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Mechanisch erzeugte Schlagfunken stellen in explosionsgefährdeten Bereichen eine potentielle Zündquelle dar. Eine Vielzahl von mechanischen und reaktionskinetischen Einflüssen verursacht dabei eine komplexe Interaktion von Parametern, von deren Auswirkung auf die Zündwahrscheinlichkeit bislang wenig bekannt ist. Die statistisch erfassten Eigenschaften von Schlagfunken in dieser Untersuchung lassen auf stochastische Prozesse schließen, bei denen die Anzahl der durch einen Schlagprozess abgetrennten Partikel und deren Oxidationsverhalten sowie die Höhe der kinetischen Schlagenergie entscheidenden Einfluss auf die Zündwahrscheinlichkeit hat.
Statistisch belastbar konnte in Ergänzung zum BAM Forschungsbericht 279 durch empirische Untersuchungen erstmals die Zündwahrscheinlichkeit von mechanisch erzeugten Stahl-Schlagfunken mit der Werkstoffpaarung unlegierter Stahl/unlegierten Stahl von W = 3 Nm bis 277 Nm ermittelt werden. Ferner wurde die Zündfähigkeit von durch energiereiche Schlagvorgänge (≥ 190 Nm) abgetrennten nicht oxidierten Partikeln erhöhter Temperatur in überstöchiometrischen Gemischen nachgewiesen. Während eine eindeutige Korrelation von Schlagenergie und Zündwahrscheinlichkeit sowie eine Korrelation von Schlagenergie und Anzahl abgetrennter Partikel festgestellt wurden, lieferte die Untersuchung in Hinblick auf die gemessenen einzelnen Parameter (wie z. B. Anzahl, Größe, Geschwindigkeit, mögliche Oxidation und Oxidationszeit und –verhalten der Partikel im Zusammenhang zur Schlagenergie und zur Zündwahrscheinlichkeit) kein eindeutiges Ergebnis. Auch eine Hauptkomponentenanalyse (PCA), die die Interaktion der einzelnen Parameter berücksichtigt, konnte keine spezifische Kombination messbarer Eigenschaften der Partikel finden, die mit einer deutlichen Erhöhung der Zündwahrscheinlichkeit korreliert.
Der vorliegende Beitrag stellt - zusätzlich zur Vervollständigung der empirischen Untersuchung über die Zündwahrscheinlichkeit der Werkstoffpaarung Stahl/Stahl - einen ersten Versuch zur statistischen Erfassung von messbaren Eigenschaften durch Schlagvorgänge abgetrennter Partikel und ihren möglichen Einfluss auf die Zündwahrscheinlichkeit bei Schlagfunkenversuchen vor. Ein eindeutiges Ergebnis der statistischen Untersuchung ist die Zunahme der abgetrennten Partikel und des prozentualen Anteils oxidierter Partikel mit der Schlagenergie bei Acetylen/Luft. Je mehr Partikel abgetrennt werden, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass aus der Menge der Partikel diese durch Oxidation über genügend Energie zur Zündung des Brenngas/Luft-Gemisches verfügt. Um genügend Energie zur Zündung eines Brenngas/Luft-Gemisches zur Verfügung zu haben, muss das oxidierte Partikel eine bestimmte Größe übersteigen, da es dann mehr Wärme in das umgebende Gas ableiten kann.
Unsere bisherigen Untersuchungen lassen sich in zwei Stufen unterteilen. Eine erste Analyse /L-13/ ermittelte für alle Explosionsgruppen den Zusammenhang zwischen Schlagenergie, Ge-mischzusammensetzung, Oberflächenrauhigkeit der Schlagplatte und Zündwahrscheinlichkeit, wobei als Schlagenergie die Werte W = 3 Nm, 10 Nm und 190 Nm dienten. Die aktuelle Analyse hat die statistische Erfassung von Verhalten und Zündfähigkeit einzelner abgetrennter Partikel unter dem Einfluss von Schlagenergie und Gemischzusammensetzung zum Ziel
Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der kinetischen Schlagenergie und der Zünd-wahrscheinlichkeit: Je höher die kinetische Schlagenergie, umso höher die Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung zündfähiger mechanischer Stahl-Schlagfunken.
Für die Gemische der IEC-Explosionsgruppe IIC bedeutet das eine signifikante Zunahme der Zündwahrscheinlichkeit durch Stahl-Schlagfunken von 1,5 % (für Wasserstoff) bis 3,0 % (für Ace-tylen) bei W = 10 Nm auf 100 % bei W = 190 Nm. Bei Ethylen beträgt die Zunahme der Zünd-wahrscheinlichkeit von 0 % auf 16,6 % und bei Propan von 0 % auf 6,7 %. Diese Abhängig¬keiten sind in Abb. 1 dargestellt.
Unterhalb einer kinetischen Schlagenergie von 3 Nm konnten mit der angewendeten Schlagki-nematik, Schlaggeometrie und Werkstoffen keine zündfähigen mechanisch erzeugten Stahl-Schlagfunken erzeugt werden.