Am Anfang jeder Zoneneinteilung steht die Frage: Wo kann brennbarer Stoff austreten, wie oft, und wie viel? Die Antwort liefert die Freisetzungsquelle — und sie bestimmt fast alles, was danach folgt. Dieser Artikel ordnet die Freisetzungsgrade ein und zeigt, wie aus einer Quelle eine Freisetzungsrate wird. Die quantitative Umsetzung übernimmt der Ex-Zonen-Rechner.
Freisetzungsgrad: wie oft tritt Stoff aus?
Die EN IEC 60079-10-1 unterscheidet drei Freisetzungsgrade nach der Häufigkeit und Dauer der Freisetzung im Normalbetrieb:
- ständig — dauernd oder über lange Zeiträume vorhanden. Beispiel: die Oberfläche einer brennbaren Flüssigkeit in einem Festdachtank mit ständiger Ausatmung.
- primär — im Normalbetrieb periodisch oder gelegentlich zu erwarten. Beispiel: Dichtungen von Pumpen oder Ventilen, bei denen im Normalbetrieb eine Freisetzung erwartet wird; Probenahmestellen.
- sekundär — im Normalbetrieb nicht zu erwarten, und wenn doch, dann nur selten und kurzzeitig. Beispiel: Flansche und Rohrverbindungen; Dichtungen, bei denen im Normalbetrieb keine Freisetzung erwartet wird.
Der Freisetzungsgrad ist das Ergebnis der Anlagenbetrachtung, keine Rechengröße. Er geht direkt in die Zonentyp-Zuordnung ein: grob folgt aus einer ständigen Quelle eher Zone 0, aus einer primären eher Zone 1, aus einer sekundären eher Zone 2 — die konkrete Zuordnung hängt aber zusätzlich vom Verdünnungsgrad und der Verfügbarkeit der Lüftung ab.
Der Lochquerschnitt dominiert das Ergebnis
Bei einer sekundären Freisetzung — dem häufigsten Fall in der Praxis — gibt es keine reale, sichtbare Öffnung. Man nimmt einen Leckquerschnitt an. Die Norm nennt dafür Anhaltswerte (Tabelle B.1). Diese Annahme ist die folgenreichste Entscheidung der ganzen Rechnung: Die Freisetzungsrate steigt etwa linear mit dem Querschnitt, und über die Freisetzungscharakteristik Q_c schlägt das bis in die Zonenausdehnung durch. Wer den Querschnitt verdoppelt, verdoppelt die Quellstärke. Deshalb belegt der Ex-Zonen-Rechner dieses Feld bewusst nicht vor — es ist eine ingenieurmäßige Festlegung, keine Zahl, die man gedankenlos übernehmen darf.
Drei Wege zur Freisetzungsrate
Je nach Art der Quelle wird die Freisetzungsrate unterschiedlich abgeschätzt:
- Gas-/Dampfausströmung durch eine Öffnung. Aus dem Systemdruck ergibt sich eine kritische (schallschnelle) Strömung, sobald der Druck das kritische Druckverhältnis überschreitet, sonst eine unterkritische. Der Freisetzungs-/Lüftungsrechner bildet beide Fälle ab. Eingang sind Ausströmbeiwert C_d (0,99 für regelmäßige, 0,75 für unregelmäßige Öffnungen), Querschnitt, Drücke, molare Masse, Isentropenexponent und Realgasfaktor.
- Flüssigkeitsaustritt. Der Massenstrom folgt aus dem treibenden Druckunterschied über der Öffnung — Betriebsüberdruck plus hydrostatischer Anteil bei einer Leckage unter dem Flüssigkeitsspiegel. Wichtig: Die Norm gibt bewusst keine Methode an, aus dieser Flüssigkeitsrate die Dampfquellstärke zu bestimmen. Man rechnet also nicht einfach weiter — der abgedeckte Sonderfall ist die verdunstende Lache.
- Verdunstende Lache. Aus Lachenfläche, Dampfdruck, Windgeschwindigkeit und molarer Masse folgt die Verdunstungsrate (Gl. B.6). Diese Gleichung geht laut Norm auf ein Modell der US-Umweltbehörde EPA zurück und ist bewusst konservativ. Sie gilt nur in Grenzen: nicht bei zu geringer Windgeschwindigkeit, nicht bei zu hohem Dampfdruck und nicht nahe dem Siedepunkt — der Rechner prüft das und blockiert außerhalb des Gültigkeitsbereichs.
Weiter im Rechner
Der Ex-Zonen-Rechner führt aus der Freisetzungsrate die Freisetzungscharakteristik Q_c und daraus Verdünnungsgrad, Zonentyp und Zonenausdehnung. Welche Stoffkennwerte er dafür braucht, steht unter Stoffkennwerte für Ex-Berechnungen.