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Organisationseinheit der BAM
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Within the TF-project SiVi the BAM occupies itself interdisciplinary with the safety of traffic infrastructures considering extremely severe damage events. Therefore, a scenario of fire inside a traffic tunnel induced by a gas cloud explosion is chosen as representative. Additionally, a dangerous goods transporter shall be involved in the scenario.
As further aspect which shall be investigated is the use of liquefied natural gas (LNG) as fuel support in transport vehicle like trucks in future. The main component of LNG is methane as a flammable gas. To transport a sufficient amount of fuel the methane is cooled down at -161°C, its boiling point. In liquid phase LNG is compressed 600 times more than in gas phase.
The issue of department 2.4 is to identify the hazards for people and the tunnel structure located in the surrounding whilst a potential release of LNG out of a leaking tank occurs. Therefore, the temporal and spatial distribution of the gas cloud within the tunnel structure shall be recorded.
Basis for this will be experiments in 1:1 at BAM test rig TTS as well as numerical analysis within ANSYS CFX. On top ignition tests of the distributed gas cloud in a down scaled model allow statements on the emerging maximum pressure and temperature.
To reduce the emission of CO2, liquified natural gas (LNG) is used as fuel. As the pipeline network is not developed all around the globe, LNG needs to be transported via ship or truck. Double-walled tanks made of steel with a vacuum insulation are currently used to keep LNG at cryogenic temperatures (-162 °C; 111 K). The double-walled construction makes the tanks heavy and expensive. Furthermore, there are some restriction to carry out in-service inspection using a double-wall design. Main topics: Lightweight design, superior thermal properties of GRP compared to steel Aim of this project is to develop a single-walled tank made of glass-fiber reinforced plastic (GRP) and an insulator, so that the tank pressure will not exceed 5 bar within a certain time, relative, as a result of the rising fluid temperature. First, the thermal and mechanical properties of GRP and the insulator at cryogenic temperatures must be determined. Liquid nitrogen (-196 °C; 77 K) is used for all experiments at cryogenic temperatures for safety reasons. Mechanical properties are analyzed by performing 3-point bending tests on cooled specimen. The tests show, that there are now significant changes on the mechanical properties of GRP, so that this material can be used in a cryogenic environment. To examine the thermal conductivity of GRP, a test rig is designed, in which one side of a GRP-laminate plate is cooled down while the other side is at room temperature at the beginning. Temperature is measured on both sides of the plate as well as inside the laminate. The temperature curves are then implemented in a ANSYS simulation to calculate thermal material properties. The experiments show, that the thermal conductivity of GRP is much lower than the one of steel, but still not low enough to design a single walled tank without an additional insulation. Therefore, a closed GRP pipe with insolation inside is immersed in liquid nitrogen for a defined time. Sensors record the surface temperatures inside and outside the specimen, as well as between insulation and GRP. With the data gained in this experiment, another ANSYS model is done. For correct simulation of the heat transfer between insulation and liquid nitrogen (or LNG later), a fluid simulation is necessary, which simulates the phase change from liquid to gaseous nitrogen. After validation of the model, a parameter study in the material properties of the insulation is performed, until a satisfying setup is achieved.
Präsentation im Rahmen eines BAM-internen Kolloquiums über den aktuellen Stand der Forschung im ZIM-Vorhaben "Tieftemperatzr-Transporteinheit aus Faserverbundkunststoffen"
Basierend auf Methan aus regenerativen Quellen, stellt LNG einen alternativen Kraftstoff für den schweren Fernverkehr da. Gegenüber seinen positiven Eigenschaften birgt der Kraftstoff aber auch Risiken, durch seine sehr niedrige Temperatur und seine Brennbarkeit, für die Personen- und Bauwerkssicherheit. Für die Erforschung der Risiken eignen sich CFD-Modelle, deren Erforschung unter anderem Ziel des TF-SiVi Projekts der BAM war.
Einen Einblick in die angewendete Methodik zur Erforschung von Unfallszenarien mit LNG gibt der Vortrag.
To reduce the global emission of CO2, liquified natural gas (LNG) is increasingly used as fuel. As the pipeline network is not developed all around the globe, LNG needs to be transported via ship or truck. Double-walled tanks made of steel with a vacuum insulation are currently used to keep LNG at cryogenic temperatures (-162 °C; 111 K). The double-walled construction makes the tanks heavy and expensive. The vacuum insulation between the two walled structure ensures that the LNG stays liquid over the transportation time (boiling point of LNG: -162 ◦C). This causes a high temperature difference between the transported good and the ambient air. Furthermore, there are some restrictions in carrying out in-service inspection using a double-wall design. Therefore, alternative tank designs, such as single wall glass fiber reinforced plastics (GFRP), are of growing interest.
The material properties of GFRP and tank insulation at cryogenic temperatures are investigated. Liquified nitrogen (-196 °C; 77 K) is used for all experiments at cryogenic temperatures for safety reasons. Thermal conductivity of different layers are investigated and compared. Mechanical properties are analyzed by performing 3-point bending tests on cooled specimen. When cooled, the specimens fail at a higher force, but all layers of the laminate fail at once. Further investigations into the characterization of material properties, such as CT scans are currently in preparation.
Evaluation is done by FEM and in approximation via analytical solutions.
Der Markt von LNG als Transportgut und als Kraftstoff ist seit Jahrzehnten kontinuierlich am Wachsen, wobei das Hauptanwendungsgebiet im Schiffsverkehr lag. LNG ist verflüssigtes Erdgas mit Hauptbestandteil Methan, das neben fossilen, aus erneuerbaren Quellen, wie synthetischen Methan oder Biogas, gewonnen werden kann. LNG hat als Kraftstoff sehr gute Eigenschaften dessen Potenzial als alternativer Kraftstoff zu Diesel im Schwerlast- und Fernverkehr gesehen wird. Dabei weist LNG gegenüber Diesel geringere Emissionen von CO2, Feinstaub, Stickoxiden und Lärm auf und hat gegenüber anderen erneuerbaren Energiespeichern wie CNG, Elektrobatterien oder Wasserstoff die höchste volumetrische und zweitgrößte gravimetrische Energiedichte. Neben seinen Vorteilen zu anderen erneuerbaren Energieträgern birgt LNG durch seine sehr niedrige Temperatur von bis zu 160°C und seiner Brennbarkeit aber auch neue Gefahren für Personen und Infrastrukturen.
Zur Bewertung von Gefahren und zur späteren Durchführung von Risikobewertungen bedarf es Methoden und Modellen deren Untersuchung Ziel des Forschungsprojekts war. Schwerpunkt der Untersuchung stellt die Freisetzung von LNG in Tunnel, mit sich anschließender Stoffausbreitung und verzögerter Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches dar. Unfallszenarien mit Brandereignissen in Tunnel haben gezeigt, dass diese meist mit hohen Personen, Bauwerks und volkswirtschaftlichen Schäden verbunden sind. Des Weiteren zeigten Untersuchungen das von Gasexplosionen in Umschließungen wie sie ein Tunnel darstellt, mehr Gefahren ausgehen als von Gasexplosionen im Freifeld.
Im Vortrag werden die untersuchten Modelle und die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse für die Stoffausbreitung und Verbrennung der Gasphase von LNG in Umschließungen vorgestellt.
Liquefied Natural Gas (LNG) aus regenerativen Quellen, stellt einen potenziellen Kraftstoff für den Schwer- und Fernverkehr des Straßenverkehrs dar. Gegenüber seinen positiven Eigenschaften zu dem in diesem Verkehrssektor häufig verwendeten Kraftstoff Diesel birgt der Kraftstoff aber auch Gefahren für Personen und Bauwerke durch seine sehr niedrige Temperatur bei der Speicherung von ca. -160 °C und seine Explosionsfähigkeit in der Gas-Phase. In der Arbeit wurde sich mit der Gefährdung von Personen und Bauwerken hinsichtlich der von LNG ausgehenden Gefahren in Tunneln auseinandergesetzt.
Tunnel stellen besonders schützenswerte Bauwerke dar, da aus vorhergehenden Störfällen in Tunneln bekannt ist, dass diese mit hohen Personen-, Bauwerks-, und Volkswirtschaftlichen-Schäden einhergehen können.
Untersuchungsschwerpunkt bei der Bewertung von Gefährdungen durch LNG stellte eine Ereigniskaskade bestehend aus Freisetzung, Verdampfung, Stoffausbreitung und Zündung des sich gebildeten explosionsfähigen LNG-Gas/Luft-Gemisches dar. Mit dem Ziel eine solche Ereigniskaskade realitätsnah vorhersagen und zukünftig hierzu Risikoanalysen durchführen zu können wurden innerhalb der Arbeit Parameterstudien sowie Kalibrierungen und Validierungen gegenüber experimentellen Untersuchungen durchgeführt.
Mit den Modellen wurden in der Arbeit exemplarische Fallbeispiele zu Störfällen untersucht. Ergebnisse dieser waren, dass Gefährdungen insbesondere von flüssigem LNG nach dessen Freisetzung und der Verbrennung von LNG-Gas/Luft-Gemischen ausgingen.zeige weniger