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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.
Die Kenntnis des Brenn- und Explosionsverhaltens von Stäuben ermöglicht die Festlegung geeig-neter Explosionsschutzmaßnahmen. Am Beispiel von Steinkohle- Mahlanlagen werden Untersu-chungen zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen (STK) von Stäuben vorgestellt. Hier-bei erfolgt zunächst die auf den Anwendungsfall abgestimmte Auswahl geeigneter Untersuchungs-verfahren und deren Anpassung an vorliegende Randbedingungen. Aufbauend auf die gewonnenen Erkenntnisse werden Schlussfolgerungen für den sicheren Betrieb von Steinkohle- Mahlanlagen getroffen.
In the frame of the European harmonization, new European technical standards (Eurocodes) have been developed in recent years. Classical methods, like tables and simplified analytical procedures, as well as general engineering techniques are allowed by the Eurocodes for the fire protection design. The modeling and calculation of fire scenarios with CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical methods is one of the general engineering methods. It is nowadays still difficult to check and evaluate the CFD results for their use as technical documents for fire safety design.
Analytical engineering techniques, zone models and CFD-models have been used and compared in the present work for the prediction of the fire development in a building.
To solve the conservation equation for the CFD-model, the CFD-program FDS, with the mixture fraction model, and the CFD-program FLUENT, with the one step reaction model as well as with the volumetric source term model, have been used.
The combustion of polyurethane is modeled in FDS by specifying the heat release rate and the stoichiometry. For the combustion in volumetric source term model, the heat release rate and the smoke release were specified with respect to the stoichiometry. The input parameter for the one step reaction model is the pyrolysis mass flow.
In the one step reaction model, the transport equations for polyurethane, H₂O, N₂, O₂, CO₂, CO and C (soot) are solved and the heat of combustion is determined from the standard formation enthalpy of all the components. In volumetric source term model, the transport equation is solved for air and smoke. FDS solves the transport equation for the mixture fraction.
To model the fire development, and where no literature data was available, the required material characteristics like specific heat capacity, absorption coefficient and heat of combustion were measured.
In all the investigated CFD-models the heat- and species transport equation has been solved and the absorption coefficient of soot has been considered.
Furthermore, the fire development has also been investigated using zone models with the programs CFAST and MRFC.
Results from analytical engineering techniques (plume calculations), which were design criteria in the past, have been used as plausibility checks for the present work. The calculation results from the investigations were compared to measurements in the same building performed by the National Institute for Standards and Technology (NIST).
Busbrände treten relativ häufig auf, auch wenn sich das im öffentlichen Bewusstsein nicht unbedingt widerspiegelt. Nach einer eigenen Internetrecherche brennt etwa an jedem zweiten Tag ein Bus in Deutschland.
Die grundlegenden Brandschutzvorschriften für Busse gehen auf die amerikanische
Norm FMVSS 302 zurück, die in den 60er Jahren entwickelt wurde und ist quasi weltweit noch immer in sämtlichen nationalen und internationalen Brandschutzvorschiften wiederzufinden. Ziel der FMVSS 302 ist es vor allem, Fahrzeugbrände durch das Rauchen zu verhindern. Verschiedene Untersuchungen zeigen jedoch, dass die meisten Busbrände andere Ursachen haben und zu ca. 80 % im Motorraum entstehen. Auch das Versagen von elektrischen Komponenten ist häufiger die Brandursache. Dies geschah z.B. im Jahr 2008 bei einem schweren Busbrand in der Nähe von Hannover, bei dem sich gerade einmal 13 Passagiere selber retten konnten und 20 Menschen ihr Leben verloren. Einige Brandleichen wurden sogar noch am Sicherheitsgurt angeschnallt aufgefunden.
Durch die enorme Zunahme brennbarer Kunststoffteile in Bussen entstand ein bisher unberücksichtigtes Risiko, das bei der Normentwicklung in den 1960er Jahren nicht berücksichtigt wurde. So hat sich die Brandlast seitdem etwa verzehnfacht und das toxische Potential erheblich gesteigert. Nach wenigen Minuten muss bei den Brandopfern bereits mit einem schnellen Tod durch Rauchgasvergiftungen gerechnet werden. Aufgrund der schnellen Brandentwicklung in Bussen können Passagiere in den allermeisten Fällen nicht bis zum Eintreffen der Feuerwehr warten und müssen sich selber retten. Die Zeit für die Selbstrettung muss signifikant verlängert werden, so dass auch mobilitätseingeschränkte Passagiere eine Chance zum Verlassen des Busses haben. Der Vergleich mit Brandschutzanforderungen anderer Transportsektoren (Bahn, Schiff, Flugzeug) zeigt, dass die Anforderungen dort sehr viel höher sind. Sowohl die Entflammbarkeit als auch die Wärmefreisetzung sowie die Rauchfreisetzung werden in diesen Normen begrenzt. Zudem werden Materialanforderungen hinsichtlich der Rauchgastoxizität gestellt.
Im Ergebnis dieser Arbeit sollen einerseits Brandschutzempfehlungen für die zweckmäßige und zugleich wirtschaftlich vertretbare Ausstattung von Bussen im Innenbereich unterbreitet werden. Andererseits sollen auch Überarbeitungsvorschläge für Prüftests vorgestellt werden, die den Brandschutz von Kraftomnibussen sicherstellen und erstmals auch Grenzwerte für die Rauchgastoxizität beinhalten. Dazu werden neben den Brandversuchen auch numerische Simulationen mit dem Fire Dynamics Simulator (FDS, Version 5, NIST) durchgeführt, in denen verschiedene Brandszenarien mit unterschiedlichen Buskategorien simuliert werden.
Fires on waste dumps, surface landfills, Underground stowing or storage facilities of Recycling factories may have multiple harmful effects on individuals on site and on environment.
Possibly several tens of thousands of tons flare up plunging vast areas in smoke and releasing large amounts of flue gases. Experience shows that fire fighting takes days or even weeks and moreover, as long as hidden glowing nests exist fires may break out repeatedly weeks or months later. In the light of this, fire prevention is much easier to manage than extinction. It is of internst to identify the geometrical and physical conditions under which the mid-term or long-term storage of recycling materials can be performed avoiding self-ignition. Our Guideline presents a novel method developed at BAM which combines experimental tests on lab-scale with numerical simulations in Order to obtain permissible geometries of deposits and storage times at which self-ignition can be certainly avoided (Berger 2010).
The number of cars which use a battery for propulsion, like BEV (battery electric vehicle) or PHEV (plug-in hybrid electric vehicle), is increasing. Following, the probability of these car types being involved in car accidents will increase. In a worst-case accident scenario, the installed batteries could go under thermal runaway (TR). A TR could be initiated by various causes, e.g., high temperatures from outside, mechanical damage of the cells/modules/batteries or internal and external short circuits. During such an event, large amounts of heat and toxic and/or flammable gases are released. This poses a great hazard to people and property in the immediate vicinity. The paper describes a large-scale test series on the lithium-ion battery TR consequences of automobile cells and modules up to E = 6.85 kWh. Near field temperatures of ΔT > 800°C in a distance of l = 2 m were measured. During an overcharge test, fragment throwing distances of l > 30 m were detected. Subsequent gas explosions of the released gases were documented. Hydrogen fluoride (HF) was measured in all tests, from cell to module. The highestmeasured concentration was cHF = 76 ppm, which is significantly higher than the 30-min-level for AEGL 2 (acute exposure guideline level 2). Based on the experimentally determined consequences, concrete measures for the accident analysis are subsequently drawn.