DE102016212278B4

DE102016212278B4 - Vorrichtung zur Detonationsvermeidung brennbarer Gase und Verfahren zum Auslegen der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102016212278B4
Application number: DE102016212278.9A
Authority: DE
Inventors: Harald Mineif
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2036-07-07
Also published as: DE102016212278A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Detonationsschutzvorrichtung (8) mit einem Brenngasbehälter (20), der eine Brenngasbehälterwand (10) aufweist, die einen Innenraum (9) begrenzt, in dem ein Brenngas sich befindet oder bildbar ist, und einen Austrittsbereich (11) aufweist, via den in einem Störfall das Brenngas von dem Innenraum (9) nach außerhalb des Brenngasbehälters (20) austreten kann, wo ein sauerstoffhaltiges Gas angeordnet ist, so dass sich unmittelbar nach dem Austritt des Brenngases ein das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas aufweisendes Mischgas bildbar ist, einem Flammenfilter (15), der außerhalb des Brenngasbehälters (20) im Bereich des Austrittsbereichs (11) angeordnet ist, und einer Absaugvorrichtung (21), die eingerichtet ist Gas via den Flammenfilter (15) abzusaugen, so dass das Gas von dem Austrittsbereich (11) via den Flammenfilter (15) wegströmbar ist, wobei der Flammenfilter (15) mit der Brenngasbehälterwand (10) einen Spalt (13) begrenzt, dessen Spaltbreite (14) in einer Richtung senkrecht zu der Brenngasbehälterwand (10) kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite (7) des Mischgases ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detonationsvermeidung brennbarer Gase und ein Verfahren zum Auslegen der Vorrichtung.
Exotherme Reaktionen eines Mischgases mit einem Brenngas und Sauerstoff können unterschieden werden in Verbrennung bis hin zur Deflagrationen (schnelle Verbrennungen) und Detonationen. Bei Deflagrationen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Reaktionszone, in der das Brenngas mit dem Sauerstoff eine Reaktion eingeht, langsamer als die Schallgeschwindigkeit. Bei einer Detonation eilt der Reaktionszone eine Druckwelle voraus, die sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet und das Mischgas durch eine Kompression erhitzt und dadurch zündet. Die nach dem Zünden des Mischgases in der Reaktionszone freigesetzte Wärme speist dann die Druckwelle, so dass bei der Detonation die Druckwelle und die Reaktionszone in einer gegenseitigen Wechselwirkung stehen. Die Detonation ist dabei wesentlich gefährlicher als die Deflagration.
Herkömmlich werden Maßnahmen zum Explosionsschutz in drei Kategorien unterteilt. Bei einem primären Explosionsschutz wird die Bildung von zündfähigen Mischgasen vermieden, beispielsweise indem Leckagen unterbunden werden, so dass sich das Brenngas nicht in einem zündfähigen Verhältnis mit Sauerstoff mischen kann. Ist der primäre Explosionsschutz nicht umsetzbar, so werden in einem sekundären Explosionsschutz Zündquellen vermieden. Dies ist beispielsweise durch eine Kühlung erreichbar, mittels der Bauteile, die in Kontakt mit dem Mischgas gelangen können, derart abgekühlt werden, dass sie keine Zündung bewirken können. Ist auch der sekundäre Explosionsschutz nicht umsetzbar, so wird in einem tertiären Explosionsschutz der Stoffmengenumsatz in der Reaktionszone begrenzt. Wünschenswert wäre es, den Stoffmengenumsatz derart zu begrenzen, dass die Detonation nicht oder nur im geringen Umfang stattfindet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Detonationsschutzvorrichtung und ein Verfahren zum Auslegen der Detonationsschutzvorrichtung zu schaffen, bei der sich eine Verbrennung nicht bis zu einer Deflagration aufbauen kann, also nur in einem unkritischen Umfang stattfinden kann.
Diese Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dazu sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Detonationsschutzvorrichtung weist einen Brenngasbehälter, der eine Brenngasbehälterwand aufweist, die einen Innenraum begrenzt, in dem sich ein Brenngas befindet oder bildbar ist, und einen Austrittsbereich aufweist, via den in einem Störfall das Brenngas von dem Innenraum nach außerhalb des Brenngasbehälters austreten kann, wo ein sauerstoffhaltiges Gas angeordnet ist, so dass sich unmittelbar nach dem Austritt des Brenngases ein das brennbare Gas und das sauerstoffhaltige Gas aufweisendes Mischgas bildbar ist, einen Flammenfilter, der außerhalb des Brenngasbehälters im Bereich des Austrittsbereichs angeordnet ist, und eine Absaugvorrichtung auf, die eingerichtet ist Gas via den Flammenfilter abzusaugen, so dass das Gas von dem Austrittsbereich via den Flammenfilter wegströmbar ist, wobei der Flammenfilter mit der Brenngasbehälterwand einen Spalt begrenzt, dessen Spaltbreite in einer Richtung senkrecht zu der Brenngasbehälterwand kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite des Mischgases ist.
Es wurde gefunden, dass mit der Spaltbreite von weniger als einem Viertel der Detonationszellweite des Mischgases der Mechanismus der Detonation des Mischgases derart gestört ist, dass sich bei einer Zündung des Mischgases eine Detonationswelle in dem Spalt nicht ausbreiten beziehungsweise nicht aufrechterhalten werden kann. Dadurch wird vorteilhaft unterbunden, dass die Verbrennung sich zu einer Detonation aufbaut. Somit kann die Verbrennung nur bis zur Deflagration stattfinden. Durch die Absaugvorrichtung ist vorteilhaft erreichbar, dass sich das Mischgas nicht in Bereichen außerhalb des Spalts sammeln kann und dort detoniert. Der Flammenfilter ist bevorzugt für das Brenngas ausgelegt, was bedeutet, dass der Flammenfilter eine derart große Wärmemenge abführen kann, dass er eine Flamme des Brenngases löschen kann.
Es ist bevorzugt, dass die Detonationsschutzvorrichtung Verbindungswände aufweist, die die Brenngasbehälterwand mit dem Flammenfilter verbinden und den Spalt begrenzen, so dass dessen Spaltbreite in einer Richtung parallel zu der Brenngasbehälterwand kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite des Mischgases ist. Dadurch, dass der Spalt sowohl in der Richtung senkrecht als auch in der Richtung parallel zu der Brenngasbehälterwand kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite des Mischgases ist, ist die Ausbreitung der Detonationswelle in dem Spalt besonders stark gestört, wodurch die Detonation nicht stattfinden kann.
Die alternative erfindungsgemäße Detonationsschutzvorrichtung weist einen Brenngasbehälter, der eine Brenngasbehälterwand aufweist, die einen Innenraum begrenzt, in dem sich ein Brenngas befindet oder bildbar ist, und einen Austrittsbereich aufweist, via den in einem Störfall das Brenngas von dem Innenraum nach außerhalb des Brenngasbehälters austreten kann, wo ein sauerstoffhaltiges Gas angeordnet ist, so dass sich unmittelbar nach dem Austritt des Brenngases ein das Brenngas und das sauerstoffhaltige aufweisendes Gas Mischgas bildbar ist, einen Flammenfilter, der außerhalb des Brenngasbehälters im Bereich des Austrittsbereichs angeordnet ist, eine Absaugvorrichtung, die eingerichtet ist Gas via den Flammenfilter abzusaugen, so dass das Gas von dem Austrittsbereich via den Flammenfilter wegströmbar ist, und Verbindungswände auf, die die Brenngasbehälterwand mit dem Flammenfilter verbinden und einen Spalt zwischen der Brenngasbehälterwand und dem Flammenfilter begrenzen, wobei die Spaltbreite des Spalts in einer Richtung parallel zu der Brenngasbehälterwand kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite des Mischgases ist.
Ebenso wie bei der erfindungsgemäßen Detonationsschutzvorrichtung ist bei der alternativen erfindungsgemäßen Detonationsschutzvorrichtung die Ausbreitung der Detonationswelle in dem Spalt vorteilhaft derart gestört, dass eine Detonation nicht stattfinden kann.
Der Innenraum ist bevorzugt sauerstofffrei. Dadurch wird eine Reaktion des Brenngases im Innenraum vorteilhaft unterbunden, so dass die Reaktion des Brenngases nur stromab des Austrittsbereichs stattfinden kann, wo die Detonationsschutzvorrichtung ihre Wirkung entfaltet und die Verbrennung in ihrem Ausmaß derart begrenzt, dass die Detonation nicht stattfinden kann.
Es ist bevorzugt, dass der Spalt sich vollständig um den Austrittsbereich herum erstreckt. Dadurch kann auch die Ausbreitung beziehungsweise der Aufbau der Detonationswelle in alle Richtungen unterbunden werden.
Der Austrittsbereich weist bevorzugt ein Überdruckventil und/oder eine Berstscheibe auf, die eingerichtet sind sich bei einer vorherbestimmten Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und dem Spalt zu öffnen. Dadurch kann der Austrittsbereich in seiner Position an der Brenngasbehälterwand festgelegt werden und somit kann der Flammenfilter gezielt an dem Austrittsbereich angeordnet werden.
Es ist bevorzugt, dass die Absaugvorrichtung eingerichtet ist eine derart große Menge Gas abzusaugen, dass der Volumenstrom des in den Flammenfilter eintretenden Gases größer ist als der Volumenstrom des via den Austrittsbereich austretenden Brenngases. Dadurch wird vorteilhaft unterbunden, dass das Brenngas von dem Spalt nach außerhalb des Spalts strömen kann und dort detoniert.
Der Flammenfilter weist bevorzugt ein gesintertes Material, insbesondere ein Metall, eine Wicklung eines Bandes, insbesondere eines Metallbandes, aufeinander gestapelte Gitter, insbesondere Metallgitter, und/oder einen Rost, insbesondere einen Metallrost, auf. Dadurch lässt sich Wärme besonders effektiv abführen und somit eine Flamme besonders effektiv löschen.
Es ist bevorzugt, dass die Spaltbreite senkrecht zur Brenngasbehälterwand Null ist, wodurch der Flammenfilter in einem Berührkontakt mit der Brenngasbehälterwand steht. Dadurch können Verbrennungen vollständig oder nahezu vollständig unterbunden werden. Der Berührkontakt eignet sich besonders, wenn der Flammfilter über den Berührkontakt nicht derart stark erwärmt wird, dass der Flammenfilter selbst eine Zündung des Mischgases bewirkt.
Es ist bevorzugt, dass die Absaugvorrichtung eingerichtet ist, in einem Dauerbetrieb betrieben zu werden, oder wobei der Austrittsbereich eingerichtet ist, ein Signal an die Absaugvorrichtung zu senden, sobald das Brenngas via den Austrittsbereich aus dem Innenraum austritt oder unmittelbar bevor das Brenngas via den Austrittsbereich aus dem Innenraum austritt, insbesondere mittels eines Drucksensors und/oder eines Temperatursensors, und die Absaugvorrichtung eingerichtet ist, das Gas abzusaugen, sobald sie das Signal empfängt. Durch den Dauerbetrieb kann ein Austreten des Mischgases aus den Spalt besonders sicher unterbunden werden. Durch das Einschalten der Absaugvorrichtung bei Empfang des Signals kann der Energieverbrauch und der Verschleiß der Absaugvorrichtung verringert werden.
Die Detonationsschutzvorrichtung ist bevorzugt eingerichtet ein Inertgas, insbesondere Stickstoff und/oder ein Edelgas, in den Spalt zu strömen, insbesondere ist der Austrittsbereich eingerichtet, ein Signal an die Detonationsschutzvorrichtung zu senden, sobald ein Brenngas via den Austrittsbereich aus dem Innenraum austritt oder unmittelbar bevor das Brenngas via den Austrittsbereich aus dem Innenraum austritt, insbesondere mittels eines Drucksensors und/oder eines Temperatursensors, und die Detonationsschutzvorrichtung ist eingerichtet, das Inertgas in den Spalt zu strömen, sobald die Detonationsschutzvorrichtung das Signal empfängt. Indem das Mischgas einen höheren Anteil an dem Inertgas erhält, verlängert sich die Detonationszellweite des Mischgases. Dadurch ist es vorteilhaft möglich den Spalt breiter auszuführen als es ohne das Inertgas der Fall ist. Ein breiterer Spalt kann unter gewissen Umständen konstruktiv weniger aufwändig umsetzbar sein. In dem Fall, dass das Inertgas zugeströmt wird, ist bevorzugt die Absaugvorrichtung eingerichtet eine derart große Menge Gas abzusaugen, dass der Volumenstrom des in den Flammenfilter eintretenden Gases größer ist als die Summe der Volumenströme des via den Austrittsbereich austretenden Brenngases und des in den Spalt eingeströmten Inertgases.
Es ist bevorzugt, dass die Absaugvorrichtung eingerichtet ist das Brenngas stromab des Spalts derart zu verdünnen, dass dessen Konzentration unterhalb die untere Explosionsgrenze des Brenngases gelangt. Es ist zudem bevorzugt, dass die Absaugvorrichtung zündquellenfrei ausgeführt ist. Durch beide genannten Maßnahmen ist vorteilhaft sichergestellt, dass keine Explosion des Brenngases stromab des Spalts erfolgen kann.
Der Brenngasbehälter ist bevorzugt eine Batterie, insbesondere ein Lithium-Ionen Akku, wobei sich in dem Innenraum in dem Störfall das Brenngas bilden kann. Ist der Brenngasbehälter der Lithium-Ionen Akku, so können in dem Störfall beispielsweise Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffe gebildet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Auslegen einer Detonationsschutzvorrichtung mit einem Brenngasbehälter, der eine Brenngasbehälterwand aufweist, die einen Innenraum begrenzt, in dem ein Brenngas sich befindet oder bildbar ist, und einen Austrittsbereich aufweist, via den in einem Störfall das Brenngas von dem Innenraum nach außerhalb des Brenngasbehälters austreten kann, wo ein sauerstoffhaltiges Gas angeordnet ist, so dass unmittelbar nach dem Austritt des Brenngases ein das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas aufweisendes Mischgas bildbar ist, einem Flammenfilter, der außerhalb des Brenngasbehälters im Bereich des Austrittsbereichs angeordnet ist, und einer Absaugvorrichtung, die eingerichtet ist Gas via den Flammenfilter abzusaugen, so dass das Gas von dem Austrittsbereich via den Flammenfilter wegströmbar ist, wobei der Flammenfilter mit der Brenngasbehälterwand einen Spalt begrenzt, dessen Spaltbreite in einer Richtung senkrecht zu der Brenngasbehälterwand kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite des Mischgases ist, wird die Detonationszellweite bestimmt, indem eine maximal auftretende Temperatur und ein maximal auftretender Druck für das Mischgas angenommen wird.
Dadurch ist sichergestellt, dass die Ausbreitung der Detonationswelle für alle möglicherweise auftretenden Betriebsbedingungen effektiv gestört wird und somit eine Verbrennung nur in einem geringen Ausmaß stattfinden kann.
Bei dem Verfahren ist es bevorzugt, dass die Detonationsschutzvorrichtung Verbindungswände aufweist, die die Brenngasbehälterwand mit dem Flammenfilter verbinden und den Spalt begrenzen, so dass dessen Spaltbreite in einer Richtung parallel zu der Brenngasbehälterwand kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite des Mischgases ist.
Bei dem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren zum Auslegen einer Detonationsschutzvorrichtung mit einem Brenngasbehälter, der eine Brenngasbehälterwand aufweist, die einen Innenraum begrenzt, in dem ein Brenngas sich befindet oder bildbar ist, und einen Austrittsbereich aufweist, via den in einem Störfall das Brenngas von dem Innenraum nach außerhalb des Brenngasbehälters austreten kann, wo ein sauerstoffhaltiges Gas angeordnet ist, so dass unmittelbar nach dem Austritt des Brenngases ein das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas aufweisendes Mischgas bildbar ist, einem Flammenfilter, der außerhalb des Brenngasbehälters im Bereich des Austrittsbereichs angeordnet ist, einer Absaugvorrichtung, die eingerichtet ist Gas via den Flammenfilter abzusaugen, so dass das Gas von dem Austrittsbereich via den Flammenfilter wegströmbar ist, und Verbindungswänden, die die Brenngasbehälterwand mit dem Flammenfilter verbinden und einen Spalt zwischen der Brenngasbehälterwand und dem Flammenfilter begrenzen, wobei die Spaltbreite des Spalts in einer Richtung parallel zu der Brenngasbehälterwand kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite des Mischgases ist, wird die Detonationszellweite bestimmt, indem eine maximal auftretende Temperatur und ein maximal auftretender Druck für das Mischgas angenommen wird.
Bevorzugt wird angenommen, dass das sauerstoffhaltige Gas reiner Sauerstoff ist und das Mischgas eine stöchiometrische Mischung des Brenngases mit dem Sauerstoff ist, oder es wird bevorzugt angenommen, dass das sauerstoffhaltige Gas Luft ist und das Mischgas in einem derartigen Verhältnis mit der Luft gemischt ist, dass eine stöchiometrische Mischung des Brenngases mit dem Luftsauerstoff vorliegt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ausbreitung der Detonationswelle für alle möglichen Mischungsverhältnisse effektiv gestört wird.
Es ist bevorzugt, dass für das Mischgas eine vollständige Durchmischung des Brenngases mit dem sauerstoffhaltigen Gas angenommen wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ausbreitung der Detonationswelle für alle möglichen Mischungen effektiv gestört wird.
Es ist bevorzugt, dass das Brenngas ein Gemisch aus mehreren brennbaren Gasen ist und die Detonationszellweite für das Gemisch oder für das brennbare Gas des Gemischs mit der kleinsten Detonationszellweite bestimmt wird. Auch hier ist vorteilhaft sichergestellt, dass die Ausbreitung der Detonationswelle effektiv gestört wird und somit eine Verbrennung nur in einem geringen Ausmaß stattfinden kann.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert.

1 zeigt ein Ausbreitungsbild für eine Detonation und
2 zeigt eine Detonationsschutzvorrichtung.

1 zeigt ein Ausbreitungsbild 1 für eine Detonation, wobei in dem Ausbreitungsbild insbesondere dargestellt ist, wie sich eine Stoßwelle 3 in einem Mischgas ausbreitet, das ein Brenngas und ein sauerstoffhaltiges Gas aufweist. Die Ausbreitrichtung 2 der Detonation ist dabei in 1 mit einem Pfeil markiert. Die Detonation weist mehrere Verbrennungsbereiche auf, so dass die Stoßwelle 3 mehrere Teilwellen aufweist, die ineinander laufen. Der Punkt beziehungsweise die Kurve, in dem die Teilwellen überlappen, ist ein Tripelpunkt beziehungsweise eine Kurve aus einer Vielzahl an Tripelpunkten. Eine Tripelpunktbahn stellt dabei dar, wie sich einer der Tripelpunkte während der Detonation fortbewegt. Zwei der Trippelpunktbahnen 4 gehen dabei am Anfang der Detonation von einem gemeinsamen Punkt aus und divergieren bis zu einem maximalen Abstand voneinander in einer Richtung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung 2. Dieser maximale Abstand ist die Detonationszellweite 7 des Mischgases. Nachdem die zwei Trippelpunktbahnen 4 den maximalen Abstand zueinander senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung 2 erreicht haben, konvergiert ihr Abstand bis die beiden Tripelpunktbahnen 4 in einem gemeinsamen Punkt münden. Somit bilden die zwei Tripelpunktbahnen 4 eine charakteristische Form einer Raute. Von dem Punkt, in dem die beiden Tripelpunktbahnen 4 münden, können wieder zwei Tripelpunktbahnen 4 entstehen und sich in der Ausbreitungsrichtung 2 fortpflanzen. Die Detonationszellweite 7 ist dabei ein Maß für die Brisanz des Mischgases, wobei eine kürzere Detonationszellweite 7 ein brisanteres Mischgas darstellt.
Die Detonationszellweite 7 hängt von verschiedenen Parametern ab, wie beispielsweise der Art des Brenngases, der Stöchiometrie des Mischgases, Druck des Mischgases und Temperatur des Mischgases. Die Detonationszellweite 7 kann beispielsweise bestimmt werden, indem das Mischgas in ein Rohr eingefüllt wird, das an seiner Innenseite mit einer Rußschicht und/oder einer Graphitschicht überzogen ist. Nachdem das Mischgas in dem Rohr gezündet wurde und sich die Detonationswelle dort ausgebreitet hat, sind die Tripelpunktbahnen 4 auf der Innenseite des Rohrs erkennbar.
Die Stoßwellen 3 sind in 1 zu sechs verschiedenen Zeitpunkten als durchgezogene Linien dargestellt. Zu jedem der sechs Zeitpunkte ist zudem eine Reaktionszone 6 anhand einer Kreuzlinie dargestellt. Die Reaktionszone 6 ist dabei in einem Bereich angeordnet, der sich abwärts einer Richtung entgegen der Ausbreitungsrichtung 2 der jeweilig zugeordneten Stoßwelle 3 befindet.
Wie es aus 2 ersichtlich ist, weist eine erfindungsgemäße Detonationsschutzvorrichtung 8 einen Brenngasbehälter 20 auf. Der Brenngasbehälter 20 weist eine Brenngasbehälterwand 10 und einen Innenraum 9 auf, wobei die Brenngasbehälterwand 10 den Innenraum 9 begrenzt. In dem Innenraum 9 befindet sich ein Brenngas oder das Brenngas kann in dem Innenraum 9 gebildet werden. Beispielsweise kann der Brenngasbehälter 20 eine Batterie, insbesondere ein Lithium-Ionen Akku, sein, wobei sich in dem Innenraum 9 in einem Störfall das Brenngas bildet. Im Fall des Lithium-Ionen Akkus kann Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffe als das Brenngas gebildet werden. Der Innenraum 9 ist sauerstofffrei beziehungsweise der in dem Innenraum 9 sich befindende Sauerstoff wurde zu Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid umgesetzt, so dass sich die Detonation nicht in dem Innenraum 9 ausbilden kann. Um den Innenraum 9 sauerstofffrei zu halten, kann der Innenraum 9 ein sauerstofffreies Gas, wie beispielsweise Stickstoff, aufweisen. Auch ist es möglich den Innenraum 9 mit einem Überdruck zu beaufschlagen, so dass ein Eindringen von Sauerstoff in den Innenraum 9 unterbunden wird.
Die Brenngasbehälterwand 10 weist weiterhin einen Austrittsbereich 11 auf, via den in dem Störfall das Brenngas von dem Innenraum 9 nach außerhalb des Brenngasbehälters 20 austreten kann. Die Strömung des austretenden Brenngases ist in 2 durch einen Pfeil 16 dargestellt. Außerhalb des Brenngasbehälters 20 ist ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft, angeordnet, so dass sich unmittelbar nach dem Austritt des Brenngases in einem stromab des Austrittsbereichs 11 angeordneten Mischbereich 12 ein das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas aufweisendes Mischgas bildbar ist.
Die Detonationsschutzvorrichtung 8 weist weiterhin einen Flammenfilter 15, der außerhalb des Brenngasbehälters 20 im Bereich des Austrittsbereichs 11 angeordnet ist. Der Flammenfilter 15 ist in einer Absaugrichtung 17 gasdurchlässig und eingerichtet in seinem Inneren eine Flamme des Mischgases zu löschen, indem der Flamme Wärme entzogen wird. Dazu kann der Flammenfilter 15 ein gesintertes Material, insbesondere ein Metall, eine Wicklung eines Bandes, insbesondere eines Metallbandes, aufeinander gestapelte Gitter, insbesondere Metallgitter, und/oder einen Rost, insbesondere einen Metallrost, aufweisen. Der Flammenfilter 15 weist eine der Brenngasbehälterwand 10 zugewandte Eintrittsfläche 22 auf.
Zudem weist die Detonationsschutzvorrichtung 8 eine Absaugvorrichtung 21, die eingerichtet ist Gas via den Flammenfilter 15 und in der Absaugrichtung 17 abzusaugen, so dass das Gas von dem Austrittsbereich 11 via den Flammenfilter 15 wegströmbar ist. Der Flammenfilter 15 begrenzt mit der Brenngasbehälterwand 10 einen Spalt 13, dessen Spaltbreite 14 in einer Richtung senkrecht zu der Brenngasbehälterwand 10 kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite 7 des Mischgases ist.
Die Absaugvorrichtung 21 ist eingerichtet eine derart große Menge Gas abzusaugen, dass der Volumenstrom des in den Flammenfilter 15 eintretenden Gases größer als der Volumenstrom des via den Austrittsbereich 11 austretenden Brenngases ist. In dem Fall, dass die Detonationsschutzvorrichtung 8 eingerichtet ist ein Inertgas, insbesondere Stickstoff und oder ein Edelgas, in den Spalt zu strömen, ist der Volumenstrom des in den Flammenfilter 15 eintretenden Gases größer ist als die Summe der Volumenströme des via den Austrittsbereich 11 austretenden Brenngases und des in den Spalt eingeströmten Inertgases.
2 zeigt, dass im Betrieb der Detonationsschutzvorrichtung 8 und in dem Störfall das Brenngas aus dem Innenraum 9 via den Austrittsbereich 11 in den Spalt 13 eintritt und dort in einem Mischbereich 12 mit dem sauerstoffhaltigen Gas zu dem Mischgas gemischt wird. Das Mischgas tritt dann via die Eintrittsfläche 22 in den Flammenfilter 15 ein. Die Absaugvorrichtung 21 weist eine Absaugvolumenwand 19 und ein Absaugvolumen 18 auf, das von der Absaugvolumenwand 19 begrenzt ist und mit dem Flammenfilter 15 fluidleitend verbunden ist, so dass das Mischgas von dem Flammenfilter 15 in das Absaugvolumen 18 gelangt. Dazu kann, wie in 2 dargestellt, eine Öffnung in der Absaugvolumenwand 19 vorgesehen sein. Der Flammenfilter 15 verdeckt dabei mit seiner der Eintrittsfläche 22 abgewandten Oberfläche die Öffnung und ist mit den äußeren Bereichen seiner der Eintrittsfläche 22 abgewandten Oberfläche an der Absaugvolumenwand 19 befestigt.
Die Absaugvorrichtung 21 ist weiterhin eingerichtet, dass Brenngas in dem Mischgas derart zu verdünnen, dass keine Explosion in dem Absaugvolumen 18 stattfinden kann (nicht dargestellt). Dazu kann beispielsweise ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff und/oder ein Edelgas, und/oder Luft in das Absaugvolumen 18 geströmt werden. Zudem ist die Absaugvorrichtung 21 zündquellenfrei ausgeführt.
Die Projektion des Flammenfilters 15 senkrecht auf die Brenngasbehälterwand 10 steht in Umfangsumrichtung um den Austrittsbereich 11 vollständig von diesem ab, so dass der Spalt 13 sich vollständig um den Austrittsbereich 11 herum erstreckt.
Die Absaugvorrichtung 21 kann eingerichtet sein, im Betrieb der Detonationsschutzvorrichtung in einem Dauerbetrieb betrieben zu werden, in dem die Absaugvorrichtung 21 ständig das Gas via den Flammenfilter 15 absaugt. Alternativ kann der Austrittsbereich 11 eingerichtet sein, ein Signal an die Absaugvorrichtung 21 zu senden, sobald ein Brenngas via den Austrittsbereich 11 aus dem Innenraum 9 austritt oder unmittelbar bevor das Brenngas via den Austrittsbereich aus dem Innenraum austritt, insbesondere mittels eines Drucksensors und/oder eines Temperatursensors, und die Absaugvorrichtung 21 ist eingerichtet, das Gas abzusaugen, sobald sie das Signal empfängt. In dem Fall, dass die Detonationsschutzvorrichtung 8 eingerichtet ist das Inertgas in den Spalt 13 zu strömen kann das Signal auch eingesetzt werden um das Strömen des Inertgases in den Spalt 13 zu starten.
Der Austrittsbereich 11 kann ein Überdruckventil und/oder eine Berstscheibe aufweisen, die eingerichtet sind sich bei einer vorherbestimmten Druckdifferenz zwischen dem Innenraum 9 und dem Spalt 13 zu öffnen, so dass in dem Störfall das Brenngas aus dem Innenraum 9 via den Austrittsbereich 11 austritt, wobei die Druckdifferenz derart ist, dass der Druck in dem Innenraum 9 größer als außerhalb des Brenngasbehälters 20 ist.
Bei dem Verfahren zum Auslegen der Detonationsschutzvorrichtung 8 wird die Detonationszellweite 7 bestimmt, indem von einer maximal auftretenden Temperatur und einem maximal auftretenden Druck für das Mischgas ausgegangen wird. Zudem wird angenommen, dass das sauerstoffhaltige Gas reiner Sauerstoff ist und das Mischgas eine stöchiometrische Mischung des Brenngases mit dem Sauerstoff ist, oder es wird angenommen, dass das sauerstoffhaltige Gas Luft ist und das Mischgas in einem derartigen Verhältnis mit der Luft gemischt ist, dass eine stöchiometrische Mischung des Brenngases mit dem Luftsauerstoff vorliegt. Wenn das Brenngas ein Gemisch aus mehreren brennbaren Gasen ist wird die Detonationszellweite 7 für das Gemisch oder für das brennbare Gas des Gemischs mit der kleinsten Detonationszellweite 7 bestimmt.
Bezugszeichenliste

1: Ausbreitungsbild
2: Ausbreitungsrichtung
3: Stoßwelle
4: Trippelpunktbahn
6: Reaktionszone
7: Detonationszellweite
8: Detonationsschutzvorrichtung
9: Innenraum
10: Brenngasbehälterwand
11: Austrittsbereich
12: Mischbereich
13: Spalt
14: Spaltbreite
15: Flammenfilter
16: Leckageströmung
17: Absaugrichtung
18: Absaugvolumen
19: Absaugvolumenwand
20: Brenngasbehälter
21: Absaugvorrichtung
22: Eintrittsfläche

Claims

Detonationsschutzvorrichtung (8) mit einem Brenngasbehälter (20), der eine Brenngasbehälterwand (10) aufweist, die einen Innenraum (9) begrenzt, in dem ein Brenngas sich befindet oder bildbar ist, und einen Austrittsbereich (11) aufweist, via den in einem Störfall das Brenngas von dem Innenraum (9) nach außerhalb des Brenngasbehälters (20) austreten kann, wo ein sauerstoffhaltiges Gas angeordnet ist, so dass unmittelbar nach dem Austritt des Brenngases ein das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas aufweisendes Mischgas bildbar ist, einem Flammenfilter (15), der außerhalb des Brenngasbehälters (20) im Bereich des Austrittsbereichs (11) angeordnet ist, und einer Absaugvorrichtung (21), die eingerichtet ist Gas via den Flammenfilter (15) abzusaugen, so dass das Gas von dem Austrittsbereich (11) via den Flammenfilter (15) wegströmbar ist, wobei der Flammenfilter (15) mit der Brenngasbehälterwand (10) einen Spalt (13) begrenzt, dessen Spaltbreite (14) in einer Richtung senkrecht zu der Brenngasbehälterwand (10) kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite (7) des Mischgases ist.
Detonationsschutzvorrichtung (8) gemäß Anspruch 1, wobei die Detonationsschutzvorrichtung (8) Verbindungswände aufweist, die die Brenngasbehälterwand (10) mit dem Flammenfilter (15) verbinden und den Spalt (13) begrenzen, so dass dessen Spaltbreite in einer Richtung parallel zu der Brenngasbehälterwand (10) kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite (7) des Mischgases ist.
Detonationsschutzvorrichtung (8) mit einem Brenngasbehälter (20), der eine Brenngasbehälterwand (10) aufweist, die einen Innenraum (9) begrenzt, in dem ein Brenngas sich befindet oder bildbar ist, und einen Austrittsbereich (11) aufweist, via den in einem Störfall das Brenngas von dem Innenraum (9) nach außerhalb des Brenngasbehälters (20) austreten kann, wo ein sauerstoffhaltiges Gas angeordnet ist, so dass unmittelbar nach dem Austritt des Brenngases ein das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas aufweisendes Mischgas bildbar ist, einem Flammenfilter (15), der außerhalb des Brenngasbehälters (20) im Bereich des Austrittsbereichs (11) angeordnet ist, einer Absaugvorrichtung (21), die eingerichtet ist Gas via den Flammenfilter (15) abzusaugen, so dass das Gas von dem Austrittsbereich (11) via den Flammenfilter (15) wegströmbar ist, und Verbindungswänden, die die Brenngasbehälterwand (10) mit dem Flammenfilter (15) verbinden und einen Spalt (13) zwischen der Brenngasbehälterwand (10) und dem Flammenfilter (15) begrenzen, wobei die Spaltbreite des Spalts (13) in einer Richtung parallel zu der Brenngasbehälterwand (10) kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite (7) des Mischgases ist.
Detonationsschutzvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Innenraum (9) sauerstofffrei ist.
Detonationsschutzvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Spalt (13) sich vollständig um den Austrittsbereich (11) herum erstreckt.
Detonationsschutzvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Austrittsbereich (11) ein Überdruckventil und/oder eine Berstscheibe aufweist, die eingerichtet sind sich bei einer vorherbestimmten Druckdifferenz zwischen dem Innenraum (9) und dem Spalt (13) zu öffnen.
Detonationsschutzvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Absaugvorrichtung (21) eingerichtet ist eine derart große Menge Gas abzusaugen, dass der Volumenstrom des in den Flammenfilter (15) eintretenden Gases größer ist als der Volumenstrom des via den Austrittsbereich (11) austretenden Brenngases.
Detonationsschutzvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Flammenfilter (15) ein gesintertes Material, insbesondere ein Metall, eine Wicklung eines Bandes, insbesondere eines Metallbandes, aufeinander gestapelte Gitter, insbesondere Metallgitter, und/oder einen Rost, insbesondere einen Metallrost, aufweist.
Detonationsschutzvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 und 4 bis 8, wobei die Spaltbreite (14) senkrecht zur Brenngasbehälterwand Null ist, wodurch der Flammenfilter (15) in einem Berührkontakt mit der Brenngasbehälterwand (10) steht.
Detonationsschutzvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Absaugvorrichtung (21) eingerichtet ist, in einem Dauerbetrieb betrieben zu werden, oder wobei der Austrittsbereich (11) eingerichtet ist, ein Signal an die Absaugvorrichtung (21) zu senden, sobald ein Brenngas via den Austrittsbereich (11) aus dem Innenraum (9) austritt oder unmittelbar bevor das Brenngas via den Austrittsbereich aus dem Innenraum austritt, insbesondere mittels eines Drucksensors und/oder eines Temperatursensors, und die Absaugvorrichtung (21) eingerichtet ist, das Gas abzusaugen, sobald sie das Signal empfängt.
Detonationsschutzvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Detonationsschutzvorrichtung (8) eingerichtet ist ein Inertgas, insbesondere Stickstoff und/oder ein Edelgas, in den Spalt (13) zu strömen, insbesondere ist der Austrittsbereich (11) eingerichtet, ein Signal an die Detonationsschutzvorrichtung (8) zu senden, sobald ein Brenngas via den Austrittsbereich (11) aus dem Innenraum (9) austritt oder unmittelbar bevor das Brenngas via den Austrittsbereich aus dem Innenraum austritt, insbesondere mittels eines Drucksensors und/oder eines Temperatursensors, und die Detonationsschutzvorrichtung (8) ist eingerichtet, das Inertgas in den Spalt (13) zu strömen, sobald die Detonationsschutzvorrichtung (8) das Signal empfängt.
Detonationsschutzvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Absaugvorrichtung (21) eingerichtet ist das Brenngas stromab des Spalts (12) derart zu verdünnen, dass dessen Konzentration unterhalb die untere Explosionsgrenze des Brenngases gelangt und/oder wobei die Absaugvorrichtung (21) zündquellenfrei ausgeführt ist.
Detonationsschutzvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Brenngasbehälter (20) eine Batterie, insbesondere ein Lithium-Ionen Akku, ist, wobei sich in dem Innenraum (9) in dem Störfall das Brenngas bilden kann.
Verfahren zum Auslegen einer Detonationsschutzvorrichtung (8) mit einem Brenngasbehälter (20), der eine Brenngasbehälterwand (10) aufweist, die einen Innenraum (9) begrenzt, in dem ein Brenngas sich befindet oder bildbar ist, und einen Austrittsbereich (11) aufweist, via den in einem Störfall das Brenngas von dem Innenraum (9) nach außerhalb des Brenngasbehälters (20) austreten kann, wo ein sauerstoffhaltiges Gas angeordnet ist, so dass unmittelbar nach dem Austritt des Brenngases ein das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas aufweisendes Mischgas bildbar ist, einem Flammenfilter (15), der außerhalb des Brenngasbehälters (20) im Bereich des Austrittsbereichs (11) angeordnet ist, und einer Absaugvorrichtung (21), die eingerichtet ist Gas via den Flammenfilter (15) abzusaugen, so dass das Gas von dem Austrittsbereich (11) via den Flammenfilter (15) wegströmbar ist, wobei der Flammenfilter (15) mit der Brenngasbehälterwand (10) einen Spalt (13) begrenzt, dessen Spaltbreite (14) in einer Richtung senkrecht zu der Brenngasbehälterwand (10) kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite (7) des Mischgases ist, wobei die Detonationszellweite (7) bestimmt wird, indem eine maximal auftretende Temperatur und ein maximal auftretender Druck für das Mischgas angenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Detonationsschutzvorrichtung (8) Verbindungswände aufweist, die die Brenngasbehälterwand (10) mit dem Flammenfilter (15) verbinden und den Spalt (13) begrenzen, so dass dessen Spaltbreite in einer Richtung parallel zu der Brenngasbehälterwand (10) kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite (7) des Mischgases ist
Verfahren zum Auslegen einer Detonationsschutzvorrichtung (8) mit einem Brenngasbehälter (20), der eine Brenngasbehälterwand (10) aufweist, die einen Innenraum (9) begrenzt, in dem ein Brenngas sich befindet oder bildbar ist, und einen Austrittsbereich (11) aufweist, via den in einem Störfall das Brenngas von dem Innenraum (9) nach außerhalb des Brenngasbehälters (20) austreten kann, wo ein sauerstoffhaltiges Gas angeordnet ist, so dass unmittelbar nach dem Austritt des Brenngases ein das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas aufweisendes Mischgas bildbar ist, einem Flammenfilter (15), der außerhalb des Brenngasbehälters (20) im Bereich des Austrittsbereichs (11) angeordnet ist, einer Absaugvorrichtung (21), die eingerichtet ist Gas via den Flammenfilter (15) abzusaugen, so dass das Gas von dem Austrittsbereich (11) via den Flammenfilter (15) wegströmbar ist, und Verbindungswänden, die die Brenngasbehälterwand (10) mit dem Flammenfilter (15) verbinden und einen Spalt (13) zwischen der Brenngasbehälterwand (10) und dem Flammenfilter (15) begrenzen, wobei die Spaltbreite des Spalts (13) in einer Richtung parallel zu der Brenngasbehälterwand (10) kürzer als ein Viertel der Detonationszellweite (7) des Mischgases ist, wobei die Detonationszellweite (7) bestimmt wird, indem eine maximal auftretende Temperatur und ein maximal auftretender Druck für das Mischgas angenommen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei angenommen wird, dass das sauerstoffhaltige Gas reiner Sauerstoff ist und das Mischgas eine stöchiometrische Mischung des Brenngases mit dem Sauerstoff ist, oder wobei angenommen wird, dass das sauerstoffhaltige Gas Luft ist und das Mischgas in einem derartigen Verhältnis mit der Luft gemischt ist, dass eine stöchiometrische Mischung des Brenngases mit dem Luftsauerstoff vorliegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Brenngas ein Gemisch aus mehreren brennbaren Gasen ist und die Detonationszellweite (7) für das Gemisch oder für das brennbare Gas des Gemischs mit der kleinsten Detonationszellweite (7) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei für das Mischgas eine vollständige Durchmischung des Brenngases mit dem sauerstoffhaltigen Gas angenommen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die Detonationsvorrichtung (8) eine Detonationsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 13 ist.