Eine Flammendurchschlagsicherung ist eine Vorrichtung, die an der Öffnung eines Gehäuses oder an der Verbindungsleitung in einem System von Gehäusen angebracht ist und Gase, Flüssigkeiten usw. durchlässt, aber die Übertragung einer Flamme verhindert, um einen größeren Brand oder eine Explosion zu verhindern. Bei Prozessabläufen mit brennbaren Gasen tragen Flammensperren dazu bei, die Gefahr der Brandausbreitung zu mindern und so die Auswirkungen eines explosiven Ereignisses zu begrenzen. Bei richtigem Einsatz können Flammensperren katastrophale Schäden und den Verlust von Menschenleben verhindern. Wer sich mit der Auswahl und dem Kauf von Flammendurchschlagsicherungen befasst, muss wissen, wie diese Produkte funktionieren, welche Vorteile sie bieten und wo ihre Leistungsgrenzen liegen. In diesem Artikel werden wir versuchen, die Grundlagen der Technologie und Terminologie von Flammendurchschlagsicherungen und die verfügbaren Typen zu erläutern.

Eine Flammendurchschlagsicherung wird auch als Arrestor, Deflagrationssperre und Flammensperre bezeichnet.

Warum eine Flammensperre?

Eine der größten Gefahren beim Transport oder bei der Lagerung von brennbaren Flüssigkeiten oder Gasen besteht darin, dass sich die brennbaren Dämpfe entzünden können, was zu einem Brand oder schlimmer noch zu einer Explosion führen kann. Wann immer ein brennbares Gas oder ein Dampf
mit Luft/Sauerstoff gemischt wird, besteht die Gefahr einer Explosion. Eine versehentliche Entzündung des brennbaren Gemisches führt zu einer Flamme, die sich durch das unverbrannte Gemisch ausbreitet, bis der Brennstoff durch die Reaktion verbraucht ist. In einem geschlossenen Raum, wie z. B. einem Behälter oder einer Rohrleitung, führt der durch den Verbrennungsprozess verursachte erhebliche Temperaturanstieg des Gemischs zu einer raschen Zunahme des Volumens des Gasgemischs. Der daraus resultierende Druckanstieg führt zu turbulenten Effekten, die die Flammenfront weiter beschleunigen. Wird eine Flamme nicht gestoppt, kann dies zu katastrophalen Schäden an der Anlage, zu Produktionsausfällen, zu Verletzungen von Menschen und sogar zum Verlust von Menschenleben und möglicherweise zu hohen Prozesskosten führen.

Flammenbildung und -arten

Wenn ein entflammbares Dampf- oder Gasgemisch mit einer Zündquelle in Berührung kommt, entwickelt sich eine Flammenfront. Diese Flamme brennt durch den Dampf oder das Gas, bis:

1. der Brennstoffvorrat (Dampf oder Gas) verbraucht ist.
2. die zur Aufrechterhaltung der Verbrennung erforderliche Wärme abgeführt ist.
3. Die Sauerstoffkonzentration wird entweder zu hoch oder zu niedrig, um eine weitere Verbrennung zu ermöglichen.

Verpuffung

Wenn sich eine Flammenfront mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die geringer ist als die Schallgeschwindigkeit des Dampfes, spricht man von einer Verpuffung. Diese wird in zwei Arten unterteilt.

• Unbegrenzte Deflagration

Eine unbegrenzte Deflagration tritt auf, wenn sich eine entzündliche Atmosphäre außerhalb eines Behälters oder einer anderen Prozessausrüstung entzündet. Beispielsweise kann ein Atem- oder Lüftungsauslass aus einem Benzintank in seiner unmittelbaren Umgebung eine nicht begrenzte Wolke brennbarer Dämpfe erzeugen. Zündquellen wie eine angezündete Zigarette, eine statische elektrische Entladung oder ein Blitzschlag können diese Dampfwolke entzünden, und die daraus resultierende Flammenfront kann durch den Auslass in den Tank eindringen.

• Eine begrenzte Deflagration

Eine begrenzte Deflagration tritt auf, wenn sich eine entzündliche Atmosphäre innerhalb einer Rohrleitung, eines Behälters oder einer anderen Prozessanlage entzündet. Dies kann typischerweise in Industrie- oder Prozessanlagen vorkommen. In vielen Kohlebergwerken wird beispielsweise brennbares und giftiges Methangas unter Tage erzeugt, das über eine Rohrleitung an die Oberfläche gepumpt und dann in einem Kessel zu Heizzwecken verbrannt wird. Probleme mit dem Kessel oder dem Pumpsystem könnten den Inhalt des Rohrs entzünden, und die Flamme könnte sich durch das Rohr zurückbewegen und zu einer Explosion unter Tage führen.

Detonation

Eine Detonation tritt auf, wenn sich eine Flamme entlang eines Rohrs ausbreitet, normalerweise mit Überschallgeschwindigkeit, und mit einer Stoßwelle kombiniert wird. Dies geschieht in der Regel durch eine turbulenzbedingte Flammenbeschleunigung, die durch Unebenheiten in den Rohrwänden oder Unterbrechungen wie Bögen, Ventile oder Querschnittsänderungen im Rohr verursacht wird. Sie kann aber auch einfach dadurch entstehen, dass man die Flamme über eine ausreichende Strecke entlang des Rohres weiter beschleunigen lässt. Eine Schockwelle ist
durch eine sprunghafte Änderung des Drucks und der Dichte gekennzeichnet, durch die sich die Flammengeschwindigkeit von Unterschall auf Überschall ändert.

• Overdriven Detonation

Wenn sich eine Flammenfront mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die über der Schallgeschwindigkeit im Dampf liegt, spricht man von einer overdriven Detonation. Die übersteuerte Detonation ist ein kurzlebiges Phänomen und tritt normalerweise auf, wenn die Flammenfront von einer Deflagration mit hoher Geschwindigkeit in eine Detonation übergeht.

Arbeitsprinzip von Flammensperren

Flammensperren funktionieren nach dem Prinzip, der Flamme Wärme zu entziehen, wenn sie versucht, durch enge Durchgänge mit Wänden aus Metall oder anderem wärmeleitenden Material zu wandern.

Flammensperren sind passive mechanische Vorrichtungen, die an einem Tank oder in einem Prozessrohrsystem angebracht werden. Im Normalbetrieb wird das Dampfgemisch in der Rohrleitung durch die Flammendurchschlagsicherung geleitet. Eine Flammensperre besteht hauptsächlich aus einem Gehäuse, einem Element und Anschlüssen zur Befestigung an Rohrleitungen oder Geräten. Das Element ist die Vorrichtung, die die Flamme löscht und hauptsächlich eine Art „Filter“ ist, der kleine Öffnungen aufweist, durch die das Prozessgas strömt, aber die Flammenübertragung verhindert. Die Flammenfront wird im „Filter“ in kleinere Flammchen zerlegt, die durch die große Wärmekapazität des Elements gekühlt werden und so die Flamme zum Erlöschen bringen.

Zu den für das „Filter“-Element verwendeten Materialien gehören gewellte Metallbänder, Drahtgewebe, gesinterte Materialien und Wabenmaterialien. Aufgrund seiner Konstruktion verursacht das Element einen Druckabfall oder eine Behinderung des Prozessflusses. Um diesen erhöhten Strömungswiderstand abzumildern, ist die Fläche des Elements in der Regel größer als die Querschnittsfläche des Rohrsystems. Größere Elemente haben auch eine höhere Wärmekapazität.

Arten von Flammendurchschlagsicherungen

Alle Flammendurchschlagsicherungen sind so konstruiert, dass sie Gase oder Flüssigkeiten durchlassen und gleichzeitig verhindern, dass Flammen oder Funken eine Explosion verursachen oder sich zu einem größeren Brand ausweiten. Allerdings gibt es je nach Anwendung sehr unterschiedliche Ausführungen und Größen.

Flammensperren am Leitungsende

Flammensperren am Leitungsende werden am Ende einer Rohrleitung oder am Ausgang eines Behälters angebracht, um das Eindringen von Flammen zu verhindern, und nicht, wie manchmal angenommen wird, um das Austreten der Flammen aus der Leitung oder dem Behälter zu verhindern. Ohne Wetterschutzhaube können sie in fast jeder beliebigen Ausrichtung montiert werden, eine umgekehrte Montage wird jedoch nicht empfohlen, da dies das Risiko eines Wärmestaus und damit eines Flammenrückschlags erhöht. Mit integrierter Wetterhaube sollten sie in herkömmlicher vertikaler Ausrichtung montiert und im Freien bei Regen und Schnee eingesetzt werden.

In-Line Flame Arrestor

In-Line Flame Arrestor werden in Rohrleitungen eingebaut, um nachgeschaltete Geräte zu schützen. Die unten gezeigte Anordnung ist typisch, obwohl es auch möglich ist, dass die Zündquelle die Flamme mit dem Gasstrom ausbreitet. Wenn die Flamme aus beiden Richtungen kommen kann, ist eine bidirektionale Flammensperre erforderlich. Inline-Flammensperren können entweder Deflagrations- oder Detonationssperren sein, je nach den Bedingungen, unter denen sie eingesetzt werden sollen. Die Ausrichtung der Rohre stellt in der Regel kein Problem dar, es sei denn, der Gasstrom enthält Flüssigkeit, die sich in der Flammensperre ansammeln könnte. In solchen Fällen kann ein exzentrisches Flammendurchschlagsicherungsgehäuse eingebaut werden, um das Auffangen und Ableiten der Flüssigkeit zu ermöglichen.

Vorkammer-Flammendurchschlagsicherung

Sie werden so genannt, weil sie zum Schutz von Anlagen dienen, in denen eine Flamme innerhalb eines Behälters entstehen kann, dessen Querschnittsfläche etwas größer ist als das Flammendurchschlagsicherungselement oder das Entlüftungsrohr, und man verhindern will, dass die Flamme den Behälter verlässt. Dabei kann es sich um ein einfaches Element, eine Endsperre oder eine Inline-Sperre handeln. Bei der Betrachtung einer solchen Situation ist äußerste Vorsicht geboten, da es nicht möglich ist, die Bedingungen vorherzusagen, denen die Flammensperre standhalten muss, da das Volumen der heißen Gase, die durch die Sperre strömen, das Volumen übersteigt, das bei herkömmlichen Flammentests mit Inline-Sperren entsteht. Obwohl die Bedingungen dazu tendieren, eine begrenzte Deflagration zu erzeugen, ist es möglich, dass eine Flammensperre, die unter den in einer Produktnorm festgelegten Bedingungen für begrenzte Deflagrationssperren zufriedenstellend geprüft wurde, nicht zufriedenstellend ist. Daher ist die einzige Lösung, um völliges Vertrauen in das spezifizierte Produkt zu gewährleisten, die Prüfung unter tatsächlichen oder simulierten Betriebsbedingungen.

Hydraulische Flammensperre

Flammensperren für flüssige Produkte schließen einen Teil der in einem Rohr fließenden Flüssigkeit ein, so dass die Gase zwar durch sie hindurchblasen können, aber jede Flamme gelöscht wird. Hydraulische Absperrvorrichtungen enthalten Wasser, dessen Füllstand automatisch aufrechterhalten wird. Auch hier können Gase hindurchströmen, aber jede Flamme wird gelöscht. Diese Technik eignet sich besonders für einen schmutzigen Gasstrom mit eingeschlossenen Partikeln.