Smoke gets in your eyes.

Smoke gets in your eyes.
Seit geraumer Zeit ist bekannt, dass in jedem Brandfalle die Entwicklung von Rauch und
giftigen Dämpfen die größten Gefahren für den Menschen bilden.
1.
Chemie
Rauch besteht aus einer Mischung fester Partikel, flüssiger Tröpfchen und erhitzter Gase.
Dabei hängt die genaue Zusammensetzung des Rauches in der Hauptsache von den
Feuerumständen (z.B. Temperatur und Sauerstoffvorkommen) und vom chemischen Aufbau
des Brennmaterials ab. Wenn es sich um ein organisch-polymeres Material, z.B. Holz oder
ein Kabelmaterial wie Polyäthylen, PVC oder PTFE, handelt, und dieses unter konstanter
Sauerstoffzufuhr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, kommt es zur Oxidation oder zu einer
thermischen Degradation. Infolgedessen bilden sich flüchtige Gase und schwere
Kettenfragmente. Bei großer Sauerstoffzufuhr und hohen Temperaturen vermindern sich
Materialien, die nur aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff (Holz, Polyäthylen usw.)
bestehen, mehr oder weniger vollständig zu Kohlendioxyd und Wasser. Wenn die
Sauerstoffkonzentration verringert wird, werden auch Kohlenmonoxid sowie aliphatische und
aromatische Kettenfragmente erzeugt.
Bei halogenhaltigen Materialien entstehen neben den halogenierten Kettenfragmenten auch
Halogensäuren (z.B. HCl, HF).
Wegen der Unterdrückung der Dampfphasen-Verbrennung, resultierend aus der Freisetzung
des sauren, gasförmigen Halogens, haben halogenierte Materialien die Tendenz, große
Mengen an schweren Aufspaltungprodukten, gerade bei gutgelüfteten Brandbedingungen, zu
erzeugen. Diese schweren Aufspaltungsprodukte ergeben sich durch die Verbindung von
Russ, verdichtbaren Gasen und Flüssigkeiten, d.h. sowohl durch flüssige, als auch durch
feste Partikel. Aus diesem Grunde entsteht bei der Verbrennung halogenhaltiger Materialien
recht schnell dichter Rauch. Im Vergleich dazu entwickelt sich beim Brand halogenfreier
Materialien wesentlich weniger Rauch, sowohl im Anfangsstadium des Feuers als auch zur
Hauptbrandphase. (4)
2. Physik
Die Dichte des Rauchs kann entweder anhand seiner gravimetrischen Eigenschaften,
anhand der Luminanz-Abnahme aufgrund veränderter Lichtdurchlässigkeit, oder durch
eine Verbindung beider Faktoren gemessen werden. 1, 2, 3
a) Messungsergebnisse basierend auf dem Massenverhältnisse der Rauchpartikel
Gravimetrische Methoden geben die Masse der Rauchpartikel, sowie die Massenverluste
des verbrannten Materials, den Abbrand, an. Es gilt:
Y Partikel
=
Masse der Partikel
Abbrand
b) Messungsergebnisse basierend auf der Luminanz-Abnahme
Rauch wird häufig in seinem Extinktionskoeffizient quantitativ bestimmt, der, basierend auf
dem Bouguer-Lambert-Beer'sche Gesetz, die Abschwächung des einfarbigen Lichtes
durch Rauch beschreibt:
I/ l0 =
e-kL
⇒k =
1/L x ln(I/I0)
wobei I0
I
k
L
=
=
=
=
Lichtintensität an der Quelle
Lichtintensität am Messpunkt
Extinktionskoeffizient
Strecke (Quelle / Messpunkt)
In einigen Studien werden dekadische Logarithmen verwendet, um die optische Dichte pro
Maßeinheit Licht-Weglänge zu errechnen:
D
=
2,303/L x lg(I/I0)
wobei D
=
Absorptionskoeffizient
Die Extinktion des Rauches ist gleich der Summe aller Extinktionsquerschnittflächen aller
Rauchpartikel. Sie ist verknüpft mit dem Volumen des Rauch enthaltenen Raumes:
S
=
kV
=
2,303xDxV
wobei S
V
=
=
Extinktionsbereich
Volumen
Der spezifische Extinktionsbereich ist ein normierter Parameter, der das Verhältnis der
Extinktion des Rauchs zum Abbrand aufzeigt.
SxExA
=
S/ Masseverlust
=
kV / Masseverlust
c) Verhältnis von Masse und Luminanzreduktion
Auf der Grundlage des Beerschen Gesetzes wurde das Verhältnis der optischen
Eigenschaften zur Konzentration der Masse errechnet, bezugnehmend auf
Rauchentwicklung verschiedenster Materialien unter stark belüfteten Bedingungen.4
σs
=
k/Ms
wobei σs
Ms
= massen-spezifischer Extinktionskoeffizienten
= Massenkonzentration des Rauchs
Bei Laserlicht war der Mittelwert für σs = 8,7 m2g-1, bei sichtbarem Licht betrug er σs = 10,0
m2g-1.
3.
Kabeltests – Rauchmessungen
Die Rauchentwicklung wird in zwei Versuchkategorien gemessen: Statische Versuche und
dynamische Versuche. Bei den statischen Tests wird die Probe in einem
abgeschlossenen, Raum mit festgelegtem Volumen in einer festgelegten Zeitspanne
verbrannt und der entstehende Rauch gemessen. Bei der dynamischen Rauchmessung
wird die Verbrennung in einem gelüfteten Raum durchgeführt und die Werte anhand des
abziehenden Rauchs ermittelt.
a) Statische Versuche
3m³-Cube IEC 61034 (Europäische Norm zur Messung von Kabelrauchentwicklung).
In einem würfelförmigen Raum mit einer Kantenlänge von drei Metern wird eine
festgelegte Menge Kabel mit einem Spiritusfeuer 20 Minuten lang in Brand gesetzt. In
dieser Zeitspanne wird die Rauchentwicklung durch die Luminanzreduktion einer
künstlichen Lichtquelle gemessen.
Die genauen Bedingungen der Testumstände – zeitlicher Rahmen oder Lichtintensität –
sind ebenfalls durch die oben genannten Richtlinien festgelegt. Obgleich der Test
weitgehend anerkannt ist, sind bei den Ergebnissen Einschränkungen zu machen. Einer
der Hauptmangel ist, dass die Resultate nicht allen ISO-definierten Feuerkriterien
entsprechen.
NBS Smoke Chamber ISO 5659 Pt2.
In der Hauptsache wird die NBS Rauchdichtekammer für Werkstoffprüfungen genutzt.
Allerdings ermöglicht die Erweiterung um einen horizontal montierten, kegelförmig
strahlenden Ofen auch die Produkteinschätzungen (IMO MSC.41(64)) mit diesem Gerät.
Der Raum hat ein Volumen von 0,5 m3 und die Probenhalterung eine Oberfläche von 75 x
75 Millimeter. Die Verbrennung wird unter drei verschiedenen „Hitzeangriffen“
durchgeführt: 50 kW/m2, 25 kW/m2 + Anzünder u. 25 kW/m2.
Diese Bedingungen entsprechen in erster Linie den stark entwickelten, sich entwickelnden
und schwelenden Feuern. Die minimale Luminanz des Lichtpfades wird gemessen. Das
Hauptproblem bei diesem Test ist, dass die Verbrennungsumstände mit Zeit schwanken
und es so zu ungenauen Ergebnissen kommen kann.
b) Dynamische Test
Zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels lagen uns keine veröffentlichten Tests,
die dynamische Feuerproben behandelten, vor.
Allerdings konnte beobachtet werden, dass die ISO definierten Feuertypen unter
dynamischen Bedingungen am Besten simuliert werden konnten. Dies wird gewiss
Änderungen der bisherigen Vorgehensweise mit sich bringen.
EU-klassifizierter Small Scale Test.
Der Haupttest für Produktklassifikationen ist der "Small Scale Test". Bei planaren
Produkten bildet das SBI (EN 13823) die Grundlage. Für Kabel scheint der
erfolgversprechendste Test der gebündelte vertikale Test (IEC 60332) in Verbindung mit
dem SBI Gas-Analyse System zu sein, das am Abluftauslass installiert wird. Resultate
werden normalerweise in Total-Schwebestaub-Messwerten (TSP), GesamtRaucherzeugungs-Raten (SPR) und der die Gefahr angebenden Rauchklassifizierung
SMOGRA (SPR/Zeit SPR) angegeben. Das System arbeitet in einem gut gelüfteten
Modus, wodurch unvollständige Verbrennungen ausgeschlossen werden können.
Allerdings ist Rauch aufgrund der extrem hohen Belüftung sehr verdünnt und setzt so eine
hohe Detektorempfindlichkeit voraus.
EU-klassifizierter Szenario-bezogener Test.
Bei planaren Produkten greift man in diesem Falle auf den Test nach der ISO-Raumecke
(ISO 9705) zurück (EN in der Vorbereitung). Für Kabel scheint der erfolgversprechendste
Szenario-Test die Verbindung des oben genannten Messverfahrens in Verbindung mit
dem SBI Gas-Analyse System zu sein, das wiederum am Abluftauslass installiert wird.
Die begrenzt vorhandenen Daten zeigen an, dass die Ergebnisse ausbaufähig sein
könnten. Resultate werden in TSP, SPR und SMOGRA ausgedrückt. Dieses System
arbeitet in einem gut gelüfteten Modus, weshalb auch hier keine beinträchtigte
Verbrennung befürchtet werden muss. Hier wird der Rauch weniger verdünnt und die
Probleme mit der Detektorempfindlichkeit sind dementsprechend geringer.
Conekalorimeter ISO 5660.
Im Wesentlichen ist diese Versuchsanordnung ein Vorläufer zu den EU-klassifizierten
Tests. Der Probenhalter misst 100x100 Millimeter. Die Energiequelle ist ein konisch
strahlender Brenner, der mit Funkenzündung arbeitet. Auch hier werden Resultate in TSP,
SPR und SMOGRA angegeben. Obgleich keine spezifischen Standards veröffentlicht
wurden, ist der Gebrauch dieses Apparates zur Einschätzung der Rauchentwicklung bei
Kabelbränden in der gängigen Literatur gut angesehen. Das System arbeitet in einem gut
gelüfteten Modus, mit vollständiger Verbrennung.
Schlauchofenmethoden
Um die Daten zu erzeugen, die den Voraussetzungen der ISO entsprechen, wurde eine
Reihe von Tests entwickelt, bei denen ein Schlauchofen genutzt wird. Für die Tests mit
Kabeln ist der vor kurzem erschienene IEC 60695-30, der eine Methode beschreibt, die
auf dem Purser-Ofen basiert (BS7990-2003 und ISO (in der Vorbereitung)), wohl von
größter Bedeutung. Zur Zeit sind uns keine Ergebnisse bezüglich kommerzieller Kabel
bekannt. In der Theorie funktioniert der Apparat unter statischen Bedingungen, bei denen
einzelne Punktwerte der Probe genügen, um Resultate zu erhalten.
Um den Nutzen dieser Methode zu erforschen, hat FROCC ein Projekt eingeleitet, das
Daten für kommerzielle Kabelproben generieren soll. Erste Ergebnisse werden im 3.
Quartal 2003 erwartet.
4.
Testdaten
Im Laufe der Jahre ist ein beachtlicher Datenbestand bezüglich des Verhaltens von Kabel
in verschiedenen statischen Feuertests veröffentlicht worden. In der jüngsten
Vergangenheit wurde der Fokus jedoch auf die dynamische Vorgehensweise gerichtet. Im
allgemeinen weisen die Ergebnisse beider Methoden große Parallelen auf. Um diese
gleichbleibenden Resultate zu untermauern, werden wir die durch das Conekalorimeter
gewonnenen Daten und die vor kurzem gewonnenen FIPEC-Ergebnisse der szenariobezogenen Tests, die auch die Grundlage der von der EU beschlossenen
Euroklassifikation der Kabel dienten, gegenüberstellen.
Conekalorimeter
Die Eigenschaften des Rauches drei gängiger Typen von Energiekabeln wurden
verglichen (4). Das erste (NYM) ist ein halogenhaltiger Standardtyp, der allgemein in
Deutschland verwendet wird. Bei den beiden anderen Typen handelt es sich um
gleichwertige Leitungen aus halogenfreien Compounds, die ebenfalls innerhalb
Deutschlands benutzt werden. Zwei Eigenschaften sind offensichtlich: Zum einen erzeugt
das halogenhaltige Kabel weit mehr Rauch (Bereich unter der Kurve), zum anderen
entsteht der Rauch schnell nach der Feuerzündung. Der Grund dafür, dass die
Rauchentwicklung bei halogenfreien Kabelummantlungen verzögert wird, liegt darin, dass
Rauch nur in den letzten Stadien der Verbrennung entsteht. Dieses Verhalten wird durch
den SMOGRA Index bereits beschrieben.
Rate of sm oke release per cable m eter
0,16
BNBH101W
/4804
M H ____
0,14
PNVYCM
0,12
N H XM H
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Tim e [s]
FIPEC Szenario
Die Bedeutung der „Small Scale“-Experimente für die Ermittlung der Brandgefährdung ist zu
diskutieren. Es wird im Allgemeinen angenommen, das die Szenario-Daten eine Skala bilden,
an der Produkte verglichen werden können. Die folgenden Daten bezüglich kommerzieller
Kabelprodukte wurden vor kurzem erschienenen experimentellen Studien entnommen, die
FROCC am Swedish National Testing and Research Institute, Boras durchführen ließ.
Die erste Abbildung zeigt Werte von Informations- und Datenkabeln, von denen die ersten
sechs halogenfrei sind. Die zweite Abbildung zeigt Energiekabel, von denen ebenfalls die
ersten sechs halogenfreie Ummantlungen besitzen. Die Überlegenheit dieser Produkte
gegenüber RPPVC und Standard-Weich-PVC ist sehr deutlich.
TSP[m2] &
Smogra[cm2/s2]
Peak SPR[m2/s]
5000
50
TSP [m2]
4000
40
Smogra TOT(Fipec) [cm2/s2]
Peak SPR [m2/s]
3000
30
2000
20
1000
10
0
0
? Coax
Cat 5e
Cat 7
Cat 7 Chalk
TSP [m2] & Smogra
Cat 6
Cat 5 Chalk
25 pair
RPPVC
Cat 5 PVC
25 pair
PVC
Peak SPR [m2/s]
2 2
5000 [cm /s ]
50
TSP [m2]
Smogra TOT(Fipec) [cm2/s2]
4000
Peak SPR [m2/s]
3000
30
2000
20
1000
10
0
XM
H
(a
m
rm
²B
ou
S7
re
21
d)
1
(c
on
4x
du
4m
it)
m
²N
H
XM
3x
1,
H
5m
m
²N
95
YM
m
m
²R
3x
PP
15
VC
1.
0m
5m
m
m
²R
²P
PP
VC
95
VC
m
m
+
²R
Ar
m
PP
ou
VC
r
+
Ar
m
ou
95
r
m
m
3x
²P
15
VC
0m
m
²R
PP
VC
²N
H
²L
m
5
m
m
²B
S6
72
4
m
5m
1,
3x
4x
16
2,
m
m
95
²B
S7
21
1
(c
on
du
it)
SZ
H
0
m
6m
40
5.
Brandsicherheitstechnik
Bis jetzt haben wir die unterschiedliche Rauchleistung der unterschiedlichen
Kabelprodukte betrachtet. Es ist jedoch notwendig, die Leistung dieser Produkte im
Kontext der beabsichtigten Nutzung aufzuzeigen.
Die grundlegende Arbeit, die von Jin (6) durchgeführt wurde, hat gezeigt, dass sich bei
Bränden die Mobilität der im Gebäude befindlichen Menschen mit steigender Rauchdichte
erheblich verringert. Bei einer optischen Dichte des Rauches von D = 0,5 -/m sinkt die
Geschwindigkeit von 1,3 auf 0,3 m/s.
Zusätzlich wurde festgestellt, dass Menschen umkehren, wenn sie sich dichtem Rauch
gegenüber sehen, anstatt diesen in Richtung Ausgang zu durchqueren.
Eine Zusammenfassung der Verhaltenseffekte des Rauches wird Tabelle 1 gezeigt
Rauchdichte (+ Reizung)
OD/m (Extinktionskoeffizient)
0
0,5 (1,15) nicht reizend
0,2 (0,5) reizend
0,33 (0,76) gemischt
Sichtweite
(m)
Keine Verschlechterung
2
verringert sich
3 (durchschnittl.)
Vorgeschlag. Begrenzung
0,2
0,08
5
10
Effekt auf Verhalten
Bewegungsgeschwindigkeit (m/s)
1,2
0,3
0,3
Personen kehren um
Kleiner Raum
Großer Raum
Tabelle 1. Effekt steigender Rauchdichte auf Gebäudeevakuierung (7)
Es besteht somit die Notwendigkeit die charakteristischen Produkteigenschaften mit dem
Verhalten in unterschiedlich großen Räumlichkeiten zu verbinden.
D = Sicht x Abbrand x (2,303 V)
Diese Formel setzt jedoch eine konstante Verteilung im gesamten Raum voraus. Diese
Vereinfachung ist gefährlich, da Rauch sich anders verhält. Ziel der modernen
Forschung ist eine Verbindung der „theoretische Raucherzeugung“ mit einer flüssigen
Dynamik und deren rechnerische Auswertung zur Bestimmung der Rauchverteilung.
Verschiedene Computerprogramme zu diesem Zwecke sind bereits erhältlich (8, 9).
FROCC unterstützt die Forschung in diesem Bereich aktiv.
6.
Diskussion
Der Zweck dieses Berichtes ist, die Rauchgefahr von den Kabeln im Kontext der neuen
Änderungen in der experimentellen Methodenlehre zu betrachten und einige Daten
vorzustellen, die veranschaulichen, warum der Markt für halogenfreie Compounds sich in
Europa stetig entwickelt.
Die Testtechniken ändern sich. Die Resultate zeigen, dass die neuen Methoden die
Ergebnisse der alten Versuchsreihen verifizieren und detaillierter widerspiegeln. FROCC
unterstützt deshalb die Forschung auf diesem Gebiet, um mit noch genaueren
Ergebnissen unser Wissen über diese Probleme zu erhöhen.
Dieser Bericht ist sicherlich nicht die endgültige Antwort auf unsere Fragen, aber ein
Abbild des Wissensstandes im Mai 2003. Dank unserer fortwährenden Forschung
werden wir dieses Abbild stetig ergänzen und aktualisieren, um die Nutzer von Kabeln
und die Industrie stets auf dem laufenden zu halten.
7.
Quellenverzeichnis
1) ISO CD 19703 v.4 (TC92 SC3/WG2/N218, November 2002)
2) BS7904, « Guide to : Smoke measurement units – Their basis and use in smoke
opacity tests », 1998
3) Mulholland G and Croakin C, « Specific Extinction Coefficient of Flame Generated
Smoke », Fire and Materials 24, 227-230 (2000)
4) Heinonen M & Robinson JE, « The Impact on the type of insulation on overall cable
fire retardancy », Fire Retardants, London 1997
5) Robinson JE, « Reference Scenario Fire Testing of Cables », Conference Cables
2003, Köln
6) Jin T, «Visibility through fire smoke, Part 5. Allowable smoke density for escape from
fire.», Report of Fire Research Institute of Japan, No 42, 12, 1976
7) Purser DA, «People and Fire», University of Greenwich, Inaugral Lecture, 17th
February, 1999
8) SMARTFIRE, siehe http://fseg.gre.ac.uk/smartfire/home.html
9) SOPHIE siehe http://www.cranfield.ac.uk/sme/sofie/