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Organisationseinheit der BAM
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- 9.6 Additive Fertigung metallischer Komponenten (7)
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- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (6)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (6)
- 3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik (4)
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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%.
The feasibility study „AGIFAMOR. Ageing infrastructures – distributed acoustic monitoring of pipes” is an interdisciplinary research project at BAM internally financed from 2015 to 2018. Therefore, the quite young fibre optic sensing technology of distributed acoustic sensing (DAS) was investigated to possibly be extended towards a global condition monitoring system for pipelines operating in real time.
DAS is a highly dynamic fibre optic sensing technology based on the method of coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR). DAS allows capturing strain changes in the range of kHz. For the experimental work, the most suitable application yielding an optimum sensitivity was proven by wrapping a standard single-mode silica fibre around the pipe.
The DAS sensitivity was investigated regarding the detection of 1) incidents that initiate propagation of acoustic waves in the pipe wall, 2) changes inside the pipeline causing altered flow and 3) damage development in the pipe wall. Therefore, several testing setups in laboratory as well as in real scale were realized. For comparison purposes, experiments were accompanied by acoustic emission analyses and by measurements with accelerometers.
DAS was found to be very sensitive to gas ignition and its propagation across the pipe. Furthermore, the ability of DAS to detect and localize acoustic signals associated with pipeline leakage was demonstrated. The detection of crack formation and propagation within the pipe wall by means of DAS was studied during bending tests on several pipe segments, but was not proven so far with certainty. As expected, these studies turned out as the most difficult challenge due to the random occurrence and transient nature of microscopic damage phenomena.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing – DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen eingesetzt werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die Hauptschadensursachen an Rohrleitungen, den Versuchsstand zur mechanischen Belastung von Rohren sowie die Möglichkeiten zu Untersuchungen im Realmaßstab eingegangen werden.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing - DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen verwendet werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien
Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die unterschiedlichen Messverfahren und deren spezifischen Einsatz im Rahmen des Projektes eingegangen werden.
A steel pipeline segment of 2.5 m length was subjected to quasi-static four-point bending load in three steps for studying the initial cracking and damage accumulation based on the Acoustic Emission (AE) technique and by the direct current potential drop (DCPD) technique. For the latter, a new post-test analysis method was established.
AE is found more sensitive to crack initiation than DCPD. Formation of mesoscopic and macroscopic cracks as well as their closure and the resulting friction generate weighted peak frequencies below 400 kHz, whereas microscopic cracking produces AE with broad band spectra identifiable by weighted peak frequencies above 400 kHz. Critical states alike the maximum load level and the leak opening were accompanied by peak amplitudes above 85 dBAE. This rather fundamental study provides a data base for possibly developing advanced strategies of detection and alarm systems based on acoustic monitoring of pipelines, or at least, steel structures.
Four-point bending tests were carried out to analyze the acoustic characteristics of damage development in pipe segments made of steel, grade S355J2H, being 2.5 m long with an outer diameter of 168 mm and 16 mm wall thickness. To induce stable crack growth, the pipe segments were pre-damaged by a 90°circumferential notch in the middle of the pipe length. While the pipe was quasi-statically loaded, microscopic damage and plastic deformation accumulated to form a macroscopic crack that grew through the pipe wall until leakage. For acoustic emission (AE) monitoring, four broadband sensors of type VS 900 M were mounted close to the notch. Continuous AE signal detection was performed by the non-threshold method. Advantages and disadvantages of the non-threshold AE monitoring compared to a commonly employed method analyzing only signals exceeding a predefined threshold are discussed. The results of AE analysis are compared to additional information on the crack growth detected by the direct current potential drop (DCPD) technique. These studies were carried out in the course of the interdisciplinary research project AGIFAMOR, Ageing infrastructures - distributed acoustic monitoring of pipes at BAM.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
Rohrleitungssysteme sind aufgrund ihrer Funktion und Ausdehnung für den Betrieb, die Verfügbarkeit und die Sicherheit von Industrieanlagen von besonderer Bedeutung. Die bisher in definierten Intervallen durchgeführten, wiederkehrenden Prüfungen zur Sicherstellung leckagefreier Rohrleitungen sind kostenintensiv und mit einem erhöhten Aufwand verbunden.
Mit dem interdisziplinären Forschungsprojekt AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Akustisches Monitoring von Rohrleitungen) arbeitet die BAM an der Entwicklung und Erprobung einer örtlich und zeitlich kontinuierlichen Zustandsüberwachung von Rohrleitungen basierend auf einem faseroptischen akustischen Messsystem, welches einen vergleichsweise geringen Installationsaufwand der Sensoren erfordert. Mit diesem Verfahren sollen vor allem betriebsbedingte Schädigungen infolge von Korrosion sowie daraus entstehende Pittings oder Risse erkannt und damit Leckagen verhindert werden.
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie zum Teilaspekt „Detektion von Risswachstum“ wurde ein 2,5 m langes, definiert vorgekerbtes Stahlrohr mit der faseroptischen Sensorik (FOS) ausgestattet und quasistatisch unter 4-Punkt-Biegung belastet. Mit fortschreitender Belastung wächst, ausgehend vom vorhandenen Außenumfangskerb, ein Riss im Stahlrohr bis zum Erreichen der Leckage – in der Praxis ein gefährliches Schadensszenario.
Parallel zur FOS erfolgten Messungen mit Schallemissionssensoren, Beschleunigungssensoren und Potentialsonden, deren Ergebnisse die Interpretation der FOS-Messergebnisse unterstützen sollen.
In der Prozessindustrie werden häufig gefährliche Stoffe eingesetzt, so dass auch kleinste Leckagen der medienführenden Anlagenteile zu Gefährdungen der Arbeitnehmer sowie zur Belastung der Umwelt führen können. Für die Gewährleistung einer dauerhaften Verfügbarkeit der Infrastruktur ist die frühzeitige Erkennung und Ortung von potentiell gefährlichen Veränderungen an den Wandungen von Rohrleitungen und Behältern (in Form von Rissen, Pittings und Ablagerungen) erforderlich. Am Beispiel von Rohrleitungen, sollen im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), im Sinne einer Machbarkeitsstudie die Verfahren der verteilten akustischen und faseroptischen Sensorik zur kontinuierlichen Überwachung und Detektion potentiell gefährlicher Veränderungen in Industrieanlagen erprobt und qualifiziert werden. Dabei sollen die Applikation der optischen Sensorfasern hinsichtlich der Signalübertragung auf den Sensor optimiert und die Erkennung der für dieses Anwendungsgebiet relevanten Schallsignaturen entwickelt werden. Mithilfe eines solchen Messsystems können mit geringem Aufwand ausgedehnte Strukturen, auch unter erschwerten Bedingungen (z.B. hohe Temperatur, Einfluss von Chemikalien) kontinuierlich überwacht werden.
Sicherheitstechnische Untersuchungen von Wasserstoff Freistrahlflammen bei Hochdruck im Realmaßstab
(2024)
Wasserstoff als Energieträger gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Untersuchung von Störfallauswirkungen mit Wasserstoff rückt somit stärker in den Fokus. Da Wasserstoff meist unter Druck gelagert und transportiert wird, ist ein zu betrachtendes Szenario die Freisetzung aus einer Leckage mit anschließender Zündung. Die daraus resultierende Freistrahlflamme (Jet Flame) muss hinsichtlich der in die Umgebung emittierten Wärmestrahlung charakterisiert werden. In der Literatur existieren bereits verschiedene Modelle, welche jedoch vermehrt auf Daten aus Kohlenwasserstoffflammen mit geringem Impuls basieren. Zur Überprüfung dieser Modelle wird im Zuge des BAM internen H2 Jet Flame Projektes die sicherheitstechnische Untersuchung von impulsbehafteten Wasserstoff Freistrahlflammen vorgenommen. Hierfür finden Versuche im Realmaßstab auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM-TTS) statt. Gegenstand der Untersuchungen ist die Beurteilung der Auswirkungen von realistischen Freisetzungsszenarien hinsichtlich der Flammengeometrie und der freigesetzten Wärmestrahlung. Dabei werden Parameter wie Freisetzungswinkel, Leckagedurchmesser (z.Zt. 1 mm bis 10 mm), Druck (z.Zt. bis max. 250 bar) und Massenstrom (bis max. 0,5 kg/s) variiert. Zusätzlich können auch Einflüsse wie Art der Zündung, Zündort sowie Zündung mit zeitlichem Verzug untersucht werden. Gewonnene Erkenntnisse werden mit den Ergebnissen bereits vorhandener Modelle verglichen und diese im Bedarfsfall weiterentwickelt. Insbesondere wird der Fokus auf die Modellierung der freigesetzten Wärmestrahlung von Wasserstoffflammen gelegt. Herausforderung dabei stellt die IR-Vermessung und Modellierung von Sichtmodellen der Flammen dar. Die Visualisierung der Flammengeometrie wird mit Hilfe mehrerer Infrarot Kamerasystemen (aus mindestens zwei Blickwinkeln) vorgenommen.
Bisherige Messungen, die in der Literatur zu finden sind, basieren meist auf instationären Auströmbedingungen. Der hier verwendete Versuchsaufbau ermöglicht ein stationäres Ausströmen für mehrere Minuten und somit eine direkte Vergleichbarkeit mit den existierenden (stationären) Modellen.
Weiterhin ist der Versuchsstand umrüstbar für Vergleichsmessungen mit Kohlenwasserstoffen (Methan etc.) sowie Mischungen aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen.
In order to reduce the human footprint of CO2 emissions and limit global warming effects hydrogen combustion is becoming increasingly important. To enable fuel cells and gas turbines to operates this carbon free fuel, unprecedently large amounts of hydrogen need to be produced and safely transported and stored. The investigation of the effects of accidents involving hydrogen is therefore becoming of outmost importance. Since hydrogen is usually stored and transported under pressure, one scenario to be considered is the release of hydrogen from a leakage with subsequent ignition. The resulting jet flame must be characterized with respect to the thermal radiation emitted into the environment to define safety regulations. Various models that characterize the resulting flame shape and radiation already exist in the literature, but these are mainly based on empirical data from hydrocarbon jet flames.[1-4] To verify these models, a H2 Jet Flame project conducted at BAM, is investigating the safety of momentum driven hydrogen jet flames. For this purpose, large-scale tests are carried out at the Test Site Technical Safety (BAM-TTS). The object of the investigations is to assess the effects of real scale release scenarios regarding flame geometry and the thermal radiation emitted. Parameters such as release angle, leakage diameter (currently 1 mm to 10 mm), pressure (currently up to max. 250 bar) and mass flow (up to max. 0.5 kg/s) are varied. In addition, influences such as the type of ignition, ignition location as well as delayed ignition can also be investigated. The gained knowledge will be compared with existing jet flame models, to validate these and identify a possible need for further development. In particular, the focus will be laid on the thermal radiation of hydrogen flames. The challenge here is the visualization and characterization of the flame geometry in an open environment. Visualization is performed using infrared (IR) camera systems from at least two viewing angles. Measurements of the heat radiation of jet flames, which can be found in the literature, are mostly based on unsteady outflow conditions. The experimental setup used here allows for the generation of a steady-state outflow for several minutes and thus a direct comparability with existing (steady-state) models. Furthermore, the tests can be carried out for comparative measurements with hydrocarbons (methane, etc.) as well as mixtures of hydrogen and hydrocarbons.
Im Rahmen von Auswirkungsbetrachtungen, wie sie bei Sicherheitsberichten oder Risikoanalysen erforderlich sind, sind oft Szenarien mit einer Lachenverdunstung von brennbaren und/oder toxischen Flüssigkeiten zu untersuchen. Wesentliche Einflussgrössen für die Konzentrationsverteilung in der Umgebung sind der Verdunstungsmassenstrom, das Lachenwachstum und die Gasausbreitung. Bisher werden für diese Berechnungen mehrere Modelle mit unterschiedlicher Genauigkeit miteinander gekoppelt. In dieser Arbeit wird ein instationäres turbulentes Grenzschichtverfahren vorgestellt, das mit dem Ziel entwickelt wurde, bei relativ geringem Rechenaufwand eine genauere Berechnung des Verdunstungsmassenstromes zu ermöglichen, sowie ausgehend von der Freisetzung aus der Lache direkt die Konzentrationsverteilung in der Umgebung ermitteln zu können. Im Vergleich zu in der Literatur veröffentlichten und eigenen experimentellen Untersuchungen zeigt sich, dass das hier entwickelte Grenzschichtverfahren bei der Berechnung des Verdunstungsmassenstromes mindestens auf dem Niveau der besten empirischen Modelle liegt. Die instationäre Formulierung der Grenzschichtgleichungen ermöglicht zudem eine zeitabhängige Betrachtung der in der Lache herrschenden Temperaturen, des Massenstromes sowie der Konzentrationsverteilung in der Umgebung. Des weiteren ermöglicht das instationäre Grenzschichtverfahren die direkte Bestimmung der explosionsfähigen Masse in der Gaswolke über der Lache und die Berechnung des Massenstromes bei der Verdampfung von siedenden Flüssigkeiten mit anschließender Unterkühlung und Übergang zur Verdunstung.
Instationäre Berechnung der Lachenverdunstung und -verdampfung mittels eines Grenzschichtverfahrens
(2008)
For hazard Assessment purposes we need models to predict what would happen in case of an accident.
The challenge in hazard assessment consists not only in choosing the right model, but beforehand to define the correct scenario .If models can be found for the physical effect to be simulated, the validation of these models is the next challenge.
Even if experimental data can be found it should always be checked, if these data are correct, even if in general experimental data are considered as “failsafe” or “the absolute truth”.
For hazard Assessment purposes we need models to predict what would happen in case of an accident.
The challenge in hazard assessment consists not only in choosing the right model, but beforehand to define the correct scenario. For hydrogen applications the validity of the models has to be checked, as well as the kind of scenario to assume for accidental releases of hydrogen. Open questions on these topics will be adressed and the newly founded competecne centre for Hydrogen Saftey at BAM will be presented.
Experimental investigation of the consequences of release of liquified hydrogen onto and under water
(2022)
Large-scale experiments have been performed to investigate the possible consequences of realistic amounts of liquified hydrogen (LH2) encountering water. The tests were performed at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Horstwalde, Germany.
The experiments aimed at investigating that upon contact with water, the evaporation rate of LH2 can be that high that physical explosions or even rapid phase transitions (RPTs), could occur. RPTs can generate air and underwater blast pressures which could damage adjacent plant or structures (which has been demonstrated when releasing LNG).
The tests were performed in a 10 m x 10 x 1.5 m basin filled with water. LH2 releases with mass flows ranging from approximately 0.25 kg/s to approximately 0.8 kg/s were established releasing directly from a trailer carrying LH2. The LH2 was released through a 46 m long flexible double vacuum insulated transfer line (inner diameter 39 mm). The releases occurred from a height of 50 cm above the water surface pointing downwards, 30 cm under the water surface pointing downwards and 30 cm under the water surface pointing along the water surface. The release system allowed for an initial phase to release flashed LH2 into the air before redirecting the flow towards the water surface for liquid release. A thermocouple inserted near the nozzle is used to indicate the presence of LH2 at the nozzle. The nozzle could be moved up and downwards relative to the water surface and also moved into the water. The release system was purged with helium before starting a release. A mouthpiece at the end of the release line as well as a manually operated valve at the trailer were used to vary the release rate.
The temperature of the water and the air was measured at multiple locations. The temperature of the air was also measured at H2 concentration probe locations. In addition, the temperature in the filling line was measured (1 at the outlet and 1 further down into the filling line). The pressure in the filling line was also measured at 3 locations, one located directly at the outlet. The release rate was determined based on the weight loss rate of the road tanker. To this end the trailer was placed onto load cells. Special blast pressure sensors were used to measure the shock waves generated by the rapid evaporation or other phenomena both in the water and in the air. At several locations the gas concentration development in time was measured. Heat radiation was measured at 3 distances from the point of release. High speed, Infra-Red (IR) cameras and normal cameras were used to record events and to follow the gas cloud behaviour in time. This includes cameras mounted on a drone and an underwater camera. Two weather stations were used to measure wind speed, wind direction, temperature and humidity during all tests performed.
All investigated release configurations resulted in a very chaotic LH2-water mixing zone, causing considerable evaporation and resulting in minor over pressures. The main phenomenon observed was an ignition of the released gas cloud, resulting in significant blast wave overpressures and heat radiation to the surroundings. The ignition occurred in all under-water releases and in about 90 % of the releases above the water surface. The location of the ignition occurred in free air at some distance from the instrumentation and release location.
Hazardous substances with a boiling point close to ambient temperatures will evaporate at higher vapour pressures, so that the evaporation takes places in the smooth transition between the evaporation at boiling point and below boiling point, representing the transition between two different physical phenomena. Whilst the evaporation at boiling point is driven by the available heat flux, the evaporation below boiling point is driven by the concentration gradient between the pool surface and the ambient air. Available evaporation models usually focused on the correct description of the mass transfer coefficient for temperatures below boiling point. A formulation of the correct equation for the mass flow is rarely documented. Whilst the mass transfer coefficient formulation is more or less equivalent in most models, the main difference occurs in the formulation of the mass flow equation. In Fact two types of models can be identified: the models with a linear pressure term and the models with a logarithmic pressure term. Whilst the logarithmic formulations result in an infinite mass flow near boiling point, which is not plausible, the linear formulations reach (different) finite values. Due to a lack of published experimental data it was not possible to determine whether the linear approach is conservative, under predicting or more or less accurate close to the boiling point.
To evaluate the accuracy of each type of formulation, test series on liquid pools have been carried out at BAM for substances like Water, Ethanol, Cyclohexane, and Acetone. The tests were done under ambient conditions with a heatable, 90 cm diameter pool, so that the vapour pressures investigated ranged from 0 to close to 1 bar. The experimental data showed that neither of the linear nor the logarithmic formulation of the evaporation models is able to predict correctly the mass flow close to the boiling point. The logarithmic approach heavily over predicts the mass flow, while the linear approach is not conservative anymore when the vapour pressure exceeds 0.7 bar.
Schwergasausbreitung
(2014)
Ermittlung von Massenströmen
(2014)
Bei Störfallauswirkungsbetrachtungen an Biogasanlagen muss das Versagen der Folien- oder Membranabdeckung des Fermenters untersucht werden. Hierbei sind insbesondere Risse in derselben hinsichtlich des austretenden Massenstromes an Biogas zu bewerten, ebenso wie der durch eine Zündung resultierende Flammenstrahl. Zurzeit existieren für Folien- oder Membranabdeckungen jedoch keine Erkenntnisse zu realistischen Ausflussziffern für die Massenstromberechnung. Im Leitfaden KAS-32 wird für Störfallauswirkungsbetrachtungen für die Berechnung des austretenden Massenstromes eine Ausflussziffer von 1 und eine „Leckfläche“ von 0,6 m2 vorgegeben. Die Anwendbarkeit verfügbarer Modelle zur Berechnung des Flammenstrahls ist bisher ebenso ungeklärt. Um diese Fragestellungen zu untersuchen, wurden in der BAM Versuche zur Bestimmung der Ausflussziffer, sowie der Zündung des austretenden Gases an einem 80 m3 Sack zur Speicherung von Biogas durchgeführt, der aus demselben Material besteht wie die in Biogasanlagen verwendeten Folien- und Membranabdeckungen.
Bestimmung des Massenstroms
(2014)
Beim Ansprechen von Sicherheitseinrichtungen werden unter Druck stehende Gase als Freistrahl freigesetzt. Die Abmessung des daraus resultierenden Gefährdungsbereiches ergibt sich durch den Vergleich mit einem Grenzwert, wie z. B. der unteren Zündgrenze.
Die Berechnung des Freistrahles wird im Allgemeinen durch empirische oder Integralmodelle durchgeführt. Hierbei wird jedoch angenommen, dass die Freisetzungsdauer ausreichend lang ist, damit der Freistrahl einen stationären Zustand erreicht. Ist die Freisetzungsdauer durch ein kurzes Ansprechen der Druckentlastungseinrichtung oder einer geringen zur Verfügung stehenden Gasmenge nur kurz, stellt sich die Frage, inwiefern der resultierende Freistrahl die durch die stationäre Annahme in den Modellen berechneten Längen überhaupt noch erreicht, bzw. ab welcher Freisetzungsdauer von einem stationären Strahl ausgegangen werden kann.
Um diese Fragestellung zu untersuchen wurden CFD Berechnungen durchgeführt. Variiert wurden hierbei die Gasdichte (unterschiedliche Stoffe), die Austrittsgeschwindigkeit, der Austrittsdurchmesser und die Freisetzungsdauer. Basierend auf diesen Untersuchungen wird diskutiert, ob eine Korrelation zwischen den Austrittsparametern und der Dauer bis zum Erreichen der Stationarität abgeleitet werden kann. Diese Korrelation ermöglicht dann aus den Ergebnissen der stationären Freistrahlmodelle, Aussagen für sehr kurze Freisetzungszeiträume zu treffen.
In einer Reihe von Experimenten wurden die möglichen Folgen der Freisetzung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) auf, bzw. unter Wasser untersucht. Die Experimente zielten darauf ab, eine unbeabsichtigte Freisetzung von LH2 (z.B. durch Schlauchabriss) insbesondere bei der Betankung eines Schiffes zu simulieren. Für verflüssigtes Erdgas (LNG) wurden dabei sog. RPT’s (rapid phase transition) nachgewiesen, bei denen die spontane Verdampfung relevante Druckwellen erzeugt. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass RPTs auch im Falle von LH2 möglich sind. Die Versuche wurden auf dem Testareal Wasserstoffsicherheit auf dem Testgelände Technische Sicherheit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM-TTS) in Horstwalde, im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen der BAM und Gexcon im Rahmen des SH2IFT-Programms durchgeführt. Die LH2-Freisetzungen erfolgten direkt aus einem LH2-Tanklastwagen über eine lange, flexible, vakuumisolierte Transferleitung. Während die Freisetzung oberhalb und unterhalb der Wasseroberfläche jeweils vertikal orientiert war, wurde bei der Unterwasserfreisetzung zusätzlich eine horizontale Ausströmung, parallel zur Wasseroberfläche realisiert. Zur Bestimmung des Massenstromes, wurde ein Wägesystem unter dem Tankwagen eingesetzt. Spezielle Drucksensoren wurden verwendet, um die durch die Freisetzungsvorgänge erzeugten Stoßwellen sowohl im Wasser als auch in der Luft zu messen. Die Gaskonzentrationen über dem Wasserbecken wurden an verschiedenen Positionen gemessen. Hochgeschwindigkeits-, Infrarot- (IR) und normale Kameras wurden eingesetzt, um die Phänomenologie der Freisetzung aufzuzeichnen und das Verhalten der Gaswolke im Zeitverlauf zu verfolgen. Neben den fest installierten Systemen an Land, kamen auch Unterwasserkameras sowie eine Drohne mit Normal- und IR-Kameras zum Einsatz. Zwei Wetterstationen wurden zur Messung von Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit während aller durchgeführten Tests eingesetzt. Des Weiteren kamen Bolometer zur Wärmestrahlungsmessung zum Einsatz. Zwar führten die Freisetzung zu einer hochturbulenten LH2/Wasser Mischzone, jedoch zu keinen nennenswerten Überdrücken durch RPT. Im Gegensatz dazu wurde unerwartet, aber reproduzierbar, eine Zündung der Gaswolke in freier Luft in einiger Entfernung von den Instrumenten und dem Ort der Freisetzung beobachtet. Die daraus resultierenden Gaswolkenexplosionen führten zu relevanten Überdrücken und zur Wärmeabstrahlung in die Umgebung.
Bei Störfallauswirkungsbetrachtungen an Biogasanlagen muss das Versagen der Membranabdeckung des Fermenters untersucht werden.
Hierbei sind insbesondere Risse in derselben hinsichtlich des austretenden Massenstromes an Biogas zu bewerten, ebenso wie der durch eine Zündung resultierende Flammenstrahl. Zurzeit existieren für Membranabdeckungen jedoch keine Erkenntnisse zu realistischen Ausflussziffern für die Massenstromberechnung. Im Leitfaden KAS-32 wird für Störfallauswirkungsbetrachtungen für die Berechnung des austretenden Massenstromes eine Ausflussziffer von 1 und eine „Leckfläche" von 0,6 m2 vorgegeben. Die Anwendbarkeit verfügbarer Modelle zur Berechnung des Flammenstrahls ist bisher ebenso ungeklärt. Um diese Fragestellungen zu untersuchen, wurden in der BAM Versuche zur Bestimmung der Ausflussziffer, sowie der Zündung des austretenden Gases an einem 80 m3 Sack zur Speicherung von Biogas durchgeführt, der aus demselben Material besteht wie die in Biogasanlagen verwendeten Membranabdeckungen.
Bei Störfallauswirkungsbetrachtungen an Biogasanlagen muss das Versagen der Folienabdeckung der Gärbehälter untersucht werden.
Hierbei sind insbesondere Risse in derselben hinsichtlich des austretenden Massenstromes an Biogas zu bewerten, ebenso wie der durch eine Zündung resultierende Flammenstrahl. Zurzeit existieren für Biogasfolien keine Erkenntnisse zu realistischen Ausflussziffern für die Massenstromberechnung. Die Anwendbarkeit verfügbarer Modelle zur Berechnung der Wärmestrahlung ist ebenso bisher ungeklärt. Um diese Fragestellungen zu untersuchen, wurden in der BAM Versuche an einem 80 m3 Biogassack durchgeführt.
Large-scale experiments have been performed to investigate the possible consequences of realistic amounts of liquified hydrogen (LH2) encountering water. The experiments aimed at simulating an accidental release of LH2 during especially the fuelling of a ship. For liquified natural gas (LNG) it has been demonstrated that when spilled onto water the evaporation rate can be that high that physical explosions occur which are referred as rapid phase transitions (RPTs). It cannot be excluded that RPTs are also possible in the case of LH2. The tests were performed in a 10 m x 10 m x 1.5 m basin filled with water, at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Horstwalde, Germany within a research cooperation between BAM and Gexcon as part of
the SH2IFT program. LH2 releases were established releasing directly from a trailer carrying LH2 through a long flexible double vacuum insulated transfer line. The releases occurred from a height of 50 cm above and 30 cm under the water surface both pointing downwards and 30 cm under the water surface pointing along the water surface too. The release rate was determined based on the weight loss rate of the road tanker which was placed onto load cells. Special blast pressure sensors were used to measure the shock waves generated by the release processes both in the water and in the air. At several locations the gas concentration was measured. Heat radiation was measured at 3 distances from the point of release. High speed,
Infrared (IR) and normal cameras were used to record events and to follow the gas cloud behaviour in time. This includes cameras mounted on a UAV and underwater cameras. Two weather stations were used to measure wind speed, wind direction, temperature and humidity during all tests performed. All investigated release configurations resulted in a very chaotic LH2-water mixing zone, causing considerable evaporation but only minor over pressures.
The main phenomenon observed was an ignition of the released gas cloud, resulting in significant blast wave overpressures and heat radiation to the surroundings. The location of the ignition occurred in free air at some distance from the instrumentation and release location.
In einer Reihe von Experimenten wurden die möglichen Folgen der Freisetzung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) auf, bzw. unter Wasser untersucht. Die Experimente zielten darauf ab, eine unbeabsichtigte Freisetzung von LH2 (z.B. durch Schlauchabriss) insbesondere bei der Betankung eines Schiffes zu simulieren. Für verflüssigtes Erdgas (LNG) wurden dabei sog. RPT’s (rapid phase transition) nachgewiesen, bei denen die spontane Verdampfung relevante Druckwellen erzeugt. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass RPTs auch im Falle von LH2 möglich sind. Die Versuche wurden auf dem Testareal Wasserstoffsicherheit auf dem Testgelände Technische Sicherheit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM-TTS) in Horstwalde, im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen der BAM und Gexcon im Rahmen des SH2IFT-Programms durchgeführt. Die LH2-Freisetzungen erfolgten direkt aus einem LH2-Tanklastwagen über eine lange, flexible, vakuumisolierte Transferleitung. Während die Freisetzung oberhalb und unterhalb der Wasseroberfläche jeweils vertikal orientiert war, wurde bei der Unterwasserfreisetzung zusätzlich eine horizontale Ausströmung, parallel zur Wasseroberfläche realisiert. Zur Bestimmung des Massenstromes, wurde ein Wägesystem unter dem Tankwagen eingesetzt. Spezielle Drucksensoren wurden verwendet, um die durch die Freisetzungsvorgänge erzeugten Stoßwellen sowohl im Wasser als auch in der Luft zu messen. Die Gaskonzentrationen über dem Wasserbecken wurden an verschiedenen Positionen gemessen. Hochgeschwindigkeits-, Infrarot- (IR) und normale Kameras wurden eingesetzt, um die Phänomenologie der Freisetzung aufzuzeichnen und das Verhalten der Gaswolke im Zeitverlauf zu verfolgen. Neben den fest installierten Systemen an Land, kamen auch Unterwasserkameras sowie eine Drohne mit Normal- und IR-Kameras zum Einsatz.
Zwei Wetterstationen wurden zur Messung von Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit während aller durchgeführten Tests eingesetzt. Des Weiteren kamen Bolometer zur Wärmestrahlungsmessung zum Einsatz. Zwar führten die Freisetzung zu einer hochturbulenten LH2/Wasser Mischzone, jedoch zu keinen nennenswerten Überdrücken durch RPT. Im Gegensatz dazu wurde unerwartet, aber reproduzierbar, eine Zündung der Gaswolke in freier Luft in einiger Entfernung von den Instrumenten und dem Ort der Freisetzung beobachtet. Die daraus resultierenden Gaswolkenexplosionen führten zu relevanten Überdrücken und zur Wärmeabstrahlung in die Umgebung.
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.
Hazardous substances with a boiling point close to ambient temperatures will evaporate at higher vapour pressures, so that the evaporation takes places in the smooth transition between the evaporation at boiling point and below boiling point, representing the transition between two different physical phenomena. Whilst the evaporation at boiling point is driven by the available heat flux, the evaporation below boiling point is driven by the concentration gradient between the pool surface and the ambient air. Available evaporation models usually focused on the correct description of the mass transfer coefficient for temperatures below boiling point. A formulation of the correct equation for the mass flow is rarely documented. Whilst the mass transfer coefficient formulation is more or less equivalent in most models, the main difference occurs in the formulation of the mass flow equation. In Fact two types of models can be identified: the models with a linear pressure term and the models with a logarithmic pressure term. Whilst the logarithmic formulations result in an infinite mass flow near boiling point, which is not plausible, the linear formulations reach (different) finite values. Due to a lack of published experimental data it was not possible to determine whether the linear approach is conservative, under predicting or more or less accurate close to the boiling point. To evaluate the accuracy of each type of formulation, test series on liquid pools have been carried out at BAM for substances like Water, Ethanol, Cyclohexane, and Acetone. The tests were done under ambient conditions with a heatable, 90 cm diameter pool, so that the vapour pressures investigated ranged from 0 to close to 1 bar. The experimental data showed that neither of the linear nor the logarithmic formulation of the evaporation models is able to predict correctly the mass flow close to the boiling point. The logarithmic approach heavily over predicts the mass flow, while the linear approach is not conservative anymore when the vapour pressure exceeds 0.7 bar.
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.
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.