Brand- und Löschlehre

Explosion – Die Definition

ExplosioExplosionn

Definition: Eine Explosion ist eine plötzlich, äußerst schnell verlaufende Zerfalls- oder Oxidationsreaktion, bei der Wärme frei und/oder eine Druckerhöhung bewirkt wird.

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Explosion – Ein Beispiel

Explosion eines Flüssiggasbehälters in 200 m Abstand

Explosion eines Flüssiggasbehälters in 50 m Abstand

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Deflagration und Detonation?

Man unterscheidet bei einer Explosion zwischen Deflagration und Detonation.

Deflagration: Reaktionsgeschwindigkeit < Schallgeschwindigkeit

v in m/s (v = Verbrennungsgeschwindigkeit)

Drücke bis 10bar Detonation: Reaktionsgeschwindigkeit > Schallgeschwindigkeit

v in km/s

Flammenreaktion ausgelöst durch eine Stoßwelle

Drücke über 10bar bis über 200.000bar

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Verpuffung und mehr

Verpuffung Deflagration, jedoch v in cm/s, Drücke bis 1bar

Implosion ist ein plötzliches Zerreißen der Wandungen eines unter Unterdruck stehenden Behälters, Rohres oder ähnlichen Anlagen- oder Bauteiles.

Behälterzerknall ist ein plötzliches Zerreißen eines unter Überdruck stehenden Behälters, Rohres oder Anlagen- oder Bauteiles.

Fliehkraftzerknall ist ein plötzliches Zerreißen eines rotierenden Maschinenteiles (Schwungrad, Schleifscheibe, o.ä.) infolge zu großer Fliehkraft.

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Flammen – Geschwindigkeiten

Flammengeschwindigkeit(auch Zünd- oder Verbrennungsgeschwindigkeit)

ist die bei Explosionen auftretende Geschwindigkeit der Flammenfront.Sie wird im wesentlichen durch die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsprodukte bestimmt.

Flammenausbreitungsgeschwindigkeit

ist die bei festen und flüssigen Stoffen auftretende Geschwindigkeit, mit der sich eine Flamme an der

Oberfläche dieser Stoffe ausbreitet.

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Mittendrin in den Flammen

Beim Großen Preis von Deutschland 1994 in Hockenheim steht der Bennetton-Ford von  Jos Verstappen in Flammen, nachdem der Tankschlauch beim Auftanken verkanntet aufgesetzt wurde und sich etwa 12 Liter Benzin über Fahrzeug, Fahrer und Boxenmannschaft ergossen. Sekunden später hatten sich die Benzindämpfe im Auspuffbereich entzündet.

Dank der hervorragenden Schutzmaßnahmen ist der Brand innerhalb von 5 Sekunden gelöscht, Jos Verstappen kommt mit nur leichten Verbrennungen davon und erzielt zwei Wochen später in Ungarn im selben Auto einen 3. Platz.

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Explosionsgrenze

Untere und obere Explosionsgrenze (Zündgrenze)Untere und obere Explosionsgrenze (Zündgrenze)

Definition: Untere und obere Explosionsgrenze ist die niedrigste bzw. höchste Konzentration des brennbaren Stoffes im Gemisch von Gasen, Dämpfen, Nebeln und/oder Stäuben, in dem sich nach dem Zünden ein Brennen gerade nicht

mehr selbständig fortpflanzen kann.

untere Explosionsgrenze ( UEG ) 

„... eine Zündung ist gerade noch nicht möglich!“

obere Explosionsgrenze ( OEG ) 

„... eine Zündung ist gerade nicht mehr möglich!“

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Explosionsbereich

ExplosionsbereichExplosionsbereich

Definition: Der Explosionsbereich ist der Konzentrationsbereich zwischen der oberen und der unteren Explosionsgrenze.

Mager Explosionsbereich Fett

UEG OEG

0 % 100 %

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Werte für Explosionsgrenzen

Beispiele für UEG (Vol.-%) OEG (Vol.-%)

Erdgas 7,0 17,0

Acetylen 1,5 82,0

Wasserstoff 4,0 75,6

Ethylenoxid 3,0 100

Benzin/Petroleum 0,6 8,0

Butan 1,5 10,0

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Flammpunkt – Die Definition

FlammpunktFlammpunkt

Definition

Der Flammpunkt ist die niedrigste Flüssigkeitstemperaturbei der sich unter festgelegten BedingungenDampf in solchen Mengen entwickelt,dass über dem Flüssigkeitsspiegelein durch Fremdzündung zündbares Dampf/Luftgemisch entsteht.

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Brennpunkt – Die Definition

BrennpunktBrennpunkt

Definition:

Der Brennpunkt ist die niedrigste Flüssigkeitstemperaturbei der sich unter festgelegten BedingungenDampf in solchen Mengen entwickelt,dass nach Wegnahme der Zündquelleein selbständiges Brennen erhalten bleibt.

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Dichteverhältnis

DichteverhältnisDichteverhältnisDichteverhältnisDichteverhältnis

Zur Beurteilung des Ausbreitungsverhaltens von Gasen und Dämpfen bedient man sich des Dichteverhältnisses. Anhand des Dichteverhältnisses kann sehr schnell beurteilt werden, ob bekannte Gase oder Dämpfe leichter oder schwerer als Luft sind.

 Ist das Dichteverhältnis < 1, so ist der Stoff leichter als Luft. Ist das Dichteverhältnis > 1, so ist der Stoff schwerer als

Luft.

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Dichteberechnung

Die Dichte lässt sich über die Molmassen bestimmen, z.B.:

2 g/mol S

O2 32 g/mol N2 28 g/mol C 12 g/mol

H2 32 g/mol Cl2 35 g/mol

Die Molmasse der Luft berechnet sich unter der Vereinfachung, dass Luft aus ungefähr 21 Vol.-% O2 und 79 Vol.-% N2 besteht, wie folgt:

21 Vol.-% O : 21%

100%32

g

mol6,72

g

mol

79 Vol.-% N : 79%

100%28

g

mol22,12

g

mol

21 Vol.-% O + 79 Vol.-% N : M = 28,84 g

mol29

g

mol

2

2

2 2 Luft

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Dichteverhältnis – Ein Beispiel

Die Molmasse von Luft beträgt 28,84 g/mol oder ≈ 29 g/mol.

 Beispiel: Kohlendioxid CO2 (Kohlenstoffdioxid)

 C 12 g/molO2 32 g/mol

CO2 44 g/mol

DichteverhältnisM

M

g

molg

mol

CO

Luft

2

44

291 52,

Das Dichteverhältnis von CO2 ist größer 1, somit ist CO2 schwerer als Luft. Das Dichteverhältnis von CO2 ist größer 1, somit ist CO2 schwerer als Luft.

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Dichteverhältnis bei Flüssigkeiten

Analog hierzu gibt es den Dichtevergleich von Dichten flüssiger Stoffe mit der Dichte des

Wassers.

 Ist das Dichteverhältnis < 1, so ist breitet sich der Stoff auf dem Wasser aus. Ist das Dichteverhältnis > 1, so sinkt der Stoff im Wasser unter.

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Zündenergie

ZündenergieZündenergie

Um den Verbrennungsvorgang (chemische Reaktion) in Gang bringen zu können, ist den Ausgangsstoffen Aktivierungsenergie zuzuführen.

Diese Form der Aktivierungsenergie wird in der Brandlehre als Mindestzündenergie bezeichnet.

Definition: Mindestzündenergie ist die Zündenergie, durch die einbrennbarer Stoff gerade noch entzündet werden

kann.

Definition: Zündenergie ist die von einer Zündquelle abgegebeneEnergie.

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Zündtemperatur – Die Definition

Aus der Physik wissen wir, dass Energie bei Verbrennungsvorgängen mit Wärme gleichzusetzen ist. Dieser Wärmezustand kann durch die Temperatur dieses Stoffes beschrieben werden.Um einen brennbaren Stoff entzünden zu können, muss dieser “thermisch” aufbereitet werden. Diese zum Entzünden notwendige Temperatur des brennbaren Stoffes wird Zündtemperatur genannt.

Definition: Die ZündtemperaturZündtemperatur ist die niedrigste (vereinfacht) Temperatur des brennbaren Stoffes, bei der der

brennbare Stoff und der Sauerstoff unter Feuererscheinung miteinander reagieren.

ZündtemperaturZündtemperatur

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Zündtemperatur – Die Faktoren

Diese Zündtemperatur ist von verschiedenen Faktoren abhängig:

Art des brennbaren Stoffes

Eigenschaften des brennbaren Stoffes

Zustand des Stoffes

Sauerstoffkonzentration

Art und Einwirkungsdauer der Zündquelle

Katalysatoren, u.a.

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Entzündungsformen

Selbstentzündung, Fremdentzündung

Definition: SelbstentzündenSelbstentzünden ist eine Entzündung ohne Energiezufuhr von außen. Sie kann z.B. infolge einer Oxidation, einer Zerfallsreaktion (Aceton-Acetylen) oder infolge Polymerisation erfolgen.

Definition: FremdentzündenFremdentzünden ist eine Entzündung durch von außen zugeführte Zündenergie. Eine von außen

zugeführte Zündenergie ist von brennbaren Stoffen unabhängig und kann z.B. von einem Lichtbogen,

einem Funken, einer offenen Flamme oder einer heißen Oberfläche herrühren.

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Daten zum Magnesium

Magnesium

• Schmelzpunkt 648°C• Siedepunkt 1.090°C

• Zündtemperatur 640°C

• Brandtemperatur 2.500°C

Bevor Magnesium seinen Schmelzpunkt erreicht, wird bereits die Zündtemperatur überschritten, die Folge ist eine Selbstentzündung.

Daher wird Magnesium nur unter Ausschluss von Sauerstoff geschmolzen!

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Verbrennungskreislauf

Damit die Verbrennung nach dem Entzünden weiter bestehen bleiben kann, muss ständig Energie nachgeführt werden. Diese Energie wird aus der exothermen Reaktion der Verbrennung abgeführt.

Aktivierung Reaktionswärme

WärmeverlusteAufbereitung

Zündenergie

Brennen

Entzünden

Energiekreislauf der Verbrennung

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Verbrennungstemperatur

Durch die Zufuhr von Zündenergie wird der brennbare Stoff aufbereitet, das System aktiviert und die Reaktionsgeschwindigkeit so weit gesteigert, dass das System in der Lage ist, durch die eigene Energieproduktion ein selbständiges Brennen zu unterhalten.

Das Erreichen dieses Niveaus wird durch die zugehörige Temperatur beschrieben, die Mindestverbrennungstemperatur.

Definition: Die MindestverbrennungstemperaturMindestverbrennungstemperatur ist die Temperatur, bei der die für das Unterhalten eines selbständigen Brennens notwendige Energie vorhanden ist.Die Verbrennung unterhält sich selbst, eine weitere Energiezufuhr von außen ist nicht notwendig.

MindestverbrennungstemperaturMindestverbrennungstemperatur

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Brandtemperatur

Aufgrund der überschüssigen Reaktionswärme steigt die Temperatur im System selbständig bis zu einer maximalen Temperatur an,der Brandtemperatur.

Definition: Die Brandtemperatur ist die Temperatur, die bei einem Brand auftritt.

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Brandtemperatur – Die Faktoren

Die Brandtemperatur hängt von vielen Faktoren ab, die das Brandsystem selbst, aber auch seine Umgebung betreffen:

Art der beteiligten Stoffe

Aggregatzustand

Verhältnis Oberfläche zur Masse

Sauerstoffkonzentration

Wärmeverluste

Transport der beteiligten Stoffe

Diffusion der beteiligten Stoffe, u. a. m.