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In this lecture the safety related properties og hydrogen compared to other fuel gases and the explosion protection measures of avoiding flammable mixtures, avoiding ignition sources and mitigating the consequences of explosions when handling hydrogen and hydrogen mixtures are presented.
The Joint European Summer School JESS 2021 addresses these issues by offering high quality graduate level courses on selected topics of vehicle technology, innovation & business development, safe handling of hydrogen, and modelling. The course content is tailored to the needs of a diverse audience: newcomers to the field, experienced students, and young professionals working at the forefront of fuel cell and hydrogen applications.
Hinsichtlich ihrer sicherheitstechnischen Kenngrößen (STK) unterscheiden sich Wasserstoff und Erdgas zum Teil stark. Im Vortrag werden verschiedene STK von Erdgas/Wasserstoff-Gemischen im Abhängigkeit des Wasserstoffanteils vorgestellt und die Auswirkung der Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas auf die Wirksamkeit von Explosionsschutzmaßnahmen erläutert.
Wasserstoff unterscheidet sich hinsichtlich der sicherheitstechnischen Eigenschaften von anderen brennbaren Gassen, v.a. durch die sehr niedrige Mindestzündenergie und die sehr hohe Flammengeschwindigkeit. Durch Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas ändern sich die sicherheitstechnischen Eigenschaften zum Teil in kritischer Richtung. Bis zu einem Wasserstoffanteil von 10 Mol-% im Erdgas ist aber keine wesentliche Anpassung der Maßnahmen für den Explosionsschutz erforderlich. Synthesgas ist ein weiteres Wasserstoffgemisch das in Zukunft vermutlich zunehmend relevant sein wird. Die beiden Komponenten Wasserstoff und Kohlenmonoxid haben zwar in mancher Hinsicht ähnliche sicherheitstechnische Eigenschaften unterscheiden sich aber auch sehr stark bzgl. der Mindestzündenergie und der Flammengeschwindigkeit.
Die Explosionsbereiche für Dreistoffsysteme aus Brennstoff Inertgas und Luft wurden nach dem Modell der konstanten adiabatischen Flammentemperaturprofile berechnet. Für die Parametrisierung des halbempirischen Modells muss der Explosionsbereich für ein bestimmtes Dreistoffsystem aus Brennstoff, Inertgas und Luft bekannt sein. Dann lassen sich Explosionsbereiche desselben Brennstoffs mit einem beliebigen Inertgas und bei einer beliebigen Temperatur berechnen. Ergänzend zu früheren Arbeiten, in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden nun die Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan durchgeführt. Als Inertgase wurden neben Stickstoff und Kohlendioxid auch die Edelgase Argon und Helium berücksichtigt.
Für die Berechnung der Explosionsbereiche in Systemen mit Helium, ist das Modell erweitert worden, so dass auch die Transporteigenschaften (d.h. Wärmeleitfähigkeit, Diffusionskoeffizient) der Komponenten berücksichtigt werden. Weiterhin ist eine Möglichkeit zur praxisnahen Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole, Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist. Die vorgenommenen Modifikationen sind geeignet, um auch eine Berechnung für Gasgemische mit Helium durchzuführen, dessen starke inertisierende Wirkung im Vergleich zu den Inertgasen
Argon oder Stickstoff vor allem auf den stark unterschiedlichen Transporteigenschaften beruht.
Die Explosionsbereiche für Dreistoffsysteme aus Brennstoff, Inertgas und Luft wurden nach dem Modell der konstanten adiabatischen Flammentemperaturprofile berechnet. Für die Parametrisierung des halbempirischen Modells muss der Explosionsbereich für ein bestimmtes Dreistoffsystem aus Brennstoff, Inertgas und Luft bekannt sein. Dann lassen sich Explosionsbereiche desselben Brennstoffs mit einem beliebigen Inertgas und bei einer beliebigen Temperatur berechnen. Ergänzend zu früheren Arbeiten, in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden nun die Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan durchgeführt. Als Inertgase wurden neben Stickstoff und Kohlendioxid auch die Edelgase Argon und Helium berücksichtigt. Für die Berechnung der Explosionsbereiche in Systemen mit Helium, ist das Modell erweitert worden, so dass auch die Transporteigenschaften (d.h. Wärmeleitfähigkeit, Diffusionskoeffizient) der Komponenten berücksichtigt werden. Weiterhin ist eine Möglichkeit zur praxisnahen Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole, Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist. Die vorgenommenen Modifikationen sind geeignet, um auch eine Berechnung für Gasgemische mit Helium durchzuführen, dessen starke inertisierende Wirkung im Vergleich zu den Inertgasen Argon oder Stickstoff vor allem auf den stark unterschiedlichen Transporteigenschaften beruht. Für die Analyse der physikalischen Vorgänge, die zur Zündung führen, ist eine spezielle Kontaktvorrichtung entwickelt worden. Damit können die Entladungen > 200 µm Länge und mit einer Dauer von > 500 µs an einer bestimmbaren Position erzeugt und untersucht werden.
Für die Entladungen an der Zündgrenze bei niedrigen Spannungs- und Stromwerten (max. 30 V, 30 bis 100 mA Konstantstrombegrenzung) sind die Bedingung für die Erzeugung ermittelt worden. Das sind die Rauheit auf der Kontaktoberfläche, die langsame Kontaktöffnungsbewegung und eine geeignet regelnde Spannungsquelle mit Konstantstrombegrenzung. Damit sind für diese Entladungen an der Zündgrenze die Strom-Spannungs-Kennlinie, das Spektrum mit dominierenden Linien von Cadmium-Metalldampf sowie die Temperaturverläufe ermittelt worden.
Explosion and decomposition limits of flammable and chemically unstable gases were determined experimentally in a dosed autoclave with varying ignition energy up to 1000 J. The ignition source was a lightning arc caused by an exploding wire igniter as described in EN 1839 B .. In case of methane only the upper explosion limit was influenced significantly by the ignition energy, whereas the lower explosion limit was constant. In case of R32 however. it was the lower explosion limit that was influenced significantly by the ignition energy and not the upper explosion limit. A particularly strong dependency from the ignition energy was found for the decomposition limits of the chemically unstable gases in nitrogen.
Most fluorinated hydrocarbons that shall replace refrigerants with high GWP. like R134a. are flammable. For evaluating inertization measures for explosion protection. flammability of low-GWP refrigerants R1234yf, R32 and R1132a blended with carbon dioxide.
Nitrogen and argon were studied experimentally in a closed autoclave
at atmospheric conditions. Furthermore, a calculation method was
adapted to reduce the experimental costs for flammability studies on
these gas mixtures. For igniting R1234yf in the closed autoclave a
newly developed ignition system was used that allows generating
electric arcs with high ignition energy. Gas mixtures containing the
mildly flammable R1234yf and R32 could be inerted by adding much
less inert gas than mixtures containing R1132a, which is more similar
to unfluorinated hydrocarbons regarding the explosion regions. By
using the adapted model of constant adiabatic flame temperature
profiles estimating the explosion limits of fluorinated hydrocarbons
was possible with similar accuracy as for unf luorinated hydrocarbons.
Ergänzend zu früheren Arbeiten. in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden Ergebnisse der Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan vorgestellt. Für die Berechnung ist das Modell erweitert worden. so dass auch die Transporteigenschaften der Gasgemische berücksichtigt werden.
Weiterhin ist eine neue Methode zur Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen. dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole. Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist.
Explosion and decomposition limits of flammable and chemically unstable gases were determined experimentally in a closed autoclave with an ignition energy higher than the standard 10 J a 20 J. The ignition source was a lightning arc caused by an exploding wire igniter as described in EN 1839 B. With a newly developed ignition system a graded ignition energy between 3 J and 1000 J was generated. Different types of gases were studied with this ignition system: methane as a typical fuel gas and reference gas for some standards for explosion limit determination, the refrigerant R32 (difluoromethane) as a mildly flammable gas with low burning velocity and high minimum ignition energy compared with methane as well as the chemical unstable gases acetylene, nitrous oxide and ethylene oxide, which can decompose explosively in the absence of air or other oxidizers. It was found that the influence of strong ignition sources on explosion and decomposition limits can be very different for different systems. In case of methane only the upper explosion limit was influenced significantly by the ignition energy, whereas the lower explosion limit was constant. In a standard test vessel with an inner volume of 14 dm3 it was difficult to quantify the upper explosion limit of methane exactly with the strong ignition source, because the explosion pressure did not increase abruptly near the explosion limit, but steadily over a large concentration range. Probably a larger explosion vessel is more appropriate in this case. In case of R32 however, it was the lower explosion limit that was influenced significantly by the ignition energy and not the upper explosion limit. A particularly strong dependency from the ignition energy was found for the decomposition limits of the chemically unstable gases in nitrogen. Here special regard is necessary in practical applications, if uncommonly strong ignition sources cannot be excluded.