2.1 Sicherheit von Energieträgern
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In industrial applications, the effects of explosions must be considered as important part of safety assessments. This is particularly crucial in applications involving explosives or pressurized containers. The evaluation of the effects of shock waves on the environment becomes essential in such scenarios and requires comprehensive experimental test series.
This article therefore presents a test bench that can generate and record reproducible, adjustable shock waves with short set-up times. The presented data proves the quality and validity of this set-up to generate case relevant data, like overpressure in comparison to explosives and shock tubes, with load cases of high relevance.
The presented free-field tests are carried out at BAM's Test Site Technical Safety (TTS) with a gas-operated shock wave generator. This shock wave generator consists of a pressure vessel (autoclave) that is operated with a detonable gas mixture or compressed air. The pressure is released through an orifice by the instantaneous bursting of a diaphragm.
The aim is to develop further the novel test bench that generates shock waves on models in a generic scenario and offers several advantages to create a valid database for the effects of shock waves.
In contrast to classic shock tubes, this test bench offers the advantage of realistic hemispherical shock wave propagation and scalability, both for the investigated model size and for the generation of load cases, so that different model variables can be investigated under different boundary conditions (mainly overpressure); at the same time, typical interference of a shock tube experiment due to reflections, blockage effects and the following fluid flow can be minimized. These negative influences are not realistic compared to the ideal event of a detonation.
Im November 2019 wurde der Entwurf der VDI-Richtlinie 3783 Blatt 1 „Ausbreitung von störungsbedingten Freisetzungen“ als Gründruck veröffentlicht.
Neben den Einsprüchen zur Richtlinie in Bezug auf unklare Formulierungen, wurde oft das Fehlen eines Referenzprogramms, als auch die Abkehr vom etablierten Gauß-Wolken-Modell bemängelt.
Im Rahmen der darauffolgenden Überarbeitung des Richtlinienentwurfs wurde ein Gauß-Wolken-Modell entwickelt, das mit einem geringen Rechenaufwand in einem begrenzten Anwendungsbereich mit dem Lagrange’schen Partikelmodell vergleichbare Berechnungsergebnisse liefert.
Darüber hinaus wurden Empfehlungen zur praktischen Umsetzung von Szenarien in den neuen Richtlinienentwurf, der voraussichtlich im Oktober 2024 als Gründruck vorliegt, aufgenommen.
Die Gefährdungen durch die Freisetzung von Gasen und Dämpfen infolge der Ableitung über Ausbläser aus Sicherheitsventilen, Prozess-Berstscheiben, Entlüftungs- und Entspannungsleitungen sind in einer Gefährdungsbeurteilung zu bewerten. Freisetzungen aus Druckanlagen können nach TRBS 2141 beurteilt werden.
In der Fachbereich AKTUELL werden verschiedene Methoden mit ihren benötigten Eingangsdaten und Anwendungsgrenzen zur Beurteilung der Gefahren an Ausbläsern für brennbare Gase vorgestellt, um den Anwendern und Prüfern von solchen Anlagen eine Hilfestellung bei der Bewertung und Beurteilung möglicher Gefahren an den prozessbedingten Stoffauslässen ins Freie zu geben.
The presentation is divided into two parts. The first part is about the influence of the oxygen content to results testing the oxygen compatibility. BAM performed tests with several nonmetallic sealing materials such as PTFE, PA 6.6, and EPDM with different oxygen contents between 21 Vol% and pure oxygen. Using the standardized oxygen pressure surge tester, the results have shown, that even a small increase in the oxygen content above 21% in air is associated with a significant reduction on the maximum test pressure at which no reaction of the material occurs. Using the standardized tester to determine the autogenous ignition temperature of the materials in oxygen, the results have shown, that even a small increase in the oxygen content above 21% in air is associated with a significant reduction on the autogenous ignition temperature at which the material shows self-ignition without an additional ignition source. The second part of the presentation is about the oxygen endurance test according to DIN EN ISO 10297, which is generally performed with air or with nitrogen. However, BAM performed this test with oxygen. In some cases, different test results were found: Valves failed the endurance test with oxygen but passed the endurance test with air. Based on the results with different oxygen content and with the oxygen endurance tester, it is unclear, why materials and valves for oxygen are still not consistently tested with oxygen.
An understanding of Hydrogen-Oxygen/Air-Diluents gas mixtures combustion characteristics and their accurate prediction is crucial for ensuring the safety of hydrogen-related applications, reducing accidents risk, and protecting lives and property. Hydrogen detonation propagations are characterized by the detonation cell size, used to quantitatively predict for a mixture to detonate including, among others, the initiation energy, critical and minimum tube diameters. For the prediction of explosion limits, detonation run-up-distances and cell sizes, various empirical, semi-empirical and numerical models can be found in literature. These models are usually limited to a narrow range of explosion process or geometrical experimental parameters. Moreover, based on the limited availability of the detonation cell widths measurements, current estimation models are seemingly inaccurate. Machine learning models can be utilized to make justifiable prediction on the detonation cell sizes of hydrogen-air mixtures and other gaseous explosive mixtures cell sizes, explosion limits or run-up distance to detonation based on the mixture type, temperature, pressure, equivalence ratios as well as on geometrical parameters with consideration of highly diverse experimental data measurements uncertainties. Therefore, an up-to date database for explosion characteristics will be established and machine learning models will be developed, trained, tested, and validated using experimental data to predict explosion characteristics of hydrogen mixtures. The models predicted results will be validated against existing models. It will be tested whether machine learning models are able to predict the explosion characteristics of hydrogen mixtures with better accuracy and more comprehensively than conventional empirical and numerical models to be found in literature.
The Jack Rabbit II (JR II) chlorine field trials in 2015 and 2016 involved nine 5–20 ton releases of pressurized liquefied chlorine from a tank mounted 1 m above a broad flat desert sand surface. A model comparison study was initiated, where 17 widely-used dense-gas dispersion models were run by scientists in seven countries. Predictions were submitted following specified formats, using specified emissions and meteorology inputs. To compare with the model predictions, sets of observations were defined for the arc-maximum 1–3 s averaged concentrations (arc max C) and for cloud widths and heights (to 20 ppm and 200 ppm contours) at distances from 0.2 to 11.0 km from the release. The initial focus is on the three field trials (1, 6, and 7) that have the highest observed concentrations and that have detailed emissions information. It is found that these models are able to satisfactorily simulate (generally within a factor of two) the observed arc max C's and their variation with downwind distance at this flat desert site. At each downwind distance, the scatter in the arc max C predictions covers about 1 ½ orders of magnitude, but the observed arc max C is within the range of the predictions. The median of the cloud width predictions is about 50% larger than the observed value for the three trials. The median of the cloud height predictions is within about 10% of the observed value. For both cloud width and/or height, there are a few models with large (factor of 3 or higher) overpredictions. Of the 17 models, when compared to observations, there is a core group of 5 or 6 with consistently (across all three trials and all distances) less mean error and scatter in their predictions of arc max C and cloud width and height. However, as a group, the 17 models are performing adequately (using the “factor of two” rule of thumb). An important caveat is that, at the JR II desert site, chlorine deposition is minimal. At a site with vegetation and/or organic-rich soil, the effects of removal of chlorine by deposition are expected to be significant.
Der Arbeitsschwerpunkt „Sauerstoff“ des Fachbereichs 2.1 ist v.a. durch seine wissenschaftlich-technischen Tätigkeiten und seine Einnahmen aus Dienstleistungsvorgängen geprägt und bekannt. Die Durchführung standardisierter und nichtstandardisierter Prüfungen zur Untersuchung der Eignung nichtmetallischer Materialien sowie die Prüfung auf Ausbrennsicherheit von Armaturen und Anlagenteilen für den Einsatz in Sauerstoff stellen einen Großteil der Tätigkeiten und Arbeiten dar. Weit weniger bekannt sind die Forschungsaktivitäten des Arbeitsschwerpunkts, von denen drei Beispiele in diesem Vortrag kurz vorgestellt werden:
Die in Normen für Druckstoßprüfungen festgelegte Sauerstofftemperatur beträgt bei den nichtmetallischen Materialien 60 °C, bei den Armaturen aber 65 °C. Seit mehr als zwei Jahren werden nunmehr systematische Untersuchungen durchgeführt, ob dieser Temperaturunterschied zu signifikanten Unterschieden bei den Prüfergebnissen der nichtmetallischen Materialien führt. Ziel ist es, einerseits den Prüfaufwand zu optimieren und andererseits die entsprechenden Normen zu harmonisieren.
Es ist bekannt, dass Bearbeitungsverfahren, Probenvorbereitung und Vorkonditionierung einen Einfluss auf die Eignung nichtmetallischer Materialien für den Einsatz in Sauerstoff haben können. Anhand einer Charge eines Referenzmaterials werden diese möglichen Einflussfaktoren in Kooperation mit industriellen Partnern systematisch untersucht. Ziel hierbei ist es, unterschiedliche Prüfergebnisse einer Materialcharge zu erklären, die kritischsten Prüfbedingungen herauszufinden und Möglichkeiten der Übertragbarkeit von Prüfergebnissen auszuloten.
Wasserstoff gilt als zukunftsweisender Energieträger, der bei der Elektrolyse von Wasser anfallende Sauerstoff soll dabei ebenfalls genutzt werden. Die Anforderungen an die eingesetzten Materialien (Kombination aus niedrigem Druck, hohem Wasserdampfanteil im Sauerstoff und hoher Temperatur) führen dazu, dass bestehende und bewährte Prüfeinrichtungen modifiziert werden müssen. Im Rahmen BAM-interner Forschungsvorhaben und mit Unterstützung industrieller Partner wurde damit begonnen, die Zündtemperaturbestimmung sowie die Untersuchung des Alterungsverhaltens nichtmetallischer Materialien in Wasserdampf-gesättigtem Sauerstoff zu untersuchen
Nichtelektrischer Explosionsschutz - Grundlagen und Maßnahmen zum nichtelektrischen Explosionsschutz
(2024)
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß 2014/34/EU muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden. Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei mechanischen Schlagvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes zweier Werkstücke bzw. Bauteile zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen (Zündquelle "heiße Oberflächen") als auch die abgetrennten Partikel (Zündquelle "mechanisch erzeugte Funken") können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm DIN EN ISO 80079-36:2016 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Weitere Festlegungen von Grenzwerten für die kinetische Schlagenergie und geeignete Werkstoffpaarungen finden sich u.a. in der DIN EN 1755 (ex-geschützte Flurförderzeuge) und in der DIN EN 14986 (ex-geschützte Ventilatoren).
Soybean oil takes around half of the vegetable oil resources in the world, increasing in importance constantly. Besides, soy oil plants have experienced numerous accidents due to the coexistence of soy flour and hexane (as a solvent) in the extraction process, thus creating a hazardous environment. This study aims to find the maximum pressure, the maximum rate of pressure rise, and the minimum ignition energy of soy flour−hexane mixtures through specific experiments by varying the concentration of fuels in air and ignition mechanism (chemical igniters or exploding wires). The results have shown that soy flour alone is hard to ignite, whereas adding hexane even in small amounts increases the hazard and the severity of the explosions considerably. Eventually, the substitution of hexane with a greener and safer extraction agent should be of utmost focus.