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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.
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.
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.
Many industrial processes include a gas explosion hazard. If safety measures are not adequate to prevent a potentially explosive atmosphere or to avoid effective ignition sources in enclosures, at least the effects of an explosion can be limited e.g. by gas explosion venting systems.
For the design of gas explosion venting systems for confinements only little guidance is given when considering the constructional boundary conditions or process conditions. For this reason conservative assumptions are prevalent in practice and in many cases the protective systems become significantly oversized. From safety perspective such safety margins in venting areas can lead to a critical acceleration of the pressure rise. Moreover, a gas explosion venting at turbulent conditions caused by over sizing or by obstacles rather leads to an under-sized system. The present investigation was focused especially on the influence of certain obstacles as well as the influence of elevated initial pressures on explosion venting
behaviour of quiescent hydrogen, methane or ethylene in air.
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 (DDT) begünstigen [1-3].
Um die Gefahren bzw. die Einflussfaktoren dieser kritischen Zustände beurteilen zu
können, soll im Rahmen eines Forschungsprojektes das Explosionsverhalten in
Anwesenheit Turbulenz bildender Einbauten oder bei nicht atmosphärischen
Bedingungen speziell bei erhöhten Anfangsdrücken - systematisch untersucht
werden.
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 behaviour 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 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. Due to the numerous influencing variables of
explosion behaviour the presented experimental results help to judge whether another more sophisticated
method should be applied than the one described in standards.
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.
For the design of gas explosion venting systems for confinements only little guidance is given when considering the constructional boundary conditions or process conditions. For this reason conservative assumptions are prevalent in practice and in many cases the protective Systems become significantly oversized. Such safety margins in venting areas can lead to a critical acceleration of the pressure rise. Finally, a gas explosion at turbulent conditions caused by oversizing of the venting area rather leads to an under-sized system and supports the deflagration to detonation transition (DDT). The present investigation was focused especially on the influence of certain obstacles as well as the effect of the initial pressures on the explosion venting behavior of methane-air-mixtures and of hydrogen-air-mixtures.
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.