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Physikalische Zündvorgänge

Arbeitsgruppe 3.73

Optische Strahlung als Zündquelle in explosionsgefährdeten Bereichen

Optoelektronische Geräte werden immer häufiger in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt. Vor allem die Lichtwellenleitertechnik ermöglicht zahlreiche neue Anwendungen. Neben den großen Vorteilen dieser Technik muß allerdings auch die Gefahr einer Entzündung explosionsfähiger Gemische durch optische Strahlung bei leistungsstarken Lichtquellen berücksichtigt werden.

Abb. 1: Explosion im Versuchsgefäß

In einem von der Europäischen Gemeinschaft geförderten Projekt wurden deshalb an der PTB unter Mitwirkung von Partnern aus England und Frankreich und dem Institut für Theoretische und Physikalische Chemie der TU-Braunschweig experimentelle Untersuchungen zur Zündwirksamkeit optischer Strahlung durchgeführt. Ziel des Projektes war die Ermittlung von sicheren Grenzwerten maximaler Bestrahlungsleistungen und Bestrahlungsenergien bei der Verwendung von Lichtquellen in explosionsgefährdeten Bereichen.

 Bei kontinuierlicher Strahlung im Infrarotbereich erfolgt die Entzündung über Strahlungsabsorption an Oberflächen. Dabei erhitzen sich diese Flächen und werden zur Zündquelle. Für sehr kleine Flächen, wie sie beispielsweise bei gebrochenen, verschmutzten Lichtwellenleitern vorliegen, sind zur Entzündung deutlich höhere Bestrahlungsstärken (Leistung pro Fläche) nötig als bei größeren. Die Ergebnisse finden sich in einem Vorschlag zur europäischen und internationale Normung wieder, in dem 5 mW/mm2 oder 35 mW als sichere Grenzwerte in explosionsgefährdeten Bereichen angegeben werden, sowie in der EN50303 mit 20 mW/mm2 oder 150 mW für M1-Geräte im Bergbau.

Acetylen/Luft-Gemisch (4 %Vol.) Zündquelle: Lichtwellenleiter (d = 62,5 µm),
beschichtet mit Eisenoxid schwarz
eingekoppelte Laserleistung: 156 mW
Acetylen/Luft-Gemisch (15 %Vol.)
Zündquelle: Lichtwellenleiter (d = 62,5 µm),
beschichtet mit Eisenoxid schwarz
eingekoppelte Laserleistung: 121 mW
Acetylen/Luft-Gemisch (4 %Vol.) Zündquelle: Lichtwellenleiter (d = 62,5 µm),
beschichtet mit Eisenoxid schwarz
eingekoppelte Laserleistung: 156 mW
Acetylen/Luft-Gemisch (15 %Vol.)
Zündquelle: Lichtwellenleiter (d = 62,5 µm),
beschichtet mit Eisenoxid schwarz
eingekoppelte Laserleistung: 121 mW

Eisenoxidschwarz mit einem Absorptionsgrad von 0,82 bei l=1064 nm wurd als unbrennbares Absorbermaterial eingesetzt. Aber auch brennbare Stoffe wurden als Beschichtungen verwendet. Hierbei handelte es sich um Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades. Obwohl diese Stoffe einen höheren Absorptionsgrad aufweisen als das verwendete Eisenoxidschwarz, liegen die zündwirksamen Bestrahlungsstärken oberhalb der für Eisenoxidschwarz gefundenen. Die Ursache hierfür liegt in verschiedenartigen Pyrolyseprozessen bei der Erhitzung und Entzündung der Kohlen.

Neben kontinuierlicher Strahlung im Dauerstrichbetrieb wurde auch gepulste Strahlung getestet. Hier zeigte sich eine Veränderung im Zündmechanismus, da die Entzündung nicht mehr über die Erhitzung des Absorbers erfolgte, sondern bei Bestrahlungsdauern im Mikrosekundenbereich bei den zündfähigen Energien bereits Plasmafunken am Absorber entstanden. Die ermittelten zündfähigen Pulsenergien liegen im Bereich der elektrisch bestimmten Mindestzündenergien der Brennstoffe.

Entzündung eines Pentan/Luft-Gemisches (2,6 %Vol.) am Ende eines frontal beschichteten Lichtwellenleiterkabels Puls: 400 µs, 25 mJ erstes Bild nach 550 µs
Bildabstand: 2 ms Belichtungszeit: 3 µs (zum Vergrößern auf das Bild klicken, 56 kB)