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Zündwirksamkeit mechanisch erzeugter Kurzzeit-Reibfunken

20.10.2010

Als mechanisch erzeugte Zündquellen gelten durch Reib- oder Schlagvorgänge entstandene abgetrennte Partikel erhöhter Temperatur bzw. Funken und ggf. zusätzlich entstehende heiße Oberflächen. Für die Entstehung von Funken existieren – abhängig von deren Entstehungsmechanismus – jeweils einige Grenzwerte, die jedoch bisher nicht vergleichbar waren. Ziel dieser Untersuchung war es, die Funkenentstehung sowie insbesondere die Zündwirksamkeit von mechanisch erzeugten Reib- und Schlagfunken gegenüber explosionsfähigen Wasserstoff/Luft-Gemischen unter möglichst ähnlichen Randbedingungen zu vergleichen und deren Unterschiede und Gemeinsamkeiten aufzuzeigen.

Entstehung mechanisch erzeugter Zündquellen in Reibsituationen


Abb.1: Entstehung mechanisch erzeugter Zündquellen in Reibsituationen

Während für die Entstehung zündfähiger Schlagfunken eine Mindestschlagenergie von Eimp = 3 Nm notwendig ist, gilt für Reibfunken eine maximale Relativgeschwindigkeit von v = 1,0 m/s, unterhalb der bei üblichen Stahlwerkstoffen keine Funken oder heißen Oberflächen entstehen. Für Schlagfunken bei homogenen Werkstoffkombinationen aus ferritischem Stahl existieren für alle Referenz-Brenngas/Luft-Gemische bestimmte Zündwahrscheinlichkeiten. Der Einfluss der Flächenpressung auf die Entstehung von Reibfunken wurde ebenfalls in jüngeren Forschungsarbeiten untersucht.

Die Zündwirksamkeit von Kurzzeit-Reibfunken (t < 1,0 s) und Schlagfunken wird unter vergleichbaren Bedingungen mit homogenen Werkstoff-Kombinationen unlegierter Stähle (1.0038, 1.0570) untersucht. Als explosionsfähige Atmosphären dienen Wasserstoff/Luft- sowie Ethen/Luft-Gemische.

Nach bereits 0,1 s werden Kurzzeit-Reibfunken erzeugt, die ein Brenngas/Luft-Gemisch mit hohem Sauerstoff-Anteil (c < 10,0 %) zünden können. Höhere Brenngas-Konzentrationen erhöhen die Zündwirksamkeit der heißen Oberfläche und verhindern die Vergleichbarkeit der Schlag- und Kurzzeit-Reibfunken. Temperaturmessungen ergaben bei beiden funkenerzeugenden Prozessen, dass zur Bildung von Funken eine Mindesttemperatur von 400 °C bis 500 °C notwendig ist. Schlagfunken sollten mit Hilfe des Energiekriteriums, Reibfunken mit Hilfe des Leistungskriteriums bewertet werden. Eine einheitliche Bewertung ist jedoch nicht sinnvoll.

Die funkenerzeugenden Prozesse der Reib- und Schlagfunken konnten über gezielte Betrachtungen und einen schmalen Bereich der Parameterbreite der jeweiligen Zündquelle verglichen werden. So zeigten Versuche bei einem Volumenanteil von c = 10 % H2 und somit sehr kurzen Reibzeiten (t < 1,0 s) ähnliche Ergebnisse bezüglich der Funkenentstehung sowie der Zündwahrscheinlichkeiten. Durch die unterschiedlichen funkenerzeugenden Mechanismen werden Schlagfunken jedoch schneller und bei geringeren Schlagenergien bzw. bei deutlich geringeren Leistungsdichten erzeugt.

In explosionsfähiger Wasserstoff/Luft-Atmosphäre steigt sowohl bei Kurzzeit-Reib- als auch bei Schlagvorgängen die Zündwahrscheinlichkeit bei H2-Konzentrationen von c < 10 %. Bei Konzentrationen über 10 % H2 bleibt bei Reibschlagvorgängen eine hohe Zündwahrscheinlichkeit erhalten. Dies liegt an der Zunahme des Einflusses der heißen Oberfläche bei gleichzeitig sinkender Oxidationsmöglichkeit der heißen Partikel durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff bedingt durch den verminderten Sauerstoffgehalt im Gemisch.
Temperaturmessungen bestätigen trotz der verkürzten Reibzeit Temperaturen von über 400 °C, die zur Entstehung von Funken aus unlegiertem, ferritischem Stahl notwendig sind. Eine sinnvolle und praxisgerechte Bewertung der Zündwahrscheinlichkeiten erscheint für Schlagfunken über das Energiekriterium und für Reibfunken über das Leistungskriterium möglich.

Ansprechpartner:


F. Welzel, AG 3.73, felix.welzel(at)ptb.de