آیا میتوان هوا را آنقدر فشرده کرد که خطرناک باشد؟ در این پُست پاسخ این سوال را خواهیم جُست. مختصر آنکه بله قطعا و مرز بین ابزاری مفید تا خطری جدی احتمالا از آنچه تصور میکنید به شما نزدیکتر است.
در انگلیسی به آن Utility و در فارسی تاسیسات مینامیم. برق، آب و گاز تاسیسات مورد استفادهی ما هستند و هوای فشرده پس از این ۳، چهارمین تاسیسات پرکاربرد بشر است. چه چیز هوای فشرده را در مقایسه با ۳ مورد دیگر خطرناکتر میسازد؟ ابتدا به فیزیک ماجرا نگاهی بیندازیم.
تا حالا فکر کردید به جای کمپرسور گاز از کمپرسور هوا استفاده کنید؟ برای آشنایی با اتفاق بامزهای که رخ میدهد کلیک کنید.
چرا هوای فشرده گرم است؟
در جریان فشردهسازی هوا تعداد مولکولهای آن تغییری نمیکند، اما مجبور میشوند در فضای کوچکتری تنگ یکدیگر قرار بگیرند. این مولکولها بیشتر با یکدیگر برخورد کرده و انرژی جنبشی آنها به افزایش دما منجر میشود.
فرآیند فشردهسازی ایدهآل و تئوریک سریع و آدیاباتیک است. آدیاباتیک یا بیدررو در ترمودینامیک فرآیندی را گویند که در حین آن هیچگونه گرمایی خارج نشود. به عنوان مثال تنها فشردهسازی هوای اتاق تا ۲ بار، دمای آن را از ۲۰ درجه تا ۸۵ درجه سانتیگراد افزایش خواهد داد. تصور کنید این رقم برای تراکم تا ۱۰ یا ۱۰۰ بار چه دمایی خواهد بود.
گرمای تولیدی بسیار زیاد است و اهمیت خنکسازی کمپرسور در همین نکته نهفته است. کمپرسورهای چندمرحلهای همگی کولرهای میانی یا بین مرحله دارند تا از ذوب شدن تجهیزات پیشگیری شده و بازدهی کمپرسور ارتقا یابد.
کپسولهای ۲۰۰ تا ۳۰۰ بار از فولاد ضخیم و مستحکم ساخته میشود. اتصالات شیر آن از قطع تصادفی جلوگیری کرده و در صنعت با آنها ذیل عنوان کالای خطرناک رفتار میکنند. غواصی و گازهای پزشکی از جمله کاربردهای این کپسولهاست.
با افزایش فشار چه اتفاقی برای هوا رخ میدهد؟
رفتار هوا در محدودههای فشاری زیر تغییر میکند:
- ۷ تا ۱۳ بار: این محدوده رگ خواب کارخانجات است. در این بازهی فشاری هوا تقریبا مشابه با گازی ایدهآل رفتار میکند و افزایش دما با کولرهای معمولی قابل مدیریت است. در صورتی که مخزن کمپرسور به درستی محاسبه، طراحی و ساخته شده باشد این فشارها برای استفادهی عمومی کارخانجات به اندازهی کافی ایمن است.
- گذر از ۲۰ بار: وارد قلمرو فشار قوی میشوید و چگالی انرژی بسیار بالاست. خرابی کوچک در این محدوده فاجعه به همراه دارد.
- ۱۰۰ بار: در فشار ۱۰۰ بار هوا به شدت چگال است و اگر رها شود به سرعت منبسط شده و خود را خنک میکند. در این قبیل فشارها اگر گاز به اندازهی کافی منبسط و سرد شود، شروع به میعان میکند. سیستمهای ذخیرهسازی انرژی در این محدوده کار میکنند و معادل انرژی باتری ۱۲ ولتی را میتوان در ۱۲ متر مکعب هوای فشرده ذخیره کرد.
- ۲۰۰ تا ۳۰۰ بار: کپسولهای پرفشار گاز مانند مخازن غواصی در این فشارها بستهبندی میشود. هوا آنقدر چگال است که عملا منبع انرژی جامد قلمداد میشود. برای تحمل این فشار کپسولها از آلیاژ مخصوص فولاد یا مواد کامپوزیتی با استانداردهای بسیار سختگیرانه ساخته میشود.
سیستم هوای فشردهی کارخانجات در محدودهی ۷ تا ۱۳ بار باقی میماند. این محدوده از نظر اقتصادی و مهندسی برای ابزارهای پنوماتیک و اکچویتورها بهینه است. برای باز کردن یک پیچ هیچگاه به ۳۰۰ بار فشار نیاز ندارید و لولهکشی کارخانه برای هوای ۲۰۰ بار به طور وحشتناکی گران تمام میشود.
مخزن هوای فشردهی ۱۰ بار چه مقدار انرژی مخفی کرده است؟
خیلی بیشتر از آنچه فکر میکنید. وقتی هوای فشرده به هوای اتمسفریک منبسط میشود انرژی آزاد میکند. مخزن ۲۰۰ لیتری در فشار ۱۰ بار حدود ۵ کیلووات ساعت انرژی ذخیرهی قابل استفاده دارد. قسمت مفید این انرژی برای نیم ساعت کار موتوری یک کیلوواتی کافیست. آزادسازی لحظهای و مخرب این حجم از هوای فشرده معادل انفجاری کوچک است. گرمای تولیدی در حین فشردهسازی هوا از بین نمیرود؛ این گرما به شکل انرژی پتانسیل ذخیره شده و آمادهی رهاسازی است.
هوای فشرده منفجر و تبدیل به یک پرتابه میشود!
به این حالت گسیختگی یا خرابی فاجعهبار صنعتی گفته میشود. شکستگی مخزن هوای فشرده تنها به نشتی منجر نمیشود، تمام انرژی ذخیره شده به یکباره آزاد میشود. در این انفجار هیچگونه رد پای شیمیایی نداریم و تمام و کمال محصول فشار فیزیکی را ملاحظه خواهیم کرد. اثر آن با انفجار شیمیایی مو نخواهد زد: موج ضربهای عظیم، پرتاب قطعات و خرابی
جالب آن است که مطابق با قانون سوم نیوتن، هوای خروجی از مخزن شکسته مانند موتور موشک عمل میکند. مخزنی که محکم بسته نشده و در جای خود مستحکم نشده باشد توسط گاز خروجی به پیش رانده میشود. مخزن ۱۰۰ کیلوگرمی به موشکی ۱۰۰ کیلوگرمی و قاتل تبدیل میشود.
در سال ۲۰۰۴ دوشاخهی فولادی و چند ۱۰ گرمی یک کمپرسور ۴۰۰ بار پرتاب شد پنجرههای ایمنی را خرد و تکهای از دیوار بتنی را کند. این اتفاق در ناسا رخ داده است.
هوای فشرده در چه فشاری به بدن انسان آسیب میزند؟
کافیست در نزدیکی کمپرسور صنعتی و هنگام تست آن حضور داشته باشید تا صدای جیغ ترسناک آن را موقع تخلیه بشنوید و سوال شود که آیا گوشهای سالم ماندند؟
مطالعات پزشکی نشان داده است که فشارهای تزریقی بالای ۷ بار خطر جدی و آسیب عصبی بالینی به همراه دارد. ورود هوا به زیر پوست،حتی کمترین هوای فشرده در حد فشار یک بار هم اگر از طریق یک بریدگی وارد جریان خون شود خطر آمبولی و انسداد کشنده در قلب یا مغز به همراه دارد. و در نهایت فشار مسقیم نیم بار هم کافیست تا پردهی گوش پاره شود!
هرگز از هوای فشرده برای تمیز کردن لباس یا پوست خود استفاده نکنید.
خطر نشتی در خط هوای فشار قوی: تصور کنید ۲۰۰ بار هوای فشرده از سوراخی به قطر یک میلیمتر تخلیه شود. جت هوای خروجی با سرعت فراصوت حرکت کرده و مانند مشعل برشی عمل خواهد کرد! این هوا به پوست نفوذ کرده، استخوانها را خرد کرده و شیلنگها را به اطراف پرت میکند.
اما این شیلنگ پرتابی یک شیلنگ معمولی نیست. کوبش شیلنگ مشابه با ضربهی اجسام سنگین عمل کرده و این نیروی عظیم ناشی از دبی جریان جرمی نیروی معکوسی ایجاد میکند که شیلنگ پا را شکسته و جمجمه را خرد میکند.
احتیاط شرط عقل: با هر سیستم تحت فشاری همچون یک بمب رفتار کنید. چون دقیقا یک بمب است! همیشه از عینک و محافظ گوش مناسب استفاده کنید و روی شیلنگها زنجیر ایمنی قرار دهید. هرگز از فشار اسمی سازنده فراتر نرفته و هرگز نازل هوا را به سمت خود یا دیگران نگیرید.
هوای فشرده انرژی نامرئی است. ولی همیشه حاضر است و منتظر یک لحظه غفلت برای رهاسازی وحشیانهی همهی قدرت خود است.
