Ermittlung der Zündwahrscheinlichkeit mechanisch erzeugter

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Forschungsbericht 279

Forschungsbericht 279 Berlin2007

Dipl.-Ing.ThomasGrunewaldDr.-Ing.RainerGrätz

Ermittlung der Zündwahrscheinlichkeit mechanisch erzeugter Schlagfunken in explosionsfähigen Brenngas/Luft- Gemischen −UntersuchungderWerkstoffkombinationStahl/Stahl−

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ImpressumForschungsbericht279: Ermittlung der Zündwahrscheinlichkeit mechanisch erzeugter Schlagfunken in explosionsfähigen Brenngas/Luft-Gemischen −UntersuchungderWerkstoffkombinationStahl/Stahl−

2007

Herausgeber:BundesanstaltfürMaterialforschungund-prüfung(BAM)UnterdenEichen87�2205BerlinTelefon: +49308�04-0Telefax: +49308��2029E-Mail: [email protected]:www.bam.de

Copyright©2007byBundesanstaltfürMaterialforschungund-prüfung(BAM)

Umschlag:LutzMittenzweiLayout:BAM-ArbeitsgruppeZ.64

ISSN0938-5533ISBN978-3-98��655-�-7

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Kurzfassung

GerätefürdenbestimmungsgemäßenEinsatzinexplosionsgefährdetenBereichenmüssendieAnforderungendereuropä-ischenRichtlinie94/9/EG(Explosionsschutzrichtlinie)erfüllen.DieErfüllungdieserAnforderungenwirdinderEG-Konformi-tätserklärungdesHerstellersdokumentiert.GrundlagefürdieBewertungderKonformitätistdieZündgefahrenbewertung,dieimWesentlichendieIdentifizierungundBewertungmöglicherZündquellenbeinhaltet.IndenderRichtlinie94/9/EGnachgeordneteneinschlägigenNormen,z.B.EN��27-�undEN�3463-�ff.,sowieinderBGR�04(RegelnfürdasVermei-denderGefahrendurchexplosionsfähigeAtmosphäremitBeispielsammlung(Explosionsschutz-Regeln-EX-RL)sinddie�3möglichenZündquellenartenaufgelistet.DiemechanischerzeugtenFunkenstellenhierbeieinevondiesenmöglichenZündquellenartendar.

AussagenüberdieZündwirksamkeitundinsbesondereZündwahrscheinlichkeitvonmechanischerzeugtenSchlagfunkeninAbhängigkeitvonderjeweiligenBrenngas/Luft-AtmosphärebeibekannterkinetischerSchlagenergielassensichnachdembisherigenKenntnisstandnursehrvageformulieren.EineumfangreicheLiteraturrechercheaufdiesemGebietbestä-tigtediesenMangel,dersowohlbeiderZündgefahrenbewertungalsauchbeiderErstellungundNovellierungdesfürdenExplosionsschutzeinschlägigenRegelwerkesproblematischist.

ImMaschinenbauund inderVerfahrenstechnikwerdenzumBauu.a.vonnichtelektrischenGerätenundSchutzsyste-menzurbestimmungsgemäßenVerwendunginexplosionsgefährdetenBereichenhäufigBaustähleverwendet.DaherwaresdasZielderForschungsarbeit,statistischgesicherteWertefürdieZündwahrscheinlichkeitvonStahl-SchlagfunkeninAbhängigkeitvonderkinetischenSchlagenergieundderMindestzündenergiederverwendetenBrenngas/Luft-Gemischezuermitteln.DieUntersuchungenzurEntstehungmechanischerzeugterzündfähigerSchlagfunkenerfolgtenmitHilfevonSchlagfunkenmaschinenbeidreikinetischenSchlagenergiewerten.

FolgendeErgebnissewurdenfürdieReferenzbrenngasederIEC-ExplosionsgruppenbeiunterschiedlichenGemischzusam-mensetzungenmitLufterzielt:

�. UnterhalbderkinetischenSchlagenergievon3NmkonntenmitderimRahmendieserUntersuchungangewendetenSchlagkinematikundSchlaggeometriekeinezündfähigenmechanischerzeugtenStahl-Schlagfunkenerzeugtwerden.

2. BereitsmiteinerkinetischenSchlagenergievon�0NmkonnteneinzelnemechanischerzeugteStahl-SchlagfunkendurchOxidationsvorgängedesabgetrenntenTeilchenszurgefährlichenZündquellewerden.DieVersuchehabenweiterhingezeigt,dassdiesfürBrenngasgemischederIEC-ExplosionsgruppeIIC(z.B.AcetylenundWasserstoff)mitLuftmiteinerZündwahrscheinlichkeitimeinstelligenProzentbereichzutrifft.LiteraturangabenzufolgekönnenExplosionenaberauchfürBrenngasgemischederExplosionsgruppeIIB(z.B.Ethylen)mitLuftnichtsicherausgeschlossenwerden.

3. MitdervergleichsweisehohenkinetischenSchlagenergievon�90NmwurdenalleBrenngas/Luft-GemischeunabhängigvoneinerstattfindendenOxidationdesTeilchensdurcheineneinzigenSchlagvorgangzurExplosiongebracht.DabeilagdieZündwahrscheinlichkeitbei�00%fürBrenngasgemischederIEC-ExplosionsgruppeIICmitLuft.FürBrenngasge-mischederIEC-ExplosionsgruppenIIA(z.B.PropanundBenzindampf)undI(z.B.Methan)mitLuftfieldieZündwahr-scheinlichkeitbisindeneinstelligenProzentbereichab.

DieexperimentellenUntersuchungenhabenweitergezeigt,dassdieZündfähigkeitmechanischerzeugterFunkengrund-sätzlichvoneinerVielzahlvonEinflussgrößenabhängig ist.Eine InterpolationderErgebnissezwischendenkinetischenSchlagenergienvon�0Nmund�90Nmistdahernichtmöglich.

FürzukünftigeUntersuchungen istdeshalbeineFortführungderArbeitenu.a.mitweiterenkinetischenSchlagenergienvorgesehen.DieseErgebnissekönnenfernerzurValidierungvonnumerischenSimulationenherangezogenwerden.

Deskriptoren

MechanischerzeugteFunken

NichtelektrischeFunken

Schlagfunken

Funken

Partikel

Schlagenergie

KinetischeSchlagenergie

Schlagfunkenmaschine

Reibfunken

HeißeOberflächen

Reibwärme

Zündwahrscheinlichkeit

Zündgefahrenbewertung

Zündwirksamkeit

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Abstract

EquipmentintendedforuseinpotentiallyexplosiveatmospheresmustmeettherequirementsoftheEuropeandirective94/9/EC.Thedeclarationofconformityofthemanufacturertestifiesthattheymeettherequirements.Theconformityassessmentisbasedontherisk(ignition)assessmentwhichidentifiesandestimatestheignitionsources.TheEuropeanstandardsintheareaofthedirective94/9/EC(likeEN��27-�,EN�3463-�)describe�3possibleignitionsources.Mechanicallygeneratedsparksareoneofthem.

Statementstotheignitioneffectivenessandespeciallytheignitionprobabilityincaseofmechanicallygeneratedsparksforagivenkineticimpactenergyandgivenexplosivegas/air-mixturesarenotpossible.Anextensiveliteraturelookingconfirmsthisstate.Thiswasandisaprobleminmakingandrevisingstandards.

Simpleferriticsteelisacommonmaterialfortheconstructionofequipmentalsofornonelectricalapplicationsintendedforuseinpotentiallyexplosiveatmospheresforchemicalandmechanicalengineeringandmanufacturingtechnology.Thereforeitwastheobjectiveofthisstudytogetsomestatisticalignitionprobabilitiesdependingonthekineticimpactenergyandtheminimumignitionenergyoftheexplosivegas/air-mixture.ThisstudywasmadewithimpacttestingmachinesofBAM(FederalInstituteofMaterialsResearchandTesting)atthreekineticimpactenergies.

Thefollowingresultswereobtainedforallthereferencegas/air-mixturesoftheIEC-explosiongroups(Imethane,IIApropane,IIBethylene,IICacetylene,hydrogen):

�. Itwasnotpossibletogenerateignitablemechanicallysparksforkineticimpactenergiesbelow3Nmforthetestcondi-tionsinthisstudyrespectivelytheimpactkineticsandimpactgeometryoftheimpactmachines.

2. Singlemechanicallygeneratedparticleswereabletobeadangerousignitionsourcethroughoxidationprocessatkineticimpactenergiesof�0Nm.Furthermorethetestshaveshownthattheignitionprobabilityforexplosivegas/air-mixturesoftheIEC-explosiongroupIICisbelow�0%.Theliteratureshowsthatignitionsofgas/air-mixturesoftheIEC-explosiongroupIIBcannotbeexcluded.

3. Byusingtherelativelyhighkineticimpactenergyof�90Nmthetestshaveshownthatitispossibletoigniteallexplosivegas/air-mixturesoftheIEC-explosiongroupsbyasingleimpactindependentofanoxidationprocess.Theignitionprob-abilityis�00%incaseofexplosivegas/air-mixturesoftheIEC-explosiongroupIIC.IncaseofthegroupIIAandItheignitionprobabilitydropstobelow�0%.

Thetestshavefurthershownthattheignitionprobabilitydependsonamultitudeofparameters.Aninterpolationoftheresultsbetweenthekineticimpactenergiesof�0Nmand�90Nmisnotpossible.

Futurestudieswillincludemoretestswithotherkineticimpactenergies.Theresultsofthetestscanbeusedforthevalida-tionofnumericsimulations.

Descriptor

Mechanicallygeneratedsparks

Nonelectricalsparks

Impactsparks

Sparks

Particle

Impactenergy

Kineticenergy

Impacttestmachine

Grindingsparks

Hotsurface

Grindingenergy

Ignitionprobability

Riskassessment

Ignitioneffectiveness

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Inhalt

� Einleitung

2 AllgemeineszurZündquelle„mechanischerzeugteFunken“

3 StanddesWissens 3.� Literaturauswertung 3.2 BewertungderLiteraturrecherche:Waswurdeuntersucht–offeneFragen

4 PrüfmaschinenundmechanischerAblauf 4.� PrüfobjekteundWerkstoffe 4.2 Versuchsablauf

5 VersuchemiteinerSchlagenergievonW=�0NmundverschiedenenBrenngas/Luft-Gemischen5.� VersuchemitLuft5.2 Methan/Luft-Gemische5.3 Propan/Luft-Gemische 5.4 Ethylen/Luft-Gemische5.5 Acetylen/Luft-Gemische 5.6 Wasserstoff/Luft-Gemische 5.7 ZusammenfassungderErgebnissederSchlagversuchemitW=�0Nm5.8 InterpretationderErgebnissederSchlagfunkenversuchemitW=�0Nm5.9 VersuchemiteinerSchlagenergievonW=�0NmundEdelgasenunterschiedlicher WärmeleitfähigkeitundgleichermolarerWärmekapazität 5.9.� Argon/Luft-Gemische5.9.2 Helium/Luft-Gemische 5.9.3 ZusammenfassungderErgebnissederSchlagfunkenversuchemitW=�0Nmund EdelgasenunterschiedlicherWärmeleitfähigkeitundgleichermolarerWärmekapazität5.�0 SchlagfunkenversuchemitAcetylen/Luft-,Wasserstoff/Luft-undEthylen/Luft-Gemischen zurErmittlungderZündwahrscheinlichkeit5.�0.� ZündwahrscheinlichkeitbeiAcetylen/Luft-Gemischen 5.�0.2 ZündwahrscheinlichkeitbeiWasserstoff/Luft-Gemischen 5.�0.3 ZündwahrscheinlichkeitbeiEthylen/Luft-Gemischen5.�0.4 ZusammenfassungderErgebnissederSchlagfunkenversuchezurErmittlungder ZündwahrscheinlichkeitmitAcetylen/Luft-,Wasserstoff/Luft-undEthylen/Luft-Gemischen

6 VersuchemiteinerSchlagenergievonW=�90NmmitHelium/Luft-undverschiedenen stöchiometrischenBrenngas/Luft-Gemischen6.� Helium/Luft-Gemische 6.2 Acetylen/Luft 6.3 WeitereBrenngas/Luft-GemischederIEC-Explosionsgruppen6.4 ZusammenfassungderErgebnissederSchlagfunkenversuchemitW=�90NmmitHelium/Luft- undverschiedenenstöchiometrischenBrenngas/Luft-GemischenimVergleichmitW=�0Nm

7 InterpretationderVersuchsergebnisse 7.� ZusammenhangzwischenkinetischerSchlagenergieundderZündwahrscheinlichkeit 7.2 Gemisch-ZusammensetzungundOxidationsfähigkeitvonStahl-Schlagfunken,abgetrennt ausferritischenStahlwerkstoffen7.3 EinflussdesZusammenhangsvonGemischzusammensetzungundMindestzündenergie aufdieZündfähigkeitvonStahl-SchlagfunkenausferritischenStahlwerkstoffen7.4 EinflussderWärmeleitfähigkeitunddermolarenWärmekapazitätaufdieZündfähigkeit vonStahl-SchlagfunkenausferritischenStahlwerkstoffen 7.5 EinflussderOberflächenrauigkeitaufdieZündfähigkeitvonStahl-Schlagfunken ausferritischenStahlwerkstoffen7.6 Partikelgeschwindigkeitund-größe,Flächenpressung

8 Zusammenfassung

9 Ausblick

�0 Literatur

�� Anhang��.� Bilder ��.2 Tabellen

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�2�3�4

�5�5�5�6�6�7�7�920

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1 Einleitung

Die EG-Richtlinie 94/9/EG „Geräte und Schutzsystemezur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen“/L-�/fordertvondenHerstellernvonGeräten,dieunterdenGeltungsbereichdieserRichtliniefallen,eineZündgefahren-bewertungalsGrundlagefürderenKonformitätsbewertung.DieKonformitätsbewertungistVoraussetzungfürdieKon-formitätserklärungdesHerstellers,dasAnbringendesCE-Zeichensunddamit fürdasgewerbliche InverkehrbringendieserGeräte.AusgangspunktdieserZündgefahrenbewer-tungistdieIdentifizierungdermöglichenZündquellen.InderLiteratur(Steen/L-2/,Bartknecht/L-3/)undineinschlägigenNormenEN��27-�/L-4/undRegelwerkenBGR�04(EX-RLderBGChemie)/L-5/sinddiemöglichenZündquellenin�3Zündquellenartenklassifiziertworden.EineZündquellenartsinddiemechanischerzeugtenFunken.

BartknechtbeziffertdenAnteildermechanischenZündungenanallenUnfällenbeiStaub/Luft-Gemischenmitrund30%.IneinerPublikationvonProf.HansWitt/L-6/wurdenamBei-spielvonVentilatorenvieleUnfällemitzumTeilerheblichenZer-störungenandenströmungstechnischenAnlagenaufgezeich-net,derenvermuteteUrsachemechanischeZündquellenmitetwaähnlichhohemAnteilwiebeidenStäubenwaren.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit mechanischerzeugtenFunkenalsResultatvonSchlagvorgängen.Auf-grunddergroßen technischenRelevanz insbesonderebeinichtelektrischenGerätenwurdedieweitverbreiteteMateri-alkombinationStahl-Stahlbetrachtet.

FürdenBereichderStahl-SchlagfunkengibteszwareineReihevonbekanntenEinflussgrößenaufdieZündwirksam-keit. Dies bestätigte auch eine umfangreiche Literaturre-cherche. Die Zündwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit vonder jeweiligen Brennstoff/Luft-Atmosphäre bei bekannterkinetischerSchlagenergielässtsichjedochnochimmernursehrvagebeziffern.

DaesinderLiteraturzwareinigebekannte,aberkeinestatis-tischgesichertenWertefürdieZündwahrscheinlichkeitgibt,istdieBewertungmechanischerZündgefahrenanGerätendieinexplosionsgefährdetenBereichenverwendetwerdensollen,miteinerrelativgroßenUnsicherheitverbunden.

Dieses Problem zeigte sich insbesondere bei der Fort-schreibung und Novellierung der europäischen NormenzumExplosionsschutzEN��27-�,EN�3463-� /L-7/undprEN�4986/L-8/.DiedortangegebenenZahlenwertefürdieSchlagenergiezwischenzweiStahlwerkstoffeninAbhängig-keitvonderGerätekategorieundderIEC-Explosionsgruppe,bei denen mit hinreichender Sicherheit die Bildung vonmechanischerzeugtenzündfähigenFunkenausgeschlossenwerdenkann,sindmitgroßerUnsicherheitbehaftet.Siewur-dendeshalbsehrkonservativmitgroßenSicherheitsmargenangegeben.

Ziel der Forschungsarbeit war es deshalb, statistischgesicherteWertefürdieZündwahrscheinlichkeitvonStahl-SchlagfunkeninAbhängigkeitvonderkinetischenSchlag-energieundderMindestzündenergiederexplosionsfähigenAtmosphärezuermitteln.

EinmechanischerzeugterFunkeisteinTeilchenmiterhöhterTemperatur,dasausfestenMaterialiendurchdenEnergie-eintragbeiSchlag-,Schleif-oderReibvorgängenabgetrenntwurde.EinmechanischerzeugterFunkealsTeilchenerhöhterTemperatur muss nicht unbedingt ein glühendes bzw.leuchtendesTeilchensein,dadieeingetrageneEnergiezwarfürdenAbtrennvorgangausreichendseinkann,abernichtausreichendseinmuss,umdiesesTeilchenglühenzulassen.In Abhängigkeit vom Werkstoff können die abgetrenntenTeilchendurchdenSauerstoffanteilderLuftoxidieren.DurchdieseexothermeReaktionwirdEnergiefreigesetztundderFunkeerreichthöhereTemperaturenverbundenmitFlam-menerscheinungen. Wenn die Temperatur des FunkensoberhalbderMindestzündtemperaturdermöglichenexplo-sionsfähigen Atmosphäre liegt und die FunkenoberflächehinreichendgroßistunddamitgleichzeitigderFunkeeinenausreichendenEnergieinhaltbesitzt,dannistdieserFunkeeinepotentielleZündquelle.Trifftdieseraufeineexplosions-fähigeAtmosphäre,kanneszurZündungführen,d.h.diepotentielleZündquellewirdwirksam.JemehrzündfähigeFun-kenschnellhintereinandergeschlagenwerden,destogrößeristdieSummederzurVerfügungstehendenOberflächenundsomitauchdieWahrscheinlichkeit ihresWirksamwerdens,dieZündwahrscheinlichkeit.

InAbhängigkeitvonderArtderEntstehungdermechanischerzeugtenFunkenunterscheidetmanzwischenSchlag-undSchleiffunken.DerwichtigsteUnterschiedbestehtdarin,dass

2 Allgemeines zur Zündquelle „mechanisch erzeugte Funken“beiSchleifvorgängeneinlängerandauernderKontaktzwischendenSchleifpartnernbesteht,währendbeimSchlagvorgangdie-sernurkurzzeitigvorhandenist.WeiterhinunterscheidensichbeideVorgängeinsbesonderedurchdieRelativgeschwindig-keitzwischendenSchlag-oderSchleifpartnern:

DieRelativgeschwindigkeitbeiSchlagvorgängenliegti.Allg.imBereichvon�m⋅s-�bisetwa�5m⋅s-�,unterbeson-deren, jedoch eher seltenen Bedingungen und mit sehrhohen Anpresskräften (über 3,5kN) auch bei 0,7m⋅s-�.Unter�m⋅s-�istespraktischnichtmehrmöglich,Teilchenerhöhter Temperatur abzutrennen. Bei extremen Flächen-pressungen können möglicherweise Kaltverschweißungenauftreten, deren heiße Kügelchen oder heiße OberflächenunterUmständenalsZündquellezubetrachtensind.EinzelneSchlagvorgängemitdeutlichhöhererRelativgeschwindigkeitsindseltenundmüssengesondertbetrachtetwerden,dahierwesentlich leichtereTeilchenmit hohemEnergieinhaltbzw.hoherAusgangstemperaturundsomitdeutlichhöhererZündwahrscheinlichkeitabgetrenntwerden.

BeiSchleifvorgängenliegtdieRelativgeschwindigkeitinderRegeloberhalbvonetwa�5m⋅s-�.AllerdingskönnenauchSchleifvorgängemitwenigerals�5m⋅s-�zurZündquellewer-den,jedochdannnichtdurchdieZündquelle„mechanischerzeugte(Schleif-)Funken“,sondern(beihinreichendlangzeiti-gemAnschleifen)durchdieZündquelle„heißeOberfläche“/L-9/.

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3 Stand des Wissens

Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung(BAM)hatbereitsseitden50erJahrendesletztenJahrhun-derts auf dem Gebiet der mechanisch erzeugten FunkeneinigeumfangreicheForschungsarbeitendurchgeführtundpubliziert.HierwurdenerstmalsGrenzwertezurZündwirk-samkeitderkinetischenSchlagenergieundersteZündwahr-scheinlichkeitenbestimmt.VieleweitereForschungsarbeitenwurden mit dem Schlag- und Schleiffunken-Maschinen-parkderBAMdurchgeführt.AusdiesemGrundbeziehensich einige deutschsprachige Veröffentlichungen aus den60erJahrendesletztenJahrhundertsaufdie„BAM-Appa-ratur“.

ZudieserZeitgaltfürdenExplosionsschutznurdieVerord-nung über elektrische Anlagen in explosionsgefährdetenBereichen(EX-VO)/L-�0/.BisetwaMittedersechzigerJahredesletztenJahrhundertsvertratmanoffensichtlich(zumindestlautRegelwerk)dieAuffassung,dassalleSchutzmaßnahmenzur Vermeidung jeglicher Zündquellen erfüllt sind, wennlediglich die elektrische Installation nach der EX-VO bzw.derVDE0�65inderFassungvon�965ausgeführtist.

�972veröffentlichtedieInternationalElectrotechnicalCom-mission(IEC)dieIEC-Publikation79/�0„Einteilungderexplo-sionsgefährdetenBereicheinZonen“.ImJahre�975erließdieEuropäischeWirtschaftsgemeinschaft(EWG)die„Richtliniedes Rates vom �8. Dezember �975 zur Angleichung derRechtsvorschriftenderMitgliedsstaatenbetreffendelektrischeBetriebsmittel zur Verwendung in explosibler Atmosphäre(76/��7/EWG)“.AngestoßendurchdieAktivitätenderIEC,dieHarmonisierungsbestrebungenseitensderEWGunddurchneueForschungsergebnissebzw.Erkenntnissedaraus,ent-schlosssich�969derFachausschuss„Chemie“derBerufs-genossenschaftderchemischenIndustrie(BGChemie)dasgesamteSachgebietdesExplosionsschutzesneuzuregeln.DeshalbwurdeindenJahren�969bis�973die„RichtliniefürdieVermeidungderGefahrendurchexplosionsfähigeAtmo-sphäremitBeispielsammlung−Explosionsschutz-Richtlinien− (EX-RL)“erarbeitet.Aufder„ACHEMA“�973wurdedieEX-RLdannalsersterEntwurfderÖffentlichkeitvorgestellt,zum�.Januar�976tratsieinKraft.

DieEX-RLderBGChemiewardasersteRegelwerk,dasalleZündquellenartenberücksichtigte.DernichtelektrischeExplosionsschutzwurdeentsprechendausführlichbehandeltundbezüglichdeselektrischenExplosionsschutzeswurdeaufdaszutreffendeRegelwerk,dieElexVunddieVDE-Richtlinienverwiesen.UmVerwechslungenmitdenRichtlinienderEUzuvermeiden,wurdedieEX-RLmitder�5.Ergänzungslieferungzum�.Juni�998in„RegelnfürSicherheitundGesundheits-schutz bei der Arbeit, Explosionsschutz-Regeln, (EX-RL)“umbenannt. Die Zündquellenarten sind aktuell im KapitelE2.3derBGR�04„RegelnfürdasVermeidenderGefahrendurchexplosionsfähigeAtmosphäremitBeispielsammlung(Explosionsschutz-Regeln−EX-RL)“dargestellt.

DieEG-Richtlinie94/9/EGunterteiltGerätezurVerwendungin explosionsgefährdeten Bereichen in Abhängigkeit vomEinsatzort,derHäufigkeitdesAuftretensundderDauerdesVerbleibensexplosionsfähigerBrennstoff/Luft-Atmosphäre,indersieverwendetwerdensollen,inGerätegruppenund-kategorien. Je häufiger und länger eine Brennstoff/Luft-Atmosphäreineinemalsexplosionsgefährlicheingestuften

Bereichverbleibt,umsogeringermussdieWahrscheinlichkeitvonZündquellensein,dieeinGerätverursachenkann.

FürdieseBewertungwerdenBetriebsbereiche in „Zonen“eingeteilt.AusdieserEinteilungergibtsichderUmfangderzuergreifendenMaßnahmenzurGewährleistungderSicherheitunddesGesundheitsschutzesderBeschäftigten,diedurchgefährlicheexplosionsfähigeAtmosphäregefährdetwerdenkönnen.

FürGase,DämpfeoderNebelgiltnachfolgendeEinteilung:

Zone0: Bereich,indemexplosionsfähigeAtmosphäreals GemischausLuftundbrennbarenGasen,Dämp- fen oder Nebeln ständig, über lange Zeiträume oderhäufigvorhandenist.

Zone�: Bereich, indemsichbeiNormalbetriebgelegent- licheineexplosionsfähigeAtmosphärealsGemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebelnbildenkann.

Zone2: Bereich,indembeiNormalbetriebeineexplosions- fähigeAtmosphärealsGemischausLuftundbrenn- barenGasen,DämpfenoderNebelnnormalerweise nichtoderabernurkurzzeitigauftritt.

FürbrennbareStäubegiltentsprechend:

Zone20:Bereich,indemexplosionsfähigeAtmosphärein Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbarenStaubständig,überlangeZeiträume oderhäufigvorhandenist.

Zone2�:Bereich,indemsichbeiNormalbetriebgelegentlich eineexplosionsfähigeAtmosphäreinFormeiner Wolkeaus inderLuft enthaltenembrennbarem Staubbildenkann.

Zone22:Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine explo- sionsfähigeAtmosphäreinFormeinerWolkeaus inderLuftenthaltenembrennbaremStaubnorma- lerweisenichtoderabernurkurzzeitigauftritt.

Gerätewerden,abhängigvonihremEinsatzort,inzweiGrup-peneingeteilt.GerätegruppeIgiltfürGerätezurVerwendunginUntertagebetriebenvonBergwerkensowiederenÜber-tageanlagen, die durch Grubengas und/oder brennbareStäube gefährdet werden können. GerätegruppeII gilt fürGerätezurVerwendungindenübrigenBereichen,diedurcheineexplosionsfähigeAtmosphäregefährdetwerdenkönnen.Die Gerätegruppe II wird in Abhängigkeit vom AuftretengefährlicherexplosionsfähigerAtmosphäreimvorgesehenenEinsatzbereichindreiKategorienunterteilt.

GerätederKategorie�sindsozukonstruierenundherzu-stellen, dass Zündquellen selbst bei selten auftretendenGerätestörungenvermiedenwerden.GerätederKategorie2sindsozukonzipierenundherzustellen,dasssogarbeihäufigauftretendenGerätestörungenoderfehlerhaftenBetriebszu-ständen,mitdenenüblicherweisegerechnetwerdenmuss,Zündquellenvermiedenwerden.UndGerätederKategorie3sindsozukonstruierenundherzustellen,dassvorhersehbarzuerwartendeZündquellen,diebeinormalemBetriebauf-tretenkönnen,vermiedenwerden.

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Dasbedeutet,dassbeiGeräten,beidenenaufgrundihrerBauweise und vorgesehenen Betriebsweise bzw. Funk-tionsweisemitmechanischerzeugtenFunkenzurechnenist,AussagenüberdieZündwahrscheinlichkeitdermöglicher-weiseentstehendenmechanischerzeugtenFunkengemachtwerden müssen. Zahlenwerte, ab welcher kinetischenSchlagenergie mit welcher Wahrscheinlichkeit ein mecha-nischerzeugterFunkewelcheexplosionsfähigeAtmosphärezündet,findensichjedochnichtinderLiteratur.

NachIEC60079-�Ed.6.0/L-��/werdenexplosionsfähigeAtmosphären invierExplosionsgruppenunterteilt.Klassifi-zierungsmerkmalesinddieNormspaltweite(MESG)undderMindestzündstrom bzw. das Mindestzündstromverhältnis.UnabhängigdavonkannfürdiecharakteristischenGemischeder Explosionsgruppen die Mindestzündenergie (MZE)ermittelt werden. Die Mindestzündenergien der charakte-ristischen Gemische für die einzelnen ExplosionsgruppensindFolgende:

− IEC-Explosionsgruppe IIC: − Wasserstoff/Luft-Gemische,MZE=0,0�7mJ, −Acetylen/Luft-Gemische,MZE=0,0�9mJ,

− IEC-Explosionsgruppe IIB: −Ethylen/Luft-Gemische,MZE=0,082mJ,

− IEC-Explosionsgruppe IIA: −Propan/Luft-Gemische(vergleichbarmitBenzin- dampf/Luft-Gemischen),MZE=0,024mJ,

− IEC-Explosionsgruppe I: −Methan/Luft-Gemische,MZE=0,28mJ.

GrundsätzlichgiltauchbeidenmechanischerzeugtenFun-ken, je geringer dieMindestzündenergie, desto höherdieWahrscheinlichkeitderZündungeinerBrenngas/Luft-Atmo-sphäre durch einen mechanisch erzeugten SchlagfunkenjeweilsgleicherkinetischerSchlagenergie.DiePraxiszeigtjedoch, dass es bei den mechanisch erzeugten FunkenweitereEinflussgrößenaufdieZündwahrscheinlichkeitgibt,dieimRahmendieserArbeituntersuchtwurden.

3.1 Literaturauswertung UmzunächsteinenumfassendenÜberblicküberdasbereitsveröffentlichteSchrifttumunddiedortbeschriebenenArbei-tenaufdemGebietdermechanischerzeugtenSchlagfunkenzubekommen,wurdeeineinternationaleLiteraturrecherchedurchgeführt.Insgesamtwurden�24deutsch-undenglisch-sprachigeLiteraturstellenweltweitgefundenundausgewer-tet.Beieinigentechnisch-wissenschaftlichenArbeitenwurdedieProblematikderSchlag-undSchleiffunkengleichzeitigbehandelt.EinigeVeröffentlichungenbeschäftigensichnurmitdenSchleifunken,diehierabernichtGegenstandderForschungwaren.

DiegefundeneLiteraturkannindiefolgendendreiKomplexeunterteiltwerden:

�. Untersuchungen zum Mechanismus der mechanisch erzeugten Funken, teilweise unter Verwendung oder Bezug auf die BAM-Prüfmaschinen, wobei sich ein nichtunerheblicherTeilmitderProblematikderSchleif- funkenauseinandersetzte,

2. Betrachtung von konkreten praktischen Problemen, wiebeispielsweisedieEntzündung vonKühlschmier- stoffenanWerkzeugmaschinendurchheißeSpäneund ggf.durchFunkenund

3. derSonderfalldesGebrauchesvonWerkzeugen.

ImFolgendenwerdennurdiewichtigstenLiteraturquellenzu�)diskutiert,weilnurdiesesSchrifttumsichmitdemThemaSchlagenergienbeimechanischerzeugtenStahl-Schlagfun-ken auseinandersetzt. Die vollständige LiteratursammlungliegtbeidenAutorendesForschungsberichtesvor.

Bereits�955wurdevonVoigtsberger/L-�2/derZündme-chanismusdermechanischerzeugtenStahl-SchlagfunkeninderBAMuntersucht.

FürStahlwerkstoffewurdeineinerumfangreichenVersuchs-reihedieAbhängigkeitderZündwahrscheinlichkeitmecha-nischerzeugterFunkenvonderHärte,demKohlenstoffgehaltunddemAnteildesLegierungsbestandteilesChromanhandvon Schleiffunkenversuchen untersucht. Die ermitteltenAbhängigkeiten lassen sich auf Schlagfunken übertragen,dadasVerhaltender abgetrenntenTeilchenwährenddesFlugesähnlichist.

FolgendeErgebnissewurdenermittelt:

�. JehärtereinKohlenstoffstahlund jehöherseinKoh- lenstoff-Gehaltist,umsogrößeristdieWahrscheinlich- keit,damitzündfähigeFunkenzuerzeugen.DerGrund liegt inderdurchdenAbtrennvorgangeingetragenen Energie in die Stahlteilchen und der daraus resultie- rendenOxidationsmöglichkeit.MitunlegiertenKohlen- stoff-StählenmiteinemKohlenstoff-Gehaltvon0,09%C bis�,�0%C,ungehärtetundgehärtet,miteinerVickers- Härte von HV=97�N/mm2 bis HV=5000N/mm2 lassen sich sogar für Gemische der IEC-Explosions- gruppe IIA zündfähige mechanisch erzeugte Funken erzeugen. Mit niedrig legierten Cr-Stählen (�,08%C, �,38%Cr, HV=2�60N/mm2) undmit hochlegierten Wolfram-Chrom-Stählen (0,7�%C, 3,79%Cr, 7,94%W,HV=2265N/mm2)lassensichfürGemische der IEC-Explosionsgruppe IIC mechanisch erzeugte, zündfähigeFunkenerzeugen.

2. Mit steigendemLegierungsbestandteilChrom (und in begrenzterWirkungauchWolfram)sinktdieZündwahr- scheinlichkeitzumindestdurchoxidationsfähigeFunken. BeieinemAnteilvonmindestens�8,�%Chromlassen sichmithoherWahrscheinlichkeitkeineoxidationsfähigen Teilchenmehrabtrennen.DieGrenzefürdasNichtentste- hen von oxidationsfähigen Funken zeigten Versuche mithochlegiertemChrom-Stahl(�,06%C,�8,��%Cr, <0,0�%W,�,84%V,HV=2855N/mm2).DieGröße desEnergieinhaltesdesabgetrenntenTeilchensrichtet sichdannnurnochnachderalleindurchdenSchlag- vorgangeingetragenenEnergie..DerOxidationsprozess spieltdabeikeinewesentlicheRollemehr.Mitweiterstei- gendem Chromanteil und dabei sinkendem Kohle- stoffgehalt(0,��%C,22,95%Cr,0,0�%W,0,02%V, HV=2247N/mm2) nimmt die Wahrscheinlichkeit der ErzeugungoxidierterFunkenweiterab.

3. EinChromanteilvonetwa�8,�%dürfteinBezugauf SchlagvorgängeundkurzfristigeSchleifvorgängeunter �sbis3ssomitalsGrenzefüreinenfunkensicheren

�0


Stahlzubetrachtensein.DieoxidationshemmendeWir- kungdesChromskannnurdannvoll inErscheinung treten,wenndiesesMetallinhinreichenderMengezur Verfügung steht und in äußerst feiner Verteilung, am bestenatomdispersinFormvonChrom-Ferrit-Misch- kristallen, vorliegt. Allerdings neigt das Chrom als LegierungsbestandteilbeihohemKohlenstoffgehaltdes Stahles (über �%) zur Bildung von Mischkarbiden, wodurchderferritischenGrundmassedernotwendige Chromgehaltentzogenwirdundsomitdieoxidations- hemmendeWirkungdesChromesnichtvollwirksam werdenkann.

EswurdevonVoigtsbergerundSchulz/L-9/beobachtet,dassbeimSchlagenaufKohlenstoffstähleaufgrundderAffinitätdesKohlenstoffszumSauerstoffbeierhöhterTemperaturdiewegfliegendenTeilchengutoxidierenunddamiteinhöheresTemperaturniveauerreichen.ImLaborversuchwurdeermit-telt, dass die Entzündungstemperatur von Eisenteilchenbeietwa400°C liegt.DieoxidiertenStahlteilchenkönnenTemperaturen bis rund �.775°C unter atmosphärischenBedingungen,untererhöhtemSauerstoffanteilbis2.250°Cerreichen.JehöherdieTemperaturderStahlfunken,umsohöher ist deren Zündwahrscheinlichkeit im explosionsfä-higen Gemisch. Mit zunehmendem Brenngasgehalt einesBrenngas/Luft-Gemisches sinkt der Sauerstoffrestgehalt.Dies vermindert wiederum die Oxidationsmöglichkeit derferritischenStahlteilchen.

TeilchenerhöhterTemperaturbzw.Funken,dienichtoxidierenoderaufgrundihrerWerkstoffeigenschaftennichtoxidierenkönnen, in der Literatur oft auch „kalte Funken“genannt,habeneinedeutlichgeringereWahrscheinlichkeit,einBrenn-gas/Luft-Gemischzuzünden.

GrundsätzlichstellenalleinLuftfunkengebendenStähleeinepotenzielleZündquelledar.Dies ließsichdurchVersuche,allerdingsmitgehärtetenKohlenstoffstähleninWasserstoff/Sauerstoff-Gemischen, zeigen. Entsprechende Versucheergaben einen Zündbereich mechanisch erzeugter Stahl-funkenvon5,3Vol.-%bis74,0Vol.-%Wasserstoff inLuft.DieunterschiedlicheZündfähigkeitderverschiedenlegiertenStahlsortenresultiertausdenjeweilsunterschiedlichenReak-tionsgeschwindigkeitenderStahlteilchenmitdemvorhande-nen Sauerstoff des Brenngas/Luft-Gemisches. Durch denSauerstoffverbrauchdesStahlteilchenswährenddesOxidie-rensfindetindessendirekterUmgebungeineWasserstoff-anreicherungstatt.ImBereichderunterenExplosionsgrenze(UEG)entstehtdurchdieseKonzentrationsänderungumdenFunkenherumeinGemischmitbessererZündfähigkeit.

ImGegensatzzuelektrischenFunken,die imBereichdesstöchiometrischen Gemisches am zündwirksamsten sind,sindmechanischerzeugteoxidationsfähigeStahlfunkeneherimBereichkurzüberderUEGamzündwirksamsten,weilderfürdieOxidationdesStahlfunkensnotwendigeSauerstoff-gehaltdesBrenngas/Luft-Gemischesdortamhöchstenist.DirektanderUEGistdieMindestzündenergiedesBrenngas/Luft-GemischesfürdieZündungdurchmechanischerzeugteStahlfunken (nicht Funkenregen aus Schleifvorgängen) zuhoch. Deshalb lässt sich beispielsweise Wasserstoff imBereichderUEGbei4,0Vol.-%H2inLuftdurchmechanischerzeugteStahlfunkennichtzünden.Beirund8,0Vol.-%H2inLuftsinddannabersehrwohlExplosionenmöglich.

UmeinStahlteilchenabzutrennen,dessenTemperaturalleindurchdie eingetragene Abtrenn- undReibarbeit oberhalbderEntzündungstemperatur von400°C liegt, reicht beimBearbeitungsverfahren„Fräsen“eineeingetrageneEnergiezum Spanabheben in Höhe von 0,�3⋅�0-2Nm aus. DieSpanlängehatdabeiimGegensatzzurAusgangstemperaturdesbetrachtetenWerkstückeskeinenEinfluss.Diesistdaraufzurückzuführen,dassdervorangegangeneWärmeenergie-eintragsichzuderAbtrenn-undReibarbeitaddiertundsodasabgetrennteTeilcheneherüberdieEntzündungstem-peraturbringt.

Rechnerisch ist ermitteltworden,dassbei einemSchlag-vorgangzwischenferritischennichtgehärtetenStählendieExplosioneinesBrenngas/Luft-Gemischesnurdurchplasti-scheDeformation,d.h.ohnedieAbtrennungvonTeilchen,nichtmöglichist.DazuwäreeinVerformungsgradinHöhevon36:�notwendig,derohneBrucheinesnormalenStahl-werkstoffesnichterreichbarist.

MechanischerzeugteFunkenausoxidierbarenWerkstoffensindnachdenUntersuchungenvonKonschakundVoigtsber-ger/L-�3/i.Allg.imBereichderUEGund„etwasdarüber“am zündwirksamsten. Dies liegt am höheren Sauerstoff-RestgehaltdieserBrenngas/Luft-GemischegegenüberdenzündwilligstenGemischenbeiz.B.elektrischenZündfunken.ZurOxidationderabgetrenntenPartikelwirdSauerstoffbenö-tigt,derdannaberdernachfolgendenVerbrennungsreaktiondes Brenngas/Luft-Gemisches nicht mehr zur Verfügungsteht.MitAcetylen/Luft-Gemischenwurdejedochermittelt,dassderZündbereichauchbeiehergeringenkinetischenSchlagenergien sehr viel größer ist und weit über diesenBereichinderNähederUEGhinausgeht.EswurdenhierbeiExplosionen der Versuchsgemische durch Stahlfunken ineinemGemischbereichvon3,0Vol.-%bis40,0Vol.-%Ace-tyleninLuftfestgestellt.

SchulzundDittmar/L-�4/stelltenfest,dassdieFragedermöglichen Zündung eines Brenngas/Luft-Gemisches ins-besonderevonderkinetischenSchlagenergieabhängigist.Höhere Schlagenergie führt zu höherer Zündwahrschein-lichkeit. Es wurde ermittelt, dass bei �00Schlägen vonferritischem Stahl auf ferritischen Stahl in Brenngas/Luft-Gemischen der IEC-Explosionsgruppe IIA bei einer kine-tischenSchlagenergievon335NmetwajederzweiteSchlagzurZündungdesVersuchsgemisches führte.Bei 245NmkinetischerSchlagenergieführteetwajederzehnteundbei�75NmjederhundertsteSchlagzurZündung.

FernerwardamitderNachweiserbracht,dassdurcheinzelneSchlagfunkennichtnurzündfähigeBrenngas/Luft-Gemischeder IEC-ExplosionsgruppeIIC und IIB, sondern sogarGemischederIEC-ExplosionsgruppeIIA(z.B.Propan/Luft-undBenzindampf/Luft-Gemisch)zurExplosiongebrachtwer-denkönnen,soferndieSchlagenergiehinreichendgroßist.

Die bei höherer kinetischer Schlagenergie höhere Zünd-wahrscheinlichkeitresultierthauptsächlichausdengrößerenabgetrenntenPartikeln,dieimFalledesOxidierensaufeinhöheres Temperaturniveau aufgrund ihrer geometrischenGrößeeinenhöherenEnergieinhaltaufweisen.

StatistischauswertbareVersucheundeineweitereAbstufungderZündwahrscheinlichkeitenhinzugeringerenkinetischenSchlagenergienerfolgtennicht.

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Die höhere Zündwahrscheinlichkeit von oxidierendenTeilchen, die zu leuchtenden Funken werden, gegenübernichtoxidierenden Teilchen erhöhter Temperatur, hat ihreUrsacheimOxidationsvorgangdesabgetrenntenStahlteil-chens. Dittmar /L-�5/ führt dazu aus, dass ein einzelnesabgetrenntesStahlteilchen,dasnichtaufeinhöheresTem-peraturniveauoxidiert, imallgemeinennichtausreicht,umselbst sehr reaktionsfreudige Gemische aus Acetylen/Luftoder Wasserstoff/Luft zu zünden. Erst wenn die wegendesKohlenstoffgehaltesoxidationsfähigenStahlteilchenimSauerstoffdesBrenngas/Luft-GemischesselbstverbrennenunddamitihreVerbrennungswärmealsZündenergiefürdasexplosionsfähige Brenngas/Luft-Gemisch zur Verfügungstellen,werdensiezurrelativsicherenZündquelle.Eszeigtesichalso,dass–wieschonbeidereinfachenBetrachtungderFunkengarbe–erstdieVerbrennungderTeilchendiesezuzündfähigenFunkenwerdenlässt.

DieMindesttemperaturunteratmosphärischenBedingungen,beiderStahlteilchenbeginnenverbrennenzukönnen,liegtunterExtrapolationvonMesswertenbeietwa500°C.DieüblicheTemperaturfürdieVerbrennungvonStahlfunkeninexplosivenBrenngas/Luft-Gemischenbeträgtrund800°C,dainBrenngas/Luft-GemischendieSauerstoffkonzentrationdurchdieVerbrennungsinkt.BeiSchlagfunkentrittdabeiinderRegeleinetwasniedrigererundbeiSchleiffunkenhäufigeinetwashöhererTemperaturwertauf.DieErklärunghierfürliegtdarin,dassbeiSchleiffunkenderentstehendeFunken-regen bei Oxidationsvorgängen zu einem höheren Sauer-stoffverbrauchführtalsbeieinzelnenSchlagfunken.DadurchwirdinderdenFunkenregenumgebendenGasschichtderSauerstoffanteilweiterherabsetzt.Umtrotzdemoxidierenzukönnen,brauchenSchleiffunken imVergleichzueinzelnenSchlagfunkendanneinehöhereAusgangstemperatur.

NachMessungenvonDittmar/L-�5/anzündfähigenStahl-Schleiffunken von ferritischen Stählen liegt der Mindest-durchmesserdereinzelnenoxidationsfähigenTeilcheninderGrößenordnung von0,0�mm bis 0,�mm. Allerdings gibtesaucheineobereGrenzefürdieTeilchengröße,beiderenÜberschreitungdieVerbrennungdesTeilchensselbstnichtmehr inGangkommt.Diegrößten, jedochbeiSchleifvor-gängenzwischenferritischemStahlundeinerKorundschleif-scheibeaufgefundenenTeilchen,dieoxidiertundzukleinenKugelngeschmolzenwaren,hatteneinenDurchmesservon0,2mm.

DerDurchmesserdesTeilchensbestimmtdasVolumenundsomitauchdenEnergieinhalt.EinkleinerFunkemussfolglichfürdiegleicheZündfähigkeiteinehöhereTemperaturbzw.einenhöherenEnergieinhaltaufweisen.

DerDurchmesserhatebenfallseinenEinflussaufdieLebens-dauereinesFunkens.Dittmarvermutete,dassdieLebens-dauereinesFunkensinVerbindungmitderWärmeleitfähigkeiteinen Einfluss auf die Zündfähigkeit hat. NormalerweisebeträgtdieLebensdauervonoxidiertenFunkenrund0,0�s.HateinFunkeneineLebensdauer imBereichvon0,00�sund das Brenngas/Luft-Gemisch eine hinreichend kleineWärmeleitfähigkeit, wird angenommen, dass es zu keinerExplosionmehrkommenkann.

Eswarbereitsbekannt,dassdieMindestzündenergieeinesBrenngas/Luft-GemischesaufdieFrage,obeinexplosions-fähigesGemischgezündetwerden kann, entscheidenden

Einfluss hat. Je geringer die Mindestzündenergie einesexplosionsfähigen Brenngas/Luft-Gemisches, umso höherdie Wahrscheinlichkeit, dieses durch eine Zündquelle zurExplosionzubringen.AuchdieobereunduntereExplosions-grenzeeinesGemischesundderAnstiegderZündenergieaußerhalb der Mindestzündenergie im stöchiometrischenMischungsverhältniswarenbekannt.

TrotzdesNachweisesderZündfähigkeitvoneinzelnenStahl-SchlagfunkeninallenIEC-ExplosionsgruppenherrschtelangeZeitdieMeinungvor,dasseinzelneStahl-Schlagfunkennurim Bereich der IEC-ExplosionsgruppeIIC eine relevanteZündgefahrdarstellenkönnen(Behrend/L-�6/).Insbeson-dereherrschtelangeZeitimBergbaudieMeinungvor,dassbeim Einsatz von Stahlträgern, Stempeln, Schienen undWerkzeugenausferritischemStahlMethan/Luft-Gemische(entspricht der IEC-ExplosionsgruppeI) durch einzelnemechanischerzeugteFunkennichtgezündetwerdenkönnen.DieseAuffassungändertesich,alsmanmitSchlagfunken-maschinensehrhohekinetischeSchlagenergienum rund335NmerzeugenkonnteundregelmäßigZündungendesPrüfgemischesnachwies.

3.2 Bewertung der Literaturrecherche: Was wurde untersucht – offene Fragen DieBewertungderLiteraturzeigt,dass inderVergangen-heit bereits mehrere Einflussfaktoren auf die Zündquelle„mechanischerzeugteFunken“untersuchtwurden.FolgendeZusammenhängewurdendabeigefunden:

Die Zündwahrscheinlichkeit von mechanisch erzeugtenSchlagfunken hängt von nachstehenden Einflussfaktorenab:

− HöhederkinetischenSchlagenergie,

− MindestzündenergiedesBrenngas/Luft-Gemisches,

− ZusammensetzungdesBrenngas/Luft-Gemisches,

− HärtegradeinesWerkstoffesund

− OxidationsfähigkeitdesWerkstoffes.

Funken aus oxidationsfähigen Werkstoffen oxidieren beieinemhohenLuft-AnteilimBrenngas/Luft-Gemisch amehesten.

Das Oxidationsverhalten von Funken aus Stählen ist abhängig von deren Kohlenstoff- und Chromgehalt. SchnellhintereinandergeschlageneSchlagfunkenoder Funkenregen (aus hier nicht betrachtenden Schleifvor- gängen)haben,trotzeinesanderenZündmechanismus, einesehrvielhöhereZündwahrscheinlichkeitalseinzelne Schlagfunken.

MithöhererSchlagenergiesteigtbeikonstantenRandbedin-gungendieZündwahrscheinlichkeitmechanischerzeugterFunken.

Beijeweils�00SchlägenzwischenungehärtetenferritischenStählen ergibt sich folgende Zündwahrscheinlichkeit fürexplosionsfähigeBrenngas/Luft-GemischederIEC-Explosi-onsgruppeIIA/L-�4/:

− bei �75Nm kinetischer Schlagenergie etwa �% Zün- dungen,

�2


− bei245NmkinetischerSchlagenergieetwa�0%Zün- dungenund

− bei335NmkinetischerSchlagenergieetwa50%Zün- dungen

MithinreichendhoherkinetischerSchlagenergie(≥�75Nm),lassen sich Brenngas/Luft-Gemische der IEC-Explosions-gruppeIIAzünden.

WeitereVersuchezeigten,dasssichBrenngas/Luft-GemischemitdeutlichgeringererMindestzündenergiealsdiesbeidenIEC-ExplosionsgruppenIIBundIICderFallist,mitsignifikantgeringererkinetischerSchlagenergie(etwaumdenFaktor�0weniger)zündenlassen.StatistischgesicherteDatenzudenZündwahrscheinlichkeiten für kinetische Schlagenergiendeutlichunter�75NminAbhängigkeitvonderMindestzün-denergiesindjedochnichtvorhanden.

Jedes Gerät zur bestimmungsgemäßen Verwendung inexplosionsgefährdeten Bereichen muss hinsichtlich desVorhandenseinspotenziellerZündquellenbeurteiltwerden.DazusindmöglichstpräziseWertezurBeurteilungderZünd-wahrscheinlichkeitderamGerätvorhandenenZündquellennotwendig. Diese sind aber, wie die Literaturauswertungzeigt,fürdieZündquellenart„mechanischerzeugteFunken“nichtverfügbar.SomitmüssenGeräte,beidenendieGefahrder Entstehung mechanisch erzeugter Stahl-Funken bzw.mechanisch erzeugter zündfähiger Stahl-Funken besteht,noch immer mit großen Sicherheitszuschlägen versehenwerden.DiesistaufDauerbetriebs-undvolkswirtschaftlicheinnichtzufriedenstellenderZustand.

EineErarbeitungstatistischgesicherterWertefürdieZünd-wahrscheinlichkeitvonStahl-SchlagfunkeninAbhängigkeitvonderkinetischenSchlagenergieundderMindestzünden-ergie(gemäßdenIEC-Explosionsgruppen)istausdenhiervorgestelltenGründendahersinnvollundnotwendig.

Die Untersuchung der Entstehung mechanisch erzeugterzündfähiger Schlagfunken erfolgt durch Schlagfunken-maschinen (SFM) (siehe Abb. A-2 und A-3). Diese sindZylinderabschnitte mit innen liegendem Schlaghebel undAufnahmevorrichtungdesSchlagbolzenssowieinnenliegen-derSchlagplatte.DieSchlagfunkenmaschinewirdmiteinemexplosionsfähigenBrenngas/Luft-Gemisch(VersuchsanlagesieheAbb. 1)gefüllt,dannwirdunterdefiniertenBedingungenmitdemSchlagbolzenbeigewählterkinetischerSchlagener-gieaufdieSchlagplattegeschlagen.DiedabeientstehendenFunkenkönnendasexplosionsfähigeGemischentzünden.EskannjedebeliebigeWerkstoffpaarungausfestenMaterialiengeprüftwerden.

DefinierteBedingungensinderforderlich,umdieSchlagfun-kenversuchereproduzierbardurchführenzukönnen.Dazugehören die Kalibrierung der kinetischen Schlagenergie,

4 Prüfmaschinen und mechanischer Ablauf

Abb. 1 Versuchsanlage zur Untersuchung der Zünd-wahrscheinlichkeit mechanisch erzeugter Schlagfunken

diegeometrischeFormdesSchlagbolzensunddieArtdesSchlages.DiekinetischeEnergiedesSchlagesistdefiniertalsW=0,5⋅m⋅v2.SiebeschreibtdieeingebrachteEner-gie,mitderderSchlaghebel(Massem)denSchlagbiszumStillstand des Schlaghebels auf der Schlagplatte ausführt(Aufprallgeschwindigkeitv).DieKraftsetztsichmultiplikativausMasseundBeschleunigungzusammen.EineÄnderungdereingebrachtenKraftergibtsichhierdurchHöhenände-rungdesbeiFedervorspannungausgelenktenSchlaghebels.DurchdieEntlastungdervorgespanntenFederresultierteineBeschleunigung des Schlaghebels bis zum Aufschlagenauf die Schlagplatte. Der Aufsetzpunkt des SchlaghebelsistauchderNullpunktder(entspannten)Feder.Somitwirdgewährleistet, dass sich die Feder des Schlaghebels biszum Aufsetzen auf die Schlagplatte voll entspannt unddie gesamte Vorspannkraft in Beschleunigung umgesetzt

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wurde. Die Halter der Schlagplatte bestehen jeweils ausmassivem Stahlguss, um die eingebrachte Schlagenergienichtdurcheinfedernabzubauen.DerSchlagbolzenbestehtausø�0mmRundmaterialmiteiner90°-Spitze,diemiteinerø3mmebenenFlächeabgeflachtist.DurchdieSchlagvor-gänge kann sich die ebene Fläche von ø3mm auf etwaø4mmbisø5mmvergrößern.SobaldderDurchmesserüberø5mmsteigt,wirdderSchlagbolzenausgetauscht.AusgeführtwirdjeweilseinstreifenderSchlag,dabeidieserArtdesSchlagesdiehöchsteWahrscheinlichkeitbesteht,TeilchenerhöhterTemperaturabzutrennen.

EsbedarfhierbeigroßerErfahrung,umdensogenanntenstreifenden Schlag bei ständig verschleißendem Schlag-bolzen effektiv einzustellen. Bei dem streifenden SchlagsollderSchlaghebelbzw.derSchlagbolzenwährenddesSchlagesüberdieSchlagplattestreifenundbeiderNulllagedesSchlaghebelsstehenbleiben.DieNulllageistdieLage,beiderdieFederdesSchlaghebelsvollentspannt istundderSchlagbolzenmittigaufderSchlagplattestehenbleibt.KommtesvorherzumStillstanddesSchlaghebels,istkeinrichtigerstreifenderSchlagausgeführtworden.PendeltderSchlaghebelhingegenüberseinenNullpunkthinaus,istnichtdiegesamteFederkraftindenSchlag-undReibvorgangzwi-schenSchlagbolzenundSchlagplatteeingebrachtworden.

DerstreifendeSchlagistderenergiereichsteSchlag,dadurchdenspitzenWinkelzwischenSchlagbolzenundSchlagplattesowohlSchlag-alsauchReibvorgängewirkenundgleich-zeitighoheFlächenpressungenentstehen.

Für die Untersuchung der mechanisch erzeugten Stahl-SchlagfunkenbezüglichdeshierdefiniertenZieleswurdenzwei Schlagfunkenmaschinen mit maximalen kinetischenSchlagenergienvon�0Nmund333Nmverwendet.

− Schlagfunkenmaschine mit maximal 10 Nm kinetischer Schlagenergie (kleine SFM)

BeiderkleinenSFM(sieheBildA-2)wirddieVorspannkraftderFederübereinBlattfederpaketaufgebrachtunddurcheinenHebelbiszurAuslösunggehalten.UmalleEinflussparameterwiez.B.DämpfungendesBlattfederpaketesmitzuerfassen,wurdezurKalibrierungdieGeschwindigkeitdesSchlaghebelsunmittelbarvordemAufsetzenaufdieSchlagplattemitHilfevonzweischnellansprechendenLichtschrankengemessen.DieGrößederkinetischenSchlagenergieW istdurchdenAustauschderBlattfederpaketevariabel.

AnderkleinenSFMkönnendiefolgendenkinetischenSchlag-energieneingestelltwerden:

−W=3Nm(Blattfederpaket9-B)und−W=�0Nm(Blattfederpaket6-B).

DiegemesseneGeschwindigkeitdesSchlaghebelsdesver-wendetenBlattfederpaketesfürdiekinetischeSchlagenergievon 3Nm (9-B) betrug �4,54m⋅s-� und für �0Nm (6-B)�0,26m⋅s-�.DieAbweichungdesMesswertesfürdenWertderkinetischeSchlagenergiewarfür3Nm+/-�5,6%undfür�0Nm+/-��,4%.

− Schlagfunkenmaschine mit maximal 333 Nm kinetischer Schlagenergie (große SFM)

BeidergroßenSFM(sieheAbb. A-3)wirddieVorspannkraftderFederübereineTorsionsfederaufgebrachtundeben-fallsdurcheinenHebelbiszurAuslösunggehalten.Umalle

Einflussparameterwiez.B.DämpfungendurchdiegroßenLagerungenmitzuerfassen,wurdeauchhierzurKalibrierungu.a.dieGeschwindigkeitdesSchlaghebelsunmittelbarvordemAufsetzenaufdieSchlagplattemitHilfeeinesschnellansprechendenLichtschrankenpaaresgemessen.

AndergroßenSFMistdieGrößederkinetischenSchlagener-gieWdurchdieVerstellungderVerzahnungderTorsionsfederwiefolgtvariabel:

−W=33Nm,−W=�90Nmund−W=333Nm.

Die gemessene Geschwindigkeit des Schlaghebels inder Einstellung für die Schlagenergie von �90Nm betrug�4,25m⋅s-�.DieAbweichungdesMesswerteskinetischeSchlagenergiefürdieseEinstellungwar+/-8,2%.

VordemBeginnjederVersuchsreihewurdedieExplosions-fähigkeitdesPrüfgemischesmiteinemelektrischenZünd-funken überprüft und danach die Schlagfunkenmaschinemit neuem Prüfgemisch befüllt. Nach jeder Versuchsreihemit jeweils50SchlagvorgängenwurdeebenfallsdasPrüf-gemischelektrischgezündet,umsicherzustellen,dasseszumZeitpunktderSchlagfunkenversucheauchtatsächlichexplosionsfähigwar.

4.1 Prüfobjekte und Werkstoffe UmdieMatrixderzuuntersuchendenParameternichtzugroß werden zu lassen, wurden die Untersuchungen nurmitderinderPraxishäufigverwendetenWerkstoffpaarungausferritischem,unlegiertemundungehärtetemStahlSt52(Werkstoffnummer �.0570–St52-3/S355J2G3) durchge-führt.

DieseunlegiertenBaustählehabeneinenKohlenstoffgehaltvonmax.0,22%.AufungehärteteferritischeStähleähnlicherZusammensetzungundEigenschaftenlassensichdiehiererzieltenErgebnissevermutlichübertragen.

UmdieindieserArbeitermitteltenErgebnissemitdeninderVergangenheit durchgeführten BAM-Untersuchungen ver-gleichenzukönnen,wurdederbisherigeVersuchsstandardvonSchlagbolzenundSchlagplattebeibehalten.

DiePrüfobjektehabendiefolgendenAbmaße:

− kleineSFM: SchlagplatteL=�0�mm⋅B=50mm⋅T=�0mmund Schlagbolzenø�0mm⋅L=50mmmit90°-Kegel- spitze,diemiteinerø3mmebenenFlächeabgeflachtist.

− großeSFM: SchlagplatteL=�85mm⋅B=�00mm⋅T=�5mm (sowieweiterenSondermaßen)und Schlagbolzenø�0mm⋅L=50mmmit90°-Kegelspitze, diemiteinerø3mmebenenFlächeabgeflachtist.

DieSchlagfunkenversuchemitderkleinenSFMwurden inderEinstellungderkinetischenSchlagenergiemitW=3NmundW=�0Nmdurchgeführt.DieSchlagfunkenversuchemitdergroßenSFMwurdeninderEinstellungderkinetischenSchlagenergiemitW=�90Nmdurchgeführt.

MitdiesenEinstellungenistdieVergleichbarkeitderErgeb-nissemitdenenältererUntersuchungenmöglich.Dieskönnte

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auchdann vonBedeutung sein, insbesondereunterdemGesichtspunkt der Weiterentwicklung des europäischenRegelwerkes im Rahmen des Explosionsschutzes, wennein normiertes Prüfverfahren zur Beurteilung der GefahrderEntstehungzündfähigermechanischerzeugterFunkenangestrebt wird. Diese Versuchseinstellungen ergabensichauszweiGründen:ZumeinenistbeieinerkleinenundspitzenGeometrieaufgrundderFlächenpressungehermitdemAbtrennenvonTeilchenerhöhterTemperaturundsomitzündfähigen mechanisch erzeugten Funken zu rechnen.Damitsind(bisaufwenigeSonderfälle)allemöglichengeo-metrischenFormendermechanischerzeugtenSchlagfunkenabgedeckt.ZumanderentrenntdersogenanntestreifendeSchlag im Gegensatz zum stumpfen Schlag durch dasStreifenüberdieOberflächedesSchlagpartnersamehestenTeilchenab.

4.2 VersuchsablaufZuerst wurde mit der kleinen SFM ermittelt, ab welcherSchlagenergieinLuftzwischenferritischenStählenTeilchenderartabgetrenntwerden,dassdieseoxidierenkönnen.DieswurdemitderEinstellungfürdiekinetischeSchlagenergieW=3Nmdurchgeführt.

AnschließendwurdenVersuchemitderkleinenSFMinderEinstellungmitW=�0Nmdurchgeführt.Dabeiwurdendiefür die IEC-Explosionsgruppen jeweils charakteristischenBrenngas/Luft-Gemische mit Stahl-Schlagfunken beauf-schlagt.MitdiesenSchlagfunkenversuchensollteuntersuchtwerden,beiwelchenBrenngasgemischenoxidationsfähigeFunkenentstehen,diedasGemischentzündenkönnen.

DieVersuchewurdenwiefolgtdurchgeführt:

− StahlSt52

− jeIEC-ExplosionsgruppeundjeGemisch-Zusammenset- zungeineVersuchsreihemit�00Schlagfunkenversuchen. Beginn an der UEG, aufwärts in Schritten von jeweils �,0Vol.-%bzw.2,5Vol.-%biszumstöchiometrischen Gemisch;anschließendinSchrittenvonjeweils5,0Vol.-% bis zur Grenze von 25,0Vol.-%. Obwohl die obere Explosionsgrenze(OEG)beiMethan/Luft-undbeiPro- pan/Luft-Gemischenbei�7,0Vol.-%bzw.bei�0,8Vol.-% liegt,wurdendieVersuchebiszuBrenngasanteilenvonbis zu25,0Vol.-%durchgeführt.DamitsolltedasOxidations- verhalten von Stahl-Schlagfunken bei diesen Bedin- gungenmitdemOxidationsverhaltenvonStahl-Schlag-

funken bei anderen Brenngas/Luft-Gemischen mit deutlichhöhererOEGverglichenwerden.Sobaldabeiner bestimmten Gemisch-Zusammensetzung nur noch wenige oder keine oxidierten Funken festgestellt wurden, ist die nachfolgende Versuchsreihe mit der dann nächst höheren (fetteren) Gemisch-Zusammensetzung mit50Schlagfunkenversuchendurchgeführtworden.

− elektrischeZündungdesPrüfgemischesvorBeginnvon neuenVersuchsreihen

− Nachweis der Explosionsfähigkeit des jeweiligen Prüf- gemischesdurchelektrischeZündung,fallskeineExplo- siondurchmechanischeFunkenerzeugtwerdenkonnte.

− beiderVerwendungvonneuenSchlagbolzenundggf. SchlagplattenwurdenvordemBeginnbzw.derFortfüh- rungderSchlagfunkenversuche50Schlagversucheohne Prüfgemischvorgenommen,umanderSchlagstelleeine gewisseOberflächenrauigkeitzwecksdeutlichbesserer WahrscheinlichkeitzurFunkenentstehungzubekommen.

UmdenEinflussderWärmeleitfähigkeitaufdieOxidations-fähigkeit zu untersuchen, wurden zusätzlich Versuche mitEdelgas/Luft-Gemischendurchgeführt.AlsEdelgasewurdenArgonundHeliumverwendet.

Weiterhinwurden folgendeVersuchemitdergroßenSFM(W=�90Nm)durchgeführt:

− eine Versuchsreihe mit Helium/Luft-Gemischen von 5,0Vol.-%bis�00Vol.-%HeliuminLuftund

− je IEC-Explosionsgruppe eine Versuchsreihe mit dem Gemisch,beideminderkleinenSFMdiehöchsteZünd- wahrscheinlichkeit bzw. der höchste Anteil oxidierter Funkenerreichtwurde.

Die Unterscheidung zwischen oxidierten und nicht oxidiertenFunkenerfolgtedurchvisuelleBegutachtung imabgedunkeltenVersuchsraum.OxidierteFunkensind unzweifelhaft an ihrer starken, fast grellen Leucht- erscheinungen sogar bei Tageslicht erkennbar. Nicht oxidierte Funken bzw. Teilchen erhöhter Temperatur glimmenhingegennurschwach.

FüralleVersuchewurdederinderPraxiseingesetzteferri-tische unlegierte Baustahl verwendet. Bei der ErzeugungvonSchlagfunkenausferritischemStahlhandeltessichumoxidationsfähige Funken. Nach dem möglichen Oxidierenenthalten sie ein Vielfaches ihres Energieinhaltes gegenü-berdemZustanddirektnachdemAbtrennen,undkönnen

Tabelle 1 Sicherheitstechnische Kenndaten der Referenzgase (entnommen aus CHEMSAFE-Datenbank [BAM, DECHEMA, PTB])

Explosions- Referenzgas MZE1 des UEG2 Stöchio- OEG3

gruppe nach Referenz- metrisches IEC 60079- gases Gemisch 1:2004

I Methan(CH4) 0,28mJ 4,4Vol.-% 9,5Vol.-% �7,0Vol.-%

IIA Propan(C3H8) 0,24mJ �,7Vol.-% 4,0Vol.-% �0,8Vol.-%

IIB Ethylen(C2H4) 0,082mJ 2,4Vol.-% 6,5Vol.-% 32,6Vol.-%

IIC Acetylen(C2H2) 0,0�9mJ 2,3Vol.-% 7,8Vol.-% �00,0Vol.-%4

IIC Wasserstoff(H2) 0,0�7mJ 4,0Vol.-% 28,5Vol.-% 75,0Vol.-%

�)MZE:Mindestzündenergie2) UEG:UntereExplosions- grenze3) OEG:ObereExplosions- grenze4)Acetylenisteinzerfalls- fähigesBrenngas,welches auchohneZusatzvonLuft bzw.Sauerstoff(abetwa 82,0Vol.-%)explosions- artigreagierenkann

�5


somiteineüberlegeneZündwirkungzeigen.AmEndedesOxidationsprozesseskommteszukleinenKohlenstoff-Explo-sionen,ähnlicheinerWunderkerze.DieserProzessbenötigt–nebendemun-oderniedriglegiertenKohlenstoffstahl−vielSauerstoff in dem Gemisch. Daher ist bei Brenngas/Luft-GemischenmitehergeringemBrenngasanteil(oberhalbder

UEG)dieZündwahrscheinlichkeitimFallevonoxidationsfä-higenFunkenamgrößten.

Unter den o.g. Randbedingungen in Verbindung mit derMatrixinTabelle 1 ergebensichrund3.300Schlagfunken-versuche.

FotosderbeidenSFMwährendderjeweiligenAusführungeinesSchlagesunddieTabellenmitdenVersuchsergebnis-senderSchlagfunkenversuchebefindensichimAnhang.

5.1 Versuche mit Luft Bei insgesamt500Schlagfunkenversuchen inLuftmitderkinetischenSchlagenergie inHöhevonW=3Nmwurdennurbei6Schlagfunkenversuchen(entspricht�,2%)oxidierteStahl-Schlagfunken beobachtet. Diese Schlagfunkenver-suchezeigten,dassdieseEnergiefürdiehierangewandteSchlagkinematikund-geometriedieGrenzezurErzeugungvonoxidationsfähigenStahl-Schlagfunken inLuftdarstellt.UnterhalbdieserkinetischenSchlagenergieistespraktischkaum noch möglich, oxidationsfähige Stahl-Schlagfunkenzuerzeugen.

Um bei den nachfolgenden Schlagfunkenversuchen mitBrenngas/Luft-GemischendieWahrscheinlichkeitdeshöchstmöglichenAnteilsvonoxidiertenFunkenzuermitteln,wur-denzunächstmitderkinetischenSchlagenergievon�0NmVersucheinLuftdurchgeführt.VonoxidiertenFunkenkonnte

dannausgegangenwerden,wenndieseunterLeuchterschei-nungverbrennen.

InVorversuchenwurden50Schlagvorgängedurchgeführt,um eine gewisse Rauhigkeit zwischen Schlagbolzen undSchlagplatteherzustellen.ErstdiedannfolgendenSchlag-vorgängewurdenbewertet.

DieVersuchezeigten,dassmiteinerkinetischenSchlagener-gievon�0NmzwischenferritischenStähleninLuftbei96%derSchlägeoxidierteFunkenerzeugtwerdenkönnen.

5.2 Methan/Luft-Gemische BeidenSchlagfunkenversuchenmitMethan/Luft-Gemischen(IEC-ExplosionsgruppeI)warbeiderrelativniedrigenkine-tischen Schlagenergie von �0Nm aufgrund der hohenMindestzündenergienichtmitderExplosiondesVersuchs-gemischeszurechnen.

Die Versuche haben gezeigt, dass im Bereich oberhalbder UEG, bis zur stöchiometrischen Zusammensetzung(9,5Vol.-%)dieWahrscheinlichkeit,unterLeuchterscheinung

5 Versuche mit einer Schlagenergie von W = 10 Nm und verschiedenen Brenngas/Luft-Gemischen

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56

20

83 84

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30 35

Gemischzusammensetzung in [Vol.-%]

An

zah

l der

Sch

lag

vorg

äng

e m

it o

xid

iert

en F

un

ken

in [

%]

Methan

Abb. 2 Anteil der oxidierten Stahl-Schlagfunken für Methan/Luft-Gemische bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung

�6


verbrennendemechanischeStahl-Schlagfunkenzuerzeugen,bei80%bis90%liegt.

OberhalbdesstöchiometrischenGemischesbis20,0Vol.-%BrenngasinLuftgingdieWahrscheinlichkeit,oxidierteFunkenzuschlagen,kontinuierlichundlinearvonetwa90%aufca.2%zurück.Bei�5,0Vol.-%betrugderAnteilderVersuchemitoxidiertenFunken56%undderAnteilderVersuchemitnichtoxidiertenFunkenbzw.TeilchenerhöhterTemperaturohnejeglicheZündwirkung�0%.KeineoxidiertenFunkenbzw.schwachglimmendeFunkenwurdenbei�0%derVer-suchebei20Vol.-%beobachtet.Bei25Vol.-%warenkeineoxidiertenFunkenundnurnochwenigeTeilchenerhöhterTemperaturzuerkennen.DiedetailliertenVersuchsergebnissesindinTabelle A-1aufgelistetundinAbb. 2illustriert.

BeiMethan/Luft-GemischenkonntenmitW=�0Nmdurchmechanisch erzeugteStahl-Funkenbei der hier beschrie-benengeometrischenFormundKinematikkeineExplosionenausgelöstwerden.

5.3 Propan/Luft-Gemische BeidenSchlagfunkenversuchenmitPropan/Luft-Gemischen(IEC-ExplosionsgruppeIIA)waraufgrundderhohenMindest-zündenergiediesesBrenngas/Luft-Gemischesundder imVerhältnisdazurelativniedrigenkinetischenSchlagenergievon�0NmnichtmitderExplosiondesVersuchsgemischeszurechnen.

InAbb. 3istderAnteilderoxidiertenStahl-SchlagfunkenfürPropan/Luft-GemischebeiW=�0NminAbhängigkeitvonderGemischzusammensetzungdargestellt.

Im Bereich oberhalb der UEG (�,7Vol.-%) bis 8,0Vol.-%lag die Wahrscheinlichkeit, unter Leuchterscheinungen

verbrennendemechanischeStahl-Funkenzuschlagen,bei80%bisetwa90%.

Im Bereich von rund �0,0Vol.-% bis 25,0Vol.-% Brenn-gasanteil gingdieWahrscheinlichkeit, oxidierteFunkenzuschlagen,kontinuierlichundnahezulinearauf0%zurück.Bei�5,0Vol.-%(OEGvonPropan/Luft-Gemischenliegtbei�0,8Vol.-%)betrugderAnteilderVersuchemitoxidiertenFunken56%.Bei20,0Vol.-%lagderAnteilderVersuchemitoxidiertenFunkenbei�6%.NachErhöhungauf25,0Vol.-%PropaninLuftwarenkeineoxidiertenFunkenoderTeilchenerhöhterTemperaturmehrzuerkennen.

Die detaillierten Versuchsergebnisse sind in Tabelle A-2 aufgelistet.

Wiezuerwartenwar,kamesbeiPropan/Luft-Gemischenin keinemFall zu einerExplosiondesPrüfgemisches.Dierelativ niedrige kinetische Schlagenergie konnte keine fürdasvorhandenePrüfgemischhinreichendgroßenTeilchenabtrennen.

5.4 Ethylen/Luft-Gemische Abb. 4 zeigt den Anteil der oxidierten Stahl-Schlagfunkenfür Ethylen/Luft-Gemische (IEC-ExplosionsgruppeIIB) beiW=�0Nm in Abhängigkeit von der Gemischzusammen-setzung.

Im Bereich oberhalb der UEG (2,4Vol.-% Ethylen in Luft)bis etwa �2,0Vol.-% lag die Wahrscheinlichkeit, oxidiertemechanische Stahl-Funken zu schlagen, bei über 90%.TrotzderErzeugungvonoxidiertenFunkenimzündfähigenPrüfgemischkamesinkeinemFallzueinerExplosion.Dieslag,wieauchschonbeidenVersuchenmitMethan/Luft-undPropan/Luft-Gemischen beobachtet, an der im Verhältnis

Abb. 3 Anteil der oxidierten Stahl-Schlagfunken für Propan/Luft-Gemische bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung

93

75

56

16

0

88

8486

0

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20

30

40

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70

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90

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0 5 10 15 20 25 30 35


An

zah

l der

Sch

lag

vorg

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it o

xid

iert

en F

un

ken

in [

%]

Propan

�7


97

68

10

0 0

9093

96

0

10

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30

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50

60

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100

0 5 10 15 20 25 30 35


An

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l der

Sch

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vorg

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it o

xid

iert

en F

un

ken

in [

%]

Ethylen

zur Mindestzündenergie des Ethylen/Luft-Gemisches zuniedrigen kinetischen Schlagenergie in Höhe von �0Nm.DadurchkonntenkeinefürdieExplosiondesPrüfgemischeshinreichendgroßenTeilchenabgetrenntwerden.

IndemBereichoberhalb�0,0Vol.-%Ethylenanteil in LuftgingdieWahrscheinlichkeit,oxidierteFunkenzuschlagen,kontinuierlichauf0zurück.Bei�6,5Vol.-%betrugderAnteilderVersuchemitoxidiertenFunken68%.Bei2�,5Vol.-%lagderAnteilderVersuchemitoxidiertenFunkenbei�0%.Bei26,5Vol.-%konntenhingegenkeineoxidiertenFunkenundnureinTeilchenerhöhterTemperaturbeobachtetwerden.

Die detaillierten Versuchsergebnisse sind in Tabelle A-3 aufgelistet.

TrotzderErzeugungvonoxidiertenFunkenkamesbeiins-gesamt650SchlagfunkenversucheninkeinemFallzueinerExplosiondesEthylen/Luft-Gemisches.

InderLiteraturwurdeaberberichtet,dassbeiSchlagfun-kenversuchenvereinzeltExplosionennachgewiesenwerdenkonnten.

5.5 Acetylen/Luft-Gemische In Abb. 5 ist der Anteil der oxidierten Stahl-SchlagfunkenfürAcetylen/Luft-Gemische (IEC-ExplosionsgruppeIIC)beiW=�0Nm in Abhängigkeit von der Gemischzusammen-setzungdargestellt.

ImBereichoberhalbderUEG(2,3Vol.-%AcetyleninLuft)bis8,0Vol.-%lagdieWahrscheinlichkeit,oxidiertemechanischeStahl-Funkenzuschlagen,beirund90%.AllebeobachtetenFunken waren unter Leuchterscheinungen verbrennendeund somit oxidierte Funken. Diese Stahl-Schlagfunken

wareninderLage,mehrereExplosionendesPrüfgemisches(��Explosionen)zuverursachen.

InBereichüber8,0Vol.-%Acetylen/Luft-GemischgingdieWahrscheinlichkeit,oxidierteFunkenzuschlagen,kontinu-ierlich auf �,8% zurück. Bei �3,0Vol.-% Acetylen in LuftbetrugderAnteilderVersuchemitoxidiertenFunken73%.Dabeiwurden4Explosionenbeobachtet.Bei�8,0Vol.-%lagderAnteilderVersuchemitoxidiertenFunkenbei�8%.Hierkameszu3Explosionen.Bei23,0Vol.-%betrugderAnteilder oxidierten Funken nur noch �,8%. Teilchen erhöhterTemperaturwarennichtmehr zubeobachten.EskamzukeinerExplosiondesPrüfgemisches.

Die detaillierten Versuchsergebnisse sind in Tabelle A-4aufgelistet.BemerkenswertistinsbesonderebeidenVersu-chenmit�3,0Vol.-%und�8,0Vol.-%derhoheAnteilderExplosionenbezogenaufdieVersuche,beidenenoxidierteFunkenbeobachtetwurden.

BeiAcetylen/Luft-GemischenmussbereitsmitW=�0NmdurchmechanischerzeugteStahl-Funkenderhierbeschrie-benengeometrischenFormundKinematikmitExplosionengerechnetwerden.

5.6 Wasserstoff/Luft-Gemische DenAnteilderoxidiertenStahl-SchlagfunkenfürWasserstoff/Luft-Gemische(IEC-ExplosionsgruppeIIC)beiW=�0NminAbhängigkeitvonderGemischzusammensetzungillustriertdasAbb. 6.

ImBereichvon6,0Vol.-%WasserstoffinLuftlagdieWahr-scheinlichkeit,oxidierte,zündfähigemechanischeStahl-Fun-kenzuschlagen,bei80%.DieserWertentsprichtetwademderBrenngaseausKohlenwasserstoff-Verbindungen.

Abb. 4 Anteil der oxidierten Stahl-Schlagfunken für Ethylen/Luft-Gemische bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung

�8


91

74

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1,8

89

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0

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0 5 10 15 20 25 30 35


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in [

%]

Acetylen

X

X=Explosionen

XX

X

X

X

X

Abb. 5Anteil der oxidierten Stahl-Schlagfunken für Acetylen/Luft-Gemische bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung einschließlich erfolgter Explosionen (X)

80

67

40

2,4 1 0 00

10

20

30

40

50

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70

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90

100

0 5 10 15 20 25 30 35


An

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l der

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lag

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äng

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xid

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en F

un

ken

in [

%]

Wasserstoff

X=Explosionen

X

Abb. 6 Anteil der oxidierten Stahl-Schlagfunken für Wasserstoff/Luft-Gemische bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung einschließlich erfolgter Explosionen (X)

�9


AbweichendvonallenbisherigenWertenbeidenKohlenwas-serstoff-Verbindungen,lagbei8,5Vol.-%WasserstoffinLuftdieWahrscheinlichkeitzurErzeugungoxidierterStahl-Schlag-funkenbeinur67%.AllebeobachtetenFunkenwarenunterLeuchterscheinungenverbrennende,oxidierteFunken.DieseStahl-SchlagfunkenwarenauchinderLage,eineExplosiondesPrüfgemischeszuverursachen.

DieWahrscheinlichkeit,oxidierteFunkenzuschlagen,gingannähernd linearvon80%bisauf2,4%bei�8,5Vol.-%WasserstoffinLuftzurück.Bei23,5Vol.-%betrugdieserWertnurnoch�,0%.TrotzderErzeugungvoneinigenoxidiertenFunken,kamesnurzueinerExplosiondesPrüfgemisches(bei8,5Vol.-%).

Bei28,5Vol.-% (stöchiometrischeGemischzusammenset-zung)konntenkeinemechanischenStahl-SchlagfunkenundkeineTeilchenerhöhterTemperaturerzeugtwerden.

FürWasserstoff/Luft-GemischemussbeiW=�0Nmnachden Ergebnissen dieser Untersuchungen nur bis etwa�8,5Vol.-% mit dem Auftreten von Explosionen durchmechanischerzeugteStahl-FunkenderhierbeschriebenengeometrischenFormundKinematikgerechnetwerden.DiedetailliertenVersuchsergebnissesind inTabelle A-5aufge-listet.

5.7 Zusammenfassung der Ergebnisse der Schlagversuche mit W = 10 Nm Zur besseren Vergleichbarkeit der einzelnen Graphen derjeweiligen Brenngas/Luft-Gemische sind in Abb. 7 dieVerläufe aller Brenngas/Luft-Gemische einschließlich dererfolgtenZündungeneingetragen.Dabei können folgende

Aussagen für alle untersuchten Brenngas/Luft-Gemischegemachtwerden:

�. BeidenindiesemAbschnittderUntersuchungverwende-tenkinetischenSchlagenergieninHöhevonW=�0NmsindlediglichdieoxidiertenFunkenzündfähig.Keinein-zigesabgetrenntesundnichtoxidiertesPartikelerhöhterTemperaturkonntedieZündungderVersuchsgemischeauslösen.

2. IndemBereichvonderjeweiligenUEGbis�3,5Vol.-%Brenngasanteil inLuftbestehtbeiallenBrenngas/Luft-Gemischen eine hohe Wahrscheinlichkeit, oxidierte,mechanischerzeugteStahl-Funkenmitderrelativgerin-gen kinetischen Schlagenergie W=�0Nm abzutren-nen.

Trotz des hohen Anteils oxidierter Funken in diesemKonzentrationsbereichkamesnurbeiAcetylen/Luft-undWasserstoff/Luft-Gemischen (Brenngas/Luft-GemischederIEC-ExplosionsgruppeIIC)zuExplosionendesPrüf-gemisches.

3. Im Bereich von �3,5Vol.-% bis 25,0Vol.-% BrenngasinLuftgingdieWahrscheinlichkeitzurErzeugungzünd-fähigermechanischerStahl-Schlagfunkenkontinuierlichvonrund90%gegenNullzurück.

ImBereichüber�3,5Vol.-%bis�8,5Vol.-%Brenngas-anteil inLuftkonntennurbeiAcetylen/Luft-GemischenExplosionenermitteltwerden.Oberhalbvon23,0Vol.-%warenauchbeiAcetylen-GemischenkeineExplosionendesPrüfgemischesmehrzuverzeichnen.

4. Für den Bereich über 25,0Vol.-% Brenngasanteil wares inallenuntersuchtenBrenngas/Luft-Gemischenmit

Abb. 7 Anteil der oxidierten Stahl-Schlagfunken für alle Brenngas/Luft-Gemische bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung einschließlich erfolgter Explosionen (X)

80

67

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2,4 1 0 0

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74

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1,8

89

96

87

81

97

68

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0 0

9093

9693

75

56

16

0

88

8486

88

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20

83 84

0

10

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30

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50

60

70

80

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100

0 5 10 15 20 25 30 35


An

zah

l der

Sch

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vorg

äng

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it o

xid

iert

en F

un

ken

in [

%]

Wasserstoff

Acetylen

Ethylen

Propan

Methan

X=Explosionen

X

X

X

XXX

XX

20


ferritischen ungehärteten Stahlwerkstoffen nicht mehrmöglich,mitderkinetischenSchlagenergievon�0NmoxidationsfähigeStahlfunkenzuerzeugen.

5. Die Wasserstoff/Luft-Gemische verhielten sich bei>6,0Vol.-% in Bezug auf die Wahrscheinlichkeit, oxi-dierteunddeshalbbesonderszündfähigemechanischeStahl-Schlagfunkenzuerzeugen,andersalsdieBrenn-gas/Luft-GemischemitKohlenwasserstoff-VerbindungenalsBrenngas.

Die Wahrscheinlichkeit, mit der kinetischen Energie inHöhe von �0Nm oxidierte Stahl-Funken zu schlagen,lagimBereichbis�5,0Vol.-%WasserstoffinLuft20%bis25%unterdengemitteltenWertenderuntersuchtenKohlenwasserstoff-Verbindungen. Der Mittelwert derWahrscheinlichkeitzurErzeugungoxidierterStahl-Schlag-funkenlagbeidenKohlenwasserstoff-VerbindungenimBereich von 8,5Vol.-% bis �0,0Vol.-% bei 92%. BeiWasserstoff/Luft in der Gemisch-Zusammensetzung8,5Vol.-%lagderWahrscheinlichkeitswertbei67%.

Bereitsbei20,0Vol.-%WasserstoffinLuftlagdieWahr-scheinlichkeitderErzeugungoxidierterStahl-Schlagfun-kenbei rund2,0%.Demgegenüber lagderMittelwertbeidenKohlenwasserstoff-Verbindungenbei�3%bei20,0Vol.-%.

Zur weiteren Absicherung der Aussagen über Zündwahr-scheinlichkeitenwurdenweitereSchlagfunkenversuchemitdemjeweilsfürdieZündquelle„mechanischerzeugteStahl-Schlagfunken“zündwilligstenPrüfgemischdurchgeführt.

5.8 Interpretation der Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit W = 10 Nm DieErgebnissekönnenhinsichtlichderfolgendenzweiPhä-nomeneinterpretiertwerden:

�. ErzeugungoxidierterTeilchenund

2. ExplosiondesPrüfgemisches.

Zu 1. Erzeugung oxidierter TeilchenDie Beantwortung der Frage, ob aus oxidationsfähigenStählenabgetrennteTeilchenerhöhterTemperaturtatsäch-lichoxidierenkönnen,hängtnichtnurvomErreichenderfürdenBeginndesOxidationsvorgangesnotwendigenTempe-ratur inHöhe rund500°Cbis800°Cab.KohlenstoffhatimerwärmtenZustandeinehoheAffinitätzumSauerstoff.Bedingt durch den Kohlenstoff im unlegierten ferritischenBaustahl kommt es nachderAbtrennung von erwärmtenTeilchenaufwenigstens500°Cbis800°C inVerbindungmitSauerstoffzuexothermenReaktionen.DieseReaktionenlaufenbiszumBerstendersichzumleuchtendenFunkenentwickeltenkleinenTeilchenbzw.biszueinerodereinigenKohlenstoff-Explosionen. Auf die mögliche Oxidation hatdemzufolgederRest-SauerstoffgehaltdesBrenngas/Luft-GemischesentscheidendenEinfluss.Eszeigtesich,dassnurimBereichoberhalbderUEGbisunterhalbvon25,0Vol.-%BrenngasanteilinLuftderSauerstoff-Restgehalthinreichendgroßist,dassmitW=�0NmerzeugteStahl-Schlagfunkenoxidierenkönnen.

Zu 2. Zündung des Prüfgemisches ExplosionendesPrüfgemischeswurdennurbeiAcetylen/Luft-undWasserstoff/Luft-Gemischenbeobachtet.DerGrundfürdienichterfolgtenExplosionenbeidenanderenuntersuchtenBrenngas/Luft-Gemischen ist inder relativ niedrigenkine-tischenSchlagenergieinHöhevonW=�0NmimVerhältniszurhohenMindestzündenergiedieserGemischezusuchen.DiehieraufgewendetekinetischeSchlagenergiekonntekeinefürZündungenhinreichendgroßeTeilchenabtrennen.SinddieabgetrenntenTeilchenzuklein,könnendiesezwaraufein deutlich höheres Temperaturniveau oxidieren, aber ihrEnergieinhaltundihreLebensdauersindoftzugeringfürdieZündungdieserBrenngas/Luft-Gemische.WirddiekinetischeSchlagenergiedeutlicherhöht(z.B.aufW=�75Nm),istmitderAbtrennunggrößererTeilchenmithöheremEnergieinhaltundhöhererAusgangstemperaturzurechnen,dieeherzurZündungdesBrenngas/Luft-Gemischesführen.

Unterschiede im Zündverhalten von Acetylen/Luft- und Wasserstoff/Luft-Gemischen Acetylen/Luft-undWasserstoff/Luft-Gemischehabenähn-lich niedrige Mindestzündenergien in Höhe von 0,0�9mJund 0,0�7mJ. Sie gehören gemäß IEC60079-�:2004 indieselbe ExplosionsgruppeIIC. Für diese Einstufung wirdim genormten Versuch die niedrigste Zündenergie allerGemisch-ZusammensetzungeneinesBrenngasesermittelt.DieniedrigsteZündenergieistdiesogenannteMindestzün-denergie. Je weiter sich ein Brenngas/Luft-Gemisch vomstöchiometrischen Gemisch in Richtung UEG oder OEGentfernt,umsomehrsteigti.Allg.auchdieZündenergiean.DieZündenergienindenBereichenknappoberhalbderUEGundknappunterhalbderOEGüberschreitendieeigentlicheMindestzündenergiedeutlich.(EineAusnahmeistAcetylen,dessenZündenergiebeiüber25,0Vol.-%wiederdeutlichfällt.)DasstöchiometrischeGemisch liegtbeiAcetylenmit7,8Vol.-%etwaindemBereichdesgrößtenAnteilsvonVer-suchen,beidenenoxidationsfähigeFunkenerzeugtwurden.AusdiesemGrundreichtendiemitderrelativniedrigenkine-tischenSchlagenergieW=�0NmerzeugtenStahl-Funkenaus,umdasAcetylen/Luft-GemischimBereichvon3,0Vol.-%bis�8,0Vol.-%AcetylenanteilinLuftzuzünden.

BeiWasserstoffjedochliegtdasstöchiometrischeGemischbei28,5Vol.-%,alsoineinemBereich,indemmitW=�0Nmoxidierte Stahl-Schlagfunken nicht mehr erzeugt werdenkonnten. Von der UEG bis etwa �3,5Vol.-% (Bereich mitderhöchstenWahrscheinlichkeitderErzeugungoxidations-fähiger mechanisch erzeugter Stahl-Schlagfunken) ist dieZündenergievonWasserstoffinLuftdeutlichhöheralsdieMindestzündenergiebei28,5Vol.-%.Daherkamesnur ineinemFall(beiderGemisch-Zusammensetzungvon8,5Vol.-%WasserstoffinLuft)zueinerZündungdesPrüfgemisches.Bei�3,5Vol.-%undbei�8,5Vol.-%WasserstoffanteilinLuftgabeskeineZündungdesPrüfgemisches.

Weitere Einflussgrößen DieWahrscheinlichkeitdesAuftretensoxidierterFunkenistabhängig vom Luftanteil im Brenngas/Luft-Gemisch unddamitvomSauerstoffgehaltimGemisch.EinerKlärungbedarfaberdieFrage,warumbeigleichenGemischkonzentrationenaberunterschiedlichenBrenngasendieWahrscheinlichkeitdesAuftretensoxidierterFunkenunterschiedlichist.Mögli-cherweisehabenauchdieWärmeleitfähigkeitund/oderdieWärmekapazitätdesBrenngas/Luft-GemischesEinfluss,obeineOxidationderTeilchenstattfindenkannodernicht.Die

2�


Frageistdabei,wieschnelldemTeilchendieWärmeentzogenwird.DieWärmeleitfähigkeitisteineMaterialeigenschaftundgibtan,wieschnelleineWärmemengeübertragenwerdenkann.FürGasgemische ist sie vondemDruck,derTem-peraturundderGemischzusammensetzungabhängig.DiemolareWärmekapazitätistdasMaßfürdieWärmemenge,dieproMolbzw.proGasvolumenaufgenommenwerdenkann.AusdiesemGrundwurdenweitereVersuchemitEdelgasengleichermolarerWärmekapazitätaberunterschiedlicherWär-meleitfähigkeitdurchgeführt.Edelgasewurdenverwendet,umReaktionseinflüsseauszuschließen.

5.9 Versuche mit einer Schlagenergie von W = 10 Nm und Edelgasen unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit und gleicher molarer Wärmekapazität UmdenEinflussderWärmeleitfähigkeitdesjeweiligenBrenn-gas/Luft-GemischesaufdieWahrscheinlichkeitderEntste-hungzündfähiger,oxidierterStahl-Schlagfunkenzuprüfen,wurdenweitereSchlagfunkenversuchemitW=�0Nmmitjeweils zwei Edelgas/Luft-Gemischen unterschiedlicherGemisch-Zusammensetzungdurchgeführt.

EswurdenzweiEdelgaseverwendet,diebezüglichderWär-meleitfähigkeit stark unterschiedlich, jedochbezüglichderWärmekapazitätgleichsind.DiefolgendenAngabenbeziehensichaufRaumtemperaturundUmgebungsdruck.

DieWärmeleitfähigkeitdesEdelgasesArgonliegtmit

−Ar:l=�78,2⋅�0-04W⋅m-�⋅K-�

etwas unter der der Kohlenwasserstoff-Verbindungen deruntersuchtenBrenngas/Luft-Gemische(�80⋅�0-4W⋅m-�⋅K-�fürPropanbis339⋅�0-4W⋅m-�⋅K-�fürMethan).

DasEdelgasHeliumhateinesehrhoheWärmeleitfähigkeitvon

−He:l=�.500⋅�0-04W⋅m-�⋅K-�

die der Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff (l=�.860⋅�0-04W⋅m-�⋅K-�)nahekommt.

DiemolareWärmekapazitätvonArgonundHeliumistmit

−Ar:Cp=20,79kJ⋅kmol-�⋅K-�

−He:Cp=20,79kJ⋅kmol-�⋅K-�

beibeidenEdelgasengleich.

EinigesicherheitstechnischeKenngrößenundMaterialeigen-schaftenderReferenz-BrenngasesowiezweierEdelgaseundLuftsindzusammenfassendinTabelle 2aufgelistet.

5.9.1 Argon/Luft-Gemische

IndemBereichvon2,5Vol.-%bis20,0Vol.-%Argon/Luft-Gemisch lag die Wahrscheinlichkeit, oxidierte und somitzündfähige mechanische Stahl-Funken zu schlagen, bei�00%.AllebeobachtetenFunkenverbranntenunterLeuch-terscheinungundwarensomitoxidiert.

IndemBereichvonüber20,0Vol.-%bis35,0Vol.-%Edel-gasinLuftgingdieWahrscheinlichkeit,oxidierteFunkenzuschlagen,von�00%auf77%zurück.Von35,0Vol.-%Edel-gasanteilbisetwa45,0Vol.-%gingderAnteilderoxidiertenFunkenkontinuierlichvonrund77%bis4%zurück.

Bei50,0Vol.-%ArgonanteilwurdenkeinerleiFunkenbeob-achtet.

DieErgebnissederVersuchesind inTabelle A-6enthaltenundinAbb. 8dargestellt.

5.9.2 Helium/Luft-Gemische

Abb. 9illustriertdenAnteilderoxidiertenStahl-SchlagfunkenfürHelium/Luft-GemischeinAbhängigkeitvonderGemisch-zusammensetzung.

Bei2,5Vol.-%und5,0Vol.-%Helium/Luft-GemischlagdieWahrscheinlichkeit,oxidierteundsomitzündfähigemecha-nischeStahl-Funkenzuschlagen,bei86%bzw.98%.Allebeobachteten Funken verbrannten unter Leuchterschei-nungenundwarensomitoxidiert.

Danachfielbis20,0Vol.-%HeliuminLuftdieWahrscheinlich-keit,oxidierteFunkenzuschlagen,auf3%ab.Interessantist,

Tabelle 2 Sicherheitstechnische Kenndaten und Materialeigenschaften der Referenzgase sowie zweier Edelgase und Luft (entnommen aus CHEMSAFE-Datenbank)

1)MZE:Mindest- zündenergie2)WertfürStickstoff

Explosions- Referenzgas MZE1 Stöchio- Wärmeleit- Molare Wärme- gruppe nach metrisches fähigkeit in kapazität in IEC 60079- Gemisch W ⋅ m-1 ⋅ K-1 kJ ⋅ kmol-1 ⋅ K-1

1:2004

I Methan(CH4) 0,29mJ 9,5Vol.-% l=339⋅�0-04 Cp=34,57

IIA Propan(C3H8) 0,24mJ 4,0Vol.-% l=�80⋅�0-04 Cp=73,50

IIB Ethylen(C2H4) 0,082mJ 6,5Vol.-% l=208⋅�0-04 Cp=45,�8

IIC Acetylen(C2H2) 0,0�9mJ 7,8Vol.-% l=2�5⋅�0-04 Cp=39,35

IIC Wasserstoff(H2) 0,0�7mJ 28,5Vol.-% l=�.860⋅�0-04 Cp=28,62/ Luft / / l=260⋅�0-04 Cp≈29,�2

/ Argon(Ar) / / l=�78,2⋅�0-04 Cp=20,79

/ Helium(he) / / l=�.500⋅�0-04 Cp=20,79

22


Abb. 8 Anteil der oxidierten Stahl-Schlagfunken für Argon/Luft-Gemische bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung (anderer Abzissenmaßstab)

100 100 100 100 100

8482

77

21

4

0 00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60


An

zah

l der

Sch

lag

vorg

äng

e m

it o

xid

iert

en F

un

ken

in [

%]

Argon

98

74

59

30

86

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30 35


An

zah

l der

Sch

lag

vorg

äng

e m

it o

xid

iert

en F

un

ken

in [

%]

Helium

Abb. 9 Anteil der Versuche mit oxidierten Stahl-Schlagfunken für Helium/Luft-Gemische bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung

23


dassbei�0,0Vol.-%dieWahrscheinlichkeitderErzeugungoxidierterStahl-Schlagfunkenbei74%undbeiWasserstoffinLuftbei�0,0Vol.-%etwa60%(interpoliert)lag.

Bei25,0Vol.-%HeliumanteilwurdekeinerleiFunkenbeob-achtet.

DieErgebnissederVersuchesindinTabelle A-7enthalten.

5.9.3 Zusammenfassung der Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit W = 10 Nm und Edelgasen unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit und gleicher molarer Wärmekapazität

EinVergleichderKurvenfürArgonundHeliumistinAbb. 10dargestellt.

Argonhatmitl=�78,2⋅�0-04W⋅m-�⋅K-�eineimVergleichzuHeliumumdenFaktor8,5niedrigereWärmeleitfähigkeitvon. Das erklärt die signifikant höhere Wahrscheinlichkeitder Erzeugung oxidierter Funken gegenüber Helium/Luft-Gemischen.

Die Schlagfunkenversuche mit Argon und Helium habendamitgezeigt,dassinsbesonderebeiSchlagfunkenvorgän-genmitoxidationsfähigenStählenundniedrigenkinetischenSchlagenergiendieWärmeleitfähigkeiteinendeutlichenEin-flussdaraufhat,obdieabgetrenntenTeilcheninderLagesindaufeinhöheresunddamitzündgefährlicheresTempe-raturniveauzuoxidieren.

Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Grund für die deutlichschlechtere Zündwahrscheinlichkeit und den gegenübermechanischerzeugtenFunkenkleinerenZündbereich vonWasserstoff/Luft-imVergleichzuAcetylen/Luft-Gemischen

Abb 10 Anteil der Versuche mit oxidierten Stahl-Schlagfunken für Argon und Helium/Luft-Gemische bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Gemisch- zusammensetzung (anderer Abzissenmaßstab)

(trotzähnlicherMZEundselberEinstufungindieIEC-Explo-sionsgruppeIIC).

EinVergleichderKurveninAbb. 11fürArgoneinerseitsundPropan,EthylenundAcetylenandererseitszeigt,dassauchhinsichtlichdermolarenWärmekapazitätderGemischeeineAbhängigkeiterkanntwerdenkann.ArgonhatetwadenWertderWärmeleitfähigkeitvonPropan,Ethylenbzw.Acetylen.DiemolareWärmekapazitätvonArgonistabernurca.halbsogroßwiediedervorgenanntenGase.JehöherdiemolareWärmekapazitätist,umsogeringeristdieWahrscheinlichkeitderErzeugungoxidierterStahl-Schlagfunken.

5.10 Schlagfunkenversuche mit Acetylen/ Luft-, Wasserstoff/Luft- und Ethylen/ Luft-Gemischen zur Ermittlung der Zündwahrscheinlichkeit IndenFällen,beidenendieFunkenbildungauchzurExplo-sion des Brenngas/Luft-Gemisches führte, wurden zurErmittlungderZündwahrscheinlichkeitweitereVersuchsrei-hen durchgeführt. Dies beinhaltete die Acetylen/Luft- undWasserstoff/Luft-Gemische.ZusätzlichwurdenVersuchemitEthylen/Luft-Gemischdurchgeführt,obwohlindenbisdahindurchgeführten Versuchen keine Explosionen beobachtetwurden.DerGrundbestanddarin,dassinderLiteraturvonZündungendiesesGemischesdurchmechanischerzeugteFunkenberichtetwurde.MitBrenngas/Luft-GemischenmithöherenMZE(Methan/LuftundPropan/Luft)wurdenkeineweiterenVersuchedurchgeführt.

Die Schlagfunkenversuche zur Ermittlung der Zündwahr-scheinlichkeit wurden mit folgenden Gemischen durchge-führt:

100 100 100 100 100

8482

77

21

4

0 0

98

74

59

30

86

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60


An

zah

l der

Sch

lag

vorg

äng

e m

it o

xid

iert

en F

un

ken

in [

%]

ArgonHelium

24


80

67

40

2,4 1 0 0

91

74

18

1,8

89

96

87

81

97

68

10

0 0

9093

9693

75

56

16

0

88

8486

88

56

20

83 84

100 100 100 100 100

8482

77

98

74

59

30

86

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30 35


An

zah

l der

Sch

lag

vorg

äng

e m

it o

xid

iert

en F

un

ken

in [

%]

WasserstoffAcetylenEthylenPropanMethanArgonHelium

X=Explosionen

X

X

X

XXX

XX

Abb. 11 Anteil der Versuche mit oxidierten Stahl-Schlagfunken für alle Brenngas/Luft-Gemische bei W = 10 Nm einschließlich der Edelgase in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung

− 8,0Vol.-% Acetylen in Luft (stöchiometrisches Ge-misch),

− �0,0Vol.-%WasserstoffinLuft(GemischmitderhöchstenZündfähigkeit mechanisch erzeugter oxidationsfähigerStahl-Schlagfunken)und

− 6,5Vol.-%EthyleninLuft(stöchiometrischesGemisch).

Für die Ermittlung der Zündwahrscheinlichkeit wurde derAnteil aller erfolgten Explosionen des jeweiligen Prüfge-mischesüberdieAnzahlallerSchlagvorgängeaufgetragen.DieVersuchewurdensolangedurchgeführt,bisdieZünd-wahrscheinlichkeitenkonstantblieben.

5.10.1 Zündwahrscheinlichkeit bei Acetylen/Luft-Gemischen

Es wurden hier �.500Schlagvorgänge durchgeführt. Dasentspricht30Versuchsreihenmitje50Schlagvorgängen.

In25voninsgesamt30Versuchsreihenkameszu�bis4Explosionen.In��VersuchsreihentratjeeineExplosion,inweiteren�2Versuchsreihenje2undinjeeinerVersuchsreihetraten3bzw.4Explosionenauf.IndererstenVersuchsreihetraten2Explosionenauf.Daraus resultiert imAbb. 12derStartwertvon4,0%.

ImweiterenVerlaufpendeltesichderWertderZündwahr-scheinlichkeitauf2,9%ein.

Die Zündwahrscheinlichkeit für Acetylen/Luft-GemischedurchmechanischerzeugteundmitW=�0NmgeschlageneStahl-SchlagfunkenderhierbeschriebenengeometrischenFormundKinematikkanndahermitrund3,0%angegebenwerden.

5.10.2 Zündwahrscheinlichkeit bei Wasserstoff/Luft-Gemischen

EswurdenauchindiesenUntersuchungen30Versuchsreihenmitje50Schlagvorgängendurchgeführt,was�.500Schlag-vorgängenentspricht.

Eskamin insgesamt�7von30Versuchsreihenzu jeweilseinbiszweiExplosionen.In�2Versuchsreihenkameszuje�Explosionundin5Versuchsreihenkameszuje2Explosi-onendesPrüfgemisches.DaesimVerlaufdererstenbeidenVersuchsreihenzukeinerExplosionderVersuchsgemischekam,liegtderStartwertin Abb. 13bei0%.

ImweiterenVerlaufpendeltesichderWertderZündwahr-scheinlichkeitauf�,5%ein.

Für Wasserstoff/Luft-Gemische kann damit die Zünd-wahrscheinlichkeit durch mechanisch erzeugte und mitW=�0NmgeschlageneStahl-Funkenbeiderhierbeschrie-benengeometrischenFormundKinematikmitrund�,5%angegebenwerden.

5.10.3 Zündwahrscheinlichkeit bei Ethylen/Luft-Gemischen

Es wurden wieder �.500Schlagvorgänge durchgeführt,30Versuchsreihenmitje50Schlagvorgängen.

Inkeinerderinsgesamt30VersuchsreihenkameszurExplo-siondesPrüfgemisches.

25


Abb. 12 Anteil der erfolgten Explosionen bei 8,0 Vol.-% Acetylen/Luft-Gemisch im für mechanisch erzeugte oxidationsfähige Stahl-Schlagfunken zünd- willigsten Bereich bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Anzahl der Schlagvorgänge

Abb. 13 Anteil der erfolgten Explosionen bei 10,0 Vol.-% Wasserstoff/Luft-Gemisch im für mechanisch erzeugte oxidationsfähige Stahl-Schlagfunken zünd-willigsten Bereich bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Anzahl der Schlagvorgänge

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Anzahl aller Schlagvorgänge

An

teil

der

Exp

losi

on

en v

on

alle

n S

chla

gvo

rgän

gen

in [

%]

Acetylen

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500


An

teil

der

Exp

losi

on

en v

on

alle

n S

chla

gvo

rgän

gen

in [

%]

Wasserstoff

26


Abb. 14 Anteil der erfolgten Explosionen bei Acetylen/Luft-, Wasserstoff/Luft- und Ethylen/Luft-Gemischen im für mechanisch erzeugte oxidationsfähige Stahl-Schlagfunken zündwilligsten Bereich bei W = 10 Nm in Abhängigkeit von der Anzahl der Schlagvorgänge

Abb. 15Zündwahrscheinlichkeiten aller Brenngas/Luft-Gemische der IEC-Explosionsgruppen im für mechanisch erzeugte oxidationsfähige Stahl-Schlag-funken zündwilligsten Bereich bei W = 10 Nm

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500


An

teil

der

Exp

losi

on

en v

on

alle

n S

chla

gvo

rgän

gen

in [

%]

AcetylenEthylenWasserstoff

3 1,50 0 00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Acetylen Wasserstoff Ethylen Propan Methan Legende: Brenngas [Name]

Zü

nd

wah

rsch

ein

lich

keit

in [

%]

W=10Nm

27


5.10.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der Schlagfunkenversuche zur Ermittlung der Zündwahrscheinlichkeit mit Acetylen/Luft-, Wasserstoff/Luft- und Ethylen/Luft-Gemischen

Die Auswertung der Versuchsreihen zur Ermittlung derZündwahrscheinlichkeit zeigt einen klaren UnterschiedzwischenAcetylen/Luft-,Wasserstoff/Luft-undEthylen/Luft-Gemischen.

Folgende Werte der Zündwahrscheinlichkeit wurden fürW=�0Nmermittelt:

�. Acetylen/Luft-Gemische:ca.3,0%,

2. Wasserstoff/Luft-Gemische:ca.�,5%und

3. Ethylen/Luft-Gemische:0%.

4. MitPropanundMethanwurdenkeineVersuchezurErmitt-lungderZündwahrscheinlichkeitdurchgeführt.Dabereitsbei Ethylen keine Zündungen der Versuchsgemischebeobachtetwurden,konntedavonausgegangenwerdenkann, dass mit Propan und Methan keine Zündungenauftretenwerden.

DieVerläufezurErmittlungderZündwahrscheinlichkeitunddie Ergebnisse daraus sind jeweils zusammenfassend inAbb. 14undAbb. 15dargestellt.

6.1 Helium/Luft-Gemische In dem Bereich aller Gemisch-Zusammensetzungen von5,0Vol.-% bis �00,0Vol.-% Helium in Luft lag die Wahr-scheinlichkeit,oxidierteodergeschmolzeneundsomitzünd-fähigemechanischeStahl-Funkenzuschlagenbei�00%.

Bis 20,0Vol.-% Heliumanteil in Luft waren nach jedemSchlagvorgangsowohloxidierteFunkenerkennbar,alsauchgrößereTeilchen,etwa0,5mmbis�,0mmimDurchmesser,diejeweilsnachdemSchlagvorgangentdecktwurden.Teil-chen indieserGrößekönnendurchSchlagvorgängenichtmehrzumOxidierengebrachtwerden.

Ab25,0Vol.-%Helium inLuftverbranntennichtmehralleTeilchenalsFunkenhellleuchtendunterAbgabevonFlam-menerscheinungen.EswarenindergroßenSFMnachjedemSchlagvorganggeschmolzeneTeilchenvonrund0,5mmbis�mmDurchmesserzufinden.Ab45,0Vol.-%HeliumanteilinLuftwurdenüberwiegendgeschmolzeneTeilchenerzeugt.Auchbei�00,0Vol.-%HeliumtratenimVersuchleuchtendebzw.glimmendeTeilchenauf.MangelsSauerstoff könnendieabgetrenntenTeilchennichtmehroxidieren.NachdemVersuchwurdengeschmolzeneTeilchenvonrund0,5mmDurchmesserindergroßenSchlagfunkenmaschinegefunden.

BeiallenSchlagvorgängenmitW=�90NmwurdenzusätzlichzurAbtrennungvonTeilchenKaltschweißvorgängebeobach-tet.

6 Versuche mit einer Schlagenergie von W = 190 Nm mit Helium/Luft- und verschiedenen stöchiometrischen Brenngas/Luft-Gemischen

6.2 Acetylen/Luft UminsbesonderedieFragederZündfähigkeitvonmithoherSchlagenergie abgetrenntenTeilchenerhöhter TemperaturundohneOxidationsmöglichkeitzuklären,wurdenSchlag-funkenversuche mit Acetylen durchgeführt, da dies daseinzigeReferenzgasallerIEC-ExplosionsgruppenmiteinemZündbereichbis�00,0Vol.-%ist.

IndemBereichvon8,0Vol.-%AcetyleninLuftlagdieWahr-scheinlichkeit,oxidierteundsomitzündfähigemechanischeStahl-Funken zu schlagen, erwartungsgemäß bei �00%.AlleerzeugtenStahl-SchlagfunkenhabenzurZündungdesjeweiligenPrüfgemischesgeführt.

AufgrundderhohenkinetischenSchlagenergiezündeteauchbei 75,0Vol.-%Acetylen in Luft jederSchlagvorgangdasPrüfgemisch.(sieheA-9)

WegenderausdenExplosionenresultiertenstarkenRußent-wicklungimVersuchsraumundderstarkenVerschmutzungdergroßenSchlagfunkenmaschinemit abgelagertemRußwurdendieSchlagfunkenversuchenach�0Schlagvorgängenmit75,0Vol.-%AcetyleninLuft–und�0erfolgtenExplosi-onen−beendet.

Tabelle 3 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit W = 190 Nm

Gemisch,/ Anteil Versuche bei denen Zündwahrscheinlichkeit bei W = 190 Nm oxidierte/geschmolzene Teilchen beobachtet wurden

Wasserstoff/Luft �00% �00%

Acetylen/Luft �00% �00%

Ethylen/Luft �00% �6,7%

Propan/Luft �00% 6,7%

Methan/Luft �00% �,�%

28


6.3 Weitere Brenngas/Luft-Gemische der IEC-Explosionsgruppen UmdieZündwahrscheinlichkeitenalleranderenBrenngas/Luft-GemischederIEC-ExplosionsgruppenmitW=�90Nmzuermitteln,wurdenweitereSchlagfunkenversuchemitfol-gendenGemischendurchgeführt:

− �0,0Vol.-%WasserstoffinLuft,

− 6,5Vol.-%EthyleninLuft,

− 4,0Vol.-%PropaninLuftund

− 9,5Vol.-%MethaninLuft.

DiefolgendenErgebnissewurdenfürW=�90Nmermittelt(sieheTabelle 3).

Die detaillierten Versuchsergebnisse sind in den Tabellen A-10 bis A-13 aufgeführt.

Die graphische Darstellung derErgebnisse derErmittlungder Zündwahrscheinlichkeiten sind zusammenfassend inAbb. 16dargestellt.

6.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit W = 190 Nm mit Helium/Luft- und verschiedenen stöchiometrischen Brenngas/Luft-Gemischen im Vergleich mit W = 10 NmBei den Schlagfunkenversuchen mit W=�0Nm endetedieOxidationsfähigkeitderabgetrenntenTeilchenbeirund

Abb. 16 Zündwahrscheinlichkeiten aller Brenngas/Luft-Gemische der IEC-Explosionsgruppen im für mechanisch erzeugte oxidationsfähige Stahl-Schlag-funken zündwilligsten Bereich bei W = 190 Nm

100 100

16,6

6,7

1,1

100 100

16,6

6,7

1,10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Zü

nd

wah

rsch

ein

lich

keit

in [

%]

W=190Nm

25,0Vol.-%.Wiebereitsausgeführt,stellenmitW=�0NmabgetrennteStahl-Teilchenaufgrund ihrerGröße,Lebens-dauer und Energieinhalt im nichtoxidierten Zustand keineZündquelledar.Dasbedeutet,dassoxidierteFunken,auchwennsienurmitW=�0Nmerzeugtwurden,unterbestimm-tenBedingungeneineZündquelledarstellenkönnen.

ImGegensatzzudenSchlagfunkenversuchenmitW=�0NmwurdenbeidenVersuchenmitW=�90NmoxidationsfähigeFunkenineinemBereichbis45,0Vol.-%gefunden.AufgrundderhohenAbtrennleistungwirdsovielEnergieeingetragen,dassdasabgetrennteTeilchenumeinigesgrößerist.DadurchverbrenntesnichtineinemeinzigenOxidationsvorgangmiteinigenwenigenkleinenKohlenstoff-Explosionen,sondernineinerVielzahlvonKohlenstoff-Explosionen,ähnlicheinemkurzzeitigenFunkenregenwiebeiSchleiffunkenvorgängen.DarausresultiertdiesignifikanthöhereZündwahrscheinlichkeitvonmithoherSchlagenergieabgetrenntenStahl-Teilchen.

WeiterhinhabendieSchlagfunkenversuchemitderkineti-schenSchlagenergievon�90NminHelium/Luft-GemischenimVergleichzudenVersuchenmit�0Nmgezeigt,dassbeiSchlagfunkenvorgängenmithoherSchlagenergie− unab-hängigvonderOxidationsfähigkeiteinesStahlwerkstoffes− TeilchenerhöhterTemperaturunddamitPartikelmithohemEnergieinhalt über den gesamten Konzentrationsbereicherzeugtwerdenkönnen.EineZündgefahrkanndeshalbüberdengesamtenexplosionsfähigenBereichallerBrenngas/Luft-Gemischenichtausgeschlossenwerden.

BereitsinderLiteratur(sieheKapitel3.�,SchulzundDittmar /L-�4/) wurde darauf verwiesen, dass sogar einzelne mithoherkinetischerEnergiegeschlageneStahl-SchlagfunkenBrenngas/Luft-Gemische hoher Mindestzündenergie (alsoauchMethan/Luft-Gemische)zündenkönnen.

29


ImGegensatzzurLiteratur(bis40,0Vol.-%AcetylenanteilinLuft)ließensichimVersuchdieAcetylen/Luft-Gemischebis75,0Vol.-%Acetylen inLuftbei jedemSchlagvorgangzurExplosionbringen.Wegender,wiebereitserwähnt,extremstarken Verschmutzung wurden keine weiteren VersuchemithöherenGemischanteilendurchgeführt.DurchdieZer-fallsfähigkeitvonAcetylenkannabereineZündfähigkeitderGemischebisnahezu�00,0Vol.-%Acetylenanteilangenom-menwerden.

Die Schlagfunkenversuche mit W=�90Nm, bei denen�00%Zündwahrscheinlichkeitermitteltwurde(IIC-Gemischemit Wasserstoff und mit Acetylen), bedürfen naturgemäß

Abb. 17Zündwahrscheinlichkeiten aller Brenngas/Luft-Gemische der IEC-Explosionsgruppen im für mechanisch erzeugte oxidationsfähige Stahl-Schlag-funken zündwilligsten Bereich bei W = 10 Nm und W = 190 Nm

keiner höheren Versuchsanzahl zur statistischen Absiche-rung.BeidenSchlagfunkenversuchenmithohenSchlagen-ergien insbesondere im Bereich einstelliger Prozentzahlen(I-GemischemitMethanundIIA-GemischemitPropan),kanneinedeutlichhöhereVersuchsanzahldieProzent-Werteetwasverändern.DazuwärendannweitereVersuchenotwendig.BedingtdurchdiezeitlichsehrvielaufwändigerenSchlagfun-kenversuchemitdergroßenSchlagfunkenmaschinewurdendieseergänzendenVersuchehiernichtdurchgeführt.

DieErgebnissederErmittlungallerZündwahrscheinlichkeitenund unterschiedlicher Schlagenergien im Vergleich sindzusammenfassendinAbb. 17dargestellt.

ImFolgendenwerdeneinigeausdenVersuchenresultierendezusammenfassendeAussagenzudenwichtigstenEinfluss-größenaufdieZündwahrscheinlichkeitgemacht.

7.1 Zusammenhang zwischen kinetischer Schlagenergie und der Zündwahrscheinlichkeit WiediedurchgeführtenVersuchegezeigthaben,bestehteindirekterZusammenhangzwischenderkinetischenSchlagen-ergieundderZündwahrscheinlichkeit:JehöherdiekinetischeSchlagenergie,umsohöherdieWahrscheinlichkeitzurErzeu-gungzündfähigermechanischerStahl-Schlagfunken.

FürdieGemischederIEC-ExplosionsgruppeIICbedeutetdaseinesignifikanteZunahmederZündwahrscheinlichkeitdurchStahl-Schlagfunkenvon�,5%(fürWasserstoff)bis3,0%(fürAcetylen)beiW=�0Nmauf�00%beiW=�90Nm.BeiEthylenbeträgtdieZunahmederZündwahrscheinlichkeitvon0%auf�6,6%undbeiPropanvon0%auf6,7%.DieseAbhängigkeitensindinAbb. 20dargestellt.

Folgender Mechanismus kann für diese Abhängigkeit alsverantwortlichangesehenwerden:

Wichtig für die Zündwahrscheinlichkeit ist die Anzahl derabgetrenntenTeilchenbzw.FunkenproSchlag.EntstehtimFallvongeringenkinetischenSchlagenergien(W=�0Nm)nur ein einzelner Funke, hat dieser im ungünstigsten Fall

7 Interpretation der Versuchsergebnisse

100 100

16,6

6,7

1,1

100 100

16,6

6,7

1,13 1,5

0 0 00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Zü

nd

wah

rsch

ein

lich

keit

in [

%]

W=190NmW=10Nm

30


(IIC-Gemisch mit Acetylen) eine Zündwahrscheinlichkeitvonmaximal3,0%.WerdendurchhohekinetischeSchla-genergiengleichmehrereTeilchenmithohemEnergieinhaltundgroßemDurchmesserproSchlagabgetrennt,entstehtkurzzeitig ein Funkenregen ähnlich einem Schleifvorgang(vgl.Abb. aus A-1).DurchdieÜberlagerungderWärmefelderdereinzelnenFunkenentstehteinesehrvielgrößereheißeOberflächeimGemischraumalsbeieinemeinzelnenFunken.Der Anscheinsbeweis dafür ist die gegenüber einzelnenmechanischerzeugtenStahl-SchlagfunkendeutlichhöhereZündwahrscheinlichkeitvonSchleif-Funkenregen.

NebenderkinetischenSchlagenergiehabenauchdieGeo-metrie des Schlagpartners, die Schlagkinematik und dieOberflächenrauigkeiteinenEinflussaufdieZündwahrschein-lichkeit.

Mit spitzer Geometrie wenigstens eines SchlagpartnersundmiteinemstreifendenSchlaglassensicheherTeilchenabtrennen.WeiterhintrittbeirauererOberflächeinsbesonderebeimstreifendenSchlageinVerzahnungseffektauf,sodassdieWahrscheinlichkeitTeilchenabzutrennensteigt.

Dasbedeutet,dasssichauchmitdeutlichgeringererkine-tischer Schlagenergie als �90Nm, aber mit spitzer Geo-metrie,streifenderSchlaggeometrieundrauer,ggf.rostigerOberfläche, zündfähige Teilchen abtrennen lassen. Ist dieOberflächedagegenrelativglattundfindetmöglicherweisenureinstumpferSchlagstatt,kannsogardieSchlagenergievonW=�90Nmnichtausreichen,umzündfähigeFunkenzuerzeugen.

InteressantwärenweiterhinAussagen,wiesichdieZünd-wahrscheinlichkeit zwischen den o.g. Werten der kine-tischen Schlagenergien verhält. Aufgrund der Vielzahl derEinflussgrößenisteinelineareAbhängigkeitmitderdarausresultierenden Möglichkeit der einfachen Interpolationunwahrscheinlich.DarausresultiertdieNotwendigkeitwei-tererUntersuchungen.

7.2 Gemisch-Zusammensetzung und Oxidationsfähigkeit von Stahl-Schlagfunken, abgetrennt aus ferritischen Stahlwerkstoffen Bei Schlagvorgängen, die zwischen oxidationsfähigen,ferritischen und ungehärteten Stahlwerkstoffen mit derkinetischenSchlagenergieinvonHöheW=�0Nmdurch-geführt werden, besteht nach den Ergebnissen dieserUntersuchungennurindemBereichvonderUEGbisetwa25,0Vol.-%BrenngasanteilinLuftüberhauptdieMöglichkeitoxidationsfähigeFunkenzuschlagen.NichtoxidierteTeilchenerhöhterTemperatur,diemit�0NmkinetischerSchlagenergieabgetrenntwerden,sindaufgrundihrerTeilchengröße,ihresEnergieinhaltsundderdarausresultierendenLebensdauernichtzündfähig.

ImBereichüber25,0Vol.-%Brenngas/Luft-GemischistesmitferritischenStahlwerkstoffenmitderkinetischenSchla-genergievon�0Nmnichtmehrmöglich,oxidationsfähigeStahlfunken zu erzeugen. Somit kann eine Zündung vonBrenngas/Luft-GemischenallerIEC-Explosionsgruppenbeiüber25,0Vol.-%BrenngasanteilinLuftdurchmechanischeundmitW=�0NmerzeugteStahl-Schlagfunkenalsunwahr-scheinlichangesehenwerden.

BeiSchlagvorgängen,diezwischenferritischenundunge-härtetenStahlwerkstoffenmitderkinetischenSchlagenergieinHöheW=�90Nmdurchgeführtwerden,bestehtindemgesamtenexplosionsfähigenBereicheinesBrenngas/Luft-GemischesdieMöglichkeit,zündfähigeFunkenzuschlagen.DerGrundliegtdarin,dassdieOxidationsfähigkeitderTeil-chenbeisehrenergiereichenSchlagvorgängennichtmehralleinfürdieZündungdesGemischesverantwortlichist.ImGegensatz zu den mit �0Nm kinetischer SchlagenergieabgetrenntenTeilchenhabendieseTeilchen/Funkenaufgrundihres energiereichenAbtrennvorgangesauchohneOxida-tionsvorgangeinedeutlichhöhereTeilchengröße,höherenEnergieinhaltunddamiteinelängereLebensdauer.

7.3 Einfluss des Zusammenhangs von Gemischzusammensetzung und Mindestzündenergie auf die Zündfähigkeit von Stahl-Schlagfunken aus ferritischen Stahlwerkstoffen MechanischerzeugteFunken,diemitsoniedrigerkinetischerSchlagenergieerzeugtwerden,dasssienuraufgrundeinesOxidationsvorgangeszurZündquellewerdenkönnen,habendiehöchsteWahrscheinlichkeitzurOxidationimBereichmitdemhöchstenSauerstoff-GehaltimBrenngas/Luft-Gemisch.Über25,0Vol.-%BrenngasanteilinLuftlassensichmitderkinetischenSchlagenergievon�0NmjedochkeineoxidiertenStahl-Schlagfunkenmehrerzeugen.

BeiKohlenwasserstoff-Verbindungenfallenderstöchiomet-rischeBereichmitderniedrigstenZündenergie(derMindest-zündenergie,MZE)unddiedurchOxidationhervorgerufenehöchsteZündfähigkeitvonmit�0NmmechanischerzeugtenStahl-Schlagfunken zusammen, da der stöchiometrischeBereichimeinstelligenProzentbereichdesBrenngasanteilsinLuftliegt,undsomitwenigBrenngasdieLuftbzw.Rest-sauerstoffverdrängt.DamitliegtbeidenKohlenwasserstoff-VerbindungendasstöchiometrischeGemischjeweilsindemBereich der höchsten Wahrscheinlichkeit zur ErzeugungoxidierterFunken.BeiWasserstoff/Luft-GemischensinddieVerhältnisseanders.HierliegtdasstöchiometrischeGemischbei 28,5Vol.-%.Unterhalbundoberhalbdes stöchiomet-rischenGemischessteigtdieZündenergiewiederan.DeshalbkommtesbeiWasserstoff/Luft-GemischenimGegensatzzuAcetylen/Luft-GemischentrotzähnlichniedrigerMZEnurineinemdeutlichkleinerenGemisch-Bereichvon6,0Vol.-%bisunter�3,5Vol.-%WasserstoffinLuftzuZündungen.

Beimit�90NmmechanischerzeugtenStahl-SchlagfunkenspieltimGegensatzzu�0NmaufgrunddesenergiereichenAbtrennvorgangesunddesdadurchbedingtendeutlichhöherenEnergieinhaltsdesTeilchensauchohneOxidationsvorgangdieGemischzusammensetzungeinegeringereRolle.Entscheidendist,dassdiejeweiligeZündenergieüberschrittenwird.

7.4 Einfluss der Wärmeleitfähigkeit und der molaren Wärmekapazität auf die Zündfähigkeit von Stahl-Schlagfunken aus ferritischen Stahlwerkstoffen DieWärmeleitfähigkeitunddiemolareWärmekapazitätdesBrenngas/Luft-GemischeshabenEinflussaufdieZündfähig-

3�


keitmechanischerzeugterFunken,diemitsoniedrigerkine-tischerSchlagenergieerzeugtwerden,dasssienuraufgrunddesOxidationsvorgangeszündfähigwerdenkönnen.

Je höher die Wärmeleitfähigkeit des Gemisches, umsogeringeristdieWahrscheinlichkeitderErzeugungoxidierterStahl-Schlagfunken,dademTeilchensehrschnelldiefürdenOxidationsvorgangnotwendigeWärmeentzogenwird.DerUnterschiedderWärmeleitfähigkeitzwischendenbetrachte-tenBrenngas/Luft-GemischenbeträgtmehralsFaktor�0.

Die geringere Zündwahrscheinlichkeit und der gegenübermechanisch erzeugten Funken kleinere Zündbereich vonWasserstoff/Luft-imVergleichzuAcetylen/Luft-Gemischen(trotzähnlicherMZEunddamitverbundenergleicherEinstu-fungbeiderBrenngase in IEC-ExplosionsgruppeIIC) kanndurchdenEinflussderWärmeleitfähigkeitbegründetsein.

Je höher die molare Wärmekapazität, desto geringer dieWahrscheinlichkeit oxidierte Stahl-Schlagfunken zu erzeu-gen.ZwischendenbetrachtetenBrenngas/Luft-GemischenunterscheidensichdiemolarenWärmekapazitätenumdenFaktor�,5.

7.5 Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf die Zündfähigkeit von Stahl-Schlagfunken aus ferritischen Stahlwerkstoffen ErfahrungsgemäßlassensichmitdergeringenkinetischenSchlagenergievonW=�0NmaufrelativglattenStahlober-flächenauchmitspitzerSchlaggeometriemiteinerwesentlichgeringerenWahrscheinlichkeitoxidierteundsomit zündfä-hige Teilchen abtrennen, als von einer rauen Oberfläche.

Bei sehr viel höherer kinetischer Schlagenergie ist dieserEinflussgeringer. Es lassen sichhier unabhängig vonderOberflächenrauigkeit immer oxidierte Funken abtrennen.DieOberflächenrauigkeithatdamitnurgeringenEinflussaufSchlagvorgängemithoherkinetischerSchlagenergie.

ImRahmenderUntersuchungenwurdenweitereSchlagfun-kenversucheunterLuftdurchgeführt,umdieWahrschein-lichkeitderErzeugungoxidierterFunkeninAbhängigkeitzurOberflächenrauigkeitzuermitteln.

DieSchlagfunkenversuchewurdenjeweilsaufeinerneuen,unbenutztenStellederSchlagflächedurchgeführt.DieVer-suchemitferritischemundunlegiertemStahlhabengezeigt,dasssichbeiderrelativgeringenkinetischenSchlagenergievon�0NmerstabeinerbestimmtenOberflächenrauigkeitdurchdenstreifendenSchlagTeilchenunderstabeinerOber-flächenrauigkeitvonRz=�4,5�µmbis27,76µmbeiderhierangewendetenSchlaggeometrieundSchlagkinematikoxidationsfähigeFunkenabtrennenlassen.

BiszueinergemitteltenRzvon5,3µmkonntenkeineTeilchenerhöhterTemperaturabgetrenntwerden,dieanschließendinderLagewaren,aufeinhöheresTemperaturniveauzuoxidie-ren.DieserMechanismussetzteerstnach�0Schlagvorgän-genundeinerdanngemessenenRautiefevonRz=�4,5�µmein.Nach50SchlagvorgängenlagdieRzbei27,76µmunddieWahrscheinlichkeitFunkenzubeobachtenstiegauf80%an.FernerkonnteneindeutlicherMaterialabtragbzw.durchKaltschweißvorgängeMaterialverlagerungbeobachtetwer-den.Nach�00SchlagvorgängenwurdedieOberflächerauer(Rz=43,27µm)unddieWahrscheinlichkeitderErzeugungvon Funken erreichte 96%. Nach 200SchlagvorgängensankdieOberflächenrauigkeitaufRz=42,33µm.AuchdieWahrscheinlichkeitderErzeugungoxidierterFunkengingauf

Abb. 18Anzahl der Schlagvorgänge mit oxidierten Funken in Abhängigkeit von der Anzahl der ausgeführten Schlagvorgänge bei W = 10 Nm mit St52/St52

00

20

80

99

94,5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200


An

zah

l der

Sch

lag

vorg

äng

e m

it o

xid

iert

en F

un

ken

in [

%]

oxidierte Funken in [%]

32


94,5%zurück.Vermutlich istdabeisovielMaterialabge-tragenundverlagertworden,dassdasteilweiseverlagertekaltverschweißte Material nach einem Schlagvorgang nurnochkugelförmigabgleiten/abrollenkonnte.

Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Abb. 18 und 19 graphischdargestellt.DieTabelle A-14enthältdieVersuchs-werte.DieAbb. 20 bis 25zeigendiedenRauigkeitswertenzugrundeliegendeTopographieundAufnahmen.

Diese Ergebnisse bestätigten die gewählte Vorgehens-weisebeidenSchlagfunkenversuchenmitBrenngas/Luft-Gemischen.HierwurdendieeigentlichenVersuchemitdenVersuchsgemischen erst nach 50Schlagvorgängen ohneVersuchsgemisch durchgeführt. Der erste SchlagvorgangunterexplosionsfähigemBrenngas/Luft-Gemischwardem-zufolgeder5�.Schlagvorganginsgesamt.DieserlagsomitineinemBereich,deraufgrundderOberflächenstrukturdiehöchstmöglicheWahrscheinlichkeitzurErzeugungoxidierterFunken hat. Nach insgesamt 200Schlagvorgängen bzw.�50Schlägen unter Brenngas/Luft-Gemisch wurde dieSchlagstelle gewechselt und mit 50Schlagvorversuchenneu„eingeschlagen“.

7.6 Partikelgeschwindigkeit und -größe, Flächenpressung FürdieErmittlungderPartikelgeschwindigkeitwurdenHoch-geschwindigkeitsvideoaufnahmenerstellt.DabeikonntefürdiePartikelgeschwindigkeiteineGeschwindigkeitunterderSchlaggeschwindigkeitermitteltwerden.

1,28

5,3

14,51

27,76

43,27 42,33

0,220,912,45,21

8,44 7,935

2,13

8,23

24,32

48,72

66,62

58,86

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200


Wer

t d

er R

auh

igke

it in

[µ

m]

gemittelte Rautiefe RzMittenrauwert Ramaximale Rautiefe Rmax

Abb. 19 Abhängigkeit der Rauigkeit von der Anzahl der ausgeführten Schlagvorgänge bei W = 10 Nm mit St52/St52

DieGeschwindigkeitdesSchlaghebelsbetrugbeiderkleinenSFM �0,26m⋅s-�, die Partikelgeschwindigkeit nach demAbtrennvorgangbiszumOxidierenbzw.Verbrennenbetrugetwa5m⋅s-�bis9m⋅s-�.DiePartikelgrößederverbranntenPartikelausdenSchlagvorgängenmitderkleinenSchlag-funkenmaschinebetrugetwa0,�mmbis0,2mm.DeutlichkleinePartikelkonntenmakroskopischnichtnachgewiesenwerden.

Bei der großen SFM betrug die Schlaggeschwindigkeit�4,25m⋅s-�.DiePartikelgeschwindigkeitlagindemBereichvon7m⋅s-�bis�3m⋅s-�.DiePartikelgrößederoxidiertenPartikelbetrugetwa0,�mmbis�,0mm,überwiegendwarenjedochehergroßePartikelzubeobachten.

AufgrunddergroßenOberflächenrauigkeitderabgetrenntenPartikel−sowohlfürdieSchlagvorgängemitderkleinenalsauchmitdergroßenSFMundunterBerücksichtigungderRelativgeschwindigkeit−isteineturbulenteUmströmungderfliegendenPartikelwahrscheinlich(Reynoldszahletwa�00beiAnnahmeeinerumströmtenKugel).

DieFlächenpressungzwischenSchlagbolzenundSchlag-plattebeträgtfürdieSchlagfunkenversuchemitderkleinenSFMinderEinstellungW=�0Nm4,4N/mm2bis8,3N/mm2.

Für die große SFM beträgt die Flächenpressung für diekinetischeSchlagenergieinHöhevon�90Nm�0,0N/mm2bis�6,7N/mm2.

33


Abb. 20.1 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Luft zur Ermittlung der Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung oxidierter Funken in Abhängigkeit zur Ober-flächenrauigkeit bei W = 10 Nm mit St52/St52 und nach 0 Schlagvorgängen/im Anlieferungszustand: Oberflächen geschliffen, Schlagvorgänge in Schleifrichtung

Abb. 20.2 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Luft zur Ermittlung der Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung oxidierter Funken in Abhängigkeit zur Oberflächenrauigkeit bei W = 10 Nm mit St52/St52 und nach 0 Schlagvor-gängen/im Anlieferungszustand: Oberflächen geschliffen, Schlagvorgänge in Schleifrichtung

34


Abb. 21.1 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Luft zur Ermittlung der Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung oxidierter Funken in Abhängigkeit zur Ober-flächenrauigkeit bei W = 10 Nm mit St52/St52 und nach 3 Schlagvorgängen

Abb. 21.2 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Luft zur Ermittlung der Wahr-scheinlichkeit zur Erzeugung oxidierter Funken in Abhängigkeit zur Oberflächenrauigkeit bei W = 10 Nm mit St52/St52 und nach 3 Schlag-vorgängen

35


Abb. 22.1Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Luft zur Ermittlung der Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung oxidierter Funken in Abhängigkeit zur Ober-flächenrauigkeit bei W = 10 Nm mit St52/St52 und nach 10 Schlagvorgängen


36




37



Abb. 24.2 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Luft zur Ermittlung der Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung oxidierter Funken in Abhängigkeit zur Oberflächenrauigkeit bei W = 10 Nm mit St52/St52 und nach 100 Schlag-vorgängen

38



Abb. 25.2 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Luft zur Ermittlung der Wahr-scheinlichkeit zur Erzeugung oxidierter Funken in Abhängigkeit zur Ober-flächenrauigkeit bei W = 10 Nm mit St52/St52 und nach 200 Schlagvor-gängen

8 Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zurZündwahrscheinlichkeitmechanischerzeugterFunken,dieausSchlagvorgängenzwischenzweiausferritischemStahl(St52)bestehendenSchlagpartnernresultieren,vorgestellt.Die Zündwahrscheinlichkeit wurde für verschiedene Ver-suchsgemischeBrenngas/LuftderIEC-Explosionsgruppen(Methan(I),Propan(IIA),Ethylen(IIB),AcetylenundWasser-stoff (IIC)) bei zweikinetischenSchlagenergienundunterVerwendung der bereits erörterten Schlagkinematik und-geometrieermittelt.DabeiwurdenverschiedeneEinfluss-parameter (Gemischzusammensetzung, Oxidationsver-halten, Wärmeleitfähigkeit und -kapazität des Gemisches,Oberflächenrauigkeit, Partikelgeschwindigkeit und -größe)untersuchtunddieErgebnisseausgewertet.

DiefolgendengrundsätzlichenSchlussfolgerungenkönnengezogenwerden.

1. Kinetische Schlagenergie in Höhe von W = 3 Nm:Unterhalb dieser kinetischen Schlagenergie ist es mit derimRahmendieserUntersuchungangewendetenSchlagki-nematik und Schlaggeometrie unwahrscheinlich, einzelneStahl-Teilchensoabzutrennen,dasssie inderLagesind,aufeinzündgefährlichesTemperaturniveauzuoxidieren.Imnicht oxidierten Zustand stellen mit dieser SchlagenergieabgetrenntePartikelkeineZündgefahrdar.

2. Kinetische Schlagenergie in Höhe von W = 10 Nm: MitdieserniedrigenkinetischenSchlagenergieabgetrennteeinzelne Stahl-Teilchen werden nur dann zur gefährlichen

39


Zündquelle,wenndiesedurcheinenOxidationsvorgangaufeinhöheresTemperaturniveaugelangen.EineZündungdurchoxidiertemechanischeStahl-SchlagfunkenwurdenurbeidenuntersuchtenBrenngas/Luft-GemischenderIEC-Explosions-gruppeIICbeobachtet.AufgrundvonLiteraturangabenkannaberauchinderIEC-ExplosionsgruppeIIBeineZündgefahrinderPraxisnichtausgeschlossenwerden.

DiemöglicheOxidationhängtvoneinerVielzahlvonEinfluss-parametern ab. Findet keine Oxidation der abgetrenntenTeilchenstatt, ist inallen IEC-ExplosionsgruppennichtmiteinerZündungdurcheinzelnemechanischerzeugteStahl-Schlagfunkenzurechnen.

DiehöchsteZündwahrscheinlichkeitmechanischerzeugterStahl-SchlagfunkenbetrugfürAcetylen/Luft-Gemische(IEC-ExplosionsgruppeIIC)rund3,0%ineinemweitenBereichderGemischzusammensetzung.BeiWasserstoff/Luft-Gemischen

9 Ausblick

IndemBereichzwischenW=�0NmundW=�90NmisteineeinfacheInterpolationderErgebnissenichtmöglich,daindiesemBereicheinÜbergangzwischendenobendargestell-tenGrößenordnungenderZündwahrscheinlichkeitenstatt-findetunddieZündfähigkeitmechanischerzeugterFunkengrundsätzlichvoneinerVielzahlvonEinflussgrößenabhängt.AussagenzwischendiesenbeidenExtremensindabersehrbedeutsamfürdiesicherheitstechnischePraxis.

AusdiesemGrundistfürdieZukunfteineFortführungderArbeitengeplant.DiefolgendenSchwerpunktewurdenalsnächsteSchrittefestgelegt:

1. Durchführung von Schlagfunkenversuchen mit ferritischen Stählen im Bereich der kinetischen Schlagenergie zwischen 10 Nm und 190 Nm.DafürwerdenfürdiegroßeSchlagfunkenapparaturTorsionsst-abfederngeringererStärkenundsomitgeringererkinetischerSchlagenergien angefertigt. Eine Veränderung der kleinen

Schlagfunkenapparatur erfolgt nicht, daderAufwand zurEr-mittlungdesrealenEnergieeintragesderBlattfederkonstruktionunverhältnismäßigzurmöglichenGenauigkeitist.

2. Ermittlung von Daten für eine mögliche spätere mathematische Simulation des Schlagvorganges.EssollenDatenermitteltwerden,diedieBasis füreinemög-liche spätere mathematische Simulation darstellen können.Das ist in einem ersten Schritt die genaue Analyse des Vor-ganges mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. Aufdieser Basis soll der Gesamtvorgang in Einzelschritte zerlegtwerden.MitHilfevonHochgeschwindigkeitsaufnahmenkonn-ten bereits erste Ergebnisse zur Anfangsgeschwindigkeit derabgetrenntenTeilchenermitteltwerden.DieselagnaturgemäßunterderGeschwindigkeitdesSchlaghebels.AussagenüberdiePartikelgeschwindigkeitenwurdenbereitsunterPunkt6.6gemacht.

(IIC)lagdieZündwahrscheinlichkeitbeietwa�,5%unddortauchnurimBereichderGemischzusammensetzungunter�3,5Vol.-%WasserstoffanteilinLuft.

3. Kinetische Schlagenergie in Höhe von W = 190 Nm:Mit dieser hohen kinetischen Schlagenergie abgetrennteeinzelneTeilchenkönnenunabhängigvoneinemmöglicher-weisestattfindendenOxidationsvorgangalleinaufgrundihresdurchdenAbtrennvorgangbedingtenhohenEnergieinhaltesundderhohenTeilchengrößeunabhängigvonderGemisch-zusammensetzungeinBrenngas/Luft-Gemischzünden.

Die Zündwahrscheinlichkeit lag bei den betrachtetenBrenngas/Luft-Gemischen der IEC-ExplosionsgruppeIICbei�00%.BeidenanderenuntersuchtenBrenngas/Luft-GemischenbewegtesichdieZündwahrscheinlichkeit zwi-schen�6,6%(IIB)bzw.6,7%(IIA)und�,�%(I).

10 Literatur

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40


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/L-�5/ Dittmar, P.(BAM):Reib-undSchlagfunkenalsZünd- quelle.In:HandbuchderRaumexplosionen.Hrsg.: Freytag, H.-H. Weinheim: Verlag Chemie �965. [BAM-II.��-Lit.5-�]

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4�


11 Anhang

Abb. A-1Entwicklung der Funkengarbe:1) nach einem einzelnen Schlagvorgang mit W = 10 Nm 2) nach einem einzelnen Schlagvorgang mit W = 190 Nm und 3) während eines Schleifvorganges

�) 2) 3)

Abb. A-2 Fotos zeigen nach einem einzelnen Schlagvorgang mit W = 10 Nm die Entwicklung von einem abgetrennten Stahlteilchen in den Stadien: 1) Direkt nach dem Abtrennen und Beginn der Oxidation, 2) Übertragung der Wärme auf das Brenngas/Luft-Gemisch mit nachfolgender Explosion

�) 2)

�) 2)Abb. A-3Fotos zeigen nach einem einzelnen Schlagvorgang mit W = 190 Nm die Entwicklung von mehreren abgetrennten Stahlteilchen in den Stadien: 1) Direkt nach dem Abtrennen und Beginn der Oxidation. Durch das Abtrennen von mehreren Teilchen entsteht ein kurzzeitiger Funkenregen. 2) Übertragung der Wärme auf das Brenngas/Luft-Gemisch mit nachfolgender Explosion

11.1 Bilder

42


Gemischzusammen-setzung in [Vol.-%]

7,0 8,0

9,5

stöch-Gem.

15,0

>OEG

20,0

>OEG

25,0

>OEG

Anzahl der Schlagvorgänge 100 100 100 50 50 50

Schlagvorgänge mit oxidierten Funken 83 84 88 28 1 0

Schlagvorgänge mit Teilchen erhöhter Temperatur

0 0 0 5 5 4

Schlagvorgänge ohne Funken 17 16 12 17 44 46

Anzahl der Explosionen 0 0 0 0 0 0

Prozentualer Anteil der Schlagvorgänge mit oxidierten Funken

83 84 88 56 2 0

CH4

Tabelle A-1 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Methan/Luft-Gemischen bei W = 10 Nm mit St52/St52

11.2 Tabellen

.

43


Gemischzusammen-setzung in [Vol.-%] 3,0

4,0

stöch-Gem.

6,5 8,0 10,015,0

>OEG

20,0

>OEG

25,0

>OEG

Anzahl der Schlagvorgänge 100 150 100 100 100 50 50 50

Schlagvorgänge mit oxidierten Funken 88 126 86 93 75 28 8 0


0 0 0 0 0 11 27 0

Schlagvorgänge ohne Funken

12 24 14 7 25 11 15 50

Anzahl der Explosionen 0 0 0 0 0 0 0 0


83 84 86 93 75 56 16 0

Tabelle A-2 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Propan/Luft-Gemischen bei W = 10 Nm mit St52/St52

C3H8

.

44


Tabelle A-3 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Ethylen/Luft-Gemischen bei W = 10 Nm mit St52/St52

Gemischzusammen-set-zungin [Vol.-%]

4,0 5,0

6,5

stöch-Gem.

11,5 16,5 21,5 26,5

Anzahl der Schlagvorgänge

130 100 130 100 50 50 50

Schlagvorgänge mit oxidierten Funken 117 93 125 97 34 5 0


0 0 0 0 0 9 0


13 7 5 3 16 36 50

Anzahl der Explosionen 0 0 0 0 0 0 0


90 93 96 97 68 10 0

C2H4

.

45


Tabelle A-4 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Acetylen/Luft-Gemischen bei W = 10 Nm mit St52/St52


3,0 4,0 5,0 6,0

8,0

stöch-Gem.

13,0 18,0 23,0


100 100 120 102 100 50 54 110

Schlagvorgänge mit oxidierten Funken 89 96 104 83 91 37 10 2


0 0 0 0 0 0 0 0


11 4 16 19 9 13 40 108

Anzahl der Explosionen 2 2 1 3 3 4 3 0


89 96 87 97 91 74 18 1,8

C2H2

.

46


Tabelle A-5 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Wasserstoff/Luft-Gemischen bei W = 10 Nm mit St52/St52

Gemischzusammen-setzungin [Vol.-%]

6,0 8,5 13,5 18,5 23,5

28,5

stöch-Gem.

33,5


100 100 100 250 104 100 100

Schlagvorgänge mit oxidierten Funken 80 67 40 6 1 0 0


0 0 0 0 0 0 0


20 33 60 244 103 100 100

Anzahl der Explosionen 0 1 0 0 0 0 0


80 67 40 2,4 1 0 0

H2

.

47


Tabelle A-6 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Argon/Luft-Gemischen bei W = 10 Nm mit St52/St52


2,5 5,0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60


100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

Schlagvorgänge mit oxidierten Funken 100 100 100 100 100 84 82 77 21 4 0 0


0 0 0 0 0 11 10 9 6 7 14 0


0 0 0 0 0 5 8 14 73 89 86 100

Anzahl der Explosionen / / / / / / / / / / / /


100 100 100 100 100 84 82 77 21 4 0 0

Ar 4.6

Tabelle A-7 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Helium/Luft-Gemischen bei W = 10 Nm mit St52/St52


2,5 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0

He 5.5


100 100 100 100 100 100

Schlagvorgänge mit oxidierten Funken 86 98 74 59 3 0


0 0 0 0 13 9


14 2 26 41 84 91

Anzahl der Explosionen / / / / / /


86 98 74 59 3 0

48


Tabelle A-8 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Helium/Luft-Gemischen bei W = 190 Nm mit St52/St52

Gemisch- zusammen- setzungin [Vol.-%]

5,0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100

He 5.5


20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20

Anzahl der Schlagvorgänge mit oxidierten/ geschmolzenen Funken

20 20 20 20 20 201 201 201 20120 20 20 20 20 20

Anzahl der Schlagvorgänge mit Teilchen erhöhterTemperatur

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Anzahl der Schlagvorgänge ohne Funken

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Anzahl der Explosionen / / / / / / / / / / / / / / /

Prozentualer Anteil von Schlagvorgängen mit oxidierten/ geschmolzenen Funken

100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

�)HierwurdenzumTeilbeideMechanismen(oxidierteFunken,geschmolzeneTeilchenbeobachtet.

49


Tabelle A-9 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Acetylen/Luft-Gemischen bei W = 190 Nm mit St52/St52


8,0

stöchGem.

75,0

Anzahl der Schlagvorgänge 20 10

Anzahl der Schlagvor-gänge mit oxidierten/geschmolzenen Funken

20 10

Anzahl der Schlagvorgänge mit Teilchen erhöhter Temperatur

0 0


0 0

Anzahl der Explosionen 20 10


100 100

C2H2

.

50


Tabelle A-10 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Wasserstoff/Luft-Gemischen bei W = 190 Nm mit St52/St52


10,0


20

Anzahl der Schlagvorgänge mit oxidierten/geschmolzenen Funken

20


0


0

Anzahl der Explosionen 20


100

H2

5�


Tabelle A-11 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Ethylen/Luft-Gemischen bei W = 190 Nm mit St52/St52


6,5

stöchGem.

Anzahl der Schlagvorgänge 30


30


0


0



100

C2H4

.

52


Tabelle A-12 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Propan/Luft-Gemischen bei W = 190 Nm mit St52/St52


4,0

stöchGem.


30


30


0


0


Prozentualer Anteil von Schlagvorgängen mit oxidierten/geschmolzenen Funken

100

C3H8

.

53


Tabelle A-13 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Methan/Luft-Gemischen bei W = 190 Nm mit St52/St52


9,5

stöchGem.


94


94


0


0


Prozentualer Anteil von Schlagvorgängen mit oxidierten/geschmolzenen Funken

100

CH4

.

54


Tabelle A-14 Ergebnisse der Schlagfunkenversuche mit Luft zur Ermittlung der Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung oxidierter Funken in Abhängigkeit von der Oberflächenrauigkeit bei W = 10 Nm mit St52/St52

Luft Neu-zustand

Anzahl der Schlagvorgänge mit 10 Nm

0 3 10 50 100 200

Anzahl Schlagvorgänge mit oxidierten Funken

/ 0 2 40 96 189

Rz1) in µm 1,28 5,30 14,51 27,76 43,27 42,33

Ra2) in µm 0,22 0,91 2,40 5,21 8,44 7,935

Rmax3) in µm 2,13 8,23 24,32 48,72 66,62 58,86


/ 0 20 80 96 94,5

�)Rz: DiegemittelteRautiefeRzstelltdasarithmetischeMittelausdenEinzelrautiefen(Z�bisZ5)fünfaneinandergrenzenderEinzelmessstrecken dar.2)Ra: DerMittenrauwertRaentsprichtderHöheeinesRechteckes,dessenLängegleichderGesamtmessstreckeLmist.DasRechteckmussflächengleich mitderSummederzwischenRauheitsprofilundmittlererLinieeingeschlossenenFlächensein.3)Rmax: DiemaximaleRautiefeRmaxistdiegrößtederaufderGesamtstreckeLmvorkommendeEinzelrautiefe.

Luft

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Ermittlung der Zündwahrscheinlichkeit mechanisch erzeugter