Hauptmenü öffnen
Verbrennung von Ethanol

Eine Verbrennung ist eine Redoxreaktion, die unter Abgabe von Energie in Form von Wärme und Licht abläuft, also exotherm.

Im allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter dem Begriff die Oxidation eines Materials mit Sauerstoff unter Flammen-Bildung (Feuer). In der Chemie werden auch derartige Reaktionen ohne Sauerstoff als Verbrennungen bezeichnet. Dazu gehört die Reaktion von Fluor und Wasserstoff zu Fluorwasserstoff; hier ersetzt das Fluor den Sauerstoff als Oxidationsmittel.

Inhaltsverzeichnis

Begriffe, EinteilungBearbeiten

BrennchemieBearbeiten

  • Die Flamme emittiert elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten, sichtbaren und infraroten Strahlungsbereich. Es ist zu unterscheiden zwischen der Festkörperstrahlung und der Strahlung gasförmiger Moleküle. Als Festkörper ist der Festbrennstoff oder gebildeter Ruß (z. B. Feinstaub bei der Heizölverbrennung) zu betrachten. Der Festkörper emittiert Strahlung über dem gesamten Spektralband und das Spektrum entspricht näherungsweise dem eines [Schwarzer Körper|schwarzen Strahlers]. Die gasförmigen Moleküle und Atome werden durch die exotherme Reaktion der Verbrennung aufgeheizt und es werden höhere Energieniveaus der Teilchen besetzt, von denen die Teilchen wieder auf einen energetisch tiefer liegenden Zustand fallen. Die Energiedifferenz bei Einnahme des Grundzustandes wird als Photon emittiert, die die Flamme bilden. Bei Molekülen werden Vibrations- und Molekülbanden besetzt; bei Atom wird ein Linienspektrum emittiert. Diese Gasstrahlung ist selektiv und abhängig von den Bestandteilen des Brenngases und einer Vielzahl von Gasverbindungen, die teilweise auch nur als Zwischenprodukt bis zur vollständigen Verbrennung existieren. Im Gegensatz zur Festkörperstrahlung ist die emittierte Strahlung nicht gleichmäßig über das Spektrum verteilt.
  • Bei einer „unvollständigen Verbrennung“ treten nach der Verbrennung brennbare Gase (beispielsweise Kohlenmonoxid, Stickoxide, Wasserstoff, Methan) oder fester Kohlenstoff auf,[1] indem nicht alle möglichen Bindungen zum Oxidationsmittel entstehen. Hierher gehören die Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid oder die Herstellung von Grillkohle, Schwelbrand, das Verkoken.
  • Langsame „kalte Oxidation“ lässt sich beim Verrosten von Metallen oder in Lebewesen bei der Oxidation von Nährstoffen, also deren „Verbrennung“ feststellen.

Dynamik der VerbrennungBearbeiten

In der Technik wird zumeist einer geregelte Verbrennung angestrebt, die gleitend an den Wärmebedarf angepasst wird. Diese wird als stabilisiertes Brennen bezeichnet. Als Führungsgröße wird z. B. die Temperatur eines Wärmeträgers oder der Dampfdruck einer siedenen Flüssigkeit genutzt und der Massenstrom des Brennstoffes und der Verbrennungsluft wird dem Wärmebedarf angepasst. Der Massenstrom wird in einem Rahmen geregelt, dass im Brennraum und Abgasweg durch die thermische Ausdehnung der Verbrennungsgase nur geringe Druckanstiege auftreten. Die technische Verbrennung wird so geregelt und überwacht, dass der Brennstoff mit der zugeführten Verbrennungsluft kontrolliert verbrennt.

Verbrennungen, bei denen sich ein größeres Volumen des Brennstoff-Luft-Gemisches gebildet hat und dann gezündet wird, zeichnet sich durch eine schnelle Ausbreitung der Verbrennung in dem mit explosionsfähiger Atmosphäre gefüllten Raum aus. In geschlossenen Räumen erfolgt in einem sehr kurzen Zeitintervall eine große Druck- und Temperaturerhöhung, die als Explosion bezeichnet wird. Der maximale Explosionsdruck von Kohlen- und Wasserstoffhaltigen Brennstoffen in geschlossenen Räumen mit ursprünglichem Umgebungsdruck (Volumendeflagration) beträgt 10 bar; die Flammengeschwindigkeit liegt im Bereich von 0,5 m/s (Kohlenwasserstoffe) bis 2,5 m/s /Wasserstoff)[2]. Explosionen mit geringem Druckanstieg (atmosphärische Deflagration) werden als Verpuffung bezeichnet.

Bei Explosionen in geschlossenen Systeme unterscheidet man zwischen

Als Deflagration wird eine Explosion bezeichnet, die sich mit Unterschallgeschwindigkeit fortpflanzt[3].

Die Detonation ist eine Explosion, die sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet, und es bildet sich eine Stoßwelle aus. Bei der stabilen Detonation werden Geschwindigkeiten von ca. 2000 m/s erreicht. Die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemsiches erfolgt durch adiabatische Kompression. Explosionsdrücke können bei der Detonation deutlich höher liegen als bei der Deflagration.

BrennraumBearbeiten

Hinsichtlich des bei der Verbrennung eingenommenen Raums (siehe dazu Flamme#Charakterisierung) unterscheidet man

  • flächige Verbrennung an Grenzflächen der Reaktionsmittel in der Flammenfront einer Flamme, beispielsweise
  • volumetrische Verbrennung nach Vormischung gas- oder dampfförmiger Bestandteile, beispielsweise

Nutz- und SchadfeuerBearbeiten

Die Verbrennung in einem Feuer kann kontrolliert (Nutzfeuer), zum Beispiel in einem Ofen, einem Dampfkessel (Feuerung), als Lagerfeuer, oder unkontrolliert als Schadfeuer bei einem Brand erfolgen.

Brandlehre, BrandklassenBearbeiten

VerlaufBearbeiten

Bei der Verbrennung reagiert eine Substanz, der Brennstoff, chemisch mit Sauerstoff oder mit einem anderen Gas. Der Brennstoff selbst kann fest (beispielsweise Holz, Kohle), flüssig (Benzin, Ethanol), flüssig werdend (Wachs) oder gasförmig (Methangas, Erdgas) sein. Letztlich beginnt vor der eigentlichen Verbrennung ein Verdampfen oder Cracken, sodass die entstandenen Gase mit dem gasförmigen Luftsauerstoff reagieren.

Voraussetzungen für eine VerbrennungBearbeiten

 
Verbrennungsdreieck

Für eine Verbrennung ist in ausreichender Menge brennbares Material nötig, das mit dem Oxidationsmittel reagiert, meist ist dies der Sauerstoff (siehe Sauerstoffindex). Darüber hinaus ist das richtige Mengenverhältnis des brennbaren Stoffes mit der Umgebungsluft oder dem reaktiven Gas und eine geeignete Zündquelle nötig. Ein Katalysator kann die Aktivierungsenergie, die für den Start der chemischen Reaktion erforderlich ist, herabsetzen. Dadurch kann die Verbrennung beschleunigt oder die zur Zündung notwendige Energie herabgesetzt werden.

ZündenBearbeiten

Die Einleitung des Brennvorgangs, das Zünden (Zuführen der Aktivierungsenergie), wird unterschiedlich bezeichnet. Während allgemein Verbrennungen entzündet werden, können insbesondere Feuer und Deflagrationen angezündet, Detonationen können gezündet werden (Zünder). Dämpfe und Gase entflammen.

Anbrennvorgang und VollbrandBearbeiten

Sobald eine kleine Brennstoffmenge reagiert hat, bringt die dabei freigesetzte Wärme als Aktivierungsenergie weiteren Brennstoff zum Reagieren, Verbrennung ist in diesem Sinne eine thermische Kettenreaktion. Das bei der Verbrennung freigesetzte Licht wird von den glühenden Masseteilchen emittiert. Außerdem erhöht sich typischerweise die Temperatur sehr stark, was zur Heizung oder Verrichtung von Arbeit genutzt werden kann.

Zurzeit werden in Anlagen zur Wärmeerzeugung meist Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff der Luft zur Reaktion gebracht. Es entsteht dabei Abgas, das neben Luftstickstoff hauptsächlich Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) enthält. Je nach Art der Verbrennungsführung können verschiedene weitere Stoffe im Abgas enthalten sein, häufigste Anteile sind Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Bei fetter Verbrennung (Kraftstoffüberschuss) von Kohlenwasserstoffen kann Ruß entstehen.

Chemie der VerbrennungBearbeiten

LuftzahlBearbeiten

Für die Verbrennung an Luft wird die sogenannte Luftzahl benötigt. Diese ist ein Verhältniswert aus den Anteilen der Umgebungsluft, hauptsächlich also Sauerstoff und Stickstoff:

 

SauerstoffbedarfBearbeiten

Bezogen auf 1 mol Brennstoff erhält man den zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Anteil Sauerstoff   über:

 
 

Löst man obige Gleichung nach   auf, so erhält man:

 

beziehungsweise

 , wobei die Kleinbuchstaben die Anzahl der im Brandstoff enthaltenen Elemente angeben.

Stöchiometrische KonzentrationenBearbeiten

Die für die vollständige Verbrennung rechnerisch nötige Konzentration von Brennstoff erhält man über

 

beziehungsweise

 


BeispielBearbeiten

Als Beispiel sei hier die vollständige Verbrennung von 1-Propanol ( , Molmasse 60,1 g·mol−1) genannt:

 
 

Somit sind zur vollständigen Verbrennung von 1 mol Propanol 4,5 mol Sauerstoff nötig. Weiterhin lässt sich die stöchiometrische Konzentration, die für die Verbrennung nötig ist, berechnen:

 

beziehungsweise

 
Demonstration der Notwendigkeit der Luftzufuhr für eine kontinuierliche Verbrennung

Verbrennungsrechnung und AbgaszusammensetzungBearbeiten

Verbrennungsrechnungen mit den entsprechenden Abgaszusammensetzungen sind mit einem Rechenalgorithmus nach Werner Boie für den Anwendungsbereich Wärmetechnik besonders effizient möglich.[4]

Physik der VerbrennungBearbeiten

Beim brennbaren Material kann es nur zur Oxidation kommen, wenn ein einzelnes Atom oder Molekül des Brennstoffs mit Sauerstoff in direkten Kontakt kommt. Daher sind für die Verbrennungsgeschwindigkeit (Abbrandgeschwindigkeit) die Verfügbarkeit von Sauerstoff und sein inniger Kontakt mit dem Brennmaterial maßgeblich. Einige Löschverfahren beruhen darauf, die Sauerstoffzufuhr zu unterbrechen (Löschdecke, Schaum, CO2-Löschanlage).

Die Versorgung mit Sauerstoff kann man durch stete Zufuhr von Frischluft erreichen, indem man in ein Holzfeuer bläst. Für Holzfeuer ist der Kamin dabei ein ideales Hilfsmittel. In dem sich verengenden Kaminrohr steigen die erwärmten Abgase schnell auf und erzeugen einen steten Unterdruck um das Feuer. Dieser saugt permanent frische Luft heran. Eine extreme Ausprägung sind Feuersturm und Waldbrände, die durch Winde, wie den Mistral, angefacht werden.

Um innigen Kontakt herzustellen, kann die Oberfläche des Brennstoffs vergrößert werden, das Vergasen des Brennstoffs in ein Gas ist eine geeignete Möglichkeit. Bei der Kerze schmilzt das Wachs am Boden des Dochts, steigt als Flüssigkeit auf und verdampft an der heißen Spitze. Das verdampfte Wachs verbrennt. Ein anschauliches Beispiel ist die Mehlstaubexplosion. Wird etwas Mehl in eine Kerzenflamme geblasen, wird das ansonsten unbrennbare Mehl durch die Zerstäubung brennbar und reagiert heftig. Beim Ottomotor erfolgt im Vergaser eine Verdampfung und im Dieselmotor wird der Brennstoff zerstäubt. Flüssiger Dieselkraftstoff lässt sich bei Raumtemperatur kaum entflammen. Durch die Einspritzanlage und eine schlagartige Verdichtung mit der daraus resultierenden Erhitzung im Verbrennungsraum zündet Diesel selbst und verbrennt.

Über allen Flüssigkeiten steht in Abhängigkeit von der Stoffeigenschaft spezifischer Dampfdruck und den Umgebungsfaktoren Druck und Temperatur eine Dampfwolke. Handelt es sich um eine brennbare Flüssigkeit ist diese Dampfschicht in einem bestimmten Bereich (zwischen unterer und oberer Explosionsgrenze) entzündlich. Die kurzkettigen Kohlenwasserstoffe, das Benzin, haben einen hohen spezifischen Dampfdruck, sind leicht flüchtig, bilden also schon bei niedrigen Temperaturen eine brennbare Dampfschicht über der Oberfläche aus. Der längerkettige Diesel zündet schwerer, da der Dampfdruck geringer ist.

In einigen chemischen Verbindungen sind das „Oxidationsmittel“ (Sauerstoff) und das zu oxidierende „Material“ in demselben Molekül enthalten, so in vielen Sprengstoffen. Nitroglyzerin mit der Summenformel C3H5N3O9 enthält pro Molekül neun Sauerstoffatome (in drei Nitrat- und Salpetersäureester-Gruppen) und damit mehr als genug, um die im Molekül enthaltenen Kohlen- und Wasserstoffatome vollständig zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren. Die Verbindung ist instabil und zerfällt explosionsartig schon bei leichten Erschütterungen. Die gasförmigen Oxidationsprodukte nehmen ein Vielfaches des ursprünglichen Volumens ein und erzeugen einen sehr hohen Druck, der die Sprengwirkung verursacht. Auch in den Treibmitteln von Raketentriebwerken ist Sauerstoff in verschiedenen Trägersubstanzen als Oxidationsmittel vorhanden, da dies im Vakuum des Weltalls erforderlich ist.

MaterialkundeBearbeiten

Die Verbrennung von Holz beginnt mit einer Erhitzung von außen. Bei nassem Holz unterbricht die Temperaturerhöhung bei etwa 100 °C die weitere Erhitzung des Holzes vor Erreichen der Zündtemperatur. Ist das Wasser weitestgehend verdampft, steigt die Temperatur und die Verbrennung der entweichenden Gase beginnt. Holz kann ungefähr das eigene Gewicht an Wasser speichern und für den Verdampfungsvorgang ist die latente Wärme nötig; so ist feuchtes oder nasses Holz kaum zu entzünden. Trockenes Holz zündet leichter und beginnt ab etwa 150 °C zu verkohlen. Dies ist eine Pyrolyse des Holzes durch hitzebedingte chemische Zersetzung. Es entstehen gasförmige Stoffe, die sich nach der Vermischung mit Luft entzünden. Die verbleibende Holzkohle besteht aus dem entgasten Holz und besteht im wesentlich aus Kohlenstoff, der zuletzt abbrennt.

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten

  • J. Warnatz, U. Maas, R. W. Dibble: Verbrennung. Springer, Berlin 2001 ISBN 3-540-42128-9.
  • Rodewald: Brandlehre. 6. Auflage, W. Kohlhammer, Stuttgart 2007. ISBN 978-3-17-019129-7.
  • M. Lackner, F. Winter, A. K. Agarwal: Handbook of Combustion. Wiley-VCH, Weinheim 2010. ISBN 978-3-527-32449-1.
  • Drysdale: An Introduction to Fire Dynamics. Second Edition 1998, John Wiley & Sons, Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester West Sussex PO19 8SQ, England, ISBN 978-0-471-97291-4.

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Gerhard Hausladen: Skript Heiztechnik. Universität Gesamthochschule Kassel, Februar 1998, (PDF; 2,2 MB), online auf delta-q.de, abgerufen am 22. Dezember 2016.
  2. http://www.uni-magdeburg.de/isut/TV/Download/Kapitel_4_Verbrennung_WS0910.pdf
  3. EN 1127-1 Explosionsfähige Atmosphären - Explosionsschutz - Teil 1: Grundlagen und Methodik, 2011
  4. Bernd Glück: Zustands- und Stoffwerte, Verbrennungsrechnung. 2. überarbeitete und erweiterte Auflage, Verlag für Bauwesen, Berlin 1991, ISBN 3-345-00487-9, online auf BerndGlueck.de, abgerufen am 22. Dezember 2016.