Eksplozja pary

Zobacz także: Eksplozja kotła i Eksplozja wrzącej cieczy rozszerzającej się pary
przybrzeżna u wejścia do oceanu Waikupanaha na dużej wyspie Hawaje była spowodowana przedostaniem się lawy do oceanu

Eksplozja parowa to eksplozja spowodowana gwałtownym wrzeniem lub zamianą wody lub lodu w parę , występująca w wyniku przegrzania wody lub lodu , szybkiego nagrzania przez powstające w niej drobne, gorące cząstki lub podgrzania w wyniku oddziaływania stopionych metali (np. interakcja paliwo-chłodziwo (FCI) stopionych prętów paliwowych reaktora jądrowego z wodą w rdzeniu reaktora jądrowego po stopieniu rdzenia ). Zbiorniki ciśnieniowe, takie jak reaktory wodne pod ciśnieniem (jądrowe) , które działają powyżej ciśnienie atmosferyczne może również zapewnić warunki do eksplozji pary. Woda zmienia się ze stanu stałego lub ciekłego w gaz z ogromną prędkością, dramatycznie zwiększając swoją objętość. Wybuch pary powoduje rozpryskiwanie się pary i wrzącej wody oraz gorącego czynnika, który ją nagrzewa, we wszystkich kierunkach (jeśli nie jest ograniczony w inny sposób, np. przez ścianki pojemnika), stwarzając niebezpieczeństwo poparzenia i poparzenia.

Wybuchy pary nie są zwykle eksplozjami chemicznymi , chociaż wiele substancji reaguje chemicznie z parą (na przykład cyrkon i przegrzany grafit (czysty węgiel , C) reagują odpowiednio z parą i powietrzem, wydzielając wodór (H2 ) , który może gwałtownie eksplodować w powietrzu (O 2 ) z wytworzeniem wody lub H 2 O), co może spowodować wybuchy chemiczne i pożary. Niektóre eksplozje pary wydają się być specjalnymi rodzajami eksplozji wrzącej cieczy, rozszerzającej się pary (BLEVE) i polegają na uwalnianiu zmagazynowanego przegrzania. Jednak wiele wydarzeń na dużą skalę, w tym wypadki w odlewniach, wykazuje dowody na rozprzestrzenianie się frontu uwalniania energii przez materiał (patrz opis FCI poniżej), podczas którego siły tworzą fragmenty i mieszają fazę gorącą z zimną, lotną; a szybki transfer ciepła z przodu podtrzymuje propagację.

Jeśli w zamkniętym zbiorniku z wodą nastąpi wybuch pary w wyniku szybkiego nagrzania wody, fala ciśnienia i szybko rozprężająca się para mogą spowodować poważne uderzenie wodne . To był mechanizm, który w 1961 roku w Idaho w USA spowodował, że SL-1 wyskoczył w powietrze na wysokość ponad 9 stóp (2,7 m), gdy został zniszczony w wyniku krytycznego wypadku . W przypadku SL-1 paliwo i elementy paliwowe odparowały w wyniku chwilowego przegrzania.

Zdarzenia tego ogólnego typu są również możliwe, jeśli paliwo i elementy paliwowe reaktora jądrowego chłodzonego wodą stopniowo się topią. Mieszanka stopionych struktur rdzenia i paliwa jest często określana jako „Corium”. Jeśli taki corium wejdzie w kontakt z wodą, może nastąpić eksplozja pary w wyniku gwałtownej interakcji pomiędzy stopionym paliwem (korem) a wodą jako chłodziwem. Takie eksplozje są postrzegane jako interakcje paliwo-chłodziwo (FCI). [ potrzebne źródło ] Nasilenie wybuchu pary w oparciu o interakcję paliwo-chłodziwo (FCI) zależy w dużym stopniu od tzw. procesu wstępnego mieszania, który opisuje mieszanie stopu z otaczającą mieszaniną wody i pary. Ogólnie rzecz biorąc, premiksy bogate w wodę są uważane za korzystniejsze niż środowiska bogate w parę wodną pod względem inicjacji i siły wybuchu pary. Teoretyczne maksimum siły wybuchu pary z danej masy stopionego corium, którego w praktyce nigdy nie da się osiągnąć, wynika z jego optymalnego rozkładu w postaci kropelek stopionego corium o określonej wielkości. Krople te otoczone są odpowiednią objętością wody, co w zasadzie wynika z max. możliwa masa odparowanej wody przy chwilowej wymianie ciepła pomiędzy stopioną kroplą fragmentującą w fali uderzeniowej a otaczającą wodą. Na podstawie tego bardzo konserwatywnego założenia Theofanous przeprowadził obliczenia dotyczące uszkodzenia obudowy alfa. Jednak te optymalne warunki stosowane do ostrożnych szacunków nie występują w świecie rzeczywistym. Po pierwsze, cały stopiony rdzeń reaktora nigdy nie będzie stanowił premiksu, lecz jedynie jego część, np. jako strumień stopionego corium uderzający w zbiornik wodny w dolnej części reaktora, fragmentujący tam w wyniku ablacji i umożliwienie w ten sposób utworzenia premiksu w pobliżu strumienia stopionego materiału opadającego przez zbiornik wodny. Alternatywnie, stop może docierać w postaci gęstego strumienia na dno dolnej komory, gdzie tworzy kałużę stopu pokrytą kałużą wody. W tym przypadku na styku jeziorka stopionego materiału i basenu wodnego może utworzyć się strefa wstępnego mieszania. W obu przypadkach jasne jest, że w procesie wstępnego mieszania nie uczestniczy cały zapas stopionego reaktora, lecz jedynie jego niewielki procent. Dalsze ograniczenia wynikają z nasycenia wody w reaktorze, tj. nie występuje w niej woda ze znacznym przechłodzeniem. W przypadku przedostania się tam strumienia rozdrobnionego stopu prowadzi to do zwiększonego odparowania i zwiększenia zawartości pary w premiksie, która przy zawartości > 70% w mieszaninie wodno-parowej całkowicie zapobiega wybuchowi lub przynajmniej ogranicza jego wybuch. wytrzymałość. Innym skutkiem odwrotnym jest zestalanie stopionych cząstek, które zależy między innymi od średnicy stopionych cząstek. Oznacza to, że małe cząstki zestalają się szybciej niż większe. Co więcej, modele wzrostu niestabilności na granicy faz pomiędzy płynącymi ośrodkami (np. Kelvin-Helmholtz, Rayleigh-Taylor, Conte-Miles, ...) pokazują korelację między wielkością cząstek po fragmentacji a stosunkiem gęstości ośrodka fragmentującego (woda -mieszanina par) do gęstości rozdrobnionego ośrodka, co można również wykazać doświadczalnie. W przypadku koru (gęstość ~ 8000 kg/m3) powstają znacznie mniejsze kropelki (~ 3 - 4 mm) niż w przypadku stosowania tlenku glinu (Al2O3) jako imitatora koru o gęstości nieco poniżej połowy gęstości koru z kroplą rozmiary w przedziale 1 - 2 cm. Eksperymenty z fragmentacją strumieniową prowadzone w JRC ISPRA w typowych warunkach reaktora z masami stopionego korium do 200 kg i średnicą strumienia stopionego materiału od 5 do 10 cm w basenach nasyconej wody o głębokości do 2 m zakończyły się sukcesem jedynie w odniesieniu do wybuchów pary gdy Al2O3 stosowano jako emulsję skóry właściwej. Pomimo różnych wysiłków eksperymentatorów nigdy nie udało się wywołać eksplozji pary w eksperymentach z korium w FARO. (Ciąg dalszy ...)

W takich przypadkach przejście fali ciśnienia przez wstępnie zdyspergowany materiał wytwarza siły przepływu, które jeszcze bardziej rozdrabniają stop, powodując szybkie przenoszenie ciepła, a tym samym podtrzymanie fali. Uważa się , że większość fizycznych zniszczeń, jakie nastąpiły po katastrofie w Czarnobylu , w reaktorze RBMK-1000 z moderowanym grafitem i chłodzonym wodą lekką , nastąpiła w wyniku takiej eksplozji pary.

W przypadku stopienia nuklearnego najpoważniejszym skutkiem eksplozji pary jest wczesna awaria budynku zabezpieczającego . Dwie możliwości to wyrzut stopionego paliwa pod wysokim ciśnieniem do obudowy bezpieczeństwa, powodujący szybkie nagrzewanie; lub eksplozja pary wewnątrz statku powodująca wyrzucenie pocisku (takiego jak górna część głowicy) do obudowy bezpieczeństwa i przez nią. Mniej dramatyczny, ale wciąż znaczący jest fakt, że stopiona masa paliwa i rdzenia reaktora topi się przez podłogę budynku reaktora i dociera do wód gruntowych ; mógłby nastąpić wybuch pary, ale szczątki prawdopodobnie zostałyby powstrzymane i w rzeczywistości, po rozproszeniu, prawdopodobnie łatwiej byłoby je schłodzić. Szczegóły znajdziesz w WASH-1400 .

Wybuchy pary często występują tam, gdzie gorąca lawa styka się z wodą morską lub lodem. Zjawisko takie nazywane jest także eksplozją litoralną . Niebezpieczny wybuch pary może również nastąpić, gdy ciekła woda lub lód zetknie się z gorącym, stopionym metalem. Gdy woda eksploduje, zamieniając się w parę, rozpryskuje się wraz z nią płonący, gorący ciekły metal, powodując ogromne ryzyko poważnych oparzeń osób znajdujących się w pobliżu i stwarzając ryzyko pożaru.

Praktyczne zastosowania

Rafinacja biomasy

Biorafinacja materiałów wybuchowych parą jest zastosowaniem przemysłowym służącym do waloryzacji biomasy. Polega na sprężaniu biomasy parą wodną pod ciśnieniem do 3 MPa (10 atmosfer) i natychmiastowym obniżeniu ciśnienia w celu uzyskania pożądanej przemiany biomasy. Przemysłowe zastosowanie tej koncepcji pokazano w projekcie dotyczącym włókien papierowych.

Turbiny parowe

Wybuch pary wodnej powoduje powstanie dużej ilości gazu bez wytwarzania szkodliwych dla środowiska pozostałości. Kontrolowana eksplozja wody znalazła zastosowanie do wytwarzania pary w elektrowniach i nowoczesnych typach turbin parowych . Nowsze silniki parowe wykorzystują podgrzany olej, aby spowodować eksplozję kropel wody i wytworzenie wysokiego ciśnienia w kontrolowanej komorze. Ciśnienie jest następnie wykorzystywane do napędzania turbiny lub przebudowanego silnika spalinowego. Wybuchy gorącego oleju i wody stają się szczególnie popularne w skoncentrowanych generatorach słonecznych, ponieważ wodę można oddzielić od oleju w pętli zamkniętej bez żadnej energii zewnętrznej. Za eksplozję uważa się eksplozję wody przyjazne dla środowiska , jeśli ciepło jest wytwarzane ze źródła odnawialnego.

Gotowanie błyskawiczne podczas gotowania

Technika gotowania zwana gotowaniem błyskawicznym wykorzystuje niewielką ilość wody w celu przyspieszenia procesu gotowania. Technikę tę można na przykład zastosować do stopienia plasterka sera na pasztecie hamburgerowym. Plaster sera kładzie się na wierzchu mięsa na gorącej powierzchni, np. patelni, i na powierzchnię w pobliżu pasztetu wylewa się niewielką ilość zimnej wody. Następnie używa się naczynia (takiego jak garnek lub pokrywka patelni) do szybkiego uszczelnienia reakcji błyskawicznej pary, rozpraszając większość parowanej wody na serze i pasztecie. Powoduje to duże uwolnienie ciepła, przenoszonego przez odparowaną wodę, skraplającą się z powrotem w ciecz (zasada stosowana również w lodówkach i produkcja zamrażarek ).

Inne zastosowania

Silniki spalinowe mogą wykorzystywać gotowanie błyskawiczne w celu rozpylenia paliwa.

Inne zjawiska szybkiego wrzenia

Strumień pary unoszący się wyżej niż budynek Chryslera podczas eksplozji pary w Nowym Jorku w 2007 roku

Wysokie tempo wytwarzania pary może wystąpić w innych okolicznościach, takich jak awaria bębna kotła lub na froncie gaszenia (na przykład, gdy woda ponownie wpływa do gorącego, suchego kotła). Choć potencjalnie szkodliwe, są one zwykle mniej energetyczne niż zdarzenia, w których faza gorąca („paliwo”) jest stopiona, w związku z czym może ulec drobnej fragmentacji w fazie lotnej („chłodziwa”). Oto kilka przykładów:

Wybuchy pary są naturalnie powodowane przez niektóre wulkany , zwłaszcza stratowulkany , i są główną przyczyną ofiar śmiertelnych wśród ludzi podczas erupcji wulkanów.

W styczniu 1961 roku błąd operatora spowodował, że reaktor SL-1 uległ natychmiastowemu zniszczeniu w wyniku eksplozji pary. Obawiano się, że katastrofa nuklearna w Czarnobylu w 1986 r. w Związku Radzieckim spowoduje poważną eksplozję pary (i wynikający z niej opad nuklearny w całej Europie ) w wyniku stopienia paliwa jądrowego podobnego do lawy w piwnicy reaktora w kierunku kontaktu z pozostałą wodą gaśniczą i wodami gruntowymi . Zagrożenie zostało zażegnane dzięki gorączkowemu drążeniu tuneli pod reaktorem w celu wypompowania wody i wzmocnienia betonu betonem .

Kiedy zbiornik pod ciśnieniem, taki jak zbiornik wodny kotła parowego , pęka, zawsze następuje pewien stopień eksplozji pary. Typowa temperatura i ciśnienie robocze kotła okrętowego wynoszą około 950 psi (6600 kPa) i 850 ° F (454 ° C) na wylocie przegrzewacza. Kocioł parowy ma granicę faz pary i wody w bębnie parowym, w którym woda ostatecznie odparowuje w wyniku dopływu ciepła, zwykle z palników opalanych olejem. Kiedy rura doprowadzająca wodę ulegnie uszkodzeniu z różnych powodów, powoduje to, że woda w kotle wypłynie z otworu do obszaru pieca, pod ciśnieniem zaledwie kilku psi powyżej ciśnienia atmosferycznego. To prawdopodobnie ugasi wszystkie pożary i rozszerzy się na dużą powierzchnię po bokach kotła. Aby zmniejszyć prawdopodobieństwo niszczycielskiej eksplozji, kotły odeszły od „ płomienicowo-rurowe , w których ciepło było dodawane poprzez przepuszczanie gorących gazów przez rury w zbiorniku wodnym, do kotłów „ wodnorurowych ”, w których woda znajduje się wewnątrz rur, a obszar pieca znajduje się wokół rur. Stary „ogień” Kotły „rurowe” często ulegały awariom z powodu złej jakości wykonania lub braku konserwacji (takiej jak korozja płomienic lub zmęczenie płaszcza kotła na skutek ciągłego rozszerzania i kurczenia się). Awaria płomienic powoduje wypychanie dużych ilości pary pod wysokim ciśnieniem i o wysokiej temperaturze z powrotem do płomieniówek w ułamku sekundy i często powoduje wydmuchanie palników z przodu kotła, podczas gdy awaria zbiornika ciśnieniowego otaczającego wodę doprowadziłaby do do całkowitego i całkowitego opróżnienia zawartości kotła w wyniku dużego wybuchu pary. W przypadku kotła morskiego z pewnością zniszczyłoby to zespół napędowy statku i prawdopodobnie odpowiadający mu koniec statku.

W warunkach bardziej domowych eksplozje pary mogą być wynikiem próby ugaszenia płonącego oleju wodą w procesie zwanym wygotowaniem . Kiedy na patelni pali się olej, naturalnym odruchem może być zgaszenie go wodą; jednakże spowoduje to przegrzanie wody przez gorący olej. Powstała para będzie szybko i gwałtownie rozpraszać się w górę i na zewnątrz w postaci strumienia zawierającego również zapalony olej. Prawidłową metodą gaszenia takich pożarów jest użycie wilgotnej szmatki lub szczelnej pokrywy na patelni; obie metody pozbawiają ogień tlenu , a tkanina dodatkowo go schładza. Alternatywnie, zaprojektowany w celu nieulotnym można zastosować środek zmniejszający palność lub po prostu koc gaśniczy .

Zobacz też

Bibliografia

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Steam_explosion&oldid=1136305713 ”