t o v o t 1 = t o v 1 = 2.v o t 2 = t o v 2 = 2.2.v o = 2 2.v o t 3 = t o v 3 = v o = 2 3.v o

Transkript

1 Brandschutzforum Austria Zündtemperatur Verbrennungs- und Löschvorgang Teil 3 Oxidationsgeschwindigkeit (v) Temperatur (t) Oxidation mit Feuererscheinung (glimmen, glühen, verbrennen) Zündtemperatur Oxidation ohne Feuererscheinung (gären, rosten, verwesen) copyright by Dr. Otto Dr. Widetschek, Otto Widetschek Graz owid Zündtemperatur Die Zündtemperatur (Zündpunkt) ist diejenige Temperatur, auf die man einen Stoff oder eine Kontaktoberfläche erhitzen muss, damit sich eine brennbare Substanz (Feststoff, Flüssigkeit, deren Dämpfe oder Gas) in Gegenwart von Luftsauerstoff ohne Zündfunken ausschließlich aufgrund seiner Erhitzung also ohne Zündquelle selbst entzündet. Van t Hoffsche Regel (1) Temperatur- erhöhung hung um Grad (Δt( = C) Verdoppelung der Oxidationsge- schwindigkeit (v) t o v o t 1 = t o + 1. v 1 = 2.v o t 2 = t o + 2. v 2 = 2.2.v o = 2 2.v o t 3 = t o + 3. v 3 = v o = 2 3.v o t n = t o + n. v n = 2 n.v o Oxidationsgeschwindigkeit v v 3 v 2 v 1 v o 0 Δt Δt Δt t o t 1 t 2 t 3 n = Temp. t Van t Hoffsche Regel (2) BEISPIEL: v n = v o. 2 n Anstieg der Oxidationsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung von Null auf 0 C? Δt = C, n = 0 C/ C =, v n = 2 n.v o = 2.v o = v o Van t Hoffsche Regel (3) n n , Vielfaches von v (2 n ) v = v o.2 n 1 5 n 1

2 Zündpunkt von Holz Zündpunkt: Jene Temperatur, bei welcher eine selbständige Zündung eines brennbaren Stoffe erfolgt (Einwirkdauer im Bereich von wenigen Minuten). 20 C Fichtenholz Wichtige Zündpunkte Braunkohle C Papier C Polyethylen C Benzine C Acetylen C Butan C Methan... ca. 600 Kerzenflamme & Rauch Brandrauch (Aerosole, Gase, Ruß) Flamme Gaszone (Paraffin-Moleküle) Glühzone (H, C, Bruchstücke) Verbrennungszone (Oxidation) Kerze (Paraffin) Kohlenwasserstoff Temperatur ca. 500 Brandentwicklung Entzündung ndung Flash over Hitze! Schwelbrand Entstehungsbrand Zeit/Raum Vollbrand Flamm- und Glutbrand Glut Feuer Flammen Gase, Dämpfe Klasse A B C D F Brandklassen Art der Brände Brände fester Stoffe, haupts Rauchgase! Fest- stoffe Flüssig ssig- keiten Bildzeichen hauptsächlich organischer Natur, normalerweise glutbildend, z. B. Holz, Textilien, Kohle, Duroplaste, Elastomere Brände flüssiger oder flüssig werdender Stoffe, z. B. Benzin, Diesel- und Heizöl, andere Öle (mit Ausnahme BKl.. F), Alkohole (polare Flüssigkeiten) Thermoplaste (PVC, PE) Brände von Gasen, z. B. Methan (Erdgas), Propan und Butan (Flüssiggase), Wasserstoff, Ethylen sowie Acetylen (Achtung: Gefahr der Selbstzersetzung!) Brände von Metallen, z.b. Natrium, Kalium, Aluminium, Magnesium und Legierungen (Achtung: beim Wassereinsatz Reaktions- und Knallgasgefahr!) Brände von Speiseölen und fetten, pflanzliche oder tierische Öle und Fette in Frittier- und Fettbackgeräten ten und anderen Kücheneinrichtungen K by Dr. Otto Widetschek, (Achtung: GrazFettexplosion!) owid 2

3 Feuerdreieck Brandklasse A Luft Holz Chemikalie Sauerstoff Zündquelle richtiges Mengenverhältnis Brennstoff Wärme Beispiele Textilien Duroplaste Brandklasse B Brandklasse C Methan Benzin Diesel, Heizöl Alkohol Brandklasse D PKW-Brand, Mg-Legierungen Kalium Elastomere Beispiele Thermoplaste Beispiele Flüssiggas Wasserstoff Acetylen Beispiele Natrium Film: Demonstrationsbrand an einem PKW mit Löschversuch (Wasser) Magnesium Aluminium 3

4 Brandklasse F Sauerstoff Beispiele Luft O 2 Flasche Verbrennungsgefahr F-Löscher Chemikalie Fettexplosion Löschversuch Brandförderung Brandförderung von O 2 Sauerstoff brennt nicht, sondern fördert die Verbrennung glimmender Span Entzündung (Flamme) Luft Sauerstoff Brandförderung von O 2 Zündquellen (Wärme) Beispiele: Heißarbeiten Heiße Oberflächen Elektrizität Offene Glut & Flammen Funken Pyrotechn. Gegenstände 4

5 Temperaturen (Beispiele) heiße Oberfläche C Reibung (heißes Lager) C Glut (Zigarette) C Flamme (Streichholz) C Reib- und Schlagfunken C Glut (Schweißperlen) C Weißglut (glüh. Eisen) C Der Zündvorgang Schematische Darstellung: Gewinnbare Energie Schaukelnde Kugel (Molekül) Katalysatoren Durch Anwesenheit bestimmter Substanzen (Radikale) wird die Aktivierungsenergie reduziert! Aktivierungsenergie Energieberg Katalytische Wirkung Beispiel: Zucker Katalysator (Asche) Molekül Reduzierte Aktivierungsenergie Katalytischer Effekt Würfelzucker brennt nicht! Verbrennung ist möglich! Radikalbildung (schem.) Phase 1 Phase 1 Kettenreaktion (schem.) 1. Generation 2. Generation 3. Generation 4. Generation Beispiel: Verdoppelung der Reaktionspartner (Radikale) Brennstoff- bzw. Sauerstoffmolekül Radikal (R) Radikal (R1) Radikal (R2) Brennstoffmolekül Bei der Reaktion zwischen Brennstoff- bzw. Sauerstoffmolekülen und Radikalen (angeregte Atome bzw. Moleküle) kommt es zur Freisetzung von Energie (Wärme) und der Bildung weiterer Radikale (hier R1 und R2). Radikal 5

6 Feuertetraeder (4 Bedingungen) 4.ungehinderte Kettenreaktion 3.Zündquelle 1.Brenn Brenn- stoff 2.Sauer Sauer- stoff Flammen Glut, Asche Die Verbrennung Phänomenologisch Gase Dämpfe Qualm, Rauch Strahlung Schlacke Strahlung (W/m³) Planck sches Gesetz K K K K Schweißflamme (autogen) 500 K Schwefelbrand 3 K m ax. Brandtem peraturen nach ETK Vollbrand Schwelbrand Menschlicher Körper Wellen- 3 0, länge in µm UV Licht Kamera Infrarot (IR) Gluttemperaturen 400 C: erstes schwaches Leuchten ( Grauglut ) 525 C: erste Dunkelrotglut 700 C: Rotglut 900 C: helle Rotglut Sonne: 1.0 C: Gelbglut ca Grad C: beginnende Weißglut C: volle, blendende Weißglut Die Kohlenoxide Organische Stoffe sind Kohlenstoffverbindungen: MAK-Werte: C + O 2 CO 2 vollkommene Verbrennung 2C + O 2 2CO unvollkommene Verbrennung CO 30 ppm CO ppm MAK = Maximale Arbeitsplatz Konzentration (40 Stunden/Woche) O 2 Im Freien (vollkommene Verbrennung) CO Sauerstoffanteil Rauch CO 2 O2 Gebäude (unvollkommene Verbrennung) Rauch CO CO 2 6

7 Am Beispiel von Methan Erdgasexplosion 2 % Erstickungsgefahr durch O 2 -Mangel Vol.-% Methangas 15 % 5 % Methan (CH 4 ) Obere Explosionsgrenze Untere Explosionsgrenze zu fett brennbar nur bei Luftzutritt explosibler Bereich zu mager Erdgas-Explosion Wien/Simmering Reaktionsgeschwindigkeit Stöchiometrisches Gemisch Reaktionsgeschwindigkeit km/s m/s cm/s Explosionsbereich Detonation Explosion Verpuffung Reaktionsgeschwindigkeit Explosionsbereich Stöchiomet chiomet- risches Gemisch Gemisch größ ößter Reaktions- geschwindigkeit und Wirkung!!! UEG OEG UEG OEG Totale Zerstörung Explosionsgrenzen Propan (2,1 9,0) Alkohol (3,5 15,0) Methan (5,0 15,0) Kohlenmonoxid (12,5 74,0) Wasserstoff (4,0 75,6) Acetylen (2,4 3,0) Wilhelmsburg, Tote, % Volums-Prozent 7

8 Explosionen Staubexplosion Stoff Braunkohle Holz Papier Mehl Heizöl Benzin Alkohol Acetylen Propan Methan Kohlenmonoxid Zustand feiner Staub Dampf Gas Explosionsgrenzen untere obere 60 g/m³ 60 g/m³ 50 g/m³ 60 g/m³ 0,6 Vol.-% 6,5 Vol.-% 0,6 Vol.-% 7,6 Vol.-% 3,5 Vol.-% 15,0 Vol.-% 2,4 Vol.-% 3,0 Vol.-% 2,1 Vol.-% 9,0 Vol.-% 5,0 Vol.-% 15,0 Vol.-% 12,5 Vol.-% 74,0 Vol.-% Expl. Druck (bar) Film: Versuchsexplosion mit Stäuben in einem Labor Brandbedingungen OH* H* Sauerstoff Katalysatoren Brennstoff Zündquelle % O 2 Reaktionsbedingungen ändern In quantitativer Hinsicht Störung des Mengenverhältnisses bzw. der Mindestkonzentration von brennbarem Stoff und Sauerstoff. Brennstoff ("Verdünnen") bzw. Sauerstoff ("Ersticken"). In thermischer Hinsicht Unterschreitung der Zünd- bzw. der Mindestverbrennungstemperatur. Wärme ("Kühlen"). In katalytischer Hinsicht Einbringen von Inhibitoren bzw. Ausschaltung von Katalysatoren. Es ist dies ein Eingriff in die Verbrennung, welcher einen Störeffekt darstellt ( Antikatalyse ). Löschen Brennstoff- Verdünnen Verdünnungseffekt (Beispiele) Unterbindung des Zustromes von Gasen und Flüssigkeiten (Schließen eines Hahnes oder Schiebers). Sprengung von brennenden Erdöl- oder Erdgasquellen. Abschlagen von Druckgasflammen mit hartem Vollstrahl. Ausräumarbeiten bei der Brandbekämpfung. Schlagen einer Schneise bei Waldbränden oder Legen eines Gegenfeuers.

9 Löschen Stickeffekt (Beispiele) Sauerstoff- Ersticken O 2 -Reduktion um etwa 1/3 (40 bis 50 Vol.-% CO 2 ) Sauerstoffanteil Brennstoff- Verdünnen 21 % 14 % Gute Verbrennung Flamme erlischt Stickeffekt (Beispiele) Einsatz der Löschdecke. Stickeffekt durch Löschschaum bzw. oberflächenaktive Löschmittel. Emulsionsschichte durch F-Löscher. Schmelzschichte durch A- bzw. D- Löschpulver. Löschdecke Salze als D-Pulver Ersticken Löschen Brennstoff- Sauerstoff- Wärme- Kühlen Verdünnen Kühleffekt (Beispiele) Voll-, Sprühstrahl bzw. Wassernebel. Kühleffekt durch Löschschaum bzw. oberflächenaktive Löschmittel. Emulsionsschichte durch F-Löscher. Schmelzschichte durch A- bzw. D-Löschpulver. 9

10 Kühleffekt von Wasser Wassermolekül (H 2 O) Temperatur in C C (fl) 200 C (g) ergibt 2.45 kj/kg Wärmebindung Wärmebindung C (fl) 0 C (fl) 37 kj/kg Wasser flüssig Verdampfungswärme 0 C (fl) 0 C (g) kj/kg SIEDEN flüssig/gasförmig Zeit Wasser gasförmig Wärmebindung 0 C (g) 200 C (g) 2 kj/kg O - Dipol + H 5 Grad H Wasserstoffbrücken Clusterbildung ( Moleküle Wasserstoff-Br Brückenbindung Reaktionen mit Wasser Metall + Wasser Metallhydroxid + Wasserstoff + Energie Beispiele: Na + H 2 O NaOH + H + E Mg + 2 H 2 O Mg(OH) 2 + H 2 + E 2 Al + 6 H 2 O 2 Al(OH) H 2 + E Fe + H 2 O FeO + H 2 + E Grund für f r eine eigene Brandklasse D (Metalle) Knallgas Treibacher AG, Villach Wasser- molekül wird zerlegt! Bildung von H*- und O*- Radikalen H* Knall- gas Knallgasexplosion an heißem Korund am. Mai 199 O H H 2 O-Molekül O* H* H Heiße Oberfläche Quelle: BLAULICHT 7/9 (Geissler, by Dr. Werdinigg) Otto Widetschek, Graz owid

11 Tschernobyl 196 Super-GAU (Kernschmelze) am 26. April 196 Dissoziation von Wasser Allg. Brände Thermische Dissioziation in % 0 1 0,1 0,01 Metallbrände Wassermolekül wird zerlegt! O 0, H H H2O-Molekül Knallgas H* H* Tscher- nobyl Villach O* Temp. in C Katastrophe im Stahlwerk Löschen Eingriff in die Verbrennung Antikatalyse Ersticken Kühlen Brennstoff- Verdünnen Antikatalytischer Löscheffekt Beruht auf der Ausschaltung von Radikalen (Katalysatoren) in der Flamme, wodurch sie für f r den weiteren Verbrennungsablauf nichts mehr beitragen können. k Abbruchreaktionen oder Kettenabbrüche (Inhibition) Homogene Katalyse (HoKa( HoKa) Eingriff in die Verbrennung (chemische Löschgase, L Halone) Heterogene Katalyse (HeKa( HeKa) Sauerstoff- Wärme- Wandwirkung (Flammbrand- pulver) Löschwirkung Halone (HoKa) Brennstoff Halon 1301 Flamme Flamme H*, OH* Br* Alle Substanzen mit * sind Radikale Br* + H* HBr HBr + OH* H 2 O + Br* Vernichtung von H* und OH* unter Neubildung von Br* 11

12 Wandwirkung (HeKa) Wandwirkung (Vergleich) Energieabgabe an das Pulverteilchen und Unterbrechung der Reaktionskette Kettenreaktionen Radikale in der Flamme Pulverteilchen Ketten- abbrüche Brennstoffmolekül Pulverteilchen (wirkt als Wand ) Radikal Salve von Schrotkugeln Wand Abschir- mung Danke! 12