Temperatur: Selbsterhitzung

Selbsterhitzung einer Flüssigkeit :

Chemisch reaktive Flüssigkeiten können sich unter bestimmten Voraussetzungen selbsterhitzen. Das hängt vom Temperaturzustand in der Flüssigkeit ab. Die Selbsterhitzung beruht auf chemischen Prozessen, die in Abhängigkeit des Temperaturfeldes „langsamer“ oder „schneller“ ablaufen je nachdem, ob die örtliche Temperatur „niedriger“ oder „höher“ ist. Die wirksame Energiequelle wird durch die Wärmequelle nach Arrhenius beschrieben.

Das vorliegende Beispiel beschreibt das thermische Verhalten einer Flüssigkeit in einem Eisenbahnkesselwagen. Der Kesselwagen ist zu 95% mit einer Flüssigkeit gefüllt, die sich selbsterhitzen kann. Die Anfangstemperatur wird mit 40° C angenommen. Aus Experimenten ist bekannt, dass eine Grenztemperatur von 100° C keinesfalls überschritten werden darf. Der Kesselwagen transportiert die Flüssigkeit. In den Sommermonaten ist der Kesselwagen der Solarstrahlung ausgesetzt, d.h. es wird von außen Wärme in den Kesselwagen transportiert. Die Temperatur der Flüssigkeit steigt zunächst am Rand an. Die Arrheniuswärmequelle wird durch die ansteigende Temperatur immer aktiver. Die Zeit, die vergeht bis die Flüssigkeit „durchgeht“ ist die sog. Induktionszeit. Die Transportzeit der Flüssigkeit im Kesselwagen muss also kleiner sein als die Induktionszeit, wenn ein Unglück vermieden werden soll.

Die Flüssigkeit einschließlich Luftpolster im Kesselwagen wird mit finiten Elementen abgebildet. In die Berechnung mit ISAFEM3D gehen zahlreiche Parameter ein, die hier nicht wiedergegeben werden können.

Wärmeexplosion der Flüssigkeit tritt in dem hier angenommenen Fall nach 9.5 Tagen ein. Die Transportzeit muss in diesem Fall höchsten auf 6 Tage beschränkt werden.

Die numerische Simulation mit ISAFEM3D ist schönes Beispiel dafür, dass mit Hilfe der Numerik chemisch/physikalische Prozesse im Detail analysiert werden können, die experimentell im 1:1 Versuch nicht gemessen werden können.

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