11.08.2021

 High-Speed (10.000 fps) Schlieren-Aufnahme

Ermittlung der Brenndauer und des Brennvolumens eines pyrotechnischen Zünders mit einer Zündenergie von 5000 J: High-Speed (10.000 fps) Schlieren-Aufnahme

Quelle: BAM, Fachbereich Explosionsschutz Gase, Stäube

Projektlaufzeit

01.03.2019 - 28.02.2022

Projektart

Verbundforschungsprojekt

Projektstatus

Laufend

Kurzbeschreibung

Nex-Hys - Im Projekt wird ein normungsfähiges Verfahren zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen für den Explosionsschutz für hybride Gemische aus brennbarem Staub und brennbarem Gas entwickelt.

Ort

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Unter den Eichen 87
12205 Berlin

Schlieren-Aufnahme eines explodierenden Drahts

High-Speed (10.000 fps) Schlieren-Aufnahme eines explodierenden Drahts mit 1000 J

Quelle: BAM

Hybride Gemische bestehen aus brennbaren Substanzen verschiedener Phasen (beispielsweise. Staub-Brenngas-Gemische). Sie treten z.B. in Anlagen zur Holzvergasung bzw. Biomassevergasung und in Anlagen für die Kunststoffherstellung auf. Sicherheitstechnische Kenngrößen (STK) für den Explosionsschutz können je nach Stoffsystem stark von apparativen Parametern bei der Bestimmung abhängig sein. Für die Bestimmung von STK von hybriden Staub-Gas-Gemischen gibt es aktuell kein Standardverfahren.

Ein Pfeil in der Mitte einer Zielscheibe

Quelle: BAM

Das Verbundprojekt beschäftigt sich mit allen Aspekten der Entwicklung von Testverfahren bzw. Testapparaturen zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen hybrider Gemische sowie mit der Erstellung entsprechender Normen. Der BAM kommt als Hauptaufgabe die Entwicklung einer normungsfähigen Zündquelle und die Überprüfung der Gemischbildung zu.

Stilisierter Programmablaufplan

Quelle: BAM

Um die Grenzparameter zu bestimmen, bei denen keine Explosion mehr möglich ist (Explosionsgrenzen, Sauerstoffgrenzkonzentration) oder um das Ausmaß einer Explosion zu quantifizieren (Explosionsdruck, Druckanstiegsgeschwindigkeit) kommen unterschiedliche bzw. unterschiedlich starke Zündquellen zum Einsatz. Sowohl für Brenngas-Luft-Gemische als auch für Staub-Luft-Gemische stellt die 20 L-Kugel eine geeignete Prüfapparatur für den Labormaßstab dar. Sie ist prinzipiell auch für hybride Gemische geeignet.

Händeschütteln

Quelle: BAM

Im Rahmen des WiPaNo Verbundvorhabens „NEX-HYS - Entwicklung von normungsfähigen Bestimmungsverfahren für sicherheitstechnische Kenngrößen des Explosionsschutzes für hybride Gemische“ sind neben der BAM folgende Institutionen experimentell beteiligt:
• Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (Projektkoordination)
• PTB - Physikalisch-Technische Bundesanstalt
• Inburex Consulting GmbH Hamm
Des Weiteren begleitet der DIN e.V. die Einbindung des Projektes in die Normung.

Nex-Hys - Entwicklung von normungsfähigen Bestimmungsverfahren für sicherheitstechnische Kenngrößen des Explosionsschutzes für hybride Gemische

Hybride Gemische

Hybride Gemische sind Gemische aus Substanzen in mindestens zwei verschiedenen brennbaren Phasen, wie z.B. Staub-Gas-Gemische oder Gas-Nebel-Gemische. Sie treten unter anderem in Anlagen zur Holzvergasung bzw. Biomassenvergasung und in Anlagen für die Kunststoffherstellung auf. Sicherheitstechnische Kenngrößen (STK) für den Explosionsschutz können je nach Stoffsystem sehr stark von apparativen Parametern bei der Bestimmung abhängig sein.

Der Schwerpunkt des Projekts sind die Kenngrößen maximaler Explosionsdruck, maximaler zeitlicher Explosionsdruckanstieg und Sauerstoffgrenzkonzentration. Aktuelle Untersuchungen aus Praxis und Forschung zu den STK hybrider Gemische orientieren sich an den Normen für Gase, Dämpfe und Stäube. Eine Schwierigkeit ist dabei, dass sich die Normen in wesentlichen Teilen unterscheiden. Besonders große Unterschiede bestehen bei den Zündquellen und dem Mischvorgang. Im Hinblick auf die Zündenergie unterscheiden sich die Zündquellen um drei bis vier Größenordnungen.

20L-Kugel mit zusätzlichen Drucksensoren

20L-Kugel mit zusätzlichen Drucksensoren für die Bestimmung der STK von hybriden Gemischen

Quelle: BAM, Fachbereich Explosionsschutz Gase, Stäube

Zündquellen

Ziel ist es zunächst, die in verschiedenen Normen beschriebenen Zündquellen für die Bestimmung von STK hinsichtlich der eingebrachten Energie, der Zünddauer und des Initialvolumens zu charakterisieren und miteinander zu vergleichen, um Rückschlüsse auf deren Wirksamkeit zu ziehen. Dazu werden kalorimetrische Messungen und Highspeed-Aufnahmen der verschiedenen Zündquellen durchgeführt. Um das Initialvolumen besser einschätzen zu können, werden im Laufe des Projektes auch Schlieren-Aufnahmen erstellt. Anschließend soll der Einfluss der Zündenergie und der Zünderart auf die sicherheitstechnischen Kenngrößen für verschiedene Stoffsysteme durch Zündversuche in einer im Rahmen dieser Arbeit modifizierten 20L Kugel systematisch bestimmt werden. Darüber hinaus soll eine geeignete Zündquelle für die Bestimmung der STK von hybriden Gemischen identifiziert werden.

Die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der verschiedenen standardisierten Zündquellen für die Bestimmung der STK von Gasen und Stäuben sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

Bestimmung der STK von StäubenBestimmung der STK von Gasen und Dämpfen
DIN EN 14034DIN EN 1839 / DIN EN 15967
Zündquelle in der Mitte der 20L-KugelZündquelle in der Mitte des Zündautoklavs
Pyrotechnischer Zünder Hochspannungsfunkenstrecke
oder explodierender Draht
2.000 J – 10.000 J 2 J - 20 J
2 Zünder 1 Zünder

Turbulenz

Die Unterschiede beim Mischvorgang führen ebenfalls zu unterschiedlichen Ergebnissen: Bei der Bestimmung der STK von Stäuben herrscht für das Aufwirbeln des Staubs während des Zündvorgangs eine hohe Turbulenz innerhalb des Zündgefäßes. Bei Gasen und Dämpfen wird jedoch ein ruhendes Gemisch gezündet, um die Flammenausbreitung nicht zu beeinflussen und eine möglichst hohe Reproduzierbarkeit zu erreichen. Da die Turbulenz einen großen Einfluss auf einige STK hat, wurde der Unterschied untersucht.

Mischvorgang

In bisherigen Untersuchungen zu hybriden Gemischen wird der Brenngasanteil auf drei verschiedene Arten dem Gemisch zugeführt: Das Brenngas befindet sich vor Eindüsen des Staubs ausschließlich in der 20L-Kugel, ausschließlich in dem Staubvorratsbehälter, oder ein homogenes Vorgemisch befindet sich in beidem. Bei den ersten zwei genannten Methoden wird angenommen, dass die theoretische Berechnung des Brenngasanteils mittels Partialdrücken fehlerfrei ist und eine vollständige Durchmischung stattfindet. Literaturrecherchen zeigten, dass eine spätere Überprüfung des Brenngasanteils bisher nicht stattfand, ebenso wenig wie Vergleiche zwischen den verschiedenen Methoden, um die Annahmen zu bestätigen.

Grafik: Drei verschiedene Methoden des Mischvorgangs bei hybriden Gemischen

Drei verschiedene Methoden des Mischvorgangs bei hybriden Gemischen

Quelle: BAM

Projektleitung

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Apparate und Umwelttechnik

Projektpartner

BAM - Fachbereich Explosionsschutz Gase, Stäube
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Apparate- und Umwelttechnik
PTB - Physikalische Technische Bundesanstalt, Fachbereich Grundlagen des Explosionsschutzes
Inburex Consulting GmbH
DIN e.V. Normenausschuss Sicherheitstechnische Grundsätze (NASG)

Förderung

Das Projekt Nex-Hys wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Programms "WIPANO - Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen" gefördert, Förderkennzeichen 03TNH006C.

Logos BMWi und WIPANO

Quelle: BMWi, WIPANO