Verfahren und Vorrichtung zum Dämpfen des Druckstoßes an Flammensperren bei Detonationen
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 Detonationsf ont aufgeteilt wird.
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 Gehauseteilen in Durchgangs- und Eckbauform und einer senkrecht zu dieser Achse angeordneten, zwischen den Gehauseteilen eingespannten trockenen Flammensperre aus mindestens einer Bandsicherung mit oder ohne einen zur Zundquelle hin gerichteten
Stoßfang .
Detonationssicherungen sind Elemente des konstruktiven Explosionsschutzes, die in Behaltern, 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 Lange 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 fla menloschenden Spalte beruht, müssen deshalb hohen mechanischen und thermischen Belastungen standhalten. Um diese Belastungen zu reduzieren, setzt der Stand der Technik auf der der Zundquelle 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 halbzylmderformigen Reflexionswand besteht, welche einen Großteil der Energie der Druckstoßwellen aufnimmt und den Druckstoß reduziert. Ähnliche Losungen schlagt der Stand der Technik m der DE 1 075 501 und DE 1 192 980 vor .
Aus der EP 0 375 455 AI ist weiterhin ein topfformiger Stoßfang bekannt, der in Richtung zur Zundquelle vor den Bandsicherungen angeordnet ist und die Energie einer möglichen Detonation abschwachen soll.
Diese bekannten Losungen mindern zwar den Druckstoß auf die Bandsicherung, fuhren jedoch zur Erhöhung der Turbulenzen in der Flammenfront, so dass insbesondere bei ungunstigen Bedingungen, beispielsweise bei einer instabilen Detonation, unerwünschte Druckspitzen entstehen. Des weiteren besteht die Gefahr, dass sich hinter den Einbauten durch Reflexion an der Gehausewand neue Detonationsfronten aufbauen, deren Druckspitzen unmittelbar auf die Bandsicherung wirken und einen Flammendurchschlag verursachen.
Diese Nachteile versucht die DE 44 38 797 Cl dadurch zu beheben, dass zwischen Stoßfang und Flammensperre m kürzestem Abstand parallel zu der Flammensperre Stromungsgleichrichter angeordnet sind, die eine freie Stromungsflache aufweisen, welche dem 0,5 bis 2,0-fachen des Anschluß-Nennweitenquerschnittes der Rohrleitung entspricht .
Eine andere bekannte Losung des Standes der Technik
(DE 195 36 292 C2) sieht vor, die anlaufende
Detonationsfront aufzuteilen und in einem Expansionsraum wieder zusammenzufuhren. 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 m den Expansionsraum dieser Verbrennungsgase der Nebenfront enthalt. 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 Losungen fuhren infolge ihrer im Stromungsweg befindlichen Einbauten oder durch zusätzliche Leitungen bzw. Reflexionswande zum Umlenken und Aufteilen der Detonationsfront zu hohen Druckverlusten und zu Problemen in der Reproduzierbarkeit im Betriebsverhalten der Armaturen. Zusätzlich erfordern die Einbauten größere Baulangen, 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 Baulange zu beaufschlagen.
Diese Aufgabe wird durcn ein Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelost, dass die Aufteilung der Detonationsfront durch spaltahnliche Kanäle relativ großer Lange m eine Vielzahl von Teilreaktionsfronten erfolgt, denen bei Durchlaufen der Kanäle Wärmeenergie und kinetische Energie entzogen wird und die unmittelbar anschließend nahezu laminar und umlenkungsfrei der Bandsicherung zum Loschen etwaiger Flammen zugeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfmdungsgemaßen Verfahren werden zur Aufteilung der Detonationsfront die Spaltweiten der Kanäle deutlich über den Normspaltweiten des jeweiligen Gas/Luft- und/oder Dampf/Luft-Gemisches und die Spaltlangen der Kanäle deutlich über denen der Bandsicherung in Abhängigkeit der Art, Temperatur unα des DrucKes des Gas/Luft- bzw. Dampf/Luft-Gemisches eingestellt.
Es haben sich Spaltweiten der Kanäle von mindestens 10 bis 200%, vorzugsweise 80%, großer als die Spaltweite der Bandsicherung und Spaltlangen der Kanäle von mindestens das 1- bis 20-fache, vorzugsweise 6, 3-fache der Spaltlange der Bandsicherung, als vorteilhaft erwiesen.
Eine weitere bevorzugte Ausfuhrungsform des erfmdungsgemaßen Verfahrens sieht vor, dass die Teilreaktionsfronten der Detonationsfront Große und Richtung gleichmaßig ausgebildet sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens erfolgt die Aufteilung der Detonationsfront in Teilreaktionsfronten vor oder nahe der Bandsicherung, so dass die Bandsicherung nahezu laminar über die gesamte Einbauflache weitgehendst ohne Transversalstόße beaufschlagt wird.
Die Aufgabe wird weiterhin mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch gelost, dass auf der der Zundquelle zugewandten Seite des Gehauseteils 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 Spaltlange der Bandsicherung liegt.
Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal der erf dungsgemaßen Vorrichtung liegt die Spaltweite des Vorfilters mindestens 10 bis 200%, vorzugsweise 80%, über der Spaltweite der Bandsicherung.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der erfindungsgemaßen Vorrichtung sieht vor, daß die Spaltlange des Vorfilters
die Spaltlange der Bandsicherung um mindestens das 1- bis 20-fache, vorzugsweise 6,3-fache, übersteigt.
Bandsicherung und Vorfilter sind in zweckmäßig durch ein sternförmiges Abstandselement beabstandet, wobei in den
Raum zwischen Bandsicherung und Vorfilter ein Temperaturfühler hineinragend angeordnet ist.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der erfmdungsgemaßen
Vorrichtung ist der Vorfilter direkt auf der Bandsicherung aufgesetzt angeordnet. Dadurch ist es möglich, die Baulange der Armatur extrem zu verkurzen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Vorfilter dem Stoßfang vor- und/oder nachgeordnet oder in oder am Stoßfang angeordnet.
Die erf dungsgemaße Losung 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
Dampfung des mechanischen Druckstoßes vereinzelt werden.
Über die Grenzschichten der Kanalwande erfolgt ein Entzug der Wärmeenergie, der zu einer Schwächung der Flammenfront fuhrt. Beim Durchströmen dieser Kanäle des Vorfilters werden die Turbulenzen der Teilreaktionsfronten erheblich vermindert .
Transversalstoße werden weitgehend unterdruckt, so dass der Detonationsfront die wichtigste Triebkraft entzogen
All diese Merkmale fuhren 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 Druckstoße ohne Stoßfang oder Reflexionswande bei geringem Druckverlust unter Reduzierung der Baulange der Armaturen abzubauen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefugten Zeichnungen.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel naher erläutert werden.
Es zeigen: Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung von
Flammensperre und Vorfilter ohne Stoßfang als Durchgangsbauform bei einseitiger Beaufschlagung,
Fig. 2 eine Variante gemäß Fig. 1, jedoch mit beidseitiger Beaufschlagung,
Fig. 3 eine weitere Variante gemäß Fig. 1 in Eckbauform bei einseitiger Beaufschlagung,
Fig. 4a - 4c Anordnungen von Bandsicherungen und
Vorfilter mit Stoßfang als Durchgangsbauform bei einseitiger Beaufschlagung und
Fig. 5 eine weitere Ausfuhrungsvariante der
Erfindung, in der der Vorfilter direkt auf die Bandsicherung aufgesetzt ist.
In einer Rohrleitung 1, die zu einem nicht dargestellten Behälter mit explosionsfahigem Gas/Luft-Gemisch fuhrt, ist in axialer Richtung die erfindungsgemaße Vorrichtung 2 mittels Flansch 3 befestigt. Die Vorrichtung 2 besteht aus einem Gehäuseteil 4 und einem Gehauseteil 5. Die aus einer vierfachen Bandsicherung 6, Abstandselementen 8 und 10 bestehende Flammensperre 7 ist nach Fig. 1 senkrecht zur Rohrachse bzw. Gehauseachse zwischen den beiden Gehauseteilen 4 und 5 eingespannt. Die Bandsicherungen 6 stützt sich an dem innenseitig am Gehauseteil 4 anliegenden sternförmigen Abstandselement 8 ab. In 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 bandsicherungsartigen Ellement mit einer Spaltweite von 0,9 mm und einer Spaltlange von 63 mm. Der Vorfilter 9 befindet sich im kürzesten Abstand von der eigentlichen Flammensperre 7 entfernt. Bei Detonation eines beispielsweise Athylen/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 Athylen/Luft- Gemisches. Die gewählte Spaltlange betragt das 6,3-fache der Spaltlange der eigentlichen Bandsicherung 6.
In den Fig. 2 und 3 sind entsprechende Ausfuhrungsvarianten der Erfindung dargestellt.
Fig. 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 Fig. 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.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
Rohrleitung 1 Vorrichtung 2
Flansch an 1 3
Gehäuseteil 4
Gehäuseteil 5
Bandsicherung 6 Flammensperre 7
Abstandselement 8
Vorfilter 9
Abstandselement 10
Stoßfang 11
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen