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Explosionsdruckentlastung Wie Entlastungsventile die Gefahr von Staubexplosionen mindern

Autor / Redakteur: Dipl. Ing. Matthias Göpfert / Dipl.-Ing. (FH) Tobias Hüser

Die Folgen von Staubexplosionen können verheerend sein. Als letzte Versicherung gegen Überdrücke in Anlagen schützen Entlastungsventile nicht nur Maschinen vor Produktionsausfällen, sondern auch Menschenleben. Wie Sie eine flammenlose Explosionsdruckentlastung richtig auslegen, lesen Sie in diesem Beitrag.

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Der Vorteil einer flammenlosen Entlastungseinrichtung liegt auch darin, dass die Anlagen im Inneren einer Betriebshalle angeordnet werden können.
Der Vorteil einer flammenlosen Entlastungseinrichtung liegt auch darin, dass die Anlagen im Inneren einer Betriebshalle angeordnet werden können.
(Bild: Hoerbiger)

In Behältern, Silos, Förder- und Abfüllanlagen – kurz gesagt überall dort, wo staubförmige Medien gefördert und gelagert werden, kann es jeden Augenblick zu gefährlichen Explosionen kommen. Der konstruktive Ex-Schutz hat daher das zentrale Ziel, Anlagenteile so auszuführen, dass es zu keiner Gefährdung für Mensch und Anlage kommt. Das gilt vor allem für zwangsläufig auftretende Explosionen während des Produktionsprozesses.

Aber gerade die Gefahr von Staubexplosionen lässt sich nicht immer ausschließen.Daher bietet es sich an, die Schutzmaßnahme der Explosionsdruckentlastung durch einfache mechanische Systeme zu realisieren. Der niedrige Komplexitätsgrad trägt entscheidend dazu bei, dass Entlastungsventile praktisch als letzte Versicherung fungieren. Damit lassen sich auftretende Überdrücke im Explosionsfall auf beherrschbare Werte begrenzen. Hierzu werden am Behälter Entlastungsöffnungen angebracht, die bei einem definierten Ansprechdruck öffnen und so der entstehende Überdruck abgebaut werden kann.

Der exemplarische Weg bei der Auslegung einer solchen Schutzmaßnahme lässt sich am Beispiel der flammenlosen Explosionsdruckentlastung mit Hoerbiger-Entlastungsventilen an einem Filter darstellen. Im Betrieb kann sich im Filter eine explosionsfähige Atmosphäre des abgesaugten Staubes bilden. Kommt noch eine wirksame Zündquelle hinzu, ist die Explosion nicht mehr zu vermeiden. Um ein Entlastungsventil richtig zu dimensionieren, muss zunächst die erforderliche Entlastungsfläche bestimmt werden. Zudem sind die individuellen explosionstechnischen Kenngrößen des Staubes unbedingt erforderlich. Diese beschreiben die Dynamik einer Explosion mit einem spezifischen Material.

Die beiden Kennwerte KST und pmax werden mit Explosionsversuchen ermittelt. Der KSt-Wert, die Staubexplosionskonstante, repräsentiert den größten Anstieg dp/dtmax der Druckverlaufskurve (normiert auf 1 m³). Der Wert pmax ist der höchste erreichte Überdruck. Neben den Kenngrößen des Staubes sind die Abmessungen des zu schützenden Behälters erforderlich, die aus den Zeichnungen zu entnehmen sind. Daraus lässt sich das explosionsfähige Volumen berechnen. Ein entscheidender und für die präzise Dimensionierung erforderlicher Wert wird oft vernachlässigt – die Druckstoßfestigkeit. Diese erlaubt die Festlegung des maximal zulässigen Druckstoßes (predmax [barü]) dem das Gehäuse standhalten kann. Dieser Wert beeinflusst damit direkt die erforderliche Größe der Entlastungsöffnung.

Deshalb empfiehlt es sich schon frühzeitig die Explosionsdruckentlastung beim Anlagenentwurf einzuplanen. So lässt sich schon in der Planung eine gute Balance zwischen der erforderlichen mechanischen Stabilität des Gehäuses und der notwendigen Größe der Entlastungseinrichtung finden und ein Kostenoptimum erreichen. Um die Druckstoßfestigkeit und somit den maximal zulässigen Überdruck im Explosionsfall festzustellen, gibt es Simulationsmethoden auf Basis leistungsfähiger Rechenmodelle. Eine zweite Option sind Explosionsversuche am betreffenden Gehäuse.

Ein weiterer erforderlicher Parameter ist das Verhältnis L/D (Länge zu Durchmesser). Diese Zahl beschreibt, welche maximale Länge die Explosionswelle durchläuft, bevor die erste Entlastungsöffnung erreicht wird und zwar in Relation zum durchströmten Querschnitt. Ein sehr schlanker langgestreckter Behälter mit der Entlastungsöffnung an einem Ende benötigt bei gleichem Volumen und entsprechenden Eckdaten eine größere Entlastungsfläche als ein nahezu würfelförmiger Behälter.

Effektive Entlastungsfläche

Das Ergebnis der Berechnung (siehe Kasten) ist die effektive Entlastungsfläche Ae. Würde man am Behälter eine freie Öffnung in der Größe von Ae anbringen, wird bei einer Explosion der vorher berechnete predmax erreicht. In der Praxis setzen genutzte Einrichtungen der Entlastung einen gewissen Widerstand entgegen. Diese Einflüsse werden bei der obligaten Baumusterprüfung durch die Ermittlung der Effizienz oder Entlastungsfähigkeit EF [%] berücksichtigt.

Bei einer einfachen Kunststofffolie, die ausschließlich bei Vergleichsprüfungen zum Einsatz kommt, läge dieser Effizienzwert bei 100 %. Jede andere, in der Praxis verwendete Entlastungseinrichtung reduziert diesen Wert. Somit bewegen sich realistische Herstellerangaben signifikant unter 100 %. Aus diesem Effizienzwert wird nach Ag = Ae/EF die erforderliche „geometrische“ Entlastungsfläche festgelegt. Dies ist jene Querschnittsfläche, die mit der spezifischen Entlastungseinrichtung eingesetzt werden muss, um den Behälter entsprechend zu schützen.

Entlastung in der Praxis

Bei der Firma Stangl (siehe Aufmacherbild) sollte die Anlage mit einer flammenlosen Entlastungseinrichtung abgesichert werden. Von Vorteil war dabei, dass die Anlagen im Inneren der Betriebshalle angeordnet werden konnten. Bei der Entlastung treten keine Flammen aus und es gibt kein Risiko für Sekundärexplosionen. Die flammenlose Entlastungseinrichtung besteht aus dem Entlastungsorgan (Ventil, Klappe, Berstmembran) und einem nachgeschalteten Flammenfilter. Die Hoerbiger-Entlastungsventile des Typs EVN2.0 vereinigen beide Teile in einem sehr kompakten Design. Beim Ansprechen öffnet die Ventilplatte und lässt die heißen Gase entweichen, am Umfang des Ventils werden diese durch die engen Spalte des Flammenfilters gezwungen. Dabei gibt das Gas seine Wärmeenergie an das Filtermaterial ab und wird stark abgekühlt. An der Außenseite ist die Temperatur bis unter die Flammtemperatur abgesunken und die Flammen sind gelöscht.

Bei jeder flammenlosen Entlastungseinrichtung ist das maximal abzusichernde Volumen zu beachten. In dem Beispiel der Absicherung einer Sauganlage der Firma Stangl ist die erforderliche geometrische Entlastungsfläche Ag = 2200 cm2 und das explosionsfähige Volumen beträgt 2,6 m3. Nach Überprüfung der Baumusterprüfbescheinigung kann hierfür ein Entlastungsventil der Type 565EVN2.0 eingesetzt werden, dessen Entlastungsfläche ist mit 2300 cm2 etwas größer als die Anforderung.

* Der Autor arbeitet bei Hoerbiger Ventilwerke GmbH & Co. KG. Kontakt: Tel. +43-1-74004145

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