Ex.CE.L Unternehmensberatung und Arbeitsschutz
Ingenieur- und Sachverständigenbüro
Dipl.-Ing. (mult.) Mario Kräft

Leitender Sicherheitsingenieur
Beratender Ingenieur
Sachverständiger für Explosionsschutz

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Definitionen

Feuer und seine Erscheinungsformen

Oxidationsvorgänge werden in Abhängigkeit von ihrer Reaktionsgeschwindigkeit unterschieden in Reaktionen mit Feuererscheinung und Reaktionen ohne Feuererscheinung. Man kann also sagen, dass es sich bei Redoxreaktionen mit Feuererscheinung um sehr schnelle Reaktionen handelt.

In der DIN 14011 Teil 1: 07.1977*) ist die in der Sicherheitstechnik gültige Definition für das Feuer, wie folgt gegeben:

»... Feuer umfasst als Oberbegriff sowohl bestimmungsgemäßes Brennen (Nutzfeuer) als auch nicht bestimmungsgemäßes Brennen (Schadenfeuer).
Brand ist ein nicht bestimmungsgemäßes Brennen, das sich unkontrolliert ausbreiten kann. ...«

Die mit einem Feuer einhergehende Feuererscheinung Flamme wird nach demselben Regelwerk folgendermaßen erklärt:

»... Flamme ist der Bereich brennender oder anderweitig exotherm reagierender Gase oder Dämpfe, von dem sichtbare Strahlung ausgeht. (...)«

*) DIN 14011-1:1977-07 Begriffe aus dem Feuerwehrwesen; Physikalische und chemische Vorgänge

 

Explosion, Deflagration, Detonation

Explosionsvorgaenge 

Unter einer Explosion wird ganz allgemein der Oberbegriff für die kurzzeitdynamische exotherme Reaktion in explosionsfähigen Gas- und/oder Dampf-Gemischen im Gemisch mit Luftsauerstoff (also in explosionsfähigen Atmosphären) oder von chemisch  instabilen und/oder hochenergetischen und/oder explosionsgefährlichen Stoffen (also auch ohne Beteiligung von Luftsauerstoff) verstanden, die häufig mit einem Knall verbunden einhergeht, und die (auf Grund des plötzlichen Bestrebens von Stoffen zur Volumenvergrößerung) zur Ausbildung eines, mit mechanischen Auswirkungen verbundenen einhergehenden Druckstoßes in der Umgebung führt.

 

Eine Deflagration liegt immer dann vor, wenn die zuvor beschriebene Reaktion sich in dem/den Ausgangsstoffe(n) unterhalb der Schallgeschwindigkeit ausbreitet und mit einer deutlichen Trennung von Drucksprung und Reaktionszone (Flammenfront) verbunden ist.

 

Als Detonation bezeichnet man eine chemische Umsetzung, die sich innerhalb des Ausgangsstoffes oder der Ausgangsstoffe mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet und deren Reaktionsfront an eine Stoßwelle gekoppelt ist, in der so große Temperatur- und Drucksprünge auftreten, dass andere gasförmige, reaktionsfähige Materie dadurch entzündet wird.

Die Explosion stellt also den Oberbegriff für die Deflagration (die im engeren Sinne auch Explosion genannt werden kann) und für die Detonation dar.

Im Folgenden wird versucht, diese Begriffsbestimmungen durch weitere Erklärungen zu verdeutlichen:

Bei einer Explosion im weiteren Sinne, wird unterschieden in den Explosionsbegriff nach der chemisch-wissenschaftlichen Definition und die Explosionen in physikalisch-technischer Hinsicht, die zwar rein von ihren äußerlich erkennbaren Auswirkungen zumeist gleichartige Schäden verursachen, wie sie zum Beispiel beim Zerknall eines Behälters auftreten, die jedoch im Falle des geborstenen Behälters auf das Expansionsbestreben von Gasen, Dämpfen, Nebeln oder auf zu großen Flüssigkeits- bzw. Gasdruck zurückzuführen sind und eben nicht auf einen chemischen Umsetzungsprozess. [4, 7]

Hier ist jedoch die, mit starker Druckausbreitung verbundene, schnell ablaufende, exotherme chemische Reaktion, die sich durch andere Mechanismen (wie z. B. auf Grund von Wärmestrahlung oder Diffusion aktiver Reaktionsbestandteile) fortsetzt, gemeint. Zur Begriffsabgrenzung gegenüber der Detonation bezeichnet man explosionsartig verlaufende Reaktionen auch als Wärmeexplosionen oder Deflagrationen.

Anders verhält es sich mit der Detonation, die einen recht unterschiedlichen Vorgang gegenüber der Deflagration darstellt. Bei den Detonationen handelt es sich um sehr schnell ablaufende, exotherme, chemische Umsetzungen in kondensierten, heterogenen oder gasförmigen Systemen, deren Reaktionsgebiet sehr eng an eine intensive und sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitenden Stoßwelle gekoppelt ist. Trifft diese Stoßwelle nun auf gasförmige Materie kommt es, wegen der damit verbundenen Verdichtung innerhalb eines, als Induktionszeit bezeichneten, Intervalls von Mikrosekunden zu derart starker Erwärmung, dass es zur chemischen Redoxreaktion kommt.

Im Anschluss an die Reaktionsfront folgt bei der Detonation eine so genannte "Verdünnungswelle", in welcher sich die Reaktionsprodukte auf einen geringeren Druck ausdehnen. Nach einem kurzen Anlaufzeitabschnitt, stellen sich durch die konstante Detonationsgeschwindigkeit gekennzeichnete stationäre Verhältnisse ein. Die Gesamtreaktionszeit, also vom Zeitpunkt des Eintreffens der Stoßwelle bis zum Beginn des Abkühlungsprozesses mit dem Einsetzen der Verdünnungswelle beträgt nur einige Millionstel Sekunden, wobei die Stoßwelle auf Grund der von der chemischen Reaktion stammen- den Energiefreisetzung aufrechterhalten wird.

Das Auftreten von Detonationen ist nicht bei allen explosiblen Systemen möglich, da es an eine Reihe von Voraussetzungen gekoppelt ist. Zum einen ist als Vorbedingung eine durch chemische Zusammensetzung des vorhandenen Systems bedingte, sehr hohe potentielle Energie erforderlich. Ferner muss bei einem Reaktionsstart eine ausreichend hohe Umsetzungsgeschwindigkeit erreicht werden. Daher existiert für Stoffe, beziehungsweise Stoffgemische innerhalb des Bereiches in dem explosive Reaktionen möglich sind (Explosionsbereich, begrenzt durch die obere und untere Explosionsgrenze), ein weiterer Unterbereich, in dem die Voraussetzungen des jeweiligen Gemisches für eine detonativ verlaufende Reaktion gegeben sind (Detonationsbereich, eingegrenzt durch die obere und die untere Detonationsgrenze). Des weiteren darf die Dichte der Reagenz(ien) ein bestimmtes Maß nicht unterschreiten und es müssen noch bestimmte geometrische Voraussetzungen erfüllt sein (Kubisches Gesetz).

Es kann festgestellt werden, dass Detonationen zwar gegenüber den Deflagrationen die sicherheitstechnisch problematischeren Vorgänge darstellen; aber es kann auch festgehalten werden, dass bei bekannten Detonationsbedingungen für das jeweils vorliegende Gemisch, die Detonation durch konstruktive Gestaltung der jeweiligen Anlage verhindert werden oder zumindest die Begrenzung der Detonationswirkung erreicht werden kann. [8, 10, 11]

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