Zündwirksamkeit von Ultraschall in explosionsfähigen Atmosphären

Simon, Lars Hendrik

In internationalen Normen zum Explosionsschutz ist Ultraschall als eine von 13 Zündquellenarten beschrieben. Darin werden für Anwendungen von Ultraschall in explosionsgefährdeten Bereichen strenge Anforderungen gestellt, die jedoch allein auf theoretischen Abschätzungen in Analogie zu anderen, besser erforschten Zündquellen basieren. Zudem existieren zu diesen Abschätzungen keine verlässlichen Aufzeichnungen oder Veröffentlichungen. Auch ist unklar, wie die Einhaltung des derzeit gültigen Grenzwert messtechnisch nachgewiesen werden kann. Deshalb wird in der vorliegenden Dissertation die Zündwirksamkeit von Ultraschall in explosionsfähigen Atmosphären umfassend untersucht. Dabei wurden im Rahmen von theoretischen Überlegungen Worst-Case Bedingungen für Ultraschall in flüssigen und gasförmigen Ausbreitungsmedien entwickelt, die eine Zündung provozieren könnten und in experimentelle Versuchsanordnungen umgesetzt. Zündversuche in diesen Anordnungen haben erstmals gezeigt, dass Ultraschall tatsächlich als Zündquelle wirksam werden kann, wenn die akustische Energie von einem stark schallabsorbierenden Zielkörper in Wärme umgewandelt wird. Für Ultraschall in gasförmigen Medien konnten Schwefelstaub-Luft Gemische und Schwefelkohlenstoff-Luft Gemische gezündet werden. Als Worst-Case wurde dabei ein Ultraschallstehwellenfeld einer Frequenz von 20 kHz verwendet, wie es in der akustischen Levitationstechnik Anwendung findet. Unter dem Einfluss extremer Schalldruckpegel erwärmten sich Zielkörper aus porösen Festkörpern so stark, dass es zu einer Zündung an ihrer heißen Oberfläche kam. In Flüssigkeiten konnte einerseits gezeigt werden, dass hoch fokussierter Ultraschall im MHz Bereich explosionsfähige Atmosphären aus Dampf-Luft Gemischen niedriger Zündtemperatur zünden kann. Als Zielkörper zur Transformation der akustischen Energie in Wärme wurde in diesem Fall ein temperaturbeständiger Kunststoff verwendet. Andererseits kann akustische Kavitation als Zündmechanismus ausgeschlossen werden. Entsprechend der Untersuchungsergebnisse werden neue Anforderungen für den sicheren Betrieb von Ultraschallanwendungen in explosionsfähigen Atmosphären formuliert und diskutiert. In diesem Zusammenhang werden für Ultraschall in gasförmigen und flüssigen Medien jeweils neue Grenzwerte vorschlagen, die eine Anhebung gegenüber den derzeit gültigen um zwei Größenordnungen bei gleichem Sicherheitsniveau bedeuten.

International safety regulations consider ultrasound to be an ignition source. Currently, applications of ultrasound in explosive atmospheres have to comply with harsh requirements which are based only on theoretical estimations in analogy to other ignition sources rather than experimental data. Moreover, there are no publications or significant records on these estimations. Therefore, the research presented here gives a comprehensive assessment of the incendivity of ultrasound in explosive atmospheres. Hence, for airborne and liquid-borne ultrasound, worst-case conditions that provoke ignition were theoretically evolved and successively transformed into experimental setups. This way, it was possible to systematically investigate these worst-case situations and to show that ultrasound really can ignite explosive atmospheres if the acoustic energy is transformed into heat by a highly sound absorbing target. For airborne ultrasound, ignition of sulfur dust-air mixtures and carbon disulphide-air mixtures was observed. A 20 kHz ultrasound standing wave field such as it is used for acoustic levitation was considered to be the worst case. Due to extreme sound pressure levels targets of porous materials heated up until ignition eventually was triggered by their hot surface. In the case of liquid-borne ultrasound, on the one hand, it was shown that highly focused MHz ultrasound can cause ignition at liquid surfaces adjacent to explosive atmospheres of vapors with a low autoignition temperature. In this case, a target of highly temperature resistant plastic was used to transform acoustic energy into heat. On the other hand, acoustic cavitation is not capable of igniting explosive atmospheres. On the basis of the results of the research it is now possible to revise the current regulations and to specify measures to safely operate ultrasonic applications in explosive atmospheres. In this context, requirements for the safe operation of ultrasonic applications in explosive atmospheres are presented and discussed. For airborne and liquid-borne ultrasound new threshold values are suggested that mean an augmentation by two orders of magnitude compared to the currently valid threshold while keeping the same level of safety.

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Simon, Lars: Zündwirksamkeit von Ultraschall in explosionsfähigen Atmosphären. 2014.

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