Ausgewählte Berechnungsmodelle zur Beschreibung von ...· Sowohl die Menge als auch die Charakteristik

  • View
    235

  • Download
    1

Embed Size (px)

Text of Ausgewählte Berechnungsmodelle zur Beschreibung von ...· Sowohl die Menge als auch die...

Rechnerische Beschreibung betrieblicher Gefahrstoffexpositionen - Ergnzende Erluterungen

Ausgewhlte Berechnungsmodelle zur Beschreibung vonGefahrstoffexpositionen an Arbeitspltzen

- Ergnzende Erluterungen -

F. Pillar

Bei der Gefhrdungsbeurteilung von Ttigkeiten mit Gefahrstoffen drfen nach GefStoffV [1] Berechnungs-modelle zur Expositionsabschtzung angewendet werden. Neben sog. generischen Expositionsmodellen (z.B.EMKG - Einfaches Manahmenkonzept Gefahrstoffe [2]) haben sich zur Expositionsermittlung im Arbeits-schutz Modellkonzepte etabliert, die einzelne physikalische Vorgnge realittsbezogen und ohne Kategorisie-rung beschreiben.Neben den im Arbeitsschutz bekannten Modellen nutzen andere ingenieurwissenschaftliche Bereiche Modelle,mit denen ebenfalls entsprechende Gren (z.B. Luftkonzentrationen) abgeschtzt werden knnen. Je nachKonzeption ist ein Einsatz ggf. auch fr Betrachtungen des Arbeitsschutzes denkbar.

Das vorliegende Manuskript ergnzt die in Druckfassung erschienene Verffentlichung Ausgewhlte Berechnungs-modelle zur Beschreibung von Gefahrstoffexpositionen an Arbeitspltzen (Zeitschrift Gefahrstoffe - Reinhaltungder Luft, VDI-Springer-Verlag, Ausgabe Oktober 2014). Die Erluterungen ergnzen die dortige Zusammenfas-sung mit weiterfhrenden Informationen zu den zugrundeliegenden physikalischen Ablufen und Detaillierungender aufgefhrten Modelle.

Inhaltsverzeichnis1 Einleitung 3

2 Vorgnge des stofflichen Transports 42.1 Vorgnge der Stoffemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Vorgnge der luftgetragenen Stoffausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3 Vorgnge der Stoffimmission und -resorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Modelle zur rechnerischen Expositionsabschtzung 113.1 Spezifizierung der stoffbezogenen Gefhrdungsbeurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2 Informationsermittlung und -strukturierung: Arbeitssystem-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3 Emissionsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3.1 Unmittelbare Abschtzung von Emissionsstrmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.3.2 Modell zur Gas-Emission aus Behltern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3.3 Verdunstungs- und Verdampfungsmodelle fr Flssigkeitsoberflchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4 Ausbreitungsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4.1 Diffusionsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.4.2 Zonenmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.4.3 Modell des Freistrahls (Strahlgesetze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.4.4 Abschtzung des dichtebedingten Auf- bzw. Abtriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.5 Methodische Anmerkung zu kombinatorischen Expositionsmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.6 Generische Expositions-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.7 Konzepte zur Bewertung von Gefahrstoffkonzentrationen am Arbeitsplatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.7.1 Mathematische Grundbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.7.2 Methodische Anmerkung: Detaillierung der Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4 Ergnzende Anstze: Brandschutzingenieurmodelle zur Rauchausbreitung 404.1 Handrechenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.1.1 Plume-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.1.2 Ceiling-Jet-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.1.3 Modelle zur Entrauchung ber Raumffnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.1.4 Zusammenfassung Handrechenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2 Computerbasierte Rechenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.2.1 Konzept der Zonenmodelle am Beispiel CFAST (Version 6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.2.2 Feldmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

1

Rechnerische Beschreibung betrieblicher Gefahrstoffexpositionen - Ergnzende Erluterungen

bersicht verwendeter Symbole und Formelzeichen

AEm [m2] allgemeine EmissionsflcheAff [m

2] ffnungsflche BehlterAi [m2] Oberflche Flssigkeit iAr [] Archimedes-ZahlCD [] Koeffizient ffnungscharakteristikc [mg/m3] StoffkonzentrationcP [kJ/(kg K)] spezifische isobare WrmespeicherkapazittcP, [kJ/(kg K)] spezifische isobare Wrmespeicherkapazitt UmgebungsluftDi,g [cm2/s] Diffusionskoeffizient Stoff i in UmgebungsluftDi [m2/h] Diffusionskoeffizient Stoff i in Umgebungsluftd [m] Durchmesser EmissionsdseH [m] horizontaler Abstand Strmungshindernis zu BrandflcheGW [mg/m3] Grenzwert BewertungGWkorr [mg/m3] korrigierter Grenzwert Bewertungg [m/s2] Erdbeschleunigungg [m/s2] dreidimensionales Erdbeschleunigungsfeld (Vektordarstellung)k [cm/s] StofftransportkoeffizientM [g/mol] Molare StoffmasseMi [g/mol] Molare Stoffmasse Flssigkeit im [] Mischzahlm [g/s] StoffmassenstrommBG,i [kg/s] Stoffmassenstrom gasfrmige Behlter-EmissionmP [kg/s] Rauchmassenstrom in Plume-Mittelachsemi [g/h] Emissions-Massenstrom Verdunstungmi,A [g/(cm2 s)] flchenbezogener Emissions-Massenstrom Verdunstungmi,Di f f [mg/h] Emissions-Massenstrom diffundierender Stoffmi,Em [mg/h] Emissions-Massenstrom Stoff imV (t) [kg/s] zeitabhngiger Emissions-Massenstrom Verdampfung bzw. Sublimationn [mol/s] Stoffmolstromp [Pa] lokaler Druckpatm [Pa] Umgebungsdruckpe,i [kPa] Sttigungsdampfdruck Flssigkeit ipevap,i [Pa] Sttigungsdampfdruck Flssigkeit ipB [Pa] Behlterdruckp [Pa] UmgebungsdruckppmA [ppm = ml/m3] Konzentration Stoff A in UmgebungsluftQ [kW ] Wrmefreisetzungsrate BrandherdQ(t) [kJ/(m2 s)] zeitabhngige Wrmestromdichte auf OberflcheR [(Pa m3)/(mol K)] allgemeine Gaskonstanter [m] Betrachtungsabstand Diffusion zu Emissionspunktrrad [m] radialer Abstand Betrachtungspunkt zu Plume-MittelachseSc [] Schmidt-ZahlT [K] UmgebungstemperaturT [K] Temperatur UmgebungsluftTV [K] Verdunstungs- (bzw. Flssigkeits-) TemperaturTmax [K] maximale Rauchtemperatur in Ceiling Jett [s] Einwirkungsdauer bzw. Zeit (allg.)t0 [h] Zeitpunkt Emissionsbeginnt1 [h] BetrachtungszeitpunkttBezug [h] Bezugsdauer GrenzwerttExposition [h] Expositionsdauertgesamt [h] Gesamt-Expositionsdauer (Summe Einzelexpositionen)u [m/s] Strmungsgeschwindigkeit Rauch in Plume-Mittelachseumax [m/s] maximale Strmungsgeschwindigkeit in Ceiling JetV [m3/s] Volumenstrom StoffVair [m3/h] Volumenstrom Zu- bzw. Abluft BetrachtungsraumVem [m3/s] Emissions-VolumenstromVx [m3/s] abstandsabhngiger Volumenstrom in Freistrahl-MittelachseVA,liq [m3] Volumen Flssigkeit AVR [m3] Volumen Betrachtungsraumv [m/s] dreidimensionales Geschwindigkeitsfeld (Vektordarstellung)vA [m/s] Emissionsgeschwindigkeit durch Emissionsflche Avair [cm/s] Luftgeschwindigkeit oberhalb der Flssigkeitsoberflcheva [m/h] Luftgeschwindigkeit oberhalb der Flssigkeitsoberflchevx [m/s] Strmungsgeschwindigkeit in Freistrahl-Mittelachsev0 [m/s] Strmungsgeschwindigkeit Emission

2

Rechnerische Beschreibung betrieblicher Gefahrstoffexpositionen - Ergnzende Erluterungen

W [(mg s)/m3] biologische WirkungX [m] Lnge Flssigkeitsoberflchex [m] Abstand Betrachtungs- zu Emissionspunkt auf Freistrahl-Mittelachsex0 [m] Kernlnge FreistrahlxMittel,t [mg/m3] zeitlich gewichtete, gemittelte Luftkonzentrationxi [] Molenbruch Komponente i in Flssigkeitxi,Exp [mg/m3] ortsabhngige Luftkonzentration Expositionxi,m [mg/m3] volumengemittelte Luftkonzentration Stoff ix(r, t) [mg/m3] zeit- und abstandsabhngige Stoffkonzentration in Luft durch DiffusionZ [m] Betrachtungshhe in Plume-MittelachseT [K] Differenz Rauch- zu Umgebungstemperatur in Plume-Mittelachsehc [kJ/kg] VerdampfungsenthalpiehSub [kJ/kg] Sublimationsenthalpiez [cm] Lnge Luft-Flssigkeits-Grenze in Strmungsrichtung [g/(cm s)] dynamischen Viskositt Umgebungsluft [] Isentropenexponenti [] Aktivittskoeffizient Komponente i in Flssigkeit [W/(m K)] spezifische WrmeleitfhigkeitR [1/h] Luftwechselzahl Betrachtungsraum [kg//m s)] dynamische Viskositt [m2/h] kinematische Viskositt Umgebungsluft [g/m3] Stoffdichtel [kg/m3] lokale Stoffdichtei [g/m3] Stoffdichte Gas iA,liq [g/l] Dichte Flssigkeit A [g/l = kg/m3] Dichte Umgebungsluft [] Formalsymbol zur Gradientendarstellung [] Operator zur Darstellung partieller, dreidimensionaler Ableitungsfunktionen [] Formalsymbol zur Darstellung zeitlicher nderungen

1 Einleitung

Zur Ermittlung und Bewertung stoffspezifischer Gefhrdungen stehen fr betriebliche Arbeitsschutz-Betrachtungen

gem Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) [1] mit Messverfahren, Analogiebetrachtungen und Berechnungsmodel-

len1 verschiedene Anstze zur Verfgung. Rechnerische Betrachtungen ermglichen die Ableitung von Schutzma-

nahmen fr Beschftigte ohne empirische Messung der Arbeitssituation vor Ort.

In der Diszipli