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Organisationseinheit der BAM
Regelmäßig werden Einsatzkräfte der Feuerwehr bei Brandeinsätzen mit brand- bzw. wärmebeaufschlagten Druckgasbehältern konfrontiert. Aufgrund ihrer großen Verbreitung handelt es sich dabei oftmals um Propan- oder Acetylengasflaschen. Propangasflaschen mit Füllmengen bis 33 Kilogramm sind in flächendeckender Verwendung zum Beispiel in Handwerksbetrieben, Produktionsbereichen, Baustellen und Restaurants, werden aber oftmals auch zum Heizen und Kochen im Privatbereich verwendet. Acetylengasflaschen sind in Verbindung mit entsprechenden Sauerstoffbehältern ebenso in Werkstätten, gewerblichen Anlagen und auf Baustellen zum Autogenschweißen und thermischen Trennen in vielfacher Verwendung. Beide Arten von Druckgasbehältern sind darüber hinaus auch im Straßenverkehr als Gefahrgut und in kleineren Mengen auch als private Fracht anzutreffen. Die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) hat zusammen mit weiteren Experten als Hilfestellung und aufgrund neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse zwei DGUV-Informationen für Einsatzkräfte zum Umgang mit wärmebeaufschlagten Druckgasbehältern erstellt.
Die BAM hat zum Verhalten von Acetylen- und Propangasflaschen bei einer Vollunterfeuerung umfangreiche Versuchsreihen zur Auswirkungsbetrachtung des Behälterversagens auf dem TTS durchgeführt. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern entstanden zwei Merkblätter mit praktischen Hinweisen für Einsatzkräfte, die die aktuellen Forschungsarbeiten der BAM berücksichtigen.
Es wurden Druckentlastungsvorgänge in einem 5 m³ Autoklav mit einem L/D-Verhältnis von 1,14 nach der Zündung von Methan-Luft-Gemischen untersucht. Schwerpunkt der Arbeit war die Bestimmung der Explosionsdrücke, der zeitlichen Druckanstiege bzw. der KG-Werte und der reduzierten Explosionsdrücke in Abhängigkeit der Methankonzentration. Im geschlossenen Behälter wurden die Explosionsdrücke und zeitlichen Druckanstiege für Methan-Luft-Gemische mit Methankonzentrationen von 5,9 Vol-% bis 13,5 Vol-% ermittelt. Die Ergebnisse zeigen gute Übereinstimmung mit den Literaturwerten. Weiter wurden Druckentlastungsversuche mit einer kreisrunden Entlastungsfläche von 0,011 m² und einer Druckentlastungsfolie mit einem statischen Ansprechdruck von 1,94 bar durchgeführt. Hierbei wurden Gemische mit Methankonzentrationen von 5,9 Vol-% bis 14,3 Vol-% untersucht. Dabei zeigte sich, dass die vergleichsweise kleine Entlastungsfläche nur dann zu reduzierten Explosionsdrücken gleich dem statischen Ansprechdruck der Berstfolie führte, wenn die Methankonzentration ≤ 5,9 Vol-% oder ≥ 14,0 Vol-% betrug. Bei allen anderen untersuchten Methankonzentrationen führten die durch die Druckentlastung induzierten Turbulenzen zu einer Beschleunigung der Verbrennungsreaktion und zu Explosionsdrücken vergleichbar denen im geschlossenen Behälter.
Determination of deflagration venting requirements in chemical/process plants is usually carried out using well established standards employing an empirically based formula. However, this formula is shown to have severe shortcomings, especially in the range of low KG-values, where either negative or inconceivably large venting areas can be predicted. Due to these shortcomings a method has been developed using the efflux function for gases as a basis to predict the mass flow through a vent opening in a vessel during an internal explosion. The simulated rise in pressure due to the internal explosion is quantitatively determined from the KG-value, with the mass flow through the vent opening in the vessel resulting from the pressure difference between the vessel and its surroundings. This enables the maximum overpressure as a function of the pressure relief surface area to be predicted. The method takes into account the temperature of the efflux gases and turbulence enhancement brought about by the venting process. In the following paper explosion pressure relief experiments are described and the results from these experiments are compared to predictions from the efflux method. It is shown that by adjusting the assumed turbulence which evolves during the venting process, the reduced explosion pressure can be reasonably well reproduced.
Preventing the explosion of acetylene cylinders involved in fire with help of numerical modeling
(2012)
The current paper describes a mathematical model, which was developed to simulate the heat transfer in acetylene cylinders during exposure to a fire. The cases of a direct engulfment of the cylinder in the flames and of exposure to a distant fire were considered. Furthermore, the model was also applied to the prediction of the heat transfer during the cooling with water of heated acetylene cylinders, in order to assess the effectiveness of this procedure as a measure to prevent the burst of the cylinder. To provide data for the definition and validation of the model a total of 13 bonfire tests with 8.9-, 10- and 50-dm³-cylinders were performed, where pressure and temperature measurements in the samples were performed. During 5 experiments the fire was extinguished before the expected cylinder burst and a cooling with water was applied. In the paper a short description of the experimental set-up and of the test results is given. Finally, a comparison with the model predictions is provided, showing reasonable agreement.
Acetylenflaschen im Feuer
(2012)
Acetylen ist eines der wichtigsten technischen Gase und findet insbesondere Anwendung beim Schweißen und Schneiden verschiedener Werkstoffe. Damit Acetylen in entsprechenden Mengen vor Ort zur Verfügung gestellt werden kann, wird es in Druckgasbehälter abgefüllt. Im Falle eines Brandes stehen Acetylenflaschen im Verdacht, jederzeit – auch nach Löschen des Feuers – aufgrund einer möglicherweise initiierten Zerfallsreaktion zu bersten. Um insbesondere Personenschäden zu vermeiden, evakuieren und sperren die Rettungskräfte einen Sicherheitsbereich mit einem Radius von mindestens 200 m um die verdächtige Flasche ab. Gleichzeitig wird umgehend mit der Kühlung der Flasche begonnen. Wie lange muss aber eine Acetylenflasche gekühlt werden, bis sie sicher abtransportiert werden kann, und wie lange muss der Sicherheitsbereich mit dem großen Radius aufrecht erhalten werden? Diesen Fragen ist die BAM in den vergangenen Jahren im Rahmen verschiedener Untersuchungen und Projekte nachgegangen.
Prevention of the explosion of acetylene cylinders involved in fire: experiments and simulations
(2011)
In order to assess the effectiveness of water cooling of acetylene cylinders involved in fire, a total of 13 bonfire tests with 8.9-, 10
and 50-l-cylinders were performed. During the experiments the pressure
in the cylinder and the temperature at different locations within the porous material and on the Shell surface as well as the flame temperature were measured. Overall 8 burst tests were performed, in order to determine the times to explosion for the cylinders. Cylinders failed not later than 15 minutes from the ignition of the bonfire, often with generation of a fireball. During the other 5 tests, the fire was extinguished before the expected burst and the cylinder was cooled with water. In 2 of the 5 extinction experiments, the explosion of the cylinder could be prevented. Noticeably, in one case the on-set of the decomposition of acetylene had already been observed, before the cooling was started. In spite of that, the cooling was still effective. The interpretation of the current results and of the data from previous tests with 40-l-cylinder suggests that single acetylene cylinders involved in fire might be saved by cooling, if their pressure does not exceed a value of about 45 bara. The recorded values of pressure and temperature were used to develop and validate a mathematical model for the prediction of the heat transfer in acetylene cylinders during the exposure to fire and the afterward cooling. The predictions agreed well with the experimental results.
Ein entscheidendes Problem neuer Wasserstofftechnologien ist die leichte und sichere Lagerung ausreichender Mengen an Wasserstoff insbesondere für Nutzung bei tragbaren oder mobilen Anwendungen. Eine neue und innovative Technologie basierend auf gebündelte Kapillaren wurde entwickelt. Diese Systeme garantieren eine sichere Speicherung, Lagerung und kontrollierte Freisetzung von Wasserstoff, obgleich Speicherdrücke bis 1200 bar angewendet werden. Die neue Technologie ermöglicht die Lagerung einer erheblich größeren Menge Wasserstoff als andere Systeme und übertraf bereits die Zielsetzung des DOE 2010. Es wird erwartet, die DOE-Zielsetzung für das Jahr 2015 bereits in naher Zukunft zu erreichen. Hauptaspekt für die Speichertechnologie ist die Druckfestigkeit der Glaskapillaren. Es ist weithin bekannt, dass besonders Quarz eine dreimal höhere Festigkeit als Stahl hat. Gleichzeitig ist die Dichte ungefähr dreimal niedriger, was bedeutet, dass viel weniger Material notwendig ist, um die gleiche Druckfestigkeit zu erreichen. Die Druckfestigkeit einzelner Kapillare ist in der Abhängigkeit der Materialien, der Abmessungen, der Wandstärke etc. ermittelt worden, um optimale Parameter für die "finalen" Kapillaren herauszufinden.
In this paper two different approaches for predicting the heating-up of an acetylene cylinder involved in a fire and the afterward cooling with water are presented. In the simulations polynomial functions were used to describe the temperature dependency of the thermal properties of the cylinder interior, which is a complex system composed by a solid porous material, a solvent (typically acetone) and acetylene dissolved in it. Model equations covered heat conduction in the cylinder interior and at its walls. In the first approach the cylinder surroundings were simulated as a further domain constituted by CO2, during the fire exposure, and for water, during the cooling. In this domain the coupled heat transfer (convection and conduction) and the momentum equation (Navier-Stokes) were solved. In the second approach no further domain was considered but boundary conditions were set directly on the cylinder walls. Results of the calculations performed with both approaches are presented. This work could prove helpful in predicting to which extent the interior of an acetylene cylinder exposed to fire reaches temperatures capable of initiating the decomposition of acetylene and to determine how long a water cooling should be applied, so that the system is brought again under non-critical conditions.