Sachverständige von TÜV Süd Industrie Service, Bild: TÜV Süd

Sachverständige von TÜV Süd Industrie Service stehen Anlagenbetreibern mit Rat und Tat zur Seite. Bild: TÜV Süd

Druckluft ist essenzielles Arbeitsmittel für die Produktionsprozesse vieler Branchen mit pneumatischen Anwendungen. Fluide, die unter Druck stehen, haben immer einen hohen Energiegehalt. Damit sind Sicherheitsrisiken verbunden, insbesondere dann, wenn die Produktionsprozesse unter hohen Temperaturen ablaufen. Entwickler und Konstrukteure müssen diese Risiken bei der Anlagenplanung kennen und berücksichtigen. Sie müssen sicherstellen, dass von der Anlage keine Gefahr für Mensch und Umwelt ausgeht. Das betrifft allerdings nicht nur den planmäßigen Betrieb. Denn was passiert, wenn unvorhergesehene Ereignisse eintreten, die dazu führen, dass die Anlage den geregelten Soll-Zustand verlässt? Gerade in solchen Situationen können komprimierte, heiße Fluide Mitarbeiter und Anlagen gefährden, wenn nicht entsprechende Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.

Wie sich Fluide bei solchen Störfällen verhalten und welches Gefahrenpotenzial sie tatsächlich darstellen, lässt sich anhand fluiddynamischer Berechnungen ermitteln. Von zentraler Bedeutung sind die physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Fluide. Entscheidend sind zudem auch die Betriebsparameter – beispielsweise Druck, Temperatur und Volumen – die während der Produktionsprozesse herrschen. Ist beides bekannt, können die kritischen Zustände der Systeme anhand der Gasgesetze und chemischen Gesetzmäßigkeiten simuliert und analysiert werden. Die Ergebnisse der Berechnungen ermöglichen es, Maßnahmen zu entwickeln, die sicherstellen, dass auch im Störfall keine Gefahr von der Anlage und den Fluiden ausgeht.

Analysen, Bild: Getty Images - Roger Tully
Werden fluiddynamische Analysen im Vorfeld einer Anlagen- oder Maschinenplanung durchgeführt, können Risiken bereits im Vorhinein gemindert werden. Bild: Getty Images - Roger Tully

Eine Schürze für eine Anlage

Das zeigt sich etwa an einem Beispiel aus der Kunststoffindustrie. Bei der Herstellung von Kunststoffteilen für die Automobilindustrie standen die Produktionsverantwortlichen vor der Herausforderung, ein Sicherheitskonzept für die Spritzguss-Anlage zu entwickeln. Im regulären Betrieb wird die Druckluft, mit der flüssiger Kunststoff in ein Presswerkzeug gefüllt wird, kontrolliert abgelassen. Erst dann wird das Werkzeug wieder geöffnet. Geschieht das nicht, könnte die Druckluft explosionsartig entweichen und Arbeiter in der Umgebung gefährden. Auch Schäden an der Anlage selbst können die Folge sein.

Um das zu verhindern, sollte eine Schutzvorrichtung, eine sogenannte Schürze, an dem Werkzeug angebracht werden. Sie lenkt den entweichenden Luftstrom nach unten ab, sodass er keine Gefahr darstellt. Doch wie robust muss die Blende sein? Welche Kräfte wirken auf die Befestigungspunkte? Und welche Materialien sind am besten geeignet, um den Zweck zu erfüllen?

Wissen, welche Kräfte wirken

Diesen Fragen gingen Sachverständige von TÜV Süd Industrie Service im Auftrag des Anlagenbetreibers nach und berechneten die Kräfte, denen die Schürze im Ernstfall standhalten muss. Zwei Parameter sind hierbei von besonderer Bedeutung: Die Strömungsgeschwindigkeit und der Luftmassestrom. Diese beiden Größen verändern sich zeitlich versetzt, wenn sich das Werkzeug öffnet. Die Strömungsgeschwindigkeit ist unmittelbar nach dem Öffnen am höchsten, da die Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Werkzeugs und der Umgebung zu diesem Zeitpunkt am größten ist. Gleichzeitig ist der Luftmassestrom beim Öffnen noch gering, da er vom Strömungsquerschnitt abhängig ist, also von der Spaltbreite, durch die Luft austreten kann. Da der Strömungsquerschnitt während des Öffnens größer wird, treten maximale Geschwindigkeit und maximaler Luftmassestrom nicht gleichzeitig ein. Begrenzt wird die maximale Austrittsgeschwindigkeit jedoch durch die Schallgeschwindigkeit, die eine Funktion des Druckes und der Dichte des eingeschlossenen Gases ist und im vorliegenden Fall 340 Meter pro Sekunde beträgt. Diese Austrittsgeschwindigkeit liegt solange vor, bis das kritische Druckverhältnis unterschritten wird. Danach sinkt sie ab.

Die fluiddynamische Simulation zeigte, dass die gesamte im Werkzeug eingeschlossene Luft in weniger als einer Sekunde entwichen und auf die Schürze geprallt wäre. Anhand der Strömungssimulation lassen sich mit Hilfe des Impulssatzes die auf die Schutzkonstruktion wirkenden Kräfte berechnen, die schließlich in die Dimensionierung der Schürze und ihrer Verankerung einfließen, um den Einwirkungen im Störfall standzuhalten und ausreichenden Schutz zu gewährleisten.

Sicher, auch wenn es nicht nach Plan läuft

Wenn Fluide in Produktionsprozessen eingesetzt werden, spielen ihre physikalischen Eigenschaften und die Betriebsbedingungen, unter denen sie eingesetzt werden, eine entscheidende Rolle. Von ihnen hängt ab, wie Anlagen und ihre einzelnen Komponenten konstruiert und dimensioniert sein müssen. Die Analyse des Gasverhaltens ist zum einen die Voraussetzung für einen reibungslosen und effizienten regulären Betrieb der Anlage. Zum anderen ist sie aber zentral, um die Sicherheit der Anlagen zu gewährleisten, auch im Falle von Betriebsstörungen. Mit fluiddynamischen Berechnungen lässt sich simulieren, was passiert, wenn Prozesse anders ablaufen als vorgesehen. Anlagenplanern und -betreibern bieten solche Simulationen eine fundierte Grundlage, um angemessene Schutzmaßnahmen zu implementieren und ihre Anlagen sicherer zu machen. jl

Weitere Einsatzgebiete

Explosive Gasgemische

Fluiddynamische Analysen können nicht nur dazu genutzt werden zu berechnen, welche Strömungskräfte von Fluiden ausgehen. Sie können beispielsweise auch zeigen, ob und unter welchen Umständen leicht entzündliche Gasgemische entstehen. Um das zu ermitteln, müssen nicht nur die physikalischen, sondern auch die chemischen Eigenschaften der Gase in die Betrachtung einbezogen werden. Im Falle einer Elektrolyseanlage, die Wasserstoff produziert, hat TÜV Süd untersucht, ob ein explosives Gasgemisch entsteht. Betrachtet wurde das Szenario eines Brandes, bei dem der produzierte Wasserstoff umgehend aus den Produktionsbehältern – den Elektrolyseuren – in die Atmosphäre ausgeleitet werden muss.

Um im regulären Betrieb zu verhindern, dass sich eine entzündliche Wasserstoff-Sauerstoff-Konzentration bildet, wird das Rohrsystem kontinuierlich mit Stickstoff inertisiert. Da in den Stickstoffstofftanks ein anderer Druck herrscht als in den Elektrolyseuren, galt es zu simulieren, wie die beiden Gase im Störfall durch die Leitungen in die Atmosphäre ausströmen und welche Konzentrationen sich dabei wann und wo einstellen. Das Ergebnis: Die Entstehung eines explosiven Gemisches konnte nicht ausgeschlossen werden. Das Anlagenkonzept musste daraufhin überarbeitet werden.

Schadensanalysen

In einem anderen Fall wurde TÜV Süd beauftragt, einen Unfall in einem Heizkraftwerk zu rekonstruieren, um Hinweise für die Ursache ermitteln. Bei dem Unfall wurde ein Arbeiter durch austretenden heißen Wasserdampf verletzt. Konkret sollten die Sachverständigen klären, wie schnell der aus einem geplatzten Verdampferrohr austretende Wasserdampf in den Beschickungsbunker der Anlage gelangen konnte. Dort befand sich der Arbeiter.

Über den Beschickungsbunker wird der Energieträger in den Brennerraum befördert. Er gehört nicht zum Dampfkreislauf der Anlage. Mit Hilfe fluiddynamischer Berechnungen konnten die Vorgänge während des Zwischenfalls modelliert werden. Ergebnis: Beim Bersten des Rohres fand ein Druckausgleich zwischen Wasser-Dampfkreislauf und Feuerraum statt. Komprimiertes Speisewasser trat aus dem Verdampferrohr aus und entspannte in den Kessel hinein, sodass es zu einer spontanen Verdampfung kam. Aufgrund der im Feuerraum herrschenden hohen Temperatur von mehr als 1000 Grad Celsius nahm das Dampfvolumen zusätzlich zu. Dadurch stieg der Druck im Feuerkessel soweit an, dass ein heißes Gemisch aus Dampf und Rauchgas sowohl über den Kamin, aber auch über die Frischluftzufuhr und den Beschickungsbunker gepresst wurde und dadurch den Personenschaden verursachte.