Flamme gasförmig. Glut fest. Glut und Flamme. Fichtenholz

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1 Brandschutzforum Austria Verbrennungs- und Löschvorgang Teil 3 Phänomenologie Glut und Flamme copyright by Dr. Otto Dr. Widetschek, Otto Widetschek Graz Flamm- und Glutbrand Flamme gasförmig Glut fest Zündtemperatur (Def.) Zündtemperatur (Zündpunkt): Temperatur, auf die man einen Stoff oder eine Kontaktoberfläche erhitzen muss, damit er sich in Gegenwart von Luftsauerstoff ohne Zündquelle (nur durch seine Erwärmung) selbst entzündet. Wärmeleitende Tischplatte Erwärmung von unten Zündpunkt von Holz Wichtige Zündpunkte Braunkohle C Fichtenholz Papier C Polyethylen C Benzine C 280 C Acetylen C Butan C Methan... ca. 600 C 1

2 Zündtemperatur Van t Hoffsche Regel (1) digkeit (v) Oxidationsgeschwin Temperatur ( ) Oxidation mit Feuererscheinung (glimmen, glühen, verbrennen) Zündtemperatur Oxidation ohne Feuererscheinung (gären, rosten, verwesen) Jakobus Henricus van t Hoff ( ) Durch eine Temperaturerhöhung von 10 C ( ) wird die Reaktionsgeschwindigkeit um das Doppelte bis Dreifache gesteigert! v n = v 0.x n v n = Endgeschwindigkeit v 0 = Anfangsgeschwindigkeit n = Vielfaches von x = Reaktivität des Stoffes (x = 2-3) Van t Hoffsche Regel (2) Waldbrand (x n ) Vielfaches von v n x n 2 n v n = v 0.x n Vielfaches von (n) Beispiel: a) Heimisches Fichtenholz x 2 b) Harzreiches Kiefernholz (z. B. Mittelmeerraum) x 3 Bei Temperaturzunahme um 30 C (n = 3): a) v 3 = v = v = 8.v 0 b) v 3 = v = v = 27.v 0 v n = v 0.x n Am Beispiel der Kerze Entzünden & Brennen Brandrauch Flamme Br rennen Gas-, Glüh- und Verbrennungszone (Aufbereitung und Aktivierung)! Energie erforderlich (Mindestverbrennungstemperatur)! Aktivierung Reaktionswärme Aufbereitung Wärmeverluste Kerze (Paraffin) Kohlenwasserstoff Entzünden Zündenergie Quelle: Rodewald, Brandlehre, Kohlhammer 2

3 Mindestverbrennungstemperatur Einige 100 C höher Mindestverbrennungstemperatur: Niedrigste Temperatur, bei der sich die Verbrennung selbst erhält Energiebedarf für die Aufbereitung des Brennstoffs und Bereitstellung der Aktivierungsenergie Zündpunkt: Temperatur, oberhalb der sich ein Stoff entzündet, ohne dass es einer Zündquelle bedarf Tem mperatur ( C) ca. 500 Brandentwicklung Entzündung Flash over Hitze! Zeit/Raum Schwelbrand Entstehungsbrand Vollbrand Feuersprung (Flashover) Flamm- und Glutbrand Glut Feuer Flammen Rauchgase! Fest- stoffe Flüssig- keiten Gase, Dämpfe Brandklassen Feuerdreieck Klasse A Brände B C D F Art der Brände Brände fester Stoffe, hauptsächlich organischer Natur, normalerweise glutbildend, z. B. Holz, Textilien, Kohle, Duroplaste, Elastomere 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 und anderen Kücheneinrichtungen (Achtung: Fettexplosion!) Luft Bildzeichen Chemikalie richtiges Mengenverhältnis Brennstoff Wärme 3

4 Brandklasse A Holz Phänomen Oberfläche Je feiner zerteilt, desto schneller brennt es! Textilien Beispiele Duroplaste Elastomere Holzblock Grobe Späne Feine Späne Brandklasse B Brandklasse C Methan Benzin Diesel, Heizöl Beispiele Flüssiggas Beispiele Wasserstoff Alkohol Thermoplaste Acetylen Brandklasse D PKW-Brand, Mg-Legierungen Kalium Beispiele Natrium Demonstrationsbrand an einem PKW mit Löschversuch h (Wasser) Magnesium Aluminium 4

5 Brandklasse F Stationäre Löschanlage In Großküchen sind stationäre Löschanlagen bei Fritteusen erforderlich (TM ANSUL)! Beispiele Verbrennungs- gefahr F-Löscher Fettexplosion Löschversuch Quelle: Fettexplosion (Film) Gefahren durch Brennende Fette O 2 Sauerstoff Sauerstoff (normalerweise 21 Vol.-%) Auf die Konzentration Kommt es an! Sauerstoff (Vorkommen) Brandförderung Luft Flasche Chemikalie Sauerstoff brennt nicht, sondern fördert die Verbrennung O 2 glimmender Span Entzündung (Flamme) Luft Sauerstoff 5

6 Brandförderung von O 2 Brandförderung von O 2 Quelle: FF Bruck Quelle: FF Bruck Explosionen Sauerstoff im Molekül Wichtig: Positionierung des Sauerstoffs (O 2 )! Raum- explosion Spreng- explosion O 2 aus Explosivstoff O 2 aus der Luft Zellstoff (Watte) Nitrozellulose? Glimmbrand? Verpuffung Zündquellen (Wärme) Beispiele: Zündquellen Alle Zündquellen lassen sich zurückführen auf Offene Glut & Flammen Heiße Oberflächen Funken Elektrizität Heißarbeiten Pyrotechn. Gegenstände Flammen Funken Heiße Oberflächen (z. B. Glut) 6

7 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 Katalytischer Effekt Reduzierte Aktivierungsenergie Würfelzucker brennt nicht! Verbrennung ist möglich! Radikalbildung (schem.) Schematische Darstellung: Kettenreaktion (schem.) 1. Generation 2. Generation 3. Generation 4. Generation Beispiel: Verdoppelung der Reaktionspartner (Radikale) Brennstoffmolekül Radikal 1 (R Brennstoffbzw. 1 ) Radikal 2 (R 2 ) Radikal (R) Sauerstoffmolekül Radikal 7

8 Feuertetraeder Verbrennungsprodukte Ungehinderte Kettenreaktion (Katalysatoren) Gase Dämpfe Rauch (Qualm) Zündquelle Brenn- stoff Sauer- stoff Flammen Asche (Schlacke) Glut by OSR Dr. Otto Widetschek, Graz Strahlung (Hitze) Strahlung (W/m³) Planck sches Gesetz K K K K Schweißflam me (autogen) 500 K Schwefelbrand 310 K m ax. Brandtem peraturen nach ETK Vollbrand Schwelbrand M enschlicher Körper Wellen , 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: 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 Gebäude (unvollkommene Verbrennung) CO 2 Rauch CO CO2 O2 8

9 Am Beispiel von Methan Erdgasexplosion 28 % Erstickungsgefahr durch O 2 -Mangel Vol.-% Methangas 4,4 % Methan (CH 4 ) 17 % Obere Explosionsgrenze Untere Explosionsgrenze zu fett brennbar nur bei Luftzutritt explosibler Bereich zu mager Erdgas-Explosion Wien/Simmering Reaktionsgeschwindigkeit Stöchiometrisches Gemisch ndigkeit km/s Detonation digkeit Explosionsbereich Stöchiomet- risches Gemisch Reaktionsgeschwi m/s cm/s Explosionsbereich Explosion Verpuffung Reaktionsgeschwin Gemisch größter Reaktions- geschwindigkeit und Wirkung!!! UEG OEG UEG OEG Totale Zerstörung Explosionsgrenzen Propan (2,1 9,0) Alkohol (3,5 15,0) Methan (4,4 17,0) Kohlenmonoxid (12,5 74,0) Wasserstoff (4,0 75,6) Acetylen (1,5 100,0 wegen Selbstzersetzung) Wilhelmsburg, 10 Tote, Volums-Prozent 100 9

10 Explosionen Staubexplosion Stoff Zustand Explosionsgrenzen untere obere Braunkohle Holz Papier Mehl Heizöl Benzin Alkohol Acetylen Propan Methan Kohlenmonoxid feiner Staub Dampf Gas 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.-% 1,5 Vol.-% 100 Vol.-% 2,1 Vol.-% 9,0 Vol.-% 4,4 Vol.-% 17,0 Vol.-% 12,5 Vol.-% 74,0 Vol.-% Expl. Druck (bar) Brandbedingungen OH* H* Sauerstoff Katalysatoren Zündquelle % Brennstoff O 2 Reaktionsbedingungen ändern In quantitativer Hinsicht Störung des Mengenverhältnisses von brennbarem Stoff und Sauerstoff. Brennstoffentzug ("Verdünnen") Sauerstoffentzug ("Ersticken"). In thermischer Hinsicht Unterschreitung der Zünd- bzw. der Mindestverbrennungstemperatur. Wärmeentzug ("Kühlen"). In katalytischer Hinsicht Einbringen von Inhibitoren bzw. Ausschaltung von Katalysatoren. ( Antikatalyse ). Löschen Brennstoff- entzug 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. 10

11 Löschen Stickeffekt (Beispiele) Ersticken O 2 -Reduktion um etwa 1/3 (40 bis 50 Vol.-% CO 2 ) Sauerstoffanteil Brennstoff- entzug Verdünnen 21 % 14 % Gute Verbrennung Flamme erlischt Stickeffekt (Beispiele) Löschdecke Einsatz der Löschdecke. Stickeffekt durch Löschschaum bzw. oberflächenaktive Löschmittel. Emulsionsschichte durch F-Löscher. Schmelzschichte durch A- bzw. D- Löschpulver. Salze als D-Pulver Ersticken Löschen Brennstoff- entzug Kühlen Verdünnen Kühleffekt (Beispiele) Voll- und Sprühstrahl bzw. Wassernebel. Kühleffekt durch Löschschaum bzw. oberflächenaktive Löschmittel. Emulsionsschichte durch F-Löscher. Schmelzschichte durch A- bzw. D-Löschpulver. 11

12 Kühleffekt von Wasser Wassermolekül (H 2 O) C Temperatur in C (fl) 200 C (g) ergibt kj/kg Wärmebindung Wärmebindung 10 C (fl) 100 C (fl) 378 kj/kg Wasser flüssig Verdampfungswärme 100 C (fl) 100 C (g) kj/kg SIEDEN flüssig/gasförmig Zeit gasf sförmig Wasser Wärmebindung 100 C (g) 200 C (g) 210 kj/kg O - Dipol + H 105 Grad H Wasserstoffbrücken Löschen Clusterbildung ( Moleküle Wasserstoff-Brückenbindung Ersticken Eingriff in die Verbrennung Brennstoff- entzug Antikatalyse Kühlen Verdünnen Antikatalytischer Löscheffekt Beruht auf der Ausschaltung von Radikalen (Katalysatoren) in der Flamme, wodurch sie für den weiteren Verbrennungsablauf nichts mehr beitragen können. Abbruchreaktionen oder Kettenabbrüche (Inhibition) Homogene Katalyse (HoKa) Eingriff in die Verbrennung (chemische Löschgase, Halone) Heterogene Katalyse (HeKa) 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* 12

13 Wandwirkung (HeKa) Wandwirkung (Vergleich) Energieabgabe an das Pulverteilchen und Unterbrechung der Reaktionskette Kettenreaktionen Radikale in der Flamme Pulverteilchen Ketten- abbrüche Brennstoffbzw. Sauerstoffmolekül Pulverteilchen (wirkt als Wand ) Radikal Salve von Schrotkugeln Wand Abschir- mung Ende des Vortrags Danke! 13