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Modellierung der Zündquelle heiße Oberfläche

31.12.2008

In der Sicherheitstechnik werden Gefährdungsbeurteilungen unter anderem auf Basis sicherheitstechnischer Kenngrößen durchgeführt. Diese werden in standardisierten Versuchsverfahren ermittelt. Ein gängiger Versuch ist die Ermittlung der Zündtemperatur in einem beheizten Erlenmeyerkolben. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis über die Entstehung heißer Oberflächen und über die Entzündung von Gasgemischen an diesen zu finden. Dies soll dazu führen, Situationen abseits der standardisierten Verfahren besser einschätzen zu können. Hierzu werden Versuchsaufbauten und die computergestützte Modellierung herangezogen. Die verwendeten Prüfaufbauten sind ein Reibprüfstand und eine beheizbare Oberflächen mit definierten, thermischen Randbedingungen. Das verwendete Simulationswerkzeug ist CFX der Firma Ansys.

Im Falle des Reibprüfstandes wurde die experimentelle Erwärmungskurve mit der theoretischen Modellbildung der Literatur verglichen. Parallel hierzu wurde die Erwärmung mittels einer neuen Erweiterung von CFX nachgebildet, welche einen Rotor-Stator Kontakt von Festkörpern erlaubt. Anhand dieser Vorgehensweise konnte die Beeinflussung der rotierenden Scheibe auf den Wärmefluss in der Reibstelle berücksichtigt werden. Die quantitative Verteilung der Wärme kann durch die Simulation gut wiedergegeben werden, wie in Bild 1 zu erkennen ist.  

Parallel zu dieser Modellbildung wurden Versuche zur Entzündung bei definierten, thermischen Randbedingungen in einem Versuchsgefäß durchgeführt. Es wurden explosionsfähige Gemische aus n-Pentan, n-Heptan und Schwefelkohlenstoff bei verschiedenen Konzentrationen und Lagen untersucht. Das thermische Verhalten während des Aufheizens wurde aufgezeichnet und das visuelle Ereignis durch Beobachtung registriert. Es zeigte sich, dass die Reaktion bei den Kohlenwasserstoffen bei überstöchiometrischen Gemischen zunahm und gleichzeitig die Zündtemperatur abfiel, wohingegen bei Schwefelkohlenstoff die Reaktion bei stöchiometrischen Gemisch ihr Maximum erreichte, die Zündtemperatur aber bei sehr mageren Gemischen am niedrigsten lag. Es konnte eine Entzündung bei einer Gemischkonzentration unterhalb der angegebenen Explosionsgrenze beobachtet werden. Die Erwärmung im Behälter wurde mittels CFX nachgebildet (siehe Bild 2). Es konnte eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten festgestellt werden.