Havadan hafif patlayıcı gazların kapalı ortamlarda birikme davranışının deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of the accumulating behavior of explosive gases with molecular weights less than air
Yazar: ÖZKAN KARATAŞ
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN COŞKUN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yangın ve Yangın Güvenliği Anabilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Gaz maddenin dört temel halinden biridir. Gazların yoğunluğu az, akışkanlığı son derece fazladır. Madde gaz galindeyken belirli bir şekli yoktur fakat hacmi vardır. Katı ve sıvıların aksine Gaz'ı oluşturan moleküller her yönde hareket edebilir, bulundukları kabın hacmini alırlar. Her oranda birbirleriyle karışabilen gazların oluşturdukları karışımlar homojendir. Hacimleri dolayısıyla yoğunlukları basınç ve sıcaklığa tabidir. 
Sanayi devriminin başladığı 1750 yılından itibaren gazlar endüstriyel üretim süreçlerinin girdisi, yarı mamulü veya çıktısı olmuşlardır. Üretim süreçlerinin herhangi bir anında kullanılan veya ortaya çıkan gazların sürekli kontrol altında tutulması gereklidir. İstenmeyen bir salınım veya kaza halinde ortaya çıkacak gazlar çalışanların ve tesislerin güvenliği açısından oldukça büyük risk teşkil etmektedir. 
Gazlar oluşturdukları risk gruplarına göre yanıcı/parlayıcı, zehirleyici veya durağan gazlar olarak adlandırılırlar. Yanıcı/parlayıcı gazların ortama salınması ve oluşan konsantrasyonun Alt Patlama Sınırını (LEL) geçmesi halinde çok büyük yıkımlar gerçekleşmektedir. Dünyadaki en büyük endüstriyel kazalar zehirleyici gazların ortama salınması sonucu oluşmuştur. İtalya'da Seveso ve Hindistan'da Bhopal kazaları bunlara örnek olarak gösterilebilir. Durağan gazlar zehirleyici veya patlayıcı olmamasına rağmen ortamdaki Oksijen miktarını azalttıkları için ani boğulmalara neden olabilmektedir. 
Tesislerdeki gaz dedektörlerinin yerleşimine rehberlik etmesi amacıyla TS EN 60079-10-1 ve TS EN 60079-29-2 standartları kullanılmaktadır. Yerleşim sırasında dikkat edilmesi gereken çok fazla kriter olmasına rağmen özellikle algılanacak gazın molekül ağırlığına, bölge sınıflandırmasına, gaz gruplarına, koruma metotlarına, ortam havalandırmasına ve sıcaklığına dikkat edilmelidir. 
Gaz algılama sistemlerinin seçimi ve yerleşimi kriterleri izlenirken en önemli konulardan biri gaz dedektörünün kaçan gazı en kısa zamanda algılayabilmesidir. Algılamanın en kısa zamanda gerçekleşmesi için gaz dedektörünün uygun yükseklikte konumlandırılması gereklidir. 
Havanın moleküler kütlesinden (28,97 g/mol) daha fazla ağırlığa sahip olan gazlar, kapalı bir alanda yer seviyesinde ve daha az moleküler ağırlığa sahip gazlar tavan seviyesinde birikme eğilimine sahiptirler. Genel kabul olarak havanın moleküler kütlesinden daha ağır gazların algılanması için gaz dedektörleri taban seviyesinden 20-30 cm yüksekliğine yerleştirilirler. Moleküler kütlesi havadan hafif gazların algılanması için ise tavan seviyesinin 20-30 cm aşağısında bir yerleşim yapılmaktadır. 
4 Hidrojen ve 1 Karbon molekülünden oluşan Metan gazı 16 g/mol ağırlığı ile havadan hafif patlayıcı bir gazdır. Genel kabullere göre ortamda salınan Metan gazının algılanması için gaz dedektörünün tavan seviyesinden 20-30 cm daha aşağıya yerleştirilmesi beklenmektedir. 
Bu tez çalışması ile havadan hafif patlayıcı gazların kaçak durumunda nasıl bir birikme davranışı sergileyecekleri metan gazı özelinde incelenmiştir. İncelemenin yapılması için özel bir kabin tasarlanmış ve içerisine farklı yüksekliklerde endüstriyel Metan gaz dedektörleri yerleştirilmiştir. 
%30 LEL ve %50 LEL konsantrasyonundaki gazlar ve farklı akış hızlarıyla gaz kaçağı modellenmiş ve sonuçlar kayıt altına alınmıştır. Sonuçlar incelendiğinde kabinin farklı yüksekliklerinde bulunan bütün gaz dedektörleri düzenli artan birikmeyi ortaya koymuştur. Birikme kabininin her noktasında olmakla birlikte her iki gaz konsantrasyonunda da tavan yüksekliği 150 cm olan kabinde 122 cm seviyesinde en yoğun gaz birikmesi oluşmuştur. Havadan hafif bir gazın birikmesinin yukarıdan aşağıya doğru azalması beklenirken deney sonuçları bu beklentinin doğru olmadığını, daha düşük yüksekliklerde göreceli daha yüksek gaz konsantrasyonlarının olabileceğini göstermiştir.

Abstract:
Gas is one of the 4 basic states of matter. The density of gases is very low and their fluidity is extremely high. Gas as state of the matter has no definite shape, but it has volume. Unlike solids and liquids gas molecules can move in all directions and fill the volume of the container they located. Gases can mix with each other no matter what gas are they and they build homogenous mixtures in every ratio. Their density is subject to pressure and temperature based on their volume.
Since the industrial revolution began in 1750, gases have been the input, semi-product or output of industrial production processes. It is necessary to keep under constant control the gases used or emerging at any moment of the production processes. The gases that will emerge in the event of an undesired release or accident pose a great risk for the safety of employees and facilities.
Gases are called flammable/explosive, toxic or asphyxiant gases according to the risk groups they create. Great destructions can occur in case flammable/explosive gases are released into the environment and the resulting concentration (LEL) exceeds the Lower Explosion Limit. The biggest industrial accidents in the world have occurred as a result of the release of toxic gases into the environment. Seveso in Italy and Bhopal accidents in India can be given as examples. Although inert gases are not toxic or explosive, they can cause sudden suffocation as they reduce the amount of Oxygen in the environment.
It is mandatory to take precautions regarding the risks arising from the gases as the use of gases increase in many industries. Various gases used in the process create poisoning and fire/explosion hazards. Gas detection systems should be used to keep these hazards under control. A gas detection system must be able to detect all potential hazards and give timely warnings so that necessary action can be taken.
Gas detection systems, which were needed for the first time in coal mines in England, have shown great change and progress until today. After the years when humans, canaries and mice were used as the first detection system, there were great technological developments in this field, especially after the 1950s.
Especially the development of sensor technologies produced very effective solutions can be used to detect gas leaks in industrial facilities. Although there are dozens of different sensor technologies for detecting the same gas, there is always a solution specific to the application where detection can be done best. In this respect, it is necessary to know these technologies very well in order to use suitable gas detection systems in the facilities. The most widely used sensor technologies today can be listed as Catalytic, Semiconductor, Infrared, Electrochemical and PID sensors.
The performance of a gas detection system depends on the following factors:
•The suitability of the selected detection technology.
•Number and location of detectors.
•Environmental conditions.
For the system to be properly designed, system performance must be defined taking into account the potential hazards in each processing unit. In-depth knowledge of processes and sensing technologies are necessary for correct design. In addition, it is necessary to ensure that the mechanical and electrical properties of the detectors are suitable for the environment and location in which they will be installed. When deciding on technologies to use, it is important to evaluate the potential for false alarms. False alarms can trigger emergency shutdowns which will pose a problem for process continuity. Performance certified detection systems can eliminate or minimize the possibility of false alarms and unwanted activations.
TS EN 60079-10-1 and TS EN 60079-29-2 standards are used to guide the placement of gas detectors in the facilities. Although there are many criteria to be considered during the settlement, attention should be paid to the molecular weight of the gas to be detected, the zone classification, gas groups, protection methods, ambient ventilation and temperature.
The most important issue of gas detection system is the selection and placement criteria of gas detection systems that can detect the escaping gas as soon as possible. In order to detect gas as soon as possible, the gas detector must be positioned at the appropriate height.
Gases weighing more than the molecular mass of air (28.97 g/mol) tend to accumulate at ground level in a confined space, and gases with less molecular weight at ceiling level. In general, gas detectors are placed at a height of 20-30 cm from the floor level in order to detect gases heavier than the molecular mass of the air. For the detection of gases with molecular mass lighter than air, a settlement is made 20-30 cm below the ceiling level.
Methane, consisting of 4 Hydrogen and 1 Carbon molecule, is an explosive gas lighter than air with a weight of 16 g/mol. It is expected that Methane gas would be accumulated at ceiling level. According to general practice, it is expected that the gas detector will be placed around 20-30 cm from the ceiling level in order to detect the methane gas released in the environment.
In this thesis, the accumulation behaviour of lighter-than-air explosive gases in case of leakage was investigated in particular for methane gas. A special cabinet was designed for the examination and industrial methane gas detectors at different heights were placed in it.
Gas leakage with 30% LEL and 50% LEL concentrations and different flow rates was modelled and the results were recorded. When the results were examined, all gas detectors located at different heights of the cabin revealed a regularly increasing accumulation. The most intense gas accumulation occurred at the level of 122 cm in both gas concentrations, although at every point of the accumulation cabinet. While it is expected that the accumulation of a light-than-air gas will decrease from top to bottom, the experimental results have shown that this expectation is not true and that relatively higher gas concentrations can be seen at lower altitudes.
Another important point for placement of detectors is environmental conditions including air current. In second example we tried to create air flow via using fan. Tests were performed with and without fan to understand air ventilation effect on gas accumulation. The results also show that fan has a positive effect dispersing the gas.