Ausbilderseminar des ÖBFV 2013 Der Brand und seine Hintergründe! Der Referent Dr. Otto Widetschek (Owid), Physiker Kontakt: 0043 664 21 22 000 widetschek@brandschutzforum.at widetschek@blaulicht.at www.brandschutzforum.at 1
Berufliche Stationen BF Wien 1968-1973 FZS-Steiermark 1973-1981 FF Lebring ab1974 BF Graz 1981-1996 BFK, LFR ab 1988 BFA ab 1989 Univ.-Lektor ab 1974 Eulen nach Athen tragen? Synonym für eine überflüssige Tätigkeit! Historisch: i Eulen Symbol der Weisheit! gr. Göttin Athene Schutzgöttin von Athen (wo es viele Eulen gab)! Griechischer Dichter Aristophanes in seiner satirischen Komödie Die Vögel Wer hat die Eule nach Athen gebracht? Anderes Version: Keine Silber- Drachmen ins reiche Athen bringen! Eule auf der Akropolis in Athen Eule auf einer Drachme 2
Schwerpunkte 1. Historische Betrachtungen 2. Phänomenologie des Feuers 3. Einflussgröße Oberfläche 4. Einflussgröße Sauerstoff O 2 5. Einflussgröße Katalysator 6. Was heißt Löschen 1. Historisches Vor ca. 400.000 Jahren 3
Zähmung des Feuers Bewahrung Nutzung Erzeugung Soziale Dimension (Mensch wird sess- haft, Grundlage der Zivilisation) Wer ist die Frau? Probleme des Urmenschen 4
Urelement Feuer Heraklith aus Ephesos (gr. Naturphilosoph) h) Feuer als Urstoff der Materie! Methapher für Logos (Weltgeist = Weltgesetz) Feuer ist ewig lebend und vernünftig Die vier Elemente 3. Jhdt. v. Chr.: ARISTOTELES Lehre von den 4 Elementen Erde trocken kalt Feuer heiß naß Luft Wasser 5
Erde, Wasser, Luft, Feuer Erde: Feststoffe Wasser: Flüssigkeiten Luft: Gase Feuer: Energie (Plasma) Sonne 4 Aggregatzustände Feststoff Flüssigkeit Gas Plasma Energie/Temperatur Gasmoleküle freie Elektronen Ionen Molekülfragmente (hoch-energetisch) Gasmoleküle (angeregt) 6
Alchemie Stein der Weisen: Aus unedlen Stoffen Gold erzeugen! Ewige Jugend Phlogistontheorie Georg Ernst Stahl Beginn des 18. Jahrhunderts: Stoffe enthalten hypothetischen Wärmestoff (Phlo- giston) 7
Doktor Phlogiston Joseph Priestley (engl.- amerik. Naturforscher): Wurde als Doktor Phlogiston bekannt. Er konnte jedoch schon den für die Verbrennung wichtigen Sauerstoff beschreiben. Er erkannte ihn jedoch nicht als eigenes Element (dephlogistcated air). Sauerstoff 1774: Antoine Laurant Lavoisier entdeckt die Bedeutung des Sauerstoffs (Oxygeniums) für die Verbrennung Sauerstoff kommt als Molekül O 2 in der Luft vor Verbrennung ist eine chemische Reaktion mit O 2 Oxide als Verbrennungsprodukte 8
Brenn-Bedingungen Brennstoff Zünd- quelle Das Feuerdreieck Feuerdreieck (erstmals um 1960): 1. Brennstoff 2. Sauerstoff 3. Zündquelle (Wärme) Sauer- stoff 3a. Richtiges Mengen- verhältnis ( innere Oberfläche ) richtiges Mengenverhältnis Brennstoff 9
2. Phänomenologie Glut und Flamme Flamm- und Glutbrand Flamme gasförmig Glut fest 10
Flamm- und Glutbrand Glut Feuer Flammen Fest- stoffe Flüssig- keiten Gase, Dämpfe Verbrennungsprodukte Phänomenologisch Dämpfe Rauch Gase (Qualm) Flammen Strahlung Glut 11
Dichte Gase Folgende 11 Gase sind leichter als Luft (Dichte < 28,836 g/mol). Gas Formel Molgewicht Siedepunkt brennbar Wasserstoff H 2 2,016-252,8 C ja Helium He 4,003-268,9 C nein Methan CH 4 16,043-161,5 C ja Ammoniak NH 3 17,032-33,4 C ja/nein Fluorwasserstoff HF 20,010 19,5 C nein Neon Ne 20,183-246,1 C nein Acetylen C 2 H 2 26,038-84,0 C ja Diboran B 2 H 6 27,690-92,5 C ja Kohlenmonoxid CO 28,011-195,8 C ja Stickstoff N 2 28,016-195,8 C nein Ethen C 2 H 4 28,054-103,8 C ja Dämpfe Flüssigkeiten Dämpfe sind alle schwerer als Luft (z. B. Benzin 4 Mal). Schwerer als Luft 4 Mal 12
Dämpfe und schwere Gase Temperatur & Dampf Temperatur = Maß für die mittlere Bewegungsenergie (kinetische Energie) der Moleküle e Anzahl der Teilchen mit einer bestimmten kinetischen Energie T 1 Energie zum Durchbrechen h der Flüssigkeitsoberfläche T 2 T 1 <T 2 <T 3 T3 Dampf kinetische Energie der Moleküle 13
Beispiel Osterfeuer Dampfdruckkurve bei Luft- zufuhr Vol.-% bzw w. Dampfdruck p 2 OEG UEG p 1 brennbar explosiv unbrennbar t 1 Temperatur t 2 14
Reaktionsgeschwindigkeit sgeschwindigkeit km/s m/s Detonation Explosion Reaktion cm/s Explosionsbereich Verpuffung UEG OEG Flammpunkt (Petroleum) Zu wenig Dämpfe (kein Entflammen) Dampf 20 C 1 15
Flammpunkt (Petroleum) Genügend Dämpfe zur Entflammung (Flammpunkt = 30 C) Flammen 20 30 C 2 Flammpunkt (Petroleum) Bei Wegnahme der Zündquelle erlischt die Flamme Dampf 30 C 3 16
Flammpunkte in C Aceton -19 Alkohol, Spiritus +16 Benzol -11 Benzine - 45 bis +55 Diesel > + 55 Methylalkohol +11 Petroleum +30 Teer +90 Flammpunkt = UEG sgeschwindigkeit Reaktion Flamm- punkt Explosionsbereich UEG OEG 17
Klassisches Feuerdreieck O 2 - Flasche Chemikalie Luft Wärme (Zündtem- peratur) richtiges Mengenverhältnis Brennstoff Zur Deutung der Zündvorganges Brandklassen Am Beispiel der Kerze Brandrauch Flamme Gas-, Glüh- und Verbrennungszone (Aufbereitung und Aktivierung)! Energie erforderlich (Mindestverbrennungstemperatur)! Kerze (Paraffin) Kohlenwasserstoff 18
Entzünden & Brennen Brennen Akti- vierung Reaktions- wärme Aufbereitung Wärmeverluste Zündenergie Quelle: Rodewald, Brandlehre, Kohlhammer Mindestverbrennungstemperatur Einige 100 C höher Entzünden Mindestverbrennungs- temperatur: 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. 19
Zündtemperatur (Def.) Zündtemperatur (Zündpunkt): Temperatur, auf die man einen Stoff oder eine Kontaktoberfläche erhitzen muss, damit er sich in Gegenwart von Luftsauerstoff ohne Zündquelle Wärmeleitende Tischplatte (nur durch seine Erwärmung) selbst entzündet. Erwärmung von unten Zündtemperatur geschwindigkeit (v) Oxidations Temperatur ( ) Oxidation mit Feuererscheinung (glimmen, glühen, verbrennen) Zündtemperatur Oxidation ohne Feuererscheinung (gären, rosten, verwesen) 20
Van t Hoffsche Regel (1) Jakobus Henricus van t Hoff (1852-1911) Durch eine Temperaturerhöhung von 10 C ( ) wird die Reaktionsgeschwindigkeit um das Doppelte bis Dreifache gesteigert! v = n n v 0.x v n = Endgeschwindigkeit v 0 = Anfangsgeschwindigkeit n = Vielfaches von x = Reaktivität des Stoffes (x = 2-3) Van t Hoffsche Regel (2) Vielfaches von v 0 (x n ) 10.000 1.000 100 27 8 10 3 n x n 2 n v n = v 0.x n 1 1 3 5 10 15 Vielfaches von (n) 21
Beispiel: Waldbrand a) Heimisches Fichtenholz v n n = v 0.x x 2 b) Harzreiches Kiefernholz (z. B. Mittelmeerraum) x 3 Bei Temperaturzunahme um 30 C (n = 3): a) v 3 = v 0. 2 3 = v 0. 2.2.2 = 8.v 0 b) v 3 = v 0. 3 3 = v 0. 3.3.3 = 27.v 0 1.200 Temperatu ur ( C) ca. 500 Brandentwicklung Rauchgase! Entzündung Flash over Hitze! Zeit/Raum Schwelbrand Entstehungsbrand Vollbrand by Dr. Otto Widetschek, Graz 22
Feuersprung (Flashover) Feuersprung (Flashover) by Dr. Otto Widetschek, Graz 23
Q A Wärmem menge Q E und Q Selbstentzündung Legende: Q E = entstehende Wärme Q A = abgeführte Wärme T 0 = Umgebungstemperatur T = Beginn der Selbstentzündung 1 T 0 stabiler Zustand T 1 Q E Anstieg nach van t Hoff Q A Bereich der Selbstentzündung Temperatur T ( C) Ein Experiment Bedingungen des Feuerdreiecks sind erfüllt: 1.Brennstoff, Benzindampf (Flammpunkt < -20 C) 2.Sauerstoff, Luft (ca. 21 %) 3.Zündquelle (300 bis 500 C, je nachdem, ob gezogen wurde oder nicht) 24
Zündung (Aktivierung) Schematische Darstellung: Gewinnbare Energie (Reaktionswärme) Aktivierungsenergie Schaukelnde Kugel (Molekül) Hemmschwelle Gehemmte Reaktionen Natur: In der Regel gehemmte Reaktionen (Gott sei Dank)! 25
Feuertetraeder (4 Bedingungen) Ungehinderte Kettenreaktion (Katalysatoren) Zündquelle Brandbedingungen % Sauerstoff Katalysatoren Brenn- stoff Sauer- stoff Brennstoff OH* H* Zündquelle O 2 26
Wichtige Einflussgrößen Oberfläche O 2 Sauerstoff Katalysatoren 3. Oberfläche Je feiner zerteilt, desto schneller brennt es! Holzblock Grobe Späne Feine Späne 27
Staubexplosionen ADR/RID- Klasse 4.1 28
Was ist Staub? Staub = Feinverteilter fester Stoff Teichen(Korn)grösse: d < 850 m (0,85 mm) d Pulver Mehl Puder Aerosole (fest) Rolandmühle, 1979 29
Siloexplosion, Hamburg Staubexplosion (Film) 30
Der Spray-Effekt Stichflamme? Pumpe Dieselöl nicht mit Flamme entzündbar!! Parfum- Spray (Flacon) Diesel Flammenwerfer-Effekt! Feuerspucker Eine brennbare Flüssig- keit wird durch ein spezi- elles Ausspucken fein verteilt und an einer Zündquelle entflammt. Kaprun-Effekt! 31
Kaprun 4. Sauerstoff Luft O 2 Flasche Chemikalie 32
Brandförderung Sauerstoff brennt nicht, sondern fördert die Verbrennung glimmender Entzündung Span (Flamme) Luft Sauerstoff Narkosemittel Lachgas (N 2 O) Ether (R 1 -O-R 2 ) Sauerstoff im Molekül (wirkt oxidierend) 33
Lachgas Sauerstoff im Molekül Zellstoff (Watte)? Glimmbrand Nitrozellulose? Verpuffung 34
Autogenes Schweißen Sauerstoff Acetylen id Sauerstoffgehalt (Textil) 14 Verbre ) nnungs- geschw windigkeit (cm/s 12 10 8 6 4 2 Brennbarkeit eines Baumwoll-Overalls Quelle: BCGA Report R1, 1984 20 30 40 50 Sauerstoffgehalt der Luft (%) Bei 40 % O 2 - Gehalt brennt das Textil etwa 6 x schneller ab!!! 35
Praxisversuch Sauerstoff im Arbeitsanzug (rascher und Intensiver Abbrand) Selbstmordversuch Bruck/Mur 36
Brandförderung von O 2 5. Katalysatoren Werden in einer chemischen Reaktion nicht verbraucht! Geburtshelfer für die Bildung neuer Moleküle. Heiratsvermittler bei chemi- schen Reaktionen. Amor als Heiratsvermittler 37
Heiratsvermittlung Katalysator Heiratsvermittler für Moleküle Chinesen gleiches Schriftzeichen (phonetische Aussprache tsoo mei ). Chinesisches Schriftzeichen für Katalysator und Heiratsvermittler tsoo mei Katalytische Wirkung Beispiel: Zucker Katalysator (Asche) Würfelzucker brennt nicht! Verbrennung ist möglich! 38
Was ist ein Katalysator? sind alle sehr reaktionsfähig!!! Sie besitzen ungepaarte Elektronen und werden auch Radikale genannt. Wirkung von Katalysatoren Durch Anwesenheit bestimmter Substanzen (Radikale) wird die Aktivierungsenergie reduziert! Molekül angeregtes Atom Ion geladenes Molekülbruchstück Energieberg Reduzierte Aktivierungsenergie Katalytischer Effekt 39
Berg-Theorie (1) Langsame Reaktion, weil ein hoher Energieberg überwunden werden muss! Aktivierungsenergie Quelle: O. Reiser und P. Kreitmeier Berg-Theorie (2) Der Katalysator öffnet einen neuen Weg über einen niedrigeren Berg, der sehr viel weniger Energie erfordert. Die Reaktion verläuft viel schneller! Quelle: O. Reiser und P. Kreitmeier Katalysator 40
Radikalbildung (schem.) Schematische Darstellung: Kettenreaktion (schem.) 1. Generation 2. Generation 3. Generation 4. Generation Beispiel: Verdoppelung der Reaktionspartner (Radikale) Radikal 1 (R Brennstoffbzw. 1 ) Radikal 2 (R 2 ) Radikal (R) Sauerstoffmolekül Brennstoffmolekül Radikal 41
Wesen des Feuers GLUT FLAMME fest physikalische Effekte Atomgitter schwingt schwer flüchtige Oxide Löschen durch Kühlung (Wasser und Schaum) gasförmig chemische Reaktionen Bildung von Radikalen Kettenreaktionen Löschen durch physikalisch-chemischen Eingriff (Löschgase) Was heißt löschen? Reaktionsbedingungen im Feuer ändern! In quantitativer Hinsicht Störung des Mengenverhältnisses bzw. der Mindestkonzentration von brennbarem Stoff und Sauerstoff Brennstoffentzug ("Verdünnen") bzw. Sauerstoffentzug ("Ersticken"). In thermischer Hinsicht Unterschreitung der Zünd- bzw. der Mindestverbrennungstemperatur Wärmeentzug ("Kühlen"). In katalytischer Hinsicht Einbringen von Inhibitoren bzw. Ausschaltung von Katalysatoren Störeffekt ( Antikatalyse ). 42
Löschen Eingriff in die Verbrennung Antikatalyse Ersticken Kühlen Brennstoff- entzug Verdünnen Universallöschmittel? Das Wundermittel zum Löschen gibt es im Brandschutz leider nicht! 43
Wichtige Literaturquelle Wesentliche Bilder und Passagen wurden für dieses Referat aus diesem Buch entnommen! Bestellungen über www.brandschutzforum.at/shop Ende des Vortrags Danke! 44