DE19957836B4

DE19957836B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren bei Detonationen

Info

Publication number: DE19957836B4
Application number: DE1999157836
Authority: DE
Inventors: Reiner Kurt Dipl.-Ing. Packebusch; Horst Günter Dipl.-Ing.-Oec. Winkler; Jürgen Dipl.-Ing. Baschin
Original assignee: RMG - Gaselan Regel and Meßtechnik GmbH; Rmg Gaselan Regel & Mestechnik
Current assignee: RMG - Gaselan Regel and Meßtechnik GmbH; Rmg Gaselan Regel & Mestechnik
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2019-11-26
Also published as: WO2001037933A3; AU3150201A; DE19957836A1; EP1239924A2; WO2001037933A2

Abstract

Verfahren zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren, insbesondere Bandsicherungen, bei Detonationen eines brennbaren Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches in Anlagen-, Behälter- und Rohrleitungssystemen, bei dem die anlaufende Detonationsfront in eine Vielzahl von Teilreaktionsfronten aufgeteilt wird, die unmittelbar anschließend umlenkungsfrei und nahezu laminar der Bandsicherung zum Löschen etwaiger Flammen zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die anlaufende Detonationsfront auf einen bandsicherungsartigen Vorfilter mit spaltähnlichen Kanälen zum Aufteilen der Detonationsfrontgelenkt gelenkt wird, wobei die Spaltweiten der Kanäle deutlich über der Normspaltweite des jeweiligen Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches und die Spaltlänge der Kanäle deutlich über denen der Bandsicherung in Abhängigkeit der Art, Temperatur und des Druckes des Gas/Luft- bzw. Dampf/Luft-Gemisches eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren, insbesondere Bandsicherungen, bei Detonationen eines brennbaren Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches in Anlagen-, Behälter- und Rohrleitungssystemen, bei dem die anlaufende Detonationsfront in eine Vielzahl von Teilreaktionsfronten aufgeteilt wird, die unmittelbar anschließend umlenkungsfrei und nahezu laminar der Bandsicherung zum Löschen etwaiger Flammen zugeführt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren, insbesondere Bandsicherungen, bei Detonationen eines brennbaren Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches in Anlagen-, Behälter- und Rohrleitungssystemen, mit in Rohrachsenrichtung liegenden Gehäuseteilen in Durchgangs- und Eckbauform und einer senkrecht zu dieser Achse angeordneten, zwischen den Gehäuseteilen eingespannten trockenen Flammensperre aus mindestens einer Bandsicherung mit oder ohne einen zur Zündquelle hin gerichteten Stoßfang.
Detonationssicherungen sind Elemente des konstruktiven Explosionsschutzes, die in Behältern, Anlagen und speziell in verbindenden Rohrleitungen, in denen brennbare Gas/Luft-Gemische und/oder Dampf/Luft-Gemische gelagert oder transportiert, die Ausbreitung (Fortpflanzung) detonativ verlaufender Explosionen verhindern sollen. Unter entsprechenden Prozeßbedingungen sowie Konfiguration der Anlagen, insbesondere der Länge der verbindenden Rohrleitungen, entwickeln sich Detonationen aus der Deflagration heraus mit Ausbreitungsgeschwindigkeiten bis zu 3000 m/s und Druckspitzen bis 100 bar.
Die bekanntlich in Detonationssicherungen eingesetzten Flammensperren, deren Wirkung auf dem Prinzip der flammenlöschenden Spalte beruht, müssen deshalb hohen mechanischen und thermischen Belastungen standhalten.
Um diese Belastungen zu reduzieren, setzt der Stand der Technik auf der der Zündquelle zugewandten Seite Konstruktionselemente ein, die die Stoßwelle der Detonationsfront vor dem Auftreffen auf die Flammensperre abschwächt.

So ist aus der DE 28 47 500 eine Detonationsbremse bekannt, die im wesentlichen aus einer halbzylinderförmigen Reflexionswand besteht, welche einen Großteil der Energie der Druckstoßwellen aufnimmt und den Druckstoß reduziert. Ähnliche Lösungen schlägt der Stand der Technik in der DE 1 075 501 und DE 1 192 980 vor.

Aus der EP 0 375 455 A1 ist weiterhin ein topfförmiger Stoßfang bekannt, der in Richtung zur Zündquelle vor den Bandsicherungen angeordnet ist und die Energie einer möglichen Detonation abschwächen soll.

Diese bekannten Lösungen mindern zwar den Druckstoß auf die Bandsicherung, führen jedoch zur Erhöhung der Turbulenzen in der Flammenfront, so dass insbesondere bei ungünstigen Bedingungen, beispielsweise bei einer instabilen Detonation, unerwünschte Druckspitzen entstehen. Des weiteren besteht die Gefahr, dass sich hinter den Einbauten durch Reflexion an der Gehäusewand neue Detonationsfronten aufbauen, deren Druckspitzen unmittelbar auf die Bandsicherung wirken und einen Flammendurchschlag verursachen.

Diese Nachteile versucht die DE 44 38 797 C1 dadurch zu beheben, dass zwischen Stoßfang und Flammensperre in kürzestem Abstand parallel zu der Flammensperre Strömungsgleichrichter angeordnet sind, die eine freie Strömungsfläche aufweisen, welche dem 0,5 bis 2,0-fachen des Anschluß-Nennweitenquerschnittes der Rohrleitung entspricht.

Eine andere bekannte Lösung des Standes der Technik ( DE 195 36 292 C2 ) sieht vor, die anlaufende Detonationsfront aufzuteilen und in einem Expansionsraum wieder zusammenzuführen. Die Aufteilung der Detonationsfront erfolgt in eine Hauptfront und eine Nebenfront, wobei die Hauptfront mit einer längeren Laufzeit in den Expansionsraum geleitet wird, so dass beim Eintritt der Hauptfront in den Expansionsraum dieser Verbrennungsgase der Nebenfront enthält. Die Wandanordnung zum Aufteilen und Umlenken der Detonationsfront bildet einen ersten Leitungsweg für die Hauptfront und einen zweiten Leitungsweg für die Nebenfront. Die Leitungswege sind dabei so dimensioniert, daß die Hauptfront gegenüber der Nebenfront verzögert in den Expansionsraum eintritt.

Die DE 198 18 572 C1 offenbart ein Verfahren zum Unschädlichmachen einer in einer Rohrleitung geführten Detonationsfront mit Hilfe einer Flammensperre, bei dem die Detonationsfront so nahe an die einen gegenüber der Rohrleitung größeren Durchmesser aufweisenden Flammensperre geführt wird, dass die Detonationsfront nur auf einen Teilbereich der Flammensperre auftrifft und dass die Detonationsfront so vor der Flammensperre expandiert wird, dass eine Deflagration entsteht, die auf den äußeren Querschnitt der Flammensperre auftrifft.

Alle diese bekannten Lösungen führen infolge ihrer im Strömungsweg befindlichen Einbauten oder durch zusätzliche Leitungen bzw. Reflexionswände zum Umlenken und Aufteilen der Detonationsfront zu hohen Druckverlusten und zu Problemen in der Reproduzierbarkeit im Betriebsverhalten der Armaturen. Zusätzlich erfordern die Einbauten größere Baulängen, wodurch die bekannten Armaturen materialintensiv sind und auch verteuert werden.

Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, die Bandsicherung mit oder ohne vorheriger Umlenkung der Detonationsfront und weitgehend reflexionslos gleichmäßig unter gleichzeitiger Verkürzung der Baulänge zu beaufschlagen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, dass die anlaufende Detonationsfront auf einen bandsicherungsartigen Vorfilter mit spaltähnlichen Kanälen zum Aufteilen der Detonationsfrontgelenkt gelenkt wird, wobei die Spaltweiten der Kanäle deutlich über der Normspaltweite des jeweiligen Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches und die Spaltlänge der Kanäle deutlich über denen der Bandsicherung in Abhängigkeit der Art, Temperatur und des Druckes des Gas/Luft- bzw. Dampf/Luft-Gemisches eingestellt werden.

Es haben sich Spaltweiten der Kanäle von mindestens 10 bis 200, vorzugsweise 80%, größer als die Spaltweite der Bandsicherung und Spaltlängen der Kanäle von mindestens das 1- bis 20-fache, vorzugsweise 6,3-fache der Spaltlänge der Bandsicherung, als vorteilhaft erwiesen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Teilreaktionsfronten der Detonationsfront in Größe und Richtung gleichmäßig ausgebildet sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Aufteilung der Detonationsfront in Teilreaktionsfronten vor oder nahe der Bandsicherung, so dass die Bandsicherung nahezu laminar über die gesamte Einbaufläche weitgehendst ohne Transversalstöße beaufschlagt wird.

Die Aufgabe wird weiterhin mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, dass auf der der Zündquelle zugewandten Seite des Gehäuseteils nahe der Bandsicherung parallel zu dieser ein bandsicherungsartiger Vorfilter angeordnet ist, dessen Spaltweite deutlich über der Normspaltweite des jeweiligen Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches und deutlich über der Spaltlänge der Bandsicherung liegt.

Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Spaltweite des Vorfilters mindestens 10 bis 200, vorzugsweise 80%, über der Spaltweite der Bandsicherung.

Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Spaltlänge des Vorfilters die Spaltlänge der Bandsicherung um mindestens das 1- bis 20-fache, vorzugsweise 6,3-fache, übersteigt.

Bandsicherung und Vorfilter sind zweckmäßig durch ein sternförmiges Abstandselement beabstandet, wobei in den Raum zwischen Bandsicherung und Vorfilter ein Temperaturfühler hineinragend angeordnet ist.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Vorfilter direkt auf der Bandsicherung aufgesetzt angeordnet. Dadurch ist es möglich, die Baulänge der Armatur extrem zu verkürzen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Vorfilter dem Stoßfang vor- und/oder nachgeordnet oder in oder am Stoßfang angeordnet.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die auf den Vorfilter auftreffende Detonationsfront durch die langen engen Kanäle des Vorfilters in eine Vielzahl von Teilreaktionsfronten unter erheblicher Dämpfung des mechanischen Druckstoßes vereinzelt werden. Über die Grenzschichten der Kanalwände erfolgt ein Entzug der Wärmeenergie, der zu einer Schwächung der Flammenfront führt. Beim Durchströmen dieser Kanäle des Vorfilters werden die Turbulenzen der Teilreaktionsfronten erheblich vermindert. Transversalstöße werden weitgehend unterdrückt, so dass der Detonationsfront die wichtigste Triebkraft entzogen ist.

All diese Merkmale führen dazu, dass beim Austreten der Teilreaktionsfronten aus dem Vorfilter eine nahezu laminare Ausbreitung vorliegt.

Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich, die aus der Detonation herrührenden Druckstöße ohne Stoßfang oder Reflexionswände bei geringem Druckverlust unter Reduzierung der Baulänge der Armaturen abzubauen.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine prinzipielle Anordnung von Flammensperre und Vorfilter ohne Stoßfang als Durchgangsbauform bei einseitiger Beaufschlagung,
2 eine Variante gemäß 1, jedoch mit beidseitiger Beaufschlagung,
3 eine weitere Variante gemäß 1 in Eckbauform bei einseitiger Beaufschlagung,
4a–4c Anordnungen von Bandsicherungen und Vorfilter mit Stoßfang als Durchgangsbauform bei einseitiger Beaufschlagung und
5 eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung, in der der Vorfilter direkt auf die Bandsicherung aufgesetzt ist.
In einer Rohrleitung 1, die zu einem nicht dargestellten Behälter mit explosionsfähigem Gas/Luft-Gemisch führt, ist in axialer Richtung die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 mittels Flansch 3 befestigt. Die Vorrichtung 2 besteht aus einem Gehäuseteil 4 und einem Gehäuseteil 5. Die aus einer vierfachen Bandsicherung 6, Abstandselementen 8 und 10 bestehende Flammensperre 7 ist nach 1 senkrecht zur Rohrachse bzw. Gehäuseachse zwischen den beiden Gehäuseteilen 4 und 5 eingespannt. Die Bandsicherung 6 stützt sich an dem innenseitig am Gehäuseteil 4 anliegenden sternförmigen Abstandselement 8 ab.
sIn dem hier gewählten Beispiel weisen die Bandsicherungen 6 eine Spaltweite von 0,5 mm und eine Spaltlänge von 10 mm auf. In dem zur Zündquelle hin liegenden Gehäuseteil 5 liegt senkrecht zur Rohrachse ein Vorfilter 9 ein, der sich an dem sternförmigen Auflageelement 10 der Flammensperre 7 abstützt. Der Vorfilter 9 besteht aus einem bandsieherungsartigen Ellement mit einer Spaltweite von 0,9 mm und einer Spaltlänge von 63 mm. Der Vorfilter 9 befindet sich im kürzesten Abstand von der eigentlichen Flammensperre 7 entfernt.
Bei Detonation eines beispielsweise Äthylen/Luft-Gemisches bewegt sich die Detonationsfront auf den Vorfilter 9 zu und dringt in die im Vorfilter 9 durch die Spaltweite der einzelnen Lagen der Bandsicherung gebildeten voneinander getrennten Kanäle ein. Es erfolgt eine Aufteilung der Detonationsfront in nebeneinander liegende parallele Teilrekationsfronten, die sich durch die Kanäle der Bandsicherung bewegen. Den einzelnen Fronten wird beim Durchlaufen der Kanäle Wärmeenergie entzogen und die Turbulenzen werden erheblich vermindert.
In dem hier gewählten Beispiel wurde die Spaltweite des Vorfilters 9 auf über 80% der Spaltweite der Bandsicherung 6 der Flammensperre 7 eingestellt. Er liegt somit signifikant über der Normspaltweite des Äthylen/Luft-Gemisches. Die gewählte Spaltlänge beträgt das 6,3-fache der Spaltlänge der eigentlichen Bandsicherung 6.
In den 2 und 3 sind entsprechende Ausführungsvarianten der Erfindung dargestellt.
4 zeigt die Kombination von Stoßfang 11 und Vorfilter 9, wobei der Vorfilter je nach Erfordernis vor, hinter, am oder im Stoßfang 11 vorgesehen sein. kann, ohne die Erfindung zu verlassen.
Eine weitere Variante einer Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt die 5 dar. In dieser Variante ist der Vorfilter 9 direkter Bestandteil der Bandsicherung 6. Die durch den Vorfilter 9 vereinzelten Teilreaktionsfronten der Detonationsfront treffen direkt auf die Bandsicherung 6 auf.

1: Rohrleitung
2: Vorrichtung
3: Flansch an 1
4: Gehäuseteil
5: Gehäuseteil
6: Bandsicherung
7: Flammensperre
8: Abstandselement
9: Vorfilter
10: Abstandselement
11: Stoßfang

Claims

Verfahren zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren, insbesondere Bandsicherungen, bei Detonationen eines brennbaren Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches in Anlagen-, Behälter- und Rohrleitungssystemen, bei dem die anlaufende Detonationsfront in eine Vielzahl von Teilreaktionsfronten aufgeteilt wird, die unmittelbar anschließend umlenkungsfrei und nahezu laminar der Bandsicherung zum Löschen etwaiger Flammen zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die anlaufende Detonationsfront auf einen bandsicherungsartigen Vorfilter mit spaltähnlichen Kanälen zum Aufteilen der Detonationsfrontgelenkt gelenkt wird, wobei die Spaltweiten der Kanäle deutlich über der Normspaltweite des jeweiligen Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches und die Spaltlänge der Kanäle deutlich über denen der Bandsicherung in Abhängigkeit der Art, Temperatur und des Druckes des Gas/Luft- bzw. Dampf/Luft-Gemisches eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltweite der Kanäle auf mindestens 10 bis 200%, vorzugsweise 80%, größer als die Spaltweite der Bandsicherung und die Spaltlänge der Kanäle auf mindestens das 1- bis 20-fache, vorzugsweise 6,3-fache, der Spaltlänge der Bandsicherung, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilreaktionsfronten der Detonationsfront in Größe und Richtung gleichmäßig ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Detonationsfront in Teilreaktionsfronten vor oder nahe der oder unmittelbar an der Bandsicherung durchgeführt wird, so dass die Bandsicherung über ihre gesamte Einbaufläche weitgehendst ohne Transversalstöße beaufschlagt wird.
Vorrichtung zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren, insbesondere Bandsicherungen, bei Detonationen eines brennbaren Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches in Anlagen-, Behälter- und Rohrleitungssystemen, mit in Rohrachsenrichtung liegenden Gehäuseteilen in Durchgangs- oder Eckbauform und einer darin senkrecht zu dieser Achse angeordneten trockenen Flammensperre aus mindestens einer Bandsicherung mit oder ohne einen zur Zündquelle hin gerichteten Stoßfang, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Zündquelle zugewandten Seite des Gehäuseteils (3) nahe der Bandsicherung (6) parallel zu dieser ein bandsicherungsartiger Vorfilter (9) angeordnet ist, dessen Spaltweite deutlich über der Normspaltweite des jeweiligen Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches und deutlich über der Spaltlänge der eigentlichen Bandsicherung (6) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltweite des Vorfilters (9) mindestens 10 bis 200, vorzugsweise 80%, größer ist als die Spaltweite der Bandsicherung (6).
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltlänge des Vorfilters (9) die Spaltlänge der Bandsicherung (6) mindestens um das 1- bis 20-fache, vorzugsweise 6,3-fache, übersteigt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfilter (9) direkt auf der Bandsicherung (6) aufgesetzt angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Bandsicherung (6) und Vorfilter (9) durch ein sternförmiges Abstandselement (10) beabstandet sind, wobei in den Raum zwischen Bandsicherung (6) und Vorfilter (9) mindestens ein Temperaturfühler hineinragend angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfilter (8) dem Stoßfang (11) vor- und/oder nachgeordnet angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfilter (9) im oder am Stoßfang (11) angeordnet ist.