Test stand at the BAM TTS, size of test rig 18 m x 5 m x 4 m (Length x Width x Height)
Quelle: BAM
Für industrielle Anwendungen mit Wasserstoff ist die Festlegung von Sicherheitsabständen und die Bewertung möglicher Gefahren, die von Freisetzungen ausgehen, zwingend erforderlich. Da Wasserstoff in der Regel unter Druck gelagert und transportiert wird, ist ein zu berücksichtigendes Szenario die impulsbehaftete Freisetzung von Wasserstoff aus einer Leckage oder eines Sicherheitsventils/Ausblaseleitung mit anschließender Zündung. Bei diesem Szenario muss die von der entstehenden Freistrahlflamme ausgehende Wärmestrahlung auf die Umgebung bestimmt werden, um Sicherheitsabstände festzulegen. Für Kohlenwasserstoffflammen stehen verschiedene Freistrahlflammenmodelle zur Gefährdungsbeurteilung zur Verfügung. Da sich die Verbrennung von Wasserstoff und von Kohlenwasserstoffen unterscheiden, muss geprüft werden, ob diese Modelle auch für Wasserstofffreistrahlflammen anwendbar sind. Um die Genauigkeit dieser Modelle für Wasserstoffstrahlflammen zu bewerten, wurden auf dem BAM-Testgelände für Technische Sicherheit (BAM-TTS) Versuche im Großmaßstab durchgeführt. Dabei wurden die Flammengeometrie und die Wärmestrahlung an definierten Stellen in der Umgebung für unterschiedliche Freisetzungsparameter wie z.B. Freisetzungsdruck (max. 250 bar) und Massenstrom (max. 0,175 kg/s) bei einem Austrittsdurchmesser von 30 mm erfasst. Die Herausforderung liegt hier in der Charakterisierung der Flammengeometrie unter atmosphärischen Bedingungen und deren Einfluss auf die Wärmestrahlung. Vorhandene Wärmestrahlungsdaten aus der Literatur basieren meist auf instationären Ausströmungsbedingungen. Um eine bessere Vergleichbarkeit mit den stationären Freistrahlflammenmodellen zu erreichen, konzentrieren sich die hier vorgestellten Experimente auf die Sicherstellung konstanter Auslassbedingung über die Freisetzungsdauer (derzeit 120 s), um eine stationäre Freistrahlflamme zu erhalten. Der Vergleich der Flammengeometrie zeigt, dass Wasserstofffreistrahlflammen bei gleichem Austrittsmassenstrom eine größere Flammenlänge (mittlere Abweichung von 15%), aber einen kleineren Flammendurchmesser als Methanstrahlflammen (mittlere Abweichung von 17%) aufweisen. Der Anteil der gesamten Verbrennungsenergie, der als Wärmestrahlung emittiert wird (Strahlungsanteil), ist bei Wasserstoff (0,04-0,09) geringer als bei Methan (0,06-0,1). Ein Vergleich der Oberflächenstrahlungsleistung (SEP) der Freistrahlflamme zeigt einen SEP-Bereich von 7 kW/m²-15 kW/m² für Wasserstoff und 3 kW/m²-9,5 kW/m² für Methan.
Large-scale investigations of the thermal radiation of hydrogen jet flames
Christopher Bernardy, Abdel Karim Habib, Martin Kluge, Bernd Schalau, Hanjo Kant, Marcel Schulze, Alessandro Orchini
Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Volume 94, April 2025