Verbrennungslehre

Aus Feuerwehr Ausbildungswiki
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Lerninhalt

In dieser Lernunterlage wird die naturwissenschaftliche Grundlage im Bereich der Verbrennungslehre behandelt. Die Lernunterlage beschreibt den Zusammenhang zwischen Oxidation und Verbrennung, den Brandklassen sowie den Voraussetzungen einer Verbrennung. Des Weiteren wird auf bestimmte Verlaufsformen einer Verbrennung sowie auf löschtaktische Fehler eingegangen.

Einleitung

Das Feuerschutz und Hilfeleistungsgesetz Nordrhein-Westfalen regelt die Zuständigkeit der Feuerwehr für die Bekämpfung von Schadenfeuern. In der heutigen Zeit fallen unter den Begriff Schadenfeuer eine Vielzahl von Bränden mit unterschiedlichen Materialien und Eigenschaften. Das Ziel dieser Lernunterlage ist es, dem Feuerwehrmann die Grundlagen zu vermitteln, insbesondere die Voraussetzung einer Verbrennung, um diese gezielt und sicher mit den bekannten Löschmethoden und den daraus resultierenden Löschmitteln zu bekämpfen.

Oxidation und Verbrennung

Was ist eine Oxidation?

Eine Oxidation ist eine chemische Reaktion (Verbindung) eines Stoffes mit Sauerstoff. Das bei dieser Reaktion entstehende Produkt wird als Oxid bezeichnet und hat vollkommen andere Eigenschaften als die beiden Ausgangsstoffe.

Beispiel:

Fe + O2 → FeO2

Eisen reagiert mit Sauerstoff zu Eisenoxid (Rost)

Bei der Oxidation wird ein Teil der in den Ausgangsstoffen enthaltenden chemischen Energie in Wärmeenergie umgesetzt. Man bezeichnet diesen Vorgang als „exotherme Reaktion“. Es gibt unterschiedliche Geschwindigkeiten bei einer Oxidation. Bei langsam ablaufenden Reaktionen ist die Wärmemenge so gering, das man sie kaum oder gar nicht nachweisen kann.

Bei einer sehr schnellen Oxidation wird eine sehr große Wärmemenge umgesetzt. Die Wärme ist mess- und spürbar. In der Regel tritt dabei auch eine Lichterscheinung auf. Dieser Oxidationsvorgang wird Verbrennung genannt.

Schema für schnelle und langsame Oxidation

Jede Verbrennung ist eine Oxidation, jedoch ist nicht jede Oxidation eine Verbrennung. Der Unterschied liegt in der Reaktionsgeschwindigkeit. Beispielsweise benötigt Eisen an der Luft ca. 1 Jahr um Eisenoxid zu werden. Als Staub bei einer Staubexplosion benötigt der gleiche Stoff genau 3 Sekunden.

Erscheinungsform einer Verbrennung

Das Feuer ist die äußere, sichtbare Begleiterscheinung einer Verbrennung. Je nach Aggregatzustand des brennbaren Stoffes kann das Feuer in verschiedenen Erscheinungsformen, Flamme und/oder Glut, auftreten.

Erscheinungsform einer Verbrennung

Gasförmige Stoffe verbrennen mit Flammenerscheinung. Flüssige Stoffe verdampfen und gehen dabei in den gasförmigen Aggregatzustand über. Sie verbrennen mit Flammenbildung. Bei festen Stoffen gibt es folgende Möglichkeiten der Verbrennung: Sie können unter Flammenbildung verbrennen, indem sie erst schmelzen und dann verdampfen, wie z.B. Wachs. Die Verbrennung unter reiner Glutbildung ist auch möglich. Als Beispiel seien hier die Metallbrände genannt. Die meisten festen Stoffe verbrennen aber mit Flammen-und Glutbildung. Die gasförmigen Bestandteile lösen sich aus dem festen Stoff und verbrennen mit Flammenbildung, der feste Bestandteil des Stoffes bildet die Glut. Beispiele hierfür sind Holz, Papier und Kohle.

Voraussetzungen einer Verbrennung

Die Verbrennung ist ein chemisch-physikalischer Vorgang, für den stoffliche und energetische Voraussetzungen erfüllt sein müssen.

Stoffliche Voraussetzungen sind:

  • brennbarer Stoff
  • Sauerstoff
  • Mengenverhältnis zwischen dem brennbaren Stoff und Sauerstoff

Energetische Voraussetzungen sind:

  • Zündtemperatur
  • Mindestverbrennungstemperatur
  • Katalysator
Voraussetzungen einer Verbrennung

Brennbare Stoffe

Brennbare Stoffe sind gasförmige, flüssige oder feste Stoffe einschließlich Dämpfen, Nebel und Stäuben, die im Gemisch oder im Kontakt mit Sauerstoff zum Brennen angeregt werden können.

Ein brennbarer Stoff muss Bestandteile im Bereich der Atome und Moleküle besitzen, die in der Lage sind, mit dem Sauerstoff zu reagieren.

Beispiele:

2H2 + O2 → 2H2O

Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser

He + O2 keine Reaktion

Helium ist ein Edelgas und reagiert nicht mit Sauerstoff, somit ist Helium kein brennbarer Stoff.

Brennbare Stoffe können in drei verschiedenen Aggregatzustände vorliegen. Unter Einwirkung von Wärme kann ein Stoff seinen Aggregatzustand ändern.

Aggregatzustände und Übergang zwischen den Zuständen

Brandklassen

Stoffe, die ein ähnliches Brandverhalten aufweisen, werden in Brandklassen nach DIN EN 2 zusammengefasst. Diese Einteilung dient der Zuordnung der Löschmittel zu den brennbaren Stoffen.

Brandklassen Art der Brände Erscheinungsbild Der Verbrennung Beispiele
Piktogramm Brandklasse A rot weiss.svg Brände fester Stoffe Flammen- und/oder Glutbildung Stroh, Holz, Papier
Piktogramm Brandklasse B rot weiss.svg Brände flüssiger oder flüssig werdender Stoffe Flammenbildung Benzin, Diesel, Öl, Kerzenwachs, Teer
Piktogramm Brandklasse C rot weiss.svg Brände von Gasen Flammenbildung Erdgas, Acetylen, Propan, Butan, Methan
Piktogramm Brandklasse D rot weiss.svg Brände von Metallen und Legierungen Glutbildung Aluminium, Magnesium, Natrium, Stahlwolle
Piktogramm Brandklasse F rot weiss.svg Brände von Speiseölen und -fetten Flammenbildung Pflanzliche Öle oder Fette in Kücheneinrichtungen

Tabelle 1: Brandklassen [Dirk Irmen, Feuerwehrschule Köln]

Brandklasse A:

Der Brandklasse A gehören alle Brände fester brennbarer Stoffe an, die normalerweise unter Glutbildung verbrennen. Aufgrund von Wärmeeinwirkung gehen feste brennbare Stoffe auch in den gasförmigen Zustand über und diese Dämpfe und Gase verbrennen dann mit Flammenbildung.

Brandklasse B:

In die Brandklasse B fallen alle Brände flüssiger und bei der Erwärmung flüssig werdender brennbarer Stoffe. Flüssige brennbare Stoffe verdampfen, flüssig werdende brennbare Stoffe schmelzen und verdampfen anschließend. Beide Arten verbrennen ausschließlich mit Flammenbildung. Die Gefährlichkeit der Stoffe der Brandklasse B lässt sich an den sicherheitstechnischen Kennzahlen, wie zum Beispiel Flammpunkt, Explosionsgrenzen oder Zündtemperatur erkennen.

Brandklasse C:

Alle Brände brennbarer Gase, deren Siedepunkt bei Normaldruck unter 20° Celsius liegt, gehören in die Brandklasse C. Auch für diese Brandklasse sind sicherheitstechnische Kennzahlen von Bedeutung. In der Brandschutzterminologie wird zwischen Dämpfen und Gasen unterschieden. Unter Dämpfen versteht man die Gasphase von Stoffen, deren Siedepunkt bei normalem Luftdruck über 20°C liegt. Gase dagegen haben bei Normaldruck einen Siedepunkt von unter 20°C. Diese Festlegung bildet gleichzeitig die Abgrenzung zwischen den Brandklassen B und C. Nicht zur Brandklasse C gehören die Gase, die erst beim Verbrennungsvorgang durch Pyrolyse bzw. durch Erwärmung von Stoffen entstehen oder frei werden.

Brandklasse D:

In die Brandklasse D gehören die Brände von brennbaren Metallen und Legierungen. Außer den Edelmetallen und einigen anderen sind fast alle Metalle, insbesondere Leichtmetalle, unter bestimmten Bedingungen brennbar. Die Metalle verbrennen mit Temperaturen von 2000°Celsius bis 3000°Celsius. Diese relativ hohen Verbrennungstemperaturen führen dazu, dass die Löschmittel der Brandklasse A hier nicht geeignet sind.

Brandklasse F:

In die Brandklasse F gehören die Brände von Speiseölen und -fetten (pflanzliche oder tierische Öle und Fette) in Frittier- und Fettbackgeräten und anderen Kücheneinrichtungen. Diese Brände gehören grundsätzlich in die Brandklasse B, aber aufgrund besonderer Gefahren (Boilover), die häufig zu Unfällen oder Problemen führten, sind spezielle Löschmittel entwickelt worden, die nur für diese Art von Bränden verwendbar sind.

Sauerstoff

Der Sauerstoff (chemisches Zeichen: O für Oxygenium) ist der Reaktionspartner jeder Verbindung und somit neben dem brennbaren Stoff die zweite fundamentale Voraussetzung für eine Verbrennung. Es ist ein farbloses, geruchsloses, geschmackloses und nicht brennbares Gas. Allerdings ist Sauerstoff ein sehr reaktionsfreudiges Element.

Sauerstoff ist ein zweiatomiges Molekül welches mit 21 Vol.-% Anteil in der Luft einen elementaren Bestandteil darstellt. Sauerstoff kann aber auch in anderen Verbindungen in einem gebundenen Zustand vorliegen.

Zusammensetzung der Luft

Eine Verbrennung verläuft je nach Sauerstoffgehalt schneller oder langsamer. Während in gewöhnlicher Luft mit der gerade beschriebenen Zusammensetzung die meisten Verbrennungen beherrschbar bleiben, verlaufen sie in reinem Sauerstoff rascher und intensiver ab. Gleichzeitig erhöht sich auch die Entzündbarkeit eines brennbaren Stoffes soweit, dass es zu einer Selbstentzündung kommen kann. Das kann sogar dazu führen, dass schwer entzündbare Stoffe, wie beispielsweise Eisen, in reinem Sauerstoff brennbar sind. Bei einer Herabsenkung der Sauerstoffreaktion verringert sich die Verbrennungsgeschwindigkeit, bis irgendwann die Verbrennungsreaktion stoppt.

Zur Aufrechterhaltung einer Verbrennung ist demnach eine Mindestsauerstoffkonzentration notwendig. Die jeweiligen Sauerstoffgrenzen hängen von den vorliegenden brennbaren Stoffen und von dem Verhältnis der Oberfläche zur Masse des brennbaren Stoffes ab. Die meisten brennbaren Stoffe benötigen eine Mindestsauerstoffkonzentration von etwa 15 Vol.-% O2.

Es gibt aber Stoffe, die noch weit unter dieser Konzentration zum Brennen angeregt werden können.

Beispiele hierfür sind:

  • Butan: ca. 12 Vol.-%
  • Wasserstoff: ca. 5 Vol.-%

Mengenverhältnis (Stöchiometrische Zusammensetzung)

Unter dem Mengenverhältnis versteht man das jeweils vorliegende Verhältnis der Menge des brennbaren Stoffes zu der Menge des Sauerstoffes. Damit eine optimale Verbrennung ablaufen kann, muss dem brennbaren Stoff eine ganz bestimmte Menge an Sauerstoff zur Verfügung stehen. Ist dies der Fall, dann ist die Verbrennungsgeschwindigkeit am größten. Beispielsweise benötigt ein Kilogramm Kohlenstoff zur vollständigen Verbrennung etwa 2000 Liter Sauerstoff, also ca. 10000 Liter Luft. Je besser die stöchiometrische Zusammensetzung aus dem brennbaren Stoff und dem Sauerstoff ist, desto rascher verläuft die Verbrennung. Je weiter man sich vom richtigen Mengenverhältnis entfernt, desto langsamer verläuft die Oxidation, bis schließlich die Grenze der Verbrennungsmöglichkeit erreicht ist. Diese Grenzen bezeichnet man als untere und obere Explosionsgrenze (UEG und OEG). Den Bereich innerhalb dieser Explosionsgrenzen, in dem eine Zündung und Verbrennung des Gemisches möglich ist, nennt man Explosionsbereich.

Die untere Explosionsgrenze ist die niedrigste Konzentration eines brennbaren Stoffes im Gemisch von Gasen, Nebel, Dämpfen und/oder Stäuben in Luft, in der sich eine Verbrennung nach dem Zünden gerade nicht mehr selbstständig fortsetzt.

Wird diese Grenze überschritten, ist ein selbstständiges Brennen bis zum Erreichen der oberen Explosionsgrenze möglich.

Bei Erreichen der oberen Explosionsgrenze liegt die höchste Konzentration eines brennbaren Stoffes im Gemisch von Gasen, Nebel, Dämpfen und/oder Stäuben in Luft vor, in dem sich nach dem Zünden ein selbstständiges Brennen gerade nicht fortsetzt.

Die oberen Grenzen beziehen sich auf die Sauerstoffkonzentration in der Luft. Durch Erhöhung der Sauerstoffkonzentration kann man den Explosionsbereich erweitern.

Explosionsgrenzen

Beim optimalen Gemisch (stöchiometrisches Mengenverhältnis) liegen brennbarer Stoff und Sauerstoff in einem optimalen Verhältnis zueinander vor. Dieses Gemisch ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zündfähiges Gemisch mit der niedrigsten notwendigen Zündenergie vorliegt. Die Verbrennung läuft mit der höchsten Flammentemperatur bzw. mit dem größten Explosionsdruck ab und besitzt die maximale Verbrennungsgeschwindigkeit.

Beispiele:

Explosionsgrenzen von diversen Stoffen

Flammpunkt und Brennpunkt

Das für den Verbrennungsvorgang richtige Mischungsverhältnis zwischen dem brennbaren Stoff und dem Sauerstoff wird besonders bei der Verbrennung von Dämpfen brennbarer Flüssigkeiten deutlich. Brennbare Flüssigkeiten brennen nicht selber, sondern nur ihre Dämpfe. Flüssigkeiten geben bei jeder Temperatur Dämpfe ab, d.h. sie verdunsten ständig. Bevor nun eine Zündung und Verbrennung erfolgen kann, muss eine ausreichende Dampfkonzentration über dem Flüssigkeitsspiegel vorhanden sein.

Flammpunkt bei Dieselkraftstoff

Bei 20 ° Celsius bilden sich an der Oberfläche zwar durch Verdunstung Dämpfe, die Menge reicht aber nicht aus um diese zu entzünden. Bei 60 ° Celsius entwickeln sich so viele Dämpfe, dass über der Flüssigkeit ein zündfähiges Dampf-Luft-Gemisch entsteht. Die untere Explosionsgrenze ist somit erreicht (UEG). Aus diesem Grund definiert man den so genannten Flammpunkt, der eine besonders wichtige sicherheitstechnische Kennzahl darstellt.

Definition Flammpunkt:

Der Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstemperatur, bei der sich unter festgelegten Bedingungen Dämpfe in einer solchen Menge bilden, dass über dem Flüssigkeitsspiegel ein Dampf-Luft-Gemisch entsteht, welches durch eine Zündquelle entflammt werden kann.

Zur Gefährdungsbeurteilung ist der Flammpunkt von besonderer Bedeutung. So sind Flüssigkeiten mit niedrigem Flammpunkt besonders gefährlich, da sich beim Freiwerden dieser Stoffe in kurzer Zeit zündfähige Dampf/Luft-Gemische bilden können.

Beispiele für Flammpunkte
Stoff Flammpunkt in °Celsius Stoff Flammpunkt in °Celsius
Methanol 11 Schwefelkohlenstoff -30
Ethanol 12 Heizöl >40
Glycerin 176 Dieselkraftstoff >55
Aceton -19 Ottokraftstoff <-20
Terpentinöl 33 Kerosin >38
Benzol -11 Leuchtpetroleum 38-72

Tabelle 2: Beispiele für Flammpunkte [Dirk Irmen, Feuerwehrschule Köln]

Im Bereich zwischen dem Flammpunkt und dem Brennpunkt einer Flüssigkeit verbrennt die Dampfmenge also mit kurzem Aufflammen, erlischt dann aber wieder, da die Dampfbildungsgeschwindigkeit kleiner als die Verbrennungsgeschwindigkeit ist. Erreicht die Temperatur der Flüssigkeit den Brennpunkt (der einige Temperaturgrade über dem Flammpunkt liegt) werden Dämpfe in solcher Menge gebildet, dass ein fortlaufendes Brennen möglich ist. Die Differenz dieser beiden Punkte beträgt nur wenige Grad Celsius. Aus diesem Grunde ist der Brennpunkt für die Feuerwehrpraxis von sekundärer Bedeutung.

Definition Brennpunkt:

Der Brennpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstemperatur, bei der sich Dämpfe in solchen Mengen entwickeln, dass nach ihrer Entzündung durch eine Zündquelle ein ständiges Brennen bestehen bleibt.

Bis Ende 2002 wurden brennbare Flüssigkeiten durch die „Verordnung über Anlagen zur Lagerung, Abfüllung und Beförderung brennbarer Flüssigkeiten zu Lande“ (VbF) in Gefahrklassen eingeteilt. Durch eine Anpassungsrichtlinie der Europäischen Union ist diese Einteilung nicht mehr zulässig. Die Einteilung findet nun durch die Richtlinie „Betriebssicherheitsverordnung“ (BetrSichV) und der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) statt.

Vergleich Verordnung brennbarer Flüssigkeiten mit der Betriebssicherheitsverordnung

Zündtemperatur und Mindestverbrennungstemperatur

Damit bei Erfüllung der oben genannten stofflichen Voraussetzungen eine Verbrennung stattfinden kann, bedarf es bei den meisten Reaktionen eines energetischen Anstoßes. Es muss eine Zündenergie (Aktivierungsenergie) zugeführt werden. Zur Abschätzung dieser erforderlichen Energie gibt man die Temperatur an, auf die das Gemisch aus dem brennbaren Stoff und dem Sauerstoff erwärmt werden muss, um den Verbrennungsvorgang einzuleiten. Diese Temperatur bezeichnet man als Zündtemperatur. (Zündpunkt).

Definition Zündtemperatur:

Die Zündtemperatur einer explosionsfähigen Atmosphäre ist die niedrigste Temperatur einer erhitzten Oberfläche (z.B. Wand), an der dieses Gemisch gerade noch zum Brennen mit Flammenerscheinung angeregt wird.

Beispiele für Zündpunkte
Stoff Zündpunkt in °Celsius Stoff Zündpunkt in °Celsius
Methan 595 Diethylether 170
Propan 470 Benzol 555
Methanol 455 Schwefelkohlenstoff 90
Ethanol 425 Wasserstoff 560
Aceton 540 Kohlenmonoxid 605

Tabelle 3: Beispiele für Zündpunkte [Dirk Irmen, Feuerwehrschule Köln]

Die erforderliche Aktivierungsenergie kann entweder von außen zugeführt werden oder innerhalb des jeweiligen Systems entstehen. Man unterscheidet deshalb zwischen einer Fremd-und einer Selbstentzündung.

Die Fremdentzündung ist die Entzündung durch eine von außen zugeführte Zündenergie. Eine von außen zugeführte Energie ist von dem brennbaren Stoff unabhängig und kann zum Beispiel von einem Lichtbogen, einem Funken, einer offenen Flamme oder von einer heißen Oberfläche herrühren.

Die Selbstentzündung ist dagegen die Entzündung ohne eine Energiezufuhr von außen. Sie kann beispielsweise infolge einer Oxidation, einer Zerfallsreaktion oder infolge einer Polymerisation erfolgen.

Beispiele:

Phosphor: starke Oxidationsprozesse bei Raumtemperatur

Heu: Wärmeproduktion von Bakterien (Wärmestau)

Braunkohle: grundlegende Selbsterhitzungsvorgänge sind bis heute immer noch nicht eindeutig geklärt.

Ist die Verbrennung eingeleitet, so ist eine Mindestenergie notwendig, damit die Verbrennungsreaktion selbstständig weiterläuft. Zur Abschätzung dieser Energie gibt man die niedrigste Temperatur des reagierenden Brennstoff-Luft-Gemisches an, bei der das selbstständige Brennen gerade noch möglich ist. Man spricht diesbezüglich von der Mindestverbrennungstemperatur.

Ab dem Erreichen der Mindestverbrennungstemperatur wird soviel Energie freigesetzt, dass der Bedarf für die Aufbereitung der brennbaren Stoffe, die Aktivierung der Reaktion und die Wärmeverluste an die Umgebung abgedeckt werden. Wird diese Temperatur unterschritten, dann stoppt die Verbrennungsreaktion, da das System in diesem Fall nicht mehr genügend Energie produziert.

Mindestverbrennungstemperatur

Aufgrund der überschüssigen Reaktionswärme steigt die Verbrennungstemperatur auf die Brandtemperatur an.

Beispiele für Brandtemperaturen
Stoff Brandtemperatur in °Celsius Stoff Brandtemperatur in °Celsius
Acetylen 3100 Papier 800
Holz/Kohle 1100-1300 Ruß im Schornstein 1000-1200
Tabak 600-900 Stadtgas 1500
Wasserstoff 2000 Streichholz 800
Koks 1600

Tabelle 4: Beispiele für Brandtemperaturen [Dirk Irmen, Feuerwehrschule Köln]

Die Temperaturen setzen sich wie folgt zusammen:

Zusammenfassung der Temperaturen

Katalysatoren

Die meisten Verbrennungsreaktionen sind gehemmte Systeme, d.h. auch bei der Erfüllung sämtlicher stofflicher Voraussetzungen bedarf es noch, wie bereits oben genannt, eines energetischen Anstoßes, damit es zu einer selbstständig ablaufenden Verbrennung kommen kann. Dieser Anstoß wird als Aktivierungsenergie bezeichnet. Diese Energie ist eine spezifische Größe und hängt unter Anderem von den an der Reaktion beteiligten Stoffen ab. Die meisten Verbrennungsreaktionen erfordern ohne das Vorhandensein eines Katalysators so viel Aktivierungsenergie, dass sie unter normalen Umständen nicht gezündet werden können.

Definition Katalysatoren:

Katalysatoren sind Stoffe, die mit mindestens einem der an der Reaktion beteiligten Ausgangsstoffe eine Zwischenverbindung bilden, die reaktionsfähiger ist, als es die einzelnen Stoffe waren. Diese Zwischenverbindung kann dann mit einem oder mehreren Ausgangsstoffen weiterreagieren. Im Verlauf der Gesamtreaktion bilden sich wieder die Katalysatoren heraus.

Modellbeispiel:

Aus den beiden Stoffen A und B soll durch eine chemische Reaktion der Stoff AB entstehen. An dieser Reaktion ist ebenfalls ein Katalysator K beteiligt.

A + B → AB

Diese Reaktion sei gehemmt, d.h. damit die Atome des Stoffes A mit den Atomen des Stoffes B zu der neuen Verbindung AB zusammentreten können, muss eine bestimmte Aktivierungsenergie zugeführt werden. Diese Energie sei so groß, dass die Reaktion nur mit einer geringen Reaktionsgeschwindigkeit bzw. gar nicht ablaufen kann.

A + K → AK

Der Katalysator bildet mit mindestens einem der Ausgangsstoffe eine reaktionsfähigere Zwischenverbindung. Diese Zwischenverbindung AK benötigt für die Reaktion mit B zu der Endverbindung AB eine geringere Aktivierungsenergie.

AK + B → AB + K

Bei der Reaktion AK + B wird neben dem Reaktionsprodukt AB der Katalysator K wieder vollständig zurück gebildet. Dieser kann nun weitere Zwischenverbindungen eingehen.

Durch die Anwesenheit eines geeigneten Katalysators wird die Aktivierungsenergie und somit die Mindestverbrennungstemperatur stark herabgesetzt. Jedoch kann auch ein Katalysator eine unmögliche Reaktion nicht möglich machen.

Reaktion mit und ohne Katalysator

Es gibt zwei Arten von Verbindungen zwischen Stoffen und Katalysatoren: die homogene Inhibition sowie die heterogene Inhibition.

Bei der homogenen Inhibition liegen die Stoffe und der Katalysator im gleichen Aggregatzustand vor.

Beispiel:

Zucker alleine reagiert nicht mit dem Luftsauerstoff, selbst wenn man eine Zündquelle an den Stoff hält. Mischt man dem Zucker Asche hinzu, so wird bei Zuführung einer Zündquelle sofort eine Verbrennung in Gang gesetzt.

Bei der heterogenen Inhibition liegen die Ausgangsstoffe und der Katalysator in verschiedenen Aggregatzuständen vor.

Beispiel:

Der Katalysator eines Kraftfahrzeuges liegt immer als fester Stoff vor, er reagiert aber mit den Autoabgasen.

Verbrennungsgeschwindigkeit

Nach steigender Geschwindigkeit verschiedener Verbrennungsreaktionen geordnet lassen sich die nachfolgend dargestellten Verbrennungsarten unterscheiden:

Verbrennungsgeschwindigkeiten

Die Explosion, eine plötzliche Zerfalls- oder Oxidationsreaktion, ist eine außerordentlich schnell verlaufende Verbrennung eines Stoffes oder Stoffgemisches unter starker Wärme-, Druck-, Licht- und Geräuschentwicklung. Die sehr schnell verlaufende Umsetzung im Stoffgemisch erzeugt große Gas- und Wärmemengen. Diese Gase werden durch die Wärme in ihrem Volumen noch sehr stark vergrößert, wodurch hohe Drücke entstehen. Diese wirken auf Menschen und Sachen im unmittelbaren Nahbereich zerstörend.

Die Explosion teilt man nach ihrer Reaktionsgeschwindigkeit in zwei Vorgänge ein: Deflagration und die Detonation.

Die Deflagration ist eine rasch verlaufende Verbrennung, die man auch als eine schwache Explosion bezeichnen kann. Sie verläuft langsam mit mäßiger Druck- und Geräuschentwicklung. Die Verbrennungsgeschwindigkeit liegt unterhalb der Schallgeschwindigkeit und wird in cm/s bis m/s angegeben. Bei einer Deflagration treten Drücke bis zu 10 bar auf.

Deflagrationen mit einer niedrigen Verbrennungsgeschwindigkeit werden zuweilen auch als Verpuffung bezeichnet. Bei einer Verpuffung können Drücke bis 1 bar erreicht werden.

Die Detonation ist eine mit einer Stoßwelle und einer Flammenreaktion verbundene Reaktion, die sich mit Geschwindigkeiten über der Schallgeschwindigkeit (km/s) fortpflanzen. Detonationsdrücke bis 100 bar und weit höher sind möglich.

Arten von Explosionen
Art der Explosion Geschwindigkeit Druck
Verpuffung cm/s <1 bar
Deflagration m/s 1 bar - 10 bar
Detonation km/s >10 bar

Tabelle 5: Arten von Explosionen [Dirk Irmen, Feuerwehrschule Köln]

Stichflamme, Rauchgasdurchzündung „Flash over“ und „Backdraft“

Im Zusammenhang mit den Verbrennungsgeschwindigkeiten, insbesondere der Explosion, werden häufig drei Begriffe genannt, die völlig verschiedene Ereignisse beschreiben, aber dennoch verwechselt bzw. durcheinander gebracht werden. Dies sind die Begriffe Stichflamme, Flash over und Backdraft.

Stichflamme:

Stichflammen sind kurzzeitig auftretende, sehr heiße, lange Flammen mit einer Länge von 30 Meter oder mehr, die zu erheblichen Verbrennungen der vorgehenden Einsatzkräfte bzw. der zu rettenden Personen sowie zu einer Brandausbreitung führen können. Sie können auch als Folge des Berstens von Druckbehältnissen oder eines Rohrleitungsbruches auftreten.

Die Voraussetzung für eine Stichflammenbildung ist in der Regel ein zu fettes Gemisch, welches sich beispielsweise in Räumen durch eine unvollkommene Verbrennung unter Bildung von Brandrauch, Pyrolyseprodukten und brennbaren Gasen entwickelt. Gelangt dieses Gemisch an der Frischluft mit Sauerstoff zusammen, wird beim Vorhandensein einer Zündquelle eine heftige Verbrennungsreaktion auftreten.

Rauchgasdurchzündung „Flash over“:

Eine Rauchgasdurchzündung („Flash over“) ist der Übergang eines Entstehungsbrandes zu einem voll entwickelten Brand, in dem die durch Wärmestrahlung und Konvektion im gesamten Raum gebildeten Pyrolysegase innerhalb von wenigen Sekunden durchzünden. Eine Luftzufuhr kann diesen Vorgang begünstigen. Wichtig hierfür ist die unten aufgeführte Einheitstemperaturkurve.

Einheitstemperaturkurve

Beispiel:

Ein begrenzter Brandherd (z.B. brennendes Sofa in einem Wohnzimmer), verbunden mit einer unzureichenden Abfuhr der bei dieser Reaktion entstehenden Wärme und einer hinreichenden Luftzufuhr, erwärmt die außerhalb stehenden Gegenstände (z.B. Stühle, Schränke, elektrische Geräte). Dieses geben dadurch brennbare Pyrolysegase (z.B. Kohlenmonoxid) ab. Nach einiger Zeit erreichen diese Gase die untere Explosionsgrenze (UEG). Es kommt nun zu einer Durchzündung dieses Brennstoff-Luft-Gemisches im gesamten Raum.

Merkliche Anzeichen für eine Rauchgasdurchzündung sind:

  • sehr starker Temperaturanstieg innerhalb des Brandrauches
  • heißer, dichter und dunkler Brandrauch
  • Flammenzungen an der Grenze zwischen Rauchschicht und der Luftschicht wenige Sekunden vor dem Durchzünden.

Eine geeignete Maßnahme gegen die Gefahr des „Flash over“ ist das sofortige Sicherstellen eines Rauchabzuges durch RWA, Dachfenster, Lichtkuppeln u.Ä. Das vorsichtige Öffnen von Türen und Fenstern von der Seite aus sind weitere unterstützende Maßnahmen. Falls möglich ist die Verwendung geeigneter Strahlrohre (z.B. Hohlstrahlrohre) im direkten Löschangriff zu gewährleisten. Eine der Hauptmaßnahmen zur Verhinderung einer Rauchgasdurchzündung ist, dass der Rauch im Sprühimpulsverfahren heruntergekühlt wird.

Rauchgasexplosion „Backdraft“

Kommt es nicht zu einem „Flash over“, da beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Brandraum nicht ausreichend ist, können sich die entstandenen Pyrolysegase abkühlen und somit zum Entstehen eines Unterdrucks führen. Sobald nun diesem zu fetten Gemisch Luft zugeführt wird kann es zu einer Rauchgasexplosion (auch „Backdraft“ genannt) kommen. Bei diesem Vorgang schlägt eine Flammenfront in Verbindung mit einer Druckwelle aus der Belüftungsöffnung heraus.

Beispiel:

In einem geschlossenen Raum (z.B. Wohnzimmer) ist ein Schwelbrand ohne offene Flammen bei einer unzureichenden Luftzufuhr vorhanden. Die Folge ist eine starke Entwicklung brennbarer Pyrolysegase bis weit oberhalb der oberen Explosionsgrenze (OEG). Wird nun plötzlich sauerstoffhaltige Luft zugeführt, kommt es zu einer Vermischung des Sauerstoffes und der Gase bis zu einem explosionsfähigen Mischungsverhältnis. Die Anwesenheit einer Zündquelle kann nun dieses Brennstoff-Luft-Gemisch zur Zündung bringen.

Merkliche Anzeichen für eine Rauchgasexplosion sind:

  • späte Branderkennung (dadurch ist ein spätes Eintreffen der Feuerwehr bedingt)
  • geschlossener Brandraum mit einer warmen oder heißen Türklinke oder mit Ruß beschlagenen Glasscheiben.
  • Luftzug in den Raum nach dem Öffnen einer Tür, eines Fensters o.Ä., entstanden durch die aufgrund der oben genannten Abkühlung der Gase verbundene Entwicklung eines Unterdrucks innerhalb des Brandraums (Öffnung sofort wieder verschließen!).

Eine geeignete Maßnahme gegen die Gefahr eines „Backdraft“ ist die Herstellung eines geeigneten Rauchabzugs unter Vornahme eines Strahlrohres, welches zudem auch zum Eigenschutz dient. Ein solcher Rauchabzug kann durch das Öffnen von Fenstern, Türen o.ä. aus gesicherter Deckung heraus erfolgen. Bei einer akuten Gefahr ist ggf. die Rauchexplosion durch ein gezieltes Einschlagen eines Fensters einzuleiten.

Löschtaktische Fehler

In den oben genannten Ausführungen wurde erklärt, was ein Feuer ist und wie es physikalisch zustande kommt. Aufgrund dieser Kenntnisse werden nachfolgend einige löschtaktische Fehler und deren Auswirkungen erläutert.

Staubbrandexplosion

Bei Silo- oder Schreinereibränden haben wir es oft mit Bränden von Stäuben in Silobunkern oder Spänebunkern zu tun. Die Problematik besteht in der Oberfläche eines jeden Staubkorns. Zusammengesehen bildet sich so eine sehr große Oberfläche, damit verbunden ergibt sich auch eine sehr große Reaktionsfreudigkeit mit Sauerstoff. Wenn man einen glimmenden Staubhaufen mit einem Vollstrahl aufwirbelt, verbindet sich der brennbare Stoff schlagartig mit dem Sauerstoff der Luft und es kommt zur einer heftigen Verbrennung. Der wichtigste Gesichtspunkt bei der Bekämpfung von Staubbränden ist das Verhindern der Aufwirbelung des Staubes. Brennender oder glimmender Staub darf daher nur mit Sprühstahl unter Zumischung von Netzmittel gelöscht werden

Fett- oder Flüssigkeitsbrandexplosion

Zu einer sogenannten Fettexplosion kommt es immer dann, wenn Wasser in eine nicht wasserlösliche und auf über 100 °C erwärmte Flüssigkeit gegossen oder gespritzt wird. Der Begriff Fettexplosion hat sich eingebürgert, weil es sich in der Praxis bei diesen Flüssigkeiten meist um Öle oder Fette handelt. Das Wasser, welches eine größere Dichte als Öle und Fette hat, dringt in tiefere Schichten ein und wird dabei sehr schnell auf die Temperatur der umgebenden Flüssigkeit (über 100 °C) erhitzt. Das Wasser verdampft nach einem kurzzeitigen Siedeverzug schlagartig. Aus einem Liter Wasser entstehen hierbei 1700 Liter Wasserdampf. Diese gewaltige Volumenvergrößerung innerhalb des Gefäßes führt dazu, dass die heiße Flüssigkeit schlagartig herausgeschleudert wird. Dies geschieht in einer feinen Tröpfchenverteilung. Die bis zu mehreren Metern umherspritzende heiße Flüssigkeit stellt eine erhebliche Verbrennungsgefahr dar. Noch eindrucksvoller ist eine Fettexplosion, wenn das Wasser in bereits berennende Fette oder Öle gegeben wird. Es kommt zu einem schlagartigen Verbrennen der herausgeschleuderten Flüssigkeitströpfchen. Der entstehende Feuerball kann leicht Ausmaße von bis zu 20 Meter Höhe annehmen.

„Boil over“ (Flüssigkeitsaustritt durch Überkochen)

Tanklagerbrände gehören neben Bränden auf Chemiearealen zu den gefährlichsten Bränden überhaupt. Wenn in einem Mineralöltank enthaltenes oder durch die Löschmaßnahmen eingebrachtes Wasser wegen des Siedeverzugs plötzlich aufkocht, kommt es zum „Boil over“. Das aufkochende Wasser und der entstehende Dampf schießen über den Tankrand hinaus und reißen erhitztes und brennendes Produkt mit sich. Der Brand weitet sich dadurch schlagartig aus und gefährdet alle sich in der Nähe befindlichen Personen und Sachwerte.

Zusammenfassung

In dieser Lernunterlage werden die Unterschiede zwischen den Begriffen Oxidation und Verbrennung erläutert. Das Entstehen und Fortbestehen einer Verbrennung ist wesentlich von den stofflichen und energetischen Voraussetzungen einer Verbrennung abhängig. Die stofflichen Voraussetzungen sind neben dem Sauerstoff insbesondere die brennbaren Stoffe, die je nach Brandverhalten in Brandklassen eingeteilt werden. Das Mengenverhältnis dieser Ausgangsstoffe ist dabei entscheidend. Wichtige Größen sind hierbei der Flammpunkt, die untere und obere Explosionsgrenze sowie der Explosionsbereich. Um eine Verbrennung schließlich einzuleiten, sind energetische Voraussetzungen erforderlich. Hierzu werden die Begriffe Zündtemperatur, Mindestverbrennungstemperatur und Katalysator an Beispielen erläutert. Sind diese Bedingungen erfüllt, kann die Verbrennungsreaktion in verschiedenen Geschwindigkeiten ablaufen.

Literaturhinweis

  1. Deutsches Institut für Normung: DIN EN 2, Beuth Verlag GmbH, Berlin Januar 2005
  2. Rodewald, Giesbert: Brandlehre, 5.Auflage, Kohlhammer Verlag, Stuttgart 1998
  3. Heuschen, Reiner: Brandlehre. Der Feuerwehrmann auf der Schulbank, Heft 2 Bochum 1991
  4. Klingsohr, Kurt und Kaufhold, Friedrich: Verbrennen und Löschen, Rotes Heft 1 Stuttgart 1996
  5. Wegner, Wenking, Uphoff: Brand-und Löschlehre, LU 11-001 IdF-NRW 2007
  6. Knorr, Die Gefahren der Einsatzstelle, 6.Auflage, Kohlhammer Verlag, Stuttgart 1997