DIN-Fachbericht 140-2005 Design of silos for dust explosions《灰尘爆炸的筒仓设计》.pdf

1、Auslegung von Siloanlagen gegen StaubexplosionenDesign of silos for dust explosionsDIN-Fachbericht 140BeuthB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09CC9B7EF8DD9NormCD - Stand 2007-03B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09CC9B7EF8DD9NormCD - Stand 2007-031 Vorwort Der vorliegende DIN-Fachbericht entstand unter

2、der Verantwortung des NABau-Arbeitsausschusses 00.02.00 Einwirkungen auf Bauten“ auf der Grundlage von Forschungsarbeiten im Sonder-Forschungs-Bereich (SFB 219) der Technischen Universitt Karlsruhe. Diese Arbeiten wurden am Institut fr Massivbau und Baustofftechnologie, Abteilung Massivbau em. Prof.

3、 Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. techn. h. c. J. Eibl und Engler-Bunte-Institut, Bereich Feuerungstechnik em. Prof. Dr.-Ing. W. Leuckel durchgefhrt. Die fachliche Betreuung der Erarbeitung und Verffentlichung des Fachberichts, der die Bemessungsgrundlage fr Silos in DIN 1055-6 Einwirkungen auf Tragwerke

4、 Teil 6: Einwirkungen auf Silos und Flssigkeitsbehlter“ bzw. DIN EN 1991-4 Eurocode 1: Grundlagen der Tragwerks-planung und Einwirkungen auf Tragwerke Teil 4: Einwirkungen auf Silos und Flssigkeitsbehlter“ ergnzt, erfolgte durch den Unterausschuss 00.02.01 Auslegung von Silos gegen Staubexplosionen“

5、 1 Auslegung von Siloanlagen gegen Staubexplosionen (1) Dieser Bericht gibt Regelungen fr die Bemessung von Silos unter der Einwirkung von Staubexplosionen. Diese Regelungen ergnzen die Vorschriften zur Bestimmung der Einwirkungen aus Staubexplosionen auf Baukonstruktionen in DIN 1055-6 und knnen s

6、pter in DIN EN 1991-4 bernommen werden. (2) Dieser Bericht gilt fr alle Siloanlagen und vergleichbare Anlagen, bei deren Betrieb brenn- und explosionsfhige, nichttoxische Stube bearbeitet oder gelagert werden oder als Abfall in grerer Menge anfallen. (3) Dieser Bericht gilt nicht fr Anlagenteile, in

7、 denen durch gezielte Manahmen Explosionen ausgeschlossen werden. (4) Fr die Nachrstung bestehender Anlagen kann dieser Bericht sinngem angewendet werden. Dabei ist der tatschliche Zustand der Anlage zu bercksichtigen und nicht der Planungszustand. Im Zweifelsfall ist eine sachkundige Beratung einzu

8、holen. (5) Dieser Bericht soll die schdlichen Auswirkungen von Staubexplosionen in Siloanlagen durch bauliche Manahmen minimieren. 2 Explosionsfhige Stube und ihre Kennwerte (1) Die Stube vieler Schttgter, die blicherweise in Siloanlagen gelagert werden, sind explosions-fhig. Explosionen knnen auftr

9、eten, wenn vorhandene organische oder anorganische Stube mit hinreichend kleiner Partikelgre exotherm mit Sauerstoff reagieren und damit eine rasch fortschreitende Reaktion ermglichen. (2) Die Kennwerte fr das Explosionsverhalten eines Staubes sind der Staubkennwert KSt; dem entspricht die maximale

10、Druckanstiegsgeschwindigkeit dp/dt, und der maximale Explosionsberdruck pmax. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09CC9B7EF8DD9NormCD - Stand 2007-032 Beide Kennwerte sind nach genormten Verfahren bestimmt (vergleiche ISO 6184/1 bzw. DIN EN 26184-1 oder VDI Richtlinie 2263). (3) Die wichtigsten explosi

11、onsfhigen Staubarten und die zugehrigen Bemessungswerte KStund pmaxsind in Tabelle 1 angegeben. (4) Kleinere Werte fr KStund pmaxsind anwendbar, wenn sie fr besondere betriebliche Bedingungen nachgewiesen werden, z. B. fr hhere Feuchtigkeit oder gnstigere Korngrenverteilung im Staub. Hhere Werte knn

12、en bei Gemischen aus Staub und Gasen sogenannten hybriden Gemischen auftreten. Tabelle 1 Explosionsfhige Stube Bemessungswerte Staubart KSt-Wert barm/s pmax(berdruck) bar Braunkohle 63 4,3 Cellulose 66-229 9,0 Erbsenmehl 107 7,6 Flugasche 35 1,9 Futtermittel, Kraftfuttergemische 68 4,9 Gerste 83 7,7

13、 Getreidemehl 130 9,0 Gummi 138 8,5 Harz 240 10,0 Holz, Holzmehl 220 10,0 Kaffee 90 9,0 Kartoffelmehl 69 9,1 Koks 146 8,2 Maismehl 127 6,7 Maisstrke (getrockn.) 210 10,0 Milchpulver 160 9,0 Papier 60 Pigmente 290 10,0 Sojaschrot 47 7,2 Sojamehl 120 9,0 Steinkohle 80 8,4 Weizenmehl 100 8,3 Waschmitte

14、l 270 9,0 Zucker 150 9,0 3 Zndquellen Fr die Zndung dieser Stube reichen im allgemeinen kleine Energiemengen aus. Insbesondere kommen in Silozellen und Nebenrumen wie z. B. Silokellern, Verbindungsgngen und Treppen-husern folgende Zndquellen in Betracht: heie Oberflchen, die z. B. durch Reibung scha

15、dhafter Anlagenteile entstehen, oder Funken z. B. durch Fremdkrper in Frdereinrichtungen, Funken beim Schweien, Schleifen und Schneiden whrend Reparaturarbeiten, Glimmnester, die auch von auen mit dem Schttgut in die Silozelle eingetragen werden knnen, Ungeeignete oder schadhafte elektrische Betrieb

16、smittel (z. B. Glhlampen), Hitzeentwicklung von Trocknern, Selbstzndung durch elektrostatische Entladung. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09CC9B7EF8DD9NormCD - Stand 2007-033 4 Schutzmanahmen (1) Die Verminderung der Schden infolge einer Staubexplosion wird durch rumliche Begrenzung der Explosion u

17、nd durch Verringerung des Explosionsberdruckes erreicht. Hierzu mssen Explosionsabschnitte ausgebildet werden, die entweder druckstofest ohne Druckentlastung fr den maximalen Explosionsberdruck pmaxnach Tabelle 1 oder mit Druckentlastung ber planmige Entlastungsffnungen fr den grten reduzierten Expl

18、osionsberdruck predbzw. pred,gesbemessen werden. (2) Der durch eine Entlastungsffnung austretende Feuerstrahl darf weder zu einer Beeintrchtigung der Umgebung fhren noch die Explosion in einen anderen Explosionsabschnitt weiterleiten. Auch drfen Menschen durch Splitter von Scheiben oder anderen Baut

19、eilen nicht gefhrdet werden. Druckentlastungsffnungen sollen deshalb direkt ins Freie fhren, bei Silozellen vor allem ber Dachflchen und bei anderen Rumen, wie z. B. Silokellern, Verbindungsgngen und Treppenhusern, ber hochliegende Fensterflchen. (3) Das Entlastungssystem soll einen mglichst geringe

20、n Ansprechdruck und eine niedrige Massen-trgheit haben. Dabei ist zu bercksichtigen, dass bei frhem Ansprechen eines Entlastungs-systems eine wesentlich grere Menge des brennbaren Staub-Luft-Gemisches weitergeleitet wird als bei trgeren Systemen. (4) Als Abschlusselemente bieten sich u. a. folgende

21、Bauelemente an: Stahl- und Spannbetonplatten mit geringem Gewicht, Bims- oder Gasbetonplatten; Stahlgitterroste, gegebenenfalls mit Folie, Holz oder Hartfaserplatten abgedeckt, Blechkonstruktionen, einfache, leichte Verglasung (Sicherheitsglas), Pappe mit entsprechender Isolierung. 5 Ermittlung des

22、Bemessungsdruckes pred,ges(1) Die Gre des Bemessungsdruckes pred,gesist u. a. abhngig von der Staubart, von den Abmessungen des zu entlastenden Raumes, von der Entlastungsflche, vom Ansprechdruck paund der Massentrgheit der Entlastungseinrichtung. (2) Sofern kein anderer Nachweis gefhrt wird, kann d

23、er Bemessungsdruck mit Hilfe des Bemessungsverfahrens in Abschnitt 8 ermittelt werden. 6 Bemessung der Bauteile Die Bemessung der betroffenen Bauteile ist nach den Regeln fr Katastrophenlastflle, d. h. mit einem Lastsicherheitsbeiwert von 1.0 durchzufhren (nach Eurocode, z. B. EC 2, EC 3 oder CEB-FI

24、B Model Code 1990). 6.1 Bemessung fr den Explosionsberdruck (1) Fr den Bemessungsdruck sind alle tragenden und raumabschlieenden Bauteile eines Explosionsabschnittes auszulegen. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09CC9B7EF8DD9NormCD - Stand 2007-034 (2) Im druckentlasteten Silo tritt der grte reduzier

25、te Explosionsberdruck predbzw. pred,gesbei leerem“ Silo auf. 6.2 Bemessung fr den Unterdruck Nach einer Druckentlastung kann sich infolge der Massentrgheitskrfte bei schneller Gasausstr-mung und nachfolgender Abkhlung der heien Rauchgase im Explosionsraum ein Unterdruck einstellen, der bei der Bemes

26、sung der umschlieenden Bauteile und der Bauteile, die im Strmungs-querschnitt liegen, zu bercksichtigen ist. 6.3 Sicherung der Abschlusselemente der Entlastungsffnungen (1) Alle Abschlusselemente sind gegen Wegfliegen infolge des Explosionsdruckes zu sichern, z. B. Klappen durch Gelenke, Deckel durc

27、h eine Auffangkonstruktion, Seile o. . Befestigungen. (2) Die Geschwindigkeiten der bewegten Abschlusselemente zur Ermittlung der Verankerungskrfte knnen mit dem Berechnungsverfahren in Abschnitt 8.6 ermittelt werden. 6.4 Rckstokrfte Bei der Druckentlastung treten Rckstokrfte auf, die gegebenenfalls

28、 beim Standsicherheits-nachweis bercksichtigt werden mssen, insbesondere bei leichten Konstruktionen mit horizontalen und unsymmetrisch ber den Querschnitt verteilten Entlastungsffnungen. Die Rckstokraft kann nach den Angaben in Abschnitt 8.5 ermittelt werden. 7 Sonderregelung Bei Abweichungen von d

29、em angegebenen Berechnungsverfahren oder bei Anwendung fr hher brisante Stube, wie zum Beispiel Aluminiumpulver mit KSt= 1.000 barm/s und pmax= 13 bar, oder wenn besondere bauliche Gegebenheiten zu bercksichtigen sind, ist eine Begutachtung in Abstimmung mit den Genehmigungsbehrden vorzunehmen. 8 Be

30、messungsverfahren der Staubexplosionen 8.1 Gltigkeitsbereich (1) Das Bemessungsverfahren fr Druckentlastungssysteme bei Staubexplosionen in Siloanlagen gilt: fr trgheitsfreie Entlastungen; diese geben sofort bei Erreichen des Ansprechdruckes den Entlastungsquerschnitt frei, fr trgheitsbehaftete Deck

31、el; sie heben senkrecht zu ihrer Flche ab und mssen in einer bestimmten Hhe abgefangen werden, fr trgheitsbehaftete Klappenkonstruktionen; sie mssen nach einem bestimmten Rotations-winkel abgefangen werden. (2) Unter folgenden Bedingungen ist das Bemessungsverfahren anwendbar: pmax 10 bar, die Bemes

32、sungshilfen gelten nur fr Deflagrationen und nicht fr Detonationen (bei Staub-explosionen in Siloanlagen treten im allgemeinen keine Detonationen auf), im zu entlastenden Raum herrscht kein wesentlicher berdruck, H/D-Verhltnis: 1 H/D 14, B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09CC9B7EF8DD9NormCD - Stand 2

33、007-035 pa,ges 0,1 bar (mE g + pFesth.), mE 500 kg/m. (3) Fr andere Bedingungen ist eine geeignete fachspezifische Beratung notwendig. 8.2 Formeln und Zeichen (1) Fr die in den folgenden Abschnitten verwendeten Bezeichnungen gelten folgende Beziehungen und Einheiten: ESt65pAKVK= (1) 4124145StEm21nVK

34、mK= (2) 41E21redEv=AnpmvK (3) 41E21redE=nApmK (4) EEEAMm = (5) AE= n AE,i(6) pa= mE g (7) pa,ges= pa+ pFesth.(8) pred,ges= pred+ pFesth.(9) FR= 0,15 pred+ AE,i.(10) Zeichen Einheit Bedeutung A m Querschnittsflche einer Silozelle AEm erforderliche Gesamtflche der Entlastungsffnungen AE,im Flche der e

35、inzelnen Entlastungsffnungen dEm Durchmesser einer kreisfrmigen Entlastungsffnung; bei nicht kreis-frmiger Entlastungsffnung ist der Ersatzdurchmesser *Ed zur Bestim-mung des h/dE-Verhltnisses einzusetzen. *Ed m Ersatzdurchmesser bei nicht kreisfrmiger Entlastungsffnung, gleich ,/,iE,A 490 wobei AE,

36、idie Querschnittsflche der nicht kreisfrmigen Entlastungsffnung ist. D m Innendurchmesser einer zylindrischen Zelle; bei nicht zylindrischer Zelle ist der Ersatzdurchmesser D* zur Bestimmung des H/D-Verhltnisses einsetzen. D* m Ersatzdurchmesser bei nicht zylindrischer Zelle, gleich ,490 /, A wobei

37、A die Querschnittsflche der Silozelle bzw. die Flche aus den beiden kleineren Abmessungen eines Raumes ist (A = L2 L3, L1 L2 L3) mit der Bedingung L2 3 L3; ansonsten D* = L3.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09CC9B7EF8DD9NormCD - Stand 2007-036 Zeichen Einheit Bedeutung FRMN bei seitlichen Entlastung

38、svorrichtungen auf Behlter wirkende Rcksto-kraft h m Flughhe der Platte bzw. des Deckels H m Hhe der zu entlastenden Silozelle bzw. grte Abmessung des zu entlastenden Raumes L1Km45834521smbarkg in den Nomogrammen aufgefhrter Parameter Kpbar/sm 23in den Nomogrammen aufgefhrter Parameter KStbar m/s au

39、s einem 1-m3-Versuchsbehlter gewonnener Staubkennwert Kv smbarkg212121Parameter zur Bestimmung der Deckelgeschwindigkeit K smbarkg212121Parameter zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit von Entlastungs-klappen MEkg Masse des Entlastungselements mEkg/m auf Entlastungsflche bezogene Masse des Entlast

40、ungselements n Anzahl der Entlastungsffnungen (der lichte Abstand der Entlastungs-ffnungen muss mindestens dEbetragen, damit sie als getrennte Entlas-tungsffnungen betrachtet werden knnen) pabar Ansprechdruck der Entlastungsvorrichtung aufgrund der Gravitations-krfte (mE g). Relevanter Ansprechdruck

41、 fr die in Abschnitt 9 auf-gefhrten Nomogramme pa,gesbar Im Falle von Festhaltekrften am Entlastungselement setzt sich der An-sprechdruck aus den Gravitationskrften der Entlastungsvorrichtung und den Festhaltekrften, wie z. B. Reibungs-, Federkrften (pFesth.) zu-sammen. Die Festhaltekrfte drfen nach

42、 dem Ansprechen des Entlas-tungssystems nicht mehr wirken. pFesth.bar Erhhung des Ansprechdrucks der Festhaltevorrichtung aufgrund von Festhaltekrften predbar aus den Diagrammen von Abschnitt 9 entnommener reduzierter Explo-sionsberdruck (gleich dem Bemessungsdruck pred,gesbei fehlenden Fest-haltekr

43、ften) pred,gesbar Bemessungsdruck unter Bercksichtigung von Festhaltekrften v m/s Geschwindigkeit der Entlastungselemente (Deckel) in Ausstrmrichtung V m3Volumen der Silozelle bzw. des zu entlastenden Raumes rad/s Winkelgeschwindigkeit der Klappe (Grad) ffnungswinkel der Klappe 8.3 Anwendung des Bem

44、essungsverfahrens (1) Mit den Formeln aus Abschnitt 8.1 und den Diagrammen in Abschnitt 9 knnen bei der Bemessung von Siloanlagen und Rumen fr Explosionsbelastung folgende Werte ermittelt werden: Hhe des Bemessungsdrucks pred,gesbei bekannter Entlastungsflche AEund bekanntem Staubkennwert KSt(vgl. A

45、bschnitt 8.4), Gre der Entlastungsflche AEbei vorgegebenem Bemessungsdruck pred,gesund bekanntem Staubkennwert KSt(vgl. Abschnitt 8.5), B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09CC9B7EF8DD9NormCD - Stand 2007-037 Rckstokraft FRauf das Bauwerk (vgl. Abschnitt 8.6), Geschwindigkeit v und Rotationsgeschwindig

46、keit der Abschlusselemente am Ende der ffnungsbewegung als Grundlage der Bemessung von Rckhaltekonstruktionen (vgl. Abschnitt 8.7). (2) Bei Anwendung dieses Verfahrens ist insbesondere bei den Parametern, aber auch bei den relevanten Behltergren auf die Einheiten zu achten. (3) Bei den Nomogrammen i

47、n Abschnitt 9 ist eine lineare Interpolation zwischen zwei Isolinien zulssig. (4) Die Flughhe hmin= 0,25 dEbeim Deckel und der ffnungswinkel min= 45 bei einer Klappe sollten nicht unterschritten werden. 8.4 Bemessungsdruck pred,gesbei bekannter Entlastungsflche AEund bekanntem Staubkennwert KStMit d

48、er gegebenen Entlastungsflche AEsowie dem Staubkennwert KStknnen die beiden Kennwerte Kmund Kpnach den Gleichungen (1) und (2) berechnet werden. Mit diesen Zahlenwerten kann der reduzierte Explosionsberdruck predaus den Nomogrammen von Abschnitt 9 bestimmt werden. Falls beim vorliegenden Entlastungssystem zustzlich zu den Massenkrften noch weitere Festhaltekrfte wirken sollten, muss der so erhaltene reduzierte Explosionsberdruck predmit Gleichung