Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7114

Dust Explosion Experiments - Measurements of Explosion Indices of Graphite Dust in Hydrogen-Containing Atmospheres

A. Denkevits

Abstract
To address the hazard of combined hydrogen/dust explosions in ITER, the maximum overpressures and rates of pressure rise are measured using a standard method of 20-l sphere of hybrid hydrogen/graphite dust mixtures. The hydrogen concentration is varied from 4 to 18 vol. %. The tested graphite dust concentrations range from 25 to 300 g/m3. To ignite the mixtures, strong 10 kJ chemical igniters and electric sparks are used.

When ignited by the chemical igniters, the H2/graphite dust/air mixtures produce higher overpressures than the hydrogen/air mixtures. At low dust concentrations two separate phases of the mixture explosion process can be distinguished: an initial phase of igniter/hydrogen explosion followed by a slower dust-explosion phase. At high dust concentrations only one fast phase is observed, in which hydrogen and dust explode like a monofuel. The pressure rise rates in this case are higher that those measured for pure hydrogen/air explosions.

Electric spark ignition can induce the combined hydrogen/graphite dust explosions at 10 vol. % of hydrogen and higher. The combined explosions have also two phases, if hydrogen concentration is lower 12 vol. %. At 14 vol. % and higher the hybrid mixtures explode faster than hydrogen alone.

STAUBEXPLOSIONSEXPERIMENTE - Messungen der Explosionskenngrößen von Graphitstaub in Wasserstoff-Luft-Mischungen

Zusammenfassung
Um das Gefahrenpotential von kombinierten Wasserstoff/Staub Explosionen zu untersuchen, werden maximale Überdrücke und Druckanstiegsraten für hybride Wasserstoff/Graphitstaub Mischungen mit der Standardmethode der 20-Liter Kugel gemessen. Der Wasserstoffanteil variiert dabei zwischen 4 und 18 Volumenprozent, die Graphitstaubkonzentrationen zwischen 25 und 300 g/m3. Zur Zündung werden 10 kJ starke chemische Zünder sowie elektrische Funken benützt.

Bei Zündung mit chemischen Zündern sind die gemessenen Überdrücke höher als für Wasserstoff/Luft Mischungen. Bei niedrigen Staubkonzentrationen kann man dabei zwei Explosionsphasen unterscheiden: eine Anfangsphase mit Zünder/Wasserstoff Explosion, gefolgt von einer langsameren Staubexplosionsphase. Dagegen wird bei hohen Staubkonzentrationen nur eine einzige Phase beobachtet, in der Wasserstoff und Staub wie ein Monobrennstoff explodieren. In diesem letzteren Fall sind die Druckanstiegsraten höher als für reine Wasserstoffexplosionen.

Zündung mit elektrischen Funken kann kombinierte Wasserstoff/Graphitstaub Explosionen bei Wasserstoffkonzentrationen von 10 Volumenprozent und höher induzieren. Liegt die Wasserstoffkonzentration unter 12 Volumenprozent, so haben diese vereinten Explosionen ebenfalls zwei Phasen. Bei einem Wasserstoffanteil von 14 Volumenprozent und höher explodieren diese hybriden Mischungen schneller als Wasserstoff allein.

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