DE19957837A1

DE19957837A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren bei Detonationen

Info

Publication number: DE19957837A1
Application number: DE1999157837
Authority: DE
Inventors: Reiner Kurt Packebusch; Horst Guenter Winkler; Juergen Baschin
Original assignee: Rmg Gaselan Regel & Mestechnik
Current assignee: Rmg Gaselan Regel & Mestechnik
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2019-11-26
Also published as: WO2001041876A3; DE19957837C2; WO2001041876A2; AU2504201A; EP1224013A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren, insbesondere Flammensperren, bei Detonationen eines brennbaren Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches in Anlagen-, Behälter- und Rohrleitungssystemen, bei dem die anlaufende Detonationsfront aufgeteilt wird. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die Bandsicherung ohne vorherige Umlenkung unter weitgehender Vermeidung von Turbulenzen und bei gleichzeitiger Verkürzung der Baulänge gleichmäßig beaufschlagt und ein Flammendurchschlag sicher verhindert wird. DOLLAR A Die anlaufende Detonationsfront wird in eine Vielzahl von Teilreaktionsfronten aufgeteilt und vergleichmäßigt, die sich nachfolgend in einem Bewegungs- und Wärmeenergie absorbierenden Medium mit stochastisch verteilten Strömungswegen ungerichtet ausbreiten und gegeneinanderlaufen können. Die abströmenden Teilreaktionsfronten werden anschließend zu einer nahezu laminaren Reaktionsfront vergleichsmäßigt, die dann der eigentlichen Bandsicherung zuströmt, um etwaige Flammen zu löschen. Das absorbierende Medium besteht aus einem gasdurchlässigen Paket mit einer unregelmäßigen Packung aus absorbierenden Körpern, beispielsweise Federstahl-Drahtwendel, Gewirke, Gestricke oder Schaummetalle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren, insbesondere Bandsicherungen, bei Detonation eines brennbaren Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches in Anlagen-, Behälter- und Rohrleitungssystemen, bei dem die anlaufende Detonationsfront aufgeteilt wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren, insbesondere Bandsicherungen, bei Detonation 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, zwischen den Gehäuseteilen eingespannten trockenen Flammensperre aus mindestens einer Bandsicherung.

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 werden, 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 10 75 501 und DE 11 92 980 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.

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.

Aus der US-PS 5 145 360 ist eine Detonationssicherung bekannt, bei der mittels eines Diffusors die Detonationsfront aufgeteilt wird und die Teilströme einer Füllkörperpackung aus Stahlkugeln zugeführt wird. Eine Flammensperre, die eventuell auftretende Flammen zum Erlöschen bringen, ist in dieser bekannten Lösung nicht vorgesehen, so dass diese Armatur insbesondere bei instabilen Detonationen einem Flammendurchschlag nicht sicher verhindert.

Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die Bandsicherung ohne vorherige Umlenkung unter weitgehender Vermeidung von Turbulenzen und bei gleichzeitiger Verkürzung der Baulänge gleichmäßig beaufschlagt und ein Flammendurchschlag sicher verhindert wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung durch folgende Schritte gelöst:

a) Aufteilen und Gleichrichten der anlaufenden Detonationsfront in eine Vielzahl von Teilreaktionsfronten,
b) ungerichtetes Ausbreiten und Gegeneinanderlaufen der gleichgerichteten Teilreaktionsfronten des Schrittes a) in einem Absorptionsmedium mit stochastisch verteilten Strömungswegen,
c) Vergleichmäßigen der abströmenden Teilreaktionsfronten des Schrittes b) zu einer nahezu laminaren Reaktionsfront und
d) Zuführen der Reaktionsfront des Schrittes c) auf die Bandsicherung zum Löschen etwaiger Flammen.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gleichrichten der anlaufenden Detonationsfront und das Vergleichmäßigen der abströmenden Teilreaktionsfronten an einem Lochblech oder Drahtgeflecht durchgeführt.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Aufteilen und Gleichrichten der anlaufenden Detonationsfront in Teilreaktionsfronten sowie das ungerichtete Ausbreiten und Vergleichmäßigen der ablaufenden Reaktionsfront vor oder nahe oder unmittelbar an der Bandsicherung durchgeführt wird, so dass die Bandsicherung nahezu laminar über ihre gesamte Einbaufläche beaufschlagt wird.

Die Aufgabe wird weiterhin mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, dass auf der der Zündquelle zugewandten Seite des Gehäuseteils mindestens ein zur Bandsicherung parallel vorgeordnetes, gasdurchlässiges Paket mit einer unregelmäßigen Packung aus Bewegungs- und Wärmeenergie absorbierenden Körpern angeordnet ist.

In einem weiteren bevorzugten Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen die Absorptionskörper aus metallischen und/oder keramischen Werkstoffen, vorzugsweise Federstahl- Drahtwendeln, Gewirke, Gestricke oder Schaummetalle.

Als besonders vorteilhaft haben sich Federstahl-Drahtwendel mit einer Packungsdichte von etwa 1,3 kg/dm³ erwiesen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Packung in einem die Absorptionskörper aufnehmenden, an der Innenwand des Gehäuseteils befestigten, einen Hohlkörper bildenden Paket untergebracht. Der Hohlkörper besitzt Öffnungen zum Durchtritt der Volumenströme, wobei der Hohlkörper zweckmäßig aus einem Lochblech, Streckmetall oder Drahtgeflecht geformt ist.

Das Paket kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung natürlich auch aus die Absorptionskörper einspannenden Begrenzungsscheiben mit Öffnungen gebildet sein, ohne die Erfindung zu verlassen.

Zweckmäßig ist es, wenn das Paket in einer strömungsgünstigen, einen geringen Druckverlust verursachenden Form, vorzugsweise kegel- oder klöpperbodenförmig ausgebildet ist. Auch andere Formen wie zylinderförmige Formen mit in Gehäuseachse liegender Achse sind möglich, wobei in diesem Fall in den Boden- und Mantelflächen die Öffnungen zum Durchtritt der Volumenströme eingearbeitet sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist die Packung aus Absorptionskörpern als auswechselbare Kassette ausgebildet.

In bevorzugter zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sind Bandsicherung und Paket durch ein Abstandselement beabstandet, wobei in dem Raum zwischen Bandsicherung und Paket mindestens ein Temperaturfühler angeordnet ist.

Eine weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, dass das Paket direkt auf der Bandsicherung aufgesetzt angeordnet ist. Die Absorptionskörper können in weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung direkt als Schüttung auf der Bandsicherung angeordnet und durch die mit Öffnungen versehene Begrenzungsscheibe in der gewünschten Packungsdichte gehalten sein.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, dass die Absorptionskörper als Schüttung direkt in dem der Zündquelle zugewandten Gehäuseteil eingebracht ist und sich auf der Flammensperre abstützt.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die anlaufende Detonationsfront beim Auftreffen auf das Lochblech des Paketes in eine der Anzahl der Öffnungen im Lochblech entsprechende Zahl von Teilreaktionsfronten unterteilt wird. Die Teilreaktionsfronten treffen auf die im Paket befindlichen, unregelmäßig gepackten, Energie absorbierenden Körper, beispielsweise Federstahl-Drahtwendel. Durch diese absorbierenden Körper wird die Kollision der Transversalstöße unterdrückt und der Detonationsfront der notwendige Ausbreitungsmechanismus entzogen. Die vergleichmäßigte Reaktionsfront trifft beim Abströmen auf die eigentliche Bandsicherung auf.

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

Weitere Vorteile und 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:

Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung von Flammensperre und Packung als Durchgangsbauform bei einseitiger Beaufschlagung,

Fig. 2 ein Beispiel eines Drahtwendel-Füllkörpers,

Fig. 3 eine Variante gemäß Fig. 1, jedoch mit beidseitiger Beaufschlagung,

Fig. 4 eine weitere Variante gemäß Fig. 1 in Eckbauform bei einseitiger Beaufschlagung und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung, in der das Paket mit seinen Absorptionskörpern direkt auf der 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 und einem Abstandselement 8 bestehende Flammensperre 7 ist nach Fig. 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 Auflageelement 8 ab.

In dem zur Zündquelle hin liegenden Gehäuseteil 5 ist senkrecht zur Rohrachse vor der Bandsicherung 6 ein Paket 9 in Form eines kegelschalenförmigen Hohlkörpers an der Innenwand des Gehäuseteiles 5 befestigt. Der Hohlkörper ist aus Lochblech gefertigt. Durch die Öffnungen 11 im Lochblech gelangt die anlaufende Detonationsfront in Form von aufgeteilten gleichgerichteten Teilreaktionsfronten in das Innere des Paketes 9. Im Hohlkörper sind Absorptionskörper 12 in Form von Federstahl-Drahtwendel (siehe Fig. 2) ungeordnet mit einer Packungsdichte von 1,3 kg/dm³ eingeschlossen. Die Kegelspitze 13 des Hohlkörpers ist zur Zündquelle hin ausgerichtet.

Bei Detonation eines beispielsweise Äthylen/Luft-Gemisches breiten sich die gleichgerichteten Teilreaktionsfronten in der Packung 9 aus. Durch die Federn als akustisch absorbierender Körper im Hohlkörper wird die Kollision der Transversalstöße unterdrückt und der Detonationsfront ihr Ausbreitungsmechanismus entzogen.

In dem hier gewählten Beispiel wurden Federn mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Höhe von 9 mm eingesetzt. Nach Durchlaufen der Packung wird durch die Öffnungen 11 im stromabwärts gelegenen Lochblech eine Vergleichmäßigung der abströmenden Reaktionsfront erreicht und diese trifft nahezu laminar auf die eigentliche Bandsicherung zum Löschen etwaiger Flammen.

Zwischen Bandsicherung 6 und Paket 9 ist zum Zwecke der Temperaturmessung ein nicht dargestellter Temperaturfühler eingebracht.

In den Fig. 3 und 4 sind entsprechende Ausführungsvarianten der Erfindung dargestellt.

Eine weitere Variante einer Ausführung der Erfindung stellt Fig. 5 dar. In dieser Variante ist das Paket 9 direkter Bestandteil der Flammensperre 7.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Rohrleitung

2

Vorrichtung

3

Flansch an

1

4

Gehäuseteil

5

Gehäuseteil

6

Bandsicherung

7

Flammensperre

8

Auflageelement

9

Packung

10

Hohlkörper

11

Öffnungen in

10

12

Absorptionskörper

13

Kegelspitze
DN Nennweitenquerschnitt

Claims

1. Verfahren zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren, insbesondere Bandsicherungen, bei Detonation eines brennbaren Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches in Anlagen-, Behälter- und Rohrleitungssystemen, bei dem die anlaufende Detonationsfront aufgeteilt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Aufteilen und Gleichrichten der anlaufenden Detonationsfront in eine Vielzahl von Teilreaktionsfronten;
b) ungerichtetes Ausbreiten und Gegeneinanderlaufen der gleichgerichteten Teilreaktionsfronten des Schrittes a) in einem Absorbtionsmedium mit stochastisch verteilten Strömungswegen;
c) Vergleichmäßigen der abströmenden Teilreaktionsfronten des Schrittes b) zu einer nahezu laminaren Reaktionsfront und
d) Zuführen der Reaktionsfront des Schrittes c) auf die Bandsicherung zum Löschen etwaiger Flammen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichten der anlaufenden Detonationsfront und das Vergleichmäßigen der abströmenden Teilreaktionsfronten an einem Lochblech oder Drahtgeflecht durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorptionsmedium eine unregelmäßige Packung aus metallischen und/oder keramischen Werkstoffen, vorzugsweise Federstahl-Drahtwendel, Gewirke, Gestricke oder Schaummetalle, eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufteilen und Gleichrichten der anlaufenden Detonationsfront, das ungerichtete Ausbreiten und Vergleichmäßigen der ablaufenden Reaktionsfront vor oder nahe oder unmittelbar an der Bandsicherung durchgeführt wird, so dass die Bandsicherung nahezu laminar über ihre gesamte Einbaufläche beaufschlagt wird.

5. 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, zwischen den Gehäuseteilen eingespannten trockenen Flammensperre aus mindestens einer Bandsicherung, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Zündquelle zugewandten Seite des Gehäuseteils (5) mindestens ein zur Bandsicherung (6) parallel vorgeordnetes, gasdurchlässiges Paket (9) mit einer unregelmäßigen Packung (10) aus Bewegungs- und Wärmeenergie absorbierenden Körpern (12) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskörper (12) aus metallischen und/oder keramischen Werkstoffen, vorzugsweise Federstahl-Drahtwendeln, Gewirke, Gestricke oder Schaummetalle, bestehen.

7. Vorrichtung, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsdichte der Federstahl-Drahtwendel etwa 1,3 kg/dm³ beträgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Paket (9) als ein Hohlkörper mit Öffnungen (11) zum Durchtritt der an- und ablaufenden Volumenströme ausgebildet, und aus Lochblech, Drahtgeflecht oder Streckmetall geformt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Paket (9) aus die Absorptionskörper einspannenden Begrenzungsscheiben mit Öffnungen gebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Paket (9) in einer strömungsgünstigen Form, vorzugsweise als Kegel, ausgebildet ist, dessen Kegelspitze (13) vorzugsweise der Zündquelle zugewandt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Paket (9) klöpperbodenartig ausgebildet ist, dessen tiefster Punkt vorzugsweise der Zündquelle zugewandt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Paket (9) als ein Zylinder ausgebildet ist, in dessen Boden- und Mantelflächen die Öffnungen (11) eingearbeitet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 12, dadurch, gekennzeichnet, dass das Paket (9) mit seinen Körpern (12) als auswechselbare Kassette ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandsicherung (6) und das Paket (9) durch ein Abstandselement beabstandet sind, wobei in den, Raum zwischen Bandsicherung und Paket (9) mindestens ein Temperaturfühler hineinragend angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Paket (9) direkt auf der Bandsicherung, (6) aufgesetzt angeordnet oder direkter Bestandteil der Flammensperre (7) ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskörper (12) als Schüttung direkt in dem der Zündquelle zugewandten Gehäuseteil (5) eingebracht und mit der Begrenzungsscheibe auf die Bandsicherung (6) gedrückt gehalten ist.