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Physikalische Zündvorgänge

Arbeitsgruppe 3.73

Explosionsschutz an Flockmaschinen

Einleitung

Beim elektrostatischen Beflockungsverfahren fällt eine Wolke aus synthetischen oder natürlichen Kurzfasern von etwa 1 mm Länge (sog. Flock) auf ein mit Klebstoff beschichtetes Substrat. Dabei werden die Fasern während des Fallvorgangs durch ein starkes elektrisches Feld zwischen zwei Metallplatten, an die eine Hochspannung von 20 kV bis 80 kV angelegt ist, senkrecht ausgerichtet. Kürzlich in Amerika aufgetretene Brände an Flockmaschinen gaben Anlaß, die Entzündbarkeit von Flockwolken als Folge von Funkenüberschlägen und Lichtbögen zwischen den Elektroden bei Betriebsstörungen von Flockmaschinen zu untersuchen.

Abb. 1: Mikroskopaufnahme von Flock
Abb. 2: Zündung von aufgewirbeltem Flock in einem Glasrohr
Abb. 1: Mikroskopaufnahme von Flock
Abb. 2: Zündung von aufgewirbeltem Flock in einem Glasrohr

Mindestzündenergie von handelsüblichem Flock

Es wurde die Mindestzündenergie MZE von über 60 Flockproben mit einer für hohe Zündenergien optimierten MZE-Apparatur bestimmt und deren Abhängigkeit von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Flockproben bestimmt. Die meisten Flockproben hatten eine MZE zwischen 100 mJ und 200 mJ. Der niedrigste Wert von 50 mJ wurde für feinstaubangereicherten Baumwollmahlflock erhalten.

Abb. 3: MZE von Flock als Funktion von Fasermaterial (zum Vergrößern auf das Bild klicken, 84 kB)
Abb. 4: Zündoptimierter Gleichstromfunken von Fasergröße 100 mJ durch eine Flockwolke (Zündung)

Entzündbarkeit von Flock durch Funkenüberschläge an Gleichstromflockmaschinen

Bei einem Funkenüberschlag an einer Flockmaschinen wird die gespeicherte Energie im Funken in vergleichsweise kurzer Zeit umgesetzt. Im Gegensatz hierzu sind die Funken einer MZE-Apparatur zündoptimiert, d.h. von optimaler Funkenlänge und -dauer. Aus diesem Grund ließen sich die zündwilligsten Flockproben erst bei Funkenüberschlägen von 1600 mJ entzünden, bei 1300 mJ trat noch keine Entzündung auf. Befand sich im Entladekreis jedoch ein Widerstand zwischen 10 Kiloohm und 5 Megohm, so wurde der Funke zeitlich gedehnt und dadurch zündwilliger. Das Zündoptimum (Zündung bei 450 mJ, Nichtzündung bei 350 mJ) lag bei 1 Megohm. Solche Widerstände können unter Umständen in der Praxis auftreten, wenn das klebstoffbeschichtete Werkstück selbst als Gegenelektrode wirkt.

Abb. 5: Funke von 1500 mJ durch eine Flockwolke an einer Flockmaschine (Nichtzündung)

Entzündbarkeit von Flock durch elektrische Lichtbögen an Gleichstromflockmaschinen

Typische elektrische Lichtbögen von Gleichstromflockmaschinen konnten selbst die zündwilligsten aufgewirbelten oder abgelagerten Flockproben nicht entzünden. Hingegen trat sofort eine Entzündung auf, wenn die Flockproben zusammengepresst oder mit Klebstoff zusammengeklebt waren. Es wird vermutet, dass dieses Verhalten durch die bei Gleichstromlichtbögen hoher Energie auftretenden kräftigen Stoßwellen verursacht wird, welche unverklebte Flockfasern aus dem Lichtbogen herausdrücken und somit eine Trennung von Brennstoff und Zündquelle bewirken.

Abb. 6: Elektrischer Gleichstromlichtbogen von 25 kV durch eine Flockwolke (Nichtzündung)

Entzündbarkeit von Flock durch elektrische Lichtbögen an Wechselstromflockmaschinen

Bei elektrischen Wechselstromlichtbögen ohne Strombegrenzungswiderstand findet eine quasi kontinuierliche Energiezufuhr in die Flockwolke statt, die zur Entzündung auch der schwer zündbaren Flockproben führte. Befand sich jedoch ein Strombegrenzungswiderstand von ca. 1 Megohm im Entladekreis, so wurde nur dann eine Entzündung beobachtet, wenn die Energie einer Wechselstromhalbwelle größer als die MZE der Flockprobe war.

Abb. 7: Elektrischer Wechselstromlichtbogen von 4,2 kV durch eine Flockwolke (Zündung)

Diskussion der Ergebnisse

Eine Untersuchung von Handbeflockungsgeräten und ortsfesten Flockmaschinen ergab, dass bei den meisten Geräten eine Entzündung von Flock bei Betriebsstörungen nicht möglich erscheint, da die experimentell gefundenen Grenzwerte nicht erreicht werden. Einige Geräte wurden jedoch zwecks Verarbeitung einer überlagerten oder schlecht präparierten Flockqualität mit überhöhter Spannung und vermindertem Plattenabstand betrieben. Bei diesen Geräten besteht eine Zündgefahr. Die Ergebnisse werden in zukünftige Normen und Leitlinien einfließen.

 

Veröffentlichungen

U. von Pidoll: Testing products and processes with regard to electrostatic hazards. Proceedings IEJ/ESA Joint Symposium on Electrostatics, Tokyo 7.-10.Nov. 2004, 245-254. (Initiates file downloadDownload, PDF, 765 kB)

U. von Pidoll, E. Brzostek und H.-R. Fröchtenigt: Determining the incendivity of electrostatic discharges without explosive gas mixtures. IEEE Transactions on Industry Applications, 40 (2004), 1467-1475. (Initiates file downloadDownload, PDF, 1,7 MB)

U. von Pidoll: The ignition of clouds of sprays, powders and fibers by flames and electric sparks. Journal of loss prevention in the process industries 14 (2001), 103-109. (Download, PDF, 951 kB)  

Kontakt

Ansprechpartner Dr. Ulrich von Pidoll
Tel.: 0531-592-3431
E-Mail: Ulrich von Pidoll
Anschrift Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Arbeitsgruppe 3.73
Bundesallee 100
38116 Braunschweig