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Organisationseinheit der BAM
Bereits einfache Rohreinbauten wie 90°-Rohrbögen erhöhen den Turbulenzgrad einer Strömung signifikant. Bei Explosionsversuchen von Propan/Luft-Gemischen in einer DN150-Rohrleitung mit einem 90°-Rohrbogen wurden sowohl stark beschleunigte Deflagrationen als auch Detonationen mit maximalen Explosionsdrücken von über 65 bar (abs.) beobachtet.
Propane/air deflagrations and CTA measurements of turbulence inducing elements in closed pipes
(2008)
The current paper presents experimental investigations on several influence parameters of deflagrations in long closed pipes. The experiments were carried out with different propane/air mixtures, various length-to-diameter ratios (up to L/D=143, D=0.159 m) and miscellaneous initial pressures. Maximum values of explosion pressures and flame speeds were found at stoichiometric propane/air compositions. With increasing L/D, the explosion pressures decreased while higher flame speeds were determined. In addition, elevated initial pressures led to rising explosion pressures. Furthermore, it is well known that turbulence inducing elements in pipes, ducts or vessels enhance the heat and mass transfer during reactive flows. This may lead to a significant acceleration of ongoing gaseous reactions and could finally cause a deflagration to detonation transition (DDT) aligned with much higher pressures and flame speeds. Therefore, constant temperature anemometry (CTA) measurements were carried out to describe the influence of frequently used flange assemblies and baffles on the velocity and turbulence distributions of air flows in steel pipes similar to those in the explosion measurements. The experiments showed that in contrast to flange assemblies, baffles caused a significant increase of the turbulence intensity in pipe flows.
Gefahren vermeiden und begrenzen - Ein kurzer Abriss zu den Grundlagen des Explosionsschutzes
(2009)
Zur Bemessung von Druckentlastungseinrichtungen bei Gasexplosionen in Umschließungen existieren derzeitig nur wenige wissenschaftlich fundierte Auslegungskriterien, die die konstruktiven Randbedingungen oder Prozessbedingungen der explosionsgefährdeten Anlagenteile ausreichend berücksichtigen. Aus diesem Grund werden in der Praxis häufig stark konservative Annahmen getroffen, die zu erheblichen Überdimensionierungen der Druckentlastungseinrichtungen führen können.
Aus sicherheitstechnischer Perspektive können gerade diese vermeintlichen Sicherheitsmargen zu einer erheblichen Beschleunigung des transienten Druckverlaufs und damit eher zu einer Unterdimensionierung führen oder sogar den Übergang von Deflagrationen zu Detonationen begünstigen.
Sowohl Messungen als auch erste Simulationen mit Hilfe von CFD-Modellen begründen die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen mit
explosionsgefährdeten Gasanlagen.
Da insbesondere bei turbulenten Verbrennungsvorgängen in den Normen Verbesserungspotential herrscht, wird bei der BAM zukünftig verstärkt dieses Thema in Forschungsarbeiten berücksichtigt.
There is a general lack of information on the effects of full-bore obstacles on combustion in the literature, these obstacles are prevalent in many applications and knowledge of their effects on phenomena including burning rate, flame acceleration and DDT is important for the correct placing of explosion safety devices such as flame arresters and venting devices. In this work methane, propane, ethylene and hydrogen-air explosions were investigated in an 18 m long DN150 closed pipe with a 90 degree bend and various baffle obstacles placed at a short distance from the ignition source. After carrying out multiple experiments with the same configuration it was found that a relatively large variance existed in the measured flame speeds and overpressures, this was attributed to a stochastic element in how flames evolved and also how they caused and interacted with turbulence to produce flame acceleration. This led to several experiments being carried out for one configuration in order to obtain a meaningful average. It was shown that a 90 degree bend in a long tube had the ability to enhance flame speeds and overpressures, and shorten the run-up distance to DDT to a varying degree for a number of gases. In terms of the qualitative effects on these parameters they were comparable to baffle type obstacles with a blockage ratios of between 10 and 20%.
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.
The method described in this paper enabled reliable and accurate positioning of an overdriven detonation by calculation of shock wave velocities (detonation and retonation) for hydrogen explosions in a closed 18 m long horizontal DN150 pipe. This enabled an empirical correlation between the ignition position and the run-up distance to DDT to be determined. It was shown that the initial ability of the flame to expand unobstructed and the piston-like effect of burnt gas expanding against the closed end of the tube contributed to initial flame acceleration and hence were able to affect the run-up distance to overdriven detonation. Flame speeds and rates of initial pressure rise were also used to explain how these two competing effects were able to produce a minimum in the run-up distance to DDT. The shortest run-up distance to DDT, relative to the ignition position, for this pipe and gas configuration was found when the ignition position was placed 5.6 pipe diameters (or 0.9 m) from the closed pipe end. The shortest run-up distance to DDT relative to the end of the pipe was recorded when the ignition source was placed 4.4 pipe diameters or 0.7 m from the pipe end.
The effects of a gas explosion in enclosures like vessels can be limited e.g. by gas explosion venting systems. The major design step of this constructive explosion protection method is to determine the required vent area, which depends significantly on whether turbulent combustion exists. However, current standards like NFPA 68 or EN 14994 are applicable only to limited boundary conditions and as far as possible only to laminar flame propagation. Difficulties arise in the assessment or predictability of gas explosion hazard when turbulence occurs. In this research especially venting at elevated initial pressure has been shown to accelerated flame propagations and therefore, to a considerably higher reduced pressure. Therefore, it is essential to provide a broader data base of turbulent combustion and explosion behavior to verify the existing rules or to determine their safety-relevant parameters. For a better safety assessment or design of protective systems the turbulent combustion and accelerated gas explosion behaviour of quiescent methane and hydrogen in air were investigated at initial pressures up to 8 bar using vessels up to 100 litres. In particular a systematic study was performed to investigate the influence of turbulence on the overpressure development during accelerated gas explosion. Moreover, the present study consider the position of the spark igniters, the burning velocity and the maximum pressure rise for different concentration of fuel as well as the size of orifice and/or vent area. A choice of experimental tests showed under the investigated conditions that not only turbulence inducing obstacles but also over sized vent areas could lead to an increased pressure development and therefore to an inacceptable safety state.
Üblicherweise werden Werkzeuge für den industriellen Einsatz aus hochlegierten Chromstählen hergestellt. Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen werden oft Werkzeuge aus speziellen Nichteisen-Metalllegierungen (NE-Metall) verwendet. Für diese sogenannten funkenarmen Werkstoffe und deren mögliche Schlagpartner gibt es bisher keine umfassenden Untersuchungen mit Aussagen zur Zündwahrscheinlichkeit.
Die TRGS 723, Abschn. 5.15, fordert den Nachweis der Funkenfreiheit der verwendeten Werkstoffpaarung. Jedoch sind Werkzeuge keine Geräte oder Schutzsysteme im Sinne der Richtlinie 2014/34/EU. Deshalb ist es nicht möglich, Werkzeuge in Übereinstimmung mit dieser Richtlinie zu zertifizieren. Der Nachweis der Erfüllung dieser Anforderungen ist durch Zertifizierungen im sogenannten "gesetzlich nicht geregelten" Bereich möglich. Die BAM bietet diese Zertifizierung für "Funkenarme Werkzeuge" im Rahmen ihres Zertifizierungsprogrammes an.
Die bisherigen Ergebnisse der hier vorgestellten Untersuchung haben gezeigt, dass es keine funkenfreien, metallischen Werkzeuge (non-sparking Tools) gibt. Entscheidend ist im Hinblick auf die TRGS 723, ob zündfähige Funken entstehen oder nicht. Es ist immer die Frage, worauf die Werkzeuge im praktischen Anwendungsfall schlagen oder fallen gelassen werden können, d.h. aus welchem Material der mögliche Schlagpartner besteht. Dies können metallische Schlagpartner, aber auch Betonoberflächen sein. Unterschiedliche Kombinationen von Werkstoffen ergeben bei Schlagbeanspruchung im explosionsgefährdeten Bereich jeweils unterschiedliche Zündwahrscheinlichkeiten. Aber auch die Höhe der beim Einsatz der Werkzeuge möglichen kinetischen Schlagenergie und der Brenngas/Luft-Atmosphäre im betreffenden explosionsgefährdeten Bereich sind wichtige Einflussgrößen.
The ignition probability of gaseous mixtures of acetylene, hydrogen and ethylene with air due to mechanical impacts between stainless steel components was examined for various impact energies. Additionally, the sources of ignitions were identified by infrared high-speed recordings. The stainless steel types used had different chemical compositions in order to investigate the influence of the chromium content on the ignition probability. The investigations reveal different ignition probabilities of the gas mixtures as well as different sources of ignitions depending on the steel type used and the impact energy applied. Impact energies below 126 J resulted in ignition of the gaseous mixture at the hot surfaces of the pin or the plate in most of the cases. At higher energies, initiation of ignition due to abraded particles was more probable when using stainless steel components with lower chromium content whereas the source of ignition was almost exclusively limited to the hot surfaces of pin and plate for the steel with the highest chromium content. However, as opposed to the source of ignition, the probability of ignition could not be correlated to the chromium content of the stainless steel.
Die funkenerzeugenden Prozesse der Reib- und Schlagfunken konnten über gezielte Betrachtungen und einen schmalen Bereich der Parameterbreite der jeweiligen Zündquelle verglichen werden. So zeigten Versuche bei einem Volumenanteil von c ≤ 10 % H2 und somit sehr kurzen Reibzeiten (t < 1,0 s) ähnliche Ergebnisse bezüglich der Funkenentstehung sowie der Zündwahrscheinlichkeiten. Durch die unterschiedlichen funkenerzeugenden Mechanismen werden Schlagfunken jedoch schneller und bei geringeren Schlagenergien bzw. bei deutlich geringeren Leistungsdichten erzeugt.
In Wasserstoff/Luft-Atmosphären bis 10 % H2 sinkt mit geringer werdendem Wasserstoffanteil sowohl bei Kurzzeit-Reib- als auch bei Schlagvorgängen die Zündwahrscheinlichkeit. Bei Konzentrationen über 10 % H2 steigt nur bei Reibschlagvorgängen die Zündwahrscheinlichkeit. Dies liegt an der Zunahme des Einflusses der heißen Oberfläche bei gleichzeitig sinkender Oxidationsmöglichkeit der heißen Partikel durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff bedingt durch den verminderten Sauerstoffgehalt im Gemisch.
Temperaturmessungen bestätigen trotz der verkürzten Reibzeit Temperaturen von über 400 °C, die zur Entstehung von Funken aus unlegiertem, ferritischem Stahl notwendig sind.
Eine sinnvolle und praxisgerechte Bewertung der Zündwahrscheinlichkeiten erscheint für Schlagfunken über das Energiekriterium und für Reibfunken über das Leistungskriterium möglich.
Die Konformitätsbewertung als Voraussetzung für das Inverkehrbringen von Geräten, die in den Geltungsbereich der Europäischen Richtlinie 94/9/EG fallen, bedarf einer Zündgefahrenbewertung, die auch die Gefahren durch 'mechanisch erzeugte Funken' berücksichtigen muss. In einem Forschungsvorhaben wurden in diesem Zusammenhang die von Edelstahlschlagfunken ausgehenden Zündgefahren untersucht.
Grazing impact experiments of various types of stainless steels were performed in explosive atmospheres of hydrogen, acetylene, ethylene or propane with air. Depending on the gas mixture, kinetic energy of the impact, and applied stainless steel, the dominant ignition sources are either separated particles or hot friction surfaces. An influence of chromium content on the ignition probability was not found, although an increase in chromium content results in a reduction of the oxidizability of separated particles. Additionally, the influence of the material properties thermal conductivity, specific heat, density and hardness on the ignition probability of the hydrogen–air mixture was investigated. With increasing thermal conductivity a decreasing rate of ignitions was observed. In contrast, an influence of the physical properties specific heat, density and hardness on the ignitability was not found.