Schwelende Verbrennung und Übergang zur Entflammung

Während für die Entstehung und Ausbreitung von Schwelbränden eine Vielzahl von Untersuchungen vorliegt, gibt es für den hierbei immer wieder beobachteten Umschlag in den flammenden Abbrand nur erste, orientierende Arbeiten. Die physikalisch - chemischen Grundlagen, die den Übergang in die volle Entflammung bestimmen, sind allenfalls in groben Zügen bekannt. Zu dieser Problemstellung werden gezielte experimentelle und theoretische Untersuchungen durchgeführt.

Die hierbei eingesetzte Staupunktanströmung bietet aufgrund ihrer einfachen analytischen Beschreibung die Möglichkeit zur theoretischen Abschätzung des Abbrandes und der Selbstzündungsgrenzen. Der hierzu benötigte Wärmeübergang wird unter Ausnutzung der Analogie anhand des gemessenen Stoffübergangs ermittelt.

Als wichtige Parameter werden Anströmgeschwindigkeit, Sauerstoffgehalt und Kornfraktion des verwendeten Materials Kork variiert.

Zur Beschreibung der Ausbreitung des Schwelbrandes wird ein Modell aufgestellt, das einen reinen Oberflächenabbrand beschreibt. Die Betrachtung der beiden Grenzfälle
- reaktionskontrollierter bzw.
- transportkontrollierter
Abbrand zeigt, daß es sich in den Experimenten offensichtlich um eine reaktionskontrollierte Verbrennung handelt. Dies wird aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen Messung und Theorie deutlich. Dieses Modell ermöglicht weiter, die durch die Schüttgutparameter verursachten Effekte zu deuten.

Der Übergang vom Schwelbrand in die volle Entflammung wird durch die Selbstzündung der Pyrolysegase an der heißen Schwelbrandoberfläche hervorgerufen. Zu dessen Beschreibung wird ein eindimensionales Modell formuliert. Die hieraus ermittelten Selbstzündungsgrenzen sind in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Der erwartete bestimmende Einfluß der Anströmgeschwindigkeit und damit des Wärmeübergangs wird bestätigt.

Aus den mit einer Funkenstrecke durchgeführten Fremdzündungsuntersuchungen ergibt sich, daß alle entstehenden Pyrolysegasatmosphären explosionsfähig sind, auch wenn sie am Schwelbrandherd nicht immer selbstzünden. Eine Vorhersage der Zündung mit den aus der Literatur bekannten Zündgrenzen der Reingase unter Anwendung der Regel von Le Chatelier ist nicht möglich. Die Diskrepanz zwischen Vorhersage und Experiment beruht darauf, daß die kondensierte Phase nicht berücksichtigt wird und die Strömungsverhältnisse nicht in die Betrachtung eingehen.

Die Konzentrationsprofile zeigen eine deutliche Abhängigkeit von den Schüttgutparametern. Je nach Permeabilität des Schüttgutes können sich unterschiedlich ausgeprägte Zirkulationsströmungen ausbilden. Diese sind im wesentlichen Ursache für die starken Unterschiede der Konzentrationsprofile, obwohl der mittlere Partikeldurchmesser der Korksorten nur wenig differiert.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die Parameter auf, die für den Umschlag von Schwelbrand in die flammende Verbrennung bestimmend sind. Hierauf aufbauend ist es möglich, Strategien zu dessen Vermeidung zu entwickeln und Kenngrößen zur Materialklassifizierung anzugeben.