Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von

S i c h e r h e i t ste c h n i s c h e s E x p e r i m e n t z u r W i r ku n g v o n Tre i b l a d u n g s p u l ve r b e i U m s e t z u n g i n e i n e r D o s i e ra n l a ge
10. BAM Informationsveranstaltung Sprengstoffe und Pyrotechnik, 21./22.05.2015
Dirk Cegiel, RWM; Dr. Moana Nolde, BAM
© RHEINMETALL DEFENCE, BAM 2015 Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Inhalt
 Motivation
 Aufgabenstellung und Zielsetzung
 Theoretische Betrachtung (I)
 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
 Versuchsergebnisse
 Theoretische Betrachtung (II)
 Zusammenfassung und Ausblick
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Motivation
Optimierungsvorhaben einer Dosieranlage und Fragestellungen aus der damit verbunden Gefährdungsbeurteilung
 Die betrachtete Dosieranlage besteht aus vier Dosierstationen in denen sich max. je 1,5 kg einbasiges Nitrocellulose 1‐Loch Treibladungspulver befinden.  Die Dosieranlage ist über Förderbänder mit dem Nachbarraum verbunden.
 Zur Steigerung der Takts soll dass Schleusensystem zwischen Dosieranlage und Nachbarraum optimiert werden.
 Fragestellungen:
1. Welche Wirkung ist bei einer Auslösung der max. 6 kg Treibladungspulver im Raum zu erwarten?
2. Welche Wirkung ist außerhalb des Raumes vor der Ausblasewand zu erwarten?
3. Wie aufwendig muss dass Schleusensystem ausgelegt werden, damit die Wirkung auf die Dosieranlage beschränkt bleibt und keine Gefährdung im Nachbarraum entsteht?
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Motivation
Raum mit Dosieranlage
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Motivation
Dosieranlage
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Aufgabenstellung und Zielsetzung
 Theoretische Betrachtung
 Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von 4 x 1,5 kg Treibladungspulver als lose Pulverschüttung bei Umsetzung in einer Modelldosieranlage in einem Gebäude mit schwerer Dachausführung in Ausblasebauart
 Korrelation der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Abschätzungen
 Übertragung der Ergebnisse auf die reale Dosieranlage (Anlage, Nachbarraum, Außenbereich)
→Belastbare Abschätzung der Gefährdung im Falle eines realen Schadensereignisses
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Theoretische Betrachtung (I)
Sicherheitstechnische Kenndaten Treibladungspulver
 Pulvertyp: Einbasiges, extrudiertes, imprägniertes Nitrocellulose 1‐Loch Treibladungspulver.  Pulvergeometrie: Außendurchmesser ca. 1,1 mm, Länge ca. 1,1 mm, Wandstärke ca. 0,5 mm
 Transportklassifizierung 1.3C
 Bei einer Schütthöhe von < 50‐60 cm ist ein Abbrand zu erwarten.
 1 kg Treibladungspulver liefert ca. 7 m3 heißes Gas
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Theoretische Betrachtung (I)
Vereinfachte „worst case“ Betrachtung
 Berechnung des Gasdrucks und Kräfte im Raum bei schlagartiger Freisetzung von 10,5 m3 Gasvolumen.
– Berechnungsgrundlage: Gesetz von Boyle‐Mariotte
.
1
1
2
2
2
1
1
2 = 1 bar
3
1 = Raumvolumen + 10,5 m Gasvolumen aus der Umsetzung von 1 kg TLP (Annahme: die Tür / Ausblasewand öffnet bevor das Gasvolumen der restlichen 4,5 kg TLP zur Wirkung kommt)
2 = Raumvolumen
2 = Druck der notwendig ist, um V1 auf das Raumvolumen V2 zu komprimieren
1
 Zeitlicher Verlauf des Abbrandes und Volumenverkleinerung des Gases durch die Abkühlung werden nicht berücksichtigt.
 Überzündungswahrscheinlichkeit zwischen den Dosiereinheiten ist durch theoretische Betrachtungen schwer abschätzbar.
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Theoretische Betrachtung (I)
Rechnung vereinfachte „worst case“ Betrachtung
Gasdruck im Raum
Umsatz TLP
in kg
Raumgeometrie
Volumen Druck abs. Überdruck
Tiefe/m Breite/m Höhe/m 1)
in m3
in kPa
in kPa
Raum Dosieranlage RWM
5,50
2,50
3,00
41,25
100
0
Raum Modellgebäude BAM TTS
2,00
2,00
3,00
12,00
100
0
Umsetzung (4 x 1,5 kg)
1,50
10,50
Volumen und Druck (RWM)
51,75
125
25
Volumen und Druck (BAM TTS)
22,50
188
88
Breite
in m
Höhe
in m
Fläche
in m2
Kraft
in KN
Ausblasefläche Raum RWM 2,50
2,73
6,83
174
Ausblasefläche Türen Raum RWM
1,80
2,12
3,82
97
Ausblasefläche Raum Modellgeb.
2,00
3,35
6,70
586
Ausblasefläche Tür Raum Modellgeb.
0,67
2,00
1,33
117
Resultierende Kraft auf Ausblasewand und Tür
Anmerkungen:
1) mittlere Raumhöhe
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Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Modellgebäude BAM TTS ‐ Grundriss
Raum 21 C (RWM)
Modellgebäude (BAM TTS)
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Raumgeometrie
Volumen
Tiefe/m
Breite/m Höhe/m 1)
in m3
5,50
2,50
3,00
41,25
2,00
2,00
3,00
12,00
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Modellgebäude BAM TTS ‐ Ansicht
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Modelldosierer
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Instrumentierung
 Weitwinkelkamera (Video innen)
 Videokamera (außen)
 High‐Speed Video (außen)
 Wärmebildkamera (außen)
 Druckmessung (innen)
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Versuch 1: 4 x 1,5 kg Treibladungspulver
 Schütthöhe TLP ca. 4 cm
 Anzündung mittel E‐Anzünder, Verstärkung mittel SP‐Stoppine
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Versuch 2: 3 kg TLP initiierte Dosiereinheit + 3 x 1,5 kg TLP
 Schütthöhe TLP ca. 6 cm
 Anzündung mittel E‐Anzünder, Verstärkung mittel SP‐Stoppine
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Versuchsergebnisse
Versuchsaufbau Versuch 2 nach der Umsetzung
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Versuchsergebnisse
Anzündphase Versuch 1 vs Versuch 2, Zeitintervall = 0 ‐ 0,28 s, Δt = 40 ms
V
1
V
2
0 s
0,04 s
0,08 s
0,12 s
0,16 s
0,20 s
0,24 s
0,28 s
0 s
0,04 s
0,08 s
0,12 s
0,16 s
0,20 s
0,24 s
0,28 s
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Versuchsergebnisse
Brennzeit und Pulverumsatz V1 vs V2
Versuch 1
= 1,5 kg / 4,6 s = 0,33 kg/s
2,6 s
4,6 s
2,2 s
4,2 s
5,4 s
Versuch 2
= 7,5 kg / 10,7 s = 0,70 kg/s
7,2 s
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10,7 s
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Versuchsergebnisse
Druckmessung
Messgröße
Einheit Versuch Versuch Theorie Faktor 1
2
(I)
T (I)/V 2
Überdruck Raum
kPa
Kraft auf die Ausblasefläche
Kraft auf die Tür
n. m.
0,45
88
kN
3,0
586
KN
0,6
117
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196
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Theoretische Betrachtung (II)
Innenballistische Berechnung der zeitlich umgesetzten Pulvermasse
 Da der Pulverabbrand als reine Oberflächenreaktion betrachtet werden kann, steht die zeitlich umgesetzte Pulvermasse im direkten Zusammenhang zur linearen Brenngeschwindigkeit ( ) und zur spezifischen Oberfläche (A).
ß∙

= lineare Verbrennungsgeschwindigkeit
ß = rezepturabhängige Stoffkonstante
~ 0,1 mm/s pro bar (für nicht phlegmatisiertes TLP (H. Jahnk))
= Momentandruck [bar]
 = Druckexponent  1.0 ! Die Annahme setzt voraus, dass die gesamt Pulvermasse gleichzeitig angezündet wird. In der Realität, insbesondere bei kleinen Pulvermassen, wird dieser Zustand nicht erreicht.
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Theoretische Betrachtung (II)
Innenballistische Berechnung der zeitlich umgesetzten Pulvermasse
 Für Normaldruck berechnet sich die zeitlich umgesetzte Pulvermasse ∙
∙ß∙
∙
wie folgt:
= Pulverumsatz bei Normaldruck [kg/s]
= Pulvermenge [kg]
= spezifische Anfangsoberfläche[m2/kg]
ß = rezepturabhängige Stoffkonstante [mm/(s.bar)]
= Normaldruck = 1 bar
 = effektive Dichte  1,55 [kg/dm3]
 Für erhöhten Momentandruck berechnet sich die zeitlich umgesetzte Pulvermasse wie folgt:
∙
= Pulverumsatz bei Momendruck [kg/s]
= Pulverumsatz bei Normaldruck [kg/s]
= Normaldruck = 1 bar
 = effektive Dichte  1,55 [kg/dm3]
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Theoretische Betrachtung (II)
Innenballistische Berechnung des zeitlich erzeugten Gasvolumens
 Basierend auf der Stöchiometrie errechnen sich für der Abbrand von 1 kg Treibladungspulver bei ca. 400 K ca. 1,2 m3 warme Pulvergase . Bei ca. 2500 K kann bei Normaldruck mit ca. 7 m3 Pulvergase gerechnet werden.
∙
∙
p
s
= zeitlich erzeugte Gasvolumen
= zeitlich umgesetzte Pulvermasse
= Normaldruck = 1 bar
= Momentandruck [bar]
= temperaturabhängiger Expansionsfaktor
 Einsatz der Parameter aus der Formel zur Berechnung der umgesetzten Pulvermasse in die obige Formel hebt die Terme des Momentandrucks auf.
∙
∙ ß ∙ ∙ ∙
∙
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∙
∙ß∙
∙ ∙
∙f T 22
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Theoretische Betrachtung (II)
Physikalische Formulierung der äußeren Einflussparameter
 Bei einem Pulverabbrand muss konstruktiv dafür gesorgt werden, dass bei einem gegebenen Druck sich der Pulver enthaltende Raum soweit öffnet, dass alle sich entwickelnden Gase austreten können und kein weiterer Druckaufbau möglich ist.
→ Differentielle Formulierung des zweiten Newtonschen Axioms (Raketenformel)
∙
∙
∙ =0
∙
∙ ä
⇒ ∙ ä
∙
ä
2
∙
= korrelierende Gasmenge/s
ä
= Druck [Pa ≡ kg m/s2] = Entlastungsfläche [m2] ⇒ ∙ = umgesetzte Pulvermenge/s
= Pulverumsatz [kg/s] = erzeugtes Gasvolumen [m3/s] © RHEINMETALL DEFENCE, BAM 2015 | Dirk Cegiel, Dr. Moana Nolde | Mai 2015
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Theoretische Betrachtung (II)
Rechnung
Messgröße
Einheit Versuch Versuch Theorie 1
2
(I)
Überdruck Raum
kPa
Kraft auf Ausblasefläche
Kraft auf Tür
spezifische Oberfläche
n. m.
0,45
88
kN
3,0
586
KN
0,6
117
kg/m2
Faktor Theorie Faktor T (I)/V 2
(II)
T (II)/V 1,2
196
3,75
Pulverumsatz V1 (1,5 kg)
kg/s
0,33
0,87
2,6
Pulverumsatz V2 (7,5 kg)
kg/s
0,70
4,36
6,2
Gasvolumenstrom V1 m3/s
6,1
Gasvolumenstrom V2
m3/s
30,5
Ausblasefläche bei 0,45 kPa
m2
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1,33
0,54
2,4
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Zusammenfassung und Ausblick
 Der durchgeführte „1:1 Versuch“ lieferte detaillierte Erkenntnisse zur belastbaren Abschätzung der Gefährdung im Falle eines realen Schadensereignisses.
 In Bezug auf die Rahmen der Gefährdungsbeurteilung zu betrachtende Dosieranlage kann eine Gefährdung im Außenbereich und im Nachbarraum ausgeschlossen werden.
 Die vereinfachte theoretische Betrachtung zeigte erwartungsgemäß, dass die Dynamik des Abbrandes eine entscheidende Rolle spielt und bei der theoretischen Betrachtung berücksichtigt werden muss.
 Die theoretische Betrachtung mittels innenballistischer Berechnung der zeitlich umgesetzten Pulvermasse in Kombination mit der differentielle Formulierung des zweiten Newtonschen Axioms liefert größenordnungsmäßig den gleichen Überdruck im Raum wie im Versuch 2 gemessen wurde. © RHEINMETALL DEFENCE, BAM 2015 | Dirk Cegiel, Dr. Moana Nolde | Mai 2015
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Sicherheitstechnisches Experiment zur Wirkung von Treibladungspulver bei Umsetzung in einer Dosieranlage
Zusammenfassung und Ausblick
 Das durchgeführte Experiment zeigt die Wichtigkeit der Korrelation zwischen theoretischen Abschätzungen und experimentellen Ergebnissen.
 Langfristiges Ziel bleibt der Ausbau des Verständnisses zu den chemisch‐ und physikalischen Zusammenhängen und die Modellierung und Simulation der Wirkung.
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Danksagungen
 BAM, Herrn Mücke für die Druckmesstechnik
 BAM, Herrn Kurth für die Wärmebild‐Messtechnik
 RWM, Ndl. Nico Trittau, Herrn Elias für die Videomesstechnik
 Nitrochemie Wimmis, Herrn Tölle für die Informationen und Diskussionen zum Treibladungspulverabbrand
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Fragen, Anmerkungen?
[email protected]
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