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Organisationseinheit der BAM
Der maßgebliche Einfluss turbulenter Strömungsbewegungen auf den Ablauf von
Explosionen ist bereits seit längerem bekannt. Wegen der Schwierigkeit, Betrag und
Richtung der turbulenten Schwankungsgeschwindigkeit in-situ zu messen, existieren
jedoch nur wenige diesbezügliche experimentelle Daten.
Es wurde deshalb eine aus drei Glassegmenten bestehende Versuchsapparatur mit
etwa 100 l Volumen und einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von 4,7 errichtet, die
die gleichzeitige Messung der Strömungsgeschwindigkeit und deren turbulenter
Fluktuation, der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme, der zeitlichen Entwicklung
des Explosionsdruckes sowie im Falle von Staubexplosionen der Staubkonzentration
erlaubte.
Die Glassegmente wurden durch Metallflansche verbunden, an welche insgesamt
sechzehn gleichmäßig über Umfang und Höhe verteilte Ventilatoren zur kontrollierten
Erzeugung eines Turbulenzfeldes montiert waren.
Die Explosionsversuche wurden mit einem Propan-Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch
sowie mit einem Maisstärke-Luft-Gemisch durchgeführt. Die Zündung der
explosionsfähigen Gemische erfolgte durch einen Hochspannungsfunken.
Als Berstfolien wurden zwei Polyethylenfolien (Dicke 10 und 15 µm) und drei
Aluminiumfolien (Dicke 15, 20 und 22 µm) verwendet.
Die Versuche zeigten sowohl bei Gas- als auch bei Staubexplosionen eine Zunahme
des reduzierten Explosionsdruckes für wachsende turbulente Schwankungs-geschwindigkeiten
im Bereich von 0 m/s bis 0,45 m/s. Diese Zunahme war
besonders ausgeprägt für verhältnismäßig kleine Entlastungsflächen (Durchmesser <
70 mm) bei geringen Ansprechdrücken (Polyethylenfolie), während für höhere
Ansprechdrücke (Aluminiumfolie) der Einfluss der Turbulenz zurückging.
Zur Ergänzung der Experimente wurden Simulationsrechnungen mit dem
Computational Fluid Dynamics-Programm Fluent6 unternommen. Diese Rechnungen
dienten der Validierung der den Programmen zugrunde liegenden Modelle im
Hinblick auf ihre Anwendbarkeit zur Berechnung von Explosionsabläufen in
technischen Anlagen. Es konnte eine realistische Wiedergabe der Druck-Zeit-Verläufe
durch die Rechnungen erreicht werden.
Seit langer Zeit ist bekannt, dass ungünstige Lagerungsbedingungen
bei brennbaren Schüttgütern und Stäuben zur
Selbstentzündung führen können. Die meisten Studien zu
diesem Thema beziehen sich allerdings auf Umgebungsbedingungen
(d. h. mit einem Sauerstoff-Volumenanteil von
21 % in der Schüttungsumgebung). In einigen technischen
Anwendungen jedoch wird brennbares Schüttgut oder Staub
unter einer Gasatmosphäre mit reduziertem Sauerstoff-
Volumenanteil gelagert und verarbeitet (Inertisierung). Dabei
ist zunächst nicht klar, bis zu welchem Ausmaß der Sauerstoff-
Volumenanteil reduziert werden muss, um bei einer
vorgegebenen Lagerungstemperatur Selbstentzündung auszuschließen.
Neben dem Sauerstoffvolumenanteil können
auch der Feuchtegehalt der Schüttung sowie die relative Luftfeuchtigkeit
in der Schüttungsumgebung den Vorgang der
Selbstentzündung beeinflussen.
Die hier vorgestellten experimentellen Untersuchungen beschreiben
zum einen den Einfluss des Sauerstoff-Volumenanteils
auf die Selbstentzündungstemperatur (SET) von
Schüttgütern und Stäuben. Es wurde beobachtet, dass die
SET mit abnehmendem Sauerstoff-Volumenanteil in der
Schüttungsumgebung anstieg. Jedoch traten auch bei sehr
kleinem Sauerstoff-Volumenanteil noch signifikante Temperaturerhöhungen
in den untersuchten Proben auf.
Zum zweiten wurde der Einfluss der Feuchte auf die SET
untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass unterkritisch
gelagerte Schüttungen durch Kondensation von Wasserdampf
oder Zugabe von Wasser auf die Oberfläche der
Schüttung in einen überkritischen Zustand gebracht werden
konnten.
Neben den experimentellen Untersuchungen wurde ein numerisches
Modell entwickelt, mit dessen Hilfe sich der
Selbsterwärmungsprozess bis hin zur Zündung von Schüttgütern
berechnen lässt. Anwendungen findet dieses Modell
für die Lagerung von Schüttgütern, Stäuben, Feststoffen
sowie Abfällen.