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Zur Bestimmung von Gefährdungsbereichen wird für Gasausbreitungsberechnungen zurzeit vorwiegend die VDI Richtlinie 3783 herangezogen. Bei der Berechnung der Ausbreitung dichteneutraler oder leichter Gase nach Blatt 1 der Richtlinie kann die Bebauung nicht berücksichtigt werden. Dies und die Frage der Anwendbarkeit im Nahbereich der Quelle waren Gründe die VDI-RL zu überarbeiten. Grundlage hierfür ist ein Lagrange´sches Partikelmodell nach VDI 3945 Blatt 3 in Verbindung mit dem Windfeldmodell in der VDI-RL 3783 Blatt 8.
Vergleichsberechnungen zeigen, dass das Lagrange´sches Partikelmodell im Vergleich zu experimentellen Untersuchungen einer ebenen, ungestörten Grenzschichtströmung eine bessere Übereinstimmung in der Konzentrationsverteilung ergibt, als die VDI-RL 3783 Blatt 1. Die Qualität einer Berechnung mit dem Lagrange´schen Partikelmodell ist wesentlich von der Güte der Windfeldberechnung abhängig. Für drei Gebäudekonfigurationen sind die Windfelder mit dem etablierten diagnostischen Windfeldmodell TALdia und mit dem prognostischen CFD-Tool OpenFOAM berechnet und mit Messwerten verglichen worden. Mit OpenFOAM können nach den bisherigen Untersuchungen qualitativ gleichwertige, eher bessere Windfelder berechnet werden.
Zur Bestimmung von Gefährdungsbereichen wird für Gasausbreitungsberechnungen zurzeit vorwiegend die VDI Richtlinie 3783 herangezogen. Bei der Berechnung der Ausbreitung dichteneutraler oder leichter Gase nach Blatt 1 der Richtlinie kann die Bebauung nicht berücksichtigt werden. Dies und die Frage der Anwendbarkeit im Nahbereich der Quelle waren Gründe die VDI-RL zu überarbeiten. Grundlage hierfür ist ein Lagrange´sches Partikelmodell nach VDI 3945 Blatt 3 in Verbindung mit dem Windfeldmodell in der VDI-RL 3783 Blatt 8.
Vergleichsberechnungen zeigen, dass das Lagrange´sches Partikelmodell im Vergleich zu experimentellen Untersuchungen einer ebenen, ungestörten Grenzschichtströmung eine bessere Übereinstimmung in der Konzentrationsverteilung ergibt, als die VDI-RL 3783 Blatt 1. Die Qualität einer Berechnung mit dem Lagrange´schen Partikelmodell ist wesentlich von der Güte der Windfeldberechnung abhängig. Für drei Gebäudekonfigurationen sind die Windfelder mit dem etablierten diagnostischen Windfeldmodell TALdia und mit dem prognostischen CFD-Tool OpenFOAM berechnet und mit Messwerten verglichen worden. Mit OpenFOAM können nach den bisherigen Untersuchungen qualitativ gleichwertige, eher bessere Windfelder berechnet werden.
Im Rahmen von Störfallauswirkungsbetrachtungen werden oft Szenarien betrachtet, in denen Gase freigesetzt werden, die schwerer als Luft sind. Für die Berechnung der Gefährdungsbereiche wird in Deutschland oft die Richtlinie VDI 3783 eingesetzt. Die Methodik zur Bestimmung der Konzentrationsverteilung bei der Freisetzung eines Schwergases ist im Blatt 2 der Richtlinie dargestellt und basiert auf Windkanaluntersuchungen mit verschiedenen Ausbreitungsgebieten. Unter der Zielsetzung, eine möglichst konservative Abschätzung des Gefährdungsbereichs zu erhalten, erfolgte die Gasfreisetzung am Boden. In der Praxis sind aber immer wieder Szenarien zu untersuchen, bei denen die Gasfreisetzung aus Anlagenteilen über Bodenniveau erfolgt. Durch Freilandversuche sollen Anhaltswerte für die Bestimmung einer kritischen Quellhöhe, ab der eine Schwergasausbreitung nicht mehr zu betrachten ist, ermittelt werden.
Bei Anlagen, in denen mit brennbaren oder toxischen Gasen unter Druck umgegangen wird, tritt bei einem Versagen der Umschließung oder beim Ansprechen von Druckentlastungseinrichtungen ein Freistrahl aus. Mit entsprechenden Modellen können, z. B. für das Explosionsschutzkonzept, die untere und obere Explosionsgrenze des Freistrahls berechnet werden. Bei der Freisetzung eines toxischen Gases ist die Überhöhung des Freistrahls als Eingabeparameter für die anschließende Berechnung der impulsfreien Gasausbreitung relevant. Aus der Literatur sind einige empirische Modelle bekannt, die unter bestimmten Randbedingen mit geringem Rechenaufwand einsetzbar sind. Weit verbreitet sind die Integralmodelle, die in bekannten Programmpaketen für Auswirkungsbetrachtungen enthalten sind. Der Vergleich verschiedener Freistrahlmodelle mit experimentellen Untersuchungen soll eine Bewertung der Berechnungsergebnisse ermöglichen und dient gleichzeitig als Grundlage für die Weiterentwicklung eines Integralmodells.
In dem Leitfaden KAS-18 werden in den Beispielberechnungen bei der Freisetzung von Flüssigkeiten bisher die Bildung einer Zweiphasenströmung und der Effekt des Spray-Verhaltens nicht berücksichtigt. Es wird vorausgesetzt, dass auch bei druckverflüssigten Ga-sen reine Flüssigphase aus dem Leck austritt und somit der Massenstrom stark überschätzt. Weiterhin wird angenommen, dass der gesamte Flüssiganteil nach der Flash-Verdampfung ausregnet und eine Lache bildet, aus der dann zeitlich verzögert eine Verdunstung in die Atmosphäre stattfindet. Experimentelle Untersuchungen zeigen allerdings, dass dieser Ansatz zumindest bei der Freisetzung druckverflüssigter Gase nicht konservativ in Bezug auf den gasförmigen Massenstroms ist. In der vorliegenden Veröffentlichung wird zunächst ein Modell zur Berechnung der Zweiphasenströmung vorgestellt und eine zusammenfassende Darstellung einiger Modelle zur Abschätzung des ausgeregneten Anteils der Flüssigphase gegeben. Die verschiedenen Modelle werden mit experimentellen Daten verglichen. Darüber hinaus werden für zwei Freisetzungsszenarien der angemessene Abstand nach KAS-18 mit und ohne Berücksichtigung der Zweiphasenströmung und des Spray–Verhaltens berechnet.
Die VDI Richtlinie 3783 mit Berechnungsmethoden zur Abschätzung der Ausbreitung störfallbedingter Freisetzungen im Rahmen von Sicherheitsberichten erschien in den Jahren 1987 (Blatt 1) und 1990 (Blatt 2). Während sich die VDI Richtlinie 3783 Blatt 1 auf dichteneutrale und leichte Gase bezieht, beschreibt die VDI Richtlinie 3783 Blatt 2 eine Berechnungsmethode für schwere Gase.
In der Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN wurde 2009 die Arbeitsgruppe „Ausbreitung von störfallbedingten Freisetzungen – Sicherheitsanalyse“ mit der Zielsetzung gegründet, die VDI-Richtlinie 3783 zu überarbeiten. Die Weiterentwicklung von Blatt 1 soll auf der Grundlage eines Lagrange´schen Partikelmodells (AUSTAL2000, VDI-Richtlinie 3945, Blatt 3) erfolgen, das auch zur Umsetzung der TA-Luft verwendet wird. Der Leistungsumfang der bisherigen Richtlinie muss erhalten bleiben.
Kritikpunkte an der VDI 3783 Blatt 1 sind:
- Keine Berücksichtigung der Bebauung.
- Die Ergebnisse im Nahbereich sind ungenau.
- Die Festlegung der Inversionshöhe ist problematisch.
- Die Vorgabe einer Mindestwärmeleistung für die Berücksichtigung einer Überhöhung ist nicht sinnvoll.
Mit dem Einsatz eines Lagrange´schen Partikelmodells können diese Kritikpunkte im Wesentlichen behoben werden. Problematisch ist die Kopplung zwischen dem Schwergasmodell und dem Lagrange´schen Partikelmodell. Das bisherige Vorgehen lässt sich bei Berücksichtigung der Bebauung nicht ohne weiteres übertragen. Eine Überarbeitung von Blatt 2 ist zurzeit nicht geplant. Um die in der Praxis auftretenden Probleme bei der Anwendung der Richtlinie zu verringern, müssten weitere experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden.