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Experimentelle Untersuchung zum Einfluss eines neuen pyrotechnischen Zünders auf die ermittelten STK
(2010)
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.
NM 105, Ti02 (P25) could not be ignited as dust layer and dispersed in air as dust/air-mixture as well. This dust is not dust explosible and the burning behaviour corresponds to Burning Class 1 (no Ignition). The results have shown that the tested sample is thus not combustible at all, because it is already oxidized completely.
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)
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.
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.
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.
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.
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.
In vielen Bereichen der Industrie und im verarbeitenden Gewerbe werden eine Vielzahl brennbarer Stäube gezielt oder ungewollt produziert, verarbeitet, transportiert oder anderweitig verwendet. Je nach Material- und Staubeigenschaften weisen diese eine teilweise sehr hohe Reaktivität auf. Es gilt weiterhin als allgemein bekannt, dass die Partikelgröße einen entscheidenden Einfluss auf das Brand- und Explosionsverhalten von Stäuben ausübt. Mit Abnahme der Partikelgröße nehmen die gefährlichen Auswirkungen im Falle einer Explosion und die Zündempfindlichkeit der Stäube zu. Aufgrund der veränderten Eigenschaften im Nanometerbereich hat die Produktion solcher Stäube mit sehr geringen Primärpartikelgrößen in den letzten Jahren zugenommen. Diese Entwicklung wird sich in den folgenden Jahren fortsetzen. Über das Brand- und Explosionsverhalten solcher Stäube war bis vor wenigen Jahren jedoch kaum bis wenig bekannt.
In vielen Bereichen der Industrie und im verarbeitenden Gewerbe werden eine Vielzahl brennbarer Stäube gezielt oder ungewollt produziert, verarbeitet, transportiert oder anderweitig verwendet. Je nach Material- und Staubeigenschaften weisen diese eine teilweise sehr hohe Reaktivität auf. Es gilt weiterhin als allgemein bekannt, dass die Partikelgröße einen entscheidenden Einfluss auf das Brand- und Explosionsverhalten von Stäuben ausübt. Mit Abnahme der Partikelgröße nehmen die gefährlichen Auswirkungen im Falle einer Explosion und die Zündempfindlichkeit der Stäube zu. Aufgrund der veränderten Eigenschaften im Nanometerbereich hat die Produktion solcher Stäube mit sehr geringen Primärpartikelgrößen in den letzten Jahren zugenommen. Diese Entwicklung wird sich in den folgenden Jahren fortsetzen. Über das Brand- und Explosionsverhalten solcher Stäube war bis vor wenigen Jahren jedoch kaum bis wenig bekannt.
Aufgrund von Erfahrungen mit Stäuben mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich ist bekannt, dass Stoffe mit abnehmender Partikelgröße kritischer einzustufen sind, da z.B. maximaler Explosionsdruck (pmax), maximaler zeitlicher Druckanstieg (dp/dtmax) und Zündempfindlichkeit durch die Zunahme der reaktiven Oberfläche des Staubes zunehmen. Eine Übersicht des Verlaufes der Explosionsauswirkungen metallischer Stäube vom Mikrometerbereich bis in den Nanometerbereich konnte bislang nur vereinzelt durch wenige Ergebnisse gegeben werden.
Dieser Beitrag präsentiert einen detaillierten Überblick über das Explosionsverhalten von Metallstäuben vom Mikrometer- bis in den Nanometerbereich. Hierfür wurden verschiedene Metallstäube untersucht und deren Explosionsauswirkungen in Abhängigkeit der mittleren Primärteilchengröße entweder durch BET-Messungen, Partikelgrößenverteilung oder REM-Mikroskopie bestimmt. Um den Verlauf des Explosionsverhaltens für diese Metalle darzustellen, wurde einerseits eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt. Darüber hinaus wurden die im Rahmen deutscher und französischer Forschungsprogramme durchgeführten experimentellen Untersuchungen genutzt, um insbesondere die Datenlage für nanoskalig hergestellte Stäube zu verbessern. Auch bei Metallstäuben im Allgemeinen führt eine Verringerung der Teilchengröße zu einem kritischeren Verhalten der Stäube. Es scheint jedoch, dass diese Aussage nur bis zu einem kritischen Durchmesser gilt, unterhalb dessen die Auswirkungen einer Explosion (pmax, dp/dtmax) für alle betrachteten Stäube wieder abnehmen. Diese kritische Größe kann durch theoretische Überlegungen zur Art der thermischen Übertragung in der Flamme erklärt werden. Der Einfluss der Schlüsselparameter wird in diesem Beitrag ebenfalls diskutiert, um die Mechanismen besser zu verstehen und das Verständnis letztendlich auch auf andere pulverförmige Materialien auszudehnen.
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.
Die Produktion von Materialien mit Abmessungen im Nanometerbereich hat in den letzten Jahren immer weiter zugenommen. Um die Sicherheit beim Umgang mit diesen Produkten zu gewährleisten, muss das Gefahrenpotenzial solcher innovativen Materialien bekannt sein. Während bereits in mehreren Studien die Auswirkungen von Explosionen (wie z.B. maximaler Explosionsdruck und maximaler zeitlicher Druckanstieg) von Stäuben mit Primärpartikeln im Nanometerbereich untersucht wurden, ist darüber hinaus bislang wenig über die Zündtemperaturen und die Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten solcher Pulver bekannt.
Problematisch bei der Untersuchung der Flammengeschwindigkeiten von Staubexplosionen allgemein ist, dass die Stäube vor dem Entzünden dispergiert werden müssen. Auf diese Weise wird eine gute Verteilung der Partikel im entsprechenden Prüfvolumen sichergestellt. Dies führt jedoch dazu, dass zum Zündzeitpunkt in den Standardprüfapparaturen hohe Turbulenzbedingungen vorherrschen. Aus wissenschaftlicher Sicht wäre es jedoch wünschenswert, die laminare Flammenausbreitungsgeschwindigkeit bestimmen zu können.
Im Beitrag werden Ergebnisse von Versuchen mit verschiedenen metallischen Materialien und Partikelgrößenverteilungen vorgestellt.
Ziel dieser Versuche war es, die Turbulenzbedingungen zum Zündzeitpunkt durch einen speziellen Versuchsaufbau möglichst zu minimieren.
Die Flammenausbreitung wurde experimentell in einem vertikalen Rohr untersucht, das an einer Seite offen ist. Das Rohr wird auf einen metallischen Boden gestellt, der gleichzeitig die Staubprobe vorhält und die Luftzufuhr in das Rohr ermöglicht. Eine poröse Platte befindet sich innerhalb des metallischen Bodens, um die Turbulenzen im Luftstrom zu reduzieren. Die Zündquelle wird durch einen Hochspannungsfunken von zwei Elektroden bereitgestellt, die sich auf einem Drittel der Rohrlänge befinden. Die Staubkonzentration wird optisch (durch Lichtdämpfung) mit zwei Konzentrationssonden gemessen, die jeweils unter den Elektroden (unten) und über ihnen (oben) angeordnet sind. Die Flammenausbreitung wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet.
Zur besseren Einordnung der Versuchsergebnisse wurden die untersuchten Proben eingehend charakterisiert und die Zündtemperaturen und unteren Explosionsgrenzen der untersuchten Staubproben bestimmt.
This work presents an overview about the explosion behaviour of metallic powders from micron to nanosize.
Aluminium, magnesium, titanium, iron and zinc were considered and their explosion safety parameters were analysed as a function of their mean primary particle size either determined by BET measurements, particle size distribution. To depict the course of explosion behaviour for these metals, extensive literature review has been performed and additional experimental tests were also performed. Generally, decreasing the particle size in a metallic powder leads to a higher explosion severity. It appears that this statement is true till a critical Diameter below which the explosion severity (pmax, dp/dtmax) decreases for all the considered powders. This critical size can be explained by theoretical considerations on the nature of thermal transfer in the flame, namely by analysing the Cassel model. Finally, semi-empirical models were also developed for aluminium to highlight the specific micrometre and nanometre behaviour and the influence of turbulence, particle burning time, Diameter and concentration. The influence of these key parameters needs to be further assessed in a future work in order to better understand the mechanisms involved and to extend the scope to other powdered materials.
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.
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.
The maximum explosion overpressure and the maximum rate of pressure rise, which characterize thedust explosion severity, are commonly measured in apparatuses and under specific conditions defined byinternational standards. However, those standards conditions, designed for micropowders, may not befully adapted to nanoparticles. Investigations were conducted on different nanopowders (nanocellulose,carbon black, aluminum) to illustrate their specific behaviors and highlight the potential inadequacyof the standards. The influence of the sample preparation was explored. Various testing procedureswere compared, focusing on the dust cloud turbulence and homogeneity. Dust dispersion experimentsevidenced the importance of the characterization of the dust cloud after dispersion, due to the frag-mentation of agglomerates, using metrics relevant with nanoparticles reactivity (e.g. surface diameterinstead of volume diameter). Moreover, the overdriving phenomenon (when the experimental resultsbecome dependent of the ignition energy), already identified for micropowders, can be exacerbated fornanoparticles due to their low minimum ignition energy and to the high energy used under standardconditions. It was evidenced that for highly sensitive nanopowders, pre-ignition phenomenon can occur.Finally, during severe explosions and due to a too long opening delay of the ‘fast acting valve’, the flamecan go back to the dust container.
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.