Marc Scheid

Experimentelle Untersuchungen zum Ablauf von Gas- und Staubexplosionen in druckentlasteten Reaktionsgefäßen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 07.12.2005

Abstract
Der Ablauf von Explosionen in druckentlasteten Reaktionsgefäßen ist ein komplexer Vorgang mit gegenseitiger Beeinflussung von Verbrennungsreaktion und sich insbesondere durch den Entlastungsvorgang einstellender Strömung. Eine Möglichkeit zur Beschreibung solcher Vorgänge ist die numerische Strömungssimulation.
Insbesondere zur Vergrößerung des Datenschatzes zur Validierung eines entsprechenden Modells erfolgten experimentelle Untersuchungen in zwei eigens hierfür entwickelten Versuchsapparaturen. Wesentlicher Vorteil dieser Untersuchungen gegenüber einer Vielzahl anderer ist die gleichzeitige Messung von Druck, Flammenausbreitung und Strömung während der Explosionsvorgänge.
In der ersten Apparatur mit einem variierbaren Volumen von 2 bis 59 l wurde der Einfluss von Behältervolumen, Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis, Entlastungsquerschnitt und Ansprechdruck des Berstelementes auf den Ablauf von Explosionen mit einem Propan/Luft/Stickstoff-Gemisch ermittelt. Die zweite Apparatur hatte ein Volumen von ca. 100 l und diente insbesondere zur Untersuchung des Einflusses der zum Zündzeitpunkt in der Apparatur vorherrschenden Turbulenz auf den Ablauf druckentlasteter Explosionen mit einem Propan/Luft/Stickstoff-Gemisch sowie mit einem Maisstärke/Luft-Gemisch.
Wesentliche Ergebnisse der Untersuchungen waren: Nur ein geringer Einfluss der entlastungsinduzierten Turbulenz auf den zeitlichen Druckanstieg und den reduzierten Explosionsdruck, sowie ein recht großer Einfluss der zum Zündzeitpunkt vorherrschenden Turbulenz auf diese Parameter insbesondere bei geringem Ansprechdruck der Druckentlastung. Bei hohen Ansprechdrücken wurde nur ein geringer Einfluss festgestellt.
Erste Simulationsrechnungen mit anfänglich ruhenden Propan/Luft/Stickstoff-Gemischen führten zu einer realistischen Wiedergabe der Druck-Zeit-Verläufe und ergaben eine recht gute Übereinstimmung mit den Experimenten. Der Vergleich zwischen experimentell ermittelten und mit Hilfe einer empirischen Methode, die in der zukünftigen Norm zur Druckentlastung bei Gasexplosionen enthaltenen ist, berechneten Druckentlastungsflächen ergab in allen Fällen eine ausreichende Dimensionierung.

The course of explosions in vented reaction vessels is a complex process with interaction of the combustion reaction and the flow in the vessel, especially during venting. A method for describing such processes is the computational fluid dynamics.
In order to increase the number of values for the validation of such a model, experiments have been performed in two test equipment which have been manufactured especially for the tests. The main advantage of these tests in comparison to many others is the simultaneous measurement of pressure, flame propagation and flow velocity during the explosions.
In the first equipment (variable volume from 2 to 59 L) the influence of vessel volume, length-to-diameter-ratio, venting diameter and activation pressure of the venting device on the course of an explosion has been examined for a propane/air/nitrogen-mixture. The second equipment had a volume of approx. 100 L. It was developed particularly for the determination of the influence of pre-ignition turbulence on the course of vented propane/air/nitrogen and maize starch/air-mixtures.
The main results of the tests were a minor influence of venting introduced turbulence on the maximum rate of pressure rise and the reduced explosion pressure and a strong influence of the pre-ignition turbulence on these parameters especially for low activation pressures of the venting device. For high activation pressures the influence was negligible.
First simulations with an initially quiescent mixture gave realistic pressure histories and showed a quite good correlation with the experiments. The comparison between experiments and venting areas, which have been calculated with an empirical method taken from the future norm for gas explosion venting devices, gave in all cases a sufficient dimensioning.

Keywords:
Explosion, Explosionsschutz, Gasexplosion, Staubexplosion, brennbarer Staub, Druckentlastung, Ermittlung der Druckentlastungsfläche, Explosionsablauf, Strömungsmessungen, numerische Strömungssimulation

Explosion, explosion protection, gas explosions, dust explosion combustible dust, explosion venting, determination of venting area, course of an explosion, flow measurements, computational fluid dynamics

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Vorwort, Inhaltsverzeichnis (I-V)
1 Problemstellung (1-14)
2 Ziel der Arbeit und Untersuchungsprogramm (14-16)
3 Grundlagen (16-20)
4 Versuchsaufbauten (20-41)
5 Versuchsergebnisse (41-94)
6 Numerische Simulation von druckentlasteten Gasexplosionen (95-113)
7 Gültige und zukünftige Richtlinien auf dem Gebiet der Druckentlastung (113-117)
8 Fehlerbetrachtung (118)
9 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen (118-125)
10 Formelzeichen und Abkürzungen (125-127)
11 Abbildungen (128-132)
12 Tabellen (133)
13 Literatur (133-139)
14 Anhang (140-150)