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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.
Modified Setup of 20-L-Sphere for the Determination of Safety Characteristics of Nano Powders
(2013)
Modified Setup of 20-L-Sphere for the Determination of Safety Characteristics of Nanao Powders
(2013)
Safety characteristics are essential for the design of preventive and protective explosion measures. According to international Standards explosion characteristics of dust clouds are determined in 20-L-sphere and l-m3-vessel.
The ignition of respective dust samples is realized vvith special pyrotechnical igniters with energy of 1 kJ or 5 kJ vvhich are defined in the testing Standards. However Sobbe in Germany is the only Company at the moment which sells such igniters.
The paper presents results of a comparative study between the 5 kJ Sobbe igniter and a 5 kJ igniter manufactured by Sirnex in Czech Republic. The study has been conducted under participation of BAM Federal Institute for Materials Research and Testing, Institute for Occupational Safety and Health of the German Social Accident Insurance (IFA).
Berufsgenossenschaft Nahrungsmittel und Gastgewerbe (BGN) and Swiss Institute for Promotion of Safety and Security (Swissi).
For the study six dusts from different product groups with various explosion severities and ignitabilities were chosen.
The tests were carried out in the 20-L-sphere as well as in the l-m3-vessel. Maximum explosion overpressure Pmax, dust explosion constant Kst and lower explosion limit LEL were determined. Furthermore tests with a high speed and a thermal imaging camera were carried out, in order to compare burning time and flame pattern of Sobbe and Simex
igniter.
Die Nanotechnologie gilt als die Wachstumsbranche der nächsten Jahrzehnte. Während die gesundheitlichen Wirkungen von nanoskaligen Materialien bereits in zahlreichen Studien und Forschungsvorhaben näher untersucht wurden und werden, sind die Erfahrungen und Erkenntnisse über Brand- und Explosionsgefahren von Stäuben im Nanometerbereich bzw. von Partikeln < 1 µm bislang noch kaum erforscht. Die Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen von Nanostäuben – die die Grundlage für eine Gefährdungsbeurteilung und das Auslegen von Schutzmaßnahmen bilden – erfolgte bislang nur in sehr geringem Umfang. Die Untersuchungen wurden zudem in Analogie zu den Verfahren für Mikrostäube durchgeführt. Es wurde jedoch weder überprüft, ob die für Mikrostäube etablierten Prüfverfahren für eine sichere Bewertung des Brenn- und Explosionsverhaltens geeignet sind, noch ob durch freigesetzten Staub bei einer entsprechenden Ermittlung der Kenngrößen Gesundheitsrisiken bestehen. Der Beitrag beschreibt den Stand des Wissens im Bereich Brand- und Explosionsschutz für Stäube im Nanometerbereich und berichtet über ein bei der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung laufendes Projekt zur Beseitigung der momentanen Defizite, gefördert von der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) sowie verschiedenen Berufsgenossenschaften.
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.
There are several standardized ignition sources in use for the determination of explosion characteristics of gases, vapors and dusts. In the standards the ignition source is stated, but they vary in stating other characteristics like burning duration, energy or burning volume. Since heat is not visible under normal circumstances a Schlieren-Technique was used to make the full heating volume and not just the flames visible.
While an earlier paper of the authors focused on the ignition energy and burning duration of four standardized ignition sources, this paper focuses on the initial igniting volume, the ratio between initial igniting volume and the test-vessel size and other phenomena that were observed with the Schlieren-Technique-.
The article summarizes a short review of the literature focused on safety in the field of alternative energy sources. With an increasing orientation towards sustainable and renewable energy sources, new technologies will come to the fore. These facts must be demonstrated in occupational health and safety. Several studies focused on alternative energy sources are mentioned and show the trends for the future. Especially in the area of hydrogen and battery technologies, systems should pay attention to acquisitions as a normal part of our lives.
Safety research is essential for the acceptance of cleaner, efficient, and sustainable future.
There is no applicable existing standard for the determination of safety characteristics for hybrid mixtures. While developing a new standard in a joint research project in Germany first results from parameter studies led to a standard procedure that can be adopted by laboratories that are already testing dusts in the so called 20L-sphere with as little additional effort as necessary. In fact, one of the main objectives of this research project was to keep modifications and adjustments from the generally accepted dust testing procedures as easy and minimal as possible so as to limit potential deviations from one laboratory to another.
In this first round robin test on hybrid mixtures ever, with methane as gas component and a specific corn starch as dust sample, the practicality of the whole procedure, the scattering of the results and the deviation between the testing apparatuses is investigated. This paper summarizes the experimental procedure adopted and objectives of the first round-robin phase involving three of the four original German companies, plus volunteering laboratories from Australia, Belgium, Czech Republic, France, Poland and P.R. China. The results will have an impact on the new standard and may lead to robust data for later simulation purposes.
The explosion characteristics of anthracite coal dust with/without small amount of CH4 (1.14 vol %) were investigated by using a 20 L spherical explosion apparatus with an emphasis on the roles of oxygen mole fraction and inert gas. Two methods based on overpressure and combustion duration time were used to determine the minimum explosion concentration (MEC) or the lower explosion limit (LEL) of the pure anthracite coal dust and the hybrid coal-methane mixtures, respectively. The experiment results showed that increasing oxygen mole fraction increases the explosion risk of coal dust: with increasing oxygen mole fraction, the explosion pressure (Pex) and the rate of explosion pressure rise ((dp/dt)ex)) increase, while MEC decreases. The explosion risk of anthracite dust was found to be lower after replacing N2 with CO2, suggesting that CO2 has a better inhibition effect on explosion mainly due to its higher specific heat. However, the addition of 1.14% CH4 moderates the inhibition effect of CO2 and the promotion effect of O2 on anthracite dust explosion for some extent, increasing explosion severity and reducing the MEC of anthracite dust. For hybrid anthracite/CH4 mixture explosions, Barknecht’s curve was found to be more accurate and conservative than Chatelier’s line, but neither are sufficient from the safety considerations. The experimental results provide a certain help for the explosion prevention and suppression in carbonaceous dust industries.