umwelt-online: VDI 3673 - Druckentlastung von Staubexplosionen (3)

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Staubexplosionen in Rohrleitungen können sich im Vergleich zu Behälterexplosionen wesentlich heftiger entwickeln. Mit zunehmender Rohrlänge muß mit Detonatidnen mit Flammengeschwindigkeiten bis zu 2000 m × s^-1 und kurzzeitigen lokalen Druckspitzen von mehr als 20 bar gerechnet werden. Das Entstehen von Detonationen ist abhängig vom Rohrdurchmesser und von der Staubkonzentration und um so wahrscheinlicher, je höher der KSt- Wert eines Staubes ist. An Endflanschen, Verengungen und Bögen können durch Vorkompression kurzzeitig noch höhere Drücke auftreten. Rohrleitungen, die nach PN 10 gebaut sind, halten vorgenannten Belastungen jedoch stand [5].

Damit im Explosionsfall in Rohrleitungen vergleichbare reduzierte Druckwerte wie bei der Behälterdruckentlastung erreicht werden, müssen Rohrleitungen je nach Geometrie und Festigkeit abschnittsweise radial entlastet werden. Dies ist wegen des Flammenaustritts nur bei Freianlagen möglich (Bild 17).

Bild 17. Explosionsdruckentlastete Rohrleitung (links) bei einer Holzstaubexplosion (rechts)

Wenn eine Rohrleitung in axialer Richtung entlastet wird, können hierdurch Vorkompressionseffekte an Endflanschen vermieden werden. Die Entlastung muß dann aber über den vollen Rohrquerschnitt erfolgen.

Als Druckentlastungseinrichtungen können sowohl Berstscheiben als auch Explosionsklappen verwendet werden.

12 Hybride Gemische

Unter hybriden Gemischen ist das gleichzeitige Auftreten von aufgewirbeltem brennbarem Staub und Brenngasen (z.B. Lösungsmitteldämpfe und brennbare Nebel) zu verstehen. Auch aufgrund ihrer Konzentrationsverhältnisse können sich nicht explosionsfähige Staub/Luft- und nicht explosionsfähige Brenngas/Luft-Gemische zu explosionsfähigen hybriden Gemischen addieren [1; 27]. Bild 18 zeigt für geschlossene Behälter den Zusammenhang zwischen

den Explosionskenngrößen brennbarer Stäube und z.B. dem Propangehalt in der Verbrennungsatmosphäre. Demnach verändert Brenngaszusatz den maximalen Explosionsüberdruck p_max nur unwesentlich. Die staubspezifische Kenngröße K_St unterliegt dagegen einem starken Einfluß: Sie wird mit zunehmendem Brenngasgehalt angehoben (Einstufung in eine höhere Staubexplosionsklasse möglich), erreicht die Explosionskenngröße des Brenngases und fällt erst oberhalb der stöchiometrischen Brenngaskonzentration wieder ab.

Bild 18. Einfluß des Propangehaltes in der Verbrennungsluft auf die Explosionskenngrößen brennbarer Stäube im geschlossenen Behälter (V=1 m³)

		Δ	optischer Aufheller
		o	Zellulose
		ζ[]	Erbsenmehl

Für die Dimensionierung des Flächenbedarfs bei hybriden Gemischen aus brennbaren Stäuben der Staubexplosionsklassen St 1 und St 2 mit Brenngasen und brennbaren Dämpfen, die ein dem Propan ähnliches Explosionsverhalten haben, ist daher in der Gleichung (3) für homogene Gemische (siehe Abschnitt 6.1.1)

• der maximale Explosionsüberdruck p_max =10 bar,
• die staubspezif. Kenngröße K_St = 500 bar × m × s^-1 zu setzen [1].

Gegebenenfalls sind die Explosionskenngrößen des betreffenden hybriden Gemisches zu bestimmen.

Bei hybriden Gemischen mit brennbaren Stäuben der Staubexplosionsklasse St 3 (K_St > 300 bar × m × s^-1) in Gegenwart von Brenngasen ist der Rat von Fachleuten einzuholen.

13 Instandhaltung

Druckentlastungseinrichtungen unterliegen einer Reihe von Einflüssen, die ihre Funktion so weit beeinträchtigen können, daß mit Ausfall der Schutzwirkung oder mit unbeabsichtigtem Ansprechen gerechnet werden muß. Druckentlastungseinrichtungen müssen deshalb in angemessenen Abständen überprüft, gewartet und gegebenenfalls instand gesetzt werden.

Berstscheiben können durch Korrosion, Druckwechselbeanspruchung, mechanische Materialabtragung und Alterung geschwächt werden. Explosionsklappen können ebenfalls durch Korrosion und Materialabtragung in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Gravierender ist hier jedoch im allgemeinen die Beeinträchtigung der Funktionssicherheit durch nicht sachgemäß durchgeführte Wartungsarbeiten (z.B. Verkleben durch Anstriche). Eine regelmäßige Inspektion ist notwendig. Explosionsklappen müssen nach dem Ansprechen im Explosionsfall auf weitere Verwendbarkeit überprüft werden.

Für die Wartung von Druckentlastungseinrichtungen anderer Bauart (z.B. Knickstab-Berstsicherungen, Scheiben in Klemmprofilen) ist die Stellungnahme des jeweiligen Herstellers bzw. von Fachleuten einzuholen.

14 Berechnungsbeispiele

In den folgenden Beispielen werden die empirischen Berechnungsgleichungen des Abschnittes 6 für die Explosionsdruckentlastung homogener und inhomogener Staub/Luft-Gemische in Behältern und Silos angewendet. Die Berechnungen wurden zur besseren Nachvollziehbarkeit auf zwei Stellen nach dem Komma durchgeführt, grundsätzlich ist jedoch bei der praktischen Anwendung der Gleichungen eine Aufrundung auf eine Stelle nach dem Komma zu empfehlen. Gegebenenfalls notwendige explosionstechnische Entkopplungsmaßnahmen [1; 7] wurden nicht berücksichtigt.

14.1 Einfluß der Behälterfestigkeit

auf die Entlastungsfläche bei homogener Staubverteilung in kubischen Behältern Für die Berechnung der mit einer Berstscheibe verschlossenen Entlastungsfläche a eines kubischen 20-m³