Акумулациони бојлер је посуда под притиском у којој се налази велика количина воде и извор топлоте. У нормалном раду температура и притисак ограничени су са више независних заштита и до опасног стања не може да дође.
Експлозија је могућа тек када заштите које треба да прекину загревање и растерете прекомерни притисак не обаве своју функцију, а грејач настави да предаје енергију води.
Да би се разумело шта се тада дешава, потребно је разумети однос температуре, притиска и агрегатног стања воде.
Вода не кључа увек на 100 °C
Температура кључања воде зависи од притиска.
Вода кључа када њен притисак засићене паре достигне притисак средине у којој се налази. При нормалном атмосферском притиску то се дешава на приближно 100 °C.
Ако је притисак већи, потребна је и виша температура да би вода прокључала.
Приближно:
- при атмосферском притиску вода кључа на 100 °C;
- при 1 bar надпритиска на око 120 °C;
- при 3 bar надпритиска на око 144 °C;
- при 5 bar надпритиска на око 159 °C;
- при 7 bar надпритиска на око 170 °C.
Зато вода у затвореној посуди под притиском може остати у течном стању и на температурама знатно вишим од 100 °C.
Управо је та чињеница кључна за разумевање експлозије бојлера.
Шта се дешава ако загревање не престане?
Претпоставимо да су електричне температурне заштите отказале и да грејач наставља да ради.
Вода непрекидно прима топлотну енергију.
У почетку расте њена температура, а истовремено се вода термички шири. Ако је систем хидраулички затворен и ширење воде не може да буде прихваћено или растерећено, због веома мале стишљивости воде и релативно мале еластичности казана притисак може нагло да расте.
Зато већ само загревање потпуно затворене количине течне воде може створити веома висок притисак.
У исправном систему тај пораст ограничава сигурносни вентил, односно други елементи предвиђени за прихватање термичке експанзије.
За сценарио експлозије претпостављамо да ни растерећење прекомерног притиска више не функционише.
Грејач зато наставља да уноси енергију у затворену посуду.
Температура и притисак настављају да расту
Како се вода загрева, стање у казану зависи од њене температуре, притиска и расположиве запремине.
Ако се достигне температура засићења која одговара постојећем притиску, почиње стварање водене паре.
Али није неопходно да пре пуцања казана постоји велики простор испуњен паром.
Велика количина енергије може бити акумулирана у самој врелој течној води под притиском.
На пример, вода температуре 170 °C може при притиску од приближно 7 bar изнад атмосферског и даље постојати као течност у равнотежи са паром.
Истих 170 °C при атмосферском притиску представља потпуно другачије стање, вода на том притиску не може стабилно остати течна на тој температури.
Та разлика постаје пресудна у тренутку када казан попусти.
Шта се дешава са самим казаном?
Притисак воде делује на целокупну унутрашњу површину казана.
Како притисак расте, расту и механичка напрезања у материјалу казана и његовим спојевима.
Код приближно цилиндричне посуде посебно је значајно ободно, односно кружно напрезање зида. У поједностављеном моделу танкозидне цилиндричне посуде оно расте приближно пропорционално унутрашњем притиску и пречнику посуде, а смањује се повећањем дебљине зида.
Другим речима:
што је већи унутрашњи притисак, већа је сила којом садржај покушава да раздвоји зидове посуде.
Казан има одређену механичку издржљивост. Ако притисак настави да расте, у неком тренутку најслабији део конструкције попушта.
То може бити завар, кородирани део зида, спој или друго механички ослабљено место.
Само место првог пуцања није оно што одређује да ли ће догађај бити насилан.
Пресудан је садржај казана у тренутку пуцања.
Пуцањем казана притисак нагло пада
Претпоставимо да се у казану налази вода на 170 °C под високим притиском.
Казан попусти и отвори се према просторији.
Притисак унутар посуде тада почиње нагло да пада према атмосферском.
Температура воде, међутим, не може у истом тренутку да падне са 170 на 100 °C.
Тако добијамо воду која је још увек веома врела, али се одједном налази на притиску при ком не може у целости да остане течна.
Део воде зато готово тренутно прелази у пару.
Ова појава назива се нагло или flash испаравање.
Зашто је нагло испаравање толико насилно?
Разлика између запремине течне воде и водене паре је огромна.
При атмосферском притиску један килограм течне воде заузима приближно један литар, док један килограм засићене водене паре на 100 °C заузима око 1,67 кубних метара.
Дакле, при преласку из течности у пару долази до повећања специфичне запремине реда више од хиљаду пута.
При наглом паду притиска не испари сва вода из казана, јер је за испаравање потребна велика количина енергије. Испарава само онај део за који постоји довољно акумулиране топлотне енергије.
Али и тај део је довољан да створи огромну количину паре.
На пример, за воду која се налази на око 170 °C и 7 bar надпритиска, наглим растерећењем до атмосферског притиска теоријски око 13% њене масе може да пређе у flash пару.
Ако би казан садржао приближно 80 kg воде, то би представљало више од 10 kg новонастале паре.
При атмосферском притиску та количина засићене паре одговара запремини реда десетина кубних метара.
То није запремина која ће се у реалном догађају тренутно и идеално формирати у затвореној просторији, процес пуцања, испаравања, хлађења и мешања изузетно је динамичан, али показује колика количина енергије може бити акумулирана у врелој води под притиском.
Пуцање казана је почетак нагле декомпресије
Зато експлозију акумулационог бојлера не треба посматрати само као последицу тога што је „притисак разнео казан“.
Прекомерни притисак најпре доводи посуду до механичког отказа.
Али када посуда почне да се отвара, настаје други процес:
пуцање казана → нагли пад притиска → flash испаравање дела вреле воде → нагло ширење паре → даље насилно отварање и распадање посуде.
Што се посуда брже отвара, брже пада притисак.
Што брже пада притисак, већа количина вреле воде одједном се налази изнад температуре кључања која одговара новом притиску.
Зато се процес може развити веома брзо и претворити почетни механички отказ у насилно распадање казана.
Одакле заправо долази енергија експлозије?
Енергију експлозије не ствара сама водена пара „ни из чега“.
Она је претходно унета у бојлер радом електричног грејача и акумулирана као топлотна енергија воде.
Док је вода затворена и под високим притиском, она може да задржи ту енергију остајући у течном стању на температури знатно вишој од 100 °C.
Када притисак нагло нестане, нови услови више не дозвољавају да сва та вода остане течна.
Део акумулиране топлотне енергије зато се користи за нагло испаравање воде, а настала пара се веома брзо шири.
Управо је прегрејана вода под притиском резервоар енергије који омогућава насилан ток догађаја.
Шта све мора да откаже да би до тога дошло?
Исправан бојлер не сме да достигне описано стање.
Пре тога постоји више независних могућности да процес буде заустављен:
- мора престати нормална регулација температуре;
- мора изостати додатно искључење грејача при прекомерној температури;
- грејач мора наставити да предаје енергију;
- систем за растерећење прекомерног притиска мора бити неисправан, онемогућен или недоступан казану.
Тек када се изгуби више независних нивоа заштите, могу се створити услови за опасно повећање температуре и притиска.
Зато експлозија акумулационог бојлера није последица једног уобичајеног квара, већ крајњи исход ланца отказа који омогућава да се у затвореној посуди акумулира велика количина енергије.
Суштина процеса
Цео механизам може се свести на неколико корака:
неконтролисано загревање воде ↓ раст температуре и притиска ↓ вода под притиском остаје течна и на температури знатно изнад 100 °C ↓ притисак прелази механичку издржљивост казана ↓ казан попушта и долази до нагле декомпресије ↓ део вреле воде тренутно прелази у пару ↓ настала пара се нагло шири ↓ казан се насилно распада
Зато се код експлозије акумулационог бојлера не ради само о „пуцању посуде због високог притиска“.
Разорност догађаја произлази из комбинације механичког отказа посуде под притиском и наглог испаравања вреле воде након декомпресије.