Akumulacioni bojler je posuda pod pritiskom u kojoj se nalazi velika količina vode i izvor toplote. U normalnom radu temperatura i pritisak ograničeni su sa više nezavisnih zaštita i do opasnog stanja ne može da dođe.
Eksplozija je moguća tek kada zaštite koje treba da prekinu zagrevanje i rasterete prekomerni pritisak ne obave svoju funkciju, a grejač nastavi da predaje energiju vodi.
Da bi se razumelo šta se tada dešava, potrebno je razumeti odnos temperature, pritiska i agregatnog stanja vode.
Voda ne ključa uvek na 100 °C
Temperatura ključanja vode zavisi od pritiska.
Voda ključa kada njen pritisak zasićene pare dostigne pritisak sredine u kojoj se nalazi. Pri normalnom atmosferskom pritisku to se dešava na približno 100 °C.
Ako je pritisak veći, potrebna je i viša temperatura da bi voda proključala.
Približno:
- pri atmosferskom pritisku voda ključa na 100 °C;
- pri 1 bar nadpritiska na oko 120 °C;
- pri 3 bar nadpritiska na oko 144 °C;
- pri 5 bar nadpritiska na oko 159 °C;
- pri 7 bar nadpritiska na oko 170 °C.
Zato voda u zatvorenoj posudi pod pritiskom može ostati u tečnom stanju i na temperaturama znatno višim od 100 °C.
Upravo je ta činjenica ključna za razumevanje eksplozije bojlera.
Šta se dešava ako zagrevanje ne prestane?
Pretpostavimo da su električne temperaturne zaštite otkazale i da grejač nastavlja da radi.
Voda neprekidno prima toplotnu energiju.
U početku raste njena temperatura, a istovremeno se voda termički širi. Ako je sistem hidraulički zatvoren i širenje vode ne može da bude prihvaćeno ili rasterećeno, zbog veoma male stišljivosti vode i relativno male elastičnosti kazana pritisak može naglo da raste.
Zato već samo zagrevanje potpuno zatvorene količine tečne vode može stvoriti veoma visok pritisak.
U ispravnom sistemu taj porast ograničava sigurnosni ventil, odnosno drugi elementi predviđeni za prihvatanje termičke ekspanzije.
Za scenario eksplozije pretpostavljamo da ni rasterećenje prekomernog pritiska više ne funkcioniše.
Grejač zato nastavlja da unosi energiju u zatvorenu posudu.
Temperatura i pritisak nastavljaju da rastu
Kako se voda zagreva, stanje u kazanu zavisi od njene temperature, pritiska i raspoložive zapremine.
Ako se dostigne temperatura zasićenja koja odgovara postojećem pritisku, počinje stvaranje vodene pare.
Ali nije neophodno da pre pucanja kazana postoji veliki prostor ispunjen parom.
Velika količina energije može biti akumulirana u samoj vreloj tečnoj vodi pod pritiskom.
Na primer, voda temperature 170 °C može pri pritisku od približno 7 bar iznad atmosferskog i dalje postojati kao tečnost u ravnoteži sa parom.
Istih 170 °C pri atmosferskom pritisku predstavlja potpuno drugačije stanje, voda na tom pritisku ne može stabilno ostati tečna na toj temperaturi.
Ta razlika postaje presudna u trenutku kada kazan popusti.
Šta se dešava sa samim kazanom?
Pritisak vode deluje na celokupnu unutrašnju površinu kazana.
Kako pritisak raste, rastu i mehanička naprezanja u materijalu kazana i njegovim spojevima.
Kod približno cilindrične posude posebno je značajno obodno, odnosno kružno naprezanje zida. U pojednostavljenom modelu tankozidne cilindrične posude ono raste približno proporcionalno unutrašnjem pritisku i prečniku posude, a smanjuje se povećanjem debljine zida.
Drugim rečima:
što je veći unutrašnji pritisak, veća je sila kojom sadržaj pokušava da razdvoji zidove posude.
Kazan ima određenu mehaničku izdržljivost. Ako pritisak nastavi da raste, u nekom trenutku najslabiji deo konstrukcije popušta.
To može biti zavar, korodirani deo zida, spoj ili drugo mehanički oslabljeno mesto.
Samo mesto prvog pucanja nije ono što određuje da li će događaj biti nasilan.
Presudan je sadržaj kazana u trenutku pucanja.
Pucanjem kazana pritisak naglo pada
Pretpostavimo da se u kazanu nalazi voda na 170 °C pod visokim pritiskom.
Kazan popusti i otvori se prema prostoriji.
Pritisak unutar posude tada počinje naglo da pada prema atmosferskom.
Temperatura vode, međutim, ne može u istom trenutku da padne sa 170 na 100 °C.
Tako dobijamo vodu koja je još uvek veoma vrela, ali se odjednom nalazi na pritisku pri kom ne može u celosti da ostane tečna.
Deo vode zato gotovo trenutno prelazi u paru.
Ova pojava naziva se naglo ili flash isparavanje.
Zašto je naglo isparavanje toliko nasilno?
Razlika između zapremine tečne vode i vodene pare je ogromna.
Pri atmosferskom pritisku jedan kilogram tečne vode zauzima približno jedan litar, dok jedan kilogram zasićene vodene pare na 100 °C zauzima oko 1,67 kubnih metara.
Dakle, pri prelasku iz tečnosti u paru dolazi do povećanja specifične zapremine reda više od hiljadu puta.
Pri naglom padu pritiska ne ispari sva voda iz kazana, jer je za isparavanje potrebna velika količina energije. Isparava samo onaj deo za koji postoji dovoljno akumulirane toplotne energije.
Ali i taj deo je dovoljan da stvori ogromnu količinu pare.
Na primer, za vodu koja se nalazi na oko 170 °C i 7 bar nadpritiska, naglim rasterećenjem do atmosferskog pritiska teorijski oko 13% njene mase može da pređe u flash paru.
Ako bi kazan sadržao približno 80 kg vode, to bi predstavljalo više od 10 kg novonastale pare.
Pri atmosferskom pritisku ta količina zasićene pare odgovara zapremini reda desetina kubnih metara.
To nije zapremina koja će se u realnom događaju trenutno i idealno formirati u zatvorenoj prostoriji, proces pucanja, isparavanja, hlađenja i mešanja izuzetno je dinamičan, ali pokazuje kolika količina energije može biti akumulirana u vreloj vodi pod pritiskom.
Pucanje kazana je početak nagle dekompresije
Zato eksploziju akumulacionog bojlera ne treba posmatrati samo kao posledicu toga što je „pritisak razneo kazan“.
Prekomerni pritisak najpre dovodi posudu do mehaničkog otkaza.
Ali kada posuda počne da se otvara, nastaje drugi proces:
pucanje kazana → nagli pad pritiska → flash isparavanje dela vrele vode → naglo širenje pare → dalje nasilno otvaranje i raspadanje posude.
Što se posuda brže otvara, brže pada pritisak.
Što brže pada pritisak, veća količina vrele vode odjednom se nalazi iznad temperature ključanja koja odgovara novom pritisku.
Zato se proces može razviti veoma brzo i pretvoriti početni mehanički otkaz u nasilno raspadanje kazana.
Odakle zapravo dolazi energija eksplozije?
Energiju eksplozije ne stvara sama vodena para „ni iz čega“.
Ona je prethodno uneta u bojler radom električnog grejača i akumulirana kao toplotna energija vode.
Dok je voda zatvorena i pod visokim pritiskom, ona može da zadrži tu energiju ostajući u tečnom stanju na temperaturi znatno višoj od 100 °C.
Kada pritisak naglo nestane, novi uslovi više ne dozvoljavaju da sva ta voda ostane tečna.
Deo akumulirane toplotne energije zato se koristi za naglo isparavanje vode, a nastala para se veoma brzo širi.
Upravo je pregrejana voda pod pritiskom rezervoar energije koji omogućava nasilan tok događaja.
Šta sve mora da otkaže da bi do toga došlo?
Ispravan bojler ne sme da dostigne opisano stanje.
Pre toga postoji više nezavisnih mogućnosti da proces bude zaustavljen:
- mora prestati normalna regulacija temperature;
- mora izostati dodatno isključenje grejača pri prekomernoj temperaturi;
- grejač mora nastaviti da predaje energiju;
- sistem za rasterećenje prekomernog pritiska mora biti neispravan, onemogućen ili nedostupan kazanu.
Tek kada se izgubi više nezavisnih nivoa zaštite, mogu se stvoriti uslovi za opasno povećanje temperature i pritiska.
Zato eksplozija akumulacionog bojlera nije posledica jednog uobičajenog kvara, već krajnji ishod lanca otkaza koji omogućava da se u zatvorenoj posudi akumulira velika količina energije.
Suština procesa
Ceo mehanizam može se svesti na nekoliko koraka:
nekontrolisano zagrevanje vode ↓ rast temperature i pritiska ↓ voda pod pritiskom ostaje tečna i na temperaturi znatno iznad 100 °C ↓ pritisak prelazi mehaničku izdržljivost kazana ↓ kazan popušta i dolazi do nagle dekompresije ↓ deo vrele vode trenutno prelazi u paru ↓ nastala para se naglo širi ↓ kazan se nasilno raspada
Zato se kod eksplozije akumulacionog bojlera ne radi samo o „pucanju posude zbog visokog pritiska“.
Razornost događaja proizlazi iz kombinacije mehaničkog otkaza posude pod pritiskom i naglog isparavanja vrele vode nakon dekompresije.
