Feldversuche zur Ausbreitung von Propan als schweres Gas

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promet, Jahrg. 29, Nr. 1- 4, 112-116 (Juni 2003)
© Deutscher Wetterdienst 2003
M. HEINRICH, R. SCHERWINSKI
Feldversuche zur Ausbreitung von Propan als schweres Gas
1
Vorgeschichte
Dieser Bericht schildert Feldversuche aus den Jahren 1983 bis
1993 zur Ausbreitung von Propan, in Mengen wie sie bei
einem gravierenden Störfall in einem Propanlager zu
erwarten sind. Diese Versuche haben dazu beigetragen, dass
eine Richtlinie geschaffen wurde, mit der spektakuläre
Unfälle in der Umgebung von Lagern druckverflüssigter
brennbarer Gase seitdem vermieden werden konnten.
Ausgelöst wurde das erste der beiden zusammenhängenden
Forschungs- und Entwicklungsvorhaben (FE) durch einen
Auftrag an den damaligen Technischen Überwachungsverein
Norddeutschland e. V. (TÜV) zur sicherheitstechnischen
Beurteilung eines geplanten großen Flüssiggasterminals an
der deutschen Nordseeküste im Jahre 1981.
Neben den Prüfungen der Tanks, Armaturen und Leitungen
sollte auch die Frage geklärt werden, wie dicht Lagertanks an
eine vorhandene Wohnbebauung heranreichen dürfen. Als
kritischer Pfad wurde angenommen, dass durch Undichtigkeiten flüssiges Propan ohne Zündung austritt, sich mit der
Umgebungsluft vermischt und eine zündfähige Wolke bildet.
Wenn dieses Propan-Luftgemisch in den Heizungskeller eines
Wohnhauses eintritt, besteht die Gefahr einer Explosion.
Mit den üblichen Gauß-Modellen konnte die Ausbreitung der
zündfähigen Wolke nicht berechnet werden, weil Propan ein
sogenanntes schweres Gas darstellt, bei dessen Verdünnung
die Schwerkraft eine besondere Rolle spielt. Während bei
passiven (Tracer-) Gasen die Turbulenz der Atmosphäre allein
für die Verdünnung sorgt, finden abhängig von dem Dichteunterschied der Schwergaswolke zur umgebenden Luft zwei
gegenläufige Prozesse statt:
1. Die Schwerkraft sorgt für eine zusätzliche laterale Verdünnung.
2. An der Obergrenze der Schwergaswolke wird durch den
Dichtesprung die Verdünnung reduziert.
Ein weiteres Problem zur Bestimmung der Zündentfernung
(Abstand zwischen Quelle und der 2,1 % Konzentration des
Propans) war die Festlegung der Quellstärken, d. h. der
möglichen Austrittsmengen von Propan in einem Störfall.
Diese wurden durch zwei Überlegungen eingegrenzt.
Das spontane Bersten eines großen Lagertanks kann wegen
der zahlreichen und wiederkehrenden Material- und Druckprüfungen durch den TÜV praktisch ausgeschlossen werden.
Sehr kleine Löcher oder der Abriss von dünnen Prüfleitungen lassen Propan nur in Mengen austreten, bei denen an der
Quelle eine so starke Verdünnung stattfindet, dass der
Schwergaseffekt nicht auftritt und die untere Zündgrenze
von Propan von 2,1 % unterschritten wird.
Ausführliche Überlegungen legten den Bruch eines Rohres
mit einem Durchmesser von 50 mm als realistischen Störfall
zu Grunde, bei dem je nach den Druckverhältnissen in den
Behältern Austrittsmengen von 3-30 kg/s erwartet werden.
Zur Abschätzung der Zündentfernung für das geplante Terminal haben wir seinerzeit ein im TÜV entwickeltes einfaches
und anschauliches numerisches Gauß-Rechenmodell nach
HEINRICH (1998) herangezogen, in das ein zusätzlicher
Term eingebaut wurde, mit dem neben der turbulenten Verdünnung in y-Richtung eine von den Dichteunterschieden zu
benachbarten Volumenelementen abhängige laterale Vermischung durch die Schwerkraft berücksichtigt wurde.
Dieses Modell hatte die Eigenschaft, dass es bei größeren
Entfernungen in die übliche Tracergas Ausbreitung überging.
Normiert hatten wir es anhand einiger älterer Ausbreitungsexperimente. Obwohl unsere damaligen Berechnungen
überraschend gut mit den später im Feldversuch gemessenen
Zündentfernungen übereinstimmten, war klar, dass die
Kenntnisse über Schwergasausbreitung verbessert werden
mussten. Damit gelang es uns, das BMFT zur Finanzierung
eines FE zu dieser Problematik zu überzeugen.
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Da diese beiden Prozesse von dem Dichteunterschied innerhalb und außerhalb der Wolke abhängen, liegt hier eine
Rückkopplung vor, die mit den damals zur Verfügung stehenden Rechenverfahren nicht behandelt werden konnte.
Zur Klarstellung muss hier daraufhin gewiesen werden, dass
schwere Gase nicht durch ihr Molekulargewicht als solche
bezeichnet werden, sondern auch dadurch, dass sie dem obigen
Ausbreitungsmechanismus unterliegen.So kann auch Ammoniak,
dessen Molekulargewicht niedriger als Luft ist,bei der Freisetzung
aus der flüssigen Phase, bei der durch die Verdampfungskälte
das entstehende Gas-Luftgemisch schwerer als die umgebende
Luft wird,sich bei der Ausbreitung wie ein Schwergas verhalten.
Vorbereitungen
Nach Durchsicht der entsprechenden Literatur zeigte es sich,
dass zu dem damaligen Zeitpunkt nur wenige für uns
zugängliche Institutionen auf dem Gebiet der schweren Gase
forschten. Die Health and Safety Executive (HSE) in
Sheffield/UK hatte Experimente mit dem Ausströmen eines
nichtbrennbaren Gases aus einem Zelt durchgeführt, während die Shell LNG (verflüssigtes Erdgas) und LPG
(verflüssigtes Propan oder Butan) über See freigesetzt hatte.
Eine Unterstützung erhielten wir von den beiden Ansprechpartnern nicht. Von ihren Gasmessgeräten stellten sie nicht
einmal Ansichtsexemplare zur Verfügung.
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M. Heinrich, R. Scherwinski: Feldversuche zur Ausbreitung von Propan als schweres Gas
Zu Beginn der Versuche standen wir vor folgenden Problemen:
• Beschaffung eines etwa 5 ha großen ebenen Geländes weit
ab von Siedlungen,
• Bau eines Propanlagers mit speziellen Armaturen zur
mengenüberwachten Freisetzung aus der flüssigen Phase,
• Entwicklung und Bau von Propanmessgeräten,
• Beschaffung einer Datensammeleinrichtung,
• Beschaffung von meteorologischen Messgeräten,
• Aufstellung einer Strategie für die Versuchsabläufe,
• Entwicklung von zahlreichen EDV-Programmen zur
Datensammlung und Auswertung der Versuchsergebnisse.
Bei der Auswahl eines Versuchsgeländes stand uns die Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM) zur Seite, die uns ein
Gelände der Wehrtechnischen Dienststelle (WTD) der Bundeswehr bei Lathen im Emsland vermittelte. Hier erfuhren
wir eine große Unterstützung durch den geophysikalischen
Dienst der Bundeswehr insbesondere durch die Mitnutzung
eines hohen Mastes für Profilmessungen von Temperatur und
Windgeschwindigkeit. Der Nachteil des Geländes war, dass
wir es aus Sicherheitsgründen nicht bei allen Windrichtungen
benutzen konnten. Außerdem mussten wir es gelegentlich
räumen, wenn über unsere Köpfe hinweg Schießübungen
stattfanden.
Die Gasfreisetzungsanlage wurde nach unseren Vorstellungen von der Firma Elbe-Gas-Anlagen GmbH errichtet und
bestand u. a. aus zwei erdgedeckten Tanks zu je 100 m2, die je
90 t druckverflüssigtes Propan aufnehmen konnten. Ein
dritter Tank enthielt 100 m2 gasförmigen Stickstoff. Mit dem
Druck dieses Tanks wurde der Druckabfall in den Propantanks bei der Freisetzung größerer Mengen kompensiert, um
konstante Ausströmraten halten zu können. Über eine 200 m
lange unterirdische Rohrleitung wurde das flüssige Propan zu
der Freisetzungsstelle geleitet, so dass die Gebäude des
Lagers das Windfeld am Freisetzungspunkt nicht veränderten. Die Ausströmraten wurden über kalibrierte Messblenden erfasst und nach unseren Vorgaben über Stellventile in
zwei Bereichen von 0 - 10 kg/s und 0 – 70 kg/s gesteuert.
Da 1983 keine für einen Feldeinsatz geeigneten Propanmessgeräte zur Verfügung standen, mussten selbst Geräte
entwickelt werden. Es wurden zwei Gerätetypen konzipiert.
Das Aufwendigere der beiden Typen benutzte die starke
Absorptionsbande für Propan bei 3,7 µm. Der Herstellerfirma Sensorlab (München) wurde vorgegeben, dass die
Freiluftmessstrecke 0,5 m sein solle. Im nachhinein stellten
wir fest, dass diese nicht unbedingt notwendige Vorgabe die
Ursache einer Kette von Schwierigkeiten war. Die Länge
dieser Absorptionsstrecke machte es erforderlich aus dem
Zentrum der starken Bande auf eine Flanke auszuweichen.
Dadurch verschlechterte sich das Signal/Rauschverhältnis,
weil störende Bestandteile der Propangaswolke, wie
Wassertröpfchen und Eiskristalle gegenüber dem gasförmigen Propan zunehmend die angezeigte Absorption bestimmten.Auf diese Problematik wird noch ausführlicher eingegangen. Wegen der hohen Kosten dieser Infrarot Spektrometer
wurden nur 11 Stück in Auftrag gegeben.
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Die flächenhafte Erfassung der Propankonzentrationen in
Bodennähe erfolgte mit Wärmetönungssensoren der Firma
Auer. Die Sensoren bestanden aus einer Brückenschaltung
mit zwei Thermistoren in einem Zweig, bei dem eine Thermoperle mit einem Katalysator beschichtet war. Bei einer mäßigen Vorheizung dieser Perle verbrannten daran Kohlenwasserstoffe und erhöhten deren Temperatur. Dadurch
verstimmte sich die Brücke, weil der Widerstand der Perle bei
steigender Temperatur sank.
Zur Datensammlung wurde ein System der Firma Solartron
ausgewählt, mit dem jeweils 5 x 20 Analogeingänge parallel
digitalisiert und in etwa einer Sekunde über ein einziges
Koaxkabel auf einen IBM PC übertragen werden konnten.
Meteorologische Messgeräte für bodennahe Profile von
Windrichtung- und -geschwindigkeit sowie Temperatur
wurden uns vom meteorologischen Institut der Universität
Hamburg zur Verfügung gestellt.
Zur Strategie der Experimente gehörte zunächst die Festlegung der Quellkonfigurationen beim Austritt aus der flüssigen Phase. (Der Austritt von gasförmigem Propan spielt bei
Störfällen nur selten eine Rolle.) Auswertungen von Unfällen
mit Propan zeigten, dass alle Freisetzungen zwischen zwei
Extremen eingeordnet werden konnten:
1. Bei einem Leitungsabriss kann Propan mit vollem Austrittsimpuls in Windrichtung austreten. In diesem Fall
erreicht kein flüssiges Propan den Erdboden, da es unter
Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft schlagartig
verdampft. (siehe Abb. 1)
2. Wenn ein Behälter oder ein Leitung ein Loch unterhalb
der Erdoberfläche haben, wird der Austrittsimpuls
vernichtet und das Propan wird ungerichtet freigesetzt. In
diesem Fall bleibt etwa 30 % der austretenden Menge
tiefkalt und flüssig an der Austrittsstelle zurück. (Zur
Realisierung dieser Freisetzungsart siehe Abb. 2)
Wir realisierten diese beiden Freisetzungsarten einerseits
durch Rohrabschnitte verschiedener Durchmesser und
andererseits durch einen Zyklon (Fliehkraftabscheider), in
den das Propan tangential einströmte und in dem die Phasentrennung stattfand. Der gasförmige Anteil strömte ohne
Vorzugsrichtung durch Öffnungen am oberen Rand des
Zyklons ins Freie, während der flüssige Anteil durch Löcher
im unteren Rand in eine vorbereitete Auffangwanne floss.
Dieser Anteil verdampfte sehr langsam (in Stunden) und trug
daher nur unerheblich zur Gaswolke bei.
Folgender Versuchsablauf war typisch: Bei einer Hochdruckwetterlage begannen die Vorbereitungen für die Gasfreisetzung bei völliger Dunkelheit nachts zwischen 3 und 4 Uhr.
Nach Feststellung der Windrichtung wurden auf dem
Messfeld in Lee der Gasaustrittsstelle alle etwa 10 kg schweren Infrarot-Messgeräte und etwa 60 handliche Wärmetönungs-Messgeräte an Punkte eines vorher ausgemessenen
Rasters mit einem geländegängigen Fahrzeug ausgebracht,
aufgestellt und verkabelt. Die maximale Entfernung zur
Freisetzungsstelle betrug etwa 300 m.
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M. Heinrich, R. Scherwinski: Feldversuche zur Ausbreitung von Propan als schweres Gas
Nach dem Aufstellen der Propanmessgeräte wurden vorbereitet:
• eine schwenkbare Fernsehkamera zur Aufzeichnung der
Kontur der Gaswolke
• zahlreiche meteorologische Messgeräte zur Erfassung des
Temperatur- und Windprofils in Bodennähe
• Auswahl und Montage von Austrittsdüse oder Zyklon
• Gasfreisetzungsanlage
• Absperrung der Zuwegung zum Messfeld
Nicht selten machte jetzt eine unvorhergesehene Drehung
des Windes alle Vorbereitungen zunichte. Wenn aber alle für
die einzelnen Arbeitsbereiche zuständigen Mitarbeiter ihr
O.K. gegeben hatten, begann der Countdown für die Gasfreisetzung im ersten Dämmerlicht.
Propan selbst ist unsichtbar. Die sichtbare Wolke bestand aus
Wassertröpfchen und je nach Umgebungstemperatur auch
aus Eiskristallen, die beide durch Abkühlung der Umgebungsluft aus der Verdampfungskälte des flüssigen Propans
entstanden.
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Zündentfernungen
Zunächst haben wir nur Zündentfernungen, d. h. die Entfernungen zwischen der Freisetzungsstelle und der weitesten
Stelle mit einer Propankonzentration von 2,1 % (dem unteren Explosionspunkt) ermittelt. Es stellte sich schnell heraus,
dass Wassertröpfchen in den Wolken zu hohe Propankonzentrationen vortäuschten. Abhilfe schaffte ein Vlies, mit dem
wir um den Strahlengang des Messgerätes eine Röhre bildeten. Dadurch stieg jedoch die Zeitkonstante des Messgerätes
von 1 s auf etwa 10 s an. Um wieder auf die niedrige
Zeitkonstante zu kommen, wurden die IR-Geräte mit einem
zweiten Kanal außerhalb der 3,7 µm Bande versehen, mit
dem der Einfluß der Wassertröpfchen eliminiert werden
konnte. Laborversuche bestätigten unseren Denkansatz. Die
Absorption durch Wassertröpfchen war in beiden Spektralbereichen gleich und lies sich daher herausrechnen. Hierdurch konnte auf das Vlies verzichtet werden.
Ausgehend von dem Ausbreitungsverhalten von Tracergasen
hatten wir die Vorstellung, dass auch bei schweren Gasen die
Schichtung der Atmosphäre für die Zündentfernung von
großer Bedeutung sei. Um das zu prüfen, wurden Versuche in
einem möglichst weitem Bereich atmosphärischer Stabilität,
quantifiziert durch die Richardson Zahl (Ri), vorgenommen.
Die Richardson Zahl leitet sich aus den Profilen von
Temperatur und Windgeschwindigkeit in Bodennähe ab.
Freisetzungsart
Ausströmrate in kg/s
Gemessene Zündentfernung in m (FE)
VDI 3783 Bl 2 in m (WV)
Quotient FE/WV
Tab. 1:
Zyklon
2,5
69
89
0,78
Zyklon
6,0
125
126
0,99
promet, Jahrg. 29, Nr. 1- 4, 2003
Nach Auswertung der ersten Freisetzungsexperimente zeigte
sich eine fast lineare Abhängigkeit der Zündentfernung von
(Ri). Diesen Sachverhalt haben HEINRICH et al. (1998a)
veröffentlicht.
Prof. Schatzmann (Met. Inst. der Uni Hamburg) vertrat auf
Grund seiner Windkanalversuche eine klar gegenteilige
Meinung und veranlasste uns, nach einem Fehler in unserer
Messanordnung zu suchen. Daraufhin haben wir mit unseren
Zweikanal-IR-Geräten, die bei Raumtemperatur mit gasförmigem Propan kalibriert wurden, Untersuchungen bei Temperaturen in der Nähe des Gefrierpunktes angestellt, wie sie
in einer Propangaswolke an einem frühen Morgen herrschen.
Außerdem hatten wir analog zu unseren Feldexperimenten
Propan aus der flüssigen Phase verwendet, das nur durch die
nächtlich kalte Umgebungsluft verdampfte. Bei diesem Versuch stellte sich heraus, dass eindeutig zu hohe Propankonzentrationen angezeigt wurden.
In diesem Zusammenhang erinnerten wir uns an die Schneeablagerungen unter den ersten Metern der Düsenfreisetzungen. Offensichtlich werden durch die schockartige Abkühlung der Umgebungsluft beim Austritt flüssigen Propans
Eiskristalle gebildet, deren Größe in der Nähe der Wellenlänge der 3,7 µm Bande des Propans liegen. Nach der MieTheorie ist in diesem Fall zu erwarten, dass die Absorptionseigenschaften der Eiskristalle eine sprunghafte Funktion der
Wellenlänge sind und dass unser Ansatz zur Eliminierung von
Wassertröpfchen, der von einer nahezu wellenlängenunabhängigen Absorption ausgeht, für Eiskristalle nicht gilt.
Die vorgetäuschten weiten Zündentfernungen waren in
Wirklichkeit eine Funktion der Umgebungsluft in der Weise,
dass bei tiefen Temperaturen in der morgendlichen Inversion
der Anteil der Eiskristalle in der Wolke höher war, als bei
höheren Temperaturen und labilen Schichtungen tagsüber.
Bei den Wärmetönungsgeräten trat dieser Effekt nicht auf.
Als wir unsere Ermittlungen der Zündentfernungen auf diese
Geräte beschränkten, war nur noch ein schwacher Effekt der
Stabilität bei kleineren Ausströmraten von etwa 3kg/s zu
erkennen. Die Einwände von Prof. Schatzmann wurden
bestätigt und wir haben unserer ersten Veröffentlichung ein
Corrigentum nachgeschickt HEINRICH et al. (1989a).
Parallel zu unseren Messungen wurde eine VDI-Richtlinie
unter Mitwirkung von Prof. Schatzmann erarbeitet, mit der
Sicherheitsabstände aufgrund von Windkanalversuchen
abgeleitet werden sollten. HEINRICH et al. (1989b) haben in
Tab. 1 einen Vergleich zwischen den Feldexperimenten und
den Ergebnissen der VDI-Richtlinie 3783 (Gründruck) und
unseren Ergebnissen angestellt.
Zyklon
30
208
242
0,86
Düse
2,5
85
105
0,81
Düse
6
138
148
0,93
Düse
30
238
283
0,84
Vergleich der aus Feldexperimenten (FE) abgeleiteten Zündentfernungen mit Ergebnissen aus der entsprechenden VDI-Richtlinie, die aus
Windkanalversuchen (WV) abgeleitet wurden.
promet, Jahrg. 29, Nr. 1- 4, 2003
Abb. 1:
M. Heinrich, R. Scherwinski: Feldversuche zur Ausbreitung von Propan als schweres Gas
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Typisches Bild einer impulsbehafteten Ausströmung aus einer Düse mit 6 kg/s flüssigem Propan. Gut zu erkennen ist „head
and tail“. Diese Form der Wolke bleibt beim Voranschreiten so lange erhalten, wie Gas nachströmt.
Unsere einzelnen Versuche wurden in HEINRICH et al.
(1988b) ausführlich beschrieben.
4
Hindernisse
1988 legte die Europäische Gemeinschaft (EG) ein Forschungsprogramm „Major Technological Hazards“ auf, mit
dem Ziel, Industrieunfälle zu vermeiden. Ein Unterprogramm
behandelte „Research on Continuous and Instantanious
Heavy Gas Clouds“, und passte damit genau zu unseren
Versuchen.Wir wurden Teil eines Verbundes von europäischen
Wissenschaftlern, die das Verhalten von schweren Gasen
untersuchten. Besonders mit dem dänischen Risø National
Laboratory aus Roskilde entwickelte sich eine fruchtbare
Zusammenarbeit auf unserer Versuchsanlage bei Lathen.
Allerdings haben unsere dänischen Kollegen ihren Schwerpunkt auf die Untersuchung der Konzentrationsfluktuationen in einer Schwergaswolke gelegt. Ihre Ergebnisse
haben HEINRICH et al. (1991) und NIELSEN (1998)
veröffentlicht.
Im Sinne unseres Bestrebens, möglichst praxisnahe, direkt
verwertbare Experimente durchzuführen, haben wir die
Auswirkungen einer 2 m hohen Wand auf die Ausbreitung
Abb 2:
Impulsfreies Ausströmen lässt sich von der Seite nur
schlecht fotografieren, weil sich die Wolke meist
kreisförmig ausbreitet. Die Abbildung zeigt den
Zyklon (Fliehkraftabscheider) zur Phasentrennung.
Das flüssige Propan wird (hinten) tangential eingeführt. Aus den unteren kreisförmigen Löchern strömt
die tiefkalte flüssige Phase in den Auffangraum, in dem
noch eine kleine Lache einer früheren Freisetzung zu
sehen ist. Die gasförmige Phase tritt aus den oberen
rechteckigen Öffnungen aus.
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M. Heinrich, R. Scherwinski: Feldversuche zur Ausbreitung von Propan als schweres Gas
von Propangaswolken untersucht, da wir aus den vorherigen
Versuchen beobachtet haben, dass diese Höhe bereits
ausreichen müsste, um Propangaswolken zu leiten.
Bei früheren Experimenten mit schweren Gasen von anderen
Experimentatoren sind auch Einflüsse von Hindernissen
untersucht worden; allerdings ging deren Auf- und Abbau so
langsam,dass sich die atmosphärischen Bedingungen zwischendurch längst geändert hatten und ein Vergleich der Konzentrationsfelder mit und ohne Hindernissen nicht möglich war.
Wir haben daher unsere dänischen Partner gebeten, 2 m hohe
Hindernisse zu konstruieren, die mit einem speziellen Mechanismus schlagartig niedergerissen werden konnten.
An Pfosten in Abständen von 2,4 m wurden durch zwei
Latten 2 m hohe Segeltücher aufgespannt. Mit einem ausgeklügelten Mechanismus konnte das Hindernis innerhalb
weniger als 5 s beseitigt werden. So konnten Propangaskonzentrationen mit und ohne Hindernis direkt verglichen
werden, weil in dieser Zeit die meteorologischen Verhältnisse
nahezu konstant blieben.
Wir konnten feststellen, dass auch mit einem nur 2 m hohen
Hindernis der Gaswolke der Weg verlegt werden kann.
Ferner haben die Profilmessungen unserer dänischen
Kollegen gezeigt, dass der Segeltuchzaun Wirbel bildet, die
das Schwergas wesentlich verdünnen.
Mit unseren Experimenten konnte die Skalierung von
Windkanalversuchen zur Ausbreitung schwerer Gase auf
eine sichere Grundlage gestellt werden, siehe dazu KÖNIGLNGLO und SCHATZMANN (1989). Damit sind die
Aussagen der VDI-Richtlinie 3783 (1990) experimentell
verifiziert worden.
promet, Jahrg. 29, Nr. 1- 4, 2003
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HEINRICH, M., E. GEROLD, P. WIETFELDT, 1988b: Praxisgerechte
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Technischer Überwachungs -Verein Norddeutschland e. V., BMFT
326-7591-01-RG 8402, Hamburg, März, 116 S.
Anschrift der Autoren:
Dr. Manfried Heinrich
Sachverständiger des TÜV Nord a. D. und freier Mitarbeiter
Memeler Straße 6A
25421 Pinneberg
E-Mail: [email protected]
Dipl.-Phys. Ralf Scherwinski
Sachverständiger des TÜV Nord,
Umweltschutz GmbH & Co KG
Große Bahnstraße 31
22525 Hamburg
E-Mail: [email protected]