Laboratory-scaled coal dust explosions and physical test results for CFD explosion models

Titel in Übersetzung: Kohlenstaubexplosionen im Labormaßstab und physikalische Ergebnisse für CFD-Modelle

Patrick Maier

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

Explosionen von Kohlenstaub im untertägigen Kohlebergwerken können katastrophale Folgen mit vielen Todesopfern und schweren Sachschäden verursachen. Die Explosion im Untertagebergwerk Upper Big Branch in West Virginia, USA, im Jahr 2010 hat 29 Todesopfer gefordert. Diese Katastrophe hat gezeigt, dass Explosionen von Kohlestaub in untertägige Kohlebergbau immer noch vorkommen können, wenn die Präventivmaßnahmen unzureichend sind. Seit der Schließung des Versuchsbergwerks NIOSH Lake Lynn Laboratory, in dem die Ausbreitung von Kohlenstaubexplosionen untersucht wurde, gibt es in den Vereinigten Staaten keine großmaßstäblichen physikalischen Testeinrichtungen für die Prüfung der Verhinderung von Kohlenstaubexplosionen mehr. In Polen (Versuchsbergwerk Barbara) sind Versuche in vollem Umfang noch möglich, doch diese sind mit hohen Reise- und Durchführungskosten von Experimenten verbunden. Physikalische Tests im Maßstab 1:5 bis 1:50 in Kombination mit numerischen Modellen der Computational Fluid Dynamics (CFD) helfen Wissenschaftlern, die Komplexität der mehrphasigen chemischen Reaktionen, die thermodynamischen Mechanismen und die turbulente Strömungsdynamik besser zu verstehen. Durch maßstäbliche Tests mit CFD werden realistische Modelle zur Untersuchung der Gefahren und der Vermeidung von Kohlenstaubexplosionen in untertägigen Kohlebergbaue erstellt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, skalierte Methan- und Kohlenstaubexplosionen zur Validierung von CFD-Modellen zu untersuchen. Die Tests wurden in einem horizontalen, zylindrischen Stahlreaktor mit 63 mm Durchmesser und 1.5 m Länge im Maßstab von ca. 1:30 durchgeführt. Das Volumen des Reaktors betrug 4,8 L. Eine Reihe von Tests wurde mit unterschiedlichen Kohlestaubkonzentrationen durchgeführt. Der Staub wurde in den ersten Versuchen von einer Metallplatte im Inneren des Reaktors aufgewirbelt. Sensoren wurden eingesetzt, um die Flammengeschwindigkeit und den Druck an verschiedenen Punkten entlang des Reaktors zu messen. Die ersten Ergebnisse zeigten, dass die von der Flamme erzeugte Wärme zu gering war, um die flüchtigen Bestandteile der Kohlenstaubpartikel freizusetzen. Der Kohlenstaub absorbiert die Wärme und verringert die Geschwindigkeit der Flamme, weil die Kohlenstaubpartikel der Flamme nur für kurze Zeit ausgesetzt waren. In der zweiten Testreihe wurde aufgewirbelter Kohlenstaub benutzt, unter der Hypothese durchgeführt, dass die brennbare Staubwolke die Flammengeschwindigkeit in dem Methan-Luft-Gemisch erhöht. Der Staub wurde kurz vor der Entzündung des Methan-Luft-Gemisches über ein Düsenrohr in den Reaktor eingeblasen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, einen Reaktor mit einer längeren Reaktionszone für die Kohlestaubpartikel zu entwerfen und zu konstruieren. Der zweite Reaktor ist 1,5 m lang und hat Seitenwänden aus Plexiglas. Dies ermöglicht eine visuelle Untersuchung der Mitnahme von Kohlenstaubpartikeln und der Wechselwirkung mit der Methanflamme. Mit diesem Reaktor werden weitere Forschungsarbeiten durchgeführt, um die Dynamik der Staubbewegung und der Verbrennung der Kohlepartikel zu verstehen. Dieser Ansatz wird dazu beitragen, die Beziehung der Partikeldispersion mit der turbulenten Flammenausbreitung zu verstehen und Versuche in einem größeren, ~1:5 skalierten Rohrreaktor mit 31 m Länge und 0.71 m Durchmesser vorzubereiten.  
Titel in ÜbersetzungKohlenstaubexplosionen im Labormaßstab und physikalische Ergebnisse für CFD-Modelle
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Hartlieb, Philipp, Betreuer (intern)
  • Brune, Jürgen, Betreuer (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2020

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Kohlenstaubexplosion
  • Methan-Luft-Gemisch
  • Kohlenstaubversuche
  • Flammenausbreitung

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