HELMHOLTZ-PREIS 1990 (Preisverleihung am 19.03.1990)
Dr. Karl-Heinz Overhoff für die Arbeit „Zum Durchzündverhalten von Tauchsicherungen“

Preisträger 1990: Durchzündende Wirkung

Karl-Heinz Overhoff wurde 1957 in Haltern am See geboren. Er studierte von 1978 bis 1984 Chemietechnik an der TU Dortmund, wo er 1988 promovierte. Seit 1989 arbeitet er bei der Hüls AG, heute Evonik Industries AG, in Marl, zunächst als Anlageningenieur und ab 2000 als Leiter im Technischen Controlling.

Im Bereich „Physikalische und chemische Sicherheitstechnik“ wurden 1990 zwei Arbeiten mit dem Helmholtz-Preis ausgezeichnet. Die erste war eine Untersuchung zum „Durchzündverhalten von Tauchsicherungen“ von Dr. Karl-Heinz Overhoff, die aus seiner an der TU Dortmund angefertigten Dissertation hervorgegangen war.

Eine Tauchsicherung verhindert das Übergreifen einer Flamme von einem explosionsgefährdeten Gasraum auf den Gaszulauf, indem sie das Gas durch eine Wasserschicht leitet. Dabei steigt das Gas in Form einzelner Bläschen zur Wasseroberfläche auf, wird im darüber liegenden Raum gesammelt und weitertransportiert. Tauchsicherungen werden u. a. eingesetzt, um bei der Ableitung explosiver Abgase aus Chemieanlagen und ihrer anschließenden Verbrennung sicherzustellen, dass es nicht zu Rückzündungen in die Produktionsanlagen kommt. Trifft eine Flamme von oben auf die Wasserschicht der Tauchsicherung, so sollen die Wasserwände zwischen den Blasen ein Fortpflanzen der Flamme und ihr Übergreifen auf die Zuleitung verhindern. Bei hoch reaktiven Gasen kann es jedoch schon bei niedrigen Belastungen der Tauchsicherung zum Durchzünden kommen.

Welche Vorgänge zum Durchzünden führen und wie sich die Durchzündsicherheit verbessern lässt, untersuchte Karl-Heinz Overhoff experimentell und durch mathematische Simulation. Zunächst verfolgte er mit einer Hochgeschwindigkeitskamera und einem Druckaufnehmer, wie sich Einzelblasen aus einem brisanten Gasgemisch nach einer elektrischen Zündung unter Wasser verhielten. Weniger als 0,3 ms nach der Zündung stieg der Druck in der Blase auf etwa 4 bar an, um nach 2 ms unter den Umgebungsdruck zu fallen. Doch nach 2,8 ms schoss der Druck auf 50 bar hoch und führte anschließend mehrere gedämpfte Schwingungen aus. Solche unerwartet hohen Druckspitzen führte Overhoff darauf zurück, dass die Blasen nach ihrer explosionsbedingten Ausdehnung kollabierten und ein ähnliches Verhalten zeigten, wie man es von der Kavitation her kennt. An Reihen von sechs nebeneinander aufsteigenden Blasen konnte Overhoff das Durchzünden studieren. Während der Explosion der ersten Blase bildete sich ein Jet, der die benachbarte zweite Blase durchschlug und dabei so stark von innen komprimierte, dass in ihr die Zündbedingungen überschritten wurden. Daraufhin explodierte auch diese Blase. Anschließend durchschlug der Jet auch die weiteren Blasen, die dann entweder durch die Kompression oder aber durch direkten Blasenkontakt ebenfalls zündeten.

Auf diese Weise kann eine auf die Wasseroberfläche einer Tauchsicherung auftreffende Flamme eine Kettenreaktion auslösen, die sich durch die Gasblasen fortpflanzt und zu einem Durchzünden führt. Die Wahrscheinlichkeit, dass es dazu kommt, ließe sich durch Vergrößerung der Blasenabstände verringern, etwa indem die Blasen durch eine erzwungene Strömung im Wasser voneinander getrennt werden.

Als weitere Maßnahme schlug Overhoff vor, die bei der Explosion der Blasen freiwerdende Energie so schnell wie möglich zu entziehen, etwa durch Einbau von luftgefüllten Schläuchen, die die Jets der Blasen auf sich lenken und dadurch die Gefahr einer Zündübertragung auf benachbarte Blasen verringern.

 

Literature

Karl-Heinz Overhoff: Zum Durchzündverhalten von Tauchsicherungen. PTB-Mitteilungen 100, (1990), 255