[21]4Löschwirkungen

4.1Grundlagen der Verbrennung

Das Ausblasen einer Kerzenflamme ist wohl der Löschvorgang, den jeder schon einmal selbst durchgeführt hat (Bild 3). Trotz der oberflächlichen Einfachheit dieses Löschvorgangs ist es schwierig festzustellen, welche Löschprozesse hier in welchem Maße ablaufen und letztendlich zum Löscherfolg führen. Aus diesem Grund widmen wir uns zunächst den Löschwirkungen und kommen später auf die Fragestellung zurück, was eigentlich beim Kerzenausblasen passiert.

Eine umfassende Betrachtung der chemischen und physikalischen Prozesse, die bei einer Verbrennung ablaufen, würde den Rahmen dieses Buches deutlich sprengen. Aus diesem Grund wird auf die verschiedenen Abläufe bei einer Verbrennung nur insoweit eingegangen, wie dies für das Verständnis der Löschwirkungen notwendig ist.

Bevor auf die Löschwirkungen eingegangen wird, ist aber zunächst zu klären, was eine Verbrennung ist. Bei einer Verbrennung handelt es sich um eine chemische Reaktion. Bei dieser Reaktion reagiert ein Brennstoff mit einem Oxidationsmittel zu Reaktionsprodukten, den sogenannten Verbrennungsprodukten (Bild 4).

Der Brennstoff wird bei einer Verbrennung in der Regel mit Sauerstoff (lateinisch: Oxygenium) aus der Umgebungsluft umgesetzt, weshalb man auch von einer Oxidation spricht. Neben Sauerstoff können aber grundsätzlich noch andere Stoffe, [22]wie z.B. die Halogene oder auch verschiedene sauerstoffhaltige Verbindungen, als Oxidationsmittel fungieren.

Die bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsprodukte enthalten weniger Energie als der unverbrannte, ursprüngliche Brennstoff und das Oxidationsmittel zusammengenommen (Bild 5). Der Energieunterschied zwischen den Ausgangsstoffen und den Verbrennungsprodukten wird bei der Verbrennung freigesetzt und als Wärme und elektromagnetische Strahlung an die Umgebung abgegeben. Es handelt sich folglich um eine exotherme, also wärmefreisetzende, Reaktion. Die freigesetzte Wärme heizt über Wärmeleitung und Wärmeströmung die Brandgase und die unmittelbare Umgebung des Brandes, während die elektromagnetische Strahlung im optischen Bereich des Spektrums in die (weitere) Umgebung ausgestrahlt wird. Menschen nehmen diese Strahlung als sichtbares Licht und Infrarotstrahlung wahr. In der Praxis sehen wir die freigesetzte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren optischen Bereich als Glut und Flammen und spüren die infrarote Wärmestrahlung auf unserer Haut.

Die Verteilung der freigesetzten Energie im optischen Spektrum ist unter anderem von der Temperatur der Reaktionszone abhängig. Bei höheren Temperaturen verschiebt sich das Spektrum zu kürzeren und energiereicheren Wellenlängen. Dies kann mitunter an einer unterschiedlichen Färbung der Glut erkannt werden. So kommt beispielsweise der Wechsel von »Rotglut« zur »Weißglut« dadurch zustande, dass bei höheren Temperaturen mehr energiereiches Licht ausgesandt wird und der langwellige und niedrigenergetische Rotanteil des Lichts weniger dominiert.

Als exotherme Reaktionen setzt eine Verbrennung mehr Energie frei als sie selbst verbraucht (Bild 5). Durch die freigesetzte Energie steigt die Temperatur in der Reaktionszone und ihrer Umgebung weiter an. Die steigenden Temperaturen führen nicht nur dazu, dass die Verbrennungsreaktion selbst immer schneller abläuft, sondern auch, dass sich der Brand weiter ausbreitet. Durch die freigesetzte Energie wird an weiteren Stellen des Brennstoffs die zum Start der Verbrennung notwendige Aktivierungsenergie überschritten.

Nun ist Aktivierungsenergie ein Begriff, mit dem vielleicht nicht jeder etwas anzufangen weiß. Aus diesem Grund hierzu ein einfaches Beispiel: Wenn man einen Gasgrill anzünden will, lässt man zunächst das Gas ausströmen. Das Gas als Brennstoff mischt sich mit Luft bzw. besser dem darin enthaltenen Sauerstoff. Eigentlich würde das Gas direkt mit dem Sauerstoff unter Freisetzung von Energie reagieren, es fehlt aber bei Raumtemperatur die notwendige Energie, um die Reaktion oder genauer die Verbrennung zu starten. Diese fehlende Energie ist die Aktivierungsenergie. Beim Gasgrill wird diese dann normalerweise durch den Funken [23]eines Elektroanzünders oder durch eine externe Flamme, z.B. eines Feuerzeugs, eingebracht. Die notwendige Aktivierungsenergie ist vom Brennstoff, dem Oxidationsmittel und weiteren Umweltbedingungen, wie Temperatur und Umgebungs(luft)druck, abhängig.

Sie kann auch so niedrig sein, dass sich Stoffe schon bei »normalen« Umgebungsbedingungen in Gegenwart von Oxidationsmitteln, wie Sauerstoff aus der Luft, selbstentzünden. Das bekannteste Beispiel hierfür ist vermutlich der weiße Phosphor. Von dieser Phosphormodifikation wird häufig behauptet, dass sie sich nicht löschen lässt. Dies ist aber grundlegend falsch. Wenn man den brennenden Phosphor beispielsweise in Wasser eintaucht, wird der Zutritt von Sauerstoff verhindert und so die Verbrennung mangels Oxidationsmittel gestoppt. Der Phosphor ist somit gelöscht. Wenn er danach wieder aus dem Wasser herausgenommen wird, wird er sich aber nach einiger Zeit erneut selbst entzünden, da die Aktivierungsenergie für seine Reaktion mit dem Luftsauerstoff unterhalb der Raumtemperatur liegt.

Wenn die notwendige Aktivierungsenergie vorhanden ist, ist die Größe und Intensität eines Brandes nur durch die verfügbare Menge an Brennstoff und Oxidationsmittel begrenzt. Hierbei ist zu beachten, dass nicht die vorhandenen Gesamtmengen eine entscheidende Rolle spielen, sondern die zeitliche Verfügbarkeit den bestimmenden Einfluss besitzt.

Ein gutes Beispiel für den ausschlaggebenden Einfluss der zeitlichen Verfügbarkeit der Reaktionspartner ist die Verbrennung in einem Holzofen (Bild 6a und 6b). In der Erdatmosphäre ist zwar prinzipiell jederzeit ausreichend Sauerstoff enthalten, um jeden Holzofen ausbrennen zu lassen. Durch die Regelung der Luftzufuhr am Ofen kann dennoch dessen Verbrennungsintensität gesteuert werden, indem der zur [24]Verbrennung notwendige Sauerstoff im Inneren des Ofens zeitlich verknappt bereitgestellt wird.

Neben der Verfügbarkeit des Oxidationsmittels kann auch die zeitlich verfügbare Brennstoffmenge ein begrenzender Faktor sein. Dies lässt sich auch am Beispiel eines Holzofens zeigen. Bei ausreichender Luftzufuhr verbrennen dünne Hölzchen in einem Ofen deutlich schneller als dicke Holzscheite. Warum ist das so? Die Verbrennungsreaktion startet an der Brennstoffoberfläche und dringt langsam tiefer ins Holz ein. Nur an der Oberfläche kann das Holz vom Sauerstoff leicht erreicht werden und verbrennen, somit ist die zeitlich verfügbare Oberfläche des Brennstoffs und nicht die verfügbare Gesamtbrennstoffmenge hier der limitierende Faktor.

In der Regel hält eine Verbrennungsreaktion und damit auch ein Brand ohne ein Eingreifen von außen so lange an, bis einer der beiden Reaktionspartner nicht mehr in ausreichendem Maße zur Verfügung steht. Hierbei spielt es keine Rolle, ob der Brennstoff oder das Oxidationsmittel der begrenzende Faktor ist.

[25]4.1.1Verbrennung in der Realität

Bild 7 zeigt eine idealtypische Verbrennungsgleichung von Methan als Beispiel für die Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs. Häufig wird, wie hier vereinfachend dargestellt, formuliert, dass aus kohlenstoffbasierten Brennstoffen ausschließlich Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2) entstehen. Dies ist aber in Realität selten der Fall. Abhängig von dem konkreten Brennstoff und den Bedingungen des Brandes können eine Vielzahl von Nebenprodukten entstehen. Die bekanntesten Nebenprodukte von Verbrennungen sind Kohlenstoffmonoxid (CO) und Ruß.

Generell neigen langkettigere und aromatische Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Diesel bzw. Toluol, zur starken Bildung von Ruß. Während kurzkettige Kohlenwasserstoffe und sauerstoffhaltige Verbindungen, wie Methan bzw. Ethanol, relativ sauber verbrennen und wenig Ruß bilden (Bild 8).

[26]4.1.2Brandklassen

Tabelle 2: Brandklassen (Quelle der Piktogramme: Bergdoll und Breitenbach 2021) [zurück]

Piktogramme

Brandklassen gemäß DIN EN 2 (DIN 2005)

A

Brände fester Stoffe, hauptsächlich organischer Natur, die normalerweise unter Glutbildung verbrennen

B

Brände von flüssigen oder flüssig werdenden Stoffen

C

Brände von Gasen

D

Brände von Metallen

F

Brände von Speiseölen/-fetten (pflanzliche oder tierische Öle und Fette) in Frittier- und Fettbackgeräten und anderen...