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Brandlehre Aufgaben der Brandlehre ist die Beschreibung der stofflichen Umwandlungen, die sich bei der Verbrennung vollziehen. Zur näheren Beschreibung der ablaufenden Reaktionen greift man auf Gesetzmäßigkeiten der Naturwissenschaften Physik und Chemie zurück. 1 Grundbegriffe Vorbedingungen des Brennens: - stoffliche Vorbedingungen beschreibbar durch Gesetze der Chemie - energetische Vorbedingungen beschreibbar durch Gesetze der Physik Physik: Lehre von den Zuständen und den Zustandsänderungen der Materie. Chemie: Lehre von den stofflichen Eigenschaften der Materie und den Stoffumwandlungen. 2 Brennen Definition nach DIN 14 011 T1: Brennen ist eine Flamme und/oder Glut selbstständig ablaufende Reaktion zwischen einem brennbaren Stoff und Sauerstoff oder Luft. Brennen ist ein Vorgang der unbelebten Natur Brennen läßt sich durch Gesetze der Naturwissenschaften beschreiben. 3 Feuer Glut Feuer Flammen Dämpfe Feste Stoffe Flüssigkeiten Gase 4 Vorbedingungen für die Verbrennung stoffliche Voraussetzungen chemische energetische Voraussetzungen physikalische •brennbarer Stoff •Sauerstoff •Mengenverhältnis •Zündtemperatur • Mindestverbrennungstemperatur •Katalysator 5 Temperatur, Energie, Wärme Temperatur Die Temperatur ist eine Zustandsgröße, sie beschreibt den Wärmezustand eines Körpers. Energie Energie ist die in einem Körper gespeicherte Arbeit, sie befähigt ihn wieder Arbeit zu verrichten. Wärme Wärme ist eine spezielle Form der Energie, sie äußert sich in der kinetischen Energie der Teilchen. 6 Auswirkungen der Wärme - die Stoffe können ihren Aggregatzustand ändern - feste Stoffe verlieren ihre Festigkeit - die Stoffe dehnen sich aus 1. feste Stoffe 2. flüssige Stoffe 3. gasförmige Stoffe 7 Wärmeausbreitung Wärme fließt selbständig nur von einem Körper höherer Temperatur zu einem Körper mit niederer Temperatur. 8 Wärmetransport Wärmeleitung Unter Wärmeleitung versteht man die Übertragung von Wärme in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Stoff zwischen benachbarten Teilchen. Wärmeströmung (Konvektion) Die Übertragung von Wärme in Gasen oder Flüssigkeiten durch deren Strömung, die infolge von Temperaturunterschieden abläuft, wird als Konvektion bezeichnet. Wärmestrahlung Wärmestrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung, die ein Stoff infolge seiner Temperatur unter Abgabe eines Teiles seines Wärmeinhaltes an die Umgebung aussendet. 9 Wärmetransport 10 Abstandsgesetz Die Intensität einer Strahlung nimmt mit dem Quadrat des Abstandes (r) von der Quelle ab. 11 Verbrennungswärme Unter der Verbrennungswärme versteht man die bei einer vollständigen Verbrennung entstehende Wärmeenergie. Hierbei wird zwischen Heizwert und dem Brennwert unterschieden. Brennwert Der Brennwert ist ein theoretischer Wert, er berücksichtigt die Verdampfungswärme des im Brennstoff enthaltenen bzw. des bei der Verbrennung entstehenden Wassers nicht. Heizwert Der Heizwert berücksichtigt bereits den Energieverbrauch bei Verdampfen des bei der Verbrennung vorhandenen oder entstehenden Wassers und ist daher immer zahlenmäßig kleiner als der Brennwert. 12 Heiz- & Brennwerte in kJ/kg Brennwert feste Brennstoffe Antrazit 33490-34750 Holz, lufttrocken 15910-18000 Steinkohle 29310-35170 Torf, lufttrocken 13820-16330 flüssige Brennstoffe Benzin (Mittelwert) 46050 Benzol 41870 Ethanol 29730 Toluol 42750 gasförmige Brennstoffe Acetylen 57880 Butan 49440 Methan 56010 Wasserstoff 142300 Heizwert 32660-33910 14650-16750 27310-34120 11720-15070 42700 40150 26960 40820 48640 45720 50540 119950 13 Mindestverbrennungstemperatur Ist die Verbrennung eingeleitet, so ist eine Mindestenergie notwendig, damit die Verbrennung selbständig weiterlaufen kann. Zur Abschätzung dieser Energie gibt man die niedrigste Temperatur des reagierenden Brennstoff-SauerstoffGemisches an, bei der das Brennen gerade noch möglich ist. Diese Temperatur wird als Mindestverbrennungstemperatur bezeichnet. 14 untere & obere Explosionsgrenze (Zündgrenze) Unter der unteren bzw. oberen Explosionsgrenze versteht man die niedrigste bzw. höchste Konzentration des brennbaren Stoffes im Gemisch von Gasen, Dämpfen und/oder Stäuben, in dem sich nach dem Zünden ein Brennen gerade nicht mehr selbständig fortplanzen kann. Die Angabe der Explosionsgrenzen erfolgt in Vol.-%, Bezugsstoff ist hierbei Luft. Explosionsbereich Als Explosionsbereich bezeichnet man den Bereich zwischen der unteren und oberen Explosionsgrenze. Innerhalb dieser Grenzen ist stets eine Zündung der Gemische möglich. 15 Explosionsgrenzen in Vol.-% Stoff Acetylen Benzin Benzol Ether Methan Propan Schwefelkohlenstoff untere Grenze 2,4 0,6 1,2 1,7 5,0 2,1 1,0 obere Grenze 83,0 8,0 8,0 36,0 15,0 9,5 60,0 16 Explosion Explosion Plötzliche Zerfalls- oder Oxidationsreaktion, die eine Temperatur- oder Druckerhöhung oder beides gleichzeitig bewirkt. Je nach Geschwindigkeit der Reaktion wird zwischen einer Deflagration und einer Detonation unterschieden. 17 Deflagration Plötzliche Zerfalls- oder Oxidationsreaktion, die sich durch freiwerdende Reaktionswärme fortpflanzt und im Unterschied zur Detonation unterhalb der Schallgeschwindigkeit abläuft. Deflagrationen mit einer niedrigen Flammengeschwindigkeit und einer damit verbundenen geringen Druckwirkung werden zuweilen als Verpuffung bezeichnet. Bei der Verpuffung können Drücke bis 1 bar erreicht werden. Bei einer Deflagration treten hingegen Drücke bis etwa 10 bar auf. 18 Detonation Plötzliche Zerfalls- oder Oxidationsreaktion, die mit einer Stoßwelle gekoppelt ist und im Unterschied zur Deflagration oberhalb der Schallgeschwindigkeit abläuft. Durch die im Wellenkopf der Stoßwelle auftretenden hohen Temperatur- und Drucksprünge wird die Reaktion schlagartig ausgelöst. 19 Begriffe nach DIN 14011 T1 Fremdentzündung Fremdzündung ist eine Entzündung durch eine von außen zugeführte Zündenergie. Selbstentzündung Selbstentzündung ist eine Entzündung ohne Energiezufuhr von außen. Zündenergie Zündenergie ist die von einer Zündquelle abgegebene Energie. Sie ist abhängig vom Verhältnis Oberfläche zur Masse. Zerkleinern eines Stoffes führt zu einer Verringerung der Zündenergie. 20 Katalysator Katalysatoren sind Stoffe, die mit mindestens einem der Ausgangsstoffe eine reaktionsfähige Zwischenverbindung Bilden, welche dann mit anderen Stoffen so weiterreagiert, daß die Katalysatoren im Verlauf der Gesamtreaktion wieder zurückgebildet werden. Ein Katalysator kann unmögliche Reaktionen nicht möglich machen. Der Katalysator erniedrigt lediglich die Aktivierungsenergie (Zündenergie). 21 homogene & heterogene Katalyse homogene Katalyse Bei der homogenen Katalyse liegen der Katalysator und alle reagierenden Stoffe im gleichen Aggregatzustand vor. heterogene Katalyse Bei der heterogenen Katalyse liegen Katalysator und die Reaktionsmedien in verschiedenen Aggregatzuständen vor. 22 Temperatur Schema der Selbstentzündung Selbstentzündung des Stoffes Zündpunkt Temperaturanstieg durch Wärmestau Oxidationsgeschwindigkeit 23 Der Flammpunkt Der Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstemperatur, bei der sich Dämpfe in solcher Menge entwickeln, daß über dem Flüssigkeitsspiegel ein durch Fremdentzündung entzündbares Dampf-Luft-Gemisch entsteht. Dämpfe Gefäß mit brennbarer Flüssigkeit 24 Die Zündtemperatur Die Zündtemperatur einer explosionsfähigen Atmosphäre ist die bei der vorgeschriebenen Versuchsanordnung ermittelte niedrigste Temperatur einer erhitzten Wand, an der die am leichtesten entzündbare explosionsfähige Atmosphäre gerade noch zum Brennen mit Flammenerscheinung angeregt wird. Thermometer zur Dämpfe Messung der Flüssigkeitstemperatur Gefäß mit brennbarer Flüssigkeit 25 Verordnung brennbarer Flüssigkeiten (VbF) Brennbare Flüssigkeiten im Sinne dieser Verordnung sind Stoffe mit Flammpunkt, die bei 35°C weder fest noch salbenförmig sind, bei 50°C einen Dampfdruck von 3 bar oder weniger haben und zu einer der nachstehenden Gefahrklassen gehören: Gefahrklasse A Flüssigkeiten, die einen Flammpunkt nicht über 100°C haben und hinsichtlich der Wasserlöslichkeit nicht die Eigenschaften der Gefahrklasse B aufweisen. Gefahrklasse B Flüssigkeiten, mit einem Flammpunkt unter 21°C, die sich bei 15°C in Wasser lösen oder deren brennbare flüssige Bestandteile sich bei 15°C in Wasser lösen (Alkohol, Aceton). 26 Gefahrklasse A Gefahrklasse A I Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt unter 21 °C (z.B. Benzin, Benzol, Ether) Gefahrklasse A II Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt von 21 °C bis 55 °C (z.B. Terpentinöl, Testbenzin, Petroleum) Gefahrklasse A III Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt über 55 °C bis 100 °C (z.B. Heizöl, Dieselkraftstoff) 27 Flammpunktbeispiele (VbF) Stoff Aceton Benzol Ether Ethanol Diesel Methanol Benzin Petroleum Flammpunkt - 19 °C - 11 °C - 40 °C 12 °C > 55 °C 11 °C - 40 °C bis - 20 °C > 21 °C bis 30 °C Gefahrklasse B AI AI B A III B AI A II Merke: Je niedriger der Flammpunkt, desto gefährlicher ist der Stoff 28 Brandklasseneinteilung Klasse A: Brände fester Stoffe, hauptsächlich organischer Natur, die normalerweise unter Glutbildung verbrennen. Klasse B: Brände flüssiger oder flüssig werdender Stoffe. Klasse C: Brände von Gasen. Klasse D: Brände von Metallen. 29
