MEERWAARDE

Brandfysica, brandverloop en rookverspreiding
Het verbrandingsproces

Bij brand spelen een aantal factoren een rol:

  • brandbare stof

  • zuurstof

  • temperatuur

  • katalysator

  • mengverhouding

Deze vijf factoren samengevoegd geven de Brandvijfhoek. Veelal wordt echter de branddriehoek gehanteerd.

Afbeelding 2.1 Branddriehoek en brandvijfhoek

Brandstof

Als er geen brandstof voorhanden is kan er ook geen brand ontstaan.

Zuurstof

De omgevingslucht bestaat voor ca. 21% uit zuurstof en 78% stikstof (de resterende 1% zijn overige gassen). Normaliter is er voldoende zuurstof aanwezig om een brand te kunnen laten ontstaan en te kunnen laten branden. Verlaging van het zuurstofgehalte zorgt ervoor dat de brand dooft.

Temperatuur

Een brandbare stof zal pas bij een bepaalde temperatuur tot ontbranding overgaan, wanneer aan de voorwaarde wordt voldaan dat de moleculen zich vrij kunnen bewegen hetgeen alleen in gas of dampvorm mogelijk is. Vaste en vloeibare stoffen moeten dan ook eerst tot de gas- of dampvorm overgaan voordat ze kunnen ontbranden. Dit verklaart daarom ook waarom gassen en dampen makkelijker ontbranden dan vaste stoffen (tenzij heel fijn verdeeld). De ontbrandingstemperatuur is voor elke stof anders en kan ver uiteen lopen. Voor cellulose materialen, de materialen die je bij brandventilatie het meeste tegenkomt, ligt de ontbrandingstemperatuur bij ca. 200 - 225 °C.

Mengverhouding

Bij een teveel aan brandstof (denk bijvoorbeeld aan het verzuipen van een benzinemotor) zal er geen brand ontstaan omdat de mengverhouding niet juist is. Hoe beter de mengverhouding, des te sneller de brand.

Katalysator

Een katalysator is een stof die een chemische reactie (een brand is een chemische reactie) kan beïnvloeden. Dit zonder zelf tijdens dit proces zelf te veranderen. Zo kan een suikerklontje bijvoorbeeld niet branden, maar als er as van sigaretten op wordt gedaan, kan het suikerklontje wel branden.

Brandverloop

Ontwikkelingsperiode

Brand ontstaat bijna altijd doordat makkelijk ontvlambare materialen door een ontsteking (lees warmtebron) tot ontbranding wordt gebracht. De brand ontwikkeld zich waarbij de temperatuur in de directe nabijheid en later in de wijdere omgeving zal oplopen. De brandbare materialen welke zich vlak bij de brandhaard bevinden worden verhit en zullen eveneens ontbranden.

Brandperiode

Dit is een vrij geleidelijk proces tot een temperatuur van 250 - 300 °C. Bij deze temperatuur zal door een thermische ontleding van de brandbare stoffen een brandbaar gas/luchtmengsel ontstaan. Zodra dit mengsel een bepaalde verhouding heeft gekregen zal het door de dan nog steeds relatief kleine brand worden ontstoken. Zo ontstaat er een steekvlam die bij voldoende luchttoevoer de overige in de buurt zijnde brandbare stoffen doet ontbranden. Dit verschijnsel heet vlamoverslag of te wel "flash-over". Na de vlamoverslag loopt de temperatuur zeer snel op en kunnen temperaturen worden bereikt van 800 °C of zelfs meer.

Doofperiode

Na verloop van tijd zal al het brandbare materiaal in brand staan. Daarna neemt deze hoeveelheid af en dus ook de temperatuur. Na verloop van tijd dooft het vuur. De tijdsduur van ontwikkelings-, brand- en doofperiode zijn voor elke brand verschillend en is afhankelijk van diverse factoren. Het verschijnsel brand is dus zeer complex en moeilijk te omschrijven. Wel is belangrijk te weten hoe een brand te bestrijden en ervoor zorg te dragen dat de tijdspanne tussen ontstaan brand en bestrijden brand zo kort mogelijk is. Zoals reeds gesteld is een brand een chemisch proces waarbij een brandbare stof zich verbindt met zuurstof en er ongewenste schade ontstaat. De brand trachten wij in een brandkromme te omschrijven. Veelal wordt gebruik gemaakt van de standaard brandkromme. 

Standaard brandkromme

Conventioneel temperatuurverloop:

Dit temperatuursverloop is afhankelijk van verschillende factoren, zoals:

  • de wijze waarop de brand is ontstaan;

  • de aard van de brandbare stoffen;

  • de vuurbelasting;

  • de ventilatie;

  • de geometrie van de ruimte (daarom mag de standaard brandkromme niet worden verward met het temperatuurverloop van een brand).

De verschijnselen welke bij brand ontstaan kunnen wij waarnemen met onze zintuigen:

  • we zien de lichte of donkere rook (rookdikte afhankelijk van het aantal roetdeeltjes);

  • we horen het knetteren;

  • we voelen de warmte;

  • we zien de vlammen;

  • we ruiken. 

Er wordt met behulp van verschillende methoden aan brand en de gevolgen van een brand gerekend. 

 

 

 

 

Figuur 2.1 Brandkromme

Algemeen
  • 43% van de bedrijven welke door een significante brand worden getroffen is binnen 1 jaar failliet;

  • van de overgebleven 57% is vervolgens binnen 3 jaar 28% failliet;

  • dit betekent dat ten gevolge van een behoorlijke brand 59% van de bedrijven van de markt is.

Versnelde brandgroei
Flash-over

Een flash-over is een plotselinge afwijking (versnelling) van de geleidelijke groei van een brand. Bij een flash-over is de temperatuur in de rooklaag boven in de ruimte zo hoog dat dat de straling vanuit die rooklaag de brandbare voorwerpen in de gehele ruimte, ook onder de rooklaag, in korte tijd, via ontleding, tot ontbranding brengt. Dit gebeurt bij een rooklaagtemperatuur van ca. 500 tot 600 °C en een straling van ca. 20 kW/m2. Het vermogen en de temperatuur van de brand nemen hierbij plots sterk toe, meestal tot 800 °C à 1.200 °C, waarmee de fase van de volledig ontwikkelde brand begint. Flash-over vormt de overgang tussen de groeifase en brandfase.

Backdraft of backdraught

Mechanisme waarbij een brand plotseling (versneld) tot ontwikkeling komt. Treedt op als er voldoende brandbare gassen zijn en de temperatuur hoog genoeg is, maar er te weinig zuurstof aanwezig is voor een verbranding. Als er dan vervolgens (veel) zuurstof wordt toegevoegd, bijv. door het openen van een deur of het wegvallen van een raam, dan treedt er een bijna explosieve verbranding op.

Rookgasontbranding of rookgasexplosie

Het betreft een ontbranding van niet of gedeeltelijk verbrande pyrolysegassen, meestal buiten de ruimte waar de brand heerst. Bij een rookgasontbranding is er brandstof aanwezig, er ontbreekt warmte of zuurstof. Als voldoende brandbare gassen en warmte aanwezig zijn, en plotseling zuurstof wordt toegevoegd, dan ontstaat een bijna explosieve verbranding, in feite backdraft. Als aan een mengsel brandbare gassen en zuurstof, in een mengverhouding binnen de ontstekingsgrenzen, plotseling een ontstekingsbron (warmte) wordt toegevoegd, ontstaat een bijna explosieve of soms een echte explosieve verbranding. Dit laatste gebeurt vooral als de mengverhouding van de brandbare gassen en zuurstof ideaal (stoichiometrisch) is. Voor de laatste situatie is de term rookgasexplosie meer toepasselijk.

Rookverspreiding

Stroming van rook

De wijze waarop rook stroomt en (koudere) omgevingslucht inmengt, wordt bepaald door een aantal mechanismen (zie onderstaand figuur):

  1. Hete rook stijgt op, door opwaartse kracht, tot waar mogelijk (in rechthoekige ruimten tot aan het plafond). Deze opwaartse kracht wordt veroorzaakt door de verschillen in dichtheid tussen de hete rook en de relatief koude omgevingslucht.

  2. Een stilstaande hete rooklaag heeft een vrijwel stabiel en horizontaal scheidingsvlak met een relatief koude omgevingslucht eronder. Deze gelaagdheid van koude lucht en warmte rook wordt ook wel stratificatie genoemd.

  3. Daar waar de grens tussen rook en omgevingslucht beweegt wordt omgevingslucht ingemengd. De inmenging is echter zeer beperkt bij een stabiel horizontaal scheidingsvlak tussen rook en omgevingslucht.

  4. Daar waar het scheidingsvlak tussen de bewegende rook en de omgevingslucht niet horizontaal maar bijv. verticaal of schuin is, wordt (veel) omgevingslucht ingemengd.

  5. De horizontale stroming van rook kan tegengesteld zijn aan de onderstroom van 'koude' omgevingslucht.

  6. Rook koelt af aan wanden en objecten. Daardoor kan de rook lokaal 'uitzakken' naar de koelere onderlaag.

Tot slot treedt, na afkoeling, volledige menging op (niet weergegeven in figuur).

Drijvende krachten achter rookverspreiding

Rookverspreiding in een gebouw kan veroorzaakt of beïnvloed worden door de volgende drijvende krachten:

  • temperatuurverschil tussen warme rook en relatief koude omgevingslucht;

  • schoorsteeneffect;

  • winddruk;

  • expansie van gassen door opwarming;

  • aanwezigheid en de werking van ventilatiesystemen.

Alleen het temperatuurverschil tussen rook en omgevingslucht en de expansie door opwarming worden veroorzaakt door de warmte van de brand. Op deze 'drijvende krachten' wordt hieronder nader ingegaan.

Rookverspreiding door temperatuurverschil

De dichtheid van lucht is afhankelijk van de temperatuur (ρ = 353 / T): hoe hoger de temperatuur, hoe lager de dichtheid, dus hoe 'lichter' de lucht. Het verschil in dichtheid is de drijvende kracht die ervoor zorgt dat rook opstijgt, indien deze meer dan enkele graden (ordegrootte 5 °C) warmer is dan de omgevingslucht. Bij een lager temperatuurverschil is de kans groot dat rook en omringende lucht volledig opmengen.

Rookverspreiding door expansie

Warme lucht zet uit. Dit betekent dat het volume aan lucht toeneemt zodra lucht opwarmt. Indien de temperatuur van lucht in een ruimte in korte tijd sterk toeneemt (bijv. bij flash-over) zal in korte tijd een groot volume aan 'extra' lucht ontstaan. Voor dit 'extra' volume lucht is in de ruimte geen plaats, waardoor het de ruimte uitgeperst wordt. Dit mechanisme van uitzetten (expansie door opwarming) wordt beschreven door de formule: V = V₀ · (T / T₀).

Waarbij:

V    = volume in m³

V₀   = beginvolume lucht in m³

T    = temperatuur in K

T₀   = begintemperatuur in K

Het volumeverschil tussen V en V₀ wordt de ruimte uitgeperst, bestaande uit veelal rook. De bovenstaande formule is afgeleid van de ideale gaswet, waarvoor geldt dat: p · V = constant.

Brandvijfhoek_edited.jpg
Branddriehoek_edited.jpg
Brandperiode - rookvuur.jpg
Brandkromme.JPG
Brandweer - blussen.jpg
Rookverspreiding.png