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When handling flammable and/or toxic liquids or gases, the gas dispersion following a release of substance is a scenario to be considered in the risk assessment to determine the lower flammability distance (LFD) and toxicity thresholds. In this work a comparison of different gas dispersion tools of varying complexity ranging from a simple Gaussian model over a boundary layer model (BLM) and a Lagrangian model to CFD (in this case ANSYS CFX v14) is presented. The BLM covers the special case of liquid releases with formation of a pool. It does not only solve the gas dispersion but also calculates the evaporating mass flow out of the pool. The simulation values are compared to each other and to experimental data resulting mainly from our own open air experiments covering the near field and carried out on the Test Site Technical Safety of BAM (BAM-TTS) for different release types (pool evaporation, gas release) and topologies. Other validation data were taken from literature and cover large scale experiments in the range of several 100 m.
Bei der Freisetzung von brennbaren und/oder toxischen Stoffen mit einem Siedepunkt nahe der Umgebungstemperatur (z.B. Fluorwasserstoff) oder von erhitzten Flüssigkeiten, findet die Verdunstung bei höheren Dampfdrücken statt. In diesem Bereich ist der Massenstrom beim Stoffübergang von der flüssigen in die gasförmige Phase mit herkömmlichen Modellen nur noch schwer zu beschreiben. Während der Annäherung an den Siedepunkt findet ein gleitender Übergang von der konzentrationsgradient-dominierten Verdunstung in die wärmestrom-dominierte Verdampfung statt. Die meisten Verdunstungsmodelle wurden entwickelt, um den Stoffübergang bei geringen Dampfdrücken zu beschreiben. Der Verdunstungsmassenstrom berechnet sich aus dem Stoffübergangskoeffizienten, der anhand der Grenzschichtparameter, wie die charakteristische Länge, Windgeschwindigkeit und die Stoffeigenschaften bestimmt wird, und einem Druckterm, der je nach Modell in linearer oder logarithmischer Formulierung vorliegt.
Während letztere am Siedepunkt zu einem unendlichen Massenstrom führt, liefert der lineare Ansatz (unterschiedliche) finite Werte. Obwohl unbestritten sein dürfte, dass die Annahme eines unendlichen Massenstromes nicht plausibel ist, stellt sich die Frage welcher Ansatz die Realität in der Nähe der Siedetemperatur am besten wiedergibt.
Da für den hier diskutierten Dampfdruckbereich keine veröffentlichten Daten zu finden waren, wurden in der BAM neue Messreihen durchgeführt. In einer beheizbaren Wanne mit 90 cm Durchmesser wurde in Freilandversuchen der Massenstrom für verschiedene Substanzen bei unterschiedlichsten Temperaturen und somit Dampfdrücken bestimmt. Zusammen mit den Ergebnissen früherer Experimente in der BAM zur Verdunstung unter Freilandbedingungen liegt jetzt eine ausreichende Datenbasis für die Bewertung der Modelle und insbesondere der Ansätze für den Druckterm vor.
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.
Instationäre Berechnung der Lachenverdunstung und -verdampfung mittels eines Grenzschichtverfahrens
(2008)
Bei vielen Störfallauswirkungsbetrachtungen, insbesondere im Rahmen des Leitfadens KAS-18, ist die Betrachtung einer Lachenverdunstung bzw. verdampfung erforderlich. Für die Berechnung des Verdunstungsmassenstroms werden üblicherweise empirische Modelle eingesetzt. Ein grundsätzlicher Unterschiedzwischen den Modellen ist die Berücksichtigung des Dampfdrucks der freigesetzten Flüssigkeit. In einigenModellen wird eine lineare, in anderen eine logarithmische Abhängigkeit angenommen. Dies führt bei Stoffen mit einer Siedetemperatur, die nur geringfügig über der Umgebungstemperatur liegt, oder bei der Freisetzung von heißen Flüssigkeiten zu gravierenden Unterschieden in den berechneten Massenströmen. Ein weiteres Problem ergibt sich bei der Betrachtung einer Lachenverdunstung in einem Lager. Da der mit den empirischen Modellen berechnete Verdunstungsmassenstrom proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist, und in einem Lager diese als gering angenommen werden kann, stellt sich die Frage, ob die Modelle für dieses Szenario anwendbar sind. Durch eigene experimentelle Untersuchungen im Freifeld, in einem Lagerraum und in einer Lagerhalle wurde eine Grundlage für die Beantwortung dieser Fragen geschaffen.
Die VDI Richtlinie 3783, Blatt 2 zeigt im Vergleich mit den experimentellen Daten aus den
eigene Versuchsreihen zur Schwergasausbreitung eine gute konservative Abschätzung der
Konzentrationsverteilung. Die Berechnungen für die Ausbreitung dichteneutraler Gase mit
Blatt 1 der Richtlinie lieferten jedoch zu niedrige Konzentrationswerte. Allgemein ist
festzuhalten, dass die Anforderungen an die Datenlage zu den Randbedingungen sehr
niedrig sind ebenso wie der Rechenaufwand.
AUSTAL2000 hat eine wesentlich bessere Übereinstimmung mit dem Messwerten für die
Ausbreitung dichteneutraler Gase gezeigt. Diese Feststellung sollte jedoch noch durch den
Vergleich mit weiteren Messreihen verifiziert werden. AUSTAL2000 hat in Zusammenhang
mit dem diagnostischen Windfeldmodell im Vergleich zu Blatt 1 der VDI Richtlinie 3783 den
Vorteil, dass Gebäude explizit berücksichtigt werden können. Als Partikelmodell ist es
außerdem in der Lage den Nahbereich der Quelle berechnen zu können. Der
Rechenaufwand hierbei ist jedoch deutlich höher als bei der VDI Richtlinie 3783, während
die Anforderungen an die Randbedingungen ähnlich niedrig sind.
CFX hat sich als flexibles Berechnungswerkzeug erwiesen. In allen betrachteten Fällen
konnte für die instationäre Berechnung eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten
nachgewiesen werden. Hierbei ist es jedoch erforderlich, eine sehr detaillierte Kenntnis über
die zeitabhängige Entwicklung der Randbedingungen zu haben.
Der Vorteil von CFD-Modellen liegt in der universellen Einsetzbarkeit verglichen mit den
spezialisierten Modellen die auf einen sehr engen Anwendungsbereich beschränkt sind.
Weiterhin liefern CFD-Modelle detaillierte Informationen über die räumlichen Phänomene.
Spätestens bei der Untersuchung der Auswirkungen spezifischer Hindernisse z.B. eines
neuen Gebäudes in einer Industrieanlage auf die Gasausbreitung ist CFD sicherlich die
Methode der Wahl. Der Einsatz von CFD Methoden ist jedoch sehr Zeit- und
Rechenaufwändig.
When handling flammable or toxic liquids or liquefied gases, the occurrence of a leakage and formation of a liquid pool is a scenario to be considered for risk assessment. Several models are available for the estimation of the evaporating mass flow, but only a very reduced number of experimental data is available for Validation purposes.
In the last years, the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in Berlin, Germany, carried out pool Evaporation experiments with different substances in basins with a Diameter ranging from 0,50 m to 1 m mainly on open air test sites with a built up (inner city) and a non-built-up (flat terrain) topography, but also in an enclosed space. The resulting experimental data sets cover a range of vapor pressures from 0,1 bar to 0,94 bar.
The aim of this work is to make the füll data set publicly available and to provide a description of the experimental boundary conditions.
Based on these data, a Validation of existing pool Evaporation models has been carried out and eventually led to a new formulation of an evaporation model, which is also presented here, covering the whole ränge from low wind speeds up to high vapor pressures.