Ex.CE.L Unternehmensberatung und Arbeitsschutz
Ingenieur- und Sachverständigenbüro
Dipl.-Ing. (mult.) Mario Kräft

Leitender Sicherheitsingenieur
Beratender Ingenieur
Sachverständiger für Explosionsschutz

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Das Erscheinungsbild des Flammendurchschlages bezüglich der Deflagration, Detonation und des anstehenden Dauerbrandes

Der Flammendurchschlag bei Deflagrationen

Verschiedene Parameter sind für einen Flammendurchschlag durch eine Flammensperre von Bedeutung. Zum Einen ist da die körperliche Beschaffenheit des von der Explosion betroffenen Raumes zu nennen. Dabei ist es schon wichtig, ob sich die Explosion nur in Form einer Wolke unter freiem Himmel abspielt oder ob sie in einem druckfesten umschlossenen Raum, in einem Druckbehälter oder einer entsprechend ausgelegten Rohrleitung stattfindet. Weiterhin sind der Zündort und die Zündquellen von Bedeutung. Als nächster Punkt von Einfluss ist die Frage, ob sich das Gemisch im ruhenden oder Strömungszustand befindet, und wenn es sich in Strömung befindet, kommt es darauf an, mit welcher Durchflussmenge [m³/h] zu rechnen ist. Weiterhin kommt es darauf an, welche Gemischzusammensetzung vorliegt, ob sie zum Beispiel sehr mager, stöchiometrisch oder zu fett ist. Im Übrigen ist neben der Bauart der Flammensperre von großer Bedeutung wo der Einbauort der flammendurchschlagsicheren Armatur liegt. So werden unterschiedliche Versuchsergebnisse erzielt beim Einbau der Armatur in einer geraden Rohrleitung, im Nebenschluss und bei verschiedenen Verhältnissen von Einbaulänge zum Nenndurchmesser der Flammensperre bezüglich des Zündortes.

Die wichtigen Einflüsse auf Flammendurchschlagsicherungen sind die Flammengeschwindigkeit und der sich vor der Sperre aufbauende Druck nach dem Zünden des Gemisches. Die von der Sperre zu löschende Flamme ist z. B. schneller, wenn die Zündung in relativ großer Entfernung von der Sperre in einem explosionsdruckfest ausgelegten Rohr oder Druckbehälter stattfindet, da hier die Flammensperre einem höheren Druck ausgesetzt wird, als bei der Zündung in der Nähe der Sperre oder bei relativ kurzer Rohrleitungs-Vorlänge. Die Ursache hierfür ist das expansive Verhalten des nach Reaktionsbeginn verbrennenden Gasgemisches bei langer Vorleitung.

Es kann aber auch von Bedeutung sein, ob bei strömenden Gemischen die Zündung hinter Sperre erfolgt. Einerseits kann dies bewirken, daá eine an der Flamme anstehende Flamme, wegen der damit verbundenen Erwärmung der Flammensperre die Spaltgeometrie von Bandsicherungen derart verändert, dass es zu größeren und mithin nicht mehr zünddurchschlagsicheren Spaltweiten kommt. Andererseits kann es zum Flammendurchschlag bei dynamischen Flammensperren dadurch kommen, dass es zu einem abreißenden Volumenstrom aus dem vor der Sperre liegenden Vorratsvolumen kommt, und dadurch die stark erwärmten Verbrennungsprodukte die Sperre durch Hineinkriechen der anstehenden Flamme passieren können und so das aus dem Vorratsvolumen kommende Gasgemisch entzünden.

Man unterscheidet daher in nachbrand- und dauerbrandsichere Armaturen. So müssen nachbrandsichere Armaturen in Rohrleitungssystemen über bestimmte Zeiträume einen Flammendurchschlag verhindern können, also über genügend große Kühlflächen zur Wärmeableitung verfügen, während dauerbrandsichere Armaturen, die Rohrendsicherungen, auch bei dynamischer Ausführung mit zusätzlichen Schutzmaßnahmen zum Löschen der Flamme (wie z. B. Deckel mit Schmelzlot) ausgerüstet sind, falls es zum oben beschrieben Abriss des Volumenstromes kommen kann.

Der Flammendurchschlag bei Detonationen

Der Flammendurchschlag bei einer Detonationsrohrsicherung geschieht in sehr ähnlicher Weise, wie bei der Explosionsrohrsicherung, nur dass insbesondere bei großquerschnittigen Rohrleitungen zur Entkopplung der an die Detonationsreaktion geknüpften Stoßwelle ein so genannter, labyrinthartiger Stoßfang der eigentlichen Sperre vorgelagert eingebaut wird, um so für ein Totlaufen der der Flammenfront voreilenden Stoßwelle zu sorgen. Die Flamme trifft dann, wie bei einer Deflagration auf die Sperrschicht(en). 

Versuchsdetonationen werden, wie Versuchsdeflagrationen, sowohl in offenen Rohrleitungssystemen mit einem Nachgeschalteten Sack zur Beobachtung des Flammendurchschlages und zur Simulation eines unendlich großen Volumens hinter der Flamme unter Umgebungsdruck, als auch in geschlossenen Rohrleitungssystemen mit für den Detonationsanlauf ausreichend langen Vorleitungen, und größeren Gemischausgangsdrucken gegebenenfalls mit Zündvorvolumina in Form von Zündkammern erzeugt.

Flammendurchschlag bei anstehendem Dauerbrand

Um zu verhindern, dass der Flammendurchschlag entgegen der Strömungsrichtung des Gasgemisches durch die Flammensperre stattfinden kann,  muss dafür gesorgt werden, dass  es möglichst nie zu einem an einer Explosions- oder Detonationsrohrsicherung anstehenden Nachbrand kommen kann. Nur Rohrendsicherungen sind dauerbrandgeeignet. Bei diesen ist in ausreichender Weise gewährleistet, dass die durch  eine anstehende  Flamme entstehende Reaktionswärme so abgeführt werden kann, dass es z. B. bei Bandsicherungen nicht zu einer Verformung der Spaltgeometrie der Sperrschicht und mithin zu einem Hineinschlagen oder langsamen Hineinkriechen der Flamme in den zu schützenden Raum kommen kann (siehe "Der Flammendurchschlag bei Deflagrationen"). [2]

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