Physikalische Zündvorgänge

Modellierung von Zündprozessen infolge elektrischer Entladungen

Ausgangssituation

Beim Einsatz von elektrischen Geräten oder elektrostatische Aufladung erzeugenden Prozessen in explosionsfähiger Atmosphäre kann es zu kritischen Zuständen kommen. In der Vergangenheit gab es deshalb Unfälle. Potenzielle Zündquellen von Explosionen sind Vorentladungen in hochfrequenten Wechselfeldern, Niederspannungsfunken bei der Zündschutzart Eigensicherheit und elektrostatische Entladungen.

Um verlässliche, sicherheitstechnisch relevante Aussagen über Geräte und Prozesse treffen zu können, welche in explosionsfähigen Atmosphären eingesetzt werden, ist ein detailliertes Verständnis der Zündprozesse unerlässlich. Durch die ständige Weiterentwicklung leistungsstarker Rechner und optischer Messtechnik besteht nun seit wenigen Jahren die Möglichkeit, die hochkomplexen Vorgänge bei elektrischen Entladungen und deren Zündwirksamkeit einerseits zu modellieren und andererseits in Experimenten direkt zu visualisieren. Simulation und Experiment ergänzen sich hierbei.

Der Vorteil von Simulationen ist die gezielte Auswertung von Parametern, die experimentell nicht oder nur unter großem Aufwand zugänglich sind. Bestimmte Effekte lassen sich für die Untersuchungen ein- und ausschalten. Ein Nachteil der Simulation ist der immense Rechenaufwand und Speicherplatzbedarf - insbesondere wenn mehrdimensionale Geometrien verwendet werden. So ist eine Modellierung komplexer Vorgänge oft nur möglich, wenn einzelne Prozesse stark vereinfacht oder entkoppelt betrachtet werden.

Projektziel

Im Rahmen eines Promotionsvorhabens sollen folgende Fragestellungen untersucht werden:

• Modellierung von Vorentladungen in hochfrequenten Wechselfeldern:

  In der chemischen und petrochemischen Industrie werden Asynchronmaschinen in Verbindung mit Umrichtern eingesetzt. Eine Drehzahlregulierung der Motoren ist notwendig, um die Prozessse gezielt zu steuern. Da die Motoren in explosionsgefährdeten Bereichen verwendet werden, muss das Gefahrenpotential bekannt und bewertet werden. Bei umrichtergespeisten Antrieben treten Frequenzbereiche über mehrere Größenordnungen auf {50 Hz - 3 MHz}. In elektrischen Leitungen kann es bei Störungen zu hochfrequenten Entladungs- und Vorentladungserscheinungen als Zündquelle eines explosionsfähigen Gemisches kommen. Bei einem Vergleich bisheriger Experimente mit Simulationen ergab sich eine erhebliche Diskrepanz zwischen Experiment und Simulation. Als Ursache wird ein Einfluss der geladenen Spezies (Ionenreaktionen) vermutet, die bei der Bildung des Plasmakanals entstehen. Ziel ist es, ein bestehendes eindimensionales Modell der Vorentladungen um die Ionenreaktionen und deren Wechselwirkung untereinander bzw. mit anderen Reaktionspartnern zu erweitern und durch Parameterstudien in einem ruhendem Medium (Brennstoff/Luft-Gemisch z.B. Wasserstoff/Luft oder Propan/Luft) zu einem detaillierten Verständnis des Zündmechanismus und insbesondere des Anteils der Ionenreaktionen beizutragen.

• Modellierung von Niederspannungsfunken bei der Zündschutzart Eigensicherheit:

  In explosionsgefährdeten Bereichen müssen alle elektrischen Betriebsmittel explosionsgeschützt ausgeführt sein. Dabei werden unterschiedliche Schutzprinzipien angewandt, die als Zündschutzarten bezeichnet werden. Eine Möglichkeit besteht darin, durch schaltungstechnische Maßnahmen zu verhindern, dass das elektrische Betriebsmittel als Zündquelle wirksam werden kann. So sind die in der Zündschutzart "'Eigensicherheit"' ausgeführten Betriebsmittel bzw. Stromkreise daraufhin geprüft, dass auch in Störungsfällen auftretende Öffnungs- und Schließfunken nicht zündfähig sind. Die Zündschutzart Eigensicherheit basiert folglich auf einer Begrenzung der elektrischen Leistung und damit auf einer Begrenzung von Spannung und Strom. Im Falle einer Störung ist die elektrische Leistung, die durch einen Niederspannungsfunken in ein explosionsfähiges Gemisch eingekoppelt werden kann, so zu wählen, dass diese nicht zündfähig ist. Nach dem Auftreten einer kurzzeitigen Störung soll die Leistungsfähigkeit des Stromkreises natürlich möglichst schnell wieder hergestellt werden, d.h. der Stromkreis wird wieder mit der ursprünglichen Leistung gespeist. Hier stellt sich die Frage, wie lange und in welcher Form im explosionsfähigen Gemisch noch Energie, und damit verbundene Zwischenreaktionszustände auf dem Weg zu einer Verbrennung, von der ersten Entladung vorhanden sind und ob es infolge mehrerer repetierender Entladungen zu einer Akkumulation von Energie im Gemisch kommt. Dieser Fragestellung soll mit Simulationen nachgegangen werden. Dabei soll eine zweidimensionale Simulation mit Berücksichtigung der elektrodynamischen Prozesse und der Ionenreaktionen entwickelt werden. Außerdem sollen verschiedene Elektrodenkonfigurationen und die Auswirkung von Wärmeableitung an den Elektroden auf den Zündprozess berücksichtigt werden.

• Modellierung von elektrostatischen Entladungen:

  Nicht elektrostatisch ableitfähige Materialien wie Kunststoffe werden auf Grund ihrer vielseitigen und kostengünstigen Einsatzmöglichkeiten in der Industrie in zunehmendem Maße auch in explosionsfähiger Atmosphäre verwendet. Beispiele für den Einsatz sind z.B. Plastiktanks und Kraftstoffleitungen bei Kraftfahrzeugen oder Kunststoffgehäuse von Geräten. Bei einem Einsatz muss immer die Gefahr einer elektrostatischen Aufladung durch tribologische Prozesse berücksichtigt werden. So ergeben sich bei der elektrostatischen Aufladung von Kunststoffen Spannungen von einigen 10 kV. Die Ladungsmenge resultiert jedoch ausschließlich aus der Ladungstrennung der an dem tribologischen Prozess beteiligten Materialien und ist daher auf eine vergleichsweise geringe Menge begrenzt. Bei einer Entladung kommt es innerhalb von Nanosekunden zu einem Energieumsatz der gespeicherten elektrischen Energie in Dissoziierungsprozesse zum Aufbau des Plasmas im Entladungskanal. Erst dieser Energieaufwand ermöglicht einen Ladungsfluss und so den entsprechenden Potentialausgleich. Als zündfähig haben sich Funken-, Büschel- und Gleitstielbüschelentladungen erwiesen. Der Zündprozess von elektrostatischen Entladungen ist für den Explosionsschutz noch nicht in einer ausreichenden und befriedigenden Tiefe verstanden. Deshalb soll erstmals mit einem ähnlichen Ansatz, wie in Bezug auf die anderen Fragen ausgeführt, der Zündprozess elektrostatischer Entladungen simuliert werden. Die zentrale Fragestellung ist, wie die Energieeinkopplung in das explosionsfähige Gemisch funktioniert und wie die konkrete Entladungsform dabei berücksichtigt werden kann.

Kontakt

Ansprechpartner		Tim Langer Tel.: 0531-592-3438 eMail: Tim Langer
Anschrift		Physikalisch-Technische Bundesanstalt Arbeitsgruppe 3.73 Bundesallee 100 38116 Braunschweig