Anhänge 1 bis 4

Anhang 1: Geometrische Darstellung der Bereiche mit möglicher Gefährdung durch akut toxische Gase der Kat. 1 bis 3

Anhang 2: Bemessung der Abblaseleistung von Sicherheitsventilen bei Wärmeeintrag in ortsfeste Druckgasbehälter für verflüssigte Gase infolge Wärmeeinstrahlung Zusammenfassung

(1) Diese Anlage gilt für verflüssigte Gase, da nur für diese bei zu erwartendem Wärmeeintrag ggf. erhebliche Abblaseleistungen der Sicherheitsventile erforderlich sein können.

(2) Wird bei ortsfesten Druckgasbehältern die zulässige Betriebstemperatur (höchstmögliche Temperatur des enthaltenen Gases), z. B. durch Wärmestrahlung bei einem Brand, überschritten, so wird aufgrund des Anstieges des Dampfdruckes des Gases der Ansprechdruck des Sicherheitsventiles überschritten. Die höchsten Temperaturen stellen sich – abhängig vom Wärmeeintrag – an der nicht mit verflüssigtem Gas gekühlten Behälteroberfläche ein, da an diesen Stellen eine Wärmeabfuhr nur durch die Gasphase erfolgt. An diesem Teil der Behälterwandung darf höchstens die zulässige Werkstofftemperatur erreicht werden. Diese Temperatur ergibt sich aus der Berechnung mit dem Sicherheitsbeiwert S = 1 gegen die Streckgrenze (siehe Anhang 3 Tabelle 1). Abgeleitet aus den geometrischen Verhältnissen bei der Bestrahlung eines Behälters mit einer Wärmequelle und der konservativen Annahme, dass

• auf den Druckgasbehälter nur Wärme einstrahlt, keine Wärme durch Strahlung oder Konvektion abgegeben wird und
• der Druckgasbehälter auf der Querschnittsfläche A = d ∙ l gleichmäßig mit dem hohen Wert der senkrechten Einstrahlung am Äquator bestrahlt wird,

erhält man aus der Wärmebilanz den entsprechenden verdampfenden Massestrom des verflüssigten Gases. Diesen Massestrom muss das Sicherheitsventil in der Lage sein abzuführen. Mit weiteren Annahmen zur sicheren Seite hin, erhält man folgende Gleichung:

ṁ = 1,063 ∙ t^1,64 ∙ A/r ∙ 10^-3

mit

ṁ = abzuführender Massestrom in kg/s

t = zulässige Werkstofftemperatur in °C

A = bestrahlte Behälterfläche = d ∙ I

d = Durchmesser des Behälters in m

l = Länge des Behälters in m

r = Verdampfungswärme des Gases in kJ/kg.

Stellt man die Gleichung um zu

ṁ∙ r/A = 1,063 ∙ t^1,64∙10^-3

erhält man das Diagramm gemäß Abbildung 4.

Abbildung 4: Mengenbemessung für die Abblaseleistung von Sicherheitsventilen bei durch Wärmestrahlung beaufschlagten Behältern

(3) Ergeben sich danach zu große Sicherheitsventile, so ist eine genauere Berechnung mit den entsprechenden Randbedingungen erforderlich.

Für weitere Informationen siehe z. B.

1. Gas-Wärme-Institut, Bericht Nr. 8112 vom 9.4.1990, "Brandlast/Strahlungsversuche zur Ermittlung von Mindestabständen von Druckbehältern für Flüssiggas nach DIN 51622 zu möglichen Brandherden".
2. Technische Überwachung, BD 32 (1991), Nr. 4, S. 142 ff., "Lagerung brennbarer Stoffe – Berechnung von erforderlichen Abständen zu möglichen Brandlasten".
3. "Flüssiggas" Heft 5/91, Strobel-Verlag Arnsberg – Brandlast-/Strahlungsversuche (Metzger) – Berechnung von erforderlichen Abständen zu möglichen Brandlasten (Becker, Huth, Müller).

(4) Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Berechnung der erforderlichen Abblaseleistung eines Sicherheitsventils an einem Lagerbehälter für Propan und an einem Lagerbehälter für Ammoniak.

Beispiel 1 Lagerbehälter für Propan

Die hypothetische Brandlast soll zu der zulässigen Werkstofftemperatur (Oberflächentemperatur im Bereich der Gasphase) von 250 °C am Lagerbehälter führen, was bei

• Bemessung des Abstandes zur Brandlast nach Anhang 3,
• Dauerbelastung durch die Wärmestrahlung und
• abblasendem Sicherheitsventil

eine Temperatur von 42 °C in der Flüssigphase des Gases ergibt (s. GWI-Bericht; die Kühlung durch Verdampfung des Gases hält die Flüssigphase auf der Temperatur von 42 °C; bei einer Bemessung des Sicherheitsventils mit den oben zugrunde gelegten Vorgaben ist immer eine dem Abblasedruck des Gases – d. h. dem Einstelldruck des Sicherheitsventils – entsprechende Temperatur gegeben).

Einstelldruck des Sicherheitsventils: p = 15,6 bar

Verdampfungsenthalpie von Propan bei 42 °C: r = 309 kJ/kg

Länge des Behälters: l = 4,8 m

Durchmesser des Behälters: d = 1,25 m

Aus der Gleichung bzw. dem Diagramm ergibt sich bei 250 °C

ṁ∙ r/A = 9,1

Daraus folgt die über das Sicherheitsventil abzuführende Menge mit

ṁ = 9,1 ∙ A/r = 9,1 ∙ 6/309

= 0,177 in kg/s

= 636 in kg/h.

Beispiel 2 Lagerbehälter für Ammoniak

Die hypothetische Brandlast soll zu der zulässigen Werkstofftemperatur von 260 °C am Lagerbehälter führen (s. a. Erläuterung in Beispiel 1).

Einstelldruck des Sicherheitsventils: p = 15,4 bar

Verdampfungsenthalpie von Ammoniak bei 42 °C: r = 1091 kJ/kg

Länge des Behälters: l = 6,0 m

Durchmesser des Behälters: d = 1,5 m

Aus der Gleichung bzw. dem Diagramm ergibt sich bei 260 °C

ṁ∙ r/A = 9,71 kJ/m²∙s

Daraus folgt die über das Sicherheitsventil abzuführende Menge mit

ṁ = 9,71 ∙ r/A = 9,71 ∙ 9/1091

= 0,08 in kg/s

= 288 in kg/h.

Anhang 3: Festlegung der Schutzabstände für ortsfeste Druckgasbehälter bei vorhandenen Brandlasten Zusammenfassung

(1) Der Schutzabstand zwischen Brandlast und ortsfestem Druckgasbehälter in Abhängigkeit von der zulässigen Werkstofftemperatur ergibt sich aus Abbildung 5.

(2) Als zulässige Werkstofftemperatur wird die Temperatur eingesetzt, bei der die Sicherheit gegen die Streckgrenze gleich 1 ist. Man erhält sie, indem man die Streckgrenze bei der zulässigen Betriebstemperatur durch den Sicherheitsbeiwert (im allgemeinen 1,5) dividiert und mit diesem Streckgrenzenwert aus den Werkstofftabellen die zugehörige Temperatur bestimmt. Tabelle 1 enthält Beispiele für einige Stahlsorten.

Tabelle 1: Zulässige Werkstofftemperatur für einige Stahlsorten (für Wanddicken ≤ 16 mm)

Abbildung 5: Schutzabstand als Funktion der zulässigen Werkstofftemperatur
Randbedingungen: Flammenintensität 10 W/cm² (z. B. Dieselkraftstoff); Brandfläche π (d/2)² oder b ∙ b in m²

(3) Das Diagramm „Schutzabstand als Funktion der zulässigen Werkstofftemperatur“ aus Abbildung 5 wurde für das Brandmedium Dieselkraftstoff in Abhängigkeit von Brandlastdurchmesser d (runde Brandlasten) bzw. Brandlastbreite b (eckige Brandlasten) berechnet. Da nur wenige Stoffe, z. B. Pentan, eine größere Flammenintensität (emittierte Wärmestrahlung > 10 W/cm2) als Dieselkraftstoff haben, sind Brände von z. B. Kunststoff, Holz, Stroh aufgrund ihrer geringeren Flammenintensität bzw. der kurzen Branddauer bei der Abstandsmessung durch das Diagramm auch abgedeckt. Weiterhin wurden bei der Berechnung des Diagramms die Flammenlänge (wirksame Flammenhöhe) sowie die Brandlasttiefe integriert und können bei der praktischen Anwendung unberücksichtigt bleiben.

(4) Ist Flammenberührung vermieden, kann der Einfluss des Windes auf die Flammengeometrie vernachlässigt werden, da mit den Bemessungen für das Diagramm die maximale Einstrahlung berücksichtigt ist.

(5) Brandlasten oberhalb der Scheitelhöhe des Behälters, z. B. Dachstuhlbrand, sind durch die vorliegenden Werte abgedeckt, da die Einstrahlwerte in diesen Fällen geringer sind.

(6) Bei der Ermittlung des erforderlichen Schutzabstandes ist die Größe und Aufstellung des ortsfesten Druckgasbehälters vernachlässigbar. Entscheidend ist der Punkt des Behälters, der der Brandlast am nächsten liegt, da die Strahlungsintensität auf den Behälter mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt – siehe Abbildung 6.

(7) Bei außermittiger Anordnung der ortsfesten Druckgasbehälter zu eckigen Brandlasten – siehe Abbildung 7, Fall 2 und 3 – sind die erforderlichen Schutzabstände aus dem Diagramm über die Hilfsbreiten b1 zu bestimmen.

(8) Hat die Brandlast eine größere Flammenintensität als Dieselkraftstoff oder sollen die Abstände zur Brandlast genau berechnet werden, so kann dies nach dem erstellten Rechnungsprogramm (siehe Anhang 2 Absatz 3 Nr. 2) erfolgen.

(9) Die Bemessung des Sicherheitsventils muss für den Wärmeeintrag bei der ermittelten zulässigen Werkstofftemperatur so erfolgen, dass ein Druckanstieg über den Auslegungsdruck des ortsfesten Druckgasbehälters hinaus nicht möglich ist. Basis für die genannten Bemessungen sind Brandlastversuche an Flüssiggaslagerbehältern.

(10) Beispiel:

• Werkstoff ortsfester Druckgasbehälter: P 265 GH
• Zulässige Werkstofftemperatur: 290 °C
• Brandlast: Kunststoff
• Brandlastbreite b = 5 m
• Schutzabstand = 5,8 m

Abbildung 6: Schutzabstand zu runden Brandlasten

Abbildung 7: Schutzabstand zu eckigen Brandlasten

Anhang 4: Bestimmung der erforderlichen Wassermenge für eine Wasserberieselung oder Wasserbeflutung für ungestörte Oberflächen Zusammenfassung

Die Diagramme wurden nach folgenden Beziehungen ermittelt:

A Unterfeuerung (Full engulfment)

Die erforderlichen Berieselungs-/Beflutungsstromdichten sind in Abhängigkeit vom Behältervolumen für Kugelbehälter und stehende bzw. liegende zylindrische Behälter in den Abbildungen 8a und 8b dargestellt; die dazugehörigen Berieselungs-/Beflutungsdichten ergeben sich aus den Abbildungen 9a und 9b.

Die entsprechenden Diagramme wurden nach folgenden Beziehungen ermittelt:

ṁ = K₁ ∙ q_abs + K₂∙F ∙U/A    [1a]

mit

K₁ = 1/(c_p ∙ (ϑ₂ – ϑ₁) + r)

K₂ = Γ_min ∙ r ∙ K₁

Γ_min = 292 kg/(m ∙ h)

Γ = ṁ ∙ A/U    [1b]

B Unterfeuerung

Bei der Unterfeuerung erfolgt die Erwärmung eines Behälters durch eine Flamme unterhalb des Behälters im Gegensatz zu dem full engulfment, bei dem der gesamte Behälter in Flammen eingehüllt ist.

Von dem von einer Flamme abgegebenen Wärmestrom Q_F gelangt nur der Anteil Q_abs auf die Behälteroberfläche und wird dort von dem Kühlwasser absorbiert. Es gilt:

Q_abs = Ø_BF ∙Q_F    [2]

mit Ø_BF Einstrahlzeit (geometrische Größe).

Die Berechnung der erforderlichen Kühlwassermassenströme mit Hilfe der Einstrahlzahl und unter entsprechender Anwendung des Rechenganges für full engulfment ist sehr aufwendig, im Einzelfall jedoch möglich.

Im Folgenden werden für zwei Sonderfälle vereinfachte Berechnungsmöglichkeiten vorgestellt:

1. Behälter befindet sich teilweise, d. h. bis zu einer bestimmten Höhe, in Flammen:
   Dann ist K₁ in den Gleichungen 1a und 1b zu ersetzen durch K₁'; wobei gilt:
   K₁' = K₁ ∙ A'/A
   mit A' Anteil der Behälteroberfläche A, der in Flammen steht.
2. Behälter befindet sich oberhalb einer Flamme:
   Der Lösungsweg ist analog dem für den Nachbarschaftsbrand anzuwenden: (Modell: Flamme = Kreisscheibe).

C Nachbarschaftsbrand

Wie bei der Unterfeuerung gelangt auch beim Nachbarschaftsbrand nur ein Teil des von einer Flamme abgegebenen Wärmestromes auf die Behälteroberfläche, Gleichung 2 findet ebenso Anwendung.

Mit Hilfe folgenden Modells (Flamme = Kreisscheibe) kann die größte, auf der Behälteroberfläche absorbierte Wärmestromdichte q_abs berechnet werden:

q_abs = q_F/(1 + π ∙ a²/A_F)    [3]

mit

a = Abstand Flamme–Behälter

A_F = Flammengröße.

Die auf der Behälteroberfläche auftreffende Wärmestromdichte ist in Abbildung 10 über der Entfernung aufgetragen; man erkennt beispielsweise bei einer Flammengröße von 10 m², dass sich q_abs von 100 kW/m² (Abstand 0) schon in einer Entfernung von 5 m auf 11 kW/m² verringert.

Setzt man den so errechneten Wert in die Gleichungen 1a und 1b ein, so sind ṁ bzw. Γ bekannt.

Berieselung:
Kühlung eines Behälters mit Wasser. Das Wasser wird gleichmäßig mit Hilfe eines Düsensystems auf die zu kühlende Oberfläche aufgebracht.

Beflutung:
Kühlung eines Behälters mit Wasser. Das Wasser wird zentral über einen im oberen Behälterbereich angeordneten Zahnkranz aufgebracht. Das überlaufende Wasser läuft als gleichmäßiger Wasserfilm an der Behälteroberfläche ab.

Berieselungs-(Beflutungs-)stromdichte ṁ :
Wassermassenstrom zur Berieselung (Beflutung), bezogen auf die zu kühlende Behälteroberfläche, in kg/(m² ∙ h).

Berieselungs-(Beflutungs-)stromdichte Γ:
Wassermassenstrom zur Berieselung (Beflutung), bezogen auf den größten horizontalen Behälterumfang, in kg/(m ∙ h).

Unterfeuerung:
Brandereignis, bei dem in der Behältertasse angesammelte Flüssigkeit abbrennt.

Full engulfment:
Unterfeuerung, bei der der unterfeuerte Behälter vollständig in Flammen eingehüllt ist.

Nachbarschaftsbrand:
Brandereignis außerhalb der Behältertasse.

Wärmestromdichte q_F:
Von einer Flamme abgegebener Wärmestrom, bezogen auf die Flammenoberfläche, in kW/m².

Wärmestromdichte q_abs:
Der Anteil des von der Flamme abgegebenen Wärmestromes, der von der Behälteroberfläche bzw. von dem Kühlwasser, das an seiner Oberfläche abläuft, absorbiert wird, bezogen auf die Behälteroberfläche, in kW/m².

Es bedeuten:

A = Behälteroberfläche

A_F = Flammengröße

a = Abstand Flamme - Behälter

c_p = spezifische Wärmekapazität von Wasser

F = Faktor (1 für Beflutung, 2 für Berieselung)

Γ = Berieselungs-/Beflutungsdichte [kg ∙ (m^–1 ∙ h^–1)]

r = Verdampfungsenthalpie von Wasser

Ø_BF = Einstrahlzahl (geometrische Größe)

ϑ₁ = Kühlwassertemperatur = 20 °C

ϑ₂ = Siedetemperatur von Wasser = 100 °C

ṁ = Berieselungs-/Beflutungsstromdichte [kg ∙ (m^-2 ∙ h^-1)]

Q_abs = absorbierter Wärmestrom

Q_F = abgegebener Wärmestrom der Flamme

q_abs = absorbierte Wärmedichte

q_F = Wärmestromdichte der Flamme; z. B. für Dieselkraftstoff = 100 kW ∙ m^-2

U = größter horizontaler Behälterumfang