Brände in Gebäuden - Kapitel 2: Wie ein Brand entsteht

Der Volksmund sagt: "Alle Brände fangen klein an", was absolut richtig ist. Wir werden nun erörtern, warum manche Brände klein bleiben und daher auch keine größeren Schäden verursachen, und welche Faktoren dazu führen, dass ein Feuer größer wird. Zwei Schlüsselfaktoren sind die Entzündung und die Flammenausbreitung. Diese werden im Folgenden näher erläutert.

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Das Diagramm zeigt die Temperatur im Brandraum auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse. Ein Feuer kann sich je nach den Bedingungen auf verschiedene Weise entwickeln. Der Beginn des Brandes, der den ersten Teil der Brandentwicklungskurve darstellt, ist in Abbildung 4 dargestellt.

2.1. Anfängliches Feuer

Wenn wir darüber sprechen, wie ein Feuer entsteht, verwenden wir den Begriff Brandauslöser. Als Brandauslöser wird das Objekt bezeichnet, das den Brand verursacht hat. Ein Feuer kann durch Gegenstände wie eine Herdplatte, ein Radio, einen Fernseher, Kerzen oder ein Bügeleisen ausgelöst werden. Man spricht auch von der Brandursache. Die drei häufigsten Ursachen sind Schornsteine, offen entfachte Brände und unbeaufsichtigte Herdplatten. Auch technische Defekte sind häufig.

Bei den tödlichen Bränden ist das Bettzeug am häufigsten betroffen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der häufigste Brandauslöser bei tödlichen Bränden Zigaretten sind. Eine weitere häufige Ursache für den Tod von Menschen ist, dass ihre Kleidung irgendwie Feuer fängt.

Wir werden nun die verschiedenen Phasen des Brandverhaltens in chronologischer Reihenfolge durchgehen. Der Ausgangspunkt ist, wenn ein Gegenstand Feuer fängt. Ein entscheidender Faktor für die Entwicklung des Feuers ist

Abbildung 5. Brandauslöser und Brandursachen.

Bei einem brennstoffgesteuerten Feuer wird die Wärmefreisetzungsrate durch den Zugang zum Brennstoff gesteuert. Belüftungssteuerung bedeutet, dass die Sauerstoffmenge die Wärmefreisetzungsrate steuert.

Abbildung 6. Das Brandverhalten kann sich auf zwei verschiedene Arten entwickeln. Es kann wachsen oder abklingen.

Es hängt davon ab, ob das Objekt selbst über ausreichend Brennstoff verfügt oder ob sich in der Nähe etwas befindet. Wenn sich das Feuer nicht ausbreitet, bleibt es brennstoffgesteuert und brennt von selbst aus.

Wenn das Feuer brennstoffgesteuert ist, wird die Wärmeabgabe durch den Zugang zu Brennstoff gesteuert. In dieser Situation ist also genügend Sauerstoff vorhanden, damit der gesamte Brennstoff verbrennen kann. Bei einem lüftungsgesteuerten Feuer hingegen wird die Wärmeabgabe durch die Sauerstoffmenge und indirekt durch die Größe der Öffnung gesteuert. Die Anordnung der Brennstoffe ist ebenfalls entscheidend für das Verhalten des Feuers.

Wie entwickelt sich das Feuer dann? Wenn das Feuer die Möglichkeit hat, sich auszubreiten, erhöht sich die Wärmefreisetzungsrate.

Die Hitze des ursprünglichen Feuers führt dann dazu, dass sich andere Objekte entzünden. Die Entzündung ist ein äußerst wichtiges Phänomen, auf das im weiteren Verlauf des Kapitels eingegangen wird. Die Flammenausbreitung des Materials ist ebenfalls sehr wichtig für die weitere Ausbreitung des Feuers.

In den meisten Fällen reicht die Wärmefreisetzungsrate eines einzelnen Objekts nicht aus, um einen Flashover zu verursachen.

Wir sprechen in der Regel vom Initialfeuer, also dem Objekt, an dem das Feuer beginnt. Das kann zum Beispiel ein Sofa oder eine Kerze auf dem Tisch sein.

Beginnen wir mit dem Entstehungsbrand. Theoretisch gibt es zwei Wege, die das Feuer einschlagen kann, wenn es einmal ausgebrochen ist. Es kann sich entweder ausbreiten oder erlöschen.

Szenario 1 (das Feuer geht zurück - siehe Abbildung 8) ist aus taktischer Sicht sehr einfach zu handhaben. Oft befinden sich noch Rauchgase im Abteil, aber das eigentliche Feuer ist sehr leicht zu löschen. Diese Situation ist bei Hausbränden in Schweden sehr häufig.

Im Fall von Szenario 2 (das Feuer wächst - siehe Abbildung 9) müssen wir uns etwas mehr Gedanken machen. Da es interessant ist zu sehen, was passiert, wenn sich das Feuer weiter ausbreitet, werden wir uns im nächsten Abschnitt ansehen, wie und auf welche Weise sich das Feuer in der Anfangsphase ausbreiten kann.

Die Anordnung des Brennstoffs im Raum ist entscheidend für das weitere Verhalten des Feuers. Poröse und holzhaltige Materialien in Möbeln tragen zur schnellen Entwicklung des Feuers bei. Kunststoffe führen manchmal zu einer sehr schnellen Brandausbreitung, da sie auf den Boden tropfen und dort Feuerlachen bilden.

Wir werden uns nun ansehen, wie sich das Material entzündet und die Flammen sich mit Gegenständen ausbreiten. Es ist wichtig, diese Vorgänge zu verstehen, um zu erfahren, wie sich die Intensität eines Brandes entwickelt.

Abbildung 8. Das Feuer breitet sich nicht aus.

Abbildung 9. Das anfängliche Feuer auf dem Sofa wird größer. Die Fläche des Feuers vergrößert sich.

Zündung

+ O2

Energie

+ H2O +CO2 +CO

+ Kohlenstoffpartikel, usw.

Exothermer Prozess

Die Verbrennung ist eine chemische Reaktion. Genauer gesagt handelt es sich um eine ganze Reihe von chemischen Reaktionen, wenn der Brennstoff oxidiert wird. Brennstoff und Oxidationsmittel reagieren miteinander. Dabei werden Wärme und Licht freigesetzt. Der chemische Prozess wird also von physikalischen Effekten begleitet. Wärme ist die physikalische Energie, die während des chemischen Prozesses freigesetzt wird. Licht ist die physikalische Folge davon, dass z. B. in den Rußpartikeln Energie gespeichert ist.

Die Entzündung ist das erste sichtbare Zeichen der Verbrennung. Das brennbare Material kann sich aufgrund der hohen Temperatur selbst entzünden oder es kann durch eine externe Quelle wie ein Streichholz oder einen Funken entzündet werden. Bei festen Stoffen gibt es eine kritische Temperatur, bei der eine Entzündung stattfindet.

Diese variiert jedoch im Allgemeinen je nach dem brennenden Material und kann daher nicht als Maß für die Entzündbarkeit verwendet werden. Bei festen Stoffen muss die Oberfläche auf 300-400°C erwärmt werden, damit eine Entzündung mit einer Zündflamme erfolgt. Wenn keine Flamme in der Nähe ist, muss die Oberflächentemperatur höher sein. Holz muss eine Oberflächentemperatur von 500-600°C erreichen, bevor es sich selbst entzündet.

Die Entflammbarkeit fester Materialien wird anhand der Zeit geschätzt, die bis zur Entzündung vergeht. Eine Entzündung findet statt, wenn sich genügend brennbare Gase an der Oberfläche des festen Materials gebildet haben, so dass sie durch eine kleine Flamme entzündet werden können.

Materialien wie Holz oder Papier (organische Polymere) müssen 2 g/m2s (Gramm pro Quadratmeter und Sekunde) an brennbaren Gasen abgeben, um sich entzünden zu können. Kunststoffe (synthetische Polymere), die einen hohen Energiegehalt haben, benötigen etwa 1 g/m2s an brennbaren Gasen, um sich zu entzünden.

Pyrolysegase

Abbildung 11. Energiebilanz auf einer Oberfläche. Die Abbildung zeigt, wie der Wärmeaustausch vom Objekt aus erfolgt und wie die Wärmeleitung durch das Objekt stattfindet.

Abbildung 11 zeigt, was auf der Brennstoffoberfläche geschieht, wenn das Material einer äußeren Strahlung (Wärmestrahlung) ausgesetzt ist. Durch die Strahlung steigt die Temperatur auf den Wert, der für die Pyrolyse des Materials erforderlich ist. Bei der Pyrolyse zersetzt sich der Brennstoff. Für diesen Prozess muss die externe Strahlung ein bestimmtes Niveau erreichen. Wenn die Strahlung zu niedrig ist, kann sich das Material nicht entzünden.

Experimente haben gezeigt, welche Wärmemenge für ein bestimmtes Material erforderlich ist, damit es sich in der Nähe einer kleinen Flamme entzünden kann. Dies kann mit einem Gerät, dem so genannten Kegelkalorimeter, gemessen werden. Das Material wird darin unter einem Kegel platziert, der eine bestimmte Strahlung abgibt. Oben auf der Probe befindet sich ein Funkenerzeuger, der ständig versucht, das Material zu entzünden. Auf diese Weise wird die Zeit gemessen, bis sich das Material entzündet.

Abbildung 12 zeigt die Strahlungsintensität (kW/m2) und die Zeit, die benötigt wird, um das Holz zu entzünden, wenn es verschiedenen Verfahren unterzogen wird. Im weiteren Verlauf des Buches werden wir erklären, warum Strahlungswerte von etwa 20 kW/m2 so wichtig sind.

Abbildung 12. Entzündungszeit in Abhängigkeit von der einfallenden Strahlung.

Oberflächentemperatur in festen Materialien

Die Oberflächentemperatur eines Festkörpers Ts kann mit Hilfe der Gleichung 1 berechnet werden, die aus der so genannten allgemeinen Wärmeleitungsgleichung hervorgeht. 6 Diese Gleichung wurde etwas vereinfacht, ist aber für unseren Zweck immer noch ausreichend.

2q" t 0,5

Ts - Ti =

p0,5 (k3c) 0,5

Gleichung 1

q" - zugeführte Wärme W/m2 - Strahlungsenergie (in diesem Fall vom Feuer)

Ts - Oberflächentemperatur (°C) des Brennstoffs

Ti - Anfangstemperatur (°C) der Brennstoffoberfläche (Ausgangstemperatur)

k - Wärmeleitfähigkeit W/m2 °C (ein hoher Koeffizient bedeutet, dass das Material ein guter Wärmeleiter ist)

3 - Dichte in kg/m3

c - spezifische Wärmekapazität in J/kg °C (dies bedeutet die Fähigkeit des Materials, Wärme zu speichern)

t - Zeit in Sekunden

Abbildung 12 zeigt, dass sich beschichtetes Kiefernholz erst nach sehr langer Zeit entzündet, wenn die Strahlungsintensität kleiner als 20 kW/m2 ist. Im Vergleich dazu entzündet sich unbehandeltes Kiefernholz bei gleicher Strahlungsintensität in nur 7 Minuten. 20 kW/m2 entspricht der Strahlungsintensität einer Rauchgasschicht bei einer Temperatur von etwa 500°C. Die Entflammbarkeit fester Materialien lässt sich also anhand der Zeit abschätzen, die eine bestimmte Wärmeeinwirkung benötigt, um eine Entzündung zu bewirken.

Bei einem Material mit einer geringen Wärmeträgheit k3c erwärmt sich die Oberfläche schnell, während sich ein Material mit einem hohen k3c-Wert langsam erwärmt. Tabelle 1 zeigt die Unterschiede bei k3c (ausgesprochen "kay-row-see") für verschiedene Materialien.

So lässt sich beispielsweise vergleichen, wie lange es dauert, bis sich eine Spanplatte und eine Holzfaserplatte entzünden. Beide Materialien werden der gleichen konstanten Strahlung von 20 kW/m2 ausgesetzt.

Spanplatten entzünden sich nach 180 Sekunden. Die Holzfaserplatte, die einen viel niedrigeren k3c-Wert hat, entzündet sich jedoch nach einer wesentlich kürzeren Zeit von nur 50 Sekunden. Der Versuch wurde mit einem Kegelkalorimeter durchgeführt. In diesem Fall gibt es also einen Funkenerzeuger zur Zündung der Gase.

Entzündungszeit

Die Zündzeit kann auch mit Gleichung 2 berechnet werden, die eine Umformulierung von Gleichung 1 ist. Man beachte, dass der Wärmewiderstand der Oberfläche weggelassen wurde und dass die Zündtemperatur meist im Bereich von 300 °C-400 °C liegt. Wenn die Zündtemperatur Tsa bekannt ist, kann die Zündzeit ta berechnet werden:

(Tsa - Ti )2

ta = 4(q") 2 k3c × p

Gleichung 2

Nehmen wir als Beispiel einen Brandraum, in dem ein Überschlag stattgefunden hat. Bei einer Raumtemperatur von ca. 600 °C werden alle Oberflächen von einer Strahlung in der Größenordnung von 30 kW/m2 betroffen sein. Berechnet man die Zeit, die benötigt wird, um z. B. brennbare Spanplatten zu entzünden, so ergeben sich folgende Berechnungen unter der Annahme, dass die Entzündungstemperatur Tsa = 400 °C beträgt. Der k3c-Wert wird aus Tabelle 1 entnommen.

(400 - 20)2

ta =

4(30 000)2

120 000 × p u 15 Sekunden

Dies ist eine grobe Schätzung und darf nicht als genauer Wert angesehen werden. Tatsächlich erwärmt sich das Material zur gleichen Zeit, in der die Oberfläche abkühlt, da eine gewisse Wärmestrahlung die Oberfläche verlässt. Wenn Sie vorher festlegen, dass die Oberfläche nicht über eine bestimmte Temperatur hinaus erwärmt werden soll, können Sie berechnen, wie lange die Oberfläche einer bestimmten Wärmemenge, d. h. einer bestimmten Menge an einfallender Strahlung, ausgesetzt werden kann, bis sie die vorgegebene Temperatur erreicht.

Werkstoff k (W/mK)

c (J/kgK)

3

(kg/m3)

k 3c (W2s/m4K2)

Spanplatte

0.14

1,400

600

120,000

Holzfaser

platte

0.05

2,090

300

32,000

Polyurethan

0.034

1,400

30

1,400

Stahl

45

460

7,820

160,000,000

Kiefer

0.14

2,850

520

210,000

Tabelle 1. Thermische Trägheit für verschiedene Materialien.

Abbildung 13. Die Wärme wird an der Oberfläche blockiert

wenn das Material gut isoliert ist. Kom-

ABBILDUNG

Vergleichen Sie z. B. Holzfaserplatten (links) mit Spanplatten (rechts).

Flammende Verbrennung und Schwelbrand

Ein Verbrennungsprozess kann in Flammen- und Schwelbrand unterteilt werden.

Flammende Verbrennung (homogene Oxidation) liegt vor, wenn sich Brennstoff und Oxidationsmittel in demselben Zustand befinden, z. B. zwei Gase.

Schwelbrand (heterogene Oxidation) tritt an der Oberfläche auf, wenn der Brennstoff und das Oxidationsmittel nicht im gleichen Zustand sind, z. B. wenn der Brennstoff ein Feststoff und das Oxidationsmittel ein Gas ist.

Die Oberfläche eines Materials mit einer niedrigen thermischen Trägheit, d. h. einem niedrigen k3c-Wert, erwärmt sich schnell, da weniger Wärme in das Material geleitet wird. Ein niedriger Wert bedeutet, dass mehr Wärme an der Oberfläche verbleibt, was bedeutet, dass die Oberfläche schneller die Temperatur erreicht, bei der genügend brennbare Gase für eine Entzündung vorhanden sind, normalerweise zwischen 300 °C

und 400 °C.

Die Verbrennung von Gasen und Flüssigkeiten fällt unter die flammende Verbrennung, während feste Stoffe bei beiden Arten der Verbrennung brennen können. Wir werden uns mit der flammenden Verbrennung in Kapitel 3 befassen und uns daher in diesem Abschnitt auf die Betrachtung von Schwelbränden konzentrieren.

Schwelbrände können an der Oberfläche oder im Inneren eines porösen Materials entstehen, wenn dieses Zugang zu Sauerstoff hat und die Oxidation fortgesetzt werden kann. Die Hitze kann sogar im Inneren eines porösen Materials verbleiben und den Pyrolyseprozess unterstützen, bis es möglicherweise zur Selbstentzündung kommt.

Die feste Kohlenstoffschicht auf dem verkohlten Rückstand ist ein poröses Material, das in der Regel schwelt. Bei einem Schwelbrand entstehen in der Regel viele Pyrolyseprodukte, die nicht alle auf einmal oxidieren. Bei einem Brand in einem Abteil werden die Pyrolyseprodukte von dem brennenden Objekt freigesetzt und sammeln sich im oberen Teil des Raumes an, ohne zu verbrennen. Der Raum füllt sich dann allmählich mit Rauchgasen, die hauptsächlich Kohlenmonoxid enthalten (das giftig ist, wenn es eingeatmet wird).

Schwelbrände können daher zum Tod von Menschen führen.

Schwelbrände oder Selbstentzündungen treten häufig bei Polstermöbeln auf. Das Feuer beginnt damit, dass der Baumwoll- oder Viskosestoff auf einer Schicht aus Polyurethanfüllung zu schwelen beginnt, die beispielsweise durch eine Zigarette entzündet wird (siehe Abbildung 14).

Diese Art von Polstermaterial kann einem Schwelbrand ohne Bezug sehr gut widerstehen. In Polstermöbeln jedoch verbinden sich die verschiedenen Materialien so, dass die Stoffschicht zu schwelen beginnt und sich von dort aus ausbreitet. Während der Stoff schwelt, beginnt der Schaumstoff zu schwelen und zu pyrolysieren. Die Pyrolyse des geschäumten Kunststoffs (der gelbe Rauch) verbindet sich mit dem Schwelen des Gewebes und verstärkt es. Der Massenverlust des Stoffes nimmt zu und es werden vermehrt Pyrolyseprodukte freigesetzt. Dies führt dazu, dass das gesamte Polstermöbel in den Brand gerät.

Schwelbrände treten oft im Inneren von Gebäuden auf und sind dann sehr schwer zu bekämpfen. In dieser sauerstoffarmen Umgebung kann keine Flamme entstehen, aber die brennbaren Gase können abtransportiert werden und sich an anderen Stellen entzünden. Ein Schwelbrand brennt sehr langsam, was bedeutet, dass er sehr lange andauern kann.

Es gibt nur wenige Stoffe, die schwelen können. Aber sie sind recht häufig. Holzkohle ist ein Beispiel dafür. Abgesehen von Holzkohle gibt es auch Stoffe, die bei der Verbrennung Kohlenstoff erzeugen, wie Holz. Sogar einige Metalle, wie pulverisiertes Eisen, gehören dazu.

Flammenausbreitung an der Oberfläche

Wenn in diesem Buch der Begriff Flammenausbreitung verwendet wird, ist damit die anfängliche Flammenausbreitung gemeint, d. h. wenn das Feuer beginnt. Die Flammenausbreitung erfolgt natürlich in gleicher Weise in einem Raum, der kurz vor dem Überschlag steht. Flammenausbreitung kann auch in einer Gasschicht stattfinden. Die Flammen beginnen weit entfernt von dem Ort, an dem sich die Pyrolysegase angesammelt haben.

Die Flammenausbreitung kann auch als eine Reihe von kontinuierlichen Zündvorgängen betrachtet werden. Da die Entzündung stark von der bereits erwähnten thermischen Trägheit des Materials abhängt, ist die Flammenausbreitung auch vom k3c-Wert des Materials abhängig.

Ein Schwelbrand in einer geschäumten Kunststoffmatratze.

Die meisten Zellulosematerialien bilden eine Kohlenstoffschicht, die schwelen kann. Auch einige Kunststoffe können schwelen.

Von der Verbrennung nicht erreichter Bereich

Strahlung von der Oberfläche Flammenstrahlung

Bild

Flammen-Oberflächen-Konvektion

Von Strahlung dominierter Bereich

Konduktion

Strahlung von der Oberfläche

Flammenstrahlung

Flammenoberflächenkonvektion Brennstoffverdampfung

Abbildung 15. Flammenausbreitung an einer Wand.

Von Konvektion dominierter Bereich ( 5 - 25 cm)

Konduktion

Strahlung von der Oberfläche

Flammenstrahlung

Flammen-Oberflächen-Konvektion Brennstoffverdampfung

Wie bereits erwähnt, kann eine rasche Ausbreitung der Flamme zu einer Vergrößerung der Brandfläche und folglich auch zu einer Erhöhung der Wärmefreisetzungsrate führen. Dies kann allmählich zu einer sehr gefährlichen Situation führen. Es ist daher sehr wichtig zu klären, welche Faktoren die Flammenausbreitung beeinflussen.

Abbildung 15 zeigt, was an der Oberfläche geschieht, wenn eine Wand brennt. Die Wand kann in drei Abschnitte unterteilt werden. Im unteren Bereich dominiert die Wärmeübertragung an die Oberfläche durch Konvektion. Im mittleren Abschnitt ist die Flammenstrahlung der Hauptfaktor, was darauf zurückzuführen ist, dass die Breite der Flamme mit der Höhe zunimmt.

Je breiter die Flamme ist, desto mehr Wärme wird durch Strahlung übertragen. Im oberen Bereich hat sich die Wand noch nicht entzündet. In der Abbildung entspricht die Länge der Pfeile der Größe der verschiedenen Komponenten.

Die Geschwindigkeit, mit der sich die Flammen über die Oberfläche des Materials ausbreiten, hängt hauptsächlich von folgenden Faktoren ab

der thermischen Trägheit des Materials, k3c

die Richtung der Oberfläche

der Geometrie der Oberfläche

von der Umgebung.

Thermische Trägheit kρc

Die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit hängt weitgehend von der Zündzeit ab, die wiederum stark von der thermischen Trägheit (k3c) des Materials abhängt, die eine Materialeigenschaft ist. Je größer die thermische Trägheit eines Materials ist, desto langsamer breitet sich die Flamme auf seiner Oberfläche aus.

Bei festen Materialien steigt der Wärmeleitkoeffizient (k-Wert) meist mit zunehmender Dichte. In den meisten Fällen bestimmt die Dichte, wie schnell sich Flammen auf der Oberfläche ausbreiten. Das bedeutet, dass sich die Flamme an der Oberfläche eines schweren Materials in der Regel langsamer ausbreitet als an der eines leichten Materials. Bei geschäumten Kunststoffen zum Beispiel können sich die Flammen extrem schnell ausbreiten.

Richtung der Oberfläche

Die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit ist hauptsächlich nach oben gerichtet. Die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit nach unten ist viel langsamer, was darauf zurückzuführen ist, dass sich die Oberfläche nicht auf die gleiche Weise erwärmt. Dazwischen ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit entsprechend dem Gefälle der Oberfläche.

Abbildung 16. Flammenausbreitung auf einem leichten Material (links) und auf einem schweren Material (rechts).

Bild

8 H 8 H für T = 4

7 H

6 H

5 H

4 H 4 H für T = 3

3 H

2 H 2 H für T = 2

Abbildung 17. Diagramm zur Darstellung der Brandausbreitung nach oben.

H

2 3 4

H für T =

Zeit

Bild

2

Abbildung 18. Flammenausbreitung 1

in verschiedenen Richtungen.

Vertikale Flammenausbreitung 3

nach oben und horizontale

Ausbreitung entlang der Decke 4

haben die schnellste Ausbreitungsgeschwindigkeit.

Bild

Bei der vertikalen Flammenausbreitung nach oben ist die Flammenhöhe bei vielen Materialien wie Holzfasern und Spanplatten in der gleichen Zeit etwa doppelt so groß. Das heißt, wenn es 30 Sekunden dauert, bis eine 25 cm hohe Flamme auf 50 cm angewachsen ist, dann wächst eine 1 m hohe Flamme bei gleichem Wandmaterial in etwa der gleichen Zeit auf 2 m an. (Dieser Wert ist nur als Näherungswert zu betrachten.)

Für die Flammenausbreitung an der Unterseite einer horizontalen Fläche gilt das Gleiche wie bei der vertikalen Flammenausbreitung nach oben. Im Gegensatz dazu kann die Flammenausbreitung an der Oberseite einer horizontalen Fläche oder an einer vertikalen Fläche nach unten als "kriechend" bezeichnet werden, da sie langsamer ist als die Flammenausbreitung nach oben.

Oberflächengeometrie

In einer Ecke kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den beiden brennenden Flächen, wodurch sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit erhöht. Je kleiner der Winkel ist, desto schneller breitet sich die Flamme aus. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wärme in der Ecke eingeschlossen wird, wodurch das Material erhitzt wird. Die sich bildenden Rauchgase erhitzen sich, so dass eine geringere Luftmenge in die Rauchfahne gesaugt wird.

Umgebungsbedingungen

Wenn die Umgebungstemperatur steigt, nimmt auch die Flammenausbreitungsrate zu. Die Oberfläche wird aufgeheizt und die Zündtemperatur wird schneller erreicht. Je höher die Anfangstemperatur ist, desto schneller breitet sich auch die Flamme aus. Eine weitere Folge davon ist, dass die Oberfläche umso schneller ausreichend brennbare Gase produziert, je höher die Temperatur eines Materials von Anfang an ist.

Abbildung 19. Durch die Interaktion in der Ecke breitet sich die Flamme schneller aus, als wenn die Flamme in der Mitte der Wand entsteht.

Bild

Abbildung 20. Flammenausbreitung in alle Richtungen.

Nehmen wir als Beispiel das Szenario, bei dem eine Rauchgasschicht das Deckenmaterial über einen langen Zeitraum hinweg aufheizt. Bis die Flammen die Wand erreicht haben, ist das Deckenmaterial bereits aufgeheizt und die Flammenausbreitung erfolgt sehr schnell.

Zusammenfassung

Die Verbrennung ist ein chemischer Reaktionsprozess, bei dem eine Verbrennung des Brennstoffs stattfindet. Das erste sichtbare Zeichen einer Verbrennung ist die Entzündung. Wenn sich feste Stoffe entzünden, breitet sich die Flamme fast gleichzeitig aus, was als eine Reihe von Entzündungsereignissen angesehen werden kann. Bei festen Stoffen gibt es eine kritische Temperatur, bei der eine Entzündung stattfindet. Diese ist jedoch im Allgemeinen unabhängig vom brennenden Material, so dass die Oberflächentemperatur nicht als Maß für die Entzündbarkeit verwendet werden kann. Bei festen Stoffen muss die Oberfläche auf 300 bis 400 °C erwärmt werden, damit es zu einer Entzündung mit einer Zündflamme kommt. Wenn keine Flamme in der Nähe ist, muss die Oberfläche eine Temperatur zwischen 500 und 600°C (Holz) erreichen.

Die Entflammbarkeit fester Materialien wird anhand der Zeit geschätzt, die bis zur Entzündung vergeht. Die Kombination von Eigenschaften, die durch k3c dargestellt wird, bezieht sich auf die thermische Trägheit des Materials und bestimmt, wie schnell sich die Oberfläche des Materials erwärmt. Die Oberfläche eines Materials mit einer geringen thermischen Trägheit erwärmt sich schnell, während sich die Oberfläche eines Materials mit einem hohen k3c-Wert langsam erwärmt.

Je niedriger der k3c-Wert eines Materials ist, desto kürzer ist die Entzündungszeit. Das bedeutet, dass sich eine poröse Holzfaserplatte schneller entzündet als eine Spanplatte.

Ein Verbrennungsprozess kann in einen Flammenbrand und einen Schwelbrand unterteilt werden.

Ein Schwelbrand kann an der Oberfläche oder im Inneren poröser Materialien entstehen, wo es Zugang zu Sauerstoff gibt.

Bei vielen Bränden ist die schnelle Flammenausbreitung die Ursache für die schwerwiegenden Folgen. Die Geschwindigkeit der Flammenausbreitung hängt von einer Reihe von Faktoren ab, insbesondere von der thermischen Trägheit des Materials, der Oberflächengeometrie, der Umgebung und der Richtung der Oberfläche.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme ist auf einer Oberfläche aus einem Material mit hoher thermischer Trägheit (das in den meisten Fällen eine hohe Dichte aufweist) relativ langsam. Das bedeutet, dass sich die Flamme auf der Oberfläche eines schweren Materials in der Regel langsamer ausbreitet als auf der eines leichten Materials.

Wenn das Material z. B. durch eine warme umgebende gasförmige Masse oder durch die Strahlung einer Rauchgasschicht aufgeheizt wurde, kann das Material seine Zündtemperatur relativ schnell erreichen. Das bedeutet, dass aufgeheizte Oberflächen auch zu einer schnelleren Flammenausbreitung führen als unbeeinflusste Oberflächen.

Auch die Richtung der Oberfläche und der Flammen ist ein wichtiger Faktor für die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Feuers. Es sind vor allem die vertikale Flammenausbreitung nach oben und die Flammenausbreitung entlang der Oberfläche einer Decke in einem Raum, die eine schnelle Brandentwicklung verursachen.

Bei der Flammenausbreitung nach oben, wo der Dichteunterschied und die Luftströmung die Flammen nach oben treiben, erhitzen die Flammen des brennenden Materials den Teil des Materials, der noch nicht zu pyrolysieren begonnen hat.

Die Ausbreitung der Flammen entlang der Decke eines Abteils kann ebenfalls dazu führen, dass sich das Feuer schnell entwickelt. Dafür gibt es zwei Gründe: Zum einen treibt der Luftstrom die Flammen nach vorne, zum anderen wurde die Deckenoberfläche durch die heißen Rauchgase, die sich im Bereich der Decke angesammelt haben, stark erwärmt.

Die horizontale Flammenausbreitung nach unten entlang der unteren Wandabschnitte eines Raumes erfolgt wesentlich langsamer. In bestimmten Fällen, wenn das Feuer kurz vor einem Flashover steht, können sich die Flammen jedoch sehr schnell nach unten ausbreiten, da die Oberfläche durch Strahlung erwärmt wird.

Abschließend möchten wir Sie daran erinnern, dass sich dieser Abschnitt mit der Flammenausbreitung bei festen Materialien befasst. Die Flammenausbreitung sowohl bei festen Stoffen als auch in einer Rauchgasschicht ist für die Ausbreitung eines Brandes von entscheidender Bedeutung. Die Flammenausbreitung an der Unterseite einer Rauchgasschicht ist ein sehr häufiges Zeichen dafür, dass sich im Brandraum etwas verändert. Diese Flammenausbreitung ist ein wichtiges Zeichen für Feuerwehrleute mit Atemschutzgeräten, die das Feuer bekämpfen müssen. Später in diesem Buch werden wir uns speziell mit der Flammenausbreitung in Rauchgasschichten beschäftigen.

Testen Sie Ihr Wissen!

Nehmen wir an, dass die Oberfläche eines Materials durch eine Wärmequelle erhitzt wird. Wie heiß muss die Oberfläche sein, damit sich die entstehenden Gase entzünden können?

Es ist bekannt, dass die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit je nach Material unterschiedlich ist. Vergleichen wir zwei Materialien, z. B. Spanplatten und Holzfaserplatten. Welches Material hat die schnellste Flammenausbreitungsgeschwindigkeit? Wovon hängt sie ab?

Wie lautet die Abkürzung für die thermische Trägheit? Wofür stehen die verschiedenen Buchstaben der Abkürzung? Nennen Sie einige Materialien mit einer großen thermischen Trägheit.

Auf welche Weise kann Wärme übertragen werden? Nennen Sie einige Beispiele aus dem Alltag für jede Art der Wärmeübertragung.

Die Flammenausbreitung ist ein Schlüsselfaktor für die Beschleunigung der Entwicklung eines Feuers. Nennen Sie einige Faktoren, die einen Einfluss auf die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit haben.

Die Geschwindigkeit der Flammenausbreitung hängt von der Richtung ab, in die sich die Flammen bewegen. In welche Richtung(en) breiten sich die Flammen am schnellsten aus? Warum ist dies der Fall?

Ein Raum steht in Flammen und die Temperatur im Raum liegt bei 500-600°C. Schätzen Sie, wie lange es dauert, bis sich die Spanplatten entzünden, wenn es eine Zündquelle gibt. Die Spanplatten sind von dieser Strahlung direkt betroffen. Tipp: Verwenden Sie die Gleichung.

Die Flammenausbreitung wird in diesem Buch ausführlich behandelt. Warum ist dieses Wissen z. B. für Feuerwehrleute der BA so wichtig?

Nehmen wir an, dass eine Oberfläche durch eine äußere Wärmequelle erhitzt wird. Es gibt keine Zündquelle. Welche Temperatur muss die Oberfläche erreichen, damit sich die Gase selbst entzünden können?

Nennen Sie einige Materialien, deren Oberflächen eine sehr schnelle Flammenausbreitungsgeschwindigkeit haben.