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Eingeladener Vortrag
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Ethylenoxid ist vor allem aufgrund seiner hohen Reaktivität ein wichtiges organisches Zwischenprodukt der chemischen Industrie und in vielen Fällen bisher unersetzbar. Da es auch in Abwesenheit jeglicher Reaktionspartner explosionsartig zerfallen kann, ist der Umgang mit ethylenoxidhaltigen Gemischen jedoch nur mit besonderen sicherheitstechnischen Maßnahmen möglich. Für die sicherheitstechnische Beurteilung der Lagerung, des Transports sowie der Verarbeitung von ethylenoxidhaltigen Gasgemischen und die Ableitung angemessener sicherheitstechnischer Maßnahmen ist die Kenntnis der sicherheitstechnischen Eigenschaften von ethylenoxidhaltigen Gasgemischen unbedingt erforderlich. In der Vergangenheit wurden sicherheitstechnische Kenngrößen von Ethylenoxid immer wieder vereinzelt nur für bestimmte Prozessbedingungen und zum Teil mit unterschiedlichen Methoden durchgeführt. Insbesondere beschränken sich die bisher veröffentlichten Untersuchungen fast ausschließlich auf atmosphärische und nur leicht erhöhte Drücke, obwohl höhere Ausgangsdrücke für industrielle Prozesse mit Ethylenoxid durchaus relevant sind. Die Anwendbarkeit vorhandener Berechnungsmodelle, durch die der experimentelle Aufwand bei der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen erheblich reduziert werden könnte, wurde bei chemisch instabilen Gasen, wie Ethylenoxid bisher kaum untersucht. Für eine umfangreichere Validierung der Berechnungsmethoden ist die in der Literatur verfügbare Datenbasis an sicherheitstechnischen Kenngrößen von Ethylenoxid nicht ausreichend. In dieser Arbeit werden sicherheitstechnische Kenngrößen ethylenoxidhaltiger Gasgemische systematisch in Abhängigkeit verschiedener Einflussgrößen, mit einheitlichen Bestimmungsmethoden und auch bei höheren Betriebsbedingungen untersucht und Methoden für die Berechnung der in dieser Arbeit ermittelten Kenngrößen entwickelt bzw. weiterentwickelt. Durch die Bestimmung der Explosionsbereiche ternärer Gemische aus Ethylenoxid, einem Inertgas und Luft und der Stabilitätsgrenzkonzentrationen binärer Gemische aus Ethylenoxid und einem Inertgas wird zunächst ausführlich untersucht, in welchen Stoffmengenverhältnissen ethylenoxidhaltige Gemische überhaupt explosionsfähig sind. Die Kenntnis dieser Kenngrößen ist zur Ableitung sogenannter primärer Explosionsschutzmaßnahmen zur Vermeidung explosionsfähiger Gemische, z.B. durch Inertisierung, erforderlich. Insbesondere werden die Einflüsse von Ausgangstemperatur und Ausgangsdruck auf die Explosionsgrenzen systematisch untersucht. Dabei werden vor allem auch die praxisrelevanten höheren Betriebsdrücke berücksichtigt. Gerade für Explosionsgrenzen im Bereich der Zerfallsreaktion kann ein enormer Einfluss des Drucks festgestellt werden. Für die Berechnung der Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid wird das halbempirische Modell der konstanten Flammentemperaturen weiterentwickelt. Die Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid werden unter der modifizierten Annahme, dass das Profil der berechneten Flammentemperaturen entlang der Explosionsgrenzkurve für verschiedene Systeme unabhängig von Ausgangsdruck, Ausgangstemperatur und Art des Inertgases konstant ist, rechnerisch bestimmt. Dazu wird ein spezielles Rechenprogramm entwickelt, dass die Berechnung der Explosionsgrenzen für ein beliebiges Gemisch aus Brenngas, Inertgas und Luft bei beliebiger Ausgangstemperatur und beliebigem Ausgangsdruck ermöglicht, wenn der gesamte Explosionsbereich für ein einzelnes System aus Brenngas, Inertgas und Luft bekannt ist. Die Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid können mit diesem Rechenprogramm mit einer durchschnittlichen Abweichung von weniger als 2 Mol-% berechnet werden. Durch die Bestimmung von Zündtemperaturen für den Zerfall von Ethylenoxid und von definierten Gemischen aus Ethylenoxid und einem Inertgas wird schließlich untersucht, bei welchen Temperaturen ein explosionsartiger Zerfall von Ethylenoxid durch eine heiße Oberfläche in einem geschlossenen System initiiert werden kann. Die Abhängigkeit vom Druck, vom Behältervolumen und vom Stoffmengenanteil an EO werden bei den Untersuchungen berücksichtigt. Anders als die nach standardisierten Verfahren bestimmte Zündtemperatur von Gasen, die in offenen Systemen und ausschließlich für Gemische mit Luft ermittelt wird, kann durch die Bestimmung der bisher nicht standardisierten Zündtemperatur für den Zerfall festgestellt werden, bei welcher Oberflächentemperatur es innerhalb eines geschlossenen Systems bei höheren Drücken und in Abwesenheit von Luft zu einem explosionsartigen Zerfall von chemisch instabilen Gasen kommen kann. Es zeigt sich, dass die Zündtemperatur des Zerfalls von Ethylenoxid bei höheren Drücken auch niedriger sein kann als die nach den Standardverfahren für offene Systeme bestimmte Zündtemperatur von Ethylenoxid. Außerdem zeigt sich, dass der Einfluss von Inertgasen auf die Zündtemperatur für den Zerfall von Ethylenoxid stark von der Art des Inertgases abhängig ist. Die Zündtemperaturen für den Zerfall von Ethylenoxid werden mit verschiedenen Modellen mit unterschiedlichem Grad an Vereinfachungen berechnet. Dabei wird rechnerisch die Wandtemperatur bestimmt, bei der es zu einem thermischen Durchgehen der Reaktion („Runaway“) kommt. Es zeigt sich, dass hinsichtlich der Genauigkeit und des Rechenaufwands eine transiente 0-dimensionale numerische Simulation besonders gut für die rechnerische Bestimmung der Zündtemperatur für den Zerfall von Ethylenoxid in Abhängigkeit des Drucks und des Behältervolumens geeignet ist. Temperaturgradienten innerhalb des Behälters werden bei diesem Modell vernachlässigt und die Wärmeabfuhr wird ausschließlich durch die Temperaturdifferenz zwischen Wand und Reaktionsmasse, die Wärmeaustauschfläche und den inneren Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt, der nach einem empirischen Ansatz für den Wärmeübergang an senkrechten Platten bei natürlicher Konvektion berechnet wird. Die Berücksichtigung von lokalen Abhängigkeiten innerhalb des Behälters durch ein 2-dimensionales Modell bringt trotz höheren Rechenaufwands keine weiteren ersichtlichen Vorteile.
Chemically unstable gases - flammability of ethylene oxide mixtures in sterilization processes
(2008)
For the assessment of explosion hazards by industrial
sterilization processes with ethylene oxide (EO), the flammability
regions of 3-component systems EO/nitrogen/air, EO/carbon
dioxide/air and EO/water vapor/air were determined. The tests were
performed at temperatures of 20 °C and 100 °C and at pressures of
40 kPa and 100 kPa in accordance with the standard test method EN
1839-B.
The observed flammability regions are similar in shape and
typical for mixtures with ethylene oxide. According to the molecular
heat capacities the regions get larger with nitrogen and smaller with
carbon dioxide. They become larger with increasing pressure and
increasing temperature.
Using experimental data a semi-empirical model was created
that allows the calculation of flammability limits of process gases in
sterilization processes. Such process gases can consist of EO,
nitrogen, carbon dioxide, water vapor and air.
The model is based on the assumption that the adiabatic flame
temperatures along the boundary curves of a flammability region
have a certain temperature profile that is nearly independent of the
type of the inert gas. The adiabatic flame temperatures were
calculated by using the Gaseq Code.
Using a temperature profile calculated from only one
experimental system EO/inert gas/air it is possible to predict the
flammability limits of systems with other inert gases or of process
gases containing several inert gases.
Für die sicherheitstechnische Beurteilung von Sterilisationsprozessen wurden die Explosionsgrenzen von Gasgemischen aus Ethylenoxid, Inertgas und Luft experimentell bestimmt. Die Messungen sind mit Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf bei 20 und 100 °C sowie bei 0,4 und 1,0 bar durchgeführt worden. Mit Hilfe der Daten wurde ein halbempirisches Modell entwickelt, mit dem die Explosionsfähigkeit von Prozessgasgemischen berechnet werden kann.
Zur Einschätzung der Wirksamkeit einer heißen Oberfläche als Zündquelle für ein Gas oder ein Gasgemisch werden in der Praxis Zündtemperaturen experimentell bestimmt. Die Zündtemperatur gemäß dem europäischen Standardverfahren EN 14522 wird bei Atmosphärendruck bestimmt und ist vor allem dazu geeignet die Wirksamkeit einer heißen Oberfläche als Zündquelle bei einem unerwünschten Stoffaustritt aus einer geschlossenen Anlage einzuschätzen. Eine Aussage bzgl. der der Zündfähigkeit an heißen Oberflächen innerhalb einer geschlossenen Anlage, z. B. in größeren Behältern bei bestimmten Gemischzusammensetzungen und höheren Anfangsdrücken, kann anhand der Zündtemperatur gemäß EN 14522 nicht getroffen werden. Die Bestimmung nach dem europäischen Standard erfolgt in einem offenen System, bei atmosphärischem Druck und in Luft als Oxidationsmittel.
Es wurde ein Verfahren zur Berechnung von Explosionsgrenzen ethylenoxidhaltiger Gasphasen in Sterilisatoren entwickelt. Mit Hilfe der Software GasEq® und des neu entwickelten Makros SterEx für MS-Excel® lassen sich die Explosionsgrenzen für Gemische aus Ethylenoxid, Luft und Inertgasen bei Temperaturen zwischen 20°C und 100°C sowie 0,4 bar und 1,0 bar berechnen. Somit ist es schnell möglich, sichere Betriebsbedingungen für Sterilisationsprozesse mit Ethylenoxid festzulegen. Das halbempirische Modell basiert auf der Annahme konstanter Flammentemperaturprofile an den Explosionsgrenzen in Abhängigkeit der EO-Konzentration für verschiedene Gemische. Durch systematische Zündversuche wurden Explosionsgrenzen für Gemische aus Ethylenoxid, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und Luft zur Bestimmung von Modellparametern und zur Validierung des Verfahrens bestimmt. Um die Prozessbedingungen in Sterilisatoren möglichst genau zu simulieren, wurden die Versuche in einem geschlossenen Autoklav in Anlehnung an DIN EN 1839-B durchgeführt. Berechnungen der Explosionsgrenzen von Prozessgasgemischen mit SterEx ergeben eine gute Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Werten.
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A calculation method for flammability limits of gas phases with ethylene oxide in sterilisers was developed. Using the Software GasEq® and the newly developed Makro SterEx for MS-Excel®, flammability limits of mixtures with ethylene oxide, air and inert gases at temperatures between 20°C and 100°C and pressures between 0.4 bar and 1.0 bar can be calculated. This method can be used to easily determine safe operating conditions. The used semi-empirical model is based upon the assumption of constant flame temperature profiles at the flammability limits subject to the EO-concentration for different mixtures. To collect model parameters and to validate the model, several experiments with mixtures of ethylene oxide, nitrogen, carbon dioxide, water vapour and air were carried out to determine flammability limits. To simulate the structural conditions of sterilisers, the experiments were conducted in accordance to DIN EN 1839-B in a closed autoclave with temperatures and pressures relevant for sterilisation processes. The calculation of flammability limits of process gas mixtures with SterEx provides good agreement with flammability limits that were determined in experiments.
Die zeitlichen Druckanstiege dp/dt von binären Methan/Sauerstoffgemischen wurden im Explosionsbereich bei Anfangsdrücken von 1 bar und 5 bar experimentell untersucht und das normierte europäische Bestimmungsverfahren für zeitliche Druckanstiege DIN EN 15967 [1] auf Anwendbarkeit bei erhöhtem Anfangsdruck und reinem Sauerstoff als Oxidator geprüft.
Die Messergebnisse zeigen eine Zunahme der zeitlichen Druckanstiege bei einem Annähern der Gemischzusammensetzung an das stöchiometrische Verhältnis der vollständigen Verbrennungsreaktion (CH4:O2 1:2). Eine zuverlässige Bestimmung der zeitlichen Druckanstiege ist ab einer bestimmten Zusammensetzung nicht mehr möglich, da starke Oszillationen der Drucksignale auftreten. Um trotz der Oszillationen Auswertungen zu ermöglichen wird erstmals zur Glättung der Signale ein physikalisches Modell für Gasexplosionen im geschlossenen Gefäß verwendet. Damit ist es möglich, noch stark oszillierende Signale auszuwerten. Trotzdem gelingt es nicht, den gesamten Explosionsbereich mit der üblichen Messtechnik zu untersuchen. Für die Druckmessung wurden sowohl piezoresistive als auch piezoelektrische Druckmessensoren eingesetzt. Die Messergebnisse der beiden Sensoren stimmen sehr gut überein. Die verwendeten piezoresistive Druckmesssensoren können jedoch ab einer bestimmten Gemischzusammensetzung durch die sehr schnellen Druckstöße (dp/dt > 30000 bar/s) zerstört werden. Für solche Fälle wären die robusteren piezoelektrischen Sensoren besser geeignet. Bei einem Anfangsdruck von 5 bar liegen die Konzentrationsbereiche, in denen keine Auswertung mehr möglich ist bei 16 Mol-% bis 53 Mol-% Methananteil. Bei einem Anfangsdruck von 1 bar fällt dieser Konzentrationsbereich kleiner aus (von 24 Mol-% bis 42 Mol-% Methananteil).
Die Messergebnisse zeigen jedoch, dass die ausschließlich für Atmosphärendruck geltende Norm DIN EN 15967 auch für höhere Anfangsdrücke und reinen Sauerstoff als Oxidator prinzipiell anwendbar ist.
Im Vortrag werden aktuelle Entwicklungen bei verschiedenen Elektrolysetechnologien kurz vorgestellt. Dann werden für Elektrolyseanlagen spezifische Gefährdungen diskutiert, v.a. die im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Gase Wasserstoff und Sauerstoff stehen. Dabei wird auch Bezug auf die Normung- und Regelsetzung genommen und Sicherheitskonzepte werden beispielhaft kurz vorgestellt. Abschließend wird auf Unfallereignisse im Zusammenhang mit der Elektrolyse eingegangen.
Im Projekt HySpark wird die Wirksamkeit mechanischer Schlagvorgänge beim Aufprall von unterschiedlichen Werkstoffen als Zündquelle für wasserstoffhaltige Atmosphären experimentell untersucht. Zum Einen wird die Zündwirksamkeit bei Wasserstoff/Luft-Gemischen in Abhängigkeit der Werkstoffpaarung untersucht. Dabei konnte v.a. festgestellt werden, dass bei Schlagvorgängen von Nicht-Eisen-Metallen mit verschiedenen Stahlsorten die wirksame Zündung vermieden werden kann. Jedoch können bei Schlagvorgängen mit Estrichbeton hohe Zündwahrscheinlichkeiten beobachtet werden. Zum anderen wird der Einfluss von Wasserstoffbeimischungen im Erdgasnetz auf die Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen untersucht. Bei Anteilen bis 25% Wasserstoff konnte bei den Versuchen kein Erhöhung der Zündwahrscheinlichkeit festgestellt werden.
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.
In this lecture the safety related properties og hydrogen compared to other fuel gases and the explosion protection measures of avoiding flammable mixtures, avoiding ignition sources and mitigating the consequences of explosions when handling hydrogen and hydrogen mixtures are presented.
The Joint European Summer School JESS 2021 addresses these issues by offering high quality graduate level courses on selected topics of vehicle technology, innovation & business development, safe handling of hydrogen, and modelling. The course content is tailored to the needs of a diverse audience: newcomers to the field, experienced students, and young professionals working at the forefront of fuel cell and hydrogen applications.
Hinsichtlich ihrer sicherheitstechnischen Kenngrößen (STK) unterscheiden sich Wasserstoff und Erdgas zum Teil stark. Im Vortrag werden verschiedene STK von Erdgas/Wasserstoff-Gemischen im Abhängigkeit des Wasserstoffanteils vorgestellt und die Auswirkung der Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas auf die Wirksamkeit von Explosionsschutzmaßnahmen erläutert.
Influence of pre-ignition pressure rise on safety characteristics of dusts and hybrid mixtures
(2021)
For the determination of the safety characteristics of dusts it is necessary to disperse the dust in the oxidating atmosphere (usually air). In the standard procedures for dusts this is realized by a partially evacuated explosion vessel (20L-sphere) in which the dust gets injected from a dust chamber pressurized with air. Shortly after that injection (60 ms) the dust cloud gets ignited under turbulent conditions, that are otherwise seen as almost ambient with 20 ◦C and about 1 bar (abs). While there has been a lot of research about the influence of the ignition delay time and the level of turbulence in the recent years little attention was paid to the pre–ignition pressure rise and the allowed variations in the standards. In the following work we showed that the allowed ranges for the pressures in the different dust standards influence the safety characteristics of dust alone severely.
Even though hybrid mixtures are an emerging risk problem in an interconnected industry there is no standard for the determination of their safety characteristics. In this work it is shown that especially for the preparation of hybrid mixtures of flammable dust and gas the pressures after injection of the dust and the mixing procedure have a large influence on the composition of the tested mixtures and therefore on the safety characteristics.
Considering both effects, wrong concentration of gas and wrong initial pressure, the discrepancy of safety characteristics from different facilities will be too big to applicable. The methods to overcome these weaknesses are also presented.
For the determination of safety characteristics of gases, vapors and dusts different types of ignition sources are used in international standards and guidelines. 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 but are not standardized yet. Using the exploding wire, the ignition energy can be varied from 2 J to 10 000 J (2 x 5000 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 this study, experimental determination and modelling investigations for the explosion regions of 1,3-dioxolane/inert gas/N2O and 1,3-dioxolane/inert gas/air mixtures were carried out and compared. The experimental measurements were carried out at 338 K and atmospheric pressure according to EN1839 method T using the inert gases N2, CO2, He and Ar. The results showed that the ratio of the lower explosion limit in N2O (LELN2O) to the lower explosion limit in air (LELair) is 0.52 and the ratio of the maximum oxygen content in air (MOCair) to the limiting oxidizer fraction in nitrous oxide (LOFN2O) is 0.36 ± 0.02 independent of the inert gas. When comparing the inert gas amount at the apex based on the pure oxidizing component, which is O2 in case of air, N2O-containing mixtures need less inert gas to reach the limiting oxidizer quantity whereas the efficiency of inert gases is in the same order. The coefficients of nitrogen equivalency however were found to differ to some extent. The explosion regions of 1,3-dioxolane/inert gas/oxidizer mixtures were modelled using the calculated adiabatic flame temperature profile (CAFTP) method as well as corrected adiabatic flame temperatures. The results indicate good agreement with experimental data for CO2, N2 and Ar- containing mixtures. The noticeable deviations that occur when He is the inert gas are due to the lacking transport data of that mixture.
While developing a standard for the determination of safety characteristics for hybrid mixtures the authors discovered, that, beside the ignition source, the mixing procedure is the main difference between the single-phase standards for dusts and gases. The preparation of hybrid mixtures containing a flammable gas and a flammable dust in the 20 L-sphere can be realized in different ways. Either the flammable gas is filled only in the sphere or only in the dust container or in both. In previous works, almost always the first method is applied, without giving any information on the accuracy of the gas mixtures. In this work the accuracy of the gas mixtures and the results of the tests applying two methods of mixing were studied. No significant influence of the mixing method itself on the safety characteristics explosion pressure pex and the normalized rate of pressure rise (K-value) was found. Obviously, homogenization of the gas mixtures can be obtained sufficiently by the turbulence that is caused during the injection from the dust container into the explosion chamber within a short time. However, the mixing procedure has a great influence on the accuracy of the gas amount of the mixtures obtained. Without modifying the 20 L-sphere by installing precise pressure sensors, assuring its tightness and performing gas analysis, it must be expected, that the accuracy of the gas mixtures is very low. This has a significant influence on the measured safety characteristics and may lead to unsafe facilities or unnecessary expensive safety measures.
In this lecture the safety related properties of hydrogen and hydrogen mixtures and explosion protection measures are shown and compared with other fuel gases. Measures for primary explosion protection (avoiding flammable mixtures), secondary explosion protection (avoiding ignition sources) and constructive explosion protection (mitigating the consequences of explosions) when handling hydrogen and hydrogen mixtures are presented.
The Joint European Summer School JESS 2022 addresses these issues by offering high quality graduate level courses on selected topics of vehicle technology, innovation & business development, safe handling of hydrogen, and modelling. The course content is tailored to the needs of a diverse audience: newcomers to the field, experienced students, and young professionals working at the forefront of fuel cell and hydrogen applications.
Im Rahmen des Projekts „Complex Fires – Auswirkung von Behälterversagen“ (CoFi-ABV) sollen die Auswirkungen des Versagens von Gasbehältern für alternative Treibstoffe in Fahrzeugen unter Berücksichtigung komplexer Brand- und Explosionsszenarien untersucht werden. Es wird der aktuelle Hintergrund des Forschungsvorhabens erläutert sowie die geplanten Untersuchungen und beabsichtigten Ergebnisse vorgestellt. Hauptbestandteil des Projekts ist eine Vielzahl von zerstörenden Großversuchen. Im Vorfeld dieser Großversuche werden zur Weiterentwicklung und Adaptierung von Messtechnik Versuche im kleineren Maßstab durchgeführt. Im Folgenden werden Teile dieser Ver-suchsaufbauten im „mid-scale“ sowie die dabei verwendete Messtechnik dargestellt. Weiterhin werden erste Ergebnisse aus Wärmeeintragsversuchen zur Quantifizierung verschiedener Unterfeuerungsmethoden für die zerstörenden Großversuche vorgestellt.
The effects of hydrogen admixture to natural gas on explosion regions, explosion group classification, explosion severity and on areas with explosive mixtures in case of gas release was studied experimentally. With increasing hydrogen fractions the mixtures become mainly more "critical", but up to 10 mole% hydrogen the influence on the safety characteristics are very low. By using appropriate calculation methods some of the safety characteristics could be calculated with good accuracy.
LEL, UEL LOC, MESG, pmax and (dp/dt)max of hydrogen/natural gas-mixtures were determined systematically according to international standards.
Mixtures of natural gas and hydrogen mainly become more „critical“ with increasing hydrogen fraction.
The effect of up to 10 Vol% H2–admixture to natural gas on safety characteristics is very low, no major adaption of existing measures for explosion protection is necessary.
More substantial adjustment of measures for explosion protection is necessary at hydrogen fractions of more than 25 Vol%.
Some of the safety characteristics can be estimated with good accuracy by calculation methods.
Flüssige und komprimierte Gase sind in Deutschland, Europa und der Welt vielfältig als alternative Kraftstoffe im Einsatz. Diese werden unter teilweise hohem Druck in robusten Behältern an Bord gespeichert. Ein Versagen des Treibstoffbehälters im Schadensfall sollen verschiedene Sicherheitseinrichtungen, auch bei einem eventuell unfallbedingt auftretenden Fahrzeugbrand, verhindern. Sind diese Sicherheitseinrichtungen unfallbedingt beschädigt oder liegen die Belastungen dieser Einrichtung außerhalb ihres Auslegungsbereichs, ist ein Versagen des Behälters dennoch möglich. Dadurch kann es zur Bildung eines explosionsfähigen Brennstoff-Luft-Gemischs mit den entsprechenden Folgen für Fahrgäste, Einsatzkräfte und Umfeld kommen. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) untersucht im Forschungsprojekt "CoFi-ABV" mit umfangreichen zerstörenden Versuchsreihen im Realmaßstab die Folgen des unfallbedingten Versagens von Behältern für alternative Kraftstoffe und Maßnahmen zur Reduktion dieser Folgen im Rahmen einer ganzheitlichen Auswirkungsbetrachtung. Dieser Beitrag ist der Start einer Reihe und soll die Problemstellung sowie die Projektinhalte umfassend erläutern.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien durch Elektroly-se von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist werden. Die BAM hat die Aus-wirkungen von Wasserstoffzusätzen zum Erdgas im Hinblick auf den Explosionsschutz untersucht und sicherheitstechnische Kenngrößen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische bestimmt.
Untersucht wurden die Explosionsgrenzen, die Sauerstoffgrenzkonzentrationen, die maximalen Explosi-onsdrücke, die KG-Werte und die Normspaltweiten. Für die Messungen sind zwei Modellgase eingesetzt worden, reines Methan und ein Modell-Erdgas mit Anteilen höherer Kohlenwasserstoffe. Sie repräsentie-ren die Bandbreite der in Deutschland eingesetzten Erdgase. Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der untersuchten Kenngrößen relevant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die maximalen Explosionsdrücke und die zeitlichen Druckanstiege bei den Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst.
Vergleichende Berechnungen zur Festlegung von explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Zonen) auf Basis von Gasausbreitungsberechnungen ergaben ebenfalls nur geringfüge Unterschiede im Rahmen der Fehler-toleranz für Erdgas und Erdgas-Wasserstoff-Gemische mit bis zu 10 Mol-% Wasserstoff. Die Berechnun-gen sind in der BAM nach einem Freistrahlmodell von Schatzmann und mit dem häufig bei Gasnetzbetrei-bern eingesetzten e.BEx-Tool® durchgeführt worden.
Der Einsatz von Gaswarngeräten, die für reines Erdgas geeignet sind, ist für Erdgas-Wasserstoff-Gemische mit bis zu 10 Mol-% Wasserstoff grundsätzlich möglich, erfordert aber eine gesonderte Sicher-heitsbewertung und ggf. eine Nachkalibrierung.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist wer-den. Im Rahmen dieser Arbeit sind die Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen zum Erdgas im Hin-blick auf den Explosionsschutz untersucht und die sicherheitstechnischen Kenngrößen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische bestimmt worden. Von besonderem Interesse waren diejenigen Kenngrößen, die für reines Methan (Erdgas) und Wasserstoff deutliche Unterschiede aufweisen. Anders als bei vielen Literaturquellen, sollten im Rahmen dieser Arbeit die im Bereich der ATEX geltenden, harmo-nisierten Normen zur Bestimmung der Kenngrößen angewendet werden.
Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der un-tersuchten Kenngrößen relevant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die ma-ximalen Explosionsdrücke und die maximalen zeitlichen Druckanstiege bei Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst. Vergleichende Berechnungen zur Festlegung von explosionsgefährdeten Be-reichen (Ex-Zonen) auf Basis von Gasausbreitungsberechnungen ergaben ebenfalls nur geringfüge Unterschiede zum reinen Erdgas. Der Einsatz von Gaswarngeräten, die für Erdgas kalibriert wurden, ist für Erdgas-Wasserstoff-Gemische grundsätzlich möglich, erfordert aber eine gesonderte Sicher-heitsbewertung und ggf. eine Nachjustierung.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Ener-gien durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist werden. Die BAM hat die Auswirkungen von Wasserstoffzu-sätzen zum Erdgas im Hinblick auf den Explosionsschutz untersucht und sicherheitstechnische Kenngrößen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische bestimmt.
Von besonderem Interesse waren dabei die Explosionsgrenzen, die Sauerstoffgrenzkonzentration, die maximalen Explosionsdrücke, die KG-Werte und die Normspaltweiten. Für die Messungen sind zwei Modellgase eingesetzt worden, reines Methan und ein Modell-Erdgas mit Anteilen höherer Kohlenwasserstoffe. Sie repräsentieren die Bandbreite der in Deutschland eingesetzten Erdgase.
Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der untersuchten Kenngrößen signifikant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die maximalen Explosionsdrücke und die zeitlichen Druckanstiege bei den Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst.
Safety characteristics for explosion protection of natural gas/hydrogen mixtures relevant in connection with the Power2Gas technology were studied in this work. Lower explosion limits (LEL) and upper explosion limits (UEL), limiting oxygen concentrations (LOC), maximum experimental safety gaps (MESG), maximum explosion pressures (pmax) and maximum rates of pressure rise (dp/dt)max were determined experimentally in dependence of the hydrogen fraction. Adding hydrogen did mainly effect the UEL, LOC, MESG and (dp/dt)max. The mixtures become more "critical" concerning the explosion hazards with increasing hydrogen fraction. However, the dependency of the safety characteristics from the hydrogen fraction is mainly not linear. Adding up to 10% hydrogen to natural gas had nearly no effect on the safety characteristics. More significant effects on the safety characteristics were observed at hydrogen fractions of more than 25%. For example the explosion group changes from IIA to IIB. Considering the huge explosion region and very high (dp/dt)max of hydrogen compared to natural gas, even adding 50% hydrogen to natural gas has a rather small effect on these characteristics. Furthermore pmax of hydrogen/natural-gas mixtures can be calculated with good accuracy assuming ideal adiabatic conditions. EL and LOC of natural gas/hydrogen mixtures in ternary systems with inert gas and air were calculated in dependence of the type of inert gas with the so called “model of constant adiabatic flame temperature profiles”.
In Gasphasen aus Ethylenoxid (EO) und Propylenoxid (PO), die bei technischen Alkoxylierungsreaktionen vorkommen, können auch ohne den Zutritt von Luft Zerfallsreaktionen stattfinden, die explosionsartig mit einer vielfachen Temperatur- und Drucksteigerung verlaufen. Zur Abschätzung der Auswirkungen solcher Explosionen wurden die Explosionsdrücke und die zeitlichen Druckanstiege von reinem EO und EO/PO-Gemischen bei Temperaturen von 100°C bis 200°C und Drücken von 1 - 10 bar in einem 3-dm³-Behälter und punktuell in einem 100-dm³-Behälter experimentell bestimmt.
Explosion regions of propane, isopropanol, acetone, and methyl acetate/inert gas/air mixtures
(2016)
The explosion regions for propane, isopropanol, acetone, and methyl acetate with air in the presence of nitrogen, argon, helium, and carbon dioxide were determined experimentally according to EN 14756/EN1839, method T. Except for propane, all the measurements were executed at 323 K and 1 bar. Propane experiments were carried out at 293 K and 1 bar. The results show that for the same type of inert gas, propane, isopropanol, and acetone have great closeness concerning the concentration of the inert gas at the apex of the explosion envelope in a ternary diagram with air as oxidizer. This leads to consistency in the limiting oxygen concentration (LOC) and minimum required amount of inert gas (MAI) values. Concerning methyl acetate, the apex was always reached at higher percentages of inert gases compared with the other fuels. This can be attributed to the presence of two oxygen atoms inside the chemical structure. Calculation of the explosion regions was carried out based on calculated adiabatic flame temperature (CAFT) method. The flame temperatures for the experimentally determined fuel/air/N2 mixtures were calculated. Then, these temperatures were used to predict the explosion limits of similar mixtures with other inert gases than nitrogen. The modeling results show reasonable agreement with the experimental results.
Im Vortrag werden zum einen sicherheitstechnische Aspekte bei der Herstellung von Gasgemischen aus geringen Anteilen an Lachgas und brennbaren Gasen diskutiert. Zum anderen werden allgemein Vorgehensweisen und Berechnungsmethoden zur sicherheitstechnischen Beurteilung der Herstellung von Gasgemischen mit brennbaren und oxidierenden Komponenten vorgestellt.
Safety characteristics for explosion protection for mixtures of hydrogen and natural gas were studied in laboratory tests. Also calculations on the explosion zones for mixtures of hydrogen and natural gas were conducted. Moreover calculation methods for the safety characteristics of such mixtures were tested aiming to reduce the high effort for the experimental determination of safety characteristics prospectively. Admixture of up to 10 mole% hydrogen to natural gas has very low influence on safety characteristics for explosion protection. With increasing hydrogen fraction the mixtures become mainly more „critical“ considering explosion protection, an substantial influence on explosion protection occurs for hydrogen fractions of more than 25 mole%.
Im Vortrag wird auf die sicherheitstechnische Beurteilung in Hinblick auf den Explosionsschutz bei der Herstellung und Füllung von Gasgemischen mit brennbaren und mit oxidierenden Komponenten eingegangen. Anhand von Beispielen werden u.a. Vorgehensweisen und Berechnungsmethoden beschrieben, anhand derer beurteilt werden kann, ob Gasgemische überhaupt sicher hergestellt werden können und in welcher Reihenfolge die Komponenten zur sicheren Herstellung der Gemische gefüllt werden sollten.
Sicherheitstechnische Kenngrößen von Erdgas/Wasserstoff-Gemischen bei der Power-to-Gas-Technologie
(2015)
Verkehrsunfälle unter Beteiligung von Fahrzeugen mit alternativen Kraftstoffen wie LPG („Autogas“, Liquefied Petroleum Gas), CNG (Compressed Natural Gas, komprimiertes Erdgas) oder CGH2 (Compressed Gas Hydrogen, komprimierter Wasserstoff), bergen neue, komplexe Risiken für Passagiere, Einsatzkräfte und deren Umfeld. Im Rahmen des Projektes „CoFi-ABV“ beschäftigt sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) unter Berücksichtigung komplexer Brand- und Explosionsszenarien mit einer ganzheitlichen Betrachtung der Auswirkungen des unfallbedingten Versagens von Gasbehältern für alternative Kraftstoffe. Ein wichtiger Teil des Forschungsvorhabens umfasst Entwicklung, Aufbau und Validierung einer unbemannten Flugplattform (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) zur Ferndetektion von Gaswolken. Für das sogenannte gassensitive Mini-UAV wird ein robuster Open-Path-Gasdetektor auf einer Sensorbewegungsplattform in Form eines modifizierten Kamera-Gimbals, integriert. Ziel ist es, ein leistungsfähiges und robustes Werkzeug zu entwickeln, welches Einsatzkräften im Falle eines Unfalls als Hilfe zur Abschätzung der Gefahr durch Gaswolken, ihrer Ausbreitung und der notwendigen Absperrbereiche zur Verfügung steht. Dieser Artikel ist der zweite der Reihe und legt, nach Projektvorstellung im ersten Teil, nun den Schwerpunkt auf das gassensitive Mini-UAV.
Wasserstoff unterscheidet sich hinsichtlich der sicherheitstechnischen Eigenschaften von anderen brennbaren Gassen, v.a. durch die sehr niedrige Mindestzündenergie und die sehr hohe Flammengeschwindigkeit. Durch Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas ändern sich die sicherheitstechnischen Eigenschaften zum Teil in kritischer Richtung. Bis zu einem Wasserstoffanteil von 10 Mol-% im Erdgas ist aber keine wesentliche Anpassung der Maßnahmen für den Explosionsschutz erforderlich. Synthesgas ist ein weiteres Wasserstoffgemisch das in Zukunft vermutlich zunehmend relevant sein wird. Die beiden Komponenten Wasserstoff und Kohlenmonoxid haben zwar in mancher Hinsicht ähnliche sicherheitstechnische Eigenschaften unterscheiden sich aber auch sehr stark bzgl. der Mindestzündenergie und der Flammengeschwindigkeit.
The explosion regions of 1-propanol, 2-propanol, acetone and 1-butanol in air were measured in the presence of CO2, He, N2 and Ar in accordance with EN1839 method T at high temperatures and at atmospheric pressure. The experimental results show that 1-propanol, 2-propanol and acetone have very similar lower explosion limits (LELs). 1-Butanol shows a slightly wider explosion area near the LEL line. In addition, the explosion regions of all combustible/inert gas/air mixtures were calculated with the method of constant adiabatic flame temperature profiles (CAFTP), using the flame temperature profile along the explosion region boundary curve of each combustible/N2/air mixture as a reference to determine the explosion regions of combustible/inert gas/air mixtures with inert gases other than N2 at different initial temperatures. To calculate the explosion regions for systems containing He, the calculation method was modified to include the very different physical transport properties of He. Moreover, the procedure for calculating the apexes in the ternary explosion diagrams was modified. The calculation results show good agreement with the experimental results.
Die Explosionsbereiche für Dreistoffsysteme aus Brennstoff Inertgas und Luft wurden nach dem Modell der konstanten adiabatischen Flammentemperaturprofile berechnet. Für die Parametrisierung des halbempirischen Modells muss der Explosionsbereich für ein bestimmtes Dreistoffsystem aus Brennstoff, Inertgas und Luft bekannt sein. Dann lassen sich Explosionsbereiche desselben Brennstoffs mit einem beliebigen Inertgas und bei einer beliebigen Temperatur berechnen. Ergänzend zu früheren Arbeiten, in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden nun die Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan durchgeführt. Als Inertgase wurden neben Stickstoff und Kohlendioxid auch die Edelgase Argon und Helium berücksichtigt.
Für die Berechnung der Explosionsbereiche in Systemen mit Helium, ist das Modell erweitert worden, so dass auch die Transporteigenschaften (d.h. Wärmeleitfähigkeit, Diffusionskoeffizient) der Komponenten berücksichtigt werden. Weiterhin ist eine Möglichkeit zur praxisnahen Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole, Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist. Die vorgenommenen Modifikationen sind geeignet, um auch eine Berechnung für Gasgemische mit Helium durchzuführen, dessen starke inertisierende Wirkung im Vergleich zu den Inertgasen
Argon oder Stickstoff vor allem auf den stark unterschiedlichen Transporteigenschaften beruht.
The EU F-Gas Regulation grants exceptions from the GWP-related placing on the market prohibition for stationary refrigeration equipment for applications below -50 °C. Nonetheless, non-flammable refrigerants, which can be used for that temperature range, become increasingly expensive and rare inside the EU due to the phase down of HFCs under the regulation. Flammable alternatives based on methane, ethane and ethylene are available, but are not viable for all applications due to their flammability. Carbon dioxide cannot be used for applications below -50 °C due to CO 2 ’s triple point at -56 °C. Nitrous oxide with a triple point at -92 °C seems to be an alternative. However, possible exothermal decomposition of N 2 O calls for additional measures in order to be able to operate such systems safely. Two low-temperature systems have been developed, built and successfully operated at evaporation temperatures down to - 80 °C with mixtures of N 2 O and CO 2 and different lubricants at ILK and Karlsruhe University of Applied Sciences. The units achieved similar energy efficiency as the standard HFC-equipment used for freeze drying. Possible decomposition of N 2 O could successfully be supressed by various measures.
Most fluorinated hydrocarbons that shall replace refrigerants with high GWP, like R134a, are flammable. For evaluating inertization measures for explosion protection, flammability of low-GWP refrigerants R1234yf, R32 and R1132a blended with carbon dioxide, nitrogen and argon were studied experimentally in a closed autoclave at atmospheric conditions. Furthermore, a calculation method was adapted to reduce the experimental costs for flammability studies on these gas mixtures. For igniting R1234yf in the closed autoclave a newly developed ignition system was used that allows generating electric arcs with high ignition energy. Gas mixtures containing the mildly flammable R1234yf and R32 could be inerted by adding much less inert gas than mixtures containing R1132a, which is more similar to unfluorinated hydrocarbons regarding the explosion regions. By using the adapted model of constant adiabatic flame temperature profiles estimating the explosion limits of fluorinated hydrocarbons was possible with similar accuracy as for unfluorinated hydrocarbons.
Keywords: Explosion Protection, Inertization, Flammability, HFOs, HFC., R1234yf, R32, R1132a
Die Explosionsbereiche für Dreistoffsysteme aus Brennstoff, Inertgas und Luft wurden nach dem Modell der konstanten adiabatischen Flammentemperaturprofile berechnet. Für die Parametrisierung des halbempirischen Modells muss der Explosionsbereich für ein bestimmtes Dreistoffsystem aus Brennstoff, Inertgas und Luft bekannt sein. Dann lassen sich Explosionsbereiche desselben Brennstoffs mit einem beliebigen Inertgas und bei einer beliebigen Temperatur berechnen. Ergänzend zu früheren Arbeiten, in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden nun die Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan durchgeführt. Als Inertgase wurden neben Stickstoff und Kohlendioxid auch die Edelgase Argon und Helium berücksichtigt. Für die Berechnung der Explosionsbereiche in Systemen mit Helium, ist das Modell erweitert worden, so dass auch die Transporteigenschaften (d.h. Wärmeleitfähigkeit, Diffusionskoeffizient) der Komponenten berücksichtigt werden. Weiterhin ist eine Möglichkeit zur praxisnahen Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole, Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist. Die vorgenommenen Modifikationen sind geeignet, um auch eine Berechnung für Gasgemische mit Helium durchzuführen, dessen starke inertisierende Wirkung im Vergleich zu den Inertgasen Argon oder Stickstoff vor allem auf den stark unterschiedlichen Transporteigenschaften beruht. Für die Analyse der physikalischen Vorgänge, die zur Zündung führen, ist eine spezielle Kontaktvorrichtung entwickelt worden. Damit können die Entladungen > 200 µm Länge und mit einer Dauer von > 500 µs an einer bestimmbaren Position erzeugt und untersucht werden.
Für die Entladungen an der Zündgrenze bei niedrigen Spannungs- und Stromwerten (max. 30 V, 30 bis 100 mA Konstantstrombegrenzung) sind die Bedingung für die Erzeugung ermittelt worden. Das sind die Rauheit auf der Kontaktoberfläche, die langsame Kontaktöffnungsbewegung und eine geeignet regelnde Spannungsquelle mit Konstantstrombegrenzung. Damit sind für diese Entladungen an der Zündgrenze die Strom-Spannungs-Kennlinie, das Spektrum mit dominierenden Linien von Cadmium-Metalldampf sowie die Temperaturverläufe ermittelt worden.
Explosion and decomposition limits of flammable and chemically unstable gases were determined experimentally in a dosed autoclave with varying ignition energy up to 1000 J. The ignition source was a lightning arc caused by an exploding wire igniter as described in EN 1839 B .. In case of methane only the upper explosion limit was influenced significantly by the ignition energy, whereas the lower explosion limit was constant. In case of R32 however. it was the lower explosion limit that was influenced significantly by the ignition energy and not the upper explosion limit. A particularly strong dependency from the ignition energy was found for the decomposition limits of the chemically unstable gases in nitrogen.
Most fluorinated hydrocarbons that shall replace refrigerants with high GWP. like R134a. are flammable. For evaluating inertization measures for explosion protection. flammability of low-GWP refrigerants R1234yf, R32 and R1132a blended with carbon dioxide.
Nitrogen and argon were studied experimentally in a closed autoclave
at atmospheric conditions. Furthermore, a calculation method was
adapted to reduce the experimental costs for flammability studies on
these gas mixtures. For igniting R1234yf in the closed autoclave a
newly developed ignition system was used that allows generating
electric arcs with high ignition energy. Gas mixtures containing the
mildly flammable R1234yf and R32 could be inerted by adding much
less inert gas than mixtures containing R1132a, which is more similar
to unfluorinated hydrocarbons regarding the explosion regions. By
using the adapted model of constant adiabatic flame temperature
profiles estimating the explosion limits of fluorinated hydrocarbons
was possible with similar accuracy as for unf luorinated hydrocarbons.
Lachgas kann als Medium in Kälteanwendungen unter -50 °C eingesetzt werden. Da ein explosionsartiger Zerfall von Lachgas bei erhöhtem Druck möglich ist, sind bei entsprechenden Anwendungen Explosionsgefahren zu beachten. Im Vortrag wurden die Voraussetzungen und die Einflussgrößen für den explosionsartigen Zerfall von Lachgas, wie Temperatur, Druck, Geometrie und Zündenergie vorgestellt und diskutiert. Weiterhin wurden Versuchsergebnisse zur Untersuchung des Einflusses geringer Mengen an brennbaren Komponenten (Propan und Öl-Nebel) auf die Explosionseigenschaften vorgestellt und die Stabilisierung der Gemische durch Beimischung von Kohlendioxid diskutiert.