Der Betriebsleiter 7-8/2016

Gasdynamische

Gasdynamische Simulationen Sichere Anlagen – auch im Störfall Dr. Jörg Sager Wasserdampf und andere Gase werden in den Produktionsprozessen vieler Betriebe als Energieträger bzw. Arbeitsmittel eingesetzt oder als Grundstoff verarbeitet. Hohe Drücke, Temperaturen und entzündliche Gasgemische stellen dabei häufig ein Sicherheitsrisiko dar. Wie können Mitarbeiter, Umwelt und Anlagen geschützt werden – auch in dem Fall, dass die Prozesse nicht nach Plan verlaufen? Simulationen und fluiddynamische Berechnungen helfen, das Gefahrenpotenzial zu ermitteln und geeignete Sicherheitsmaßnahmen zu entwickeln. Hält die Blende der kunststoffverarbeitenden Anlage dem Druck stand, falls die heiße Druckluft anders als vorgesehen direkt aus der Spritzgussform entweicht? Sind die Druckentlastungsklappen angemessen dimensioniert, damit das Gas entweichen kann und kein unzulässiger Überdruck entsteht? Können in dem Rohrleitungssystem der Anlage explosive Gasgemische entstehen? Fragen wie diese rücken bei Betriebsleitern regelmäßig in den Fokus, wenn Anlagen und Maschinen neu geplant, Dr. Jörg Sager, Abteilung Strukturzuverlässigkeit / Energiesysteme TÜV SÜD Industrie Service GmbH, Dresden umgebaut oder modernisiert werden. Deshalb gilt es, bei der Planung, Konzeption und Konstruktion von Industrieanlagen genauer hinzuschauen: auf die physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Gase und die im Produktionsprozess herrschenden Betriebsparameter Druck, Temperatur und Volumen. Falls auch selbstentzündende Gase zum Einsatz kommen, muss die Perspektive zusätzlich um die chemischen Eigenschaften erweitert werden – also die Reaktionsfreudigkeit in Abhängigkeit von der Konzentration der Ausgangsstoffe. Auf die Gase kommt es an Von diesen Faktoren hängt ab, wie die Anlagen und ihre Komponenten ausgelegt sein müssen. Das gilt zunächst für das Ziel, den Normalbetrieb möglichst sicher, reibungslos und effizient zu gestalten. Darüber hinaus sollten die Betriebsleiter dafür sorgen, dass verantwortliche Planer, Konstrukteure und Sicherheitsverantwortliche immer auch prüfen, wie sich die Gase verhalten, wenn unvorhergesehene Ereignisse eintreten und die Anlage vom sicheren, geregelten Soll-Zustand abweicht. Denn insbesondere in solchen Situationen stellen sie häufig ein Sicherheitsrisiko dar. Um zu gewährleisten, dass auch im Störfall keine Gefahr von der Anlage ausgeht, sollten die kritischen Zustände im System modelliert, simuliert und analysiert werden. Grundlage hierfür sind in erster Linie die sogenannten Gasgesetze, die die physikalischen Eigenschaften beschreiben. Aus diesen lassen sich durch Berechnungen wichtige Schutzmaßnahmen ableiten. Was, wenn etwas schief läuft? Die Notwendigkeit für solche Analysen wird deutlich am Beispiel einer Fertigungsanlage, die Komponenten für die Automobilindustrie aus Kunststoff produziert. Im Herstellungsprozess wird dazu flüssiger Kunststoff mit Hilfe von Druckluft in ein Presswerkzeug gefüllt. Planmäßig soll die Druckluft kontrolliert über eine Entlastungsleitung abgelassen werden, bevor das Werkzeug anschließend wieder geöffnet 22 Der Betriebsleiter 7-8/2016

FERTIGUNGSTECHNIK wird. Was aber, wenn der Prozess anders verläuft als geplant und das nicht geschieht? Dann entweicht die Druckluft schlagartig, wenn das Werkzeug öffnet. Befinden sich Personen in der Umgebung der Anlage, können sie dadurch gefährdet sein und möglichweise verletzt werden. Um das zu verhindern, sollte an der Anlage eine Sicherheitsvorrichtung, eine sogenannte Schürze, montiert werden. Das könnte beispielsweise eine Metallplatte oder eine Plexiglasscheibe sein. Sie soll die direkte Umgebung schützen, indem sie den austretenden Luftstrom nach unten ablenkt. Welche Kräfte wirken im Störfall? Mit Hilfe gasdynamischer Berechnungen ermittelten Sachverständige von TÜV SÜD Industrie Service, welchen Kräften die Schürze und ihre Befestigungspunkte im Störfall standhalten müssen. Hierbei sind zwei Größen von zentraler Bedeutung: zum einen die Strömungsgeschwindigkeit, mit der Luft aus dem Werkzeug entweicht, und zum anderen der Luftmassestrom, also die Menge des austretenden Gases. Beide Größen verhalten sich dabei instationär, während das Werkzeug öffnet und erreichen ihr Maximum zeitversetzt: Unmittelbar nach dem Öffnen ist die Strömungsgeschwindigkeit am höchsten, da zu diesem Zeitpunkt die größte Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Werkzeugs und der Umgebung herrscht. Gleichzeitig ist der austretende Luftmassestrom noch gering, da er vom Strömungsquerschnitt abhängig ist, also der Spaltbreite, durch die die Luft austreten kann. Mit zu- nehmender Spaltbreite und größer werdendem Strömungsquerschnitt nimmt der Luftmassestrom somit zunächst zu. Begrenzt wird die Austrittsgeschwindigkeit durch die Schallgeschwindigkeit. Sie ist eine Funktion von Druck und Dichte des eingeschlossenen Gases. Im vorliegenden Fall beträgt sie 340 m/s. Diese Austrittsgeschwindigkeit liegt solange vor, bis das kritische Druckverhältnis, bei dem Ma = 1 gilt (1), unterschritten wird. Danach sinkt die Austrittsgeschwindigkeit zwar ab, während gleichzeitig jedoch die Austrittsöffnung größer wird und der austretende Luftmassestrom noch weiter zunehmen kann, bis schließlich die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch der Luftmassestrom den Wert Null erreichen. Die Überlagerung dieser gegenläufigen Prozesse ist nur mittels fluiddynamischer Simulation realistisch zu erfassen, die im Ergebnis zeigt: In weniger als einer Sekunde entweicht die gesamte Luft vollständig und prallt auf die Schürze. Anlagen sicher betreiben Mit der fluiddynamischen Simulation lagen alle notwendigen Informationen vor, um anhand des Impulserhaltungssatzes anschließend zu berechnen, welche Strahlkräfte auf die Schutzkonstruktion einwirken. Aus den Ergebnissen konnten die Planer und Konstrukteure nun ableiten, wie die Schürze und ihre Verankerung dimensioniert sein müssen, um die geforderte Sicherheit – auch im Störfall – zu gewährleisten. Auf den Punkt gebracht Um zu gewährleisten, dass auch im Störfall keine Gefahr von einer Anlage ausgeht, sollten die kritischen Zustände im System modelliert, simuliert und analysiert werden. Grundlage hierfür sind in erster Linie die sogenannten Gasgesetze, die die physikalischen Eigenschaften beschreiben. Aus diesen lassen sich durch Berechnungen wichtige Schutzmaßnahmen ableiten. Durch die Einbindung von unabhängigen Dritten hat zudem auch der Betriebsleiter die Gewissheit, dass die Anlage sicher ausgelegt wurde. So wurden die gasdynamischen Berechnungen und Simulationen genutzt, um potenziellen Gefahren effektiv zu begegnen. (1) Die Machzahl Ma ist der Quotient aus Strömungsgeschwindigkeit und Schallgeschwindigkeit. www.tuev-sued.de/is Im Fokus Sicherheit Effizienz Nachhaltigkeit Folgen Sie uns auch online! www.derbetriebsleiter.de www.facebook.com/derbetriebsleiter www.twitter.com/Der_Betriebslei google.com/+DerbetriebsleiterDe hält Sie stets auf dem Laufenden EA_QR-Online_185x90_2015_07.indd 2 Der Betriebsleiter 01.07.2015 7-8/2016 15:11:57 23