Flammpunkt

Flammpunkt

Wie funktioniert der Flammpunkt von Flüssigkeiten in der Praxis?

In einer Flüssigkeit können sich die Moleküle frei bewegen. Die Geschwindigkeit der Moleküle hängt dabei von der Temperatur der Flüssigkeit ab, je höher die Temperatur, desto höher die Geschwindigkeit. Sehr schnell bewegte Moleküle können die Oberflächenspannung der Flüssigkeit durchbrechen und "entweichen". Die Flüssigkeit verdampft. Dieser Prozess beginnt schon unterhalb des physikalischen Siedepunkts.

Der Flammpunkt einer Flüssigkeit ist die niedrigste Temperatur, bei der die Flüssigkeit genügend Dampf erzeugen kann, um ein explosives Gemisch zu bilden. Die Dampfbildung der vorhandenen brennbaren Flüssigkeiten müssen daher sehr sorgfältig betrachtet werden!

Diesel und Paraffin flammpunkt

Diesel, Paraffin und Heizöl haben relativ hohe Flammpunkte. Das bedeutet, dass diese Stoffe nur bei relativ hohen Temperaturen genügend Dampf erzeugen können, um ein explosives Gemisch zu bilden. Das macht diese Flüssigkeiten relativ sicher. Wenn ein Lagertank jedoch im Freien der Sonne ausgesetzt ist, kann durch die Erwärmung dennoch ein explosives Gemisch entstehen. In der folgenden Tabelle sind die Flammpunkte einiger bekannter Flüssigkeiten aufgeführt:

 Flammpunkte von bekannten Flüssigkeiten

Mindestzündenergie

Um eine explosive Umgebung zu entzünden, muss Energie zugeführt werden. Dies kann im Prinzip nur auf zwei verschiedene Arten geschehen, nämlich durch einen Funken oder durch eine heiße Oberfläche. Die Mindestzündenergie oder der Mindestzündstrom (MZE) ist die Mindestmenge an Energie, die erforderlich ist, um ein bestimmtes Gas oder einen bestimmten Stoff zu zünden.

Bei Gasen reicht oft schon die geringe Energie eines Funkens aus, während die Zündtemperatur einer heißen Oberfläche für Gase viel weniger kritisch. Eine Staubwolke lässt sich in der Regel nicht mit einem Funken entzünden (Ausnahmen sind möglich beim Auftreten energiereicher Gleitstielbüschelentladungen). Viel gefährlicher sind hier heiße Oberflächen. Bei Staub ist daher die Zündtemperatur wichtiger.

Gase werden nach ihrer Empfindlichkeit gegenüber der Zündung durch Funken eingeteilt. Man unterscheidet die folgenden Gruppen mit ihren spezifischen Mindestzündenergien (die Gruppen werden oft auch als Gasgruppen bezeichnet):

• IIA   200 μJ z. B. Alkohol, Benzin, Propan;
• IIB   60 μJ z. B. Ethylen, Firmaldehyd;
• IIC   20 μJ z. B. Acetylen, Wasserstoff.

Partikelgröße

Die Empfindlichkeit und Explosionskraft einer Staubwolke hängt stark von der Partikelgröße ab. Darüber hinaus spielt auch die elektrische Leitfähigkeit eine wichtige Rolle, da sie die Stärke einer möglichen elektrostatischen Aufladung beeinflusst. Leitfähige Stäube können sich z. B. im Kontakt mit nicht leitfähigen Oberflächen statisch sehr stark aufladen, was zu energiereichen elektrischen Entladungen führen kann. Weiterhin können leitfähige Stäube in unzureichend geschützten Klemm- und Sicherungskästen Kurzschlüsse und Funkenschlag erzeugen.

Auf der Grundlage der elektrischen Leitfähigkeit und der Partikelgröße werden die Feststoffe in Staubklassen eingeteilt, wobei die folgenden drei Gruppen unterschieden, werden:

• IIIA  Nichtleitender Staub mit Partikeln / Fasern > 0,5 mm;
• IIIB  Lichtleitender Staub mit Partikeln < 0,5 mm;
• IIIC  Leitfähiger Staub.

Maximale experimentelle Grenzspaltweite

Wenn ein explodierendes Gasgemisch durch einen engen Spalt austritt, kühlt sich das brennende Gasgemisch durch die Berührung der Metallkontaktflächen ab. Das Energieniveau des austretenden Gases nimmt ab und die Flamme erlischt. Kühlt das Gas ausreichend ab, ist es nicht mehr in der Lage, ein sich außen befindendes explosives Gemisch zu entzünden. Der Grad der Abkühlung (Energieverlust) hängt stark von der Länge des Spalts und dem Abstand zwischen den Kontaktflächen ab.

Messaufbau zur Bestimmung der Normspaltweite (MESG)

Die Normspaltweite oder auch MESG (Maximum Experimental Safe Gap) gibt an, wie groß die Öffnung noch sein darf, bei der das austretende Gas genügend Energie verliert, sich abkühlt und eine Außenzündung verhindert wird. Der MESG-Wert kann nur experimentell ermittelt werden. Es besteht ein sehr enger Zusammenhang zwischen dem Mindestzündstrom und der experimentellen bestimmten Normspaltweite (MESG) für die Zündgruppen I, IIA, IIB und IIC.

Wanddurchführung für Ex d-Gehäuse

Das Prinzip der Kühlung eines brennenden Gasgemischs durch enge Spalten wird in Flammendurchschlagsicherungen und flammendurchschlagsicheren Gehäusen (Druckfeste Kapselung) angewendet (8.1). Erfahren Sie mehr über Schutzmethoden.

Entzündungs- und Glimmtemperatur

Eine Oberfläche muss eine bestimmte Mindesttemperatur aufweisen, um ein Gas zu entzünden, die so genannte Zündtemperatur. Diese Zündtemperatur ist für verschiedene Gase sehr unterschiedlich:

 Entzündungstemperaturen für häufig vorkommende Gase

Temperaturklassen

Zur Vereinfachung wurde ein System entwickelt, bei dem die Zündtemperaturen in Temperaturklassen eingeteilt werden. Anschließend werden die Gase und Dämpfe in diese Temperaturklassen eingeteilt. Darüber hinaus wird allen explosionsgeschützten Geräten eine Temperaturklasse entsprechend ihrer maximalen Oberflächentemperatur zugeordnet.

Temperaturklassen und maximale Oberflächentemperaturen

Die Zündtemperatur ist eine Eigenschaft des vorhandenen Gases, die zur Einstufung in eine der Temperaturklassen führt. Um sicher zu arbeiten, muss ein Betriebsmittel für die Verwendung mit dem vorhandenen Gas geeignet sein und sollte daher nie heißer als die Temperaturklasse des Gases werden.

Beispiel

Ein explosionsgeschützter Elektromotor kann unter Volllast bis zu 145 °C heiß werden, was ihm die Klassifizierung T3 verleiht. Dieser Motor kann in einer Umgebung mit T1-, T2- oder T3-Gas sicher verwendet werden, da diese Gase eine Zündtemperatur von über 200 ºC haben. Der T3-Motor wird nicht heiß genug, um das Gas zu entzünden.

Entzündungs- und Glimmtemperatur für Staub

Für Umgebungen, in denen brennbare Stäube vorhanden sind, sind zwei Temperaturen wichtig:

• die Mindestzündtemperatur einer Staubwolke;
• die Mindestzündtemperatur einer Staubschicht (Glimmtemperatur).

Die Zündtemperatur einer Staubwolke ist die niedrigste Temperatur einer heißen Oberfläche, bei der das explosionsfähigste Gemisch dieses Staubs gezündet werden kann.

Die Mindestzündtemperatur einer Staubschicht ist gemäß Definition die niedrigste Temperatur einer heißen Oberfläche, auf der sich 5 mm Staub befindet, bei der sich die Staubschicht entzündet. Dieser Wert wird auch als Glimmtemperatur bezeichnet. Für die Auswahl von Geräten in Staubumgebungen gelten die folgenden Regeln:

• die maximale Oberflächentemperatur T des Betriebsmittels darf höchstens 2/3 der Mindestzündtemperatur der Staubwolke betragen;
• die maximale Oberflächentemperatur T des Geräts muss mindestens 75 ºC unter der Glimmtemperatur liegen.

Eigenschaften einiger brennbarer Stäube und Fasern

Molare Masse

Die molare Masse eines Stoffes gibt das Gewicht von 1 Mol (6,023 x 1023 Teilchen) eines Stoffes an. Zum Beispiel wiegt 1 Mol Stickstoff 28 Gramm und 1 Mol Sauerstoff 32 Gramm. Luft ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen und hat eine durchschnittliche Masse von 29 g/Mol.

Wasserstoff ist mit einem Molekulargewicht von 2 g/Mol viel leichter als Luft und verschwindet daher fast sofort in der Atmosphäre. Ein kleines Wasserstoffleck ist daher relativ harmlos. Methan oder Erdgas (CH4) ist mit einem Molekulargewicht von 16 g/Mol ebenfalls wesentlich leichter als Luft. Die meisten Gase und Dämpfe sind jedoch 2- bis 5-mal schwerer als Luft und sammeln sich daher in Gruben oder Vertiefungen (z. B. Keller). Dies kann zu schweren Explosionen oder Vergiftungen führen.