуры происходящий за короткий промежуток времени. Резкое увеличение одного из этих параметров и есть взрыв.
Примеры.
Объект резко нагрузил пространство в результате образовалась ударная волна.
Объект резко превысил скорость звука в результате образовалась ударная волна.
Объект резко превысил температуру в результате образовалась... Внимание что? Ударная волна.
Все параметры очень зависимы друг от друга.
Заглянем внутрь процесса!
Горящее масло при взаимодействии с водой расходует огромное количество тепла. Всего лишь за 1 мс на процесс фазового перехода затрачивается такой объем энергии, что в итоге появляется избыточное давление т. е. ударная волна. Тепловой энергии, необходимой для испарения и расширения пара слишком много. Однако есть важный момент! Теплоотвод происходит недостаточно быстро. Скорость испарения превышает скорость его отведения.
Элементарное сравнение! Мегаполис в праздничный день. Наземный и подземный транспорт не успевают подходить и развозить пассажиров. Народу много и образуется давка.
Испарение подобно пассажирам едва успевает перемещаться как вновь следом за ним появляется новое. Есть две главных причины, из-за которых собственно вся эта суматоха. Смесь т. е. суммарное количество всех капель и теплоноситель.
Вернёмся к нашему сравнению. Согласитесь, если бы не праздник, привлекший столько народа собственно давки, могло и не быть. Но и транспортная система оказалась не подготовленной. Теплоноситель просто-напросто пасует и сдаётся перед таким количеством энергии. Ведь она так быстро выделяется.
Говорим смесь подразумеваем жидкость, говорим теплоноситель, подразумеваем газообразное вещество способное к передаче тепла. Однако между двумя участниками процесса происходит довольно интенсивное взаимодействие, они близки настолько что между ними способен перемещаться импульс ударной волны. С поверхности мелкой капли пар буквально отрывается и процесс вновь обновляется до полного её расхода. Пар образуется чуть быстрее чем это возможно при заданных нормальных условиях, расходуя всю воду.
К тому же взрывная волна делит смесь на маленькие части и действует на каждую индивидуально, ускоряя переход в газообразную фазу.
Давайте вернёмся к нашему теоретическому обоснованию. Представьте, что Министерство Транспорта вдруг предоставило ещё и службу авиационного спасения, и личное воздушное средство передвижения каждому. Естественно дело пойдёт значительно быстрее. Праздничная массовка разойдется, разъедется и разлетится вмиг.
Вся эта история, запечатанная в ограниченное пространство, даёт лишь временное концентрирование теплоносителя внутри, а затем и взрыв. Такая суматоха в миниатюре!
Взрыв - это внезапное изменение состояния вещества, которое сопровождается разогревом, движением и сжатием как окружающей среды, так и продуктов взрыва.
В рассмотренном случае на телеканале Дискавери, результатом физической детонации становится тепловой взрыв. Произошло превышение скорости выделения теплоты над скоростью теплоотвода. Тепла так много, что система с трудом способна его передать
Несомненно, Адам и Джейми эксперимент провели безопасно. Однако давайте попробуем рассмотреть этот процесс в производственных реалиях 90 ых годов.
Авария в Днепродзержинске 9.09.1993
Сегодня есть заключения расследования, понятен механизм аварии и последствия. Пострадали 29 человек и 18 погибли. Но давайте обратимся к хроникам. В 1993 году уже работала редакция газеты Коммерсант. Одной из первых в России они стали публиковаться в интернете. Есть новость корреспондента в выпуске Номер 173 от 10.09.1993.
Кирилл Дыбский сообщает
Сотрудники СГТ произвели проверку датчиков, контролирующих все технологические параметры объекта. После этого началась подача топлива в бункер домны и интенсивная кислородная продувка. На металлургическом производстве этот процесс (постепенное увеличение температуры до рабочего уровня) называется "разгоном".
Также корреспондент упомянул
Возможная причина аварии — нарушение технологических режимов при переходе от одного температурного порога к другому, иными словами, попытка "разогнать" печь до рабочего уровня форсированными методами.
Любой технолог или инженер промышленной безопасности скажет, что подобное намеренное форсирование оно ни к чему, не нужно и бессмысленно. Зачем рисковать и нарушать технологию, наращивать темпы и обороты, лично мне неизвестно. Учитывая, что домна до этого работала два дня в режиме холостого хода, по причине отсутствия сырья.
Уже по описанию журналиста становится понятно, что внезапный скачок энергии стал причиной взрыва. Спустя годы появились следующие сведения. В учебном пособии по теории горения и взрыва под общ. редакцией В.А. Девясилова есть упоминание об этом происшествии. На металлургическом комбинате произошел взрыв в результате того что вместе с исходным сырьем при подаче в доменную печь, попало большое количество воды. Влажность сырья была критичной и не подходящей для реализованного температурного режима.
Выгрузка в раскаленную печь стала трагической ошибкой.
Видимо, были упущены температурные характеристики. Один из датчиков мог выйти из строя, неправильно был рассчитан момент загрузки либо влажность смеси. Просмотрели, упустили, вовремя не проверили оборудование. Точное место где именно началась беда неизвестно, однако механизм процесса понятен.
Доменная печь была разогрета больше допустимых значений. Возникла физическая детонация!
Подобный эффект происходит если добавить воду в кипящее масло🔥