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Inertgaseinfluss beim Explosionsdruck, beim zeitlichen Druckanstieg und der Verbrennungsgeschwindigkeit von Ethanol in Luft

04.12.2017

Der Einfluss der Inertgase Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und Abgas auf die sicherheitstechnischen Kenngrößen Explosionsdruck, zeitlicher Druckanstieg und Verbrennungstemperatur wurde experimentell untersucht und mit berechneten Werten verglichen.

Die Versuche wurden in einen kugelförmigen 20-l-Behälter bei 373 K und Ausgangs­drücken zwischen 0,25 bar und 1 bar durchgeführt in Anlehnung an EN 15967. Der Volumenanteil Ethanol variierte zwischen 3,5 vol% und 20,0 vol%, der Volumenanteil des Inertgases betrug jeweils 5 ´Vol%, 10 Vol%, 15 Vol% und 20 Vol%. Die Verbren­nungstemperatur wurde nach Bradley / Nagy aus dem zeitlichen Druckanstieg der laminaren Verbrennungsphase berechnet.

 

Aus den erhaltenen experimentellen Ergebnissen lässt sich folgendes ableiten:

 

1.    Der Explosionsdruck, der zeitliche Druckanstieg und die Verbrennungstemperatur sinken erwartungsgemäß mit zunehmendem Inertgasanteil und zunehmendem Inertgasäquivalenzkoeffizienten.

2.    Die Berechnung der Explosionsdrücke auf theoretischer Basis (GASEQ) ergibt höhere Werte im Verglich zum Experiment.

3.    Der maximale Explosionsdruck, der maximale zeitliche Druckanstieg und die maximale Verbrennungsgeschwindigkeit werden bei konstantem Verhältnis Ethanol/Luft gefunden.

4.    Hinsichtlich des Explosionsdruckes überwiegt die Menge anzugebenem Inertgas die Art des zugegebenen Inertgases obwohl die untersuchten Inertgase unter­schiedliche Wärmekapazitäten aufweisen.

5.    Hinsichtlich des zeitlichen Druckanstiegs ergibt sich ein deutlicherer Einfluss der Inertgasart. Im mageren bis hin zur Zusammensetzung Ethanol+Luft für die Pmax und (dp/dt)max gefunden werden, spiegelt der Einfluss die Inertgasäquivalenzko­effizienten wieder. Art des zugegebenen Inertgases obwohl die untersuchten Inertgase unterschiedliche Wärmekapazitäten aufweisen.

6.    Für Ethanol/Luft-Zusammensetzung in Nähe der stöchiometrischen Konzentration ergeben sich lineare Korrelationen zwischen Pex bzw. (dp/dt)ex und dem zugege­benen Inertgasanteil. Eine Extrapolation dieser Korrelationen zu Pex =0 führt jedoch nicht zur experimentell bestimmten Sauerstoffgrenzkonzentration

 

 


Fig. 1. Druckverlauf bei Explosionen von Ethanol/Luft Gemischen (φC2H2OH = 0,12) bei Zugabe    unterschiedlicher Volumenanteile der Inertgase (a) N2, (b) Abgas, (c) H2O und (d) CO2

 

 

 

 

 

Fig. 2. Experimentell bestimmte und berechnete Explosionsdrücke