Montag, Dezember 17, 2018
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Brandlehre

1. Grundlagen

1.1 Geschichtliches

Obwohl die Menschen seit Urzeiten mit Feuer vertraut sind, gelang es ihnen erst recht spät, die Vorgänge während eines Feuers zu erklären.

Die ältesten bekannten Erklärungsversuche stammen von dem griechischem Philosophen Aristoteles( 384 - 322 v. Chr.). Für ihn gehörte Feuer zu den vier Grundelementen: Feuer, Wasser, Erde und Luft. Alle anderen Dinge bestanden für ihn aus Mischungen dieser vier Grundelemente.

Zu Beginn des 18. Jahrhunderts dann stellte Georg Ernst Stahl die sogenannte "Phlogistonhypothese" auf. Nach dieser Theorie enthält jeder brennbare Stoff Phlogiston, daß beim Verbrennen als Flamme entweicht. Als man aber feststellte, daß Stoffe beim Verbrennen an Gewicht zunahmen, mußte die Theorie erweitert werden, indem man dem Phlogiston ein "negatives Gewicht" zuschrieb. Zugutehalten muß man ihm, daß er noch gar nichts von der Zusammensetzung der Luft wußte.

Dem Franzosen Lavoisiergelang es 1775, die Phlogistonhypothese zu widerlegen. Er erkannte die richtigen Zusammenhänge, die zu unserem heutigen Wissen über die Verbrennung geführt haben:

"Bei der Verbrennung verbindet sich ein bestimmter Teil der Luft ("Sauerstoff") unter Wärmeabgabe mit dem brennbaren Stoff."

Eine Verbrennung wird daher auch als "Oxidation" (Verbindung mit Sauerstoff) bezeichnet.

Dieser bestimmte Teil der Luft wurde 1777 von dem schwedischen Wissenschaftler deutscher Herkunft Carl Wilhelm Scheele isoliert und in seinem Buch "Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer" beschrieben. Er nannte ihn "Feuerluft", heute kennen wir ihn unter dem Namen "Sauerstoff"

1.2 Voraussetzungen

Damit eine Verbrennung "funktioniert", müssen bestimmte Stoffe vorhanden sein oder bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden:

  • Sauerstoff
  • brennbarer Stoff
  • in einem bestimmten Mengenverhältnis
  • Zündtemperatur

und, gegebenenfalls:

  • Katalysator

Wird einer dieser Punkte weggenommen, so kann die Verbrennung nicht mehr weiter verlaufen. Ist dann auch noch brennbares Material nachweisbar, haben wir "gelöscht".

1.2.1 Sauerstoff

Sauerstoff (chem. Zeichen: O )ist das häufigste chemische Element der Erdrinde. Es ist in der Luft zu 20,95 Vol.-% enthalten. Wasser z.B. besteht zu 88 Gew.-% aus Sauerstoff.

Es ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Sauerstoff selbst ist nicht brennbar, fördert aber die Verbrennung.

1.2.2 Brennbarer Stoff

Brennbare Stoffe sind feste, flüssige oder gasförmige Stoffe einschließlich Dämpfe, Nebel oder Stäube, die im Gemisch mit Sauerstoff und einer geeigneten Zündquelle zum Brennen angeregt werden können.

Brennbare Stoffe können auf verschiedenste Art und Weise eingeteilt werden:

  • nach Brennbarkeit
  • nach dem Flammpunkt
  • nach der Zündtemperatur
  • nach der Mindestzündenergie
  • nach der Grenzspaltweite

oder, die Bekannteste,

  • nach dem Brandverhalten.

Brennbare Stoffe, die nach dem Brandverhalten beurteilt werden, werden in vier sogenannte Brandklassen eingeteilt:

BrandklasseArt des BrandesBrandverhaltenStoffbeispiel
Brände fester Stoffe, hauptsächlich organischer Natur. Mit Flamme und Glut
  • Papier
  • Holz
  • Textilien
Brände flüssiger oder flüssig werdender Stoffe Nur mit Flamme
  • Öle
  • Fette
  • Benzin
Brände gasförmiger Stoffe Nur mit Flamme
  • Methan
  • Propan
  • Acetylen
Brände von Metallen Nur mit Glut
  • Aluminium
  • Magnesium
  • Natrium

 

1.2.3 Mengenverhältnis

Das Mengenverhältnis kann großen Einfluß darauf haben, wie eine Verbrennung abläuft.

Ein großer Holzstück läßt sich nur schwer anzünden. Das gleiche Stück Holz aber zu Staub zermahlen läßt sich sehr gut zünden und kann in der Luft verteilt gar zu einer Explosion führen.

Analog dazu kann ein voller Behälter, der z.B. mit Benzin gefüllt ist, nicht zur Explosion gebracht werden; während die berühmte Schnapsglasmenge Benzin im luftgefüllten 200-Liter-Faß bei der Zündung den Zündenden im wahrsten Sinne des Wortes aus den Socken reißt.

Brandklasse  und :

Bei festen Stoffen verläuft die Verbrennung um so schneller, je größer das Verhältnis Oberfläche zu Masse ist. Durch eine große Oberfläche wird dem Sauerstoff die Möglichkeit gegeben, sich in kurzer Zeit mit sehr vielen Molekülen des brennbaren festen Stoffes zu verbinden. Ein Rechenbeispiel, um sich die Ausmaße klar zu machen, ist im Anhang A geschildert.
 

 Brandklasse  und :

Dämpfe oder Gase im Gemisch mit Sauerstoff müssen nicht in jedem Mischverhältnis zündbar sein. Der sogenannte Zündbereich (oder Explosionsbereich) ist die Konzentration, in der sich die brennbaren Gase, Nebel oder Dämpfe im Luftgemisch zünden lassen. Der Zündbereich ist von Stoff zu Stoff verschieden. Die niedrigste Konzentration, in der sich ein Gas-Gemisch,ect., zünden läßt, nennt man untere Explosionsgrenze; darunter ist das Gemisch zu "mager".

Die höchste Konzentration, in der sich ein Gas-Gemisch,ect., zünden läßt, bezeichnet man als obere Explosionsgrenze; darüber ist das Gemisch zu "fett".

 

Beispiele für Explosionsgrenzen von verschiedenen Stoffen:

Stoffuntere Explosionsgrenze im Gemisch mit Luft [Vol.-%]obere Explosionsgrenze im Gemisch mit Luft [Vol.-%]
Acetylen 1,5 82
Ammoniak 15 28
Benzin 0,6 8
Erdgas 4,5 13,5
Kohlenmonoxid 12,5 75
Methan 5 15
Petroleum 0,7 5
Propan 2,1 9,5
Schwefelkohlenstoff 1 60
Wasserstoff 4 75,6

Je größer der Explosionsbereich, desto gefährlicher ist natürlich auch der Umgang mit diesem Stoff. Acetylen ist quasi in jeder Konzentration explosibel.

 

1.2.4 Zündtemperatur

Die Zündtemperatur ist die niedrigste Temperatur, bei der

  • ein fester Stoff zum Brennen angeregt wird
  • ein explosionsfähiges Luftgemisch bei Berührung zum Brennen angeregt wird.

Da die Zündtemperatur von verschiedenen Randbedingungen abhängt, läßt sich eine genaue Angabe der Zündtemperatur eines bestimmten Stoffes nur grob angeben.

Beeinflußt wird die Zündtemperatur zum Beispiel von:

  • Art der Zündquelle
  • Dauer der Erwärmung
  • Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft
  • das Verhältnis Oberfläche zu Masse
  • der Feuchtigkeitsgehalt des Stoffes.

Beispiele für Zündtemperaturen verschiedener Stoffe

StoffZündtemperatur [°C]
Feste Stoffe
Holzkohle 350
Holz 220 - 320
Papier 185 - 360
Schwefel 250
Flüssige Stoffe
Alkohol 425
Benzin 240 - 500
Petroleum 280
Schmieröle 510 - 610
Gasförmige Stoffe
Acetylen 305
Kohlenmonoxid 605
Methan 595
Wasserstoff 560

 

1.2.5 Katalysator

Katalysatoren beschleunigen oder ermöglichen eine Verbrennung, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.

Die Wirkungsweise eines Katalysators beruht darauf, daß er mit einer der Substanzen des Materials eine reaktionsfähige Zwischenverbindung bildet, die eine geringere Aktivierungsenergie besitzt als das ursprüngliche Material. Die Zwischenverbindung reagiert mit dem anderen Reaktionspartner dann so, daß der Katalysator im Lauf der Reaktion wieder freigesetzt wird.

2. Wichtige Begriffe:

2.1 Flammpunkt (Brandklasse  ):

Der "Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstemperatur, bei der sich unter festgelegten Bedingungen Dämpfe in solcher Menge entwickeln, daß über dem Flüssigkeitsspiegel ein durch Fremdentzündung entzündbares Dampf/Luft-Gemisch entsteht."(DIN 14011 Teil 1)

Wird die Zündquelle weggenommen, so läuft die Verbrennung nicht mehr von alleine weiter: Die Flammen erlöschen.

2.2 Brennpunkt (Brandklasse  ):

Der Brennpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstemperatur, bei der ein fremdgezündetes Dampf/Luft-Gemisch weiterbrennt, selbst wenn die Zündquelle entfernt worden ist. Der Brennpunkt liegt grundsätzlich über dem Flammpunkt. Je niedriger der Flammpunkt ist, um so näher liegt auch der Brennpunkt am Flammpunkt.

Beispiel:

StoffFlammpunkt [°C]Brennpunkt [°C]Differenz [°C]
Benzol -11 -9 2
Schmieröl 148 190 42

 

2.3 Einteilung brennbarer Flüssigkeiten nach VbF:

Bei Flüssigkeiten brennt nicht die Flüssigkeit selbst, sondern die über der Flüssigkeitsoberfläche vorhandenen Dämpfe, die mit dem Sauerstoff der Luft durchmischt entzündbar sind.

Die "Verordnung über brennbare Flüssigkeiten" (VbF) teilt brennbare Flüssigkeiten in 2 Gefahrklassen ein. Die Kenntnis über diese Gefahrklassen ist sehr wichtig bei der Wahl der Löschmethode und der Abschätzung der Gefahr, die von dieser Flüssigkeit ausgeht.

  • Gefahrklasse B: Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt unter 21° C, die sich bei 15° C beliebig in Wasser lösen lassen. Solche Flüssigkeiten kann man beispielsweise mit Wasser löschen, da durch das Vermischen mit dem Wasser der Flammpunkt der Brennbaren Flüssigkeit immer weiter nach oben wandert. Beispiel: Alkohol, Aceton
  • Gefahrklasse A: Diese Gefahrklasse ist dreifach unterteilt:
    • Gefahrklasse A1: Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt unter 21° C, die sich nicht in Wasser lösen lassen. Beispiel: Benzin, Ether.
    • Gefahrklasse A2: Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt von 21° C bis 55° C, die sich nicht in Wasser lösen lassen. Beispiel: Petroleum.
    • Gefahrklasse A3: Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt von 55° C bis 100°C , die sich nicht mit Wasser lösen lassen. Beispiel: Dieselkraftstoff.

Allgemein gilt:

  • Brennende Flüssigkeiten der Gefahrklasse A nicht mit Wasser löschen!
  • Je niedriger der Flammpunkt, um so größer die Gefahr, das sich brennbare Dämpfe bilden => Um so größer die Gefahr für die Einsatzkräfte (Diesel z.B. ist für uns erheblich ungefährlicher als Benzin, da er erst auf über 55° C erhitzt werden muß, bevor er brennbare Dämpfe entwickelt.).

2.4 Oxidationsgeschwindigkeit, Oxidationsarten und andere Gefahren

Ein normaler Brand ist nicht die einzige Möglichkeit, wie sich ein Stoff mir dem Luftsauerstoff verbindet. Die meisten dieser Vorgänge laufen vor unseren Augen ab, ohne, daß wir sie in kurzer Zeit bemerken. Wichtig ist hierbei der Begriff der Oxidationsgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, in der sich der Sauerstoff mit dem Stoff verbindet.

Wie bereits am Anfang gesagt, entsteht bei einer Oxidation Energie in Form von Wärme. Ab einer ewissen Oxidationsgeschwindigkeit wird soviel Energie frei, daß dabei eine Lichterscheinung beobachtet werden kann, eben Flamme oder Glut. Oxidationen mit Lichterscheinung bezeichnet man als Brennen.

Oxidationsgeschwindigkeit ->

ohne Lichterscheinung: gären, rosten, verwesen

mit Lichterscheinung: normales Brennen, Verpuffung, Deflagration, Detonation
 

Interessant für uns sind natürlich nur Oxidationen mit Lichterscheinung.

Arten solcher Oxidation sind:

2.4.1 Explosion

Eine Explosion ist eine sehr schnelle Verbrennung, die eine Temperatur- oder Druckerhöhung oder beides gleichzeitig bewirkt. Nach der Ausbreitungsgeschwindigkeit und Druckerhöhung unterscheidet man zwischen Verpuffung, Deflagration und Detonation.

2.4.1.1 Verpuffung

Eine Verpuffung ist eine Explosion mit einer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit unter 1m/s und einem geringen Druckanstieg unter 1 bar.

2.4.1.2 Deflagration

Eine Deflagration ist eine gedämmte Explosion mit einer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit unter der Schallgrenze (bis 330m/s) und einem Druckanstieg bis zu 1-14 bar.

2.4.1.3 Detonation

Eine Detonation ist eine aufs äußerste gesteigerte Explosion mit einer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit von bis zu einigen km/s und einem Druckanstieg von mehr als 10 bar. Sie tritt meist auf, wenn der brennbare Stoff mit reinem Sauerstoff gemischt vorliegt, wie zum Beipiel bei der Knallgasreaktion (Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch) oder bei Sprengstoffen

2.4.2 Flash-Over

Der Flash-Over (deutsch: "Feuerübersprung"), mittlerweile als "Backdraft" schon zu Hollywoodehren gekommen, stellt eine besondere Gefahr für die Einsatzkräfte dar.

In einen verschlossenen Raum sei der Sauerstoff aufgebraucht. Durch starke Wärmeentwicklung bei der Entstehungsphase eines Brandes werden brennbare Stoffe in einem Raum thermisch aufbereitet. Es entstehen Brandgase, die ein explosives Gemisch bilden und ihre Zündtemperaturen erreichen. Wird nun dem Gemisch Sauerstoff hinzugefügt (z.B. durch das Öffnen der Zimmertür), so sind alles Voraussetzungen für eine Oxidation vorhanden. Es kommt zu einem schlagartigen Durchzünden und einer Brandübertragung (Stichflamme!).

Abhilfe: Deckung suchen!

(Wenn irgend möglich, beim Öffnen der Türe mit Sprühstrahl gegen die Decke spritzen. Dadurch wird das explosive Gemisch, welches zur Decke gestiegen ist, unter die Zündtemperatur abgekühlt. Wie die zeitliche Abfolge eine solche Aktion zuläßt, ist natürlich fraglich.)

 

Anschauungsbeispiel Oberfläche/Masse

Laut Verbrennungstheorie läßt sich die Verbrennungsgeschwindigkeit eines festen Stoffes erhöhen, indem der brennbare feste Stoff zerkleinert oder feinst zerteilt wird. Dadurch wird die Oberfläche (bei gleichbleibender Masse) des brennbaren Stoffes größer, und der Sauerstoff kann schneller mit dem brennbaren Stoff in Kontakt treten.

Das Verhältnis Oberfläche/Masse wächst also beim Zerteilen. Das folgende Modell soll das Anwachsen des Verhältnisses verdeutlichen:

Man stelle sich einen Würfel mit einer Kantenlänge von 1 m vor, der aus einen Material wie Holz besteht

Die Fläche jeder Seite beträgt 1 m *1 m = 1 m². Da ein Würfel 6 Seiten besitzt, beträgt seine Gesamtfläche 6*1m² = 6m²

Wenn ich den Würfel in gleicher Richtung zu zwei Seitenebenen, also parallel zu zwei Kanten, durchschneide, so erhöhe ich die Gesamtfläche meines ursprünglichen Materials um 2 m²

  1. Will man den großen Würfel in 8 kleinere Würfel (Kantenlänge: 50 cm) zerteilen, so sind 3 Schnitte, nämlich 1 horizontaler und 2 vertikale Schnitte notwendig. Die Gesamtfläche erhöht sich also:

    3 [Schnitte]* 2 m² = 6 m² .

    Die Gesamtfläche hat sich also bereits durch 3 Schnitte verdoppelt.

  1. Man zerteile den großen Würfel in Knobelwürfel von 2 cm Kantenlänge. Dafür muß der Würfel 3*(100 cm / 2 cm - 1) = 147mal zerteilt werden.

    Die Gesamtfläche beträgt nun 6 m² + 147*2 m² = 300 m² .

    Unsere ursprüngliche Fläche eines Badezimmers ist mittlerweile auf die Gesamtfläche von 3 großen Wohnungen angewachsen.

  1. Man zerteile den großen Würfel zu groben Mehl (in Würfelchen von 0.1 mm Kantenlänge). Dafür muß der Würfel 3*(1000 mm / 0,1 mm - 1) = 29.997mal zerteilt werden.

    Die Gesamtfläche beträgt nun 6 m² + 29.997*2m² = 60.000 m² .

    Dies entspricht einer Fläche von 10 Fußballfeldern.

  1. Man zerteile den großen Würfel zu Staubpartikeln durchschnittlicher Größe (Kantenlänge: 0,0005 mm). Dafür muß der Würfel 3* (1000 mm / 0,0005 mm -1) = 5.999.997mal zerteilt werden.

    Die Gesamtfläche beträgt nun 6 m² + 5.999.997*2m² = 12.000.000 m² .

    Dies entspricht etwa einem Elftel der Fläche der Stadt Bonn (140.000.000 m²).

Beim letzten Beispiel hat sich also im Vergleich zur Ausgangslage das Verhältnis Oberfläche/Masse verzweimillionenfacht.

Katastrophe

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