Evaluation of the Effectiveness of Active HRD Systems for Dust Explosion Suppression in a Technology Demonstrator System Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Jr brig. Piotr Lesiak, M.Sc. Eng.a)*; brig. Damian Bgk, Eng.a); brig. Daniel Matozi^c, M.Sc. Eng.a); Marcin Grabarczyk, Ph.D.b); Andrzej Kotaczkowski, M.Sc. Eng.c)

a) Scientific and Research Centre for Fire Protection-National Research Institute / Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony

Przeciwpozarowej im. Jozefa Tuliszkowskiego - Panstwowy Instytut Badawczy b NASK - Research and Academic Computer Network - National Research Institute / Naukowa i Akademicka Siec Komputerowa

Panstwowy Instytut Badawczy c) „Anko" Przedsiqbiorstwo Produkcyjno-Usfugowe Andrzej Kotaczkowski * Corresponding author / Autor korespondencyjny: plesiak@cnbop.pl

Evaluation of the Effectiveness of Active HRD Systems for Dust Explosion Suppression in a Technology Demonstrator System

Ocena skutecznosci ttumienia wybuchu pytowego w uktadzie demonstratora przez aktywny system HRD

ABSTRACT

Purpose: This paper presents the operation of an active dust explosion (HRD, high rate discharge) suppression system in a confined space. Design and methods: The study involved tests of the developed fire protection system for suppressing dust explosions. The work was carried out under the project entitled "Innovative explosion protection technologies, including for highly protected facilities" No. DOBR-BIO4/052/13073/2013 at the Scientific and Research Centre for Fire Protection in Jozefow.

A test station designed and constructed to meet the prerequisites of the PN-EN 14034 series of standards was designed for testing. The test equipment consisted of a closed roughly spherical chamber with a volume of 1 m3, an ignition system, a system producing a dust-air atmosphere, and a pressure change detection system. Inside the sphere, a dust-air mixture of a certain concentration was obtained in a reproducible manner. The station was armed with a dust explosion suppression system consisting of:

- 5 dm3 fire extinguisher tank containing pressurized fire-extinguishing powder,

- a diffusing nozzle,

- an explosion detection system.

The operation of the extinguishing system is based on the early detection of changes in the explosion pressure of the dust-air mixture, the processing of the signal, and the release of the extinguishing agent inside the apparatus in order to interrupt the explosion process at the earliest possible stage of its development.

Results: On the basis of the conducted experiments, it can be concluded that the HRD system effectively interrupts explosive combustion for dust with a Kst < 100 bar ■ m/s. For the examined potato starch dust, the system significantly reduced the explosion pressure to an acceptable value. The system is also characterised by a short reaction time, and the discharge of the extinguishing powder takes place in less than 100 ms, which is a satisfactory value. Conclusions: The tests were carried out for potato starch and lycopodium. The phenomenon of explosive combustion occurring in the mixture of lycopodium and air is characterised by greater dynamics, compared to starch. This difference allowed to identify the limitation of extinguishing dust explosions in small cubic capacity areas. In addition, research identified issues related to the source of ignition in the form of pyrotechnical heads, the use of which requires the setting of a high-pressure threshold activating the HRD system. This results in a delayed system reaction in the event of ignition of high Kst dust mixtures.

Keywords: HRD, explosion suppression system, dust explosion Type of article: original scientific article

Received: 20.02.2019; Reviewed: 17.05.2019; Accepted: 28.06.2019;

Authors ORCID IDs: P. Lesiak - 0000-0001-8465-2169; D. Bgk - 0000-0002-4438-358X; D. Matoziçc - 0000-0003-4929-8656; M. Grabarczyk - 0000-0002-9996-0831; A. Kotaczkowski - 0000-0002-3722-3262;

Percentage contribution: P. Lesiak - 35%; D. Bqk - 30%; D. Matoziçc 10%; M. Grabarczyk - 10%; A. Kotaczkowski - 15%;

Please cite as: SFT Vol. 53 Issue 1, 2019, pp. 46-66, https://doi.org/10.12845/sft. 53.1.2019.3;

This is an open access article under the CC BY-SA 4.0 license (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).

ABSTRAKT

Cel: Celem artykulu jest przedstawienie dzialania aktywnego systemu tlumienia wybuchöw pylowych (nazwanych HRD od ang. high rate discharge) w przestrzeni ograniczonej.

Projekt i metody: W ramach badan przeprowadzono testy wytworzonego systemu gasniczego do tlumienia wybuchöw pylowych. Prace zostaly wykonane w ramach projektu pt. „Innowacyjne technologie zabezpieczen przed wybuchem, w tym obiektöw szczegölnie chronionych" nr DOBR-BIO4/052/13073/2013 w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpozarowej w Jözefowie.

Do badan zaprojektowano i wykonano stanowisko spelniajqce zalozenia serii norm PN-EN 14034. Urzqdzenie badawcze sklada si? z zamkni?tej komory ksztaltem zblizonej do kuli o obj?tosci 1 m3 oraz ukladöw: zaplonowego, tworzenia atmosfery pylowo-powietrznej, detekcji zmian cisnienia. Wewnqtrz sfery uzyskiwano w powtarzalny sposöb mieszanin? pylowo-powietrznq o okreslonym st?zeniu. Stanowisko uzbrojono w system tlumienia wybuchöw pylowych zawierajqcy:

- zbiornik gasnicy o obj?tosci 5 dm3 zawierajqcy proszek gasniczy pod cisnieniem,

- dysz? rozpraszajqcq,

- system wykrywania wybuchu.

Dzialanie systemu gasniczego opiera si? na wczesnym wykryciu zmiany cisnienia wybuchu mieszaniny pylowo-powietrznej, przetworzeniu sygnalu oraz

wyzwoleniu srodka gasniczego do wn?trza aparatu w celu przerwania procesu wybuchu w jak najwczesniejszej fazie jego rozwoju.

Wyniki: Na podstawie przeprowadzonych eksperymentöw mozna stwierdzic, ze system HRD skutecznie przerywa spalanie wybuchowe dla pylu

0 Kst < 100 bar ■ m/s. Dla przebadanego pylu skrobi ziemniaczanej system znacznie redukuje cisnienie wybuchu do wartosci akceptowalnej. Uklad charak-teryzuje si? takze krötkim czasem reakcji, a wyladowanie proszku gasniczego nast?puje w czasie ponizej 100 ms, co jest wartosciq satysfakcjonujqcq. Wnioski: Badania przeprowadzono dla skrobi ziemniaczanej i likopodium. Zjawisko spalania wybuchowego zachodz^ce w mieszaninie likopodium

1 powietrza charakteryzuje si? wi?kszq dynamikq niz w przypadku skrobi. Röznica ta pozwolila na zidentyfikowanie ograniczenia, jakim jest gaszenie wybuchöw pylowych w niewielkiej kubaturze. Ponadto w badaniach zidentyfikowano problematyk? zwiqzanq z zastosowanym zrödlem zaplonu w postaci glöwek pirotechnicznych, ktörych zastosowanie narzuca koniecznosc nastawienia wysokiego progu cisnienia aktywujqcego system HRD. Skutkuje to opöznionq reakcjq systemu w przypadku zaplonu mieszanin pylowych o wysokiej wartosci parametru Kst.

Stowa kluczowe: HRD, system tlumienia wybuchu, wybuch pylu Typ artykutu: oryginalny artykul naukowy

Przyj?ty: 20.02.2019; Zrecenzowany: 17.05.2019; Zatwierdzony: 28.06.2019;

Identyfikatory ORCID autorów: P. Lesiak - 0000-0001-8465-2169; D. Bgk - 0000-0002-4438-358X; D. MatoziQC - 0000-0003-4929-8656; M. Grabarczyk - 0000-0002-9996-0831; A. Kotaczkowski - 0000-0002-3722-3262;

Procentowy wktad merytoryczny: P. Lesiak - 35%; D. Bqk - 30%; D. Matozi^C 10%; M. Grabarczyk - 10%; A. Kotaczkowski - 15%; Prosz? cytowac: SFT Vol. 53 Issue 1, 2019, pp. 46-66, https://doi.org/10.12845/sft.53.1.2019.3; Artykut udostQpniany na licencji CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).

Background

Industry has developed in parallel to process safety engineering, a discipline of which is broadly understood explosion protection. Undesired events, which often lead to failures generating dust-air explosions with significant consequences, have confirmed that this type of threat can occur at various stages of the industrial process. Unfortunately, substantial losses had to be suffered, not only in material terms, to gain this experience. Due to this, analysing combustion-related phenomena and studying explosive parameters has become an absolute necessity.

The basic explosion protection measures are divided into preventive and active. The former involve activities aimed at preventing the occurrence of explosive atmospheres and explo -sion initiation. The latter are carried out using technical devices which reduce or limit the effects of explosions. The difference between these protection measures lies in the presence, or lack, of the explosion. Preventive measures include all activities leading to eliminating explosive atmospheres, i.e. maintaining a concentration of the substance outside of its flammable

Wprowadzenie

Rozwój przemystu przebiegat równolegle do rozwoju inzy-nierii bezpieczenstwa procesowego, do której zaliczamy takze szeroko rozumianq ochrony przeciwwybuchowq. Zdarzenia nie-pozqdane, cz?sto konczqce si? powaznymi awariami w postaci wybuchów pytowo-powietrznych potwierdzity, ze zagrozenie tego typu moze wystqpic na róznych etapach procesu przemystowe-go. Niestety, zdobyte doswiadczenie zostato okupione stratami o charakterze nie tylko materialnym. W zwiqzku z tym analiza zjawisk towarzyszqcych spalaniu oraz badania nad parametrami wybuchowosci sq dzisiaj absolutnq koniecznosciq.

Podstawowe srodki ochrony przeciwwybuchowej dzieli si? na prewencyjne oraz czynne. Pierwsze z nich to dziatania majqce zapobiegac tworzeniu si? atmosfer wybuchowych i inicjacji wybuchu. Te drugie realizowane sq poprzez urzqdzenia techniczne zmniejszajqce lub ograniczajqce skutki wybuchów. Róznica po -mi?dzy wymienionymi srodkami ochrony sprowadza si? zatem do obecnosci zjawiska wybuchu. Do metod prewencji nalezy zaliczyc wszystkie dziatania prowadzqce do wyeliminowania atmosfer wybuchowych, tj. utrzymanie st?zenia substancji poza

range, reducing oxygen concentration in the oxidising medium, and eliminating the potential sources of ignition (mechanical, electrostatic, and other).

There is a fixed but ungrounded belief among engineers and process safety specialists that the installation of explosion-protection equipment is the definitive security measure for all threats. However, some industrial processes can only occur in the presence of explosive atmospheres. This is not only due to the economy of the process, but also the physical and chemical properties of the substances used. The technological implementations of explosion-protection methods are conventionally divided into passive and active systems. The former do not require triggering detectors, such as pressure sensors, ionisation gauges, thermocouples or photodiodes. An example of such a system could be an explosion venting device placed on the filtration system. It is designed in such a way that in the case of an excessive increase in pressure over the nominal operating pressure, it is torn open and directs the explosion effects (blast wave, flame, fragmented material) into a safe area.

This paper discusses tests of an active explosion suppression system. This technology is based on the appropriate (in terms of intensity) dosage of the right type of extinguishing agent to the protected area of a process line This solution involves preventing a situation in which the explosion reaches a pressure that exceeds the threshold device resistance. HRD systems protect structures from mechanical damage and internal fires which could lead to serious damage or further propagation of the undesirable event to other areas of the system.

The combination of extinguishing agents and active explosion suppression is a relatively new solution, as its first implementations date back to the 1960s. Merging these two concepts into a single technical solution, i.e. an extinguishing and suppressing device to control the combustion process, is even newer. Currently, researchers agree that HRD system performance should be assessed in terms of its effectiveness in inerting the combustible mixture (interruption of the previously initiated chemical reactions) of an explosive nature and the time of response to such hazards. Unfortunately, there is a problem with the unification of research methods that would verify the correctness of operation of the discussed systems. The authors of this paper present a review of literature on research and implementation work on HRD systems, as well as the results of their own design and experimental work.

Literature review

The amount of information available on HRD systems is limited. This is probably due to business competition issues and the unavailability on the market of alternative solutions providing similar or better effectiveness in suppressing explosions. These systems are a highly profitable product for manufacturers

jej zakresem palnosci, zmniejszanie stçzenia tlenu w medium utleniajqcym oraz eliminowanie potencjalnych zrodet zaptonu (mechanicznych, elektrostatycznych i innych).

Wsrod inzynierow i specjalistow ds. bezpieczeristwa proceso-wego obserwuje siç utrwalenie nieuzasadnionego przekonania, ze montaz urzqdzeri zabezpieczajqcych przed skutkami wybu-chu stanowi panaceum na wszystkie zagrozenia. Tymczasem, niektore procesy przemystowe muszq siç odbywac w obecnosci atmosfer wybuchowych. Jest to podyktowane nie tylko ich eko-nomikq, lecz takze wtasciwosciami fizykochemicznymi stosowa-nych substancji. Technologiczne implementacje czynnych metod ochrony przeciwwybuchowej dzieli siç umownie na systemy pa-sywne i aktywne. Pierwsze z wyzej wymienionych nie wykazujq koniecznosci stosowania detektorow wyzwalajqcych, takich jak czujniki cisnienia, sondy jonizacyjne, termopary czy fotodiody. Przyktadem takiego systemu moze byc membrana odciqzajqca umieszczona na zespole filtracyjnym. Jest ona zaprojektowana tak, aby w przypadku wystqpienia zjawiska skutkujqcego np. nad -miernym przyrostem cisnienia ponad nominalne cisnienie pracy, nastqpito jej rozerwanie i ukierunkowanie skutkow wybuchu (fala cisnienia, ptomieri, fragmenty materiatu) w bezpieczny obszar.

Niniejszy artykut poswiçcony jest testom aktywnego systemu ochrony przeciwwybuchowej. Dziatanie technologii polega na wtasciwym (pod wzglçdem intensywnosci) podaniu odpowied-niego rodzaju srodka gasniczego do chronionej czçsci uktadu technologicznego. Idea tego rozwiqzania polega na uniemozli-wieniu wystqpienia sytuacji, w ktorej wybuch osiqga cisnienie przekraczajqce granicznq wytrzymatosc zabezpieczanego urzq-dzenia. Systemy HRD chronic konstrukcje przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz pozarami wewnçtrznymi mogqcymi dopro -wadzic do powaznych zniszczeri lub dalszej propagacji zjawiska niepozqdanego na inne obszary instalacji.

Potqczenie srodkow gasniczych oraz czynnej ochrony prze -ciwwybuchowej to rozwi^zanie stosunkowo nowe, poniewaz pierwsze wdrozenia datuje siç na lata 60. ubiegtego wieku. Fu-zja tych dwoch zagadnieri w jedno techniczne rozwiqzanie, czyli urzqdzenie gaszqco-ttumiqce niekontrolowane zjawisko spalania to proby jeszcze nowsze. Obecnie badacze zdajq siç byc zgodni, ze dziatanie systemow HRD nalezy oceniac pod wzglçdem ich skutecznosci w inertyzacji mieszaniny palnej (przerwaniu zai-nicjowanych juz reakcji chemicznych) o charakterze wybuchu oraz czasu reakcji na takie zagrozenie. Problem stanowi niestety unifikacja metod badawczych, ktore weryfikowatyby poprawnosc dziatania omawianych systemow. W niniejszym artykule autorzy prezentujq przegl^d literatury dotycz^cych prac badawczych i wdrozeniowych nad systemami HRD, a takze wyniki wtasnych prac o charakterze konstrukcyjno-eksperymentalnym.

Przeglgd literatury

Ilosc dostçpnych informacji na temat systemow HRD jest niestety ograniczona. Jest to prawdopodobnie zwiqzane m.in. z kwestiami konkurencji biznesowej oraz niedostçpnosciq na rynku innych rozwi^zari zapewniaj^cych zblizonq lub lepszq skutecznosc ttumienia wybuchow. Systemy stanowiq dochodo -

of explosion suppression solutions. The technological advantage achieved in this field translates into the market situation of the manufacturers. Information on the discussed solutions is usually available in scientific databases, but fragmented and incomplete. Specialised publications involving studies on HRD systems in English can be found using such keywords as explo -sion suppressants and explosion suppression, sometimes also fire-extinguishing agents, but only in combination with gas/dust explosions. The following is an overview of the publicly available papers which the authors consider to be the most relevant.

Moore [1] presented the detailed requirements regarding fire-extinguishing agents that could act as explosion suppressants. In his research, he concentrated on halons, water and powders. For each of these agents, he defined their effective extinguish -ing concentration. Taveua et al. [2] studied the suppression of aluminium dust explosions in several test reactors with volumes of 1 m3 and 4.4 m3 using two suppressants produced by Fike Corporation labelled PK and SBC. Statistical studies show that the deflagration of metal dusts is a phenomenon occurring almost regularly in various branches of industry and HRD systems seem to be the only effective method of minimising their effects. The conducted studies lead to various conclusions, depending on the scale of the studied phenomenon. For deflagration index Kst lower than 300 bar ■ m/s in a volume of 1 m3 - with the application of an appropriately low activation threshold for the HRD system and correct selection of suppressant concentration - it was possible to reduce the pressure to 1 bar. For the volume of 4.4 m3, the reduction of deflagration was possible only if its index did not exceed 200 bar ■ m/s, also with a correct system configuration. Concentrations of aluminium dust higher than 500 g/m3 are not found in industrial processes. Taveua et al. [2] think that HRD systems can be used to protect such industrial elements as flow-through air purifiers. In addition, the authors suggest that for higher aluminium dust concentrations a set of smaller HRD systems should be used instead of one, which would reduce the release time and minimise the distance over which the suppressant can be distributed. Another interesting aspect of the paper is the discussion on combining HRD systems with decompression systems.

Sun et al. [3] tested the potential for suppressing the explosions of methane-air mixtures using a new agent based on kaolinite, i.e. a silicate clay mineral. The tests were carried out using a 20-litre spherical reactor and covered various aspects of the extinguishing processes, including chemical and physical. According to the authors, the addition of porous materials to fire-extinguishing powders increases the area in which inhibitors can absorb free radicals. The tests were conducted in three stages, assessing the impact on explosion pressure of the following factors - combustible dust concentration, kaolinite concentration and the choice of powder that can be combined with kaolinite.

Experimental studies are accompanied by numerical tests conducted involving CFD, i.e. computational fluid dynamics. Song & Zhang [4] carried out tests involving an attempt to sup -press the detonation of methane-air mixtures inside a pipe using water mist. They used k-s turbulence models and modelled

wy produkt z punktu widzenia dostawców rozwiqzan ochrony przeciwwybuchowej. Uzyskana przewaga technologiczna w tym obszarze przektada si? zatem na pozycj? rynkowq producentów. Informacje dotyczqce przedmiotowych rozwiqzan dost?pne sq zazwyczaj posrednio w naukowych bazach danych, przedsta-wione w sposób fragmentaryczny oraz niekompletny. Specjali-stycznych publikacji na temat badan nad systemami typu HRD w angloj?zycznym pismiennictwie nalezy szukac za pomocq takich stów kluczowych, jak explosion suppressants oraz explosion suppresion, czasem takze fire-extinguishing agents, ale jedynie w potqczeniu z gas/dust explosions. Ponizej zaprezentowany zo-stat skrót najciekawszych - zdaniem autorów - prac, których wyniki sq powszechnie dost?pne.

Moore [l] przedstawit szczegótowe wymagania dotyczqce srodków gasniczych mogqcych stanowic czynnik ttumiqcy wy -buchy. W swoich badaniach skupit si? na halonach i wodzie oraz na proszkach. Dla kazdego z tych srodków okreslit efektywne st?zenie gaszqce. Taveua i inni [2] przeprowadzili badania ttu-mienia wybuchów pytu aluminium w kilku reaktorach badaw-czych o obj?tosciach l m3 oraz 4,4 m3 z uzyciem dwóch srodków ttumiqcych marki Fike Corporation o oznaczeniach PK i SBC. Z badan statystycznych wynika, ze deflagracyjne spalanie pytów metali to zjawisko wyst?pujqce niemal regularnie w róznych ga -t?ziach przemystu, a systemy HRD wydajq si? jedynq skutecznq metodq minimalizacji ich skutków. Przeprowadzone badania mozna skonkludowac w rózny sposób, w zaleznosci od skali badanego zjawiska. Dla indeksów deflagracji Kst mniejszych niz 300 bar ■ m/s w obj?tosci l m3 - przy zastosowaniu odpowiednio niskiego progu aktywacji systemu HRD i prawidtowego dobo-ru st?zenia srodka ttumiqcego - mozliwe byto zredukowanie cisnienia do l bar. Z kolei dla obj?tosci 4,4 m3 ograniczenie zjawiska deflagracji byto mozliwe jedynie, jezeli jego indeks nie przekroczyt 200 bar ■ m/s, równiez przy wtasciwej konfiguracji systemu. Dla pytu aluminium w procesach przemystowych nie spotyka si? st?zen wyzszych niz 500 g/m3. Taveua i inni [2] uwazajq, ze systemami HRD mozna zabezpieczac takie ele-menty przemystowe, jak przeptywowe oczyszczacze powietrza. Dodatkowo, autorzy postulujq, aby dla wyzszych st?zen pytu aluminium zastosowac zamiast jednego systemu HRD duzej skali uktad kilku mniejszych, skracajqc tym samym czas wyta-dowania oraz minimalizujqc dystans, na którym mozliwe jest rozproszenie czynnika ttumiqcego. Ciekawy aspekt artykutu to równiez dyskusja nad potqczeniem systemów typu HRD z systemami dekompresji.

Sun i inni [3] sprawdzali mozliwosc ttumienia wybuchów mieszanin metan-powietrze za pomocq nowego czynnika na bazie kaolinitu, tj. mineratu z gromady krzemianów ilastych. Badania przeprowadzone zostaty przy uzyciu 20-litrowego sfe -rycznego reaktora i obj?ty rózne aspekty procesów gaszenia, zarówno chemiczne, jak i fizyczne. Zdaniem autorów, wzboga-cenie proszków gasniczych materiatami o strukturze porowatej zwi?kszy powierzchni? wchtaniania wolnych rodników przez inhibitory. Badania przeprowadzono w trzech etapach i oce-niono w nich, jaki wptyw na cisnienie wybuchu majq kolejnych czynników: st?zenia pytu palnego, st?zenia kaolinitu oraz do-boru proszku wspótdziatajqcego z kaolinitem.

water mist using a discrete phase model. They conducted the calculations for spray nozzle outputs 0.3-1.5 kg/m3 of water for drops with a constant diameter of 50-150 pm. A comparison of the calculation results and experimental studies yielded very good results. This leads to the conclusion that despite the adopted simplifications, i.e. selected models and method of space discretisation (the computational grid and analysis of a two-dimensional case), it is possible to model the occurring phenomena with a significant degree of precision. Song & Zhang suggest that the chemical reaction was slowed down as a result of the water receiving heat from the reaction area with a simultaneous energy-intensive phase transition. For water mist drops with other-than-specified diameters, the extinguishing effectiveness is reduced, which is consistent with the theoretical model cited by the authors.

Using CFD techniques would not be possible without deriving the analytical dependences describing flow mechanics with a chemical reaction. An attempt to mathematically model the suppression of explosions of dust-air mixtures was made by Oleszczak and Klemens [5]. The generalised description of the exchange of mass, momentum and energy between the gaseous and liquid phases, as suggested by these authors, can be considered particularly valuable. It was obtained by adding relevant expressions describing the transfer of the said physical quanti -ties in non-stationary processes to the Navier-Stokes equations.

More information on explosion suppression (for both gas and dust) can be found in review articles, which collect and systematise the results of studies on process safety engineering. One very good and extensive review is the one written by Wang et al. [6]. The introduction contains basic information about explosiveness, detonation, and the DDT (deflagration-to-detonation transition) phenomenon. The individual chapters are dedicated to the passive and active suppression methods and the total number of papers and scientific reports analysed for the purposes of this work exceeds 60.

Active explosion suppression systems were also the subject of analyses by scientists from the Warsaw University of Technol -ogy [7]. As a result of the implementation work on HRD systems, i.a., an assessment was carried out of the medium carrying the fire extinguishing agent from its tank to the protected area where the explosion was developing.

Continuing their work on a fire extinguishing system, Klemens et al. [8] extended their research to include an analysis of the impact of operating conditions on suppression effective -ness, including the possibility that the fire extinguishing powder could aggregate in tanks as a result of the system vibrations. In another paper, Gieras et al. [9] assessed the effectiveness of the HRD system in terms of interrupting the combustion process of a corn starch-air mixture and a methane-air mixture. The chamber used in their study had a volume of 1.3 m3.

Obok badari eksperymentalnych prowadzone sq takze prace o charakterze numerycznym z wykorzystaniem technik CFD, tj. obliczeniowej mechaniki ptynow. Song i Zhang [4] wykona-li badania obejmujqce probç ttumienia detonacji mieszanin metan-powietrze w rurze za pomocq mgty wodnej. Uzyli oni modelu turbulencji k-s, natomiast mgtç wodnq zamodelowali za pomocq modelu fazy dyskretyzowanej. Obliczenia przepro-wadzili dla wydatkow rozpylaczy z zakresu 0,3-1,5 kg/m3 wody dla kropli o statej srednicy z zakresu 50-150 pm. Porownanie wynikow obliczeri z badaniami eksperymentalnymi dato bardzo dobre rezultaty. Utwierdzito to badaczy w przekonaniu, ze po-mimo przyjçtych uproszczeri, tj. dobranych modeli i sposobu dyskretyzacji przestrzeni (siatka obliczeniowa i rozwazanie przypadku dwuwymiarowego), mozliwe jest catkiem doktadne zamodelowanie zachodzqcych zjawisk. Song i Zhang postulujq, ze spowolnienie reakcji chemicznej nastçpuje w wyniku ode-brania przez wodç ciepta ze strefy reakcji przy jednoczesnej, energochtonnej, przemianie fazowej. Dla kropel mgty wodnej o srednicy spoza ww. zakresu, skutecznosc gaszenia stabnie, co jest zgodne z przytoczonym przez badaczy modelem teore-tycznym rozwazanych zjawisk.

Wykorzystanie technik CFD nie bytoby mozliwe bez wyprowa -dzenia analitycznych zaleznosci opisujqcych mechanikç przepty-wu z reakcjq chemicznq. Prôbç matematycznego zamodelowania procesu ttumienia wybuchow mieszanin pytowo-powietrznych podjçli Oleszczak i Klemens [5]. Za szczegolnie wartosciowy nalezy uznac zaproponowany przez badaczy uogolniony opis wymiany masy, pçdu oraz energii pomiçdzy fazq gazowq a ciektq. Dokonano tego poprzez dodanie do rownania Naviera-Stokesa od-powiednich wyrazow opisujqcych transfer wyzej wymienionych wielkosci fizycznych w procesach niestacjonarnych.

Wiçcej informacji w obszarze ttumienia detonacji (zarowno gazowych, jak i pytowych) mozna znalezc w artykutach przeglq-dowych, w ktorych zebrano i usystematyzowano wyniki badari dotyczqcych inzynierii bezpieczeristwa procesowego. Bardzo dobrym i szerokim opracowaniem, zdaniem autorow, jest to na-pisane przez Wanga i innych [6]. We wstçpie zawarte zostato wprowadzenie do tematyki wybuchowosci, detonacji oraz zjawi -ska DDT. Pasywnym i aktywnym metodom ttumienia poswiçcone sq odpowiednio oddzielne rozdziaty, a tqczna liczba przeana-lizowanych na poczet omawianej pracy artykutow i doniesieri naukowych przekracza 60.

Aktywne systemy ttumienia wybuchu byty takze przedmio-tem analiz badaczy z Politechniki Warszawskiej [7]. W wyniku prac wdrozeniowych systemow HRD dokonano m.in. oceny medium niosqcego srodek gasniczy z jego zasobnika do obszaru chronionego, w ktorym rozwijat siç wybuch.

Kontynuujqc prace nad swoim systemem gasniczym, Klemens i inni [8] rozszerzyli badania o analizç wptywu warunkow jego eksploatacji na skutecznosc ttumienia, w tym mozliwosc agregacji proszku gasniczego w zbiornikach wskutek drgari insta-lacji. W innej pracy Gieras i inni [9] dokonali oceny skutecznosci systemu HRD pod kqtem przerwania procesu spalania miesza-niny skrobi kukurydzianej i powietrza oraz metanu i powietrza. Uzyta przez nich komora miata objçtosci 1,3 m3.

Methods

Metody

After about 30-100 ms from the time of ignition in an explo -sion of the dust-air mixture, the pressure reaches its maximum value (expressed as Pmax) in a given closed volume. The basic concept behind the suppression systems involves:

- detecting rapidly-increasing pressure inside a protected volume

- launching the extinguishing system.

Cisnienie podczas wybuchu mieszaniny pytowo-powietrznej po ok. 30-100 ms od momentu zaptonu osiqga wartosc maksy-malnq (ozn. Pmax) w danej objçtosci zamkniçtej. Podstawowa idea dziatania systemow ttumiqcych wybuchy polega na:

- wykryciu dynamicznie wzrastajqcego cisnienia wewnqtrz zabezpieczanej kubatury,

- uruchomieniu systemu gaszqcego.

Figure 1 presents a schematic diagram.

Ideowy schemat dziatania przedstawiono na rycinie 1.

Figure 1. The principle of the HRD explosion suppression system Rycina 1. Zasada dziatania systemu ttumigcego wybuch HRD Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

Explosion suppression systems are usually deployed in areas where other solutions, such as the release of explosion pressure cannot be used due to the location of the technological apparatus or other circumstances specified in the risk assessment. It is sometimes possible (and used in practice) to combine explosion venting and explosion suppression systems. Such combinations respond to cases in which it is impossible to use an adequately high venting volume (size limitations), or when it is necessary to reduce the so-called impact of flame, which is released into the venting space.

In practice, suppression systems are used to protect equip -ment with a wide variety of volumes from 0.25 m3 up to 1000 m3. Suppression systems ensure the safe extinguishing of dust explosions in the St1 and St2 explosion classes. It is also possible to protect St3 dust-air mixtures (highly explosive) against explosions. However, these systems are limited to a narrow range of values of suppressed pressures.

In non-protected closed volumes, the pressure accompanying the explosion increases in accordance with the curve (fig. 2 - unsuppressed pressure). In a typical explosion of the dust-air mixture, the pressure might reach 10 bar. Such a pressure is too high for most standard process equipment. For ex-

Systemy ttumienia wybuchow uzywane sq zwykle w ob-szarach, w ktorych nie udaje si? zastosowac innego typu roz-wiqzania, np. odprowadzenia cisnienia wybuchu ze wzgl?du na lokalizacj? aparatu technologicznego lub inne okolicznosci okre-slone w wykonanej ocenie ryzyka. Niekiedy mozliwe (i uzywane w praktyce) jest tqczenie systemow odciqzajqcych z systemami ttumiqcymi wybuch. Kombinacje takie sq odpowiedziq na przypadki, w ktorych niemozliwe jest uzycie dostatecznie duzej obj?tosci odciqzajqcej (ograniczenia wymiarowe), bqdz gdy ko-nieczne jest zmniejszenie tzw. efektu oddziatywania ptomienia, ktory uwalniany jest do przestrzeni odciqzajqcej.

W praktyce systemy ttumienia stosowane sq do zabezpie-czenia urzqdzen w szerokim zakresie obj?tosci od 0,25 m3 az do 1000 m3. Systemy ttumiqce zapewniajq bezpieczne wygaszenie wybuchu pytow w klasach wybuchowosci St1 oraz St2. Mozli-wa jest rowniez ochrona przed wybuchem mieszanin pytowo-powietrznych klasy St3 (silnie wybuchowych), jednakze dziatanie tych systemow ograniczone jest do wqskiego przedziatu wartosci ttumionych cisnien.

W niechronionych obj?tosciach zamkni?tych cisnienie zwiq-zane z wybuchem wzrasta zgodnie z krzywq (ryc. 2 - cisnienie niesttumione). Cisnienie przy typowym wybuchu mieszaniny py-

ample, an average silo can withstand overpressure of up to 0.4 bar. One should also bear in mind that the explosion pressure is characterised by rapid growth. If the suppression system is activated at an appropriate time, the pressure increase will be interrupted to assume the expected shape according to the curve - suppressed explosion (fig. 2). The lower value of pressure is called reduced explosion pressure Pnd.

towo-powietrznej moze siçgac do 10 bar. Cisnienie o tej wartosci jest zbyt duze dla wiçkszosci urzqdzeri procesowych o typowej konstrukcji. Przyktadowo przeciçtny silos wytrzymuje nadcisnie -nie maksimum 0,4 bar. Nalezy takze miec na uwadze, ze cisnienie wybuchu charakteryzujqce siç wysokq dynamikq wzrostu. Jesli system ttumiqcy zostanie aktywowany w odpowiedniej chwili, to nastqpi zatrzymanie przyrostu cisnienia, ktore przewidywalnie uksztattuje siç zgodnie z krzywq - sttumiony wybuch (ryc. 2). Niz-sza wartosc cisnienia nazywana jest zredukowanym cisnieniem wybuchu Peed (z ang. reduced explosion pressure).

Figure 2. The theoretical course of the explosion in a closed volume as a function of time and pressure (with and without explosion suppression) Rycina 2. Teoretyczny przebieg wybuchu w zamkniçtej objçtosci w funkcji czasu i cisnienia (z ttumienie i bez ttumienia wybuchu) Source: Prepared on the basis of: Barton J., Dust explosion prevention and protection. A practical guide., published by IChemE, Rugby, 2002, p. 77. Zrodto: Opracowanie na podstawie: Barton J., Dust explosion prevention and protection. A practical guide., wyd. IChemE, Rugby, 2002, str. 77.

For a dust-air explosion within a closed volume, the value of reduced pressure Peed is conditional on the following factors:

- t he type of explosion detectors used, their location inside the protected process equipment and the detection method employed (electromagnetic radiation, exceeding the threshold pressure value, pressure increase value),

- fire-extinguishing agent performance,

- t he number and distribution of HRD equipment and the resultant concentration of the suppressant,

- the geometry of the protected volume.

The pressure generated at an early stage of the explosion (dust explosions are mostly deflagrations) in an enclosed space is propagating in the medium faster than the flame front. Blast wave velocity is similar to the speed of sound propagation in the medium. The basic device used to detect the explosion is the sensor mounted inside the protected device. The sensors used

Dla wybuchu pytowo-powietrznego w zamkniçtej objçtosci, wielkosc cisnienia zredukowanego Pedmozna uzaleznic od nizej wymienionych czynnikow:

- typu detektorow wykrywajqcych wybuch, ich potozenia wewnqtrz chronionego aparatu procesowego oraz stoso-wanego sposobu detekcji (promieniowanie elektromag-netyczne, przekroczenie wartosci cisnienia progowego, wartosc przyrostu cisnienia),

- skutecznosci srodka gasniczego,

- liczby i rozmieszczenia gasnic HRD, a co za tym idzie wypadkowej koncentracji medium ttumiqcego,

- geometrii chronionej kubatury.

Cisnienie wytworzone we wczesnej fazie wybuchu (wybu-chowy pytowe w wiçkszosci sq typu deflagracyjnego) w za-mkniçtej przestrzeni rozchodzi siç w osrodku szybciej niz front ptomienia. Prçdkosc przemieszczania fali cisnienia zblizona

for detecting explosions are set to identify exceeded pressure thresholds inside the protected space, pressure increase speeds greater than the predefined value, and flaming combustion. The detection points must take into account both the operation of the sensor under conditions typical of the system, and the unfavourable variants of process conditions, including increased temperatures, humidity or pressure connected with a given industrial process. The threshold values in sensors performing the detection function may be set to a specific value. This allows the use of detectors in an appropriate configuration for specific processes and phenomena which may generate interference.

Membrane sensors are the most common in the HRD systems used. The deformation of the sensor membrane generates a signal in the form of voltage, the value of which is proportional to the force causing the deformation. In practice, this facilitates the sensitivity configuration of the explosion suppression system. There are three types of sensors: single-membrane - typically used for measuring pressure values; with two smaller membranes designed to measure the rate of pressure increase; and combined sensors containing both the pressure membrane/ membranes and an infrared sensor, which detects the occurrence of the flame (optical probe). Such a probe detects electromagnetic radiation in the infrared range (which corresponds to the frequencies emitted during combustion).

HRD containers are usually mounted outside the protected areas (on their external surfaces), while the nozzles spreading the extinguishing agent are inserted into the interior of the protected device. The containers differ by manufacturer in shape and size. In practice, containers with volumes from 3 to 60 dm3 and external diameters from 20 to 130 mm are the most common. Manufacturers use various designs of containers, spreader nozzles, and extinguishing media. Some containers are filled with extinguishing media under a pressure of 50 to 60 bar. Increasing the pressure causes the tank's lid to open and the extinguishing material is forced into the protected space. There are a variety of methods of closing a tank with the extinguishing medium. Some include advanced structures, which, instead of a torn-off membrane feature ultra-fast solenoid valves. Such valves can react and begin releasing the extinguishing mixture in a matter of milliseconds. Below (fig. 3) is a cross-section of a HRD demonstrator container produced in a project implemented by CNBOP-PIB and financed by NCRD entitled "Innovative explosion protection technologies including for highly protected facilities".

jest do prçdkosci rozchodzenia siç dzwiçku w danym osrodku. Podstawowym urzqdzeniem, ktorego zadaniem jest wykrycie wybuchu, jest czujnik zamontowany wewnqtrz chronionego apa-ratu. Czujniki stosowane do detekcji wybuchu dziatajq w oparciu

0 przekroczenie zaktadanego progu cisnienia wybuchu wewnqtrz chronionej przestrzeni, bqdz gdy prçdkosc narastania cisnienia przekroczy zadanq wartosc lub tez zostanie wykryte spalanie ptomieniowe. Punkty detekcji muszq uwzglçdniac zarowno pracç czujnika w typowych dla instalacji warunkach, jak i niekorzystny wariant warunkow procesowych np. podwyzszonq temperature, wilgotnosc czy zwiçkszone cisnienie zwiqzane z danym proce-sem przemystowym. Wartosci progowe w sensorach petniqcych funkcjç detekcji mozna ustawic na zadany poziom. Pozwala to na zastosowanie detektorow w odpowiedniej konfiguracji, dla konkretnego procesu i zjawisk, ktore mogq wywotac zaktocenia.

Najczçsciej w stosowanych systemach HRD spotykane sq czujniki membranowe. Wskutek odksztatcenia membrany czujnika generowany jest sygnat w postaci napiçcia, ktorego wartosc jest proporcjonalna do sity wywotujqcej odksztatcenie. W praktyce pozwala to na wygodnq konfiguracjç czutosci systemu ttumienia wybuchow. Spotykane sq trzy typy czujnikow: z pojedynczq membranq - stuzqce zazwyczaj do pomiarow wartosci cisnienia - z dwiema mniejszymi membranami, ktorych zadaniem jest zazwyczaj pomiar szybkosci narastania cisnienia oraz czujniki tqczone zawierajqce zarowno membranç/membra-ny cisnieniowe, jak i czujnik podczerwony IR - ktory rejestruje wystqpienie ptomienia (sonda optyczna). Sonda taka rejestruje promieniowanie elektromagnetyczne w pasmie podczerwieni (co odpowiada czçstotliwosciom emitowanym podczas spalania).

Butle HRD montuje siç zazwyczaj na zewnqtrz przestrzeni chronionych (na ich zewnçtrznych powierzchniach), natomiast dysze rozpraszajqce srodek gasniczy wyprowadzone sq do srodka chronionego urzqdzenia. W zaleznosci od producenta butle majq rozne rozmiary i ksztatty. W praktyce najczçsciej stosowane sq jednak butle o pojemnosciach od 3 do 60 dm3

1 srednicach zewnçtrznych od 20 do 130 mm. Producenci sto-sujq roznorakie konstrukcje butli, rozpraszaczy i mediow gas-niczych. Niektore butle nabijane sq medium gaszqcym pod cisnieniem, wynoszqcym zazwyczaj od 50 do 60 bar. Wzrost cisnienia powoduje otwarcie przestony zamykajqcej zbiornik i wttoczenie materiatu gaszqcego do chronionej przestrzeni. Sposoby zamkniçcia zbiornika z medium gasniczym sq rozno-rodne. Na przyktad zaawansowane konstrukcje zamiast zrywal -nej membrany wyposazone sq w ultraszybkie elektrozawory. Zawory takie sq w stanie zareagowac i zaczqc uwalniac mie-szankç gaszqcq w przeciqgu kilku milisekund. Ponizej (ryc. 3) przedstawiono przekroj demonstratora butli HRD wytworzone-go w projekcie zrealizowanym przez CNBOP-PIB i finansowa-nym przez NCBR pn. „Innowacyjne technologie zabezpieczen przed wybuchem w tym obiektow szczegolnie chronionych".

Figure 3. Structure of an HRD extinguisher: (1) tank, (2) valve, (3) opening section, (4) spray nozzle Rycina 3. Budowa butli HRD: (1) zbiornik, (2) zawor, (3) sekcja otwierajgca, (4) dysza rozpylajgca Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

Both the valve and the coupling of the container and the nozzle have such internal diameters that reduce the resistance of discharging the extinguishing agent, while retaining the utility of the device. The time for the valve to open and the discharge rate are the critical factors which determine the effectiveness of explosion suppression. The value characterising the amount of discharged suppression agent in time is defined as dm/dt. This value is directly proportional to the area of the cross-section through which the extinguishing medium flows - marked as A - and the product of the root of extinguishing medium pressure PN2. This relation can be expressed as:

o>

It follows from the relation above that the size of the cross-section of the discharging area A is more significant than the storage/injection pressure of the extinguishing medium.

When the suppression system is activated, the extinguishing medium stored in the container moves under pressure towards the spreader nozzle and then into the protected closed space. In some cases, another membrane is installed between the nozzle (and container) and the protected volume. It is torn during the release of pressure from the container, which also causes the extension of the telescopic nozzle to a specific depth of the protected device. This solution protects the nozzles from clogging during normal device operation and does not interfere with the flow during th e production process. The structure of the nozzle depends on the type of suppressant. Fire-extinguishing powders often require special nozzle geometry, as the aim is to spread

Zarówno zawór, jak i tqczenie butli z dyszq posiadajq tak do -branq srednicç wewnçtrznq, aby wytadowanie srodka gasniczego przebiegato z jak najmniejszymi oporami przy jednoczesnym zachowaniu przez urzqdzenie jego funkcjonalnosci uzytkowej. Czas otwarcia zaworu i szybkosc roztadowania butli sq czynni-kami krytycznymi - to one decydujq o skutecznym sttumieniu wybuchu. Wielkosc charakteryzujqca ilosc roztadowanej masy ttumiqcej w czasie oznaczana jest jako dm/dt. Wartosc ta jest wprost proporcjonalna do powierzchni przekroju poprzeczne-go, przez który przeptywa srodek gasniczy - oznaczanej jako A - i iloczynu pierwiastka cisnienia przechowywania masy ga-szqcej PN2. Zaleznosc tç mozna zapisac, jako:

m

Powyzsza zaleznosc stanowi o tym, ze wielkosc przekroju powierzchni wytadowania A ma wiçksze znaczenie niz cisnienie przechowywania/wtrysku srodka gasniczego.

Przechowywany w butli srodek gasniczy w przypadku uru-chomienia systemu ttumiqcego przemieszcza siç pod cisnieniem do dyszy rozpraszajqcej - a nastçpnie do chronionej przestrzeni zamkniçtej. Niekiedy dyszç (i butlç) od chronionej objçtosci od-dziela kolejna membrana, która zrywana jest podczas uwalniania cisnienia z butli, co jednoczesnie powoduje wysuniçcie telesko-powej dyszy na okreslonq gtçbokosc chronionego urzqdzenia. Rozwiqzanie takie zabezpiecza dysze przed zatkaniem podczas normalnej pracy chronionego urzqdzenia i nie zaburza przeptywu podczas procesu produkcyjnego. Budowa dyszy zalezna jest oczywiscie od stosowanego typu srodka ttumiqcego. W przy-

the agent in the protected volume in a fast and even manner. The main requirements set for HRD systems can be reduced to three general points:

- a high discharge factor of the suppressing mass,

- a highly dynamic discharged material

- sufficient spreading angle of the suppressant.

It is logical that both the discharge factor and the high rate of discharge are connected with the flow diameter of the extinguishing mass and the pressure forcing the agent out of the nozzle. These values also depend on the bends and curves between the flow-through elements. The spread angle largely depends on nozzle structure and geometry and the speed at which the extinguishing medium moves. A well-designed system becomes empty after less than 100 ms, while the first dose of the extinguishing material reaches the endangered area after just 10 ms from the moment of discovering the threat. The container can discharge the extinguishing agent due to the storage pressure (surge) and movement speed to a distance of 6-8 m.

A spherical acid-resistant steel tank with a volume of 1 m3 was produced for the purposes of research in the abovemen-tioned project. A cover equipped with a fixing mechanism with a slewing ring propelled by a pneumatic actuator was used for closing the tank. A set of dispersion systems was installed in the tank to generate an explosive atmosphere - a mixture of dust and air. The system injecting dust into the sphere and the dust and air mixing system were produced in accordance with the PN-EN14034 standards. The tank has security measures guaranteeing an appropriate level of work safety, e.g. a lid clo -sure sensor, an actuator lock, a system preventing the opening of the lid on the sphere in the case of excess pressure inside (fig. 4). The HRD extinguishers used can be installed at 90o on the DN75 flange connection visible in figure 5.

Figure 4. Test stand Rycina 4. Stanowisko badawcze Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

padku proszkow gasniczych cz?stokroc wymaga si? specjalnej geometrii dyszy, ktora ma na celu szybkie i rownomierne rozpro -szenie medium w obj?tosci chronionej. Gtowne wymogi stawiane systemom HRD mozna ograniczyc do trzech ogolnych punktow:

- wysoki wspotczynnik wytadowania masy ttumiqcej,

- wysoka dynamika wytadowanego materiatu,

- dostateczne kqtowe rozproszenie srodka ttumiqcego.

Logiczne jest, ze zarowno wspotczynnik wytadowania, jak

i wysoka pr?dkosc wytadowania scisle zwiqzane sq ze srednicq przeptywu masy gaszqcej i cisnieniem miotajqcym tadunkiem. Wielkosci te zalezne sq rowniez od zagi?c czy zakr?tow pomi?dzy elementami przeptywowymi. Kqtowe rozpraszanie uwarunkowa-ne jest przede wszystkim budowq i geometriq dyszy oraz w du-zej mierze pr?dkosciq przemieszczania si? tadunku gaszqcego. Dobrze zaprojektowany system oproznia si? catkowicie w czasie krotszym niz 100 ms, zas pierwsza dawka materiatu gaszqcego dociera do zagrozonej przestrzeni juz po ok. 10 ms od momentu wykrycia zagrozenia. Butla jest w stanie miotac srodkiem ga-szqcym z racji cisnienia przechowywania (wyrzutu) i pr?dkosci przemieszczania si? tadunku na odlegtosc 6-8 m.

Na potrzeby badan w przywotanym wczesniej projekcie wykonano sferyczny zbiornik ze stali kwasoodpornej o obj?-tosci 1 m3. Do jego zamkni?cia zastosowano pokryw? wypo-sazonq w mechanizm bagnetowy z obrotowym pierscieniem nap?dzanym sitownikiem pneumatycznym. W zbiorniku zainsta-lowano zestaw uktadow dyspersyjnych stuzqcych do tworzenia atmosfery wybuchowej - mieszaniny pytu z powietrzem. Uktady wtrysku pytu do kuli oraz system mieszania pytu i powietrza wykonano zgodnie z wymaganiami serii norm PN-EN14034. Zbiornik posiada zabezpieczenia gwarantujqce odpowiedni po-ziom bezpieczenstwa pracy, m.in.: czujnik domkni?cia pokrywy, blokad? sitownika, uktad uniemozliwiajqcy otwarcie pokrywy w kuli przy nadcisnieniu w jej wn?trzu (ryc. 4). Zastosowane gasnice HRD majq mozliwosc montazu pod kqtem 90o na przy-tqczu kotnierzowym DN75 widocznym na rycinie 5.

Figure 5. Flange connection DN75 Rycina 5. Przytqcze kotnierzowe DN75 Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

a piezoelectric dynamic pressure sensor coupled with a voltage signal boosting system and data acquisition system was placed iesidn nhe tank zhzmber. This systsm allowe rnc hrding explosion pressure changes with time. The ignition of a dust-air cloui igtoiggeosO Iny ctroOsohnio ¡rnidei^e. Tie ercscure ptfnnd od the ignition source was determined during blank tests, allowing to rule it out by introducing appropriate adjustments in the recording software. Below is a description of issues connected with the use of pyrotechnic igniters in the studied technology demonstrator system. An element which may introduce uncertainty in determining the extinguishing effectiveness of the HRD system in a small tesSeS nrea was she impact of igniOion SeoPs with an igoicion energy of 2 x 5 kJ, which caused a temporary surge in pressure oesspSsC ia tie cksrt bdldoe (fog. 6p.

Wawnntrs fumpoo tCioraika umiegacsoso picaoeledOrgccgo czujnik cisnienia dynamicznego, ktory zostat potqczony z ukta-detrs wrmocnienipspgnato npeinpioweeo oraz systemers dSv\rityt cji danych. System ten umozliwia rejestracj? zmian cisnienia wy-peahu t czaslei laatan abtzSz sytvwo-oowictrzdzgz realizes/ene jest przez wybuch zapalnikow pirotechnicznych. Cisnieniowy efekt zrodta zaptonu zostat okreslony w trakcie tzw. slepych prob, co pozwolito na jego usuni?cie poprzez wprowadzenie odpowied -nich poprawek w oprogramowaniu rejestrujqcym. Ponizej opisa-no problematyk? zwiqzanq z zastosowaniem pirotechnicznego zrodta zaptonu w badanym uktadzie demonstratora. Elementem mogqgyrn wtrawadzic Ptotsriuor nienenanoeai pe 0mhchecia dl^o-tecznosci gasniczej systemu HRD w matej przestrzeni badawczej byt wgtyw st(ct/ceOpsneicpyhh tt eeessii zmpWosa tteit dtl, ^taracti zapton powodowat chwilowy skok cisnienia zarejestrowany na tpnizsuym wy0rhcig Уod■eOi

Figure6. Registeredpressurestroke from the 2 x 5 kJ ignition heads Rycina6. Zarejestrowany skok cisnienia pochodzqcy od gtowek zapalczych 2 x 5 kJ Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

At an early stage, due to the injection of dust into the tank with a volume of 1 m3 a pressure increase to about 0.12 bar is recorded. This is combined with the effect of ignition of ignition heads, which causes a pressure surge in the tank, which oy aoerego rsncnps wsises Ctom ps oea ro as musP as sllsUrig over 0.6 bar. Explosion pressure sensors activate the system when the preset value is exceeded. This value is set in the range of 0.05-0.5 bar. Therefore, ignition heads alone may set off the HRD extinguishers. To avoid such unfavourable effect that would interfere with the test procedure, the ignition energies of dust-air mixtures were reduced to 5 kJ. The obtained P and

ex

(dp/dt)ex values are similar to the values obtained for the ignition energy of 2 x 5 kJ. At the same time, the value of activation pressure (launching the injection of the extinguishing powder) at 0.5 bar was retained to rule out the possibility of prematurely activating the extinguishing system.

One of the most important elements of the system is the explosion detection sensor, which was designed for early explo -

W poczqtkowej fazie, na skutek wtrysku pytu do wn?trza zbior-nika o pojemnosci 1 m3, rejestrowany jest wzrost cisnienia do okoto 0,12 bar. Dodatkowo naktada si? na to efekt zaptonu gtowek zapalczych, ktory wywotuje skok cisnienia w zbiorniku, srednio do waCosc! 0c3 bst, y nawdr przsУraere meououzsie 0,s iaa Crmniin cisnienia wybuchu aktywujq dziatanie systemu po przekroczeniu ustalonej wartosci. Wartosc t? ustawia si? w zakresie 0,05-0,5 bar. Moze zatem dojsc do sytuacji, w ktorej same gtowki zapalcze uru-chomiq gasnice HRD. W celu unikni?cia takiego niekorzystnego efektu, ktory zaburzytby proces badania, obnizono energi? zaptonu mieszanin pytowo-powietrznych do 5 kJ. Osiqgane wartosci Pex i (dp/dt)ex sq zblizone do wartosci osiqganych w przypadku stosowa -nia energii zaptonu 2 x 5 kJ. Jednoczesnie pozostawiono wartosc cisnienia aktywacji (uruchomienia wtrysku proszku gasniczego) na poziomie 0,5 bar w celu wyeliminowania zbyt wczesnego akty-wowania systemu gasniczego.

Jednym z wazniejszych elementow systemu jest czujnik de -tekcji wybuchu, ktorego zadaniem jest wczesne wykrycie wybu -

sion detection inside the test chamber. The detector is composed of two dynamic pressure sensors coupled with a signal analysis system and power supply units. The method of detecting the explosion can be selected. The first method involves programming the activation threshold (activation pressure Pa) to a set range. The second one consists in programming an appropriate pressure increase threshold (activation increment (dp/dt)a) which activates the extinguishing system.

Two HRD extinguishers with tank volumes 5 dm3 and 20 dm3 were produced for the purposes of the research project and tests. After receiving the activating signal, the pistons release the lid of the HRD container and eject the powder stored inside. The container tank is under a constant inert gas pressure. The whole process takes no more than 100 ms. Less than 8 ms is needed to open the piston. Figure 7 presents a container with a working volume of 5 dm3 along with an activator system for the lid and a block with a stop valve.

chu w komorze badawczej. Detektor sktada si? z dwoch czujnikow cisnienia dynamicznego, potqczonych z uktadem analizy sygnatu i zasilaczami. Istnieje mozliwosc ustawienia sposobu wykrycia wybuchu. Pierwszy polega na zaprogramowaniu progu aktywa-cji (cisnienia aktywacji Pa) w ustalonym zakresie. Drugi polega na zaprogramowaniu odpowiedniego progu przyrostu cisnienia (przyrost aktywacji (dp/dt)a), przy ktorym nast?puje uruchomienie systemu gasniczego.

Na potrzeby projektu badawczego i badan wykonano dwie gasnice HRD o pojemnosci zbiornika ze srodkiem gasniczym 5 dm3 i 20 dm3. Po otrzymaniu sygnatu aktywujqcego uktad tto-kow zwalnia klap? spustowq butli HRD i wyrzucany jest zawarty w niej proszek. Zbiornik butli jest pod statym cisnieniem gazu inertnego. Caty proces trwa nie dtuzej niz 100 ms. Otwarcie ttoka przebiega w czasie ponizej 8 ms. Rycina. 7 przedstawia butl? o obj?tosci roboczej 5 dm3 wraz uktadem aktywacji klapy spu-stowej i bloku z zaworem zamykajqcym.

Figure 7. Fragment of HRD fire extinguisher with vol. 5 dm3 Rycina 7. Fragment gasnicy HRD o obj. 5 dm3 Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

Results

The study involved a number of tests, including the extinguisher discharge test recorded using a high-speed camera (1,000 frames per second). Frame-by-frame photographs of specific tests and ap -plications are shown in figures 8-11. The first test involved a system without a nozzle. The working pressure inside the extinguisher was determined at 60 bar and the mass of the extinguishing powder was 1 kg. The stages of discharge of the powder and inert gas mixture are shown in figures 8 and 9. The first sequence of four photographs (fig. 8) presents the following times (from top) - 25 ms, 30 ms, 40 ms, and 50 ms. The next sequence (fig. 9) shows 60 ms, 70 ms, 80 ms, 90 ms, and 100 ms.

It was found that 90% of the mass of the extinguishing powder is discharged over less than 70 ms. The most intensive ejection of dust occurs at about 30-40 millisecond. After

Wyniki

W ramach badan przeprowadzono szereg prob, w tym test wytadowania gasnic -zarejestrowany za pomocq szybkiej ka-mery (1000 klatek/s). Poklatkowe zdj?cia konkretnych badan i aplikacji przedstawiajq ryciny 8-11. W pierwszej kolejnosci badaniom poddano uktad bez zastosowania dyszy. Cisnienie robocze w gasnicy ustalono na wartosc 60 bar, a mas? proszku gasniczego na 1 kg. Fazy wyptywu mieszaniny proszku z gazem inertnym widoczne sq na ryc. 8 i 9. Pierwsza sekwencja czterech zdj?c (ryc. 8) przedstawia kolejno (od gory) czasy - 25 ms, 30 ms, 40 ms, 50 ms. Nast?pna sekwencja fotografii (ryc. 9) to czasy 60 ms, 70 ms, 80 ms, 90 ms, 100 ms.

Oceniono, ze 90% masy proszku gasniczego wytadowywane zostaje w czasie ponizej 70 ms. Najbardziej intensywny wyrzut pytu nast?puje okoto 30-40 milisekundy. Po 70 ms widoczna

Figure 8. Dispersion of spray powder without nozzle (from above) 25, 30, 40, 50 ms

Rycina 8. Rozproszenie proszku gasniczego bez dyszy (od gory) 25, 30, 40, 50 ms Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

70 ms the cloud visible in the photograph moves and extends, but the outflow of the powder is insignificant. A small part of the extinguishing powder remains inside the extinguisher and nozzle after the outflow stops.

The second stage involved tests using the nozzle placed at the extinguisher outlet, the purpose of which was to spread the extinguishing powder while retaining the conditions as for the test without the nozzle. Figures 10 and 11 below present the shape of the cloud at specific milliseconds of the test.

It was found that almost all of the mass of the extinguishing powder is discharged over less than 80 ms. After comparing both cases (with and without the nozzle), it should be noted that the use of a spreader nozzle slows down the ejection of the extinguishing powder by about 10 ms. However, if the nozzle is present, the powder stream becomes ring-shaped around the nozzle. Therefore, it may be concluded that using the nozzle leads to a more even distribution of the powder within the protected space. This means that a higher-volume area would be filled with the extinguishing agent, improving the effectiveness of the system.

Figure 9. Dispersion of spray powder without nozzle (from above) 60, 70, 80, 90, 100 ms

Rycina 9. Rozproszenie proszku gasniczego bez dyszy (od gory) 60, 70, 80, 90, 100 ms Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

na zdjçciu chmura porusza siç i rozszerza, ale wyptyw proszku jest nieznaczny. Niewielka czçsc proszku gasniczego pozostaje w gasnicy i w dyszy po zakonczeniu wyptywu.

W drugim etapie wykonano badania z uzyciem dyszy umiesz-czonej na zakonczeniu wylotu z gasnicy, ktorej celem byto rozproszenie proszku gasniczego, przy zachowaniu warunku jak dla proby bez dyszy. Na ryc. 10 i 11 przedstawiono ksztatt chmury w poszczegolnych milisekundach testu.

Zaobserwowano, ze praktycznie cata masa proszku gasniczego wytadowywana jest w czasie krotszym niz 80 ms. Poröwnujqc oba przypadki (z dyszq i bez niej), nalezy zauwazyc, ze zastosowanie dyszy dyspersyjnej spowalnia wyrzut proszku gasniczego o ok. 10 ms. Jednakze w przypadku obecnosci dyszy daje siç zaobserwowac ukierunkowanie strumienia proszku na ksztatt pierscienia wokot dyszy. Mozna wobec tego wnioskowac, ze uzycie dyszy pozwala na uzyskanie bardziej rownomiernego rozktadu proszku w chronionej przestrzeni. Oznacza to, ze w tym przypadku obszar o wiçkszej kubaturze zostanie wypetniony srodkiem gasniczym, a tym samym poprawiona zostanie skutecznosc systemu.

Figure 10. Dispersion of spray powder with nozzle (from above) 25, 30, 40, 50 ms

Rycina 10. Rozproszenie proszku gasniczego z dyszg (od gory) 25, 30, 40, 50 ms Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

Tests of the HRD system using a container with a volume of 1 m3 involved the following activities:

1. Causing the explosion of the dust-air mixture with known Pmax and (dp/dt)max values;

2. Recording the explosion pressure during the operation of the active suppression system.

3. An analysis of the effectiveness of explosion suppression system operation on the basis of a comparison of pressure changes p(t) for the suppressed and non-suppressed explosions.

4. A graphical representation of the pressure changes p(t) for the non-suppressed and suppressed explosions in a single chart.

Before starting to assess the effectiveness of the HRD sys -tem, the explosive parameters of two types of dust - lycopodium and potato starch - were determined. The following results were obtained:

Figure 11. Dispersion of spray powder with nozzle (from above) 60, 70, 80, 90, 100 ms

Rycina 11. Rozproszenie proszku gasniczego z dyszg (od gory) 60, 70, 80, 90, 100 ms Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

Badania systemu HRD z wykorzystaniem zbiornika o objç-tosci 1 m3 zaktadaty przeprowadzenie nastçpujqcych dziatan:

1. Doprowadzenie do wybuchu mieszaniny pytu i powietrza o znanych wartosciach P i (dp/dt) ;

1 max 4 ~ 'max'

2. Rejestracja cisnienia wybuchu w trakcie dziatania aktyw-nego systemu ttumienia;

3. Analiza skutecznosci dziatania aktywnego systemu ttumienia wybuchu na podstawie porownania przebiegow cisnienia p(t) dla wybuchu niettumionego i ttumionego;

4. Graficzna prezentacja przebiegow cisnienia p(t) dla wybuchu niettumionego i ttumionego na jednym wykresie.

Przed przystqpieniem do oceny skutecznosci systemu HRD wyznaczono parametry wybuchowosci dla dwoch pytow: liko-podium i skrobi ziemniaczanej. Uzyskano nastçpujqce wyniki:

Px = 8,3 [bar] i (dp/dt)ex = 211,6 [bar/s] - likopodium - 250 [g/m3],

Px = 7,74 [bar] i (dp/dt)ex = 196,67 [bar/s] - likopodium - 500 [g/m3],

Px = 8.3 [bar] and (dp/dt)ex = 211.6 [bar/s] - lycopodium

- 250 [g/m3],

Pex = 7.74 [bar] and (dp/dt)ex = 196.67 [bar/s] - lycopodium

- 500 [g/m3],

Pex = 5.87 [bar] and (dp/dt)ex = 26.73 [bar/s] - potato starch

- 750 [g/m3],

Pex = 7.4 [bar] and (dp/dt)ex = 59.4 [bar/s] - potato starch -

1500 [g/m3],

Each test was performed using the following conditions:

- extinguishing powder mass in the container - 1 kg,

- inert gas fill pressure - 60 bar,

- ignition delay time - 600 ms,

- explosion pressure activating the HRD system - 0.5 bar1,

- ignition with an energy of 5 kJ.

Test No. 1. Suppression of the explosion of lycopodium dust at a concentration of 250 g/m3

The test was repeated three times for a given dust concentration. A lycopodium and air mixture at a dust concentration of 250 g/m3 was tested. Such parameters allowed a decrease in pressure from P = 8.3 bar to P . = 7.65 bar. After exceeding the ac-

r ex red 3

tivation pressure of 0.5 bar (after t ~670 ms), the HRD extinguisher was activated. The extinguishing powder was discharged into the 1 m3 volume of the tank. Over the next 30-40 ms a considerable part of the powder was ejected into the tank, forming a mixture suppressing the explosion. In this stage the dust explosion was progressing very fast. After 30-40 ms the temporary pressure value of 4-4.5 bar and the maximum pressure increase rate (dp/dt) (~210 bar/s) were reached. The explosion developed very quickly. Due to the relatively low volume of the tank, it is not possible - with the current configuration - to apply the extinguishing powder sufficiently early to achieve a stronger extinguishing effect. In the chart (fig. 12) the reduced pressure (red line) reaches a high value, close to the maximum explosion pressure (blue line).

Test No. 2. Suppression of the explosion of lycopodium dust at a concentration of 500 g/m3

The test was repeated three times for a given dust concentration. A lycopodium and air mixture at a dust concentration of 500 g/m3 was tested. Such parameters allowed a decrease in pressure from P = 7.74 bar to P . = 6.77 bar. After exceed-

r ex red

ing the activation pressure of 0.5 bar (after t~ 640 ms), the HRD extinguisher was activated. The extinguishing powder was discharged into the 1m3 volume of the tank. Over the next 30-40 ms a considerable part of the powder was ejected into the tank, form -ing a mixture suppressing the explosion. In this stage the dust explosion was progressing very fast. After 30-40 ms the temporary pressure value of 4-4.5 bar and the maximum pressure increase rate (dp/dt) (~200 bar/s) were reached. As in the case of the concentration of 250g/m3, the explosion developed very quickly. Due to the relatively low volume of the container and system activation pressure at 0.5 bar, it is not possible to apply

1 In an industrial setting activation pressure may be set to 0.1-0.2 bar. The sphere with a volume of 1 m3 necessitated a specific method of conducting work and adopting research assumptions.

Pex = 5,87 [bar] i (dp/dt) ex = 26,73 [bar/s] - skrobia ziemniaczana

- 750 [g/m3],

Pex = 7,4 [bar] i (dp/dt) ex = 59,4 [bar/s] - skrobia ziemniaczana

- 1500 [g/m3].

Testy prowadzono kazdorazowo przy zastosowaniu nizej wymienionych warunkow:

- masa proszku gasniczego w butli - 1 kg,

- cisnienie napetnienia gazem inertnym - 60 bar,

- czas opoznienia zaptonu - 600 ms,

- cisnienie wybuchu aktywujqce system HRD - 0,5 bar1,

- zapton o energii 5 kJ.

Test nr 1. Ttumienie wybuchu pytu likopodium w stçzeniu 250 g/m3

Test powtorzono trzy krotnie dla danego stçzenia pytu. Ba-daniu poddano mieszaninç likopodium z powietrzem - stçzenie pytu 250 g/m3. Takie parametry zapewnity zredukowanie cisnie-nia z P = 8,3 bar do P = 7,65 bar. Po przekroczeniu cisnienia

ex ' red ' ^

aktywacji 0,5 bar (po czasie t ~670 ms) uruchomiona zostata gasnica HRD. Nastqpito wytadowanie proszku gasniczego do przestrzeni zbiornika 1 m3. W ciqgu kolejnych 30-40 ms duza czçsc proszku zostata wprowadzona do zbiornika i utworzyta mieszaninç gaszqcq wybuch. W tej fazie wybuch pytu rozwijat siç bardzo szybko. Po 30-40 ms osiqgniçto chwilowq wartosc cisnienia 4-4,5 bar, a prçdkosc wzrostu cisnienia (dp/dt) wartosc maksymalnq (~210 bar/s). Wybuch rozwinqt siç bardzo szybko. Z uwagi na stosunkowo niewielkq objçtosc zbiornika brak jest mozliwosci - przy zastosowanej konfiguracji - na podanie proszku gasniczego odpowiednio wczesnie, aby efekt gaszenia byt silniejszy. Na wykresie (ryc. 12) cisnienie zredukowane (linia koloru czerwonego) osiqga znacznq wartosc, bliskq maksymal -nemu cisnieniu wybuchu (linia koloru niebieskiego).

Test nr 2. Ttumienie wybuchu pytu likopodium w stçzeniu 500 g/m3

Test powtorzono trzykrotnie dla danego stçzenia pytu. Ba-daniu poddano mieszaninç likopodium z powietrzem - stçze-nie pytu 500 g/m3. Takie parametry zapewnity zredukowanie cisnienia z P = 7,74 bar do P = 6,77 bar. Po przekroczeniu

ex ' red ' r

cisnienia aktywacji 0,5 bar (po czasie t ~ 640 ms) uruchomiona zostata gasnica HRD. Nastqpito wytadowanie proszku gasniczego do przestrzeni zbiornika 1m3. W ciqgu kolejnych 30-40 ms duza czçsc proszku zostata wprowadzona do zbiornika i utworzyta mieszaninç gaszqcq wybuch. W tej fazie wybuch pytu rozwijat siç bardzo szybko. Po 30-40 ms osiqgnqt chwilowq wartosc cisnienia 4-4,5 bar, a prçdkosc wzrostu cisnienia (dp/dt) osiqgnçta wartosc maksymalnq (~200 bar/s). Podob-nie jak w przypadku koncentracji 250g/m3 wybuch rozwijat siç bardzo szybko. Z uwagi na stosunkowo niewielkq objçtosc zbiornika oraz cisnienie aktywacji systemu ustalone na 0,5 bar, nie pozwala to na podanie proszku gasniczego odpowiednio

1 W warunkach przemystowych cisnienie aktywacji mozna ustawic na wartosc 0,1-0,2 bar. Sfera o objçtosci 1 m3 narzucita okreslony sposob prowadzenia prac oraz przyjçtych zatozen do badan.

the extinguishing powder sufficiently early to achieve a stronger extinguishing effect. In the chart (fig. 13) the reduced pressure (red line) has a high value, close to the maximum explosion pres -sure (blue line).

wczesnie, aby efekt gaszenia byt silniejszy. Na wykresie (ryc. 13) cisnienie zredukowane (linia koloru czerwonego) ma duzq war -tosc, bliskq maksymalnemu cisnieniu wybuchu (linia koloru niebieskiego).

Figure 12. Reduction of explosion pressure at the concentration of combustible dust lycopodium 250 g/m3 Rycina 12. Redukcja cisnienia wybuchu przy stçzeniu pytu palnego likopodium 250 g/m3 Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

Figure 13. Reduction of explosion pressure at the concentration of combustible dust lycopodium 500 g/m3 Rycina 13. Redukcja cisnienia wybuchu przy stçzeniu pytu palnego lycopodium 500 g/m3 Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

Test No. 3. Suppression of the explosion of starch dust at a concentration of 750 g/m3

The test was repeated three times for a given dust concentra -tion. A starch and air mixture at a dust concentration of 750 g/m3 was tested. Such parameters allowed a decrease in pressure from P = 5.87 bar to P . = 1.78 bar. After exceeding the activation

ex red 3

pressure of 0.5 bar (after t ~ 810 ms), the HRD extinguisher was activated. The extinguishing powder was discharged into the 1 m3 volume of the tank. Over the next 30-40 ms a considerable part of the powder was ejected into the tank, forming a mixture suppressing the explosion. In this stage the dust explosion was progressing very slowly in comparison to lycopodium. After 30-40 ms the temporary pressure value of 1 bar was reached and the pressure increase rate (dp/dt) did not reach the maximum value (~27 bar/s). The explosion was developing at a low rate. The small volume of the tank, combined with the relatively low (in relation to the lycopodium dust explosion) rate of pressure increase (dp/dt) allowed the early application of extinguishing powder. As a result, the extinguishing effect was very strong. As shown in the presented chart (fig. 14), the reduced pressure has a low value (1.78 bar) in comparison to the maximum explosion pressure (5.87 bar).

Test nr 3. Ttumienie wybuchu pytu skrobi w stçzeniu 750 g/m3

Test powtorzono trzykrotnie dla danego stçzenia pytu. Ba-daniu poddano mieszaninç pytu skrobi z powietrzem - stçzenie pytu 750 g/m3. Takie parametry zapewnity zredukowanie cisnienia z P = 5,87 bar do P = 1,78 bar. Po przekroczeniu cisnienia

ex ' red ' ^

aktywacji 0,5 bar (po czasie t ~ 810 ms) uruchomiona zostata gasnica HRD. Nastqpito wytadowanie proszku gasniczego do przestrzeni zbiornika 1 m3. W ciqgu kolejnych 30-40 ms duza czçsc proszku zostata wprowadzona do zbiornika i utworzyta mieszaninç gaszqcq wybuch. W tej fazie wybuch pytu rozwijat siç bardzo wolno w porownaniu do likopodium. Po 30-40 ms osiqgnqt chwilowq wartosc cisnienia 1 bar, a prçdkosc wzrostu cisnienia (dp/dt) nie osiqgnçta jeszcze wartosci maksymalnej (~27 bar/s). Wybuch rozwijat siç z niskq prçdkosciq. Niewiel-ka objçtosc zbiornika w potqczeniu ze stosunkowo (w relacji do wybuchu pytu likopodium) niewielkq prçdkosciq narasta-nia cisnienia (dp/dt) pozwolity na podanie proszku gasniczego odpowiednio wczesnie. Dziçki temu efekt gaszenia byt bardzo silny. Jak widac na prezentowanym wykresie (ryc. 14) cisnienie zredukowane osiqga niskq wartosc (1,78 bar) w porownaniu do maksymalnego cisnienia wybuchu (5,87 bar).

Rycina 14. Redukcja cisnienia wybuchu przy stçzeniu pytu palnego skrobi 750 g/m3

Figure 14. Reduction of explosion pressure at the concentration of combustible dust of starch 750 g/m3

Source: Own elaboration.

Zrodto: Opracowanie wtasne.

Test No. 4. Suppression of the explosion of starch dust at a concentration of 1500 g/m3

The test was repeated three times for a given dust concentra -tion. A starch and air mixture at a dust concentration of 1500 g/m3 was tested. Such parameters allowed a decrease in pressure from P = 7.4 bar to P = 1.88 bar. After exceeding the activation

ex red 3

pressure of 0.5 bar (after t~ 750 ms), the HRD extinguisher was activated. The extinguishing powder was discharged into the 1 m3

Test nr 4. Ttumienie wybuchu pytu skrobi w stçzeniu 1500 g/m3

Test powtorzono trzykrotnie dla danego stçzenia pytu. Ba-daniu poddano mieszaninç pytu skrobi z powietrzem - stçzenie pytu 1500 g/m3. Takie parametry zapewnity zredukowanie cisnienia z P = 7,4 bar do P = 1,88 bar. Po przekroczeniu cisnienia

ex ' red ' ^

aktywacji 0,5 bar (po czasie t ~ 750 ms) uruchomiona zostata gasnica HDR. Nastqpito wytadowanie proszku gasniczego do przestrzeni zbiornika 1 m3. W ciqgu kolejnych 30-40 ms duza

volume of the tank. Over the next 30-40 ms a considerable part of the powder was ejected into the tank, forming a mixture sup -pressing the explosion. In this stage the dust explosion was de -veloping at a very low rate in comparison to lycopodium and faster than for the starch concentration of 750 g/m3. After 30-40 ms the temporary pressure value of ~1.2 bar was reached and the pressure increase rate (dp/dt) did not reach the maximum value (~59 bar/s). The explosion developed very slowly. The small volume of the tank, combined with the relatively low (in relation to the lycopodium dust explosion) rate of pressure increase (dp/ dt) allowed the early application of extinguishing powder. Due to this the extinguishing effect was very strong. As shown in the presented chart (fig. 15), the reduced pressure has a very low value (1.88 bar) in comparison to the maximum explosion pressure (7.4 bar).

cz?sc proszku zostata wprowadzona do zbiornika i utworzyta mieszanin? gaszqcq wybuch. W tej fazie wybuch pytu rozwijat si? bardzo wolno w poröwnaniu do likopodium i szybciej w niz przy koncentracji skrobi 750 g/m3. Po 30-40 ms cisnienie osiqg -n?to chwilowq wartosc ~1,2 bar, a pr?dkosc wzrostu cisnienia (dp/dt) nie osiqgn^ta jeszcze wartosci maksymalnej (~59 bar/s). Wybuch rozwijat si? bardzo wolno. Niewielka obj?tosc zbiornika w potqczeniu ze stosunkowo (w relacji do wybuchu pytu likopodium) niewielkq pr^dkosciq narastania cisnienia (dp/dt) pozwolity na podanie proszku gasniczego odpowiednio wczes -nie. Dzi?ki temu efekt gaszenia byt bardzo silny. Jak widac na prezentowanym wykresie (ryc. 15), cisnienie zredukowane ma bardzo niskq wartosc (1,88 bar) w poröwnaniu do maksymalne -go cisnieniu wybuchu (7,4 bar).

M- —1-{-

Î4

1

M- I_ _ _ a»

14 1

—f-

»I

•vUVi IhmwwtO.

«

s

X

5 u—

"5 u— —f—

f

& II - J_

»I Î - r— LU II •■'I-

a 1 : ¥— S-

! i — ¥ a- -] — — V

11-M- « N S

03» H № f n X H s « « 9 t * p- 1T fl W in 1« H gg m >W 0 W »1 « w №

t.f- l->l

Figure 15. Reduction of explosion pressure at the concentration of combustible dust of starch 1500 g/m3 Rycina 15. Redukcja cisnienia wybuchu butlg HRD w stçzeniu pytu palnego skrobi 1500 g/m3 Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.

Discussion of methods and results

Taking into account the obtained results with the applied test equipment configuration, it can be concluded that the system becomes fully effective for dust types characterised by low pressure increase values, i.e. mainly St1 class dust for the lower pressure increase range. The share of dust types with such parameters is about 80%. An extreme case is lycopodium dust, which is between St1 and St2 classes, i.e. has a high value of pressure increase in time. For such dust, the assumed configuration of the extinguishing system is not as effective as expected, i.e. it is not possible to obtain a strong reduction of explosion pressure. The low volume of the test equipment and the ignition source used certainly contribute to this result. Due

Dyskusja nad metodami i wynikami

Majqc na uwadze uzyskane wyniki przy zastosowanej kon-figuracji urzqdzenia badawczego, mozna stwierdzic, ze system uzyskuje petnq skutecznosc dla pytow charakteryzujqcych siç niskq wartosciq przyrostu cisnienia, tj. gtownie pytow w klasie St1 dla dolnego zakresu przyrostu cisnienia. Udziat pytow o takich parametrach wynosi ok. 80%. Skrajnym przyktadem pytu jest likopodium, ktory praktycznie znajduje siç na granicy klas St1 i St2, tj. charakteryzuje siç wysokq wartosciq przyrostu cisnienia w czasie. Dla takich pytow zaproponowana konfiguracja systemu gasniczego nie wykazuje zaktadanej skutecznosci, tj. nie mozna uzyskac silnej redukcji cisnienia wybuchu. Z pewnosciq na taki wynik ma wptyw niewielka objçtosc aparatu badawczego oraz

to this, there is very little time to suppress the explosion after it is detected in comparison to dust types with low pressure increase values, despite the very short activation times of the extinguishing system. This can also be explained in another way. For a volume limited to Vogr >> 1 m3 the same explosion will have a greater distance to cover. This will translate into an increase in system effectiveness, as the larger volume would be made inert with the use of an extinguishing medium. An additional effect that can improve the response of the extinguishing system to explosions of dust types with high pressure increase values, is the possibility of changing the location of explosion detection or even increasing the number of sensors to select the optimum layout.

zastosowane zrodto zaptonu. Skutkuje to tym, ze od momentu wykrycia wybuchu do jego ugaszenia jest bardzo mato czasu w porownaniu do pytow o niskich wartosciach przyrostu cisnienia, pomimo bardzo krotkich czasow zadziatania systemu gasniczego. Mozna to takze wyjasnic w inny sposob. Mianowi-cie w przypadku objçtosci ograniczonej o Vog. >> 1 m3 taki sam wybuch bçdzie miat wiçkszq drogç do przebycia. Bçdzie to skut-kowac tym, ze efektywnosc systemu zwiçkszy siç, poniewaz wiçksza kubatura zostanie zinertyzowana srodkiem gasniczym. Dodatkowym efektem, ktory mogtby poprawic reakcjç systemu gasniczego w przypadku wybuchow pytow o wysokiej wartosci przyrostu cisnienia, jest mozliwosc zmiany lokalizacji detekcji wybuchu lub wrçcz zwiçkszenia liczby czujnikow w celu doboru optymalnego uktadu.

Summary and conclusions

Explosion suppression using the HRD extinguishing system in -volves stopping the combustion process inside the protected area. An effective suppression system should interrupt the developing explosion in such a way as to prevent the damage to the protected device caused by an increase in pressure (and also temperature - the secondary effect of the explosion). The suggested tests of HRD system performance involve determining the explosive parameters, i.e. Pmax and (dp/dt)max of the specific dust and then repeating the test with the use of the extinguishing system.

The conducted tests lead to the conclusion that the presented HRD system is characterised by an appropriate level of fire extinguishing performance for dust types with Kst < 100 bar • m/s. For potato starch dust, despite the increase in the said value, the system exhibits a constant performance in reducing pressure to the value of Peed < 2 bar, which can be regarded as a highly satisfactory result. It should also be mentioned that the mechanical components used in the system, which were subjected to loads, are characterised by a high me -chanical strength. As a result, further studies will not require frequent maintenance work, which is another proof of the high quality of the developed system.

Due to the limited volume of the test chamber (1 m3), further work on assessing the effectiveness of explosion suppression using an active system will involve:

- performing tests of the extinguishing system using dust with an increasing pressure growth value (dp/dt)max,

- using various locations of the ignition source and chang -ing the ignition source,

- determining extinguishing performance for constant explosive parameters of a given dust type as a function of pressure and extinguishing powder mass,

- actions aimed at reducing the detection threshold by eliminating the effect of a pressure surge generated at the moment of injecting dust to the test chamber.

Podsumowanie i wnioski

Ttumienie wybuchu przy pomocy systemu gasniczego HRD polega na zatrzymaniu procesu spalania w obszarze chronionym. Skuteczny system ttumiqcy powinien przerwac rozwijajqcy siç wybuch tak, aby nie doszto do uszkodzenia zabezpieczanego urzqdzenia wskutek wzrostu cisnienia (a takze temperatury - od -dziatywanie wtorne skutkow wybuchu). Zaproponowane badania skutecznosci dziatania systemu HRD polegajq na wyznaczeniu parametrow wybuchowosci, tj. Pmax i (dp/dt)max okreslonego pytu, a nastçpnie powtorzenia badan z zastosowaniem gaszenia.

Na podstawie przeprowadzonych badan mozna stwierdzic, ze zaprezentowany system HRD charakteryzuje siç wta-sciwym poziomem skutecznosci gasniczej w przypadku pytow o Kst < 100 bar • m/s. Dla pytu skrobi ziemniaczanej - mimo wzrostu ww. wartosci - system wykazuje statq skutecznosc w kwe-stii redukcji cisnienia do wartosci Peed < 2 bar, co mozna uznac za bardzo zadowalajqcy efekt. Nalezy takze wspomniec, ze uktady mechaniczne zastosowane w systemie, ktore zostaty poddane ob-ciqzeniom, charakteryzujq siç duzq wytrzymatosciq mechanicznq na uszkodzenia. Dziçki temu dalsze badania nie bçdq wymagac czçstych prac konserwacyjnych, co rowniez przektada siç na wy-sokq jakosc opracowanego systemu.

Z uwagi na ograniczonq objçtosc zastosowanej komory badaw-czej (1 m3) dalsze prace nad ocenq skutecznosci ttumienia wybu-chow przy pomocy systemu aktywnego bçdq ukierunkowane na:

- testy systemu gasniczego z zastosowaniem pytow o wzrastajqcej wartosci przyrostu cisnienia (dp/dt)max,

- zastosowanie roznego potozenia zrodta zaptonu oraz wraz ze zmianq zrodta zaptonu,

- oznaczenie skutecznosci gasniczej dla statych parame-trow wybuchowych okreslonego pytu w funkcji cisnien ia oraz masy proszku gasniczego,

- dziatania zmierzajqce do obnizenia progu zadziatania progu detekcji poprzez wyeliminowanie wptywu skoku cisnienia tworzqcego siç w momencie wtrysku pytu do komory badawczej.

Literature / Literatura

[1] Moore P.E., Suppressants for the control of industrial explosions, "Journal of Loss Prevention in the Process Industries" 1996, 9, 1, 119-123, https://doi.org/10.1016/0950-4230(95)00045-3.

[2] Taveau J., Vingerhoets J., Suppression of metal dust deflagrations, „Journal of Loss Prevention in the Process Industries" 2015, 36, 244-251, https://doi.org/10.1016/jjlp.2015.02.011.

[3] Sun Y., Yuan B., Chen X., Li K., Wang L., Yun Y., Fan A., Suppression of methane/air explosion by kaolinite-based multi-component inhibitor, „Powder Technology" 2019, 343, 279-286, https://doi.org/10.1016/j. powtec.2018.11.026.

[4] Song Y., Zhang Q., Quantitative research on gas explosion inhibition by water mist, „Journal of Hazardous" 2019, 363, 16-25, https://doi. org/10.1016/j.jhazmat.2018.09.059.

[5] Oleszczak P., Klemens R., Mathematical modelling of dust-air mixture explosion suppression, „Journal of Loss Prevention in the Process Industries" 2006, 19(2-3), 187-193, https://doi.org/10.1016/j. jlp.2005.05.013.

[6] Wang B., Rao Z., Xie Q., Wolanski P., Rarata G., Brief review on passive and active methods for explosion and detonation suppression in tubes and galleries, „Journal of Loss Prevention in the Process Industries" 2017, 49, Part B, 280-290, https://doi.org/10.1016/jjlp.2017.07.008.

[7] Klemens R., Szatan B, Gieras M., Wolanski P., Maranda P., inni, Suppression of dust explosions by means of different explosive charges, „Journal of Loss Prevention in the Process Industries" 2000, 13, 265-275, https://doi.org/10.1016/s0950-4230(99)00050-9.

[8] Klemens R., Gieras M., Kaluzny M., Dynamics of dust explosions suppression by means of extinguishing powder in various industrial conditions, „Journal of Loss Prevention in the Process Industries" 2007, 20, 664-674, https://doi.org/10.1016/jjlp.2007.04.021.

[9] Gieras M., Klemens R., Effectiveness of an active dust and gas explosion suppression system, „Journal of Power Technologies" 2012, 92 (1), 1-11.

[10] Barton J., Dust explosion prevention and protection: A practical guide, Gulf Professional Publishing 2002, https://doi.org/10.1021/ op020041a.

[11] Eckhoff R. K., Dust explosions in the process industries, Elsevier Science, 2003.

[12] Bartknecht W., Explosions, Course, prevention, protection, Springer Verlag, Berlin - Heidelberg - New York 1981.

[13] Bartknecht W., Dust explosions, Course, prevention, protection, Springer Verlag, Berlin - Heidelberg - New York 1989.

[14] Cross J., Farrer D., Dust explosions, Plenum Press, New York 1982, https://doi.org/10.1007/978-1-4615-6869-8_7.

[15] Eckhoff K., Dust explosions in the process industries, 3-th edition, Elsevier Science, 2003, https://doi.org/10.1016/b978-075067602-1/50003-2.

[16] Abbasi A., Dust Explosions-Cases, causes, consequences and control, Center for Pollution Control and Energy Technology, Pondicherry University, Pondicherry 605014, India, 2006.

[17] Siwek R., 2nd WORLD SEMINAR on the Explosion Phenomenon and on the Application of Explosion Protection Techniques in Practice, European Institute for Explosion Safety and Related Risks, 1996.

[18] PN-EN 14034-1+A1:2011 - Oznaczanie charakterystyk wybucho-wosci obtoköw pytu. Czçsc 1: Oznaczanie maksymalnego cisnienia wybuchu Pmax obtoköw pytu.

[19] PN-EN 14034-2+A1:2011 - Oznaczanie maksymalnej szybkosci na -rastania cisnienia wybuchu (dp/dt)max obtoköw pytu.

[20] PN-EN 14373:2006 - Systemy ttumienia wybuchu.

JUNIOR BRIG. PIOTR LESIAK, M.SC. ENG. - He graduated from the Main School of Fire Service in Warsaw in 2002. A graduate of engineering studies in Chemistry at the Military University of Technology, he completed his post-graduate studies in Business Process Safety at the Lodz University of Technology. He works at the Scientific and Research Centre for Fire Protection - National Research Institute in Józefów as a senior specialist at the Laboratory of Combustion Processes and Explosions.

DAMIAN BAK, ENG. - In 2013 he graduated from the Faculty of Production Engineering of the Warsaw University of Technology in the field of Mechanics and Machine Design. He is currently finishing his MSc studies in the field of Management and Globalised Production Engineering at the same university. He is currently a specialist at the Laboratory of Combustion Processes and Explosions at the Scientific and Research Centre for Fire Protection - National Research Institute in Józefów.

BRIG. DANIEL MAtOZIÇC, M.SC. ENG. - He graduated from the Main School of Fire Service in Warsaw. He is currently the Head of the Laboratory of Combustion Processes and Explosions at the Scientific and Research Centre for Fire Protection - National Research Institute in Józefów. Specialisation - combustion processes.

MARCIN GRABARCZYK, PH.D. ENG. - A graduate of the Faculty of Power and Aeronautical Engineering at the Warsaw University of Technology, former employee of the Scientific and Research Centre for Fire Protection - National Research Institute and the Institute of Aviation. He is currently in charge of patent procedures, commercialisation, product development in cybersecurity, and R&D project management at NASK- National Research Institute.

ANDRZEJ KOtACZKOWSKI, M.SC. ENG. - A graduate of the Warsaw University of Technology with over 30 years' professional experience. Director and head of the design team at ANKO, a company specialising in the construction of highly advanced measurement devices and test stations. Expert and advisor for international research and certification bodies, including TUV SUD.Author of multiple patents and over 100 designs of devices deployed to production.

ML. BRYG. MGR INZ. PIOTR LESIAK - W 2002 r. ukonczyt studia w Szkole Gtownej Stuzby Pozarniczej w Warszawie. Absolwent stu-diow inzynierskich na kierunku chemia w Wojskowej Akademii Tech-nicznej oraz studiow podyplomowych Bezpieczenstwo Procesow Przemystowych na Politechnice Lôdzkiej. Petni stuzbç w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpozarowej PIB w Jozefowie na stanowisku starszego specjalisty w Zespole Laboratoriow Pro-cesow Spalania i Wybuchowosci.

INZ. DAMIAN БДК - W 2013 r. ukonczyt studia na Wydziale Inzynierii Produkcji Politechniki Warszawskiej, kierunek Mechanika i Budowa Maszyn, obecnie konczy studia magisterskie na kierunku Zarzgdza-nie i Inzynieria Produkcji Zglobalizowanej tej samej uczelni. Pracuje na stanowisku specjalisty w Zespole Laboratoriow Procesow Spalania i Wybuchowosci w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpozarowej - PIB w Jozefowie.

BRYG. MGR INZ. DANIEL MALOZIÇC - Absolwent Szkoty Gtownej Stuzby Pozarniczej w Warszawie. Obecnie kierownik Zespotu Labo-ratoriow Procesow Spalania i Wybuchowosci w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpozarowej PIB w Jozefowie. Specjal-nosc - procesy spalania.

DR INZ. MARCIN GRABARCZYK - Absolwent Wydziatu Mechaniczne-go Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej, byty pracownik CNBOP-PIB oraz Instytutu Lotnictwa. Obecnie w NASK-PIB zaj-muje siç procesami patentowymi, komercjalizacjg oraz rozwojem produktow z zakresu cyberbezpieczenstwa, a takze zarzgdzaniem projektami typu B+R.

MGR INZ. ANDRZEJ KOLACZKOWSKI - Absolwent Politechniki Warszawskiej z ponad 30 letnim doswiadczeniem zawodowym. Dyrektor i szef zespotu projektantow firmy ANKO specjalizujgcej siç w budo-wie zaawansowanych urzgdzen pomiarowych i stanowisk badaw-czych. Ekspert i konsultant miçdzynarodowych instytucji badaw-czych i certyfikacyjnych w tym TUV SUD. Autor patentow i ponad 100 projektow wdrozonych do produkcji urzgdzen.

Mlnlsterstwo Naukl i Szikolniclwa Wyzsiego

Stworzenie anglojçzycznych wersji oryginalnych artykutów naukowych wydawanych w kwartalniku „BITP. Bezpieczeñstwo i Technika Pozarnicza" - zadanie finansowane w ramach umowy 658/P-DUN/2018 ze srodków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyzszego przeznaczonych na dziatalnosc upowszechniaj^c^ naukç.