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Explosionsschutz

Eine Explosion ist eine Oxidations- oder Zerfallsreaktion mit plötzlichem Anstieg der Temperatur, des Drucks oder beider gleichzeitig (DIN EN 1127-1:1997). Dabei kommt es zu einer plötzlichen Volumenausdehnung von Gasen und der Freisetzung von großen Energiemengen auf kleinem Raum.

Es werden folgende Begriffe in Abhängigkeit von der Expansionsgeschwindigkeit verwendet: 

  • Verpuffung (0,1 bis 1 m/s)
  • Explosion (1 bis 1000 m/s)
  • Detonation (ab 1000 m/s)

Vergleich: Schallgeschwindigkeit beträgt ungefähr 333 m/s

Durch das Zusammentreffen von brennbarem Staub oder Gas in einer explosionsfähigen Konzentration, ausreichendem Sauerstoff (Oxidationsmittel) und einer wirksamen Zündquelle, sind die Voraussetzungen für einen Brand oder eine Explosion gegeben.

Begriffsdefinitionen Explosionsschutz

  • Explosion: Eine plötzliche Oxidationsreaktion (Verbrennungsreaktion) mit Anstieg der Temperatur, des Druckes oder beidem gleichzeitig. [1]
  • Staub: Feinzerteilter Feststoff beliebiger Form und Dichte unterhalb einer Korngröße von 500 µm.
  • Medianwert: Mittlere Korngröße des Staubes, wobei 50 Gew.-% kleiner und 50 Gew.-% größer als der Medianwert sind.
  • Explosionsfähige Atmosphäre: Ein Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben unter atmosphärischen Bedingungen, in dem sich eine Verbrennungsreaktion nach erfolgter Entzündung auf das gesamte unverbrannte Gemisch überträgt. [1]
  • Zoneneinteilung: Explosionsgefährdete Bereiche werden nach Häufigkeit und Dauer des Auftretens gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre in Zonen unterteilt. Diese Einteilung dient als Grundlage für die Festlegung von Explosionsschutzmaßnahmen.
  • Wirksame Zündquelle: Eine Zündquelle, die eine explosionsfähige Atmosphäre entzünden kann. Dies können z. B. heiße Oberflächen, mechanisch erzeugte Funken, elektrische Betriebsmittel, statische Elektrizität oder Blitzschlag sein. Für eine vollständige Übersicht aller Zündquellen wird auf [2] verwiesen.
  • Vorbeugender Explosionsschutz: Explosionsschutzkonzept mit dem Ziel Explosionen sicher zu verhindern, z. B. durch die Vermeidung explosionsfähiger Atmosphäre und/oder der Vermeidung wirksamer Zündquellen.
  • Konstruktiver Explosionsschutz: Explosionsschutzkonzept mit dem Ziel, die Auswirkungen von Explosionen durch technische Maßnahmen zu beherrschen. Hierzu gehört die explosionsfeste Bauweise in Verbindung mit explosionstechnischer Entkopplung.
  • Sicherheitstechnische Kenngrößen: Sie beschreiben sicherheitsrelevante Eigenschaften brennbarer Stoffe. Sicherheitstechnische Kenngrößen sind keine Konstanten, sondern von verschiedenen Einflüssen abhängig, wie z. B. der Korngrößenverteilung, der Kornform, dem Feuchtegehalt und der Anwesenheit von Zusätzen. [2]

Sicherheitstechnische Kenngrößen des konstruktiven Explosionsschutzes

  • Max. Explosionsüberdruck (Pmax): Der höchste Explosionsüberdruck, der in einem geschlossenen Behälter, unabhängig von der Konzentration des Brennstoffs, auftreten kann.
  • Kst -Wert: Der höchste zeitliche Druckanstieg einer Explosion, der in einem geschlossenen 1-m³-Behälter, unabhängig von der Konzentration des brennbaren Staubes, auftreten kann.
  • Hybrides Gemisch: Ein Gemisch von gleichzeitig auftretenden brennbaren Stäuben und brennbaren Gasen in Luft. Man spricht von hybriden Gemischen, wenn dabei Gaskonzentrationen von ≥ 20 % der UEG auftreten oder wenn Stäube mit Lösemittelgehalten von ≥ 0,5 Gew.-% vorliegen. Durch hybride Gemische können zusätzliche Explosionsgefahren entstehen.

Sicherheitstechnische Kenngrößen des vorbeugenden Explosionsschutzes

  • Untere und obere Explosionsgrenze: Untere Explosionsgrenze (UEG) bzw. obere Explosionsgrenze (OEG) sind die untere bzw. obere Konzentration eines brennbaren Stoffes in Luft, in dem sich nach dem Zünden eine von der Zündquelle unabhängige Flamme gerade nicht mehr selbstständig fortpflanzen kann. [1] Bei Stäuben gibt es, anders als bei Gasen, keine echte obere Explosionsgrenze, da auch bei hohen Staubkonzentrationen ein Teil des Staubes mit der vorhandenen Luft reagieren und die Konzentration des Staubes in einer Staubwolke lokal sehr unterschiedlich sein kann. Daher wird bei Stäuben i. d. R. nur die UEG ermittelt.
  • Mindestzündenergie (MZE): Die niedrigste in einem Kondensator gespeicherte elektrische Energie, die bei Entladung ausreicht, das zündwilligste Gemisch einer explosionsfähigen Atmosphäre zu entzünden.
  • Glimmtemperatur: Die niedrigste Temperatur einer heißen Oberfläche, die eine darauf befindliche Staubschicht von 5 mm Dicke entzündet.
  • Zündtemperatur: Die niedrigste Temperatur einer heißen Oberfläche, an der sich das zündwilligste Staub/Luft-Gemisch (Staubwolke) entzündet.
  • Spezifischer Widerstand: Der spezifische elektrische Widerstand des Staubes.

Brennbare Stäube

In der GESTIS-STAUB-EX Datenbank sind wichtige Brenn- und Explosionskenngrößen von über 4600 Staubproben aus nahezu allen Branchen zusammengestellt. Die Datenbank kann als Grundlage zum sicheren Handhaben brennbarer Stäube und zum Projektieren von Schutzmaßnahmen gegen Staubexplosionen in stauberzeugenden und -verarbeitenden Anlagen genutzt werden.

GESTIS-STAUB-EX-Datenbank

 

Grenzen der Anwendbarkeit

Der Anwendbarkeit der in dieser Datenbank angegebenen brenn- und explosionstechnischen Kenngrößen sind Grenzen gesetzt. Die angegebenen Kenngrößen können nur als grober Anhaltspunkt dienen. 
Erläuterungen zu den Grenzen der Anwendbarkeit

Zoneneinteilung innerhalb eines Schlauchfilters

 

Quelle:

BGR 104 - Explosionsschutz-Regeln (EX-RL), EX-Tabelle - Punkt3 Brennbare Stäube

Konstruktiver Explosionsschutz

Nicht in allen Fällen ist es möglich, nur durch Auswahl geeigneter Betriebsmittel die Gefahr einer Explosion auf das geforderte Maß zu reduzieren. Neben den primären Sicherheitsmaßnahmen, wie etwa das Vermeiden zündfähiger Gemische oder das Herabsetzen der Explosionsneigung durch Inertisierung, muss zusätzlich die konstruktive explosionsfeste Auslegung der Bauteile erfolgen, um die Auswirkungen einer Explosion zu begrenzen und eine Personengefährdung auszuschließen.

  • Behältervolumen: Leervolumen, das für die Bemessung der Druckentlastungsflächen zugrundegelegt werden muss.
  • Berstscheiben für Entstaubungsanlagen: Runde oder rechteckige, zwischen zwei Flanschen eingespannte Scheiben aus nichtrostendem Stahl, die am Einspannende mit Sollbruchstellen versehen sind und durch eine Dichtfolie abgedichtet werden. Überschreitet der Explosionsdruck den Ansprechdruck, reißen die Sollbruchstellen und die Entlastungsöffnung wird freigegeben.
  • Druckentlastung: Schutzprinzip, das den Explosionsdruck unter Ausschub von unverbranntem Gemisch und von Verbrennungsgasen durch Freigabe von vorbestimmten Öffnungen so begrenzt, dass die Apparatur nicht zerstört wird.
  • Druckfeste Behälter: Behälter und Apparate, die als Druckbehälter gemäß den geltenden Vorschriften und Richtlinien gebaut sind.
  • Druckstoßfeste Behälter, Apparate und zugehörige Rohrleitungen, die so gebaut sind, dass sie dem bei einer Explosion auftretenden Druckstoß bis zu einer bestimmten Höhe standhalten, ohne aufzureißen; jedoch können bleibende Verformungen auftreten. Bei der Berechnung druckstoßfester Behälter wird die sogenannte Druckstoßfestigkeit zugrundegelegt.
  • Entlastungsdruck: Druck, der bei einer Explosion in einem druckentlasteten Raum bzw. in einer druckentlasteten Apparatur maximal zu erwarten ist.
  • Entlastungsfläche: An einem Behälter insgesamt angebrachte wirksame Entlastungsfläche, die ggf. aus mehreren Teilflächen bestehen kann. Nichtberstende Vakuumstützen und andere, den Mengenstrom behindernde Bauteile, sind hierbei zu berücksichtigen.
  • Maximaler Explosionsdruck: Als "maximaler Explosionsdruck" pmax wird der höchste Druck bezeichnet, der bei einer Explosion eines Brennstoff/Luft-Gemisches optimaler Konzentration im geschlossenen Behälter oder Apparat auftreten kann.
  • Explosionsklappen: Sicherheitseinrichtungen, die vom Explosionsdruck geöffnet werden. Im Gegensatz zu Berstsicherungen können Explosionsklappen die Ausblasöffnungen nach dem Ansprechen wieder selbsttätig verschließen. Bei Explosionsklappen ist nicht die tatsächliche Öffnung sondern die bei der Typprüfung vom Sachverständigen festgelegte Entlastungsfläche zugrunde zu legen.
  • Vordruck: Ausgangsdruck, der beim Wirksamwerden der Zündquelle herrscht.

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