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Brände, besonders
in größeren Gebäuden, Tunneln
und auf Flughäfen,
bestätigen
immer wieder, dass die Rauchentwicklung wesentlich gefährlicher für uns Menschen
ist, als das Feuer selbst.
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Schon
bei der Planung und beim Bau von Sonderbauten, wie z. B. Verkaufs-
und Versammlungsstätten
oder Industrieanlagen, wurde in den letzten Jahren eine Tendenz
hin zu großen,
komplexen und dadurch auch sehr komplizierten Bauweisen deutlich.
Wichtige Beurteilungskriterien sind dabei das allgemeine Rauchausbreitungsverhalten
sowie die Funktionsweise von Brandschutzeinrichtungen, wie z. B.
Rauch- und Wärmeabzugsanlagen
und Brandmeldeanlagen.
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Um
aber effektiv Leben retten zu können bzw.
es erst gar nicht so weit kommen zu lassen, muss möglichst
genau prognostizierbar sein, wie sich bei Bränden eine Verrauchung entwickeln
kann und wie eine effektive Entrauchung planbar ist.
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Derzeit
werden zur Beurteilung des Rauchausbreitungsverhaltens komplizierte
Computersimulationen, u. a. Zonen- bzw. Feldmodelle, genutzt. Deren
Berechnungen und Ergebnisse dienen aber lediglich als Entscheidungshilfe
bei der Auslegung der Brandschutzeinrichtungen in baulichen Anlagen.
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„Rauch” im Zusammenhang
mit dem für
Verrauchung von Gebäuden
verwendeten künstlichen Rauch,
ist streng genommen ein Nebel, entweder auf der Grundlage von Ölvernebelung
oder der Vernebelung glyzerinhaltiger wässriger Lösungen; beide Nebelarten sind
zwar in der Regel etwa so undurchsichtig wie echter Rauch, aber
weiß bis
hellgrau.
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Rauchversuche
werden in Gebäuden
immer häufiger
von den Bauordnungsämtern
und Brandschutzdienststellen verlangt und durchgeführt. Diese Rauchversuche
werden derzeit häufig
als „Kaltrauchversuche” meist
mit „Disconebelmaschinen” durchgeführt. Da
dieser Nebel nur eine geringe Haltbarkeit besitzt, d. h. sich nach
kurzer Zeit niederschlägt,
sind diese Versuche nur bedingt aussagekräftig. Um objektive Aussagen
machen zu können,
muss der Nebel/Rauch möglichst
nahe der Konvektion eines Realfeuers durch dessen Konvektion der
Verbrennungsabgase und der umgebenden Luft verteilt werden.
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Bei
Verrauchungsversuchen sollen Normbrände zugrunde gelegt werden,
die durch eine vorgegebene Wärmeleistung
definiert werden. Unter Berücksichtigung
der DIN 18232-2 (Rauch- und Wärmefreihaltung)
verbrennt das Brandgut bei der geringsten Bemessungsgruppe 1 mit
einer spezifischen Brandleistung von 300 kW/m2 und
steigert sich dann auf max. 1.500 kW/m2.
Je noch Bemessungsgruppe kann bei dem genannten Grundwert von 300
kW/m2 eine max. Brandleistung bei normalen
Bränden
von 2.000 kW/m2 bis 6.000 kW/m2 erreicht
werden. Derartige Brandleistungen sollen den Verrauchungsversuchen
zugrunde gelegt werden, damit die Rauchausbreitung infolge der konvektiven
Strömungen
der Verbrennungsgase vergleichbar mit einem natürlichen Brand ist.
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Solche
Leistungen können
derzeit im Wesentlichen mit einer oder mehreren Wannen voll Ethanol
erzeugt werden. Die Brandleistung ist jedoch nach dem Anzünden nicht
mehr beeinflussbar. Außerdem
kann die Flammhöhe
nicht zuverlässig
vorhergesagt werden.
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In
Patentanmeldung
EP
1334749 A1 wird vorgeschlagen, regelbare Gasbrenner für die Wärmeerzeugung
zu verwenden, um die natürliche
Konvektion bei einem Brand nachzubilden und damit den Rauch zu verteilen.
Die Verwendung derartiger Gasbrenner gehörte zum Zeitpunkt der genannten EU-Anmeldung
schon zum Stand der Technik bei Verrauchungsversuchen, die Patentanmeldung
zeigt aber eine Lösung
eines Problems herkömmlicher Gasbrenner
auf:
Das Problem bei Gasbrennern hoher Leistung ist die sehr
lange Flamme. Diese kann durchaus eine Länge von 4 bis 8 Metern haben,
d. h., in sehr vielen Gebäuden,
z. B. bei U-Bahnhöfen,
besteht die Gefahr, durch Testfeuer Schaden anzurichten. Aus diesem
Grunde ist wohl auch bei der oben beschriebenen Vorrichtung eine
Prall-platte für
den Plume vorgesehen. Hierdurch soll verhindert werden, dass das
heiße Verbrennungsgas
an der Decke des zu verrauchenden Raumes Wärmeschäden hervorruft. Außerdem soll
Platz geschaffen werden für
die Raucheinbringung, die nur in einer Zone mit geringer Temperatur möglich ist,
damit sich der künstliche
Rauch nicht zersetzt und damit unsichtbar wird.
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In 3 dieser Literaturstelle ist auch dargestellt,
wie schlecht die herkömmlichen
Gasbrenner regelbar sind. Es werden 3 Brenner unterschiedlicher Leistung
verwendet, die nacheinander zugeschaltet werden, um den realen Brandverlauf
grob nachzustellen. Eine Leistungsregelung der einzelnen Brenner
ist nicht vorgesehen.
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Die
Erfindung behebt diese Probleme gemäß Anspruch 1 dadurch, dass
die Wärme überwiegend
mit einem oder mehreren Porenbrennern erzeugt wird, in deren Abgasstrom
ein künstlich
erzeugter Nebel eingeführt
wird. Diese Porenbrenner haben keine freie Flamme, auch nicht bei
sehr hohen Leistungen.
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Derartige
Porenbrenner sind im Prinzip bekannt und beispielsweise bei Wikipedia
beschrieben. Porenbrenner, auch als „Volumenbrenner” bezeichnet,
verbrennen vorgemischte Luft-/Brennstoffgemische flammenfrei innerhalb
eines dreidimensionalen („volumetrischen”) Porenkörpers, dem
Porenreaktor. Eine erhebliche Erhöhung der Leistungsdichte bei deutlich
größerem Dynamikbereich
und geringen Emissionen über
den gesamten Leistungsbereich ist die Folge.
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Mit
diesen Porenbrennern können
auch Gebäude
mit hohen Wärmeleistungen
verraucht werden, die eine relativ geringe Deckenhöhe haben,
wie z. B. U-Bahnhöfe
oder fertig installierte Tunnelanlagen. Bei derartigen Gebäuden sind
die Installationen in Deckenhöhe
in der Regel gegen offene Flammen empfindlich. Der „Rauch” besteht
auch in diesem Fall aus einem für
diese Zwecke bekannten Nebel, der in den Gasstrom des Wärmeerzeugers
eingeblasen wird.
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Bei
Verrauchungsversuchen sollen häufig spezielle
Brandverläufe
untersucht werden. Der zeitliche Verlauf der Wärmeleistung und der Rauchentwicklung
sollen also nachgebildet werden. Dafür ist es notwendig, die Wärmeleistung
von einem sehr geringen Wert bis zum Maximum kontinuierlich und
stufenlos zu regeln. Nachdem Porenbrenner nur in einem Bereich von
etwa 5% bis zur Maximalleistung regelbar sind, ist es zweckmäßig, gemäß Anspruch
2 mehrere Porenbrenner vorzusehen, von denen mindestens einer einzeln
oder ein Brennerarray in seiner Wärmeleistung stufenlos geregelt
werden kann.
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Bei
geringen Wärmeleistungen
wird nur ein Porenbrenner betrieben, bei höherem Wärmeleistungsbedarf werden weitere
Porenbrenner oder Porenbrennerarrays zugeschaltet. Ein Porenbrennerarray
ist die Zusammenschaltung mehrerer Einzelbrenner zu einer Einheit,
die aber beispielsweise eine getrennte Brennstoffzuführung haben.
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Gemäß Anspruch
3 werden die Porenbrennerleistungen aufeinander abgestimmt, damit
die Zahl der einzelnen Porenbrenner so gering wie möglich ist,
was den technischen und den Regelaufwand vermindert. Es werden beispielsweise
bei einer Gesamtleistung von etwa 2 MW ein Porenbrenner oder -array
mit einer Maximalleistung von 1,85 MW, ein Porenbrenner mit 100
kW und ein dritter mit 5 kW, der sich bis etwa 0,25 kW herunter
regeln lässt.
Damit könnte
eine Wärmeleistung
kontinuierlich von 0,25 bis ca. 2000 kW erzeugt werden.
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Bei
Bedarf kann gemäß Anspruch
4 ein oder mehrere herkömmlicher
Gasbrenner geringer Leistung gemessen an der Gesamtleistung des
Gerätes vorgesehen
werden, der die Anmutung eines realen Feuers besser wiedergibt,
ohne die Nachteile der langen Flamme bei hohen Brandleistungen.
Diese können
die Wärmeerzeugung
bei kleinen Wärmeleistungen
auch vollständig übernehmen;
sie müssen
bei kleinen Leistungen nicht zwangsläufig gemeinsam mit den Porenbrennern
betrieben werden. Diese Brenner können auch stufenlos regelbar
sein. Sie sind technisch für
die Rauchverbreitung nicht notwendig, bieten aber ein realeres Bild
von einem echten Brand.
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Um
reproduzierbare Ergebnisse bei Verrauchungsversuchen zu erreichen,
ist es nach Anspruch 5 zweckmäßig, den
zeitlichen Verlauf der Wärmeentwicklung
mit einem Rechnerprogramm zu steuern. So können auch typische Brände, wie
z. B. Möbelbrand
oder Brand eines Textillagers, reproduzierbar nachgestellt werden.
Die typischen Brandverläufe werden
dem Rechnerprogramm vorgegeben, dieses steuert dann den Verlauf
der Wärmeentwicklung nach.
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In
Anspruch 6 wird auch der zeitliche Verlauf der Rauchentwicklung
bei typischen Bränden
reproduzierbar nachgestellt. Dies ist wichtig, da der Nachweis nach
den allgemein anerkannten Regeln der Technik mit ingenieurmäßigen Methoden
geführt werden
muss, dass Fluchtwege für
einen gewissen Zeitraum raucharm bleiben. Der zeitliche Verlauf
der Rauchentwicklung verläuft
nicht parallel zur Wärmeentwicklung
eines Brandes. Ein Schwelbrand erzeugt beispielsweise häufig erhebliche
Rauchmengen ohne nennenswerte Wärme
zu entwickeln. Der zeitliche Verlauf der Rauchentwicklung wird dem
Rechner ebenfalls vorgegeben, dieser steuert das Rauchvolumen abhängig von
der Zeit.
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Die
zeitabhängige
Regelung von Wärme
und Rauch sind grundsätzlich
bereits aus der
US 5,374,191
A bekannt.
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Die
Raucheinleitung wird in der üblichen Weise
in Bereichen vorgenommen, in denen die Temperatur niedrig genug
ist, um den Rauch nicht zu zerstören.
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Nachdem
die Wärme
durch die erfindungsgemäße Verwendung
von Porenbrennern im boden-nahen Bereich entsteht, bildet sich die
Konvektion sehr realitätsnah,
verglichen mit einem natürlichen
Brand, aus und bietet bessere Gelegenheit, auch den Rauch bodennäher – verglichen
mit der bisher üblichen
Wärmeerzeugung – bei Verrauchungsversuchen
zuzuführen.