Der Betriebsleiter 7-8/2016

FERTIGUNGSTECHNIK
wird. Was aber, wenn der Prozess anders
verläuft als geplant und das nicht geschieht?
Dann entweicht die Druckluft
schlagartig, wenn das Werkzeug öffnet. Befinden
sich Personen in der Umgebung der
Anlage, können sie dadurch gefährdet sein
und möglichweise verletzt werden. Um das
zu verhindern, sollte an der Anlage eine Sicherheitsvorrichtung,
eine sogenannte
Schürze, montiert werden. Das könnte beispielsweise
eine Metallplatte oder eine
Plexiglasscheibe sein. Sie soll die direkte
Umgebung schützen, indem sie den austretenden
Luftstrom nach unten ablenkt.
Welche Kräfte wirken im
Störfall?
Mit Hilfe gasdynamischer Berechnungen ermittelten
Sachverständige von TÜV SÜD Industrie
Service, welchen Kräften die Schürze
und ihre Befestigungspunkte im Störfall
standhalten müssen. Hierbei sind zwei Größen
von zentraler Bedeutung: zum einen die
Strömungsgeschwindigkeit, mit der Luft aus
dem Werkzeug entweicht, und zum anderen
der Luftmassestrom, also die Menge des austretenden
Gases. Beide Größen verhalten
sich dabei instationär, während das Werkzeug
öffnet und erreichen ihr Maximum zeitversetzt:
Unmittelbar nach dem Öffnen ist
die Strömungsgeschwindigkeit am höchsten,
da zu diesem Zeitpunkt die größte
Druckdifferenz zwischen dem Inneren des
Werkzeugs und der Umgebung herrscht.
Gleichzeitig ist der austretende Luftmassestrom
noch gering, da er vom Strömungsquerschnitt
abhängig ist, also der Spaltbreite,
durch die die Luft austreten kann. Mit zu-
nehmender Spaltbreite und größer werdendem
Strömungsquerschnitt nimmt der
Luftmassestrom somit zunächst zu.
Begrenzt wird die Austrittsgeschwindigkeit
durch die Schallgeschwindigkeit.
Sie ist eine Funktion
von Druck und Dichte des eingeschlossenen
Gases. Im vorliegenden
Fall beträgt sie 340 m/s. Diese
Austrittsgeschwindigkeit liegt solange
vor, bis das kritische Druckverhältnis,
bei dem Ma = 1 gilt (1),
unterschritten wird. Danach sinkt
die Austrittsgeschwindigkeit zwar
ab, während gleichzeitig jedoch die
Austrittsöffnung größer wird und der
austretende Luftmassestrom noch weiter
zunehmen kann, bis schließlich die Strömungsgeschwindigkeit
und damit auch der
Luftmassestrom den Wert Null erreichen.
Die Überlagerung dieser gegenläufigen
Prozesse ist nur mittels fluiddynamischer
Simulation realistisch zu erfassen, die im
Ergebnis zeigt: In weniger als einer Sekunde
entweicht die gesamte Luft vollständig
und prallt auf die Schürze.
Anlagen sicher betreiben
Mit der fluiddynamischen Simulation lagen
alle notwendigen Informationen vor, um
anhand des Impulserhaltungssatzes anschließend
zu berechnen, welche Strahlkräfte
auf die Schutzkonstruktion einwirken.
Aus den Ergebnissen konnten die Planer
und Konstrukteure nun ableiten, wie die
Schürze und ihre Verankerung dimensioniert
sein müssen, um die geforderte Sicherheit
– auch im Störfall – zu gewährleisten.
Auf den
Punkt gebracht
Um zu gewährleisten, dass auch im Störfall
keine Gefahr von einer Anlage ausgeht,
sollten die kritischen Zustände im System
modelliert, simuliert und analysiert werden.
Grundlage hierfür sind in erster Linie die
sogenannten Gasgesetze, die die physikalischen
Eigenschaften beschreiben. Aus
diesen lassen sich durch Berechnungen
wichtige Schutzmaßnahmen
ableiten.
Durch die Einbindung von unabhängigen
Dritten hat zudem auch der Betriebsleiter
die Gewissheit, dass die Anlage sicher ausgelegt
wurde. So wurden die gasdynamischen
Berechnungen und Simulationen genutzt,
um potenziellen Gefahren effektiv zu
begegnen.
(1) Die Machzahl Ma ist der Quotient aus Strömungsgeschwindigkeit
und Schallgeschwindigkeit.
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