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Leistungsfähigkeit von Flammendurchschlagsicherungen bei erhöhtem Sauerstoffgehalt

04.12.2017

Der Einsatz von „Luft“ mit erhöhtem Sauerstoffgehalt in verfahrenstechnischen Prozessen gewinnt zunehmend an Bedeutung. In diesem Zusammenhang treten auch Fragen und Probleme zum Explosionsschutz auf, die es zu beantworten gilt. Zur explosionstechnischen Entkopplung von Anlagen und Anlagenteilen werden bei Auftreten explosionsfähiger Gemische aus Gasen oder Dämpfen oft Flammendurchschlagsicherungen eingesetzt. Als autonome Schutzsysteme im Sinne der Richtlinie 2014/34/EU werden Flammendurchschlagsicherungen zum Einsatz unter atmosphärischen Bedingungen geprüft. Die Prüfung erfolgt in der Regel auf Basis der EN ISO 16852. Diese Norm beschreibt verschiedene Prüfverfahren für Flammendurchschlagsicherungen. Diese Prüfverfahren werden bis zu einem maximalen Betriebsdruck von 160 kPa angewendet.

Explosionsfähige Gemische mit einem anderen Oxidationsmittel als Luft (Sauerstoffgehalt 20,9 Vol-%) werden weder in der Richtlinie 2014/34/EU noch in der EN ISO 16852 betrachtet. Dennoch sind derartige explosionsfähige Gemische anzutreffen und bei der Konzipierung eines wirksamen Explosionsschutzes zu berücksichtigen. Explosionsgeschützte Geräte, Komponenten und Schutzsysteme sind für derartige Gemische in der Regel nicht verfügbar.

Im Rahmen der im Folgenden beschriebenen Untersuchung wurden die Leistungsgrenzen einer Flammendurchschlagsicherung in verschiedenen Konfigurationen beim Einsatz von explosionsfähigen Gemischen mit erhöhtem Sauerstoffgehalt ermittelt. Als Brenngase kamen Propan und Ethen zum Einsatz. Die Variation des Sauerstoffgehalts dieser Gemische erfolgte zwischen 19,6 Vol-% (Luft) und 30 Vol-%. Die Ermittlung der Leistungsgrenze erfolgte durch Erhöhung des Anfangsdruckes vor der Zündung des explosionsfähigen Gemisches. Durchgeführt wurden diese Versuche mit einer Flammendurchschlagsicherung der Anschlussnennweite DN 50. Der verwendete Versuchsaufbau entsprach dem Prüfaufbau zur Prüfung von Flammendurchschlagsicherungen gegen Deflagrationen nach EN ISO 16852. Die Leistungsgrenze der jeweiligen Konfiguration der Flammendurchschlagsiche-rung wurde durch den höchsten Anfangsdruck beschrieben, bei dem ein Flammendurchschlag zuverlässig verhindert wird.

Neben der Ermittlung der Leistungsgrenzen der Flammendurchschlagsicherung wurde der Frage nachgegangen, ob das an die Normspaltweite eines Stoffes angelehnte Klassifizierungsschema nach Explosionsgruppen auch auf Gemische mit erhöhtem Sauerstoffanteil übertragbar ist. Zur Klärung dieser Frage erfolgte die Bestimmung der Grenzspaltweiten für verschiedene Gemische bezüglich des Sauerstoffgehalts und des Drucks (Abbildung beispielhaft für Ethen).

Allein die Erhöhung des Sauerstoffgehalts eines stöchiometrischen Gas-Luft-Sauerstoff Gemisches um wenige Volumenprozent gegenüber reiner Luft führt bei geringer Druckerhöhung bereits zu einem Flammendurchschlag. Das heißt, die Leistungsreserven, die eine Flammendurchschlagsicherung gegenüber explosionsfähiger Atmosphäre aufweist, sind mit steigendem Sauerstoffgehalt im Gemisch schnell „verbraucht“. Die recht hohe Empfindlichkeit von Flammendurchschlagsicherungen gegenüber einer Erhöhung des Anfangsdrucks wird durch eine mindestens ebenso deutliche Empfindlichkeit gegenüber dem Sauerstoffgehalt verstärkt.

Die Leistungsgrenze einer Flammendurchschlagsicherung bei Gemischen mit erhöhtem Sauerstoffgehalt lässt sich gut durch die Grenzspaltweite dieses Gemisches bei Prüfdruck beschreiben. Die Eignung einer Flammendurchschlagsicherung für eine bestimmte Explosionsgruppe über den Vergleich von Normspaltweite und Grenzspaltweite zu extrapolieren ist kein geeignetes Verfahren, um die Verwendbarkeit für Gemische mit erhöhtem Sauerstoffgehalt zu extrapolieren. Die Bestimmung der Leistungsgrenze für Brennstoff/Luft-Gemische liefert aber einen guten Startpunkt zur Bestimmung der Leistungsgrenze bei erhöhtem Sauerstoffgehalt.