Quasi-static dispersion of dusts for the measurement of safety characteristics of hybrid mixtures

Abstract

Knowledge of the explosion limiting concentrations of explosible materials is necessary for the design of explosion protection measures. Currently employed methods of testing the minimum explosible concentration (MEC) of a dust cloud or the lower explosion limit (LEL) of a hybrid mixture are based on arbitrary assumptions and possess technical limitations that often lead to values of MEC/LEL which are unrealistically low or poorly reproducible. The lack of reliable experimental data of the LEL of hybrid mixtures has led to the development of theoretical models that, as a quick solution, calculate the LEL of hybrid mixtures based on single component data. This research work presents a state-of-the-art method for the experimental determination of the MEC of a combustible dust cloud or the LEL of a hybrid mixture. The new setup operates under laminar flow conditions and allows a uniform suspension of dust particles in an open top acrylic glass tube. Dust cloud is ignited in a quasi-static state to eliminate the influence of the flow regime on the ignition and combustion propagation. The dust concentration is measured with the help of infrared sensors installed a few centimetres above and below the ignition source. In order to evaluate the possible influence of flow velocity and ignition energy, the LEL of hybrid mixtures of lycopodium and titanium with methane have been measured at four and two flow front velocities, respectively, and three ignition energies. The results suggest small variations in the LEL, which, under the consideration of measurement uncertainties, have been regarded negligible. Based on the mass balance of the fuel mixture and the enthalpy balance of the whole system, a simple mathematical model for the calculation of the LEL of hybrid mixtures has been derived. The theoretically calculated values of the LEL of hybrid mixtures agreed well with the experimental data. By analyzing the modelled as well as the experimental values, it can be concluded that the LEL values of the individual components in a hybrid mixture set the upper and lower limit for the LEL of a hybrid mixture, provided that the results are presented in molar units. How the LEL of a hybrid mixture changes within these limits with respect to the change in the mixture composition depends on the interaction of dust and gas during the combustion. The ignition and combustion propagation mechanism in lean hybrid mixtures has been investigated utilizing high-speed videos. The analysis of the videos revealed that in lean hybrid mixtures of volatile dusts the ignition kernel does not develop into an autonomously growing reaction zone, but rather serves as an ignition source for the rest of the fuel. Contrary to the general perception, in hybrid mixtures at their LEL, the combustion propagation speed does not increase by increasing the relative amount of gas in the system.

Die derzeit verbreiteten Methoden zur Bestimmung der unteren Explosionsgrenze (UEG) einer Staubwolke oder eines hybriden Gemisches beruhen auf unrealistische Annahmen und weisen technische Beschränkungen auf, die häufig zu ultrakonservativen oder schlecht reproduzierbaren Werten der UEG führen. Der Mangel an zuverlässigen experimentellen Daten der UEG hybrider Gemische führte zur Entwicklung empirischer Modelle, welche zur Vereinfachung die UEG der hybriden Gemische auf Grundlage der UEG der einzelnen Komponenten berechnen. In dieser Forschungsarbeit wird eine dem Stand der Technik entsprechende Methode zur experimentellen Bestimmung der UEG einer brennbaren Staubwolke eines hybriden Gemisches vorgestellt. Der neue Versuchsaufbau arbeitet unter laminaren Strömungsbedingungen und ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung von Staubpartikeln in einem freibelüfteten Acrylglasrohr. Die Staubwolke wird in einem quasi-statischen Zustand entzündet, um den Einfluss der Strömungsverhältnisse auf die Zündung und die Flammenausbreitung zu verhindern. Die Staubkonzentration wird mit Hilfe von Infrarotsensoren gemessen, die einige Zentimeter über und unter der Zündquelle angebracht sind. Um den Einfluss von Strömungsgeschwindigkeit und Zündenergie zu bewerten, wurde die UEG von Hybridgemischen aus Lycopodium und Titan mit Methan jeweils bei vier und zwei Strömungsgeschwindigkeiten und drei Zündenergien gemessen. Die Ergebnisse deuten auf geringe Schwankungen der UEG hin, die unter Berücksichtigung der Messunsicherheiten als vernachlässigbar angesehen werden können. Auf Grundlage der Massenbilanz des Brennstoffs und der Enthalpiebilanz des gesamten Systems wurde ein einfaches mathematisches Modell für die Berechnung der UEG von Hybridgemischen abgeleitet. Die vom Modell berechneten Werte der UEG von Hybridgemischen stimmten gut mit den experimentellen Daten überein. Die Analyse der modellierten und der experimentellen Werte lässt den Schluss zu, dass die UEG-Werte der einzelnen Komponenten im Hybridgemisch die Ober- und Untergrenze für die UEG des Hybridgemischs festlegen, sofern die Ergebnisse in molaren Einheiten dargestellt werden. Wie sich die UEG von Hybridgemischen innerhalb dieser Grenzwerte bei wechselnder Gemischzusammensetzung verändert, hängt von der Wechselwirkung von Staub und Gas während der Verbrennung ab. Die Zündung und Flammenausbreitung in mageren Hybridgemischen wurde mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsvideos untersucht. Die Analyse der Videos ergab, dass sich in mageren Hybridgemischen aus flüchtigen Stäuben der Zündkern nicht zu einer eigenständig wachsenden Flamme entwickelt, sondern vielmehr als Zündquelle für den Rest des Brennstoffs dient. Entgegen der allgemeinen Auffassung nimmt die Flammengeschwindigkeit in hybriden Gemischen bei ihrer UEG nicht zu, wenn die relative Gasmenge im System steigt.