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Gegenstand ist die Brandbekämpfung mit Wassersprühsystemen. Im Besonderen werden Verbrennungsgase als Träger des Sprühnebels benützt um die Reichweite und das Einsatzspektrum von Wassersprühsystemen zu vergrößern.
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In
DE 199 21 348 vorgeschlagen mit einem gebläseinduzierten Luftstrom als Zerstäuber und als Trägerstrahl die Löschweite von Wassernebel zu vergrößern. Dazu werden Strahlgeschwindigkeiten von 100 m/s eingesetzt. Gerade bei schnellen Strahlen mit entsprechend großem Geschwindigkeitsgradienten besteht eine intensive Vermischung mit der Umgebungsluft und bereits nach einer Strahllänge von ca. 5 Düsendurchmessern ist der Kernstrahl aufgebraucht und geht in einen turbulenten, sich verbreiternden Mischstrahl über. Mit sinkender Nebelkonzentration schwindet die Löschkapazität und es wächst die Gefahr einer Brandanfachung durch den Strahlwind. Aus diesen Gründen war dem Patent
DE 199 21 348 kein Markterfolg beschieden.
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In der
DE 2009 048 708.5 geht es darum, Brände mit kalorisch neutraler Nebelluft zu löschen. Dabei wird atmosphärische Luft über Sprühdüsen mit Wassernebel versetzt. Kalorische Neutralität liegt vor, wenn die latente Verbrennungswärme des Luftsauerstoffs und die Verdampfungskälte des Wassernebels gleich sind. Damit hat die Nebelluft dieselbe Eigenschaft wie ein Inertgas. Als Nachteil hat sich herausgestellt, dass es bei großen Abständen zum Brandherd zu einem vorzeitigen Ausregnen der Nebelluft kommt. Dies kann zwar durch Feinverneblung minimiert werden muss aber mit großen Sprühleistungen und mit aufwendigeren Sprühanlagen bezahlt werden.
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Aufgabe ist ein aus Verbrennungsgasen und Wassernebel gebildetes Nebelgas zur Brandbekämpfung. Auf kalorische Neutralität ausgelegt soll das Nebelgas die natürliche Verbrennungsluft abdrängen, volumengleich ersetzen um so den Brandherd zu ersticken und abzukühlen.
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Nach dem Hauptmerkmal kann das Ausregnen weitgehend ausgeschaltet werden, wenn anstelle von atmosphärischer Luft die Verbrennungsgase des zu löschenden Brandherdes herangezogen werden. Der kleinere Sauerstoffanteil von Verbrennungsgasen verlangt zur kalorischen Neutralität a priori weniger Sprühwasser und je höher deren Übertemperatur desto rascher ist die Verdampfung und so einfacher die Versprühung.
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Nach einem weiteren Merkmal wird der Transport des Nebelgases zum Brandherd durch den Impuls des injizierten Nebelwassers aufrechterhalten, so dass auf ein Gebläse ganz oder teilweise verzichtet werden kann. Die notwendigen Strömungsgeschwindigkeiten orientieren sich an der natürlichen Konvektionsgeschwindigkeit und sind vergleichsweise gering.
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Nach einem weiteren Merkmal wird die Nebeldüse in möglichst aufrechter Stellung mit einer möglichst vertikalen Strömung des Nebelgases betrieben; bei dieser Konstellation liegt der Fallweg der Nebeltropfen in Strömungsrichtung und der Entmischungseffekt wird abgeschwächt.
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Nach einem weiteren Merkmal wird die thermische Absorption des Wassernebels durch Schwarzkörperfärbung erhöht. Dies beschleunigt die Verdampfung der Nebeltröpfchen und erlaubt so gröbere Düsen mit geringerem Arbeitsdruck. Die erhöhte Absorption hilft auch, die Zustrahlung und die Strahlungszündung herabzusetzen.
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Nach einem weiteren Merkmal ist die Strömung des kalorisch neutralen Nebelgases auf den Brandherd nicht konstant, sondern stoßweise oder schwellend. Wenn durch einen Anfangsstoß die Verbrennungsintensität reduziert ist, genügen für die Nachlöschung geringere Nebelgas-Ströme.
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Nach einem weiteren Merkmal werden der Grad der kalorischen Neutralität und die Menge des Nebelgases an die Löschsituation angepasst. Bei vorgegebener Leistung der Nebeldüse ist es vorteilhaft, z. B. mit nur halbkalorischem Nebelgas aber mit verdoppeltem Volumenfluss eine großflächige Brandstelle zuerst global nur soweit zu schwächen, um dann die Teilflächen nacheinander abzulöschen zu können.
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Nach einem weiteren Merkmal wird das spezifische Gewicht des Nebelgases der Löschsituation angepasst und durch den Nebelanteil vergrößert oder durch eine höhere Temperatur verkleinert.
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Nach einem weiteren Merkmal werden Abgase von Verbrennungsmaschinen zur Erzeugung von Nebelgasen herangezogen.
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Nach einem weiteren Merkmal werden die Verbrennungsgase eigens zu generieren. Dazu eine Abschätzung: Bei einem Abbrand von 25 g Kohlenwasserstoff pro Sekunde entstehen ca 1 kg Verbrennungsgas pro Sekunde. Mit der freigesetzten Verbrennungswärme von ca. 1 MW kann eine Wassermenge von 0,45 kg/s verdampft und damit insgesamt 1,45 kg/s kalorisch neutrales Nebelgas erzeugt werden. Damit steht ein Inertgas-Volumen zur Verfügung, um damit die Konvektion eines 1,5 MW Brandherdes zu substituieren.
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Nach einem weiteren Merkmal werden bei der Zusatzverbrennung wasserstoffreichere Brennstoffe insbesondere niederkettige Kohlenwasserstoffe und Alkohole z. B. Methylalkohol verwendet. Deren Verbrennungsgase haben einen tieferen Taupunkt und regnen bei Vermischung mit der Umgebungsluft aus.
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Der Erfindungsgegenstand ist anhand mehrer Ausführungsbeispiele in Form von Schaltskizzen näher spezifiziert. Es zeigen:
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1 Nebeldüse mit Manipulatorarm
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2 Verstellbare Nebeldüse
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3 Autonome Nebeldüse
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4 Lineares Array von Nebeldüsen
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5 Ringförmiges Array von Nebeldüsen
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6 Dezentrale Nebeldüse
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7 Nebeldüse mit Brenner und Gebläse
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8 Nebeldüse mit Brenner und Turbinenantrieb
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9 Nebeldüse mit Brenner und Schwingantrieb
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Zur rationelleren Beschreibung werden zweiziffrige Bezugszahlen vereinbart: Die erste Ziffer bezeichnet die Figurennummer X und die zweite jeweils gleichartige Elemente. Bei den Figuren handelt es sich um Funktionsskizzen bei denen Halterungen, Befestigungen, Schalter, Sensoren für Geschwindigkeit, Temperatur und Sauerstoffgehalt, Regelung und deren Verkabelung und andere Hilfsmittel nicht mit aufgenommen sind. So steht die Ziffer X0 für die Nebeldüse als Gesamtsystem. In einem Führungsrohr X3 befinden sich Sprühdüsen X2 um durch den Eintrag von Wassernebel kalorisch neutrales Nebelgas X1 zu erzeugen. Hier kann auf die bekannten Sprühsysteme zurückgegriffen werden. An sich wird die Strömung in der Nebeldüse vom Impuls des injizierten Wassers aufrechterhalten, falls diese nicht ausreicht ist fallweise ein Gebläse X4 vorgesehen. Die Zuleitung X5 dient einmal als Halterung und Manipulatorarm, mit integriert sind die Versorgung der Sprühdüse X2 mit Sprühmaterial – Wasser, Salzlösungen – ebenso Zuleitungen für hydraulische, pneumatische und/oder elektrische Energie. Um die Strömung des Nebelgases an den Brandherd anzupassen, sind mit X6 Düsenformen, Leitbleche und Umlenkungen vorgesehen. Das angesaugte Verbrennungsgas wird mit X7 und der Brandherd mit X9 bezeichnet. Für schwerer zugängliche Brandherde X9 ist in den Ausführungsbeispielen 7 bis 9 ein Brenner X8 vorgesehen, um Verbrennungsgas X7 zu generieren.
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Die Beschreibung wird weiter vereinfacht, den Status „Kalorische Neutralität” einzuführen: Hat das angesaugte Verbrennungsgas X7 einen Sauerstoffanteil ω [kg O2/kg Luft] so enthält dieses bei einem Mengenstrom mB und der auf den Sauerstoff bezogenen Verbrennungswärme HB [J/kg] die latente Wärme QB = mBωHB. Hat im allgemeinen Fall das Verbrennungsgas X7 eine Übertemperatur ΔT so ist bei einer spezifischen Wärme cp [J/kg K] die thermisch gespeicherte Wärme QT = mBCpΔT. Dem gegenüber steht die im Wassernebel enthaltene Verdampfungswärme K = mWHW (HW = 2,2 106 [J/kg] = Verdampfungswärme von Wasser). Kalorische Neutralität sei definiert, dass die im Nebelgas enthaltene Wärme Q = QB + QT gleich der Verdampfungskälte K ist, dass K = Q ist. Im Detail folgt damit mWHW = mB(ωHB + cpΔT) [J/s] und bestimmt den Wasseranteil mW/mB = (ωHB + cpΔT)/HW [kg/kg]. Bei stationärem Brandverlauf ist der Term (ωHB + cpΔT) ≈ ω0HB weitgehend konstant, so dass auch der Wasseranteil mW/mB gleich bleibend ist und auf eine besondere Steuerung verzichtet werden kann. (ω0 = Sauerstoffgehalt der atmosphärischen Luft).
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Die kalorische Neutralität dient zur Orientierung und primär als Maß um den Zustand des Nebelgases X7 zu quantifizieren und ist kein einzuhaltender Sollzustand. So kann es vorteilhaft sein, bei einem Brenner X8 mit begrenzter Brennleistung eine größere Menge Nebelgas X1 mit nur unvollständiger kalorischer Neutralität zu generieren. Auch war der Einfachheit wegen Nebelgas X1 mit Umgebungstemperatur als Bezugswert unterstellt. Auch dies ist kein Sollwert, eine höhere Übertemperatur ergibt eine Volumenvergrößerung; so ist bei einer Temperatur von ca. 300°C das Volumen des einsetzbaren Nebelgases X7 verdoppelt.
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In 1 ist der Aufbau und Funktion einer Nebeldüse 10 dargestellt. Die Nebeldüse 10 besteht aus einem Rohr 13 das durch einen Manipulatorarm 15 über der Brandstelle 19 gehalten wird. Eine mit Wasser betriebene Sprühdüse 12 dient dazu Verbrennungsgas 17 aus der Brandstelle 19 anzusaugen, abzukühlen und kalorisch neutrales Nebelgas 11 zu erzeugen. Die Ansaugung und der Transport des Nebelgases 11 zum Brandherd 19 werden über den Impuls des in Rohrrichtung injizierten Sprühwassers aufgebracht. Wird pro Zeiteinheit die Menge mB [kg/s] des Verbrennungsgases X7 angesaugt und wird gerichtet eine Wassermenge mW [kg/s] mit der Geschwindigkeit vW [m/s] injiziert, so entsteht ein Nebelgas X1 mit dem Mengenstrom m = mB + mW [kg/s] und hat ohne ein zusätzliches Gebläse eine Strömungsgeschwindigkeit v = mWvW/m [m/s]. Damit lässt sich die Geschwindigkeit v und die Menge m des Nebelgases X1 auch ohne Sensoren und ohne besondere Regelung direkt über Geschwindigkeit vW und Menge mW des injizierten Sprühwassers X2 einstellen. Die Wasserversorgung dazu erfolgt über den Manipulatorarm 15. Um das Ausregnen des Nebelgases 11 zu minimieren wird die Nebeldüse 10 vorzugsweise in senkrechter Strömungsrichtung betrieben.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 ist von der Funktion her voll analog zu 1. Bei der Nebeldüse 20 wird wieder Verbrennungsgas 27 angesaugt, mittels einer Sprühdüse 22 mit Wassernebel versetzt, um als Nebelgas 21 auf den Brandherd 29 geleitet zu werden. Über die Halterung 25 erfolgt wieder die Wasser- und Energieversorgung. Das Düsenrohr 23 hat hier U-Form und kann über ein Gelenk 26 verstellt werden. Damit sind die Orte von Ansaugung des Verbrennungsgases 17 und von Ausblasen des Nebelgases 11 voneinander unabhängig.
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In 3 handelt es sich um eine autonome Nebeldüse 30, die innerhalb eines Brandherdes 39 aufgestellt ist und die einen eigenen Wasservorrat 36 enthält. Die Nebeldüse 30 besteht wieder aus einem Rohr 33 und einer Sprühdüse 32, um Verbrennungsgas 37 in Nebelgas 31 überzuführen und damit den Brandherd 39 zu beaufschlagen.
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Bei der Nebeldüse 40 nach 4 sind an einem Manipulatorarm 45 gehalten mehrere Rohre 43 zu einem linienförmigen Array zusammengeschaltet. Wie in der Grundausführung von 1 befinden sich im Innern der Rohre 43 – hier nicht dargestellte – Sprühdüsen über deren Impuls Verbrennungsgase 47 angesaugt, abgekühlt und als Nebelgas 41 auf die Brandstelle 49 abgeleitet werden. Das Ausführungsbeispiel 50 nach 5 ist dazu weitgehend identisch, unterschiedlich ist lediglich, dass hier die Rohre 53 kreisförmig angeordnet sind durch eine Halte- und Versorgungsleitung 55 von einem Kran, Hubschrauber oder einem Heißluftballon aus über dem Brandherd 59 gehalten und entsprechend dem Löschfortschritt weiter bewegt werden. Auch hier sind die im Innern der Rohre 53 befindlichen Sprühdüsen nicht dargestellt.
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Im Ausführungsbeispiel nach 6 ist die Ansaugung von Verbrennungsgas 67 und das Ausblasen von Nebelgas 61 räumlich entkoppelt. Hier wird über eine Leitung 63 Verbrennungsgas 67 angesaugt, mittels der Sprühdüsen 62 abgekühlt und das Nebelgas 61 durch die Leitung 66 zum Brandherd 69 geführt. Der Einfachheit halber wurde die Sprühdüse 62 in die Station 64 eingezeichnet, tatsächlich erfolgt die Abkühlung zum thermischen Schutz bereits am Eingang der Leitung 63.
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In den Ausführungsbeispielen nach den 7 bis 9 wird das Verbrennungsgas X7 nicht dem Brandherd entnommen, sondern eigens in einem Brenner X8 generiert. Die einzelnen Ausführungen unterscheiden sich lediglich in der Art des Antriebes. Die Nebeldüse 70 nach 7 besteht aus einem Führungsrohr 73. In die von einem Gebläse 74 angesaugte Luft wird durch eine Verbrennungsdüse 78 Brennstoff und nach der Verbrennung über einer Sprühdüse 72 Wasser injiziert. Mit dem entstandenen Nebelgas 71 wird der Brandherd 79 geflutet, um es in die natürliche Konvektion einzuschleusen, und damit die natürliche Verbrennungsluft zu verdrängen, offene Feuer zu ersticken und Hitze strahlende Flächen zu kühlen. – Bei der Nebeldüse 80 nach 8 wird das Gebläse 84 über eine Welle 84' von einem Turbinenrad 84'' angetrieben. Der Betrieb und der weitere Aufbau mit Rohr 83, der Sprühdüse 82 und Brenner 88 sind analog zu 7. Dasselbe gilt auch für die Ausführung nach 9. Hier wird die Nebeldüse 90 nach dem Prinzip eines Pulstriebwerkes angetrieben: Technische Ausführungsformen dazu sind aus dem V1-Antrieb und den Schwingfeuer-Brennern bekannt. Über die Brennerdüsen 98 wird Brennstoff in das Rohr 93 eingesprüht und gezündet. Der Explosionsdruck schließt die Flatterventile 94 und die Verbrennungsgase expandieren über die Düsenverlängerung 96 nach außen und verursachen am Ende der Expansionsphase einen Unterdruck im Rohr 93. Dadurch öffnen sich die Flatterventile 94, es wird neue Luft angesaugt. Die Überschwingung sorgt für Überdruck und es kommt bei Brennstoffeinspritzung zu Selbstzündung, so dass dieser Prozess selbstständig abläuft. Zusätzlich werden hier im Takt des Pulsantriebes durch die Düsen 92 Sprühwasser injiziert um mit dem entstandenen Nebelgas 91 den Brandherd zu fluten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19921348 [0002, 0002]
- DE 2009048708 [0003]
