Explosionstechnisches Prüflabor
In
Pressure/vacuum relief valve
Pressure/vacuum relief valve is an umbrella term that includes pressure or vacuum relief valve as well as pressure and vacuum relief valve.
der modernen Industrie ist die Prozess-
sicherheit von zentraler Bedeutung, insbesondere wenn es um den Umgang mit potenziell gefährlichen Stoffen und Stoffgemischen geht.
Um die Risiken zu minimieren und maximale Sicherheit zu gewährleisten, ist es unerlässlich, die sicherheitstechnischen
Kenngrößen dieser Materialien genau zu kennen.
Risikominderung
Die in der Literatur angegebenen Parameter basieren in der Regel auf Standardbedingungen, die erheblich von den Prozessbedingungen abweichen können und unter Sicherheitsgesichtspunkten kritisch geprüft werden sollten.
Unser PROTEGO® Prüflabor bietet Ihnen hierzu die Möglichkeit, verschiedene Kenngrößen unter nicht-atmosphärischen Bedingungen zu bestimmen, sodass der Einfluss Ihrer individuellen Prozessbedingungen (Druck, Temperatur, Oxidationsmittel, Inertgase ...) auf diese identifiziert werden
kann. Die Untersuchung des Explosionsdrucks, der Explosionsgrenzen, des maximalen zeitlichen Druckanstiegs, der Sauerstoffgrenzkonzentration oder der Normspaltweite unter realistischen Betriebsbedingungen ermöglicht die Bereitstellung präziser Daten, die zur Risikominimierung beitragen und
gleichzeitig die Vermeidung von Kosten durch Overengineering ermöglichen.
Normspaltweite (Explosionsgruppe)
Für die Beurteilung der Flammendurchschlagsfähigkeit eines Stoffes wird diese nach DIN EN ISO/IEC 80079-20-1 in einem Normspaltweitenmessgerät bestimmt und auf dieser
Grundlage in die Explosionsgruppen IIA1, IIA, IIB1, IIB2, IIB3, IIB oder IIC klassifiziert.
Quantifizierung von Bedingungen, die Explosionsgruppen verändern
Die Explosionsgruppe eines Stoffes dient unter anderem dazu, die Eignung von Flammendurchschlagsicherungen oder die Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ für diesen zu bewerten.
Neben der NSW-Bestimmung von Reinstoffen bietet das PROTEGO®-Prüflabor zudem die Möglichkeit, den Einfluss von Temperatur, Druck, Inertgasen oder Oxidationsmitteln zu quantifizieren. Mögliche Anwendungsfelder könnten beispielsweise darin bestehen, den notwendigen Inertgasanteil zu bestimmen, um die Explosionsgruppe eines bestimmten
Stoffgemisches von IIC zu IIA zu wechseln und so eine kosteneffizientere Anlagenauslegung zu erreichen.
Untere und obere Explosionsgrenze
Um das Auftreten explosionsfähiger Atmosphäre innerhalb einer Anlage zu vermeiden, sind verschiedene Maßnahmen aus dem Bereich des sogenannten primären Explosionsschutzes
anwendbar. Zu einer der wichtigsten gehört dabei das Unter- bzw. Überschreiten der Explosionsgrenzen eines Stoffes bzw. Gemisches.
Die Bestimmung dieser Kennzahlen kann bei atmosphärischen Drücken nach EN 1839:2017-04 im Rohr- oder Bombenverfahren durchgeführt werden, wobei für erhöhte Drücke nur das Bombenverfahren nach EN 17624:2022 anwendbar ist. Bei diesem wird das Brennstoff-Luft-Gemisch in einen Explosionsdruckautoklaven geführt und dort mittels
Hochspannungsentladung, Schmelzdraht oder Gleitfunkenzündung zur
Explosion
Explosion
Abrupt oxidation or decomposition reaction producing an increase in temperature, pressure, or in both simultaneously.
gebracht.
Messung des dynamischen Drucks zur Zündsicherheit
Durch eine dynamische Druckmessung in der Wandung kann detektiert werden, ob das Kriterium für eine Entzündung des Gemisches (5- bzw. 2-%ige Drucksteigerung in Bezug zum Ausgangsdruck) erfüllt ist oder der Grenzwert unterschritten wird. Die Gemischherstellung kann hierfür entweder mittels Partialdruckverfahren oder durch Vollverdampfung
von Flüssigkeitsströmen und anschließendes Homogenisieren mit dem Gas- bzw. Luftstrom erfolgen.
Bei der Anwendung der Explosionsgrenzen zur Gewährleistung einer sicheren Prozessführung ist zu beachten, dass die im Labor bestimmten Kennzahlen nicht immer direkt auf den Prozess übertragbar sind. Ursächlich hierfür können abweichende Umgebungsbedingungen
sein, vor allem Temperatur und Druck, welche die Kennzahlen kritisch beeinflussen können.
Flammpunkt
Um beurteilen zu können, ob oder unter welchen Umgebungsbedingungen oberhalb einer Flüssigkeit eine entzündbare Atmosphäre auftritt, kann der sogenannte „Flammpunkt“ herangezogen werden. Bei dieser sicherheitstechnischen Kennzahl handelt es sich um eine der ältesten, welche bereits im 19 Jh. standardmäßig zur explosionstechnischen Beurteilung herangezogen wurde.
Für die Bestimmung wird eine flüssige Probe definierten Volumens mittels konstantem Temperaturgradient erwärmt und in bestimmten Zeitabständen die Möglichkeit einer Entzündung mit einer geeigneten Zündquelle geprüft. Die Art der Zündquelle, das Volumen sowie der Temperaturgradient sind dabei durch die verwendete Norm definiert, wodurch die ermittelten Werte innerhalb eines gewissen Schwankungsbereiches variieren können.
Dabei ist es wichtig zu hinterfragen, ob die verwendete Norm für den zu prüfenden Stoff oder Stoffgemisch anwendbar ist, um einen sicherheitstechnisch konservativen Ansatz zu wählen. Am Beispiel von Aceton-Ethylenglykol-Gemischen in der Abbildung zeigt sich bspw., dass die ISO 13736 gegenüber der ISO 1523 für Gemische mit geringen Anteilen von
Leichtsiedern oder Verunreinigung eine deutliche Abweichung zur unsicheren Seite aufweist.
Sauerstoffgrenzkonzentration
Neben den bereits angesprochenen Explosionsgrenzen ist eine weitere wichtige Kennzahl des primären Explosionsschutzes die sogenannte Sauerstoffgrenzkonzentration. Bei dieser handelt es sich um die höchste Sauerstoffkonzentration in einem Stoffsystem bei welcher keine Explosion auftreten kann.
Die Bestimmung der SGK kann nach EN 1839:2017-04 im Rohr- oder Bombenverfahren durchgeführt werden, wobei sich diese Norm auf Temperaturen bis 200 °C und atmosphärischen Ausgangsdruck beschränkt. Soll die SGK bei erhöhten Ausgangsdrücken bestimmt
werden, kann dies nur mittels Bombenverfahren und in Anlehnung an die EN 17624:2022 durchgeführt werden, welche die Bestimmung der Explosionsgrenzen bei Drücken bis zu 100 bar definiert.
Im Unterschied zur Bestimmung der Explosionsgrenzen wird bei der SGK nicht nur der Anteil des Brennstoffs variiert, sondern zusätzlich noch ein Inertgas hinzugeführt. Durch die Messung unterschiedlicher Zusammensetzung im ternären Gemisch ergeben sich Dreiecksdiagramme mit dem jeweiligen Explosionsbereich wie in der Abbildung.
Zündtemperatur
Um in einem explosionsgefährdeten Bereich beurteilen zu können, ob die Erwärmung an der Oberfläche einer elektrischen Maschine, bspw. einer Pumpe oder eines Ventilators, eine Zündgefahr für das umgebende Medium darstellt, muss sowohl die maximale Oberflächentemperatur des Gerätes als auch die Zündtemperatur des Mediums bekannt sein.
Die Zündtemperatur eines Stoffes ist die Temperatur, bei der sich dieser an einer heißen Kontaktfläche, ohne zusätzliche Zündquellen wie elektrische Funken, in einer Luftatmosphäre von selbst entzündet.
Für die Bestimmung können unterschiedliche Normen herangezogen werden, bspw. die ISO-IEC 80079-20-1. Nach dieser erfolgt die Bestimmung in einem Erlenmeyerkolben (V =200 ml) aus Borosilikatglas, welcher in einem Heizofen temperiert wird.
Dabei wird der Erlenmeyerkolben ausgehend von einer Temperatur von 80 °C mittels konstantem Temperaturgradienten beheizt und die Probe in definierten Volumina und Zeitabständen hinzugegeben. Ab einer bestimmten Oberflächentemperatur des Erlenmeyerkolbens kommt es zu
einer Entzündung der Probe. Ausgehend von dieser Temperatur wird sukzessive bei niedrigeren Temperaturen geprüft, ob weiterhin eine Entzündung auftritt, bis die Temperatur erreicht wird, bei der eine Entzündung sicher ausgeschlossen werden kann. Auf Basis dieser
Temperatur erfolgt die Klassifizierung in eine der Temperaturklassen von T1 bis T6.
Maximaler Explosionsdruck und Druckanstieg von Gasen und Dämpfen
Wenn mit den Maßnahmen des primären und sekundären Explosionsschutzes zur Vermeidung explosionsfähiger Atmosphären und wirksamer Zündquellen für eine bestimmte Anwendung kein ausreichendes Schutzniveau erreicht wird, kann auf die Möglichkeiten des tertiären Explosionsschutzes zurückgegriffen werden. Bei diesem werden die Auswirkungen
einer Explosion durch konstruktive Maßnahmen auf ein unbedenkliches Maß begrenzt. In erster Linie kann dies durch eine explosionsdruckfeste bzw. -stoßfeste Bauweise, Druckentlastungsarmaturen und Entkopplungssysteme erreicht werden.
Für die korrekte Auslegung dieser Maßnahmen ist unter anderem der auftretende maximale Explosionsdruck (pmax) und der zeitliche Druckanstieg (dp/dtmax bzw. KG-Wert) relevant. Diese Werte können, ebenso wie die Explosionsgrenzen und die Sauerstoffgrenzkonzentration,
in einem kugelförmigen Explosionsdruckautoklav bestimmt werden, in dem der Stoff in gas- oder dampfförmiger Form vorgelegt und zur Explosion gebracht wird.
In Abb. 1 sind hierzu beispielhaft die Explosionsdruckverläufe und deren 1. Ableitung von Wasserstoff, Ethylen und Methan in Luft dargestellt. Bezüglich des Explosionsdruckes wird deutlich, dass die drei Stoffe relativ ähnliche Werte besitzen, die damit korrelierenden Druckanstiegsgeschwindigkeiten aber sehr unterschiedlich sind. So zeigt sich, dass Wasserstoff mit Abstand den höchsten KG-Wert besitzt und dieser mehr als dem Zwölffachen von Methan entspricht.
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