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Data and prediction for the mass burning rate of a tert-butyl-peroxy-benzoat (TBPB) pool fire (pool diameter = 3 m) is presented. The mass burning rates of TBPB fires are up to six times higher and less dependent on pool diameter compared to hydrocarbon pool fires caused by an additional heat release rate due to exothermic decomposition reaction in the liquid phase. This heat release rate is calculated using a 1st order reaction kinetic obtained from micro calorimetric measurements. A new model is derived considering the heat release rate due to the decomposition reaction which is shown to be 100 % of the heat release rate radiated to the pool surface. With the presented model, including also physical quantities, especially the limiting fuel concentration for upward flame propagation, it is possible to predict the mass burning rates of large TBPB pool fires. The predicted values are in very good agreement with the experiments.
Limiting Distance for Flame Merging of Multiple n-Heptane and Di-tert-Butyl Peroxide Pool Fires
(2013)
Data and predictions for the mass burning rates of di-tert-butyl peroxide (DTBP) pool fires (0.003 m < pool diameter < 3 m) are presented. The mass burning rates of DTBP fires are up to five times higher and are less dependent on pool diameter compared to hydrocarbon pool fires caused by an additional heat release rate due to exothermic decomposition reaction in the liquid phase. This heat release rate is calculated using a first-order reaction kinetic obtained from microcalorimetric measurements. A new model is derived considering the heat release rate due to the decomposition reaction, which is shown to be 40% of the heat release rate radiated to the pool surface. With the presented model, which also includes physical quantities, especially the limiting fuel concentration for upward flame propagation, it is possible to predict the mass burning rates of large DTBP pool fires. The predicted values are in very good agreement with the experiments.
Es werden Experimente zur Bestimmung der Massenabbrandraten von multiplen Poolfeuern präsentiert. Als Modellsubstanzen dienen n-Heptan und Di-tert-butylperoxid (DTBP). Es werden Versuche im Labormaßstab mit Durchmessern von d = 6 cm und relativen Abständen von 0.08 ≤ D/d ≤ 4 beschrieben und durch Feldversuche mit Pooldurchmessern d = 1.5 m und relativen Abständen zwischen den Pool von 0.17 ≤ D/d ≤ 1 ergänzt. Es kann gezeigt werden, dass die Massenabbrandraten multipler Feuer im Vergleich zu Einzelfeuern mit gleicher Brennstoffoberfläche bis zu einem Faktor 5.9 (n-Heptan) und 1.6 (DTBP) erhöht sind. Die Erhöhung ist abhängig vom relativen Abstand zwischen den Pools D, der Anzahl der Pools N und vom jeweiligen Brennstoff und zeigt ein lokales Maximum, welches mit dem Merging-Bereich der Flammenverschmelzung zusammenfällt. Die Massenabbrandrate als Funktion des relativen Abstandes zwischen den Pools kann durch eine Vergrößerung der Flammenbodenoberfläche infolge Flammenverschmelzung erklärt werden.
Limiting distances for flame merging of multiple n-heptane and di-tert-butyl peroxide pool fires
(2013)
Experiments to determine the limiting distances for flame merging of multiple pool fires are presented. As model substances n-heptane and di-tert-butyl peroxide are used. Laboratory scale tests with a Diameter d = 6 cm and relative distances between the pools of 0.08 ≤ D/d ≤ 4 are described and complemented with field experiments with a diameter d = 1.5 m and relative distances between the pools of 0.17 ≤ D/d ≤ 1.
Three regions for flame merging are observed and limiting distances are determined. A merging Region with the limiting distance Dmerg/d within which all flames merge together over the complete burning time. A transition region with the limiting distance Dtran/d within which some flames merge together while other flames are separated from each other. A separated region within which all flames are completely separated from each other. A correlation against the number of burning pools is presented to predict the limiting distances Dmerg/d und Dtran/d.
Flame temperature (T), surface emissive power (SEP) of Liquefied Natural Gas (LNG) pool fires (d = 1 m, 6.1 m, 30 m) are investigated by CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation and compared with experimental results.
Time averaged flame temperatures of T = 1320 K, T = 1298 K and T = 1281 K are obtained. Surface emissive power (SEP) of 55 kW=m2, 130 kW=m2 and 230 kW=m2 are predicted.
Pool fires and spill fires
(2012)
The flame temperatures T of a multiple n-heptane pool fire d = 6 cm, N = 5, D/d = 0.33 are measured with type S thermocouples and predicted with Large Eddy Simulation (LES) and an assumed pdf-approach containing a detailed kinetic with 112 species and 800 elementary reactions. Multiple pool fires show higher flame temperatures up to ≈ 200 K in comparison to single pool fires. CFD simulation is in good agreement with the experimental results and a validation is performed. It can be shown that multiple fires have an enhanced air-entrainment leading to an increased formation of OH radicals and consequently to the observed higher flame temperatures.
In verfahrenstechnischen Anlagen kann es während des Umgangs, des Transports und der Lagerung durch Freisetzung und anschliesender Zündung von brennbaren Flüssigkeiten zu Lachen-, Pool- oder Tankfeuern kommen. Die sich ausbildenden Feuer konnen große Schäden an benachbarten verfahrenstechnischen Anlagen und Personen verursachen. Im Unterschied zu Einzelfeuern sind multiple Pool- und Tankfeuer aufgrund ihrer Wechselwirkungseffekte sicherheitstechnisch von besonderer Bedeutung. Mit Di-tert-butyl-peroxid (DTBP) und n-Heptan als Leitsubstanzen werden Labor- und Feldexperimente (d ≤ 1.5 m) mit wechselwirkenden Poolflammen (N ≤ 9) in einer Matrixanordnung bei relativen horizontalen Abständen D/d zwischen den Pools im Bereich 0.16 ≤ D/d ≤ 4 durchgeführt.
Die Phänomene der Flammenverschmelzung (Flammenfusion) in Abhängigkeit vom Poolabstand D/d werden experimentell untersucht und modelliert.
Computational fluid dynamics (CFD) simulation is used to predict transient and time-averaged glame temperatures and species concentrations of an n-hexane pool flame. Employing a combination of an assumed probability density function approach with laminar flamelets using detailed kinetic data and large-eddy simulation with Smagorinsky submodel is shown to be a promising way in modeling pool and tank fires. The measured species concentration and flame temperature profiles from gas chromatography, thermocouple measurements and holographic interferometry are used to validate the submodels for CFD simulation of pool flames.
Massenabbrandraten organischer Peroxide unter besonderer Berücksichtigung der thermischen Stabilität
(2013)
Die Flüssigkeitstemperatur Temperatur in der flüssigen Phase unmittelbar im Grenzbereich zur Gasphase während eines Abbrandes organischer Peroxide überschreitet die Onset-Temperatur der beginnenden exothermen Zersetzungsreaktion des Peroxids, so dass diese zu berücksichtigen ist. Für die Peroxide Di-tert-butyl-Peroxid (DTBP) und tert-butyl-peroxybenzoat (TBPB) muss daher bei der Berechnung des Wärmerückstromes ein zusätzlicher Term für die Zersetzung in der Flüssigkeit additiv ergänzt werden. Der Umsatz der Zersetzungsreaktion wird unter den Bedingungen eines CSTR modelliert und erfolgt auf Basis einer Reaktionskinetik 1. Ordnung. Es kann gezeigt werden, dass der Wärmestrom in einem DTBP-Poolfeuer ≈ 40 % und einem TBPB-Poolfeuer ≈ 100 % des Wärmerückstromes durch Wärmestrahlung entspricht. Durch Q-Punkt-d können die vergleichsweise hohen Massenabbrandraten und die relative Unabhängigkeit der Massenabbrandraten vom Pooldurchmesser erklärt werden. Über eine Energiebilanz wird ein Modell basierend auf physikalischen Parametern entwickelt, das die Massenabbrandraten großer Poolfeuer, in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, vorhersagt.
Mechanical drop test scenarios for Type B (U) packages according to the IAEA regulations have to be carried out onto the so-called “unyielding target” (usually with cask impact limiters) and onto the puncture bar respectively. They are predefined and do not require any further investigation of scenarios that really could happen on transportation routes. Cask accident scenarios in the framework of approval procedures for interim storage sites are derived from a detailed analysis of the handling procedures necessary from arrival of cask at the site to its storing position.
In that case, casks are usually handled without impact limiters. Dependent on possible drop heights, drop positions and floor properties, conservative cask accident scenarios are derived for further safety proofs. According to the mechanical assessment concept of the considered approval procedure numerical calculations have to be provided by the applicant to demonstrate mechanical cask safety. Stresses and strains in the cask body as well as in the lid System have to be identified and assessed. Using the example of a 3-mvertical-drop of a transport and storage cask for spent fuel elements onto the floor construction made of damping concrete covered by screed, BAM developed a finite element model. The finite element code ABAQUS/Explicit™ was used. Results of experimental investigations are not available. Therefore parameter studies are necessary to identify the sensitivity of the finite element model to significant Parameters and to verify the finite element models according to the requirements of the Guidelines for the Numerical Safety Analyses for the Approval of Transport and Storage Casks for Radioactive Materials (BAM GGR-008). The paper describes the modeling of the material behavior and attachment of bottom side cask components. Questions concerning the modeling of a crack length limiting reinforcement in the screed layer are discussed. The influence of the mesh density of the screed layer and its strength is considered as well. Finally, the developed finite element model can be used for a numerical safety assessment. It can help to understand the complex mechanisms of the interaction between the cask components and floor construction.
Die Bedeutung von Flüssigerdgas (LNG, liquefied natural gas) ist durch die Erschließung entfernt liegender Resourcen und den damit verbundenen Transportwegen sowie durch die verbesserte Prozesstechnik bei der Verflüssigung (z.B. Mixed Fluid Cascade (MFC®) Verflüssigungsprozess) weltweit gestiegen. In den letzten Jahren sind zahlreiche neue Großanlagen wie die in Kollsnes, Hammerfest (beide Norwegen 2003, 2007), Kwinana (Australien 2008) und Shan Shan (China,
2004) mit Kapazitäten von bis 4.7 Mt/a entstanden. Das Gefährdungspotential von flüssigem Erdgas besteht neben dem niedrigen Siedepunkt Tb = −161 °C im Zündbereich zwischen 4.4 - 17 Vol.% sowie im großen Expansionsverhältnis. Bei einer störungsbedingten Freisetzung von LNG kann es somit zu Poolfeuer kommen, wodurch mit großem Schaden an benachbarten verfahrenstechnischen Anlagen und vor allem an Personen zu rechnen ist.