BG BAU Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft

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

(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:

= 1,063 • t1,64A/r • 10-3

mit

= abzuführender Massestrom in kg/s
t = zulässige Werkstofftemperatur in °C
A = bestrahlte Behälterfläche = d • l
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 • t1,64 • 10-3

erhält man das Diagramm gemäß Abbildung 4.

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

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

(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. 142ff., „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

= 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

Daraus folgt die über das Sicherheitsventil abzuführende Menge mit

= 9,71 • A/r = 9,71 • 9/1091
  = 0,08 in kg/s
  = 288 in kg/h.

 

 

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