Aufwirbelung von Staub durch Druckwellen in Luft PDF
Preview Aufwirbelung von Staub durch Druckwellen in Luft
FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN Nr. 2785 j Fachgruppe UmweltjVerkehr Herausgegeben "im Auftrage des Ministerprăsidenten Heinz Kuhn vom Minister fur Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. rere nat. Wolfgang Merzkirch Dipl. -Ing. Karlfriedrich Bracht Institut ftir Thermo- und Fluiddynamik der Ruhr-Universităt Bochum Aufwirbelung von Staub durch Druckwellen in L uft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1978 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Merzkirch. Wolfgang: Aufwirbelung von Staub durch Druckwellen in Luft / Wolfgang Merzkirch; Karlfriedrich Bracht. - Opladen: Westdeutscher Verlag, 1978. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen; Nr. 2785 : Fachgruppe Umwelt, Verkehr) ISBN 978-3-531-02785-2 ISBN 978-3-663-06765-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-06765-8 NE: Bracht, Karlfriedrich: © 1978 by Springer Fachmedien Wiesbaden Ursprunglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen 1978 ISBN 978-3-531-02785-2 Inhalt 1. Einleitung 2. Experimentelle Voraussetzungen 3 2.1. Versuchs staub 3 2.2. Versuchs aufbau und Stoßwellenrohr 3 3. Kurzzeitphotographische Darstellung der Staubaufwirbelung 5 4. Staubaufwirbelung in laminarer Strömung 10 4.1. Fluidkräfte in wandnaher Strömung 10 4.2. Bewegung von Einzelpartikeln bei laminarer Strömung 12 4.3. Berechnete Partikelbahnen und Vergleich mit den photographischen Messungen 15 5. Messung der Staubkonzentration in der turbu lenten Stoßrohrströmung 19 5.1. Prinzip der optischen Absorptionsmessungen 19 5.2. Eichung der Absorptionsmessungen 21 5.3. Konzentrationsprofile des aufgewirbelten Staubs 25 5.4. Gesetzmäßigkeiten der Konzentrationsprofile und Diskussion der Meßergebnisse 29 6. Berechnung der Staubkonzentration nach der Diffusionstheorie 35 6.1. Diffusionsmodell 35 6.2. Numerische Auswertung der Diffusionsgleichung und Vergleich mit den Messungen 40 7. Diskussion und Zusammenfassung 47 8. Literatur 49 1. Einleitung Staubexplosionen sind eine große Gefahrenquelle in Industriebetrie ben, in denen brennbare Stäube verarbeitet werden oder als Nebenpro dukt entstehen. Beispiele solcher gefährdeten Betriebe sind Zucker fabriken, Getreidemühlen, besonders aber der Kohlenbergbau. Das I~ gangsetzen einer Explosion setzt voraus, da~ es zur Bildung eines Staub-Luft-Gemisches kommt. Die Staubkonzentration in diesem Gemisch muß Werte innerhalb gewisser Grenzen annehmen; oberhalb und unter halb dieser Grenzen ist das Gemisch nicht explosionsfähig. Die kri tischen Konzentrationswerte sind durch die Staubart bestimmt [1J. In den oben genannten Industriebetrieben setzt sich Staub an festen Wänden und Böden ab. Zur Ausbildung des Staub-Luft-Gemisches ist es notwendig, daß der Staub aufgewirbelt wird. Beschränkt man die Betrachtungen auf den Untertagebetrieb im Kehle bergbau, so gibt es zwei Hauptursachen für die Aufwirbelung von Koh lestaub, der in den Strecken (Stollen) abgelagert ist. Einmal ist es die mögliche Aufwirbelung im stationären Wetterstrom (Belüftung des Bergwerks); die hierbei maßgeblichen Werte der stationären Luftge schwindigkeit liegen bei 4-8m/s [2J. Zum anderen kann der abgelagerte Staub auf instationäre Weise durch eine Luftdruckwelle (Stoßwelle) aufgewirbelt werden. Eine instation äre Stoßwelle entsteht z.B. als Folge einer plötzlichen Methangas (Grubengas-) Verbrennung. Eine gasdynamische Beschreibung dieser Wel lenbildung ist in [3J für den Fall gegeben, daß man die Verbrennung und die Stoßausbreitung in der Strecke in idealisierter Weise als eindimensionalen, instationären Vorgang ansehen kann. Die Stoßwelle eilt der Flammenfront mit Uberschallgeschwindigkeit voraus; sie er zeugt in der Luft eine Nachströmung, deren Geschwindigkeit etwa das Zehnfache der stationären Wettergeschwindigkeit ist. Die vorliegende Arbeit ist der Untersuchung der Staubaufwirbelung in der Nachströmung hinter einer Luftstoßwelle gewidmet. Im Unter tagebetrieb des Kohlebergbaus sind eine Reihe von Sicherheitsvorrich tungen üblich, mit denen die Staubaufwirbelung verhindert oder eine bereits einsetzende Staubverbrennung gelöscht werden soll. Die bekann teste Einrichtung dieser Art sind die Wassertrogsperren, die durch die vorauseilende Stoßwelle ausgelöst (zerstört) werden. Diese Sperre muß in der kurzen Zeitspanne wirksam werden, die zwischen dem Eintreffen - 2 - der Stoßwelle und dem Erreichen der für die Zündung kritischen Staubkonzentration vergeht. Es interessiert somit die Frage, wie die zeitliche Entwicklung der Staubkonzentration in der Nachströ mung hinter einer Luftstoßwelle verläuft, nachdem die Stoßwelle über eine (ebene) Staubschicht hinweggelaufen ist. Bei der Unter suchung dieses Problems stößt man auf eine zweite grundlegende Frage, nämlich nach den Kräften, die für das Aufwirbeln der Staub partikel aus der ursprünglich ebenen SChicht am Boden der Strecke verantwortlich sind. Den beiden Fragestellungen entsprechen zwei zeitlich aufeinander folgende Abschnitte des Aufwirbelvorgangs: Zunächst das Abheben der Staubpartikel aus der Bodenschicht, danach das Verteilen des Staubs in der Strömung. Diese beiden Probleme werden hier behandelt, und zwar sowohl experimentell durch Modellversuche in einem Stoßwellen rohr als auch rechnerisch, was für die Ubertragbarkeit der Ergebnis se auf andere Dimensionen von besonderer Bedeutung ist. Die Untersuchungen dienen der Ergänzung von Forschungsarbeiten über die Entstehung und den Ablauf von Staubexplosionen, wie sie in ver schiedenen Forschungsanstalten des Bergbaus in großen Dimensionen durchgeführt werden (siehe z.B.[4,S,6]). Aus Gründen der Reinhaltung des Stoßwellenrohrs und des Labors wird in den Versuchen nicht Kohlenstaub verwendet, sondern zwei Staub sorten, die eine ähnliche Korngrößenverteilung wie Kohlenstaub haben. Der Boden des Stoßwellenrohrs wird in der Meßkammer mit einer homo genen Staubschicht bedeckt; die Staubaufwirbelung und die zeitliche Entwicklung der Staub-Luft-Strömung wird mit optischen Methoden un tersucht. Um einen Uberblick über den gesamten Ablauf des Aufwirbel vorgangs zu erhalten, werden zunächst kurzzeitphotographische Auf nahmen nach der Schattenmethode angefertigt. In diesen Bildern läßt sich die zeitliche Entwicklung der Staubwolke ausmessen. In der An fangsphase kann man das Aufwirbeln von Staubpartikeln auf eine Wech selwirkung der Staubschicht mit der (dann noch) laminaren Stoßrohr grenzschicht zurückführen. Die Bahnen solcher Staubpartikel werden berechnet und mit den gemessenen Staubwolken-Höhen verglichen. Da die strömung an einem festen Ort des Untersuchungsgebiets bald nach Passieren der Stoßwelle turbulent wird, muß man das weitere Aufwir beln von Staubpartikeln wie auch die Verteilung des Staubes in der Strömung unter der Annahme einer turbulenten Luftströmung beschrei ben. - 3 - Die zeitliche Ausbildung von Konzentrationsprofilen der Phase Staub wird in verschiedenen Kanalhöhen und an verschiedenen Orten stromab von der Vorderkante der Staubschicht mit einer optischen Absorotions methode gemessen. Diese Meßergebnisse werden verglichen mit einer Theorie, die das Eindringen des Staubs in den Luftstrom nach einem Diffusionsmodell beschreibt und die zugleich die Möglichkeit liefert, die hier gewonnenen Resultate auf andere Bedingungen zu übertragen. 2. Experimentelle Voraussetzungen 2.1. Versuchsstaub Auf die Verwendung von Kohlenstaub mußte wegen der dabei auftreten den starken Verschmutzung der Laboreinrichtung verzichtet werden. Stattdessen wurden die Versuche mit zwei Staubsorten durchgeführt, die normalerweise in Feuerlöschern verwendet werden. Die Produkt namen dieser beiden Staubsorten sind: "Trooolar Porte" ( im weite ren mit "Staub 1"bezeichnet ) und "KrYOlit~ 11" ( Staub 2 ) .*) Durch Aussieben wurde der maximale Durchmesser der Staubpartikel auf D =40vm begrenzt. Die Tabellen 1 und 2 enthalten Angaben über p einige physikalische und chemische Eigenschaften der beiden Staub- sorten sowie eine Korngrößenanalyse und den Vergleich mit Kohlen staub und mit einem Gesteinsstaub, wie er im Untertagebetrieb zur Unterdrückung von KOhlestaubexplosionen Gesteinsstaubsperren ) verwendet wird. Die experimentellen Ergebnisse sind zunächst spezifisch für die hier benutzten Staubsorten. Die Rechnungen erlauben jedoch eine Ubertra gung der Ergebnisse auch auf andere Staubsorten, wenn gewisse Stoff parameter, z.B. die in Abschnitt 6 auftretenden Diffusionskoeffizien ten, bekannt sind. 2.2. Versuchsaufbau und Stoßwellenrohr Die Experimente zur Staubaufwirbelung werden in einem Membran-Stoß wellenrohr durchgeführt, bei dem Luft als Treib- und Laufgas dient. ~ild 1 zeigt die prinzipielle Anordnung des Rohres. Die Meßkammer des Stoßwellenrohres hat einen Kanalquerschnitt von 60mm Höhe und *) Die Versuchsstäube wurden freundlicherweise von der Bergge werkschaftlichen Versuchsstrecke in Dortmund-Derne zur Verfügung gestellt. - 4 - Tabelle 1: Physikalische und chemische Eigenschaften der Versuchs stäube Physikalische Eigenschaften Staub 1 Staub 2 (Tropolar Forte) (Kryolith Ir) spez. Gewicht -p- 3 1 .9 2.9 g/cm o Schüttgewicht s 3 0.9-1.0 0.4-0.5 g/cm spez. Oberfläche 2-2 cm /g 3500-4500 5000 Gewichtsanteil unter p 40 ~m 100 100 in Prozent Chemische Eigenschaften Monoammoniumphosphat * 80-90 Bariumsulfat 8-10 4-5 Kryolith 85 Kieselsäure 2 6-8 * alle Angaben in Gew. Proz. Durch Silikonzusätze sind beide Stäube wasserabweisend eingestellt Tabelle 2: Ergebnisse einer Korngrößenanalyse Medianwert ~Dp/~m 70 50 30 20 10 Dp /~m Staub Staub 1 - - 15 35 60 12 (Tropolar Forte) Staub 2 (kryolith Ir) - - 1 2 18 5 Gesteinssi:.aub 4 7 18 35 65 14 Kohle 0.5 0.6 10 35 70 15 - 5 - 40mm Breite; zur Beobachtung und Registrierung des Meßvorgangs sind drei Seiten der Meßkammer mit Fenster versehen. Im Boden der Meßkammer befindet sich in einer Länge von 300mm eine Vertiefung zur Aufnahme des Versuchsstaubes. Vor jedem Versuch wird die Staub oberfläche mit einer Schneide glattgestrichen, so daß sie mit dem Meßkammerboden glatt abschließt. Nach dem Zerstören der Membrane bildet sich eine Luftstoßwelle, die durch die Heßkammer hindurch läuft und die Staubaufwirbelung in Gang setzt. Nach jedem Versuch muß der im Rohr verteilte Staub abgesaugt und Rohr und Meßkammer von Staubrückständen gereinigt werden. Zur Beobachtung des Aufwirbelvorganges dient eine schatten- und schlierenoptische Einrichtung mit Funkenblitz-Beleuchtung ( Abschnitt 3 ). Die Staubkonzentrat{on in der Stoßrohr-Strömung wird mit einer optischen Absorptionsmethode gemessen ( Abschnitt 5 ). Die Bestim mung der Luftgeschwindigkeit in der Nachströmung erfolgt über eine Messung der Stoßwellengeschwindigkeit und eine Umrechnung über die Rankine-Hugoniotschen Stoßbeziehungen. -1 m 5m ----~-------- -----------1 Oruck- ~ kammer 60rnm ~--~~/------------------~~~----~~ / U-i':~)~';',:;':;,';-,·q Membran StoGb Bild 1: Maße des Stoßwellenrohres 3. Kurzzeitphotographische Darstellung der Staubaufwirbelung Anhand von Schattenaufnahmen wird zunächst ein qualitativer Uber blick über den zeitlichen Ablauf der Staubaufwirbelung gegeben. Die Bilder 2 bis 7 sind das Erqebnis je eines Einzelversuchs im Stoßwellenrohr. Die Versuche werden unter denselben Anfangsbedin gungen durchgeführt. Die Aufnahmezeitpunkte der einzelnen Schat tenbilder sind gegeneinander so versetzt, daß sich innerhalb der Reproduzierbarkeit der Versuche eine kinematographische Darstel- - 6 - lung der Staubaufwirbelung ergibt. Die Bildserie ist mit dem Ver suchsstaub 2 und einer anfangs 2mm tiefen Staubschicht hergestellt. Die Stoß-~~ach-Zahl beträgt Ms=1,26, die Geschwindigkeit des nach strömenden Gases ist U~=133m/s. Die Strömung erfolgt in den Bildern von links nach rechts. Die horizontale Linie markiert die halbe Meßkammerhöhe (3Omm) , die linke vertikale Linie den Beginn der Staubschicht. Die rechte ver tikale Linie ist eine zusätzliche Markierung, die die Unterschiede in der Größe des Bildausschnittes zwischen den Bildern 2-5 und 6-7 deutlich macht. Die in den Bildern anaegebenen Zeiten ts bezeich nen den Aufnahmezeitpunkt; die Zeit t s ist verstrichen, seit die einfallende Stoßwelle die Vorderkante der Staubschicht ( linke ver- tikale Linie passiert hat. Die Belichtungszeit der Aufnahmen liegt bei 1~s. Das Schattenverfahren vermag die Luftstoßwelle sichtbar zu machen. In Bild 2 ist die Stoßwelle an der rechten Bildseite zu erkennen. Die Stoßwelle, anfänglich eine ebene Front, ist hier auf der Unter seite deutlich gebeugt, was auf eine Wechselwirkung mit der Staub schicht zurückzuführen ist. Ein Vergleich mit einer Photographie, die vor der Ankunft der Stoßwelle aufgenommen wurde, zeigt, daß zu diesem Zeitpunkt noch kein Staub aufgewirbelt ist. 360~s später (Bild 3) ist eine Aufwirbelung deutlich zu erkennen. Die Staubwolke wächst und erreicht in Bild 4 eine Höhe von Bmm. Gleichzeitia mit der Aufwärtsbewegung werden die Staubpartikel von der Nachströmung er faßt und in horizontaler Richtung wegtransportiert. Einzelne, aus der Staubwolke herausragende Staubballen (Bild 5) zeigen, daß der Mischvorgang zwischen Staub und Luft jetzt durch starke Turbulenzen bestimmt wird. Die Staubwolkenhöhe beträgt hier etwa 25mm; sie nimmt mit wachsender Entfernung (rechts außerhalb des Gesichtsfeldes) nur noch langsam zu. Am verschlossenen Ende des Stoßwellenrohres wird die Stoßwelle re flektiert. Sie bewegt sich entgegengesetzt ihrer ursnrünglichen Rich tung in die aufgewirbelten Staubschichten hinein und erreicht zur Zeit ts=6,5ms wieder die Meßkammer (Bild 6). Nach Durchgang der re flektierten Stoßwelle setzt eine starke Dispersion des Staubes über den Meßkammerquerschnitt ein (Bild 7) .Dies ist erklärbar durch das Auftreten großflächiger Wirbel, die als Folge der Wechselwirkung des reflektierten Stoßes sowohl mit der Staubwolke als auch mit der Stoßrohrgrenzschicht entstehen.
The list of books you might like
