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2.5 Berechnungmodelle für die Sauerstoffgrenzkonzentration


Berechnungsverfahren für die Sauerstoffgrenzkonzentration sind in der Literatur weniger zahlreich vertreten. Zu unterscheiden ist an dieser Stelle bei den Berechnungsverfahren für die Sauerstoffgrenzkonzentration noch zwischen Methoden für Staub/Luft-Gemische und Gas/Luft-Gemische.

Methode von Roslowski und Brandt


Als erstes Verfahren sei an dieser Stelle die Methode nach Roslowski und Brandt [17] erwähnt. Die Berechnung setzt die Sauerstoffgrenzkonzentration in einen Zusammenhang mit der stöchiometrisch benötigten Konzentration des Sauerstoffs bei der Brennstoffkonzentration an der unteren Explosionsgrenze:

. (2.10)

nO2 ist die Molmenge des zur vollständigen Verbrennung benötigten Sauerstoffs. Diese Gleichung gilt für Brenngase. Eine Verwendung für Stäube ist ebenfalls möglich, jedoch muss die Konzentration der unteren Explosionsgrenze in g/m3 umgerechnet werden.

Methode von Krause et al.


Krause et al. entwickelten eine Berechnungsmethode, die hauptsächlich für Stäube Anwendung findet, aber auch prinzipiell für Gase angewendet werden kann [17]. Hierzu ist die Kenntniss der genauen Zusammensetzung des Brennstoffs erforderlich. Die Kenntniss der wichtigsten i Elementarreaktionen der Verbrennung ist eine zweite Voraussetzung. Der gesamte Sauerstoffbedarf für das Brenngas wird über diese Elementarreaktionen definiert. Die Sauerstoffgrenzkonzentration wird berechnet durch:

(2.11)

mit als der auf ein Mol Brenngas normierte stöchiometrische Koeffizient des Sauerstoffs der i-ten Elementarreaktion. M stellt die molekulare Masse dar und w den Massenanteil des betrachteten Elements. Die UEG wird für Brenngase in Vol. % angegeben.

Diese Methode wurde für Staub/Luft-Gemische angewendet und angegeben, dass damit die LOC mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann.

Methode von Razus et al.


Diese Methode verwendet einen anderen Ansatz, als die bisher vorgestellten Methoden [18]. Hier wird mit Hilfe kommerzieller thermodynamischer Rechen­programme, z. B. ECHIMAD [19] eine Flammen­temperatur an der zuvor bestimmten unteren Explosionsgrenze berechnet. Literaturvergleiche zeigen dabei eine hohe Übereinstimmung dieses Wertes verschiedener Autoren und Rechenprogramme. Diese Flammentemperatur wird über eine lineare Gleichung mit der Flammentemperatur an der LOC korreliert. Unter der Annahme eines für alle kohlenwasserstoffhaltigen Brenngase als gleich angenommenen Brenngas/Sauerstoff-Verhältnisses an der Sauerstoffgrenz­konzentration ist anschließend eine Rückrechnung der gesamten Gemischzusammensetzung möglich.

Diese Methode gilt für Umgebungsbedingungen und einem Brenngas/Luft/Stickstoff-System. Für Vergleichsrechnungen standen nur wenige Daten zur Verfügung, da es für die Aufstellung der Korrelationsgleichung notwendig war empfohlene Daten aus CHEMSAFE zu verwenden. Die berechneten Beispiele zeigten jedoch eine ausreichend hohe Genauigkeit des berechneten Zahlenwertes der LOC. Die Entwicklung dieses Verfahrens basiert auf Daten aus [20-24, 33].

3. Verfahren zur Bestimmung von Explosions-grenzen


Der Bestimmung der Explosions­grenzen von Gasen und Dämpfen kommt aus der Sicht des primären Explosionsschutzes eine große Bedeutung zu. Da diese sicherheits­technische Kenngröße aber keine Stoffkonstante ist, haben Einflüsse der Prüfapparaturen sehr unterschiedliche Zahlenwerte zur Folge. Im deutschen Raum findet für die Bestimmung von Explosions­grenzen derzeit die DIN 51649, Teil 1 Anwendung [25]. Diese wird auf europäischer Ebene zukünftig von der EN 1839 abgelöst [26]. In der europäischen Norm werden zwei Verfahren beschrieben: Die Rohrmethode oder Methode „T“ (Tube) und die Bombenmethode oder Methode „B“ (Bomb). In den Vereinigten Staaten von Amerika werden Explosionsgrenzen nach der ASTM E 681 01 bestimmt [27]. Diese international am häufigsten Anwendung findenden Verfahren werden im Folgenden in ihrem apparativen Aufbau und Bestimmungs­verfahren mit den wichtigsten Details vorgestellt, da diese Apparaturen auch für die Bestimmung der Sauerstoffgrenz­konzentration verwendet werden.
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