Esplosioni: Un semplice modello per comprendere meglio un fenomeno

(a brief illustration of a model to understand explosion mechanism)

Nell’immaginario collettivo sono ben note le manifestazioni di fenomeni come gli incendi e le esplosioni. Ben meno note sono tuttavia, almeno per il secondo fenomeno, le variabili che lo governano.
Per comprenderne meglio le origini e le possibili evoluzioni può essere allora utile fare riferimento ad un semplice schema che di uno ben più noto ne è l’evoluzione e che viene frequentemente impiegato per descrivere le origini degli incendi: il triangolo del fuoco.triangolo dell’incendio
Un incendio è dovuto alla combustione di una sostanza (combustibile) in presenza di ossigeno (comburente) e di una fonte di energia (generalmente calore). Questi elementi devono essere tutti presenti contemporaneamente affinché la combustione abbia luogo; ma occorre notare che, anche se la combustione deve essere innescata da una fonte di ignizione, una volta innescata, essa è in grado di autosostenersi per effetto del calore sviluppato. Tale reazione si caratterizza per l’elevata esotermicità e per lo sviluppo di una notevole quantità di gas (fumi) che si trovano ad elevata temperatura. La pericolosità degli incendi è quindi legata allo sviluppo di calore, al consumo di ossigeno ed allo sviluppo di prodotti della combustione.

Una versione modificata di questo semplice schema può essere impiegata per descrivere in modo semplice quali siano le variabili fondamentali che governano i fenomeni esplosivi. Si passerà dunque dal triangolo del fuoco a quello che viene chiamato pentagono delle esplosioni.L’esplosione è una reazione chimica che produce un’onda di pressione od un’onda d’urto a causa del forte e violento aumento di volume dei prodotti di reazione. Spesso si indica con il nome di esplosione anche il fenomeno di rilascio di un fluido in pressione o di rapido cambiamento di fase di una sostanza, che comporta la rottura e la conseguente proiezione di frammenti del recipiente di contenimento. Questo tipo di evento è più propriamente definito con il nome di scoppio ed è un fenomeno fisico – meccanico. Diversamente le esplosioni sono vere e proprie reazioni chimiche che, in particolare nel caso delle miscele infiammabili e delle atmosfere combustibili, consistono in rapidi fenomeni di combustione.

pentagono delle esplosioni

Il combustibile può essere costituito oltre che dagli esplosivi propriamente detti anche da gas, vapori e nebbie infiammabili o polveri combustibili. Di fondamentale importanza risulteranno le proprietà di tali materiali. Se si considerano ad esempio le polveri combustibili il fenomeno esplosivo evolverà con modalità estremamente differenti a seconda della loro combustibilità, della loro esplosività ma anche a seconda della grandezza media delle particelle di polvere e della granulometria, del contenuto di umidità (o di sostanze inertizzanti in esse contenute), della temperatura di accensione della nube e dello strato, della energia minima di accensione, della resistività elettrica, della densità e della densità apparente.
Il comburente è l’ossigeno (che in alcuni casi può essere presente nelle molecole del combustibile) o più frequentemente l’aria.

Un’atmosfera esplosiva può essere innescata da una qualsiasi fonte di energia, ad esempio elettrica, termica, meccanica, ecc.. Per individuare le potenziali sorgenti di innesco è opportuno fare riferimento alla norma UNI EN 1127-1 “Prevenzione dell’esplosione e protezione contro l’esplosione. Concetti fondamentali e metodologia” che elenca le seguenti sorgenti di accensione:

• Superfici calde;
• Fiamme e gas caldi;
• Scintille di origine meccanica;
• Materiale elettrico;
• Correnti vaganti e protezione catodica;
• Elettricità statica;
• Fulmini;
• Campi elettromagnetici,
• Ultrasuoni;
• Compressione adiabatica di gas;
• Reazioni esotermiche.

Altro parametro fondamentale è il grado di dispersione del combustibile nel comburente. Per avere un’esplosione infatti, il combustibile ed il comburente devono trovarsi in proporzioni opportune, cioè entro i limiti di esplodibilità. Se infatti il combustibile è troppo poco (miscela troppo povera) o eccessivo (miscela troppo ricca) l’esplosione non avviene. La percentuale di combustibile minima e massima che, in determinate condizioni di prova, permette ancora l’esplosione prende il nome rispettivamente di limite inferiore di esplodibilità (LEL: Lower Explosive Limit) e limite superiore di esplodibilità (UEL: Upper Explosive Limit). Analogamente la concentrazione limite di ossigeno nell’atmosfera (LOC: Limit Oxygen Concentration) è la massima ammessa di ossigeno in una miscela di aria,gas inerte e combustibile, fino alla quale non può avvenire alcuna esplosione in determinate condizioni di prova.
In relazione al grado di confinamento per le miscele si distinguono tre tipi di esplosioni, ossia:

• Esplosioni confinate, in contenitori resistenti alla pressione, caratterizzate da una combustione isocora. In queste esplosioni la pressione raggiunge i massimi valori possibili (in genere tra gli 8 ed i 10 bar);

• Esplosioni semiconfinate, in cui una parte della combustione avviene in condizioni di isocriticità, prima della rottura del contenitore, ed una parte in condizioni miste. In queste esplosioni la sovrappressione può variare da alcune decine di millibar ad alcuni bar;

• Esplosioni non confinate (UVCE), in cui la miscela forma una nube in ambiente aperto ed in condizioni teoricamente isobare. In questi casi la sovrappressione può andare da pochi millibar ad alcune decine e centinaia di millibar. E’opportuno ricordare che la probabilità che una nuvola di vapori infiammabile si inneschi vale fino a 0,5 per perdite consistenti (>10t) e 0,001 per piccole perdite. Dato l’innesco si può avere flash fire o UVCE: è assai più probabile la prima evenienza che non la seconda. La conseguenza più grave per il flash fire è la radiazione termica, mentre per una UVCE è l’onda di pressione.

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