Drame, Christian:

Ausbreitung von Deflagrationen in geschlossenen langen Rohrleitungen

Duisburg, Essen (2010), VI, 114 S.
Dissertation / Fach: Chemie
Fakultät für Chemie » Technische Chemie
Schönbucher, Axel (Doktorvater, Betreuerin)
Krause, Ulrich (GutachterIn)
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2010
Abstract:
Da in chemischen Anlagen ein nicht zu unterschätzendes Explosionsrisiko besteht, muss die Gefahr durch eine Explosion auf ein vertretbares Risiko in solchen Anlagen reduziert werden. Eine der drei Möglichkeiten ist dabei die Entkopplung von explosionsgefährdeten Anlagenteilen. Der Explosionsverlauf beeinflusst dabei stark die Wirksamkeit der gewählten Schutzsysteme. Besonders kritisch ist der Übergangsbereich zwischen der Deflagration und der Detonation da in diesem Bereich die Schutzsysteme der Deflagration und Detonation überlastet werden und somit unwirksam werden. Die Lage dieses Übergangsbereiches ist von einer Reihe von Parametern (Rohrlänge, Rohrdurchmesser, Wandrauigkeit, Brennstoff, Brennstoffgehalt, Anfangsdruck, abhängig, sodass es mit dem aktuellen Wissensstand nicht möglich ist, die Lage ohne Experimente zu bestimmen. Da die experimentelle Bestimmung für technische Anlagen zu teuer ist, soll eine Simulation aufgebaut werden die es ermöglicht Aussagen über das Explosionsverhalten in Anlagen zu machen. In der vorliegenden Arbeit soll dazu der konsistente Datensatz der die Abhängigkeit des Explosionsverhaltens von den Parametern beschreibt erstellt werden. Parallel dazu sollte überprüft werden in welchem Ausmaß das Explosionsverhalten in Rohrleitungen mit einem kommerziell erwerblichem Simulationsprogramm abgebildet werden kann. Es konnte anhand der erfolgten Strömungs- und Explosionsversuche gezeigt werden das Flanschverbindungen keinen nachweisbaren Einfluss auf das Explosionsverhalten haben. Einbauten, die dagegen das Strömungsfeld beeinflussen, wie z. B. Blenden beeinflussen, wie gezeigt, nachweislich das Explosionsverhalten. Dabei besteht die Gefahr eines Überganges auch schon bei recht kleinen Blockierungsverhältnissen. Der Einfluss der Rohrlänge unterhalb der Anlauflänge bewirkt, dass der maximal erreichte Explosionsdruck in längeren Rohren geringer als in kurzen ausfällt. Gleichzeitig erreicht die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit in langen Rohrleitungen höhere Werte als in kurzen Rohren. In Rohrleitungen mit Längen knapp unterhalb der Anlauflänge können keine Anzeichen festgestellt werden, dass man sich der Anlauflänge nähert. Beim Vergleich von unterschiedlichen Brennstoff/Luft-Gemischen aus verschiedenen Explosionsklassen mit gleicher Grenzspaltweite wurde festgestellt das der Explosionsdruck und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme von nichtstöchiometrischen Gemischen unterhalb derer von stöchiometrischen liegen. Es wurde bei den Messungen mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern festgestellt das die Rohrleitungen mit gleichem L/D-Verhältnis identische maximale Explosionsdrücke aufweisen und somit auf andere Rohrdurchmesser mit gleichem L/D-Verhältnis übertragbar sind. Bei den Flammengeschwindigkeiten konnte nur ein Anstieg dieser bei längeren Rohrleitungen bestätigt werden. Der Einfluss des Brennstoffgehalt wirkt sich auf den maximalen Explosionsdruck und die Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten so aus das diese parabelförmig über dem Brennstoffgehalt, mit einem Maximum beim stöchiometrischen Gemisch, verlaufen. Mit steigendem Anfangsdruck steigt der maximale Explosionsdruck linear an. Ein Anstieg der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammenfront kann aufgrund der Schwankungsbreite der Messwerte nicht beobachtet werden. In den Untersuchungen der Wandrauigkeit wurde festgestellt das Explosionsdruck kaum Unterschiede aufweist. In der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit zeigt sich aber das bei geringerer Rauigkeit der Wand die Ausbreitungsgeschwindigkeit geringer ausfällt. Die Untersuchungen der Blenden haben gezeigt, dass sie auch bei geringen Blockierungsverhältnis die Gefahr des Überganges stark erhöhen, da sie die benötigte Anlauflänge stark herabsetzen. In den durchgeführten CFD-Simulationen wurde festgestellt das das EDM-Verbrennungsmodell nicht geeignet ist um Explosionen in geschlossenen Rohrleitungen vorher zu sagen. Bei Verwendung des BVM-Verbrennungsmodells zeigte sich das der Wärmeverlust durch die Rohrwand abgebildet werden musste, was näherungsweise über isotherme Rohrwände möglich ist. Dazu sollte als Turbulenzmodell nicht das k-Turbulenzmodell verwendet werden da es zu einer Unterschätzung der Turbulenz in Wandnähe führte, welche mit dem SST-Turbulenzmodells vermieden werden konnte. Sowohl im Explosionsdruck als auch in der Flammengeschwindigkeit zeigt sich das der zeitliche Verlauf stärke Abweichungen, als die axialen Profile aufweisen. Bei den axialen Profilen konnte eine gute Übereinstimmung der Simulationen mit den Messungen erreicht werden.