Flamme gasförmig. Glut fest. Glut und Flamme. Fichtenholz

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1 Brandschutzforum Austria Verbrennungs- und Löschvorgang Teil 3 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 copyright by Dr. Otto Dr. Widetschek, Otto Widetschek Graz Phänomenologie Glut und Flamme Zündpunkt von Holz Fichtenholz 280 C Flamm- und Glutbrand Flamme gasförmig Glut fest Wichtige Zündpunkte Braunkohle C Papier C Polyethylen C Benzine C Acetylen C Butan C Methan... ca. 600 C 1

2 Zündtemperatur Waldbrand digkeit (v) Oxidationsgeschwin Temperatur (t) Oxidation mit Feuererscheinung (glimmen, glühen, verbrennen) Zündtemperatur Oxidation ohne Feuererscheinung (gären, rosten, verwesen) 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 Van t Hoffsche Regel (1) Am Beispiel der Kerze 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) Brandrauch Flamme Gas-, Glüh- und Verbrennungszone (Aufbereitung und Aktivierung)! Energie erforderlich (Mindestverbrennungstemperatur)! Kerze (Paraffin) Kohlenwasserstoff Van t Hoffsche Regel (2) (x n ) Vielfaches von v n x n 2 n v n = v 0.x n Vielfaches von (n) Br rennen Entzünden & Brennen Zündenergie Quelle: Rodewald, Brandlehre, Kohlhammer Aktivierung Reaktionswärme Entzünden Aufbereitung Wärmeverluste 2

3 Mindestverbrennungstemperatur Flamm- und Glutbrand 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. Glut Feuer Fest- stoffe Flüssig- keiten Flammen Gase, Dämpfe Tem mperatur ( C) ca. 500 Brandentwicklung Rauchgase! Entzündung Flash over Hitze! Zeit/Raum Schwelbrand Entstehungsbrand Vollbrand Klasse A Brände B C D F Brandklassen Art der Brände Brände fester Stoffe, 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 und anderen Kücheneinrichtungen (Achtung: Fettexplosion!) Bildzeichen Feuersprung (Flashover) Feuerdreieck Luft Chemikalie richtiges Mengenverhältnis Brennstoff Wärme 3

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

5 Brandklasse F Sauerstoff (Vorkommen) Beispiele Verbrennungs- gefahr F-Löscher Luft O 2 Flasche Chemikalie Fettexplosion Löschversuch Fettexplosion (Film) Gefahren durch Brennende Fette Brandförderung Sauerstoff brennt nicht, sondern fördert die Verbrennung glimmender Span Entzündung (Flamme) Luft Sauerstoff Sauerstoff Brandförderung von O 2 O 2 Sauerstoff (normalerweise 21 Vol.-%) Auf die Konzentration Kommt es an! 5

6 Explosionen Wichtig: Positionierung des Sauerstoffs (O 2 )! Raum- explosion Spreng- explosion O 2 aus Explosivstoff O 2 aus der Luft 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 Sauerstoff im Molekül Der Zündvorgang Schematische Darstellung: Zellstoff (Watte) Nitrozellulose? Glimmbrand? Verpuffung Gewinnbare Energie Schaukelnde Kugel (Molekül) Aktivierungsenergie Zündquellen (Wärme) Beispiele: Katalysatoren Durch Anwesenheit bestimmter Substanzen (Radikale) wird die Aktivierungsenergie reduziert! Energieberg Offene Glut & Flammen Heiße Oberflächen Funken Elektrizität Heißarbeiten Pyrotechn. Gegenstände Molekül Katalytischer Effekt Reduzierte Aktivierungsenergie 6

7 Katalytische Wirkung Feuertetraeder (4 Bedingungen) Beispiel: Zucker Katalysator (Asche) 4.ungehinderte Kettenreaktion 1.Brenn- stoff 2.Sauer- stoff Würfelzucker brennt nicht! Verbrennung ist möglich! 3.Zündquelle Radikalbildung (schem.) Schematische Darstellung: Die Verbrennung Phänomenologisch Gase Dämpfe Qualm, Rauch Radikal 1 (R Brennstoffbzw. 1 ) Radikal 2 (R 2 ) Radikal (R) Sauerstoffmolekül Flammen Glut, Asche Strahlung Schlacke Kettenreaktion (schem.) 1. Generation 2. Generation 3. Generation 4. Generation Beispiel: Verdoppelung der Reaktionspartner (Radikale) Planck sches Gesetz K K K Schweißflam me (autogen) Schwefelbrand m ax. Brandtem peraturen nach ETK Brennstoffmolekül Radikal Strahlung (W/m³) K K 310 K Vollbrand Schwelbrand Menschlicher Körper Wellen , länge in µm UV Licht Kamera Infrarot (IR) 7

8 Gluttemperaturen Am Beispiel von Methan 400 C: erstes schwaches Leuchten ( Grauglut ) 525 C: erste Dunkelrotglut 28 % Erstickungsgefahr durch O 2 -Mangel 700 C: Rotglut 900 C: helle Rotglut Sonne: C: Gelbglut ca Grad C: beginnende Weißglut C: volle, blendende Weißglut Vol.-% Methangas Methan (CH 4 ) 17 % Obere Explosionsgrenze 4,4 % Untere Explosionsgrenze zu fett brennbar nur bei Luftzutritt explosibler Bereich zu mager Die Kohlenoxide Organische Stoffe sind Kohlenstoffverbindungen: Erdgasexplosion C + O 2 CO 2 vollkommene Verbrennung 2C + O 2 2CO unvollkommene Verbrennung MAK-Werte: CO 30 ppm CO ppm MAK = Maximale Arbeitsplatz Konzentration (40 Stunden/Woche) Erdgas-Explosion Wien/Simmering O 2 Im Freien (vollkommene Verbrennung) CO Sauerstoffanteil Rauch O2 Gebäude (unvollkommene Verbrennung) CO 2 Rauch CO CO2 Reaktionsgeschwindigkeit ndigkeit Reaktionsgeschwi km/s m/s cm/s UEG Explosionsbereich OEG Detonation Explosion Verpuffung 8

9 Stöchiometrisches Gemisch Explosionen digkeit Reaktionsgeschwin UEG OEG Explosionsbereich Stöchiomet- risches Gemisch Gemisch größter Reaktions- geschwindigkeit und Wirkung!!! 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.-% 83,0 Vol.-% 2,1 Vol.-% 9,0 Vol.-% 5,0 Vol.-% 15,0 Vol.-% 12,5 Vol.-% 74,0 Vol.-% Expl. Druck (bar) Totale Zerstörung Staubexplosion Wilhelmsburg, 10 Tote, 1999 Explosionsgrenzen Brandbedingungen Propan (2,1 9,0) Alkohol (3,5 15,0) Brennstoff % 0 Methan (4,4 17,0) Kohlenmonoxid (12,5 74,0) Wasserstoff (4,0 75,6) Acetylen (1,5 100,0) Volums-Prozent 100 OH* H* Sauerstoff Katalysatoren Zündquelle O 2 9

10 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 ). Ersticken Löschen Brennstoff- entzug Verdünnen Löschen Stickeffekt (Beispiele) O 2 -Reduktion um etwa 1/3 (40 bis 50 Vol.-% CO 2 ) Sauerstoffanteil Brennstoff- entzug Verdünnen 21 % 14 % Gute Verbrennung Flamme erlischt 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. Stickeffekt (Beispiele) Einsatz der Löschdecke. Stickeffekt durch Löschschaum bzw. oberflächenaktive Löschmittel. Emulsionsschichte durch F-Löscher. Schmelzschichte durch A- bzw. D- Löschpulver. Salze als D-Pulver 10

11 Löschdecke Kühleffekt von Wasser 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 Löschen Wassermolekül (H 2 O) H Ersticken Kühlen O 105 Grad Brennstoff- entzug Verdünnen - Dipol H + Kühleffekt (Beispiele) Voll- und Sprühstrahl bzw. Wassernebel. Kühleffekt durch Löschschaum bzw. oberflächenaktive Löschmittel. Emulsionsschichte durch F-Löscher. Schmelzschichte durch A- bzw. D-Löschpulver. Wasserstoffbrücken Clusterbildung ( Moleküle Wasserstoff-Brückenbindung 11

12 Löschen Wandwirkung (HeKa) Ersticken Eingriff in die Verbrennung Antikatalyse Kühlen Energieabgabe an das Pulverteilchen und Unterbrechung der Reaktionskette Brennstoff- entzug Verdünnen Brennstoffbzw. Sauerstoffmolekül Pulverteilchen (wirkt als Wand ) Radikal 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) Wandwirkung (Vergleich) Radikale in der Flamme Kettenreaktionen Salve von Schrotkugeln Wand Pulverteilchen Ketten- abbrüche Abschir- mung 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* Ende des Vortrags Danke! Vernichtung von H* und OH* unter Neubildung von Br* 12