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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.
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.
Instationäre Berechnung der Lachenverdunstung und -verdampfung mittels eines Grenzschichtverfahrens
(2008)
In this work, results of numerical simulations and experimental investigations of the mass flow from evaporating liquid pools are presented. Numerical simulations are based on the boundary layer equations combined with an algebraic turbulence model. The experiments were carried out on open air test sites within flat and very rough topographies, at different temperatures with ethanol and cyclohexane as the evaporating liquids. An experimental investigation of the influence of the topography on the evaporation of a liquid pool is conducted. The results of the simulation are validated against experimental data from the open air experiments. Furthermore, a comparison of the simulation results with empirical prediction models has been made.
Aufgrund gestiegener Rechnerleistung finden heutzutage
numerische Strömungssimulationen aus dem
Bereich der CFD (Computational Fluid Dynamics)
immer mehr Eingang in die Sicherheitstechnik.
Bisherige Berechnungsverfahren zur Schwergasausbreitung
basieren zum Teil auf empirischen
Annahmen und sind in ihrem Anwendungsbereich
eingeschränkt. Die zugrunde liegenden Formeln
und Theorien erlauben außerdem meist nur
eindimensionale Aussagen bezüglich der Konzentrationsverteilung
in der Umgebung. Anhand von
Literaturdaten und eigenen Freifeldversuchen zur
Schwergasausbreitung soll die Leistungsfähigkeit
von CFD-Berechnungen hinsichtlich ihres Kosten/
Nutzen-Verhältnisses sowie im Vergleich zu herkömmlichen
Modellen bewertet werden. Während
die eigenen Freifeldversuche hauptsächlich zur
Validierung der numerischen Simulationen dienen,
können anhand der in der Literatur veröffentlichten
Daten Vergleiche mit z. B. der VDI-Richtlinie 3783,
Blatt 2 durchgeführt werden.
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.
Betreiber, deren Betriebsbereiche den erweiterten Pflichten der Störfall-Verordnung unterliegen, müssen einen Sicherheitsbericht anfertigen, in dem Szenarien möglicher Störfälle beschrieben sind. Im Rahmen dieser Störfallauswirkungsbetrachtungen sind auch oftmals Szenarien zu untersuchen, bei denen Flüssigkeiten freigesetzt werden. Der Verdunstungsmassenstrom aus der Flüssigkeitslache ist der maßgebliche Eingangsparameter für die Gasausbreitungsberechnung mit der die Gefährdungsradien ermittelt werden. Für die Berechnung des Verdunstungsmassenstroms werden meist empirische Modelle eingesetzt. Anhand von experimentellen Daten aus eigenen Freilandversuchen werden die Leistungsfähigkeit sowie die Grenzen des Anwendungsbereichs diverser bekannter Modelle untersucht.
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.
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.