Zündwirksamkeit von Ultraschall in explosionsfähigen Atmosphären

In internationalen Normen zum Explosionsschutz ist Ultraschall als eine von 13 Zündquellenarten beschrieben. Darin werden für Anwendungen von Ultraschall in explosionsgefährdeten Bereichen strenge Anforderungen gestellt, die jedoch allein auf theoretischen Abschätzungen in Analogie zu anderen, besser erforschten Zündquellen basieren. Zudem existieren zu diesen Abschätzungen keine verlässlichen Aufzeichnungen oder Veröffentlichungen. Auch ist unklar, wie die Einhaltung des derzeit gültigen Grenzwert messtechnisch nachgewiesen werden kann. Deshalb wird in der vorliegenden Dissertation die Zündwirksamkeit von Ultraschall in explosionsfähigen Atmosphären umfassend untersucht. Dabei wurden im Rahmen von theoretischen Überlegungen Worst-Case Bedingungen für Ultraschall in flüssigen und gasförmigen Ausbreitungsmedien entwickelt, die eine Zündung provozieren könnten und in experimentelle Versuchsanordnungen umgesetzt. Zündversuche in diesen Anordnungen haben erstmals gezeigt, dass Ultraschall tatsächlich als Zündquelle wirksam werden kann, wenn die akustische Energie von einem stark schallabsorbierenden Zielkörper in Wärme umgewandelt wird. Für Ultraschall in gasförmigen Medien konnten Schwefelstaub-Luft Gemische und Schwefelkohlenstoff-Luft Gemische gezündet werden. Als Worst-Case wurde dabei ein Ultraschallstehwellenfeld einer Frequenz von 20 kHz verwendet, wie es in der akustischen Levitationstechnik Anwendung findet. Unter dem Einfluss extremer Schalldruckpegel erwärmten sich Zielkörper aus porösen Festkörpern so stark, dass es zu einer Zündung an ihrer heißen Oberfläche kam. In Flüssigkeiten konnte einerseits gezeigt werden, dass hoch fokussierter Ultraschall im MHz Bereich explosionsfähige Atmosphären aus Dampf-Luft Gemischen niedriger Zündtemperatur zünden kann. Als Zielkörper zur Transformation der akustischen Energie in Wärme wurde in diesem Fall ein temperaturbeständiger Kunststoff verwendet. Andererseits kann akustische Kavitation als Zündmechanismus ausgeschlossen werden. Entsprechend der Untersuchungsergebnisse werden neue Anforderungen für den sicheren Betrieb von Ultraschallanwendungen in explosionsfähigen Atmosphären formuliert und diskutiert. In diesem Zusammenhang werden für Ultraschall in gasförmigen und flüssigen Medien jeweils neue Grenzwerte vorschlagen, die eine Anhebung gegenüber den derzeit gültigen um zwei Größenordnungen bei gleichem Sicherheitsniveau bedeuten.