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Zündwirksamkeit von Ultraschall an der Phasengrenze flüssig-gasförmig

07.11.2012

Im Rahmen der Neubewertung der Zündquelle Ultraschall ist es gelungen, ein neues Bewertungskriterium von Ultraschallquellen in Flüssigkeiten auf Basis der Leistungsdichte der Quelle und der Wellenlänge des schallführenden Medium zu erstellen.
Für die Untersuchungen wurden Zündversuche in einer Worst-Case Betrachtung durchgeführt. Dabei wurde ein Zielkörper an der Flüssigkeitsoberfläche mit hoch fokussiertem Ultraschall einer Frequenz von 1 MHz bestrahlt, sodass eine heiße Oberfläche erzeugt wurde, die Atmosphären von Schwefelkohlenstoff (2-7%) /Luft und Diethylether (12%) /Luft entzündete. Der Zielkörper bestand aus Polyetheretherketon (PEEK). Dieses Material verbindet eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine gute akustische Anpassung an die Flüssigkeit mit einer hohen Absorption, sodass Temperaturen bis zu 500 °C an der Zielkörperoberfläche erzielt werden konnten. Ohne einen Zielkörper ist keine Entzündung möglich da die Flüssigkeitsoberfläche durch den Schallstrahlungsdruck aufgerissen und zerstäubt wird.
Für die Zündungen waren Schallintensitäten der Größenordnung 10² mW/mm² erforderlich. Damit lässt sich der bestehende, allein auf theoretischen Betrachtungen basierende Grenzwert von 1 mW/mm² [1, 2] um zwei Größenordnungen anheben.
In weiteren Versuchen wird der Einfluss von Kavitation auf die Zündgefahr erforscht.

Zündversuche an der Flüssigkeitsoberfläche mit fokussiertem Ultraschall: Links: Zündung eines Schwefelkohlenstoff/Luft-Gemisches an der heißen Oberfläche eines bestrahlten PEEK-Zielkörpers. Rechts: Zerstäubung der Flüssigkeitsoberfläche ohne Zielkörper durch den Schallstrahlungsdruck

Zündversuche an der Flüssigkeitsoberfläche mit fokussiertem Ultraschall:

Links: Zündung eines Schwefelkohlenstoff/Luft-Gemisches an der heißen Oberfläche eines bestrahlten PEEK-Zielkörpers.
Rechts: Zerstäubung der Flüssigkeitsoberfläche ohne Zielkörper durch den Schallstrahlungsdruck

[1]DIN EN 1127-1:2011: Explosionsfähige Atmosphären - Explosionsschutz - Teil 1: Grundlagen und Methodik; Deutsche Fassung EN 1127-1:2011
[2]Technische Regeln für Betriebssicherheit TRBS 2152 Teil 3: Gefährliche explosionsfähige Atmosphäre – Vermeidung der Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre (GMBl. Nr. 77 vom 20. November 2009 S. 1583)



Kontakt: Lars Hendrik Simon, FB 3.7, lars.h.simon(at)ptb.de