Grundzüge des Brandschutzes

In diesem Beitrag geht es darum, dem Feuer seinen Schrecken zu nehmen und es als ganz natürliches naturwissenschaftliches Phänomen zu begreifen. Hierbei ist der wichtigste Punkt, zu ergründen, von welchen Voraussetzungen die Entstehung einer Verbrennung abhängt.

 

Grundlagen der Verbrennung

Eine Verbrennung ist an die gleichzeitige Erfüllung von vier Bedingungen gebunden.

  1. Anwesenheit von brennbarem Stoff,
  2. Sauerstoff,
  3. Richtiges Mengenverhältnis zwischen dem brennbaren Stoff und Sauerstoff,
  4. Ausreichende Zündenergie.

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Brennbarer Stoff

Bei einer Verbrennung verbinden sich unter Wärmeabgabe und Flammen- und oder Gluterscheinung brennbare Stoffe mit Sauerstoff. Es gibt eine Vielzahl ganz unterschiedlicher Stoffe, die brennbar sind. Diese können gasförmige, flüssige oder feste Stoffe einschließlich Dämpfe, Nebel und Stäube sein, die im Gemisch oder im Kontakt mit Sauerstoff brennen können.

Der brennbare Stoff selbst beeinflusst das Brandgeschehen in vielfältiger Weise. Das Brandverhalten eines brennbaren Stoffes ist im Wesentlichen abhängig von seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften, vom jeweiligen Aggregatzustand –fest, flüssig oder gasförmig- und von den Umgebungsbedingungen. Bedeutsam sind beispielsweise Flammpunkt, Zündtemperatur, Sauerstoffzufuhr, Verbrennungsgeschwindigkeit.

Die Vergrößerung der Oberfläche eines Werkstoffes kann wesentliche Änderungen des Brandverhaltens hervorrufen.

  • Während ein Holzklotz von einer Flamme zunächst nur geschwärzt wird, kann er durch Vergrößerung seiner Oberfläche zu Holzwolle leicht entzündet und durch weitere Oberflächenvergrößerung als aufgewirbelter Holzstaub zur Explosion gebracht werden.
  • Die große Oberfläche der Stahlwolle macht der Werkstoff Stahl mit geringer Zündenergie brennbar.

Zündtemperatur: Weil die Abmessungen, die Formgebung und die innere Beschaffenheit fester brennbarer Stoffe starken Einfluss auf den Entzündungsvorgang haben, ist die Zündtemperatur für diese Stoffe nicht genau festzulegen. Dagegen lassen sich die Zündtemperaturen von flüssigen brennbaren Stoffe mit dem in diesem Zusammenhang wichtigen Flammpunkt, die Zündtemperaturen gasförmiger Stoffe und die Glimmtemperaturen von Staubablagerungen, ebenso wie die Mindestzündenergie, nach festgelegen Prüfverfahren ermitteln.

Flammpunkt: Eine brennbare Flüssigkeit brennt nicht selbst, sondern nur das Dampf-/Luft-Gemisch über dem Flüssigkeitsspiegel. Der Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstemperatur, bei der sich unter festgesetzten Bedingungen Dämpfe in solchen Mengen entwickeln, dass über dem Flüssigkeitsspiegel ein durch Fremdzündung entzündliches Dampf-/Luft-Gemisch entsteht.

Verbrennungsgeschwindigkeit: Die Verbrennungsgeschwindigkeit und die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit sind abhängig von der Art des Stoffes (Brennbarkeit), der Größe seiner spezifischen Oberfläche (Dispersion), der Temperatur des Stoffes und seiner Umgebung sowie dem Sauerstoffangebot. Die Verbrennungsgeschwindigkeit von festen brennbaren Stoffen in großen Abmessungen ist gering und nimmt bei Zerkleinerung des Stoffes zu.

Messwerte für die Verbrennungsgeschwindigkeit fester Brennstoffe sind schwer anzugeben. Für bestimmte Gas-/Luft-Gemische sind sie bekannt. Beispiele:

  • Benzin erreicht eine Verbrennungsgeschwindigkeit von 30cm/s
  • Schwefelkohlenstoff erreicht eine Verbrennungsgeschwindigkeit von 50cm/s
  • Wasserstoff erreich in reinem Sauerstoff eine Verbrennungsgeschwindigkeit von etwa 9m/s

Unter bestimmten Bedingungen überwiegt der Einfluss der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit gegenüber der Verbrennungsgeschwindigkeit: Dann spricht man von Explosion.

Brennbare Stoffe kommen als feste, flüssige oder Gasförmige Stoffe vor. Ihre Fähigkeit zu glimmen, sich zu entzünden und zu brennen ist an kritische Temperaturgrenzen gebunden.

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Sauerstoff

Bei der Verbrennung geht der Sauerstoff eine Verbindung ein. Bei diesem Vorgang werden Wärmeenergie und auch Lichtenergie abgegeben. Sauerstoff ist ein farbloses, geruchloses und ungiftiges Gas.

Sauerstoff selbst ist nicht brennbar, sondern fördert die Verbrennung. Dieser ist in der Umgebungsluft mit einem Volumenanteil von 21 Vol.-% vorhanden. Er ist auch Bestandteil vieler chemischer Verbindungen. Deshalb ist es möglich, dass Stoffe, wie Nitrate, Chlorate oder organische Peroxide, auch unter Luftabschluss brennen.

Nur bei der Verbindung eines brennbaren Stoffes mit Sauerstoff entstehen die uns bekannten Feuererscheinungen mit Flamme, Glut und großer Wärmefreisetzung.

Mischungsverhältnis

Alle chemischen Reaktionen und damit auch alle Verbrennungen laufen nur innerhalb bestimmter Mischungsverhältnisse der beteiligten Stoffe ab. Wie bereits im Abschnitt „brennbarer Stoff“ dargestellt, sind brennbare Dämpfe und Gase nur innerhalb bestimmter Zündbereiche entflammbar. Bei festen brennbaren Stoffen bestimmen die Größe der Oberfläche des brennbaren Stoffes, die mit Luftsauerstoff in Kontakt kommen kann, das Mischungsverhältnis und damit die Verbrennungsgeschwindigkeit.

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Zündenergie

Auch wenn ausreichender brennbarer Stoff und Sauerstoff im richtigen Mischungsverhältnis vorliegen, so fehlt nach wie vor eine wichtige Voraussetzung für die Verbrennung. Erst wenn zu diesen drei Bedingungen auch die notwendige Zündenergie hinzukommt, setzt der Verbrennungsvorgang ein.

Um die notwendige Zündenergie aufzubringen, ist nicht unbedingt eine offene Flamme oder ein Funken notwendig (z.B. der Abreißfunke bei elektrischen Schaltern von Lichtschaltern oder dem Starterrelais der Tiefkühltruhe). Auch heiße Oberflächen (z.B. überhitzte Fahrzeugbremsen, Herdplatten) sind durchaus in der Lage, eine Verbrennung in Gang zu setzten.

Als Zündquellen können beispielweise wirksam werden:

  • Offene Flammen oder Glut, z.B. Streichholzflamme, Lötlampe, glimmende Tabakreste
  • Heiße Oberflächen, z.B. Heizgeräte, Motorengehäuse, Auspuffanlagen, Glühlampen, überlastete elektrische Leitungen
  • Reibungswärme, z.B. durch heiß gelaufene Lager
  • Kompressionswärme und dadurch ausgelöste Brände
  • Reib- und Schlagfunken, z.B. beim Schleifen und Schmirgeln von Metallen, bei Arbeiten mit Funken reißenden Werkzeugen
  • Schaltfunken, z.B. beim Öffnen und Schließen elektrischer Kontakte
  • Elektromagnetische Wellen, z.B. Laserstrahlen, gebündeltes Licht durch wie optische Linsen wirkende Glasscherben, die Papier, Pappe, Holz u.Ä. entzünden können
  • Elektrostatische Aufladung, z.B. bei Trennung fester und flüssiger Stoffe, Abwickeln von Papier, Geweben und Kunststoffbahnen von Walzen und Rollen, Mischen von festen Stoffen und Stäuben, durch Fließen und Zerstäuben von Flüssigkeiten, beispielsweise beim Ein- und Abfüllen von Benzin und Heizöl
  • Chemische Energie, z.B. Selbstentzündung infolge Oxidation, Zerfallsreaktion.
  • Chemische Reaktionen, z.B. durch Vermischung von Oxidationsmitteln mit einem brennbaren Stoff. Die Oxidationsmittel geben dabei ihren Sauerstoff so schnell ab, dass es –auch unter Luftabschluss- zur Selbstentzündung kommt.

Hauptursachen für Brände und andere Schadensfälle

Die Hauptursachen für Brände in Betrieben sind:

  • Unsachgemäßer Umgang mit Einrichtungen und Stoffen
  • Fehlende Unterweisung der Beschäftigten
  • Mangelndes Gefahrenbewusstsein

Die Brandursachen allgemein in der Bundesrepublik Deutschland verteilten sich im Jahr 2014 wie in folgendem Diagramm dargestellt.

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Brandursachenstatistik für 2014 (IFS-Schadensdatenbank)