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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Erzeugung ebener Sprühfelder,
wie sie von linear oder flächig
angeordneten Sprühdüsen erzeugt
werden, nach der Gattung des Hauptanspruches. Dabei werden die Sprühfelder
sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Ausdehnung für die verschiedensten
Anwendungen, wie z. B. Kühlen,
Reinigen, Befeuchten, Beregnen u. a., erzeugt. Ein wesentliches
Erfordernis von ebenen Sprühfeldern
ist eine geschlossene und gleichmäßige Beaufschlagung der Fläche. In
einem Katalogblatt des Düsenherstellers
Lechler sind Beispiele für
Düsenanordnungen
gezeigt (Edition 2000, S. 13). Bei einer linearen Anordnung von
Flachstrahl- und
auch Zungendüsen
zur Erzeugung eines horizontalen Sprühfeldes wird ein Düsenabstand
empfohlen, der eine Überlappung
der Strahlenbreite von 1/3 bis 1/4 gewährleistet. Um eine gegenseitige
Störung
der Strahlen zu vermeiden, sollten die Düsen außerdem um ca. 5 bis 15° schräg zur Rohrlängsachse
ausgerichtet sein. Bei Vollkegel- und Hohlkegeldüsen kann auf die Schrägstellung
verzichtet werden, jedoch wird im Bereich des Auftreffens der Strahlen
auf die Fläche
ebenfalls eine Überlappung der
Kreisflächen
der Beaufschlagung um ca. 1/3 bis 1/4 empfohlen.
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Die
vielseitigen Anwendungsgebiete von Schlickdüsen sind in dem Prospektblatt
08.01 der Firma gezeigt. Auch wenn als ein Anwendungsgebiet der
Brandschutz (Bild 11) genannt ist, so wird aus den Darstellungen
allerdings deutlich, dass sich diese Düsen in der Regel verhältnismäßig dicht
an dem zu beaufschlagenden Objekt befinden, d. h. dass ihr charakteristisches
Sprühbild,
also Rechteck, Kreisfläche,
o. a., beim Auftreffen auf die Fläche weitestgehend noch erhalten
ist.
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Bei
bestimmten Anwendungen kann jedoch dieser kurze Abstand nicht gewährleistet
werden. Das ist immer dann der Fall, wenn der Bereich zwischen Düsen und
zu beaufschlagender Fläche
ein Durchgangs- oder
Durchfahrtsbereich ist, was vor allem auf den Brandschutz von Räumen, Gebäuden, Parkhäusern, unteririschen
Verkehrsanlagen u. a. zutrifft. Das Problem liegt hier darin, dass
die Rohrleitungssysteme, an denen sich die Düsen befinden, im Decken- und
Wandbereich der Räume,
Gebäude
oder Verkehrsanlagen angeordnet sind und die Löschmittelteilchen bis zu der
Stelle, an der sie wirksam werden sollen, mitunter mehrere Meter
zurücklegen
müssen.
Beim Austritt des Wassers wird noch ein kegelförmiges Sprühfeld erzeugt. Auf der Strecke
bis zum Boden hat es sich jedoch unter dem Einfluss der Schwerkraft
in ein vertikales zylindrisches Sprühfeld verändert, das die gewünschte Wirkung
nicht mehr oder nur noch unzureichend besitzt. Eine Anwendung von
Sprühdüsen zur
Tragwerkskühlung
im Brandfall ist in der
DE
100 30 971 A1 beschrieben. Um den hohen Aufwand der Löschwasserversorgung
zu reduzieren, müssen
die oberhalb des oder am Tragwerk installierten Düsen einen
zumindest über
die gesamte Tragwerkshöhe,
günstiger
aber noch bis zum Fuß des Tragwerkes,
wirkungsvoll kühlenden
Wassernebelschleier gewährleisten.
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Weitaus
komplizierter verhält
es sich bei jenen Brandschutzanordnungen, die nicht in erster Linie
zur Brandbekämpfung,
also zum Löschen
von Bränden,
sondern zur Reduzierung von Rauch-, Wärme- und Schadstoffbelastung
im Fall eines Brandes oder einer Havarie und damit zur Sicherung
der Flucht und Rettung aus gefährdeten
Räumen,
beispielsweise unterirdischen Verkehrsanlagen, vorgesehen sind.
In der
DE 195 14 923
C2 ist ein Verfahren zur Sicherung der Flucht und Rettung
unter Rauch-, Wärme-
und Schadstoffbelastung aus Räumen
mit langen Fluchtwegen beschrieben, bei dem in dem Raum ein Wassernebel
niedriger Austritts- und Ausbreitungsgeschwindigkeit erzeugt wird.
Die Teilchendichte muss die für
die Rauch-, Wärme-
und Schadstoffbindung erforderliche Konzentration besitzen. Die
Teilchengröße des Wassernebels
muss so eingestellt sein, dass die Wasserteilchen langsam von ihrem
Austrittspunkt absinken. Ein optimaler Tröpfchendurchmesser, bei dem
der Nebel noch atembar bleibt, liegt im Bereich zwischen 10 und
100 μm.
Die durch die Anzahl der Wassernebeldüsen und deren Volumenströme bestimmte
Teilchendichte wurde in dem angeführten Beispiel auf 2 l/m
3·min
–1 eingestellt.
Eine dementsprechende Anordnung ist in der
DE 100 19 537 A1 gezeigt.
Hier sind die Nebel erzeugenden Austrittsvorrichtungen entlang von
Sprühbögen befestigt,
die über
die gesamte Länge
des Raumes und/oder seiner Fluchtwege hintereinander und quer zur
Fluchtrichtung, dem Lichtraumprofil des Raumes und/oder seiner Fluchtwege
folgend, angeordnet sind. Während
des Fallens vergrößert sich allerdings
durch Zusammenlagerung von Sprühteilchen
ihr Volumen und Gewicht, so dass sie schneller sinken. Je größer die
Sprühteilchen
werden, desto unwirksamer werden sie für die Rauchgaskühlung und
-wäsche.
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Die Erfindung
und ihre Vorteile
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Die
erfindungsgemäße Düsenanordnung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den
Vorteil, dass das gesamte wirksame Sprühfeld, egal ob in horizontaler
oder vertikaler Ebene gelegen, die für eine effektive Rauch-, Wärme- und
Schadstoffbindung notwendige Homogenität hinsichtlich Konzentration
sowie gleichmäßiger Verteilung
der Wassernebeltröpfchen
aufweist. Das bedeutet, dass sich pro Flächeneinheit der Sprühfeldebene
immer die gleiche Menge an Wassertröpfchen annähernd gleicher Größe befindet.
Damit ist es nunmehr auch ausreichend, das Rohrleitungssystem nur
in ausgewählten Bereichen
der Räume
zu installieren, wodurch der Material- und Installationsaufwand
wesentlich verringert wird. Durch den Einsatz von Düsen mit
geringerem Durchsatz wird darüber
hinaus auch Sprühflüssigkeit
eingespart. Der Installationsaufwand vor Ort reduziert sich auch
dadurch, dass die Anordnung der Düsen in Vernebelungsmodulen
vorgefertigt werden kann, die dann vor Ort lediglich noch zu dem
den Erfordernissen des Raumes entsprechenden Rohrsystem aneinandergereiht
werden müssen.
Zur Verbindung der einzelnen Vernebelungsmodule sind an sich bekannte
Verbindungssysteme verwendbar.
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Die
technische Umsetzung der erfindungsgemäßen Anordnung d. h. die Dimensionierung
sowie die Festlegung der radialen und axialen Auslenkung der Düsen erfolgt
jeweils nach den Erfordernissen des Raumes, in dem das ebene Sprühfeld erzeugt
werden soll. Insofern soll hier nur das Prinzip der Erfindung dargelegt
werden. Dieses besteht darin, mehrere Düsen nebeneinander in einem
Vernebelungsmodul anzuordnen, die jedoch aufgrund ihres unterschiedlichen
Sprühwinkels
sowie ihrer unterschiedlichen radialen und axiale Auslenkung nicht
linienartig, sondern räumlich
und somit von dem Vernebelungsmodul bis zu dem gewünschten
Sprühfeld
unterschiedlich weit sprühen.
Die axiale Auslenkung bewirkt dabei eine leichte Versetzung der Sprühflächen, quasi
eine auf Lücke
angelegte Verzahnung der Sprühflächen.
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In
einer bestimmten Entfernung von ihren Austrittsöffnungen beginnen sich die
einzelnen Sprühkegel untereinander
zu berühren.
Sprühwinkel,
Durchsatz sowie radial und axiale Auslenkung werden so gewählt, dass
diese Berührung
in einer Ebene, der sog. Sprühfeldebene,
liegt. In dieser Ebene herrschen die o. g. günstigen Bedingungen hinsichtlich
der für
eine effektive Rauch-, Wärme-
und Schadstoffbindung notwendigen Homogenität der Sprühnebeltröpfchen vor. Die unterschiedliche
Größe der Sprühwinkel
nebeneinander angeordneter Düsen
ist erforderlich, damit sich die Sprühkegel nicht schon vor Erreichen
dieser Ebene gegenseitig behindern. Die aufgrund der unterschiedlichen
radialen und axialen Auslenkung der Düsen von den Sprühnebeltröpfchen bis
zu dieser Ebene zurückzulegenden
unterschiedlich langen Wege werden durch entsprechend unterschiedliche
Sprühwinkel
ausgeglichen. Den kleinsten Sprühwinkel
müssen
jene Düsen
aufweisen, die das Sprühfeld
an den am weitesten von dem Rohrsystem entfernten Bereichen versorgen.
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Bei
der Erzeugung eines gleichmäßigen horizontalen
Sprühfeldes
sprühen
alle Düsen
mit gleicher Intensität,
d. h. dass je besprühter
Flächeneinheit
in einer Zeiteinheit gleiche Mengen aufgesprüht werden.
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Für die Erzeugung
vertikaler Sprühfelder
muss als weitere Störgröße die Schwerkraft
berücksichtigt werden.
Neben der unterschiedlichen radialen und axialen Auslenkung der
Düsen sowie
ihrer abwechselnd großen
und kleinen Austrittswinkel kommt hier noch der Durchsatz als zusätzliche
Komponente hinzu. Die den oberen Bereich des vertikalen Sprühfeldes
versorgenden Düsen
müssen
einen weitaus größeren Durchsatz besitzen
als die Düsen,
die die unteren Bereiche des Sprühfeldes
versorgen. Letztere müssen
lediglich das kleine Tropfenspektrum ergänzen, was durch Zusammenlagerung
von aufeinandergetroffenen Tröpfchen
auf dem Weg nach unten verlorengegangen ist.
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Müssen größere Flächen mit
Sprühnebel
versehen werden, beispielsweise zur Staubbindung in großen Hallen
oder Beregnung bzw. Befeuchtung großer Flächen, sind mehrere Vernebelungsmodule
mit ein und derselben Düsenanordnung
nebeneinander oder auch übereinander
anzuordnen. Ihr Abstand ist dann so zu wählen, dass sich die äußeren Sprühkegel in
der Sprühebene
zumindest gegenseitig berühren.
Dabei fügen sich
die in der Sprühebene
des einen Vernebelungsmoduls leicht versetzt zueinander entstehenden
Sprühflächen nahtlos
an die in gleicher Weise versetzt entstehenden Sprühflächen des
angrenzenden Vernebelungsmoduls an.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Winkeldifferenz
der radialen Auslenkung benachbarter Düsen 15° bis 45°. Dieser Bereich für die radiale
Winkeldifferenz benachbarter Düsen
hat sich als praktikabel erwiesen, wobei diese Winkeldifferenzen
von Düse
zu Düse
auch unterschiedlich groß sein kann.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat sich
die Winkeldifferenz der axialen Auslenkung benachbarter Düsen zwischen
5° und 15° als ausreichend
geeignet erwiesen.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
Hohlkegeldüsen
verwendet.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in
dem bzw. den Vernebelungsmodulen ein zylindrischer Filter angeordnet.
Dieser verhindert den Eintritt von Schmutzpartikeln in die Düsen und dadurch
deren Verstopfung. Die zylindrische Gestaltung des Filters verhindert
außerdem
ein Verstopfen des Vernebelungsmoduls bzw. des gesamten Rohrsystems,
da es deren axiale Durchtrittsrichtung nicht behindert.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Beispielbeschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden
näher beschrieben.
Hierbei zeigen
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1 einen Vernebelungsmodul
mit vier Düsen
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2 eine schematische Darstellung
des durch das in 1 gezeigte
Vernebelungsmodul erzeugten ebenen Sprühfeldes.
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Ausgehend
von einem dem Lichtraumprofil eines Verkehrstunnels folgend installierten
Sprühbogens weist
ein derartiger Sprühbogen
bis zur Decke des Tunnels senkrecht aufsteigende, unterhalb der
Decke leicht ansteigend, über
waagerecht bis leicht abfallend verlaufende und auf der gegenüberliegenden
Wand ebenfalls senkrecht verlaufende, ein flüssiges Medium führende Rohrabschnitte
auf. Im Deckenbereich des Tunnels bestehen die Rohrabschnitte aus
sog. Wassernebelmodulen, die Austrittsöffnungen für das Medium aufweisen. Je
nach geometrischen Verhältnissen
der Räumlichkeit,
im vorliegenden Beispiel der Breite und Höhe des Verkehrstunnels, sind
die einzelnen Wassernebelmodule direkt oder über kurze Rohrteile miteinander
verbunden. 1 zeigt einen
derartigen Wassernebelmodul 1 in horizontaler Einbaulage
eines Sprühbogens
zur Erzeugung eines vertikalen Sprühfeldes. An seiner rechten
Stirnfläche
ist zur Orientierung ein räumliches
Koordinatensystem x y z eingezeichnet, das die Lage des Wassernebelmoduls 1 zu
einem nicht dargestellten Verkehrstunnel kennzeichnen soll. Mit
x wurde die Breitenausdehnung des Verkehrstunnels, zu der bei waagerechter Anordnung
des Wassernebelmoduls 1 dessen Längsachse demnach parallel verläuft, mit
y seine Ausdehnung in der Höhe
und mit z seine Längenausdehnung,
also der Verlauf der Fahrbahn gekennzeichnet. Das Wassernebelmodul 1 weist
mit seinen Austrittsöffnungen
im wesentlichen entgegengesetzt zur z-Richtung gerichtete Wassernebeldüsen 2 bis 5 auf,
die mit den in der Tabelle 1 genannten radialen Sprühwinkeln γ und axialen Sprühwinkeln β an dem Wassernebelmodul 1 angeordnet
sind, wobei sich die Werte für
die Sprühwinkel γ und β auf eine
waagerechte Anordnung des Wassernebelmoduls 1 beziehen.
Dabei wird der radiale Sprühwinkel γ in der y-z-Ebene
und der axiale Sprühwinkeln β in der x-z-Eben
jeweils von der positiven z-Achse aus gemessen.
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Tabelle
1: Sprühwinkel γ und β der Wassernebeldüsen
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Zur
Realisierung eines vertikalen ebenen Sprühbildes gehören neben der besonderen Ausrichtung
der Wassernebeldüsen 2 bis 5 auch
ein spezieller Sprühwinkel δ sowie ein
angepasster Volumenstrom. Beide sind für das vorliegende Beispiel
in der Tabelle 2 aufgeführt.
In dieser Tabelle sind darüber
hinaus auch die Charakteristika eines mit diesen Parametern erzeugten
vertikalen ebenen Sprühbildes
aufgelistet, wobei hier tatsächlich
nur die Werte einer 3,0 m von dem Wassernebelmodul 1 entfernten
gedachten Ebene der Wurfparabel des aus den Wassernebeldüsen 2 bis 5 austretenden
Wassernebels angegeben sind.
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Tabelle
2: Charakteristik der Wassernebeldüsen
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Schematisch
ist dieser Sachverhalt auch in 2 dargestellt.
Die Wassernebeldüse 2 erzeugt
einen Wassernebelkegel 6, die Wassernebeldüse 3 einen
Wassernebelkegel 7, die Wassernebeldüse 4, einen Wassernebelkegel 8 und
die Wassernebeldüse 5 einen
Wassernebelkegel 9. Wird das Wassernebelmodul 1 unter Wasserdruck
gesetzt, bilden die Querschnittsflächen der Wassernebelkegel 6 bis 9 in
einer ca. 3,0 m von ihren Austrittsstellen aus den Wassernebeldüsen 2 bis 5 entfernt
liegenden Ebene, gemessen in negativer z-Richtung, ein vertikales
ebenes Sprühfeld 10,
wie aus 2 zu erkennen
ist. Der Sprühdurchmesser
aller Wassernebelkegel 6 bis 9 ist an dieser Stelle
gleich groß und
beträgt
ca. 1,70 m, was einer Sprühfläche von
jeweils 2,35 m2 entspricht. Dies wird durch
die unterschiedlichen in Tabelle 2 genannten Parameter der Wassernebeldüsen 2 bis 5 erreicht.
Die Sprühweite,
also die tatsächliche
Länge des
Sprühkegels
von seiner Austrittsstelle bis zu dieser Ebene, ist aus Spalte 3 der
Tabelle 2 ersichtlich. Damit keine Lücken im Sprühfeld entstehen, müssen geringfügige Überlappungen
der Wassernebelkegel 6 bis 9 in Kauf genommen
werden. Um im Sprühfeld 10 ein
gleichbleibendes Tropfenspektrum und eine gleichbleibende Tröpfchendichte
zu erzeugen, wird der Volumenstrom der Wassernebeldüsen 2 bis 5 mit
fallendem Sprühwinkel δ geringer.
In diesem Beispiel verringert sich der Volumenstrom jeweils um die
Hälfte.
Zur Erzeugung eines vertikalen ebenen Sprühfeldes bei Verkehrstunnelhöhen von
5,50 m werden pro Wassernebelmodul 1 ca. 42 l/min Wasser
benötigt,
um eine Reichweite von 3,00 m bei einer Wirkungsbreite von 1,50
m zu erreichen.
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Für die Erzeugung
eines horizontalen Sprühfeldes
wird das Wassernebelmodul 1 um die x-Achse um 90° nach unten
gedreht. Die radiale bzw. axiale Stellung der Wassernebeldüsen 2 bis 5 zueinander
bleiben erhalten, wobei jedoch der radiale Sprühwinkel γ bei der o. g. Messvorschrift
durch die Drehung einen um 90° größeren Wert
annimmt. Die verwendeten Wassernebeldüsen 2 bis 5 besitzen
die gleichen Sprühwinkel δ wie bei
der Anordnung für
das vertikale ebene Sprühfeld,
lediglich der Volumenstrom ist für
alle Wassernebeldüsen 2 bis 5 gleich
groß und
beträgt
im vorliegenden Beispiel 10,5 l/min. Wird nun das so angeordnete
Wassernebelmodul 1 unter Wasserdruck gesetzt, entsteht
ein horizontales ebenes Sprühfeld,
das gleichfalls gleichgroße Sprühflächen je
Wassernebeldüse 2 bis 5 und
ein gleichbleibendes Tropfenspektrum und eine gleichbleibende Tröpfchendichte
aufweist.
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Selbstverständlich können die
Wassernebelmodule 1 auch in der senkrechten Führung von
Sprühbögen eingesetzt
werden. Allerdings müssen
sie in diesem Bereich nicht unbedingt ebene Sprühfelder erzeugen. Ihre Funktion
besteht hier im wesentlichen in der Abdichtung des Bereiches zwischen
dem vertikalen Wassernebelvorhang und den Seitenwänden des
Verkehrstunnels, damit hier kein Rauch und keine Schadstoffe hindurch
gelangen können.
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Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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- 1
- Wassernebelmodul
- 2
bis 5
- Wassernebeldüsen
- 6
bis 9
- Wassernebelkegel
- 10
- Sprühfeld
- β
- axialer
Sprühwinkel
(Auslenkung der Wassernebeldüse)
- γ
- radialer
Sprühwinkel
(Auslenkung der Wassernebeldüse)
- δ
- Sprühwinkel
