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Aufladung beim Versprühen von Flüssigkeiten – Untersuchung praxisrelevanter Prozesse bei der Reinigung kleiner und mittlerer Behälter

20.11.2018

Das Versprühen von Flüssigkeiten ist ein stark ladungserzeugender Prozess [1]. Flüssigkeiten mit einer niedrigen und mittleren, aber auch hohen elektrischen Leitfähigkeit von über 10 000 pS/m können beim Versprühen potenziell Entladungen hervorrufen, die eine explosionsfähige Atmosphäre zünden können.
Eine explosionsfähige Atmosphäre entsteht beim Versprühen einer Flüssigkeit durch das Herauslösen von Rückständen aus der Behälter- bzw. Tankwand, durch das versprühte Reinigungsmedium oder Ausgasungen.


Aus der Literatur sind Unfallszenarien bekannt, bei denen im Jahre 1969 drei Rohöltanker bei Reinigungsarbeiten, mit einem Wasserdruck von 10 bar, explodiert sind [2]. Vermutet wird, dass zusammenhängende Wassermassen (Wassercluster) durch plötzliche Schiffsbewegungen herabgefallen, sich durch Influenz auf das Potenzial in der Tankmitte aufgeladen, sich gegen Einbauten entladen und die explosionsfähige Atmosphäre entzündet haben [1]. Als eine weitere mögliche Zündquelle ist die Entstehung einer aufgeladenen Sprühwolke zu nennen. Wie schon Philipp Lenard 1892 erkannte, findet eine Ladungstrennung statt, wenn Wassertröpfchen auf eine Oberfläche auftreffen [3]. Beim Versprühen von Flüssigkeiten wird dieser Effekt verstärkt, da bereits eine Ladungstrennung an der Düse stattfindet und ein Aufreißen der Tröpfchen durch die hydrodynamische Instabilität im Freistrahl erfolgt [1]. Durch die Turbulenzen verteilt sich der aufgeladene Nebel im gesamten Behälter oder Tank und kann hohe Raumladungsdichten mit hohen Feldstärken hervorrufen, die sich wie Gewitterblitze entladen können.
Als kritisch anzusehen sind Flüssigkeiten mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, da sie eine höhere Konzentration an dissoziierten Ionen besitzen, die eine Aufladung beim Versprühen begünstigen [1]. Um Explosionen bei Reinigungsprozessen zu vermeiden, wird als aufwendige und kostenintensive Vorsichtmaßnahme der Luftsauerstoff durch Zugabe von Inertgas verdrängt und somit eine explosionsfähige Atmosphäre vermieden.


Ohne Inertisierung sind die Grenzwerte der Technischen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS) 727, Abschnitt 4.12, für Reinigungsprozesse einzuhalten, um gefährliche Aufladungen zu vermeiden. Die Grenzwerte sind sehr konservativ, da sie durch Extrapolation der bekannten Parameter aus einem vorangegangenen Forschungsprojekt [2] mit Sicherheitsfaktoren auf andere Größenordnungen angepasst wurden. Weiterhin werden mangels gesicherten Erkenntnissen zu den Angaben Volumen, Behälterdurchmesser und Zwei-Phasenströmungen durch Wiederverwendung der Flüssigkeit nach Reinigung, nur Grenzwerte für Verunreinigungen angegeben. Es besteht keine darüberhinausgehende Grundlage durch experimentelle Untersuchungen, mit denen die physikalischen Mechanismen im Detail beschrieben und Grenzwerte für die Parameter hergeleitet werden können. Die bisherigen Grenzwerte der TRGS 727 werden als Hemmnis für den technischen Fortschritt empfunden, da sich Einschränkungen der Behältergröße und -geometrien, der Eigenschaften der Flüssigkeiten und Effizienz der Reinigungsgeräte ergeben.

Beim Versprühen von Flüssigkeiten kann sich die Düse, die Behälterwand und der Sprühnebel selbst elektrostatisch aufladen. Messtechniken und Messmethoden zum Erfassen dieser elektrostatischen Aufladungen sind zum Teil bekannt, jedoch nicht wissenschaftlich fundiert. Es werden die Messtechniken und Messmethoden vorrangegangener Forschungsvorhaben innerhalb der PTB aufgegriffen und auf ihre Eignung hinterfragt. Problem beim Erfassen der elektrostatischen Aufladungen ist die feuchte Atmosphäre, die bspw. keinen Einsatz von handelsüblichen Feldmühlen gestattet. Um das elektrische Feld innerhalb versprühter Flüssigkeiten zu erfassen wird das Influenz-E-Feldmeter JCI 131 der Firma Chilworth eingesetzt. Dieses Influenz-E-Feldmeter ist für den Einsatz im freien Feld konzipiert und kann in einem Wasserfreistrahl oder Behälter eingesetzt werden, der durch Reinigungsarbeiten eine feuchte Atmosphäre aufweist.

Die Höhe der elektrostatischen Aufladung im Sprühstrahl besitzt eine starke Abhängigkeit von dem einstellbaren Druck und Volumenstrom der Pumpe und den elektrostatischen Eigenschaften der Flüssigkeit. Für die Validierung des Influenz-E-Feldmeters ist ein definiert unter Hochspannung stehender Sprühstrahl nötig, der losgelöst von den einstellbaren Parametern ist. Geeignet ist eine präparierte elektrostatische Applikationsanlage im Niederdruckbereich (bis 4 bar), die isoliert aufgebaut ist. Im Sprühstrahl sind Spannungen von mehreren 10 kV einstellbar und erlauben eine Charakterisierung des elektrischen Feldes versprühter Flüssigkeiten. Gewählt wird eine Flachstrahldüse, die eine ausreichend große Messfläche erzeugt. Ein Vergleich des Potentials zwischen der Sprühpistole, einem Prallblech als Referenz und dem Sprühstrahl zeigen die jeweiligen Differenzen auf. Weiterhin wird aufgezeigt, ab welchen Spannungen der Einsatz des geerdeten Influenz-E-Feldmeters zur Bildung eines Ableitpfades führt.
Im Zuge dieser Messungen wird der unter Hochspannung stehende Sprühstrahl der elektrostatischen Applikationsanlage in einen 1 m3 Edelstrahl IBC eingesetzt. Durch den Einbau des Influenz-E-Feldmeters in die Mantelfläche des Behälters wird untersucht, welche maximalen Potentiale im geerdeten Behälter möglich sind und welche Differenzen sich am Influenz-E-Feldmeter einstellen.
Diese Untersuchungen dienen als Grundlage für Messungen der elektrostatischen Aufladungen beim Versprühen von Flüssigkeiten durch industrielle Hochdruckreiniger, in Abhängigkeit von dem einstellbaren Druck und Volumenstrom der Pumpe und den elektrostatischen Eigenschaften der Flüssigkeit.

Weiterhin gilt es die Zündgefahrenbewertung bezüglich der Unfallszenarien der Supertanker [2] kritisch zu hinterfragen. Es ist experimentell zu untersuchen, ob sich Wassercluster beim Herabfallen elektrostatisch so stark auf das Potential der Sprühnebelwolke durch Influenz aufladen können, dass sie bei einer Entladung gegen Einbauten eine explosionsfähige Atmosphäre zünden können. Alternativ besteht die Möglichkeit einer kapazitiven Kopplung, die zu einer elektrostatischen Aufladung innerhalb des Wasserclusters geführt haben könnte.

Literatur

[1]    TRGS 727 Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen, Ausschuss für   
        Gefahrstoffe - AGS-Geschäftsführung - BAuA, 2016.
[2]    P. e. al, The avoidance of ignition hazards due to electrostatic charges occurring during the
        spraying of liquids under high pressure, Amsterdam: Journal of Electrostatic. 23, 99-109, 1989.
[3]   P. Lenard, Über die Elektrizität der Wasserfälle, Wied. Ann. 46. p. 584., 1892.