Накопительный водонагреватель, это сосуд под давлением, в котором находится большое количество воды и источник тепла. При нормальной работе температура и давление ограничены несколькими независимыми защитами, и опасное состояние возникнуть не может.
Взрыв возможен только тогда, когда защиты, которые должны прервать нагрев и сбросить избыточное давление, не выполняют свою функцию, а ТЭН продолжает передавать энергию воде.
Чтобы понять, что тогда происходит, нужно понимать связь между температурой, давлением и агрегатным состоянием воды.
Вода кипит не всегда при 100 °C
Температура кипения воды зависит от давления.
Вода кипит, когда давление её насыщенного пара достигает давления среды, в которой она находится. При нормальном атмосферном давлении это происходит примерно при 100 °C.
Если давление выше, для закипания воды нужна и более высокая температура.
Приблизительно:
- при атмосферном давлении вода кипит при 100 °C;
- при 1 bar избыточного давления, около 120 °C;
- при 3 bar избыточного давления, около 144 °C;
- при 5 bar избыточного давления, около 159 °C;
- при 7 bar избыточного давления, около 170 °C.
Поэтому вода в закрытом сосуде под давлением может оставаться в жидком состоянии и при температурах значительно выше 100 °C.
Именно этот факт является ключевым для понимания взрыва бойлера.
Что происходит, если нагрев не прекращается?
Предположим, что электрические температурные защиты отказали и ТЭН продолжает работать.
Вода непрерывно получает тепловую энергию.
Сначала растёт её температура, и одновременно вода тепловым образом расширяется. Если система гидравлически замкнута и расширение воды не может быть принято или сброшено, то из-за очень малой сжимаемости воды и относительно малой упругости бака давление может резко расти.
Поэтому уже сам нагрев полностью замкнутого объёма жидкой воды может создать очень высокое давление.
В исправной системе этот рост ограничивает предохранительный клапан, то есть другие элементы, предусмотренные для приёма теплового расширения.
Для сценария взрыва мы предполагаем, что и сброс избыточного давления больше не работает.
Поэтому ТЭН продолжает вносить энергию в закрытый сосуд.
Температура и давление продолжают расти
По мере нагрева воды состояние в баке зависит от её температуры, давления и доступного объёма.
Если достигается температура насыщения, соответствующая существующему давлению, начинается образование водяного пара.
Но большое пространство, заполненное паром, не обязательно должно существовать до разрыва бака.
Большое количество энергии может быть накоплено в самой горячей жидкой воде под давлением.
Например, вода температурой 170 °C при давлении примерно 7 bar выше атмосферного всё ещё может существовать как жидкость в равновесии с паром.
Те же 170 °C при атмосферном давлении, это совершенно другое состояние, при таком давлении вода не может устойчиво оставаться жидкой при этой температуре.
Эта разница становится решающей в тот момент, когда бак разрушается.
Что происходит с самим баком?
Давление воды действует на всю внутреннюю поверхность бака.
По мере роста давления растут и механические напряжения в материале бака и в его соединениях.
У приблизительно цилиндрического сосуда особенно значимо окружное, то есть кольцевое, напряжение стенки. В упрощённой модели тонкостенного цилиндрического сосуда оно растёт примерно пропорционально внутреннему давлению и диаметру сосуда и уменьшается с увеличением толщины стенки.
Другими словами:
чем выше внутреннее давление, тем больше сила, с которой содержимое пытается разорвать стенки сосуда.
У бака есть определённая механическая прочность. Если давление продолжает расти, в какой-то момент самая слабая часть конструкции разрушается.
Это может быть сварной шов, корродированная часть стенки, соединение или другое механически ослабленное место.
Само место первого разрыва не определяет, будет ли событие разрушительным.
Решающим является содержимое бака в момент разрыва.
При разрыве бака давление резко падает
Предположим, что в баке находится вода при 170 °C под высоким давлением.
Бак разрушается и открывается в помещение.
Давление внутри сосуда тогда начинает резко падать до атмосферного.
Температура воды, однако, не может в тот же момент упасть со 170 до 100 °C.
Так мы получаем воду, которая всё ещё очень горячая, но внезапно оказывается при давлении, при котором она не может целиком остаться жидкой.
Поэтому часть воды почти мгновенно переходит в пар.
Это явление называется мгновенным, или flash, испарением.
Почему мгновенное испарение настолько разрушительно?
Разница между объёмом жидкой воды и водяного пара огромна.
При атмосферном давлении один килограмм жидкой воды занимает примерно один литр, а один килограмм насыщенного пара при 100 °C занимает около 1,67 кубического метра.
Таким образом при переходе из жидкости в пар удельный объём увеличивается более чем в тысячу раз.
При резком падении давления испаряется не вся вода из бака, потому что для испарения нужно большое количество энергии. Испаряется только та часть, для которой имеется достаточно накопленной тепловой энергии.
Но и этой части достаточно, чтобы создать огромное количество пара.
Например, для воды при примерно 170 °C и 7 bar избыточного давления при резком сбросе до атмосферного давления теоретически около 13% её массы может перейти во flash пар.
Если бы в баке было примерно 80 kg воды, это составило бы более 10 kg вновь образовавшегося пара.
При атмосферном давлении такое количество насыщенного пара соответствует объёму порядка десятков кубических метров.
Это не тот объём, который в реальном событии мгновенно и идеально образуется в закрытом помещении, процесс разрыва, испарения, охлаждения и перемешивания крайне динамичен, но он показывает, какое количество энергии может быть накоплено в горячей воде под давлением.
Разрыв бака, это начало резкой декомпрессии
Поэтому взрыв накопительного бойлера не стоит рассматривать только как следствие того, что „давление разорвало бак“.
Избыточное давление сначала доводит сосуд до механического разрушения.
Но когда сосуд начинает раскрываться, возникает другой процесс:
разрыв бака → резкое падение давления → мгновенное испарение части горячей воды → резкое расширение пара → дальнейшее разрушительное раскрытие и распад сосуда.
Чем быстрее раскрывается сосуд, тем быстрее падает давление.
Чем быстрее падает давление, тем большее количество горячей воды сразу оказывается выше температуры кипения, соответствующей новому давлению.
Поэтому процесс может развиваться очень быстро и превратить первоначальное механическое разрушение в разрушительный распад бака.
Откуда на самом деле берётся энергия взрыва?
Энергию взрыва не создаёт сам водяной пар „из ничего“.
Она была ранее внесена в бойлер работой электрического ТЭНа и накоплена как тепловая энергия воды.
Пока вода замкнута и находится под высоким давлением, она может удерживать эту энергию, оставаясь в жидком состоянии при температуре значительно выше 100 °C.
Когда давление внезапно исчезает, новые условия больше не позволяют всей этой воде оставаться жидкой.
Поэтому часть накопленной тепловой энергии расходуется на мгновенное испарение воды, а образовавшийся пар очень быстро расширяется.
Именно перегретая вода под давлением является тем резервуаром энергии, который делает возможным разрушительный ход событий.
Что должно отказать, чтобы до этого дошло?
Исправный бойлер не должен достигать описанного состояния.
До этого существует несколько независимых возможностей остановить процесс:
- должно прекратиться нормальное регулирование температуры;
- должно отсутствовать дополнительное отключение ТЭНа при чрезмерной температуре;
- ТЭН должен продолжать передавать энергию;
- система сброса избыточного давления должна быть неисправна, заблокирована или отсечена от бака.
Только при потере нескольких независимых уровней защиты могут возникнуть условия для опасного роста температуры и давления.
Поэтому взрыв накопительного бойлера, это не следствие одной обычной неисправности, а конечный итог цепочки отказов, которая позволяет накопить в закрытом сосуде большое количество энергии.
Суть процесса
Весь механизм можно свести к нескольким шагам:
неконтролируемый нагрев воды ↓ рост температуры и давления ↓ вода под давлением остаётся жидкой и при температуре значительно выше 100 °C ↓ давление превышает механическую прочность бака ↓ бак разрушается и происходит резкая декомпрессия ↓ часть горячей воды мгновенно переходит в пар ↓ образовавшийся пар резко расширяется ↓ бак разрушительно распадается
Поэтому при взрыве накопительного бойлера речь идёт не просто о „разрыве сосуда из-за высокого давления“.
Разрушительность события возникает из сочетания механического разрушения сосуда под давлением и мгновенного испарения горячей воды после декомпрессии.