Die Auswahl einer geeigneten Rohrleitungs-Flammensperre wahrend der Entstehungsphase einer lokalisierten Flamme sollte auf der Geschwindigkeit und dem Druck der Flamme sowie der erwarteten Intensitat der Flamme in der Rohrleitung basieren. durchStudien zur Flammenausbreitung in Rohren haben gezeigt, dass die Flamme sieben verschiedene Phasen oder Perioden durchlauft, wenn das Rohr lang genug ist, schnell genug brennt und uber genugend Energie verfugt.
Wenn sich die Flamme entlang des unendlich langen Rohrs ausbreitet, sind die Geschwindigkeit und der Druck an jedem Punkt der Flamme in Abbildung 10 dargestellt. Es ist zu beachten, dass dadurch augenblickliche Druckspitzen verursacht werden konnenAn jedem Punkt sind schnell reagierende Manometer angebracht. Ausgehend vom Zundpunkt sind die verschiedenen Stufen, die die Flamme durchlauft, mit A-F gekennzeichnet.
Abbildung 10: Die Zundquelle befindet sich in einem geschlossenen Abschnitt einer langen Rohrleitung, und der Druck und die Geschwindigkeit an jedem Punkt des Flammenkopfes sind schematisch dargestellt
Deflagration bei niedrigem Druck
Solange der Flammenkopfdruck dem Mindestdruck entspricht, der durch die expandierende Verbindungsschicht erzeugt wird, breitet sich die Flamme unterhalb der Schallgeschwindigkeit aus, eine Situation, die als Niederdruckdeflagration bezeichnet wird (Abb.11). In diesem Stadium kann die Geschwindigkeit im Allgemeinen 112 Meter pro Sekunde erreichen und der absolute Druck (DP/Po) steigt relativ auf 1 (vorausgesetzt, es handelt sich zunachst um Atmospharendruck und der Manometerdruck betragt weniger als 100 kPa (g)). Der Anfangszustand der Flammenausbreitung findet in einem kurzen Rohrabschnitt statt, beispielsweise betragt die Lange des Rohrabschnitts fur ein Propan-Luft-Gemisch etwa 3 Meter. Bei Wasserstoff befindet sich der Wasserstoff ab dem Zundpunkt in einem etwa 1,0 Meter langen Rohrabschnitt in einem Niederdruck-Verpuffungszustand.
(DP/Po ist das gemessene dimensionslose Verhaltnis von Deflagrations- und Detonationstests im Rohrleitungssystem, wenn eine Seite der Flammensperre als Zundquelle verwendet wird; wobei Po das Ausgangssystem istdes absoluten Drucks, DP ist der gemessene absolute Druck minus Po)
Mitteldruckverpuffung
Wahrend sich die Flamme entlang des Rohrs weiter ausbreitet, nimmt ihre Intensitat weiter zu, bis hin zum dynamischen Zustand der Mitteldruckdeflagration. Die Flammengeschwindigkeit ist hoher, liegt aber immer noch im Unterschallbereich – etwa 200 m/sDer Druckimpuls der Flamme erreicht moderate Werte mit einem DP/Po von 10. Bei Propan- und Luftgemischen befindet sich die Flamme unter Innenraumbedingungen ab dem Zundpunkt in einem Verpuffungszustand bei mittlerem Druck, wenn die Flamme eine Distanz von 3 bis 10 Metern zurucklegt. Im Vergleich dazu befindet sich Wasserstoff in einer Mitteldruck-Verpuffung ausgehend vom Zundpunkt in einer Entfernung zwischen 1 Meter und 2,5 Metern.
Hochdruckverpuffung
Die Grenze der Mitteldruck-Verpuffung wird uberschritten und die sich ausbreitende Flamme erreicht einen Hochdruck-Verpuffungszustand. Die Geschwindigkeit des Flammenkopfes (immer noch Unterschall) erreicht aufgrund der erweiterten Grenze 300 m/sDer durch die Schicht erzeugte Druck erhoht den DP/Po auf bis zu 20. Bei Propan-Luft-Gemischen liegt der Abstand zwischen Zundpunkt und Hochdruckdeflagration im Rohrabschnitt zwischen 20 und 30 Metern;Bei Wasserstoff-Luft-Gemischen liegt sie zwischen 2,5 und 6 Metern.
Umstellung von Deflagration auf Detonation
Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Flammenkopfes die Schallgeschwindigkeit erreicht, kommt es zu einem Umwandlungsprozess von der Deflagration zur Detonation, der als DDT bezeichnet wird. Der Druckimpuls vor der Flamme wird zum SchockVor der Wellenflamme erreicht der Druck der Druckluft nahe der Gasausdehnungsschnittstelle 700 kPa (g). Diese komprimierte Luft trifft auf die Flamme und verursacht eine Explosion. Die durch die Explosion erzeugte Energie, einschließlich Warme, Geschwindigkeit und Druck, kann nirgendwo hin entweichen und wandert daher durch das Rohr. Die Explosion erzeugt eine gewaltige Stoßwelle, die das Gas vor und nach dem Ausgangspunkt komprimiert, an dem die Deflagration in eine Detonation ubergeht.
Detonation
Unter Detonation versteht man die Bewegung des Flammenkopfes mit oder uber Schallgeschwindigkeit. Durch die Detonation erhoht sich die Kompression des Gases durch die Stoßwelle vor der Flamme. Wahrend des Detonationsvorgangs entsteht die FlammeDie Ausbreitungsgeschwindigkeit betragt 1900 m/s, der maximale Impulsdruck betragt 3500 kPa (g) und der DP/Po betragt bis zu 20. Bei Propan-Luft-Gemischen tritt dieser Flammenausbreitungszustand nach einer Hochdruckdeflagration in einem Rohrabschnitt von etwa 30 Metern Entfernung vom Zundpunkt auf; Bei Wasserstoff betragt sie vom Zundpunkt bis zu einem Rohrabschnitt etwa 10 Meter.
Ubermaßige (instabile) Detonation
Wahrend sich die Flamme weiter durch das Rohr ausbreitet, gelangt die Flamme in einen Zustand ubermaßiger oder instabiler Detonation. Der Flammenkopf bewegt sich in manchen Fallen mit UberschallgeschwindigkeitDas Gas bewegt sich sogar mit Hyperschallgeschwindigkeit und wird durch mehrere Stoßwellen heftig komprimiert. Dies ist eine instabile und augenblickliche Situation. Wenn die Flamme von einer Deflagration in eine Detonation ubergeht, fuhrt die Flamme dazu, dass sich Stoßwellen ansammeln und an Dichte zunehmen. Die Gase vor der Flamme werden komprimiert und uber den Zundpunkt hinaus erhitzt, genau wie das Kraftstoffgemisch im Zylinder eines Dieselmotors. Wenn sich ein komprimiertes Gas selbst entzundet, werden durch die daraus resultierende Explosion enorme Energiemengen freigesetzt, als wurde aus einer anfanglichen Verpuffung eine Detonation. Daruber hinaus wird die Energie durch die Pipeline begrenzt und kann sich nur entlang der Pipeline vorwarts bewegen. Die Geschwindigkeit der Flamme betrug bereits Uberschallgeschwindigkeit und die Flamme wurde weiter auf Hyperschallgeschwindigkeit beschleunigt.
Der Grund fur diese Situation ist vorubergehender Natur, da Geschwindigkeit und Druck der Flamme von der riesigen Stoßwelle abhangen, die durch die Kompression des Gases vor der Flamme erzeugt wird. Diese SchocksDie Welle loste sich kurz nach der Detonation auf, wodurch sich Geschwindigkeit und Druck der Flamme stabilisierten. Die Spitzengeschwindigkeit einer ubermaßigen Detonation liegt im Bereich von 2300 m/s, der maximale Impulsdruck betragt etwa 20995 kPa (g) und DP/Po betragt bis zu 130. Dieses Flammenausbreitungssystem in einem Rohr beginnt in einer Entfernung jenseits der Deflagration-to-Detonation (DDT) fur ein Propan-Luft-Gemisch und endet etwa 60 Meter von der Zundquelle bzw. 20 Meter von der Zundquelle fur Wasserstoff.
Steady-State-Explosion
Uber die sofortige Uberdetonation hinaus erreicht die sich ausbreitende Flamme schließlich eine stabile Detonationsdynamik. Der Flammenkopf bewegt sich mit oder uber Schallgeschwindigkeit und befindet sich vorneEs kommt zu einer Stoßwellenkompression. Bis zum anderen Rohrende erfahrt die Flamme keine weiteren Veranderungen und bleibt stets stabil. Wahrend des stabilen Detonationsprozesses liegt die Flammengeschwindigkeit im Bereich von 300 m/s, der Spitzenimpulsdruck betragt 3500 kPa (g) und DP/Po betragt 20.
Entspannungsdetonation
Wahrend des Flammenausbreitungsprozesses kommt es zeitweise zu Detonationen, die als Entspannungsdetonationen bezeichnet werden. Diese Form der Detonation wird in Gasgemischen nahe der Explosionsgrenze (in) beobachtetKommt in Mischungen nahe der „mageren“ Grenze und nahe der „fetten“ Grenze vor. Da die Entspannungsdetonation durch Deflagration zur Detonation verursacht wird, handelt es sich bei der Entspannungsdetonation um ein intermittierendes ubermaßiges Phanomen, das innerhalb einer bestimmten Entfernung in der Rohrleitung einen Uberdruck verursacht. Wahrend dieses periodischen Wechsels pendelt die Stoßwelle zwischen schneller Detonation und fuhrender Stoßwelle und geht in die Uberdetonation uber, eine kurze, aber stabile Detonationsphase.
