Die Verbrennung ist eine starke exotherme chemische Reaktion der Oxydoreduzierung. Wenn die Verbrennung intensiv ist, führt sie zu einem Feuer oder einer Explosion.

Die drei Bedingungen sind dargestellt als Verbrennungsdreieck: Brennbarer Stoff Sauerstoff Zündenergie (Wärme, mechanischer Funken, Elektrizität).
Da auch das Mischungsverhältnis dieser drei Bedingungen notwendig für das Auslösen des Verbrennungsvorganges ist, wird diese Voraussetzung als vierte Grundbedingung bezeichnet. Eine einheitliche Darstellung (als Verbrennungsviereck, als vier tragende Säulen, …) existiert jedoch nicht.

BRANDKLASSEN

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triangle_feuBrennbarer Stoff kann Folgendes sein :

  • feste Stoffe die unter Glutbildung verbrennen (BrandKlasse A) (Holz, Kohle, Papier, Textilien, PVC, …) ;
  • flüssige Stoffe, auch Stoffe, die durch die Temperaturerhöhung flüssig werden (BrandKlasse B) (Benzin, Alkohol, Öl, Polyethylen, Polystyren, …) ;
  • Gase (Brandklasse C) (Butan, Propan, Methan, Dihydrogen, …) ;
  • Metalle (Brandklasse D) (Eisen, Aluminium, Sodium, Magnesium, …)
  • Fette (Brandklasse F) (Speiseöle, Speisefette …)

Der Sauerstoffträger ist das andere Elemente der chemischen Reaktion. Es handelt sich meistens um Umgebungsluft, besonders einem seiner Hauptkomponente, und zwar Disauerstoff.

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Wenn man dem Feuer Luft entzieht, erlischt es ; z.B. wenn man ein Glas über ein brennendes Teelicht legt, erlischt die Kerzenflamme ; im Gegenteil, wenn man ein Holzfeuer anbläst, wird der Verbrennungsprozess angeregt (weil man Luft und damit auch Sauerstoff hinzubringt). In manchen Schneidbrennern bringt man pures Disauerstoff , um die Verbrennung zu verbessern.
In einigen ganz besonderen Fällen (oft explosive wie mit Aluminium), sind der Sauerstoffträger und der brennbare Stoff ein einziger Körper (z.B. das bekannte Nitroglyzerin, ein instabiles Molekül das einen oxidierenden Teil auf einen reduktiven Teil überträgt).

Die Reaktion wird von einer Aktivierungsenergie eingeleitet. Es handelt sich generell um Wärme. z.B. die Erwärmung durch Reibung von Streichhölzern, der erhitzende Stromkabel oder eine andere Flamme (Brandausbreitung), Funke (vom Gasanzünder, vom Feuerzeugstein oder von einem Elektrogerät beim An- oder Ausschalten). Daneben gibt es auch andere mögliche Aktivierungsenergien: Strom, Strahlung, Druck, die die Temperaturerhöhung immer ermöglichen. Die Wärmeerzeugung erlaubt, dass sich die Reaktion selbst unterhält, sich sogar verstärkt und als Kettenreaktion entwickelt. Unter Verbrennungspunkt versteht man die Temperatur, ab der eine Flüssigkeit genügend Dampf abgibt, so dass die Mischung des Dampfes und der Luft entzündlich wird und die entstehende Verbrennung selbst entfacht.

Methanverbrennung im Disauerstoff

Die Verbrennung ist eine chemiche Reation in der komplexe Moleküle als kleinere und stabilere Moleküle durch eine Umsetzung von Bindungen zwischen den Atomen abgebaut werden. Die Verbrennungschemie ist ein Hauptteil der Hochtemperatur-Chemie, die hauptsächlich Radikalreaktionen betrifft. Es ist ausserdem möglich, die Verbrennung durch eine einzige globale Reaktion zu bearbeiten.
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Beispiel :
Propanverbrennung in Disauerstoff :
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Kohlendioxyd CO2 und Wasser H2O sind stabiler als Disauerstoff und Propangas.
Die Verbrennung ist eine Redoxreaktion, im Falle der Oxidierung eines Brennstoffes durch einem Sauerstoffträger :
  • Der Brennstoff ist der Körper, der während der Brennung oxydiert wird ; es ist ein Reduktionsmittel ; er verliert Elektronen.
  • Der Sauerstoffträger ist der Körper, der reduziert wird ; es ist ein Oxydans, er bekommt Elektronen.

So wie für jede chemische Reaktion, erleichtert ein Katalysator die Verbrennung und da die letzte oft eine hohe Aktivierungsenergie hat, erlaubt die Verwendung eines Katalysatores, mit einer weniger hohen Temperatur zu arbeiten. Dies erlaubt eine komplette Verbrennung wie für Katalysatore in Auspüffen. Sie verbrennen die Rückstände von Abgasen an einer niedrigeren Temperatur als der im Motor dank der Anwesenheit von katalytischen Metallen.

Im Falle von Festbrennstoffen erlaubt die Aktivierungsenergie den Brennstoff zu dämpfen oder pyrolysieren. Die so erzeugten Gase mischen sich mit dem Sauerstoffträger zusammen und ergeben ein brennbares Gemisch. Wenn die durch Verbrennung erzeugte Energie höher oder gleich der erforderlichen Aktivierungsenergie ist, pflegt sich die Verbrennungsreaktion selbst.


ERZEUGTE ENERGIE UND HEIZWERT

Die durch die Reaktion erzeugte Energiemenge ist höher als die erforderliche Energiemenge, um sie zu initiieren.
Die durch die Verbrennung erzeugte Energiemenge wird als Joule (J) ausgedrückt; es handelt sich um die Reaktionsenthalpie. In den Anwendungsbereichen (Ofen, Brenner, Innenverbrennungsmotor, Feuerlöschen), erwähnt man oft den Heizwert, der die Reaktionsenthalpie pro Brennstoffsmengeeinheit ist, oder die durch die Verbrennung eines Kilogramms Brennstoff erzeugte Energie. Sie wird generell in Kilojoule pro Kilogramm erwähnt (kJ/kg oder kJ•kg-1 geschrieben).
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combustionDie Kohlenwasserstoffverbrennung ergibt Wasser als Dampf. Dieser Wasserdampf beinhaltet eine große Menge an Energie. Dieser Parameter wird also spezifisch für die Einschätzung des Heizwertes berücksichtigt und man definiert :
  • Hoher Heizwert: Die Energiemenge, die von der kompletten Verbrennung einer Brennstoffseinheit erzeugt wird [die von der kompletten Verbrennung einer Brennstoffseinheit erzeugte Energiemenge], Wasserdampf ist vorausgesetzt, der verdichtet und die Wärme gesammelt.
  • Niedriger Heizwert: Die Energiemenge, die von der kompletten Verbrennung einer Brennstoffseinheit erzeugt wird [die von der kompletten Verbrennung einer Brennstoffseinheit erzeugte Energiemenge], Wasserdampf ist vorausgesetzt, der unverdichtet ist und die Wärme nicht gesammelt.

Der Unterschied zwischen PCI und PCS ist der Wasserdampf unterschwellige Wärme (Lv) vervielfacht durch die erzeugte Wasserdampfmenge (m), was ca. 2 250 kJ•kg-1 wert ist (diese Wert hängt vom Druck und der Temperatur ab).

Wir bekommen die Bindung PCS = PCI + m•Lv.

Um eine Verbrennungsreaktion auszulöschen, muss man einen von den drei Elementen vom Verbrennungsdreieck entfernen :

  • Den Brennstoff entfernen: Zuführung des Brennstoffs verhindern, beispielsweise durch Schließung des Gashahns oder das Abrücken und Entfernen des festen Brennstoffs von, sowie den Rauch vertreiben (der unverbrannte Stoffe beinhaltet)…
  • Den Sauerstoffträger entfernen (Feuerabdrosselung) : einen Kohlensäureschnee-Feuerlöscher oder eine Bettdecke verwenden, Wasser auf den Festbrennstoff abspritzen (die Luft wird vom geformten Wasserdampf vertrieben)…
  • Die Aktivierungsenergie entfernen (Abkühlung): Pulverisieren des Wassers im Falle einer vorgemischten Umgebung (Gemisch aus Gas oder brennbare Partikel und Gas das die Verbrennung fördert), Feuerrost das Wärme absorbiert (Lampe), Ventil um den Rauch zu vertreiben (das heiss ist).

ROLLE DES WASSERS BEIM FEUERLÖSCHEN

Wasser kann zwei unterschiedliche Rollen haben :

1.Im Falle eines festen Brennstoffes, die Sauerstoffzufuhr (Luftzufuhr) ist der beschränkende Faktor, denn das Feuer erzeugt seine eigene Wärme. Das Wasser löscht das Feuer ab durch die Dampferzeugung, wird Luft entzogen und die Sauerstoffzufuhr verhindert ;

2.Im Falle von nicht festen Brennstoffen, kann man den Brennstoff vom Sauerstoffträger nicht trennen. Das Einzige, das man tun kann, ist die Umgebung abzukühlen, damit sich die Flamme nicht verbreitet (Wasserdampf wirkt wie ein Verdünnungsmittel).

Es gibt allerdings Fälle, in denen die Verbrennung keine Aktivierungsenergie ist. z.B. ist die Rauchexplosion eine sehr gewaltige Verbrennung der unverbrannten Gase, welche sich im Rauch befinden sind (siehe unvollständige Vebrennung). Sie wird von einer plötzlichen Luftzufuhr, d.h. brennbaren Stoff, verursacht.
Das Verhältnis, in dem das Gemisch Luft/Gas brennen könnte, ist begrenzt von den Explosionsgrenzen in der Luft. Dieser Verhältnis kann zwischen einigen Prozenten (Kerosin) und einigen zehn Prozenten (Azetylen) betragen.

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ROLLE DER ADDITIVE IN DER VERBRENNUNG

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Die Rolle des Wassers beim löschen eines Feuers kann wie folgt zusammengefasst werden :

  • Abkühlung vom Brennpunkt durch die Absorption der Wärmeenergie
  • Wegführung des brennbaren Stoffs (Disauerstoff)
  • Auflösung der entzündlichen Mischung von Brennstoff und Sauerstoffträger durch Wasserdampfzufuhr.

Die Hauptbeschränkungen zur Anwendung von Wasser sind de facto an die physikalisch-chemischen Wassereigenschaften geknüpft :

> Wasser kann auf bestimmte Feuertypen nicht angewendet werden :
  • Kohlenwasserstoff-feuer (Brandklasse B) weil die einzige Konsequenz die Verteilung vom Feuer durch den Abtransport vom Kohlenwasserstoff wird. Der Densitätunterschied zwischen diesen zwei Produkten ist für dieses Phänomen verantwortlich.
  • Metallfeuer (Brandklasse D), weil diese Feuertypen eine mächtige Menge an Energie produzieren (bis 7 550 Kalorien/Kg für Aluminium). Wasser kann auch eine starke chemische Reaktion mit den brennenden Metallen (durch Oxydierung) schaffen.
  • Fettfeuer (Brandklasse F), weil Wasserdampf den Brennstoff transportiert und aussprengt, was den Brennpunkt de facto vergrößert.
> Wasser beinhält Disauerstoff (O²) und, unter Berücksichtigung dessen, dass das Wassermolekül sich ab +/- 1.500°C spaltet (hauptsächlich wegen der zu großen Bewegungsenergie der Atome, die die Bindungen zerbrechen), was höchst entzündlichen Wasserstoff (H) + Disauerstoff) O² in das Feuer bringt.

Die Wissenschaft hat diese Phänomene zu nutzen gemacht und Additive entwickelt, die dem Wasser folgendes erlauben:

  • Bessere Absorption der Wärme dank einer höheren Densität.
  • Einbringung von Elementen in das Feuer, die die freien Radikale absorbieren.
  • Einbringung von Schaummitteln, die dem Wasser erlauben, an der Oberfläche von flüssigen Feuern zu bleiben und deswegen die entzündliche Dämpfe zurückzuhalten.
  • Einbringung von spezifischen Reaktionsmitteln, die reagieren können und die Art vom brennenden Brennstof ändern.

Die Additive für Wasser sind generell auf mehreren Brandklassen wirksam (Brandklasse A + Brandklasse B oder sogar Brandklasse A + Brandklasse B + Brandklasse F), was die Gesamtleistung und die Polyvalenz eines Feuerlöschers verbessert.