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2.4.6 Allgemeine Schemen des Entzündungs- und Verbrennungsab...
Scheuermann, Praxishandbuch Brandschutz, 2016
Autor: Scheuermann
Titel: Praxishandbuch Brandschutz
Herausgeber: Scheuermann
Auflage: 2016
Autor: Scheuermann
Abschnitt: 2 Grundlagen des Brand- und Explosionsschutzes → 2.4 Brand- und Löschlehre
 

2.4.6 Allgemeine Schemen des Entzündungs- und Verbrennungsablaufes

Um einen Stoff zu entzünden, muss eine bestimmte Fremdenergie, die Mindestzündenergie, aufgebracht werden. Das Brennen selbst ist danach aber nur möglich, wenn so viel Reaktionsenergie bzw. Verbrennungswärme frei wird, dass diese die erforderliche Fremdenergie ersetzen kann und selbst immer weiter neue Brandstoffteilchen entzündet. Die durch das Entzünden erreichte Verbrennungswärme muss also nunmehr selbst in der Lage sein, den Brennvorgang ohne Fremdenergie aufrechtzuerhalten. Man kann somit für die brennbaren Stoffe von einem sogenannten Wärmekreislauf sprechen.

Bei den nach DIN 4102 Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen -Teil 1: Baustoffe; Begriffe, Anforderungen und Prüfungen als schwer entflammbar gekennzeichneten Stoffen ergibt sich dagegen ein solcher Wärmekreislauf nicht, weil dabei die Reaktionsenergie, die Verbrennungsenergie, als Ersatz für die Fremdenergie zur Aufrechterhaltung der Verbrennung nicht ausreicht. Die Fremdenergie, die erforderlich ist, um feste, flüssige oder gasförmige Stoffe zu entzünden, nimmt vom festen zum gasförmigen Aggregatzustand hin ab. Zur Entzündung flüssiger und fester Stoffe ist also eine höhere Fremdenergie erforderlich als zur Entzündung gasförmiger Stoffe. Gasförmige Stoffe brauchen nämlich nur auf ihre Zündtemperatur erwärmt zu werden. Durch das Erreichen der Zündtemperatur wird die schnelle Oxidation eingeleitet. Damit wird eine erhöhte Reaktionsenergie (Verbrennungswärme) freigesetzt. Die Zufuhr von Fremdenergie muss jedoch noch so lange aufrechterhalten bleiben, bis die Mindestverbrennungstemperatur erreicht ist. Erst nach dem Erreichen der Mindestverbrennungstemperatur liegt die Oxidationsgeschwindigkeit vor, bei der die Reaktionsenergie ausreicht, um die Verbrennung selbstständig, ohne Energiezufuhr von außen, also ohne Fremdenergie, aufrechtzuerhalten. Zum ständigen Weiterbrennen der Flamme ist teilweise eine Temperatur erforderlich, die mehrere hundert Grad über der erforderlichen Zündtemperatur liegt (s. Tabelle 1).

Tab. 1: Zündtemperatur, Mindestverbrennungstemperatur und Brandtemperatur

Stoff

Zündtemperatur C

Mindestverbrennungstemperatur C

Brandtemperatur C

mit Luft

in reinem O2

Propan

460

1.200

1.925

2.850

Acetylen

305

950

2.325

3.135

Wasserstoff

560

630

2.045

2.660

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Die Mindestverbrennungstemperatur spielt insbesondere beim Löschen eine große Rolle. So hat auch bei Flammenbränden der Kühleffekt eine starke Wirkung. Die Reaktion muss nämlich nur bis unter die Mindestverbrennungstemperatur und nicht bis unter die viel niedrigere Zündtemperatur abgekühlt werden. Ein derartiger Kühleffekt wird beispielsweise mit Hilfe von Wassernebel und Löschpulver erreicht. Aber auch beim Explosionsschutz macht man sich dieses Wissen durch den Einsatz von Davy-Sieben, Kiestöpfen, Gesteinstaubsperren und engen Spalten zunutze.

Die Oxidationsgeschwindigkeit der nun selbstständig ablaufenden Reaktion steigt nun so weit an, bis sich ein Gleichgewicht aus der frei werdenden Verbrennungswärme, der erforderlichen Zündenergie und den Wärmeverlusten an die Umgebung einstellt. Dieser Gleichgewichtszustand ergibt sich, wenn die Brandtemperatur erreicht ist. Bei der Verbrennung von Gasen und Dämpfen, aber auch von Aerosolen, ergeben sich besonders hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten, wenn vor der Entzündung und der Verbrennung eine gute Vermischung mit dem Sauerstoff erfolgen konnte. Nach der Flammengeschwindigkeit und den sich daraus ergebenden Wirkungen auf die Umwelt lassen sich die in Tabelle 2 aufgeführten Unterschiede feststellen.

Tab. 2: Flammengeschwindigkeit und Wirkungen auf die Umwelt

Reaktion

Flammengeschwindigkeit

Beispiele

Wirkungen

Verpuffung

unterhalb der Schallgeschwindigkeit

Gemische in der Nähe der Explosionsgrenzen

weiche Stichflammen, Druckanstieg
< 1 bar

Explosion

Schallgeschwindigkeit

günstiges Mengenverhältnis

harte, weitreichende Stichflammen, Druckanstieg 7-10 bar

Detonation

oberhalb der Schallgeschwindigkeit

vorverdichtete Gemische, Gemische mit reinem O2, Sprengstoff

Druckanstieg
> 10 bar bis
> 200.000 bar

2.4.6.1 Zündung eines explosionsfähigen Gemisches

Unter dem Oberbegriff Explosion wird eine sehr schnell ablaufende chemische Reaktion verstanden, bei der große Gas- und Wärmemengen freigesetzt werden. In Abhängigkeit von der Ausbreitungsgeschwindigkeit spricht man von Verpuffung, Explosion und Detonation. Durch die schlagartige Ausdehnung der erwärmten Gase wird eine Druckwelle erzeugt. Ein mehr oder weniger heftiger Knall und Zerstörungen sind die Begleiterscheinungen. Die Energiefreisetzung steigt proportional mit der Verbrennungsgeschwindigkeit.

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Gleichzeitig kommt es zu einem steilen und starken Druckanstieg. Bei der Zündung eines explosionsfähigen Gemisches bildet sich eine Flammenfront aus, die sich vom Zündort aus radial durch das Gemisch ausbreitet. Die fortlaufende Zündung des Gemisches erfolgt bei niedrigen Ausbreitungsgeschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit durch Wärmeübertragung aus der Reaktionszone auf benachbarte Teilchen. Der Druckanstieg kann so groß werden, dass durch die Druckwelle noch nicht gezündete Nachbarbereiche stark komprimiert werden. Die entstehende Kompressionswärme führt zu einer fortlaufenden Zündung. Die Flammengeschwindigkeit liegt dabei über Schallgeschwindigkeit. Wird die Explosion durch die geschilderte Wärmeübertragung (adiabatische Kompression) unterhalten, so ist dieses der Zustand einer Detonation.

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