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Arbeitsgruppe 3.42
Gemischausbreitung und Explosionsvorgänge
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Gemischausbreitung und Explosionsvorgänge

Die bei einer Explosion entstehende Druckwelle, und damit die Auswirkung einer Explosion, hängt in starkem Maße davon ab, wie schnell sich die Flamme ausbreitet. Im Vergleich zur Flammenausbreitung im ruhenden oder laminar strömenden Gemisch wird die Flamme im turbulenten Gemisch infolge der Auffaltung der Flammenfront stark beschleunigt. Solange die Ausbreitungsgeschwindigkeit unterhalb der Schallgeschwindigkeit bleibt, spricht man von einer Deflagration. Unter bestimmten Bedingungen, z. B. bei der eindimensionalen Flammenausbreitung in einem hinreichend langen Rohr, kann sich jedoch durch Turbulenzerzeugung vor der Flammenfront die Flamme derart beschleunigen, daß der Umschlag in eine Detonation erfolgt. Bei der Detonation breitet sich die Flammenfront, gekoppelt mit der bei dem Vorgang entstehenden Stoßwelle, mit Überschallgeschwindigkeit (ca. 2000 m/s) aus. Dabei treten extrem hohe mechanische Impulsbelastungen in Ausbreitungsrichtung der Detonation auf. Deflagrationen und Detonationen faßt man unter dem Oberbegriff Explosionen zusammen. Die sichere Gestaltung von Anlagen sowie die Absicherung von Anlagen mit Flammendurchschlagsicherungen setzt die Kenntnis der genannten Explosionsvorgänge voraus. Die Bundesanstalt hat wichtige Beiträge zum Verständnis dieser Vorgänge, insbesondere zur turbulenten Flammenausbreitung und zum Detonationsumschlag in Rohren, geleistet.

Anlagensicherheit

Die auf den vorgenannten Gebieten gewonnenen Erfahrungen werden genutzt, um die Sicherheit von Anlagen zu begutachten. Dies geschieht zumeist auf Wunsch von Behörden oder Aufsichtsstellen und beschränkt sich in der Regel auf Anlagen von besonderer sicherheitstechnischer Bedeutung oder bei Verwendung neuartiger Technologien. Es handelt sich dabei insbesondere um Anlagen

• für die Lagerung und den Umschlag brennbarer Flüssigkeiten (z. B. Tankläger, Häfen)
• zur Rückgewinnung von Dämpfen brennbarer Flüssigkeiten
• zur technischen Nachverbrennung.

lm Zusammenhang mit der Anlagensicherheit wird eine Reihe von Betriebsmitteln der Bauart nach geprüft. Die Konformitätsbewertungsverfahren für Geräte und Schutzsysteme zur Verwendung in explosionsfähiger Atmosphäre sind in der Richtlinie 94/9/EG geregelt. In diesem Rahmen ist die PTB benannte Stelle nach der EG-Richtlinie 94/9/EG und führt sowohl die Baumusterprüfungen als auch die Überwachung der Qualitätssicherung beim Hersteller durch. Zu diesen Betriebsmitteln gehören flammendurchschlagsichere Einrichtungen (z. B. Explosions-, Detonations- und Dauerbrandsicherungen zur Absicherung von Tanks (Bild 1 und Bild 2) und einige spezielle nichtelektrische Betriebsmittel für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 0 (z. B. Ventilatoren). Darüber hinaus bearbeitet die Bundesanstalt Fragen der sicheren Tanktechnik im Bereich des Gefahrguttransports.

Bild 1: Prüfung einer Detonationssicherung Bilddatei, 77 K

Bild 2: Bauartprüfung eines Hochgeschwindigkeitventils auf Dauerbrandsicherheit. Hochgeschwindigkeitsventile werden überwiegend auf Tankschiffen eingesetzt. Beim Beladen des Tanks führen sie die verdrängten Dampf/Luft- Gemische in die Atmosphäre ab. Explosionsfähige Gemische können dabei im Falle einer unbeabsichtigten Zündung eine an der Armatur stabilisierte Flamme bilden, die Armatur muß daher dauerbrandsicher sein. Bilddatei, 39 K

Entstehung und Ausbreitung explosionsfähiger Gemische

Bei der Bewertung der Explosionsgefahr spielt auch die Frage nach Entstehung und Ausbreitung eines explosionsfähigen Gemisches eine wesentliche Rolle (z. B. Verdampfen einer Flüssigkeitslache und Ausbreitung der Dämpfe unter dem Einfluß der herrschenden Luftbewegung). Werden störungsbedingt große Gemischmengen freigesetzt, kann die Ausbreitung der Gemische unter den herrschenden atmophärischen Bedingungen nur durch aufwendige Rechenmodelle erfaßt werden. Wenn eine Freisetzung explosionsfähiger Gemische aus Apparaturen oder Anlagen möglich ist, müssen räumliche Gefahrbereiche um diese Einrichtungen festgelegt werden. Diese explosionsgefährdeten Bereiche werden je nach der Wahrscheinlichkeit des Auftretens explosionsfähiger Atmosphäre in Zonen eingeteilt. Dabei geht man davon aus, daß eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre durch Gase, Dämpfe oder Nebel mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auftritt und zwar: - in Zone 0 ständig oder langzeitig - in Zone 1 gelegentlich - in Zone 2 nur selten und dann auch nur kurzzeitig. Bei der Festlegung explosionsgefährdeter Bereiche ist speziell in geschlossenen Räumen neben der Stärke möglicher Quellen explosionsfähiger Gemische vor allem auch der Einfluß der natürlichen oder technischen Lüftung der Räume zu berücksichtigen. Erst nach der Zonenfestlegung der explosionsgefährdeten Bereiche kann über die Auswahl der geeigneten Betriebsmittel entschieden werden. Die Bundesanstalt ist hier in vielen Praxisfällen beratend tätig, während die behördliche Zuständigkeit bei der Gewerbeaufsicht der Länder liegt.

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Letzte Änderung: 27.05.2009