Druckabhängigkeit des Detonationsanlaufs in Rohrleitungen

Im Dreiklang der Maßnahmen des Explosionsschutzes, Vermeidung explo­sionsfähiger Gemische und wirksamer Zündquellen und dem konstruktiven Explosionsschutz, ist die explosionstechnische Entkopplung eine gängige Maßnahme. An Behältern und in Rohrleitungen werden zu diesem Zweck zumeist Flammendurchschlagsicherungen eingesetzt, wenn es um explosionsfähige Gas/Dampf-Luft Gemische geht. In Rohrleitungen kann sich in Abhängigkeit von verschiedenen Randbedingungen eine Explosion von einer Deflagra­tion zu einer Detonation entwickeln. Dabei beschleunigt die zunächst mit Unterschallgeschwindigkeit fortschreitende Explosion, hier als Deflagration bezeichnet, unter Ausbildung einer Stoßwelle auf Überschallgeschwindigkeit. Während die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Deflagration durch die Verbrennungsgeschwindigkeit dominiert wird, wechselt bei der Detonation der Zündmechanismus. Die Stoßwelle führt zur Zündung durch adiabatische Kompres­sion. Die Front der Detonation wird quasi durch die Zündquelle gebildet. Da sich die Stoßwelle mit Überschallgeschwindigkeit fortbewegt, folgt ihr die Verbrennung mit eben dieser Geschwindigkeit. Daher erscheint die Flamme einer Detonation oft auch deutlich ausgedehnter als bei einer Deflagration. Bild 1 zeigt den charakteristischen, idealisierten Druckverlauf einer Detonation in einer Rohrleitung über der Zeit.

 

1. Beschleunigung der Deflagration,
2. Umschlag zur Detonation und
3. Fortschreiten als stabile Detonation.

Im Druckverlauf ist der DDT durch eine charakteristische Druckspitze gekennzeichnet. Sie kann das Mehrhundert­fache des Anfangsdrucks betragen. In einer transparenten Rohrleitung ist beim DDT ein typisches Aufblitzen der Flamme mit einem anschließend deutlich schnelleren Fortschreiten zu beobachten. Die Phase zwischen der Druckspitze und dem Erreichen des stabilen Detonationsdrucks wird als instabile Detona­tion bezeichnet. An der Stelle, wo der DDT stattfindet, ist die Rohrleitung extremen Druck- und Temperaturbelastungen ausgesetzt.

Soll eine Flammendurchschlagsicherung als explosionstechnische Entkopplungsmaßnahme zum Einsatz kommen, so ist ihre Einbauposition gemäß ihrer Eignung sorgfältig zu wählen, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. In der Europäischen Union müssen Flammendurchschlagsicherungen ihre Leistungsfähigkeit im Rahmen einer EU-Baumusterprüfung nachweisen. Diese Prüfungen erfolgen in der Regel nur unter atmosphärischen Bedingungen¹⁾ und diese Flammendurchschlagsicherungen sind damit auf diese Bedingungen in ihrer Anwendung beschränkt.

Die aktuell bei Prüfungen von Flammendurchschlagsicherungen zur Anwendung kommende Norm ist die DIN EN ISO 16852 [1]. Darin werden auch Prüfungen bei erhöhtem Druck bis 160 kPa berücksichtigt. Drücke oberhalb von 110 kPa liegen bereits außerhalb der von der Richtlinie 2014/34/EU (ATEX-Richtlinie) in Bezug genommenen atmosphärischen Bedingungen. Bei den Prüfungen nach Norm kommt ausschließlich Luft als Oxidationsmittel zum Einsatz.

Die Prüfnorm gibt eine Abschätzung für die Anlauflänge einer Detonation an. Der Abstand zwischen Zündquelle und DDT wird als ein Vielfaches des Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis (L/D) angegeben. Als Faustregeln wird für explo­sionsfähige Atmosphäre bis zur Explo­sionsgruppe IIB ein L/D von  50 angenommen und für die Explosionsgruppe IIC von  30 L/D, bei dem noch nicht mit dem Anlaufen einer Detonation zu rechnen ist. Darüber hinaus wird die Anlauflänge noch von weiteren Faktoren mitbestimmt:

•  Zusammensetzung der explosions­fähigen Atmosphäre,
•  Rohrgeometrie (Bögen, Abzweige, Reduzierungen),
•   Rauigkeit der Rohrinnenwand,
•  initiale Turbulenz der explosionsfähigen Atmosphäre,
•  turbulenzinduzierende Einbauten,
•  Anfangsdruck im System,
•  Art und Intensität der Zündquelle.

Der Druck vor der Zündung, kurz Anfangsdruck genannt, einer explosions­fähigen Atmosphäre beeinflusst die Flammengeschwindigkeit. Sie nimmt mit steigendem Druck zu. Dies lässt erwarten, dass sich die Anlauflänge reduziert und der DDT früher eintritt. Wie ausgeprägt dieser Einfluss ist, und ob er sich von den zu erwartenden statis­tischen Schwankungen unterscheiden lässt, ist Gegenstand der im Folgenden beschriebenen Untersuchung. Das betrachtete Druckintervall erstreckt sich über den Bereich von 100 bis 160 kPa, in Anlehnung an die Prüfnorm [1].

Versuchsaufbau und Durchführung

Ionisationsdetektoren, Fotosensoren oder Druckaufnehmer sind nur eingeschränkt geeignet, den Ort des DDT gut zu lokalisieren. Die Ortsauflösung hängt vom Abstand und der Anzahl der eingesetzten Sensoren ab. Gute Erfahrungen wurden mit der Verwendung transparenter Rohre und dem Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera gemacht. Kersten und Förster [2] haben darüber berichtet. Der für diese Untersuchungen verwendete Versuchsaufbau ist in Bild 2 dargestellt.

Als Brennstoff für das explosionsfähige Gemisch wurde Ethen gewählt. Wie das in der DIN EN ISO 16852 für Prüfungen beschriebene Ethen-Luft- Gemisch wurde ein Ethen-Luft-Gemisch mit einer Ethenkonzentration von 6,6 Vol-% verwendet. Diese Gemischzusammensetzung gewährleistet bei einem geeigneten L/D der Rohrstrecke die reproduzierbare Erzeugung von Detonationen. Zur Versuchsvorbereitung wurde die Rohrstrecke vor jedem Versuch für ca. 30 min mit 180 l/min Gemisch gespült. Mit einer zusätzlichen Kolbenpumpe konnten Anfangsdrücke über 110 kPa eingestellt werden.

An jedem Versuchstag wurde eine Reihe von Versuchen mit verschiedenen Anfangsdrücken durchgeführt. Dadurch stammen die Messungen für einen einzelnen Anfangsdruck immer von verschiedenen Versuchstagen. Einflüsse durch die täglich wechselnden Umweltbedingungen – die Versuche fanden auf dem Freigelände der PTB statt – konnten so reduziert werden.

In Vorversuchen wurde ermittelt, dass die Platzmembran immer erst nach dem Detonationsumschlag öffnet. Das Öffnen der Platzmembran hat also keinen Einfluss auf die Anlauflänge der Detonation.

Bestimmung der Anlauflänge

Durch Intensitätssättigung und Bewegungsunschärfe ist das Aufblitzen der Flamme beim DDT nur als ein erster Indikator zu sehen. Eine lokale Zündung vor der beschleunigenden Flammenfront – dies ist die erste Zündung durch adiabatische Kompression der Stoßwelle – ist ein weiteres Charakteristikum für den DDT [3]. Eine Folge von Bildern zur Entwicklung der Flammenfront bis zum DDT und kurz danach ist in Bild 4 zusammengestellt.

Dichte- und Druckskalierung

Durch wechselnde Umweltbedingungen über die gesamte Versuchsreihe mussten die Versuche bei unterschied­lichen Anfangstemperaturen durchgeführt werden. Bei den hier durchgeführten Versuchen ist der Einfluss deutlich kleiner anzunehmen als in [4] beschrieben. Anfangsdruck und Anfangstemperatur haben einen Einfluss auf den Ablauf von Explosionen. Beide Größen spiegeln sich in der anfänglichen Dichte des explosionsfähigen Gemischs wider. Diese Dichte ist über das ideale Gasgesetz einfach und hinreichend zuverlässig zu berechnen. Für weitergehende Vergleiche kann aus dieser Dichte der korrespondierende Druck bei 0 °C berechnet werden. Bild 5 stellt dies dar. Aus den beiden Messwerten für eine Anlauflänge ist die Spanne der Fehlerbalken abgeleitet.

Systematische Abweichungen und Messunsicherheiten

Die Innenwand der Polycarbonatrohre wird mit zunehmender Anzahl von Versuchen sichtbar rauer. In Bild 6 sind zwei Rohrstücke, eines nach ca. 40 Versuchen, zu sehen. Die sichtbaren Erosionen schlagen sich nicht in den Mess­daten nieder.

Ein signifikanter Einfluss, der als entsprechender Trend interpretiert werden könnte und in der weiteren Auswertung zu berücksichtigen wäre, ist in den Bildern 7 und 8 nicht zu erkennen.

Ergebnisse

Bild 9 fasst die Ergebnisse der Messungen zusammen.

Bild 9 zeigt zwei verschiedene lineare Anpassungen an den Datensatz. Anfangsdichte und -länge wurde als Eingangswerte verwendet. Die gestrichelte Gerade folgt aus einer Anpassung, ohne die Standardabweichung in der Anlauflänge zu berücksichtigen. Die Steigung beträgt -2,27  0,81 m⁴/kg, der Achsenabschnitt berechnet sich zu 13,41  1,34 m. Eine Geradenanpassung mit Berücksichtigung der Standardabweichungen in den Anlauflängen zeigt die gepunktete Gerade. Sie weist eine Steigung von -1,19  0,08 m⁴/kg und einen Achsenabschnitt von 11,12  0,13 m auf. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass diese Anpassungen nur für das Intervall der Messungen und den verwendeten Versuchsaufbau als gültig anzusehen sind.

Folgerungen

Die durchgeführten Messungen weisen auf eine Verminderung der Anlauflänge einer Gasdetonation mit zunehmendem Druck hin. Zur Veranschau­lichung sollen Rohrleitungen in tech­nischem Maßstab betrachtet werden. Als Ausgangsgröße wird der Druck bei 0 °C betrachtet und die resultierende Anlauflänge als ein Vielfaches des L/D.

Abschließend sei angemerkt, dass die diskutierten Untersuchungen nur mit einem Prüfgemisch und einer Nennweite durchgeführt wurden. Die Ergebnisse sind daher nur als richtungsweisend für weitergehende Untersuchungen zu betrachten.  TS 590

¹⁾ Atmosphärische Bedingungen sind die möglichen Umweltbedingungen. Sie werden mit einem Temperaturbereich von -20 °C bis +60 °C, einem Druck­bereich von 80 kPa bis 110 kPa und Luft als Oxida­tionsmittel beschrieben.