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Organisationseinheit der BAM
This paper describes a modified experimental setup for the test apparatus 20-L-Sphere (also known as 20-L Siwek Chamber), that enables the test samples to be kept under inert atmospheric conditions nearly until ignition. This setup was designed to allow the determination of safety characteristics of nano powders under most critical circumstances (e.g. minimisation of the influence of oxidation before the test itself). The aim of this modification was to determine, whether or not the current setup and procedures underestimate the explosion violence and ignitability of nano powders. For this purpose, two different methods, the so called inerting method and the modified method (using a special nozzle called mushroom nozzle) are used. Both methods are described in the paper. The work includes experimental results of micrometer dusts to validate the modified method. Moreover first results of nanometer iron and aluminium dusts are presented, which were kept at inert conditions until shortly before the ignition. The tested nano iron was found to react pyrophoric, as soon as it gets in contact with air, while the tested nano aluminium did not generally show such behaviour. Tests with nano aluminium using the inerting method revealed a higher pressure rise in comparison to the standard test procedure. This could suggest a different extent of passivation. To investigate this effect more closely, further testes with more nano powders are required.
Modified setup of 20-L-sphere for the determination of safety characteristics of nano powders
(2013)
This paper describes a modified experimental setup for the test apparatus 20-L-Sphere (also known as 20-L Siwek Chamber), that enables the test samples to be kept under inert atmospheric conditions nearly until ignition. This setup was designed to allow the determination of safety characteristics of nanopowders under most critical circumstances (e.g. minimisation of the influence of oxidation before the test itself). The aim of this modification was to determine, whether or not the current setup and procedures underestimate the explosion violence and ignitability of nanopowders. The work includes experimental results of micrometer dusts to validate the modified setup. Moreover first results of nanometer iron and Aluminium dusts are presented, which were kept at inert conditions until shortly before the ignition. The tested nano iron was found to react pyrophoric, as soon as it gets in contact with air, while the tested nano Aluminium did not generally show such behaviour.
Die Nanotechnologie gilt als die Wachstumsbranche der nächsten Jahrzehnte. Nicht zuletzt ist diese Entwicklung der veränderten Eigenschaften der Materialien im Nanometerbereich zuzuschreiben. Das andersgeartete Verhalten solcher Stoffe und die daraus ableitbare Unkenntnis über die Interaktion dieser Materialien mit ihrer Umgebung erfordert eine intensive Auseinandersetzung mit der Thematik zur Risikoabschätzung. Deshalb wurden und werden z.B. die gesundheitlichen Wirkungen von nanoskaligen Materialien auf den menschlichen Organismus bereits in zahlreichen Studien und Forschungsvorhaben untersucht.
Fundierte Erfahrungen und Erkenntnisse über Brand- und Explosionsgefahren bei der Herstellung und Handhabung von nanoskalig hergestellten brennbaren Materialien bzw. von Stoffen mit Partikelgrößen < µlpm liegen hingegen bisher kaum vor. Aufgrund von Erfahrungen mit Stäuben mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich ist jedoch bekannt, dass Stoffe mit abnehmender Partikelgröße kritischer einzustufen sind, da beispielsweise ihre Explosionsheftigkeit und Zündempfmdlichkeit zunehmen.
Die Explosionseigenschaften brennbarer Stäube werden durch sicherheitstechnische Kenngrößen beschrieben. Die Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen von Nanostäuben - welche die Grundlage für eine Gefährdungsbeurteilung und das Auslegen von Schutzmaßnahmen für Anlagen bilden - erfolgte bislang nur in geringem Umfang. Diese Untersuchungen wurden zudem großteils in Analogie zu den genormten Verfahren für Mikrostäube durchgeführt. Es wurde dabei jedoch nicht überprüft, ob die für Mikrostäube etablierten Prüfverfahren für eine sichere Bewertung des Brenn- und Explosionsverhaltens geeignet sind. Darüber hinaus kann es durch aus den Prüfapparaturen freigesetzten Staub zu einer Gesundheitsgefährdung der Mitarbeiter kommen.
Da bisherige Untersuchungen zum Brand- und Explosionsverhalten von Nanostäuben den Oxidationsgrad der Proben nicht berücksichtigt haben, bestand die Vermutung, dass das Gefahrenpotential von Nanostäuben bislang unterschätzt werden könnte. Deshalb wurde ein modifizierter Prüfaufbau der Prüfapparatur 20-L Kugel entwickelt, um Nanostäube und deren Gefahrenpotential richtig einschätzen und der Kernfrage im Titel dieses Beitrages näher auf den Grund gehen zu können.
Insbesondere metallische Nanostäube wurden bei den ersten Tests zur Bestimmung des Brand- und Explosionsverhaltens untersucht. Bei entsprechenden Stäuben ist zu erwarten, dass sich eine mögliche Oberflächenoxidation bzw. Passivierung besonders stark auf das Explosionsverhalten auswirken könnte. Darüber hinaus ist bekannt, dass metallische Stäube pyrophor reagieren oder sich aufgrund der hohen Scherkräfte bereites beim Eindüsen in die Versuchsapparatur entzünden können. Dies kommt gelegentlich bei Metallstäuben mit Medianwerten von wenigen Mikrometern vor. Da bei nanoskaligen Stäuben theoretisch wesentlich größere Oberflächen auftreten, ist davon auszugehen, dass sich dieses Verhalten bei solchen Stäuben verstärken könnte. Dies wurde von Wu et al. in für nanoskalige Eisen und Titanpartikel nachgewiesen.
Dieser Beitrag beschreibt einen modifizierten Versuchsaufbau für die Prüfapparatur 20-L Kugel, der es ermöglicht, die zu untersuchenden Staubproben bis kurz vor deren Entzünden unter Ausschluss von Sauerstoff zu handhaben. Dieser modifizierte Aufbau wurde entwickelt, um die Bestimmung Sicherheitstechnischer Kenngrößen von möglichst unpassivierten Nanostäuben zu gewährleisten. Das Ziel dieser Modifikationen ist es, festzustellen, ob es bei der Standardapparatur und -prüfverfahren zu einer Unterschätzung der Explosionsheftigkeit und Zündempfindlichkeit durch Passivierung von Nanonstäuben vor der eigentlichen Untersuchung kommen könnte.
Zu diesem Zweck wurden zwei verschiedene Methoden (das sogenannte Inertisierungsverfahren und das modifizierte Verfahren mit Verteilerschale) verwendet. Beide Methoden sind in diesem Artikel beschrieben. Er umfasst experimentelle Ergebnisse von Mikrostäuben, welche zur Validierung verwendet worden und darüber hinaus erste Ergebnisse mit Eisen und Aluminium Nanostäuben, die bis kurz vor dem Entzünden unter inerten Bedingungen gehandhabt worden. Das getestete Nano Eisen reagiert pyrophor, sobald es mit Luft in Kontakt kam, während bei dem untersuchten Nano Aluminium solches Verhalten nicht generell beobachtet werden konnte. Die Versuche mit Nano Aluminium und dem Inertisierungsverfahren zeigten einen höheren Druckanstieg im Vergleich zum Standard-Prüfverfahren. Dies könnte auf einen unterschiedlichen Grad der Passivierung hindeuten. Um diese Beobachtung näher zu untersuchen, sind weitere Versuche mit einer größeren Anzahl an Stäuben notwendig.
The production of materials with dimensions in the nanometre range has continued to increase in recent years. In order to ensure safety when handling these products, the hazard potential of such innovative materials must be known. While several studies have already investigated the effects of explosions (such as maximum explosion pressure and maximum pressure rise) of powders with primary particles in the nanometre range, little is known about the ignition temperatures and flame velocities. Therefore, the minimum ignition temperature (MIT) of metallic nano powders (aluminium, iron, copper and zinc) was determined experimentally in a so called Godbert-Greenwald (GG) oven. Furthermore, the flame velocities were determined in a vertical tube. In order to better classify the test results, the tested samples were characterised in detail and the lower explosion limits of the tested dust samples were determined. Values for the burning velocity of aluminium nano powders are higher compared to values of micrometre powders (from literature). While MIT of nanometre aluminium powders is within the range of micrometre samples, MIT of zinc and copper nano powders is lower than values reported in literature for respective micrometre samples.
Quasi-static dispersion of dusts for the determination of lower explosion limits of hybrid mixtures
(2020)
Knowledge of explosion limiting concentration of explosible materials is necessary for the design of explosion protection measures. Currently employed methods of testing MEC of a dust cloud or LEL of a hybrid mixture are based on arbitrary assumptions and possess technical limitations that often lead to values of MEC/LEL, which are unrealistically low or poorly reproducible.
This contribution presents an improved method for experimental determination of MEC of a combustible dust cloud or LEL of a flammable gas or hybrid mixture. The new set-up operates under laminar conditions and allows a uniform suspension of dust particles in an open top acrylic glass tube. Dust concentration is measured with the help of infrared sensors installed a few centimeters above and below the ignition source.
In order to evaluate the dependence of MEC on flow front velocity, MEC of lycopodium was determined at four flow velocities. The results show that the flow field intensity does not significantly influence the MEC of lycopodium for the flow ranges tested in this work. Moreover, LEL of hybrid mixtures of lycopodium and methane was also tested at flow velocities of 4.7 cm/s, 5.8 cm/s, 7 cm/s and 11 cm/s and compared with the values obtained from other sources. The results suggest that the requirement of high energy pyrotechnical igniter may be relinquished, provided that a truly homogeneous suspension of dust particles could be achieved.
Moreover, the effect of relative amount of dust and gas, on the course of ignition and flame propagation in hybrid mixtures at their LEL, was studied by the help of high speed videos. For hybrid mixtures of carbonaceous dusts (like lycopodium) at their LEL, ignition occurs in the gas phase, however, flame propagation is only possible through a two-way interaction of dust and gas during the course of combustion.
Nanotechnologie gilt als die Wachstumsbranche der nächsten Jahrzehnte. Nicht zuletzt ist diese Entwicklung den veränderten Eigenschaften der Materialien im Nanometerbereich zuzuschreiben. Das anders geartete Verhalten solcher Stoffe und die daraus ableitbare Unkenntnis über die Interaktion dieser Materialien mit ihrer Umgebung erfordert zur Risikoabschätzung eine intensive Auseinandersetzung mit der Thematik. Aufgrund von Erfahrungen mit Stäuben mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich ist bekannt, dass Stoffe mit abnehmender Partikelgröße kritischer einzustufen sind, da ihre Explosionsheftigkeit und Zündempfindlichkeit durch die Zunahme der reaktiven Oberfläche des Staubs zunimmt. Nachfolgend werden Ergebnisse von Versuchen mit nanoskalig hergestellten Metallstäuben präsentiert. Der Fokus dieser Studie lag darauf, möglichst das kritischste Brand- und Explosionsverhalten solcher Stäube zu erfassen
This paper describes experiences and results of experiments with several metallic dusts within the nanometer range. The nano dusts (aluminium, .iron, zinc, titanium and copper) were tested in a modified experimental Setup for the test apparatus 20-L sphere (also known as 20-L Siwek Chamber), that enables the test samples to be kept under inert atmospheric conditions nearly until ignition. This setup was already introduced in earlier papers by the authors. It was designed to allow the determination of safety characteristics of nano powders under most critical circumstances (e.g. minimisation of the influence of oxidation before the test itself). Furthermore the influence of passivation on explosion behaviour is investigated and additional tests with deposited dust were carried out to describe the burning behaviour of all dusts. For a better characterisation all samples were tested with a simultaneous thermal analysis (STA). To minimise the influence of oxidation all samples were handled at inert conditions until shortly before ignition or start of the test respectively.
This paper describes experiences and results of experiments with several metallic dusts within the nanometer range. The nano dusts (aluminium, iron, zinc, titanium and copper) were tested in a modified experimental setup for the test apparatus 20 L-sphere (also known as 20-L Siwek Chamber), that enables the test samples to be kept under inert atmospheric conditions nearly until ignition. This setup was already introduced in earlier papers by the authors. It was designed to allow the determination of safety characteristics of nano powders under most critical circumstances (e.g. minimisation of the influence of oxidation before the test itself). Furthermore the influence of passivation on explosion behaviour is investigated and additional tests with deposited dust were carried out to describe the burning behaviour of all dusts. For a better characterisation all samples were tested with a simultaneous thermal analysis (STA). To minimise the influence of oxidation all samples were handled at inert conditions until shortly before ignition or start of the test respectively.
Die steigende Produktion und Nachfrage von Materialien mit Primärpartikelgrößen im Nanometerbereich (insbesondere wegen der veränderten Eigenschaften) erfordert eine intensive Auseinandersetzung mit der Thematik zur Risikoabschätzung. Sogenannte Nanostäube können aus brennbaren Ausgangsmaterialien bestehen. Beispiele für brennbare Nanostäube, die in großen Mengen hergestellt werden, sind Metallstäube, Ruße (Carbon Black) oder andere Kohlenstoffverbindungen, welche u. a. für die Herstellung von Gummi, Kunststoffen, Beschichtungsstoffen oder Farben verwendet werden. Aufgrund von Erfahrungen mit Stäuben mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich ist bekannt, dass Stoffe mit abnehmender Partikelgröße kritischer einzustufen sind, da z.B. maximaler Explosionsdruck, zeitlicher Druckanstieg und Zündempfindlichkeit durch die Zunahme der reaktiven Oberfläche des Staubes zunimmt. Alle Erkenntnisse zum Ablauf von Staubexplosionen, aus der Auswertung von Schadensereignissen sowie aus der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen und hierbei gefundene Abhängigkeiten basieren auf Schadensereignissen bzw. Untersuchungen von Stäuben mit Korngrößen im Bereich von Mikrometern. Inwieweit sich die Erkenntnisse auf feinere Partikel bis hin zum Nanometerbereich übertragen lassen, wurde im Rahmen der durchgeführten Arbeiten näher untersucht. In diesem Beitrag werden die wesentlichen Ergebnisse kurz dargestellt und basieren auf den Arbeiten im Zuge der Dissertationsschrift zum Brand- und Explosionsverhalten von Nanostäuben.
Validation of the new ignition source 'exploding wire' for dust explosion testing in the 20-L-sphere
(2014)
The safety characteristics Maximum Explosion Pressure pniB, Maximum Explosion Pressure Rise (dp/dt)™* and Lower Explosion Limit LEL are determined in closed vessels such as the 20-L-sphere according to international Standards. Dust ignition is carried out using pyrotechnical igniters which are defined in the Standards. Due to various disadvantages of pyrotechnical igniters the need for alternative ignition sources arises again and again. Studies at the Federal Institute for Material Research and Testing (BAM) with ignition units which were able to generate ignition energies up to 2000 J showed that the so-called “exploding wire” or “fuse wire“ is suitable as an alternative ignition source. The paper presents further test results for the Validation of the exploding wire for the determination of Pm» and (dp/dt)mx in the 20-L-sphere. The tests were performed with a new ignition unit and improved electrodes which allowed ignition energies up to 10000 J. The paper also analyses propagation of flame and electrical arc on basis of high speed camera recordings. Turbulence measurements with a LDA System in the 20-L-sphere allowed investigation whether the activation of the ignition sources has an influence on the turbulence field generated during dust dispersion and whether the influence differs depending on the ignition source.
Protection from explosion events requires the determination of key safety parameters like lower explosion limit. maximum Explosion over-pressure. and maximum rate of pressure rise. These Parameters are routinely obtained through standard tests performed typically either in a 20 L -sphere or a 1 m3-container. But several aspects are worth a closer investigation. Firstly, the test apparatus must be able to disperse a fairly uniform dust cloud. However. previous investigations showed that actually the current dispersion System can be improved. Secondly, the influence of humidity on the explosivity is not considered in current standards. lt is just stated that the relative humidity should be checked and noted down.
though some provisions exist in American standards. Thirdly. the ignition delay time is sometimes modified to study the impact of the dust cloud turbulence on flame propagation but is often misunderstood.
Maybe these aspects have not been thoroughly considered for micron powders. However. in the case of nanopowders. the importance of these influencing factors was shown in order to duly evaluate explosion parameters. Experimental evidences confirm these aspects and alternative solutions will be presented.
Entwicklungen zu Bestimmungsverfahren für sicherheitstechnische Kenngrössen hybrider Gemische
(2020)
Zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen (STK) von hybriden Gemischen (Gemisch aus mindestens zwei brennbaren Phasen, wie z.B. Staub/Gas- oder Gas/Dampf-Gemisch) existieren bislang keine einheitlichen, genormten Prüfmethoden. Die Normen und Regelwerke zur Bestimmung der STK von einphasigen brennbaren Systemen (Staub, Gas, Dampf) unterscheiden sich teilweise erheblich. Beispielsweise sind in den jeweiligen Normen für Stäube, Gase und Dämpfe unterschiedliche Zündquellen und Zündenergien definiert. Des Weiteren unterscheiden sich die in den Normen definierten Prüfabläufe bei der Gemischherstellung. Bei der Entwicklung einer einheitlichen Norm für hybride Gemische muss der Einfluss dieser beiden Parameter ermittelt werden, um die Vergleichbarkeit mit den STK der einzelnen Komponenten Gas, Staub und Dampf gewährleisten zu können und bisherige Erkenntnisse zu hybriden Gemischen interpretieren und bewerten zu können.
For the determination of safety characteristics of gases, vapors and dusts different types of ignition sources are used in international standards and guidelines. Table 1 compares technical relevant ignition sources with their main features. The paper presents test results of a comparative calorimetric and visual study between four different types of ignition sources. The ignition procedures were analyzed visually with a high-speed camera and electric recordings. In addition to that, the influence of the electrode-orientation, -distance as well as ignition energy on the reproducibility of the exploding wire igniter was tested.
The exploding wire is already in use for standardized determination of safety characteristics of gases, first tests on the suitability of the exploding wire igniter for dust testing have been carried out by Scheid et al. Using the exploding wire, the ignition energy can be varied from 2 to 10 000 J (2 x 5 000 J) and thus it could be used for gases, vapors, dusts and hybrid mixtures. Moreover it can be used at high initial pressures and it is the only ignition source with an easily measurable ignition energy release. Furthermore, it does not introduce another chemical reaction into the system.
Finally, a proposal for a standard ignition source for explosion tests on hybrid mixtures is derived from the test results.
In diesem Verbundvorhaben werden standardisierte Messverfahren für hybride Gemische erarbeitet, die der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen des Explosionsschutzes dienen. Unter einem hybriden Gemisch wird dabei ein mehrphasiges System aus Brenngas oder brennbarem Dampf, sowie Luft und brennbarem Staub verstanden. Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgt in einem Abschlussbericht und als DIN-Spezifikation (DIN SPEC). Diese DIN SPEC versetzt Prüfinstitute und Industrie in die Lage, Explosionsgefahren beim Betrieb technischer Anlagen mit hybriden Gemischen einzuschätzen und damit Prozesse sowohl sicherer als auch effizienter zu steuern. Dieses Projekt wird im Rahmen des WIPANOProgramms (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen) vom BMWi gefördert.