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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.
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.
In Deutschland gibt es eine große Anzahl von Kraftfahrzeugen, die mit alternativen Antrieben (z. B. LPG (Liquefied Petroleum Gas), CNG (Compressed Natural Gas)) ausgerüstet sind. In zahlreichen Großversuchsserien untersucht die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Rahmen des internen Forschungsprojekts CoFi-ABV (Complex Fires – Auswirkungen von Behälterversagen) die Auswirkungen beim Versagen der Treibstoffbehälter dieser alternativen Antriebe. Ziel dieser Untersuchungen ist eine ganzheitliche Auswirkungsbetrachtung, um die Risiken für Feuerwehren und Rettungskräfte besser abschätzen zu können. Im Vorfeld zu den Versuchen für LPG- und CNG-Tanks wurden in einer weiteren Versuchsserie 15handelsübliche 11-kg-Propangasflaschen ohne Sicherheitseinrichtung unterfeuert. Alle 15 Behälter haben – wie zu erwarten war – versagt. Neben den Zustandsdaten des Behälters zum Versagenszeitpunkt (Temperatur des Behältermantels, Innendruck und -temperatur) wurden die Auswirkungen auf die Umgebung hinsichtlich Druckwirkung und Fragmentierung (Anzahl, Masse, Distanz, Richtung) dokumentiert.
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.
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.
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.
Ergänzend zu früheren Arbeiten. in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden Ergebnisse der Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan vorgestellt. Für die Berechnung ist das Modell erweitert worden. so dass auch die Transporteigenschaften der Gasgemische berücksichtigt werden.
Weiterhin ist eine neue Methode zur Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen. dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole. Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist.
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.
In this presentation the drivers for the rise of hydrogen technologies are outlined and main challenges for the market ramp-up are shown. Finally, the activities and capabilities of the competence center H2Safety@BAM are characterized and some of the current projects at BAM adressing the main challenges for hydrogen technologies are presented focussing on the hydrogen transport and infrastructure.
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.
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.
For the determination of safety characteristics of gases, vapors and dusts different types of ignition sources are used in international standards and guidelines. Table 1 compares technical relevant ignition sources with their main features. The paper presents test results of a comparative calorimetric and visual study between four different types of ignition sources. The ignition procedures were analyzed visually with a high-speed camera and electric recordings. In addition to that, the influence of the electrode-orientation, -distance as well as ignition energy on the reproducibility of the exploding wire igniter was tested.
The exploding wire is already in use for standardized determination of safety characteristics of gases, first tests on the suitability of the exploding wire igniter for dust testing have been carried out by Scheid et al. Using the exploding wire, the ignition energy can be varied from 2 to 10 000 J (2 x 5 000 J) and thus it could be used for gases, vapors, dusts and hybrid mixtures. Moreover it can be used at high initial pressures and it is the only ignition source with an easily measurable ignition energy release. Furthermore, it does not introduce another chemical reaction into the system.
Finally, a proposal for a standard ignition source for explosion tests on hybrid mixtures is derived from the test results.
In this presentation the current focus areas of the competence centre H2Safety@BAM are shown. The fields of competence include “Material properties and compatibility”, “Process and plant safety”, “Component testing, component safety and approval” as well as “Sensors, analytics and certified reference Materials. Moreover, the cross-cutting activities regarding “Education and training” and the testing possibilities and planed test facilities at the Test Site for Technical Safety (BAM TTS) are presented.
Small, mobile propane gas vessels are widely spread and comprise additional hazards in case of a surrounding, intensive fire. The aim of the presented work is to holistically investigate the potential consequences of failure of these off-the-shelf propane gas vessels in case of an absence or malfunction of safety devices. In order to generate a statistically valid dataset, a total of 15 identical propane gas bottles without pressure relief device, each containing m = 11 kg of liquid propane, were underfired in horizontal position. For each selected fire type (wood fire, petrol pool fire, propane gas fire), five vessels were tested under identical conditions. Next to extensive camera equipment including a high-speed camera, systems to record the internal pressure of the gas cylinder, the resulting shock wave overpressure (three positions) and the flame and vessel temperature (three + three positions) during the underfiring were used. Also the unsteady, highly dynamical thermal radiation caused by the explosion of the expanding gas cloud was logged. The fragments were georeferenced and weighed after each test. The experiments prove the failure of all the gas cylinders at a burst pressure of pb = [71 … 98 bar] with a fragmentation into up to seven parts (average: four objects) and a subsequent explosion of the expanding vapour after mixing with the surrounding air. The overpressure measured in the close-up range (distance to the cylinder d = 5 m) resulting from the shockwave caused by the cylinder burst was up to pmax = 0.27 bar, which can potentially lead to significant injuries to humans and damage to building structures and infrastructure, especially in connection with the explosion and the resultant thermal radiation. The distance covered by the fragments after the failure was up to r = 260 m; 47% of the fragments hit the ground more than r = 50 m away from the position of failure.
Small, mobile propane gas vessels are widely spread and comprise additional hazards in case of a surrounding, intensive fire. The aim of the presented work is to holistically investigate the potential consequences of failure of these off-the-shelf propane gas vessels in case of an absence or malfunction of safety devices. In order to generate a statistically valid dataset, a total of 15 identical propane gas bottles without pressure relief device, each containing m = 11 kg of liquid propane, were underfired in horizontal position. For each selected fire type (wood fire, petrol pool fire, propane gas fire), five vessels were tested under identical conditions. Next to extensive camera equipment including a high-speed camera, systems to record the internal pressure of the gas cylinder, the resulting shock wave overpressure (three positions) and the flame and vessel temperature (three + three positions) during the underfiring were used. Also the unsteady, highly dynamical thermal radiation caused by the explosion of the expanding gas cloud was logged. The fragments were georeferenced and weighed after each test. The experiments prove the failure of all the gas cylinders at a burst pressure of pb = [71 … 98 bar] with a fragmentation into up to seven parts (average: four objects) and a subsequent explosion of the expanding vapour after mixing with the surrounding air. The overpressure measured in the close-up range (distance to the cylinder d = 5 m) resulting from the shockwave caused by the cylinder burst was up to pmax = 0.27 bar, which can potentially lead to significant injuries to humans and damage to building structures and infrastructure, especially in connection with the explosion and the resultant thermal radiation. The distance covered by the fragments after the failure was up to r = 260 m; 47% of the fragments hit the ground more than r = 50 m away from the position of failure.
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.
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.
Im Zuge der Energiewende finden Wasserstofftechnologien in der industriellen Praxis und im öffentlichen Raum immer mehr Anwendung. Beim Einsatz von Wasserstoff als Ersatz für andere fossile Energieträger wie Erdgas müssen u.a. Explosionsschutzmaßnahmen überprüft und angepasst werden. Eine Art von Explosionsschutzmaßnahmen ist die Vermeidung von Zündquellen. Gemäß den einschlägigen Regelwerken ist die Bildung von Funken oder heißen Aufschlagstellen beim mechanischen Schlag eine mögliche Zündquelle, die vor allem beim Wasserstoff berücksichtigt werden muss. Die Zündwirksamkeit ist dabei u.a. stark von der Werkstoffpaarung und der kinetischen Schlagenergie abhängig. Der Einsatz von funkenarmen Werkzeugen aus schwer oxidierbaren Nicht-Eisen-Metallen in explosionsgefährdeten Bereichen kann z.B. eine Maßnahme sein, um diese Zündquelle zu vermeiden und wird als solche in den Regelwerken benannt. Es gibt aber kaum Quellen, die dabei helfen die Zündwirksamkeit bei Schlägen mit heterogenen Materialpaarungen einzuschätzen. In dieser Arbeit wurde zu diesem Zweck die Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen mit unterschiedlichen, auch nicht-metallischen Schlagpartnern in wasserstoffhaltigen Atmosphären systematisch untersucht.
In dem hier vorgestellten Projekt wurde die Wirksamkeit mechanischer Schläge als Zündquelle für wasserstoffhaltige Atmosphären in Abhängigkeit von der inhomogenen Materialpaarung systematisch untersucht. Dabei wurden praxisrelevante Materialien wie Edelstahl, niedrig legierter Stahl, Beton und Nichteisenmetalle betrachtet. Es wurde festgestellt, dass eine Zündung vermieden werden kann, wenn Nichteisenmetalle in Kombination mit verschiedenen metallischen Werkstoffen verwendet werden. In Kombination mit Beton muss die kinetische Schlagenergie auch mit Nichteisenmetallen weiter begrenzt werden, um eine wirksame Entzündung zu vermeiden. Außerdem wurde untersucht, wie sich die Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas auf die Wirksamkeit mechanischer Stöße als Zündquelle auswirkt. Bei Beimischungen von bis zu 25 % Wasserstoff und sogar mehr konnte kein Einfluss festgestellt werden. Die Ergebnisse sind vor allem relevant im Zusammenhang mit der Umwidmung des Erdgasnetzes oder der Beimischung von Wasserstoff im Erdgasnetzes.
In case of a vehicle fire, an installed LPG (liquefied petroleum gas) tank with a malfunctioning safety device poses severe hazards. To investigate the consequences in case of tank failure, we conducted 16 tests with toroidal shaped LPG vehicle tanks. Three tanks were used for a Hydraulic Burst Test under standard conditions. Another three tanks were equipped with a statutory safety device and were subjected to a gasoline pool fire. The safety device prevented tank failure, as intended. To generate a statistically valid dataset on tank failure, ten tanks without safety devices were exposed to a gasoline pool fire. Five tanks were filled to a level of 20 %; the re-maining five were filled to a level of 100 %. In order to gain information on the heating process, three tem-perature readings at the tank surface, and three nearby flame temperatures were recorded. At distances of l = (7; 9; 11) m to the tank, the overpressure of the shock wave induced by the tank failure and the unsteady tem-peratures were measured. All ten tanks failed within a time of t < 5 min in a BLEVE (boiling liquid expanding vapor explosion). Seven of these resulted directly in a catastrophic failure. The other three resulted in partial failure followed by catastrophic failure. A near field overpressure at a distance of l = 7 m of up to p = 0.27 bar was measured. All ten tests showed massive fragmentation of the tank mantle. In total, 50 fragments were found. These 50 fragments make-up 88.6 % of the original tank mass. Each fragment was georeferenced and weighed. Fragment throwing distances of l > 250 m occurred. For the tanks with a fill level of 20 %, the average number of fragments was twice as high as it was for the tanks that were filled completely.
In continuation of a preceding test series involving sole LPG vehicle tanks, three passenger cars equipped with identical toroidal steel LPG tanks were set on fire. The tanks were installed in the space normally reserved for the spare tyre, in the car boot. No safety device was installed on the tank, in order to force critical failure of the cylinder. Two of the cars were equipped with a tank filled with liquefied propane to a level of 20 % (5.3 kg), the third one was filled completely (25.5 kg). The partially filled tanks failed critically within a time period of more than 20 min after the initiation of the fire. The fully-filled tank did not rupture; the propane was released continuously through a small leak that appeared during the fire. Comprehensive equipment was used to procure measurement data, enabling an analysis of potential consequences and hazards to humans and infrastructure within the vehicle surroundings. The inner status of the tank (pressure, temperature of the liquid phase and the steel casing), the development of the fire (temperature inside and around the vehicle) and the pressure induced in the near-field in case of tank rupture were recorded. The results were analysed in detail and compared against the data gained in tests involving sole, but identical LPG tanks.
In this presentation the results of the Project HySpark are shown. Mechanical impacts are among the important possible ignition sources to be considered in explosion protection. Hydrogen is particularly prone to be ignited by mechanical impacts compared to natural gas. The effectivity of mechanical impacts as ignition source is dependent from different parameters. In this work the effectivity of impacts as an ignition source for hydrogen containing atmospheres was studied experimentally depending on the inhomogeneous material pairing of the impact. Moreover it was studied, how the effectivity of mechanical impacts as ignition source changes when hydrogen is added to natural gas.
Mechanical friction, impact or abrasion is one of the ignition sources that must be avoided in hazardous zones with explosive atmospheres. The effectiveness of mechanical impacts as ignition source is dependent from several parameters including the minimum ignition energy of the explosive atmosphere, the properties of the material pairing, the kinetic impact energy or the impact velocity. By now there is no standard procedure to determine the effectiveness of mechanical impacts as ignition source. In this work the effectiveness of mechanical impacts with defined and reproducible kinetic impact energy as ignition source for hydrogen containing atmospheres was studied systematically in dependence from the inhomogeneous material pairing considering materials with practical relevance like stainless steel, low alloy steel, concrete, and non-iron-metals. It was found that ignition can be avoided, if non-iron metals are used in combination with different metallic materials, but in combination with concrete even the impact of non-iron-metals can be an effective ignition source if the kinetic impact energy is not further limited. Moreover, the consequence of hydrogen admixture to natural gas on the effectiveness of mechanical impacts as ignition source was studied. In many cases ignition of atmospheres containing natural gas by mechanical impacts is rather unlikely. No influence could be observed for admixtures up to 25% hydrogen and even more. The results are mainly relevant in the context of repurposing the natural gas grid or adding hydrogen to
the natural gas grid.
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.
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.
For evaluation of explosion scenarios in closed systems involving the mildly flammable refrigerants R1234yf, R1234ze and R32 dependent on the ignition energy, ignitions were carried out in a closed autoclave. A newly developed ignition system was used, which allows generating electric arcs with defined energies in a range between 3 J and 1000 J. The lower explosion limit of R32 decreases with increasing ignition energy. R32-explosions can be more severe than explosions involving highly flammable substances.
However, in case of R1234yf and R1234ze, the ignition energy had to be increased to more than 100 J and more than 500 J to detect explosions in the closed system at all, although flame Propagation phenomena can already be observed if these substances are ignited with much weaker ignition sources in open glass tubes. The explosions were very mild with these substances.
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.
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%.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In this presentation the capabilities and different research activities at BAM in the field of hydrogen safety are outlined. A deep dive focussing the transport of hydrogen in pipelines adressing issues on material compatibility, gas quality and test methods is presented. Another deep dive is presented focussing on safety aspects of liquid hydrogen adressing issues of rapid phase transition (RPT) and Boiling liquid expanding vapour explosion (BLEVE). Finally a brief overview on other safety related research activities is given.
Compressed natural gas (CNG) is a widely used automotive fuel in a variety of countries. In case of a vehicle fire where the safety device also malfunctions, a failure of the CNG automotive cylinder could occur. Such a cylinder failure is associated with severe hazards for the surrounding environment. Firstly, a comprehensive analysis is given below, summarizing various accidents involving CNG automotive cylinders and their consequences. In an extensive experimental program, 21 CNG automotive cylinders with no safety device were tested. Of the 21, burst tests were carried out on 5 Type III and 5 Type IV cylinders. Furthermore, fire tests with 8 Type III and 3 Type IV cylinders were conducted. Apart from cylinder pressure, inner temperature and cylinder mantle temperature, the periphery consequences, such as nearfield blast pressure and fragmentation are documented. The maximum measured overpressure due to a Type III cylinder failure was p = 0.41 bar. Each traceable fragment was georeferenced. All-in-all, fragment throw distances of d > 300 m could be observed. As one key result, it can be stated that the tested Type IV CNG cylinders showed less critical failure behavior then the Type III cylinders under fire impingement.
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.
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.
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.
15 identical off-the-shelf propane cylinders (m = 11 kg liquid propane) were underfired. The infrared Radiation of the Explosion, that occurred in the aftermath of the vessel failure, was recorded using four bolometers. These measurements are compared with an estimation of the Maximum intensity gained by an Analysis of the Video data, an Extended Version of the Stefan-Boltzmann law and a BLEVE model.