DE202014103542U1

DE202014103542U1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches zum Löschen oder Kühlen brennender oder brandgefährdeter Objekte

Info

Publication number: DE202014103542U1
Application number: DE201420103542
Authority: DE
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2014-10-10
Anticipated expiration: 2024-07-31

Abstract

Vorrichtung zum Löschen oder Kühlen brennender oder brandgefährdeter Objekte, umfassend zumindest eine mehrteilige Düse zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches mittels einer pneumatischen Zerstäubung und eine Einrichtung zur Auslösung der Düse im Bedarfsfall.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches, insbesondere zum Löschen oder Kühlen brennender oder brandgefährdeter Objekte.
Flüssigkeits-Gas-Gemische, insbesondere Wassernebel, finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung. Speziell in der Brandbekämpfung und vorzugsweise für den Einsatzfall – brandgefährdeter Reifen, wie beispielsweise LKW-Reifen – hat sich der Einsatz von Wassernebel durchgesetzt.
Das Prinzip der pneumatischen Zerstäubung ist dabei seit längerem bekannt und wird beispielsweise in Wartungseinheiten von Druckluftanlagen, z.B. für LKW’s eingesetzt um der Druckluft einen Ölnebel beizufügen, der dazu dient, angeschlossene Druckluftmotoren zu schmieren.
In DE 12 88 469 A , insbesondere wird beispielsweise eine nicht brennbare Löschdecke beschrieben, die bei einfachem Überfahren den brennenden oder brandgefährdeten Reifen eines LKW’s, die Reifen ganz oder teilweise umhüllt, um somit ein entstandenes oder entstehendes Feuer zu ersticken.
Aus DE 20 004 430 U1 ist ein Löschsystem bekannt, welches die Verteilung von Löschmittelkartuschen in brandgefährdeten Bereichen eines Fahrzeugs, unter anderem gemäß 5 auch an den Reifen, vorsieht. Diese können durch den Einsatz unterschiedlicher Sensortypen ausgelöst werden. Darunter fallen Temperatur-, Rauch- oder Schallsensoren. Auch die Auslösung im Falle eines Unfalls über die Sensoren des Airbags ist möglich.
In US 2 867 281 A , insbesondere in 6, wird eine in den LKW integrierte Löschvorrichtung beschrieben, die es ermöglicht, durch die Platzierung von Löschdüsen im Motorraum und insbesondere an den Reifen entstandene Brände zu löschen. Die Auslösung des Systems erfolgt manuell durch den Fahrer im Fahrerhaus. Das Löschmedium wird daraufhin über ein Rohrsystem zu den Düsen transportiert. Die Applikation der Düsen in Reifennähe ist in verdeutlicht. Der benötigte Förderdruck wird durch das Druckluftsystem des LKWs aufgebracht.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die bei der Überschreitung einer kritischen Umgebungstemperatur und durch einen an der Düse anliegenden Grenzdruck, zuverlässig in ihrer Auslösung, ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch erzeugt, um somit brennende oder brandgefährdete Objekt zu löschen bzw. zu kühlen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei weitere vorteilhafte Ausführungsformen aus den Unteransprüchen hervorgehen.
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zum Löschen oder Kühlen brennender oder brandgefährdeter Objekte, umfassend zumindest eine mehrteilige Düse zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches mittels einer pneumatischen Zerstäubung und eine Einrichtung zur Auslösung der Düse.
Zur Erzeugung des Flüssigkeits-Gas-Gemisches in der Düse wird das Prinzip der pneumatischen Zerstäubung genutzt, bei der Flüssigkeitströpfchen an einer Verjüngung des Gasströmquerschitts von dem vorbeiströmenden Gas mitgerissen werden.
Die Auslösung der Erzeugung des Flüssigkeits-Gas-Gemisches in der Düse kann mittels eines Schmelzventils oder direkt durch das Zuführen eines unter Druck stehenden Gases erfolgen. Dabei werden Strömungskanäle für Gas- und Flüssigkeitszufuhr freigelegt. Somit kann das Gas, unter Mitnahme der Flüssigkeitströpfchen in einem Zentralnebelstrahl ausströmen.
Darüber hinaus kann die Auslösung bzw. Ansteuerung der Düse auch mittels einer Einrichtung erfolgen, beispielsweise mittels eines elektromagnetischen Ventils oder eines Ventil anderer Bauart, indem das Anlegen eines unter einen spezifischen Grenzdruck gesetzten Gases stattfindet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine verbesserte Kühlwirkung gegenüber bekannten Düsen mit unzerstäubtem Wasser auf. Dadurch kann mit wesentlich weniger Wasser eine hohe Kühlwirkung erreicht werden, was sich für einen mobilen Einsatz der Vorrichtung als vorteilhaft erweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Düse ein selbstrückstellendes Verschlusssystem und eine Ausströmöffnung, wobei zumindest eine keglige Dichtfläche an der Ausströmöffnung vorgesehen ist, um diese vor eindringendem Schmutz zu schützen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Düse zur Erzeugung einer Ausrückbewegung des Verschlusssystems einen selbsthaltenden Druckzylinder mit automatischer Rückstellung umfasst. Dabei kann das Druckgas erst zum Verstäubungspunkt der Düse strömen, wenn der Zylinder voll ausgefahren ist.
Ein weiterer Punkt der die Düse kennzeichnet, ist die integrierte Ventilfunktion für die Flüssigkeitszufuhr. Der Flüssigkeitsquerschnitt wird ebenfalls erst freigegeben wenn der in Punkt 5 beschriebene Zylinder voll ausgerückt ist.
Die Vorrichtung weist eine integrierte Ventilfunktion für die Flüssigkeitszufuhr der Düse und insbesondere die Auslösevorrichtung, in Form des Schmelzventiles auf, so dass diese vorteilhafter Weise in einer Baugruppe zusammengefasst sein können. Der Flüssigkeitsquerschnitt wird ebenfalls erst freigegeben wenn der Zylinder voll ausgerückt ist.
Nach einer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schmelzventil mit einem Gehäuse und einem Kolben derart ausgebildet ist, dass ein Leitungsquerschnitt im Gehäuse von dem Kolben verschließbar ist.
Die Vorrichtung umfasst nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung einen Lotring, derart, dass der Kolben in einer axialen Abwärtsbewegung durch den Lotring blockierbar ist.
Es ist vorgesehen, dass der Lotring bei einer Temperatur verflüssigbar ist, die wesentlich geringer ist, als die Schmelztemperatur des Ventils oder der übrigen Bestandteile des Ventils.
Durch die Verflüssigung des Lotrings ergibt sich eine Ventilfunktion, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kolben bei dem Verflüssigungsvorgang von dem unter Druck stehendem Gas abwärts bewegt wird. Dadurch wird der Leitungsquerschnitt freigegeben und das Ventil öffnet.
Die Erzeugung des Flüssigkeits-Gas-Gemisches mittels der pneumatischen Zerstäubung kann realisiert werden durch die Verengung des Gas-Strömungskanals an der Stelle der Flüssigkeitszufuhr in der Düse. Gemäß dem Venturi-Prinzip entsteht durch die Verringerung des Strömungsquerschnitts ein Unterdruck, der zur Förderung der zu zerstäubenden Flüssigkeit genutzt werden soll.
Weiterhin ist die Düse durch eine integrierte Ventilfunktion charakterisiert, die ein unbeabsichtigtes Ausströmen des Flüssigkeits-Gas-Gemisches verhindert und die entsprechenden Strömungskanäle nur durch das Überschreiten einer spezifischen Grenztemperatur in Verbindung mit dem Überschreiten eines spezifischen Grenzdruckes freigibt. Darüber hinaus ist eine Verschlussfunktion gegenüber der Umwelt gegeben, um das Innenleben der Düse vor Verunreinigungen sowie Witterungseinflüssen im Einsatzgebiet zu schützen und somit die Funktionsweise nicht zu beeinträchtigen.
Im Falle des Einsatzes der erfindungsgemäßen Vorrichtung für den Bereich Lastfahrzeuge, wie LKW’s sind für die Auswahl des Materialeinsatzes folgende Punkte zu berücksichtigen:
Die Anforderungen an das Material der Düse sind in erster Linie Korrosionsbeständigkeit, da die Düse ständig mit Wasser, Salz und Straßenschmutz in Berührung kommt.
Die zweite wichtige Anforderung ist die gute Zerspanbarkeit, da die Einzelteile aus Vollmaterial mittels trennenden Fertigungsverfahren wie beispielsweise Drehen und Fräsen gefertigt werden. Eine weitere Anforderung ist die thermische Beständigkeit, die hier aber nur eine untergeordnete Rolle spielt, da davon ausgegangen werden kann, dass die erfindungsgemäße Düse auslöst und ein Brand verhindert oder gelöscht wird, bevor ein kritischer Punkt von ca. 300°C erreicht wird. Nach dem Auslösen kühlt sich die Düse von innen selbst, da sie permanent von Wasser und Druckluft durchströmt wird.
Aufgrund der Montage der Düse direkt am Fahrwerk des LKWs ist diese z. T. starken Vibrations- und Stoßkräften ausgesetzt. Dies bedeutet, dass das Material der Düse wie auch deren Befestigung eine gewisse Zähigkeit aufweisen muss.
Als Material kommt somit nichtrostender Stahl mit martensitischem Gefüge in Betracht, weil dieser besser zerspanbar ist, als Materialien mit ferritischem oder austenitischem Gefüge. Beispiele wären X20Cr13 oder X30Cr13 für den Einsatz denkbar.
Bei der Materialauswahl können auch korrosionsbeständige Nichteisenmetalle wie z.B. Kupfer-Zink-Verbindungen in Betracht kommen. Diese besitzen zusätzlich eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was einen Vorteil in Bezug auf die Schnittstelle zu den Kunststoffleitungen darstellt. Aber auch Kupfer-Aluminium-Legierungen oder Aluminium-Gusslegierungen kommen in Frage. Allerdings sprechen die Sprödigkeit der Werkstoffe und der hohe Kupfer- und Aluminiumpreis, eher für die Verwendung von V2A als spezieller, nicht rostender Stahl.
Alternativ kann die Herstellung der Düse aus hitzebeständigem Kunststoff wie z.B.: Teflon mit einer Dauertemperaturbeständigkeit von bis zu 325°C oder Polyimid (bis 280°C), hergestellt werden. Hieraus ergäbe sich bei hohen Stückzahlen, beispielsweise im Spritzgußverfahren, ein zusätzlicher finanzieller Vorteil gegenüber einer Einzelfertigung der Düse aus Metallwerkstoffen. Zur Erhöhung der Festigkeit von Kunststoffdüsen oder kunststoff-beinhaltende Düsen können Glasfasern oder andere Füll- und/oder Verstärkerstoffe dem Kunststoff beigemengt werden. Als weiterer Vorteil ist hierbei ein Gewichtsverlust zu verzeichnen, was zu einer Verringerung der Traktion der Reifen bei schnellen Schlaglochdurchfahrten und zur Erhöhung der Fahrsicherheit des LKW führen kann.
Für die Dimensionierung der Düse sind drei Kriterien von Bedeutung. Erstens – der Druckaufbau in der Druckkammer nach Zuleitung der Druckluft. Dies ist entscheidend für die Auslegung der Feder, die den ordnungsgemäßen Verschluss der Düse gewährleistet. Zweitens – der Durchmesser im Venturiquerschnitt zur Berechnung des Druckluft-Volumenstroms. Drittens – der Durchmesser der Flüssigkeitseintrittskapillare, um die Durchflussmenge des Wassers bestimmen zu können.
Druckaufbau und Federauslegung:
Mit der Annahme, die Verluste im Zuleitungssystem sind minimal, liegt an der geschlossenen Düse der Betriebsdruck p_max von 8bar an. Dieser Druck breitet sich auch in der Druckkammer aus. Die daraus resultierende Druckkraft F_D lässt sich mit der Formel
berechnen, wobei A die zur Kraft F_D senkrechte Fläche der Kolbenscheibe ist, die sich aus
ergibt. Entgegengesetzt zur Druckkraft F_D wirkt die Federkraft F_F. Diese ergibt sich aus dem Produkt der Federkonstante c und dem Federweg f. Um den Zylinder bewegen zu können muss die Druckkraft größer sein als die Federkraft. Unter Vernachlässigung der Haft- bzw. Gleitreibung ergibt sich nun die Ungleichung
Mit den Werten p_max = 8bar, d_a = 20mm, d_i = 10mm und f = 10mm lässt sich eine maximale Federkonstante c_max von 18.849,5N/m bestimmen. Um die Funktionsweise des Bremssystems nicht zu beeinträchtigen, darf ein Druck pmin von 5bar nicht unterschritten werden. In diesem Fall muss der Verschluss der Düse gewährleistet sein, um einen weiteren Druckaufbau zu ermöglichen. Das bedeutet, dass hier die Federkraft F_F größer sein muss als die Druckkraft F_D
Die minimale Federkonstante c_min beträgt somit 11781N/m. Für die Feder wurde vorerst eine Federkonstante c von 13.000N/m gewählt, die möglichst nah an c_min liegt, damit die Düse nicht zu schnell schließt. Der Schubmodul G für Federstahl beträgt 81.500N/mm². Als Drahtdurchmesser d_D wurde ein Wert von 1,5mm gewählt. Um den Federraum besser nutzen zu können, wird für die Feder eine Kegelform gewählt, bei der sich die einzelnen Windungen im Betrieb nicht gegenseitig berühren und behindern. Der mittlere Federdurchmesser d_mit soll 10mm betragen, wobei der größte Durchmesser d_max 17mm und der kleinste Durchmesser d_min 3mm beträgt.
Die Anzahl der federnden Windungen kann
durch die Formel
bestimmt werden. Es ergibt sich somit ein Wert von 3,9 Windungen. Gewählt wird ein Wert von n = 4 Windungen. Setzt man diesen Wert nun erneut in die nach c umgestellte Formel ein, ergibt sich eine Federkonstante von 12.900N/m. Diese befindet sich im vorgegeben Intervall und kann somit für diesen Zweck genutzt werden.
Der Druckaufbau in der Druckkammer ist auch bei geöffneter Düse gegeben, solange der Venturiquerschnitt die engste Stelle der Druckluftleitung und erheblich kleiner als die Gaseintrittsöffnung ist.
Bei der Berechnung des Druckluftvolumenstroms ist es hilfreich zunächst das Prinzip der Luftdurchströmung genauer zu betrachten. Im Falle der Düse handelt es sich um eine Lavaldüse. Eine Lavaldüse ist ein Strömungsorgan mit einem zunächst konvergenten und anschließenden divergenten Quernitt, wobei der Übergang von einem zum anderen Teil allmählich erfolgt.
Diese Düse hat die Eigenschaft, dass ein sie durchströmendes Fluid unter einem entsprechenden Druck im engsten Querschnitt auf eine kritische Schallgeschwindigkeit c´ beschleunigt wird. Diese Geschwindigkeit lässt sich mit folgender Gleichung berechnen:
Dabei steht T für eine konstante Temperatur von 293,15K und R für die allgemeine Gaskonstante von 287J/(kg·K). Der Isentropenexponent κ ist temperaturunabhängig und beträgt für Luft 1,4. Damit berechnet sich die kritische Schallgeschwindigkeit zu
Mit Hilfe dieser Geschwindigkeit lässt sich nun der Volumenstrom berechnen:
Da die exakte Dimensionierung der Düse bezüglich des Druckluftverbrauchs noch aussteht, wird hier lediglich ein Intervall angegeben, in dem sich der Volumenstrom befinden wird. Abhängig vom Durchmesser des engsten Querschnitts der Venturidüse d_v variiert der Volumenstrom zwischen
und
Flüssigkeitsvolumenstrom:
Das an der Düse anliegende Wasser ist mit einem Förderdruck p₁ von 2bar beaufschlagt. Dieses muss bei geöffneter Düse durch die zwei Flüssigkeitskapillare mit einem Durchmesser d_k von jeweils 0,5mm fließen. Ohne Berücksichtigung der Unterdruckerzeugung im Venturiquerschnitt lässt sich eine Bernoulligleichung der Form
aufstellen. Die Höhe h₁ des Wassertanks wird mit 1m über der Düse angenommen. Die Höhenänderung des Wasserspiegels im Tank soll vernachlässigt werden. Der Druck p₁ entspricht mit 1bar dem Atmosphärendruck. Die Dichte des Wassers (in diesem Beispiel bei 20°C) beträgt 998,20kg/m³. Nach umstellen ergibt sich aus diesen Werten eine Austrittsgeschwindigkeit v von 14,83m/s. Der Volumenstrom V´ lässt sich mit der Formel
berechnen. Es ergibt sich somit ein Volumenstrom V´ von 5,82ml/s. Bei einer mitgeführten Wassermenge von 20 Litern wäre eine Sprühzeit von 57,2min realisierbar.
Abkühlverhalten: Bei der Abkühlung der heißen Bauteile im Bereich der Radaufhängung wird die Verdampfungsenthalpie des Wassers genutzt. Dabei wird den Bauteilen durch die Verdunstung des Wassers Wärmeenergie entzogen. Bei der Berechnung geht man der Einfachheit wegen von der vollständigen Verdampfung der gesamten 20 Liter Wasser sowie von einer konstanten Abkühlung aus.
Die spezifische Verdampfungsenthalpie dh_H2O von Wasser beträgt bei einer Temperatur von 25°C 44kJ/mol. Bereits aus vorherigen Berechnungen hat sich der Flüssigkeitsvolumenstrom V´ von 5,82ml/s ergeben. Mithilfe der molaren Masse M_H2O von 18g/mol und der Dichte ρ_H2O von 1g/cm³ lässt sich die Verdampfungsenthalpie pro Zeiteinheit bestimmen:
Dies entspricht der Energie, die für die Verdampfung der Wassermenge notwendig wäre, die in einer Sekunde aus der Düse tritt. Da hierbei keine Arbeit verrichtet wird (vernachlässigbare Volumenarbeit durch Ausdehnung der überhitzten Komponenten), muss die gesamte, dafür aufgebrachte Energie allein aus der Wärme der überhitzten Komponenten kommen.
Bei einer spezifischen Wärmekapazität von c_v = 0,5kJ/(kg·K) für Gusseisen und einer Masse m der Bremsscheibe von 50kg berechnet sich die Temperaturdifferenz an der Scheibe zu:
Die Abkühlgeschwindigkeit ist dabei nicht als definiter Wert zu sehen, sondern lediglich als ein theoretischer, der viele Aspekte, wie beispielsweise die Benetzung der Bremsscheibe, nicht lineare Wärmeübergänge oder verrichtete Arbeit, außen vorlässt. Vielmehr ist dieser Wert als Orientierung zu sehen, in welcher Zeit eine überhitzte Komponente um eine bestimmte Temperatur runtergekühlt werden kann. Hinzu kommt, dass diese Werte für einen stehenden LKW gelten.
Die Vorrichtung für den Brandschutz umfasst auch eine elektrische Steuerung mit elektrischen Steuerelementen, bestehen aus einem Interface und elektrischen Sensor- und Steuerleitungen. Für das Gehäuse des Interfaces wurde eine einfache Kunststoffbox mit den Abmessungen 98×64×38mm ausgewählt. Diese ist extra klein gehalten, damit es leichter am Cockpit des LKW untergebracht werden kann. Es erfüllt die Schutzart IP65.
Im Gehäuse werden folgende Bauteile untergebracht:

• Eine grüne 24V Signallampe, die den Betriebszustand der Anlage anzeigt.
• Eine rote 24V Signallampe, die anzeigt, dass die Anlage auslöst.
• Ein 24V Summer, der das akustische Signal gibt, um den Fahrer zu warnen.
• Ein einpoliger Einschalt-Kippschalter zum Aktivieren / Deaktivieren der gesamten Anlage.
• Ein einpoliger Einschalt-Kippschalter zum separaten Abschalten des Summers, falls der Fahrer mit ausgelöster Anlage weiterfahren will.
• Ein 24V Relais zum Verstärken des Signal, welches vom Durchflusssensor kommt.

Aus Sicherheitsgründen sollten alle Bauteile mit VDE Norm gerechter Kupferlitze, mit 1,5mm² im Querschnitt, verdrahtet werden. Die gleiche Leitung wird auch dazu verwendet, um das Interface mit den Ventilen und dem Durchflusssensor zu verbinden.
Das Gesamtsystem mit der Vorrichtung für den Brandschutz kann folgende Komponenten umfassen:

• Düsen zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches,
• Auslösevorrichtung (z. B. Schmelzventil)
• Leitungssystem
• Speichereinheit, bestehend aus Wassertank und zusätzlichem Drucklufttank
• Steuereinheit, bestehend aus dem Interface im Fahrerhaus,
• Luftdurchflussmesser,
• zumindest zwei Magnetventile und
• zumindest einen Druckminderer.

An einem Fahrzeug/LKW können beispielsweise ein 20 Liter Wassertank und ein 60 Liter Drucklufttank montiert werden, die vom Druckluftboardnetz des LKWs mit Druck beaufschlagt werden. Als Wassertank kann ein Kunststofftank verwendet werden, da dieser durch einen Druckminderer mit nur 1–2bar Luftdruck beaufschlagt wird. Die Tanks sind untereinander mittels Druckluftleitungen mit zwischengeschaltetem Druckminderer verbunden. Nach dem Druckminderer ist zusätzlich ein Pneumatikventil vorgesehen, welches beim Reagieren des Durchflusssensors schaltet.
An den Radaufhängungen werden die Auslösevorrichtungen in Form des erfindungsgemäßen Schmelzventils mit direktem Kontakt zur LKW-Achse montiert. Ebenfalls werden in diesem Bereich die Düsen so angebracht, dass sie die Radaufhängung mit Bremsanlage des LKWs bestmöglich bestrahlen.
Die zuführenden Wasserleitungen sind direkt an die Düsen angeschlossen. Bei den Druckluftleitungen sitzt das Schmelzventil vor der Düse. Dieses ist permanent mit 8 Bar Druckluft beaufschlagt.
Im Fahrerhaus wird eine Steuer- und Kontrolleinheit, in Form eines Informations-& Bedien-Interface montiert, die den Fahrer mittels eines optischen und akustischen Signales warnt. Der Fahrer kann einen installierten Summer abschalten, wenn er mit ausgelöster Anlage zur nächsten Werkstatt fährt. Er kann die Anlage auch komplett abschalten, wenn keine weitere Kühlung benötigt wird. Die Kontrolleinheit ist mit den 3/2-Wege Pneumatikventilen und dem Durchflusssensor mittels Steuerleitungen verbunden.
Sobald an einer Radaufhängung des LKWs ein Defekt auftritt, wodurch sich diese stark erhitzt, löst das Schmelzventil aus und die Druckluft strömt zu den Düsen. Dieser Vorgang detektiert der Durchflusssensor im Leitungssystem und gibt einen elektrischen Impuls an die Kontrollbox im Fahrerhaus. Ein Warnsignal wird geschaltet und der Fahrer wird über die Überhitzung informiert.
Gleichzeitig schaltet das Pneumatikventil und der Wassertank wird durch den Druckminderer mit 1–2bar Druck beaufschlagt. Das Wasser wird zu den Düsen gefördert und der Vernebelungsvorgang beginnt. Der Fahrer fährt nun die nächste Haltemöglichkeit an, um sein Fahrzeug kontrollieren zu können.
Wenn er aufgrund unzureichender Haltemöglichkeiten wie beispielsweise innerhalb von Baustellen weiterfahren muss, hat er für etwa eine halbe Stunde Wasser zum Kühlen der betroffenen Radaufhängung an Bord.
Damit kann er auf sicherem Wege eine gut geeignete Ausweichstelle anfahren oder sogar bis zur nächsten Werkstatt in Autobahnnähe weiterfahren, ohne dabei Gefahr zu laufen, dass sein Fahrzeug Feuer fängt.
Das Pneumatikventil dient lediglich dazu, manuell die Anlage abzuschalten, sobald die betroffenen Teile abgekühlt sind.
Beispielhaft wird eine Ausführungsform der Erfindung in den nachfolgenden Figuren dargestellt und näher beschrieben, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
Es zeigen:
1: schematisch einen Schnittdarstellung einer Düse im geschlossenen Zustand,
2: schematisch die ausgelöste offene Düse zur Erzeugung eines Flüssigkeitsnebels und
3: schematisch ein Ventil in Form eines Schmelzventils.
1 zeigt die Düse geschnitten im geschlossenen Zustand. 2 zeigt geschnitten die ausgelöste offene Düse zur Erzeugung eines Flüssigkeitsnebels.
Die in 1 dargestellte Düse besitzt ein zweiteiliges Gehäuse 1, 2, beispielhaft mit bevorzugten Abmaßen, jedoch nicht hierauf beschränkt, bestehend aus einer Hülse, beispielsweise einem Ventilgehäuse 1 und einer Zylinderkappe 2 die konzentrisch miteinander verschraubt sind. Das Gehäuse nimmt seinerseits die axial beweglichen Bauteile Kolben 3 sowie Kolbenscheibe 4 auf, die ebenfalls konzentrisch miteinander verschraubt sind. Der Zylinder beinhaltet einen Strömungskanal und verfügt dabei über eine mit dem Strömungskanal verbundene Gaseintrittsöffnung 9 sowie über Flüssigkeitseintrittskapillare 16, die das Einströmen der jeweiligen Medien im Falle einer geöffneten Düse, abgebildet in 2, ermöglichen. Zudem ist eine Ausströmöffnung 11 vorhanden. Der Strömungskanal ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Position der kreuzenden Flüssigkeitskapillare 16 eine Verengung des Strömungsquerschnitts 10 vorliegt, an welchem der Zerstäubungspunkt eintritt.
Bei ausgelöster Düse kommt es über das Venturi-Prinzip im engsten Querschnitt zu einem Unterdruck, dessen Sogwirkung zur Förderung, der durch die Flüssigkeitskapillare 16 eingeleiteten Flüssigkeit, genutzt wird. Des weiteren verfügt der Zylinder austrittsseitig über eine Gewindebohrung zur Aufnahme einer Verschlussschraube 18, die dazu dient, die fertigungsseitig eingeführte Bohrung zu verschließen.
Um entsprechende Flüssigkeits- und Gasmedien in die Düse einzuleiten sind Gewindebohrungen zum einen an der Hülse 1 für die Aufnahme eines Flüssigkeitsanschlusses 13 und zum anderen an der Zylinderkappe 2 für die Aufnahme eines Gasanschlusses bzw. den Eingang für Druckluft 12 vorgesehen. Die zu zerstäubende Flüssigkeit liegt bereits an den entsprechenden Anschluss als Eingang für Wasser 13 an, und wird durch die düseneigene Ventilfunktion, gekennzeichnet durch den Versatz der Flüssigkeitseintrittskapillare 16 am Austreten gehindert.
Zusätzlich wird die Dichtfunktion gegenüber dem Austritt der Medien durch die Spalte zwischen Kolbe 3 und Hülse 1 durch den Einsatz von Dichtringen bzw. O-Ringen 7, abgesichert.
Zusätzlich sind Schlauchanschlüsse 14 vorhanden. Durch eine zwischen Hülse 1 und Zylinderkappe 2 eingeschlossene Trennscheibe 6 wird eine Druckkammer bzw. Expansionskammer 8 innerhalb der Düse beschrieben. Bei Auslösen des später beschriebenen Schmelzventils wird diese mit unter Druck stehendem Gas beaufschlagt und gewährleistet die axiale Ausrückbewegung des Kolbens, abgebildet in 2. Die, durch den axialen Versatz der Kolbenscheibe, verdrängte Luft kann durch eine Entlüftungsbohrung, Gaseintrittsöffnung oder Überströmöffnung 9 entweichen.
Durch den axialen Versatz werden nun die Gaseintrittsöffnung 9 und die Flüssigkeitseintrittskapillare 16 freigelegt wodurch die anliegenden Gas- und Flüssigkeitsmedien in die Düse einströmen können, um den gewünschten Flüssigkeitsnebel zu erzeugen.
Durch die radiale Aussparung bzw. Ringnut 15 in der Innenkontur der Hülse 1 auf Höhe des Flüssigkeitsanschlusses 13 soll gewährleistet werden, dass die Flüssigkeit harmonisch in die nunmehr freigelegten umliegenden Flüssigkeitseintrittskapillare 16 einströmen kann, um einen gleichmäßigen Flüssigkeitsnebel zu erzeugen. Die Ausprägung eines Zentralnebelstrahls wird durch die sich in Austrittsrichtung verjüngende Innenkontur der Hülse 1 vorgegeben.
Um im Falle eines ungeplanten Abfalls des spezifischen Grenzdruckes in der Druckkammer 8 bzw. bei der geplanten Abschaltung der Flüssigkeitsnebelerzeugung den Verschluss der Düse zu gewährleisten, um somit mögliche Verunreinigungen durch äußere Einflüsse auszuschließen, wurde im Auslaufraum, bzw. der Federkammer 17 eine Spiralfeder 5 integriert. Diese ist so zu dimensionieren, dass bei einer Unterschreitung des spezifischen Grenzdruckes in der Druckkammer 8 Kolbenscheibe 4 und Zylinder 3 durch die Federkraft entgegen der Auslöserichtung verschoben werden, somit die Gas sowie die Flüssigkeitszufuhr unterbrochen werden und sich die Außenkontur des Zylinders an die Innenkontur der Hülse anschmiegt, um somit das Innenleben der Düse vor der Umwelt zu verschließen. Die Federkammer 17 umfasst eine Entlüftungsbohrung 19.
Das Gehäuse der Düse kann mittels eines Feingewindes, beispielsweise M30x1,5 miteinander verbunden sind. Der im inneren der Düse sitzende zweiteilige Kolben, bestehend aus dem Ventilkolben 3 und der Kolbenscheibe 4, kann beispielsweise mittels M6 Gewinde verschraubt werden. Dieser kann sich axial um etwa 10mm bewegen und wird von der Spiralfeder 5 in Verschlussposition gehalten.
In das Gehäuse können beispielsweise 2 Schlauchanschlüsse 14 eingeschraubt werden, die als Drucklufteingang 12 und als Wasserzufluss 13 dienen.
Der Bereich um den Kolben wird durch die Trennscheibe 6 in 2 Bereiche geteilt. Der hintere Bereich bildet den selbsthaltenden Ausrückzylinder, der die Überströmöffnung 9 zu der hohlen Kolbenstange erst dann freigibt, wenn der Kolben voll ausgefahren ist. Die hier arbeitende Kolbenscheibe 4 wird durch den O-Ring 7 gegen die Zylinderwand abgedichtet. Ebenfalls ist die Trennscheibe 6 mit einem O-Ring versehen, der verhindert, dass die Druckluft an der Kolbenstange vorbeiströmen kann.
Hinter der Kolbenscheibe 4 sitzt die Spiralfeder 5 in der Federkammer 1 und verschließt die Düse, sobald kein Druck anliegt. Um ein problemloses Ausrücken des Kolbens zu gewährleisten, ist die Federkammer 17 mit einer Entlüftungsbohrung 19 ausgestattet. Ebenfalls entlüftet ist der Bereich zwischen Ventilkolben 3 und der Trennscheibe 6, da sich beim Ausrücken des Kolbens dort ebenfalls ein Staudruck aufbauen würde. Diese Entlüftungsbohrung ist in der 1 nicht dargestellt.
Das Herzstück der Düse bildet der Ventilkolben 3, da er gleich mehrere Funktionen erfüllt. Am Zerstäubungspunkt 10 strömt die Druckluft durch eine Querschnittsverjüngung, wodurch ihre Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Das führt zu einem Abfall des dynamischen Druckes an dem Punkt, wo das Wasser durch die Kapillaren 16 angesaugt und vom Luftstrom mitgerissen wird.
Das hier angewandte Prinzip ist der Venturi-Düse nachempfunden. In der technischen Anwendung spricht man allerdings von pneumatischer Zerstäubung.
Die zweite Funktion des Ventilkolbens 3 ist die Ventilfunktion für den Wasserzufluss 13. Wenn die Düse geschlossen ist, dichten 2 O-Ringe 7 den Wasserzufluss 13 gegen die Kolbenwandung ab. Im ausgelösten Zustand sitzen die Kapillaren 16 in einer Flucht mit dem Wasserzufluss 13 und das Wasser kann durch die Ringnut 15 zu den Kapillaren 16 gelangen.
Eine weitere Funktion des Ventilkolbens 3 besteht darin, dass er die Düse vor Verschmutzungen schützt, da der vordere Konus des Kolbens im geschlossenen Zustand mit dem Ventilgehäuse 1 abdichtet. Rückt der Kolben aus, entsteht ein ringkonischer Spalt durch den der Wassernebel strömt und dabei zentrisch abgelenkt wird. Dies ermöglicht einen Vollkegel-Sprühstrahl mit einem Öffnungswinkel von ca. 15°.
Wird die Düse mit Druckluft beaufschlagt – in 1 und 2 mit durchgehendem Pfeil gekennzeichnet – baut sich in dem Ausrückzylinder ein Druck auf, der dafür sorgt, dass der Gesamtkolben nach rechts ausrückt.
Die Ausströmöffnung, und der Wasserdurchfluss werden frei gegeben. Ist die Düse voll geöffnet, kann die Druckluft durch die Durchlassbohrung in die hohle Kolbenstange und damit weiter zum Zerstäubungspunkt strömen. Dort wird das Wasser – gekennzeichnet durch einen unterbrochenen Pfeil – durch die Kapillaren, dank des Venturi-Prinzips, angesaugt und von der vorbeiströmenden Druckluft mitgerissen. Es entsteht ein Wassernebel mit sehr geringer Tröpfchengröße. Der Nebelstrahl wird in der Düse noch einmal umgelenkt und verlässt diese durch die Ausströmöffnung als Vollkegelstrahl.
Das in 3 gezeigte Ventil dient zum Beaufschlagen der zuvor beschriebenen Düse aus 1 bzw. 2 mittels einesd unter einem spezifischen Druck stehendem Gases und wird durch das Überschreiten einer festgelegten Grenztemperatur ausgelöst.
Am Drucklufteingang 6 liegt dabei permanent das unter Druck stehende Gas an und wird von dem Kolben 3 gehindert, durch das Gehäuse 1 zu dem Druckluftausgang 7 zu strömen. Der Kolben 3 wird mittels eines hitzebeständigen O-Rings 5 gegen das Gehäuse 1 abgedichtet und von dem Lotring 4 an seiner vorherbestimmten Position gehalten.
Wird durch das Kontaktstück 2 Wärmeenergie in das Bauteil eingeleitet, so dass es sich über eine spezifische Grenztemperatur erhizt, schmilzt der Lotring 4 und gibt dem Kolben 3 einen axialen Freiheitsgrad. Da die Kammer über dem Kolben permanent mit unter druck stehendem Gas beaufschlagt ist, rückt dieses den Kolben axial aus bei erreichen besagtem Freiheitsgrades. Dadurch wird der Querschnitt im Gehäuse 1 freigegeben und das unter Druck stehende Gas kann zu Druckluftausgang 7 des Ventils strömen.
Im geplanten Einsatzfall ist der Druckluftausgang 7 des Ventils direkt mit dem Drucklufteingang 12 in 2 der Düse verbunden, sodass diese im Überhitzungsfall selbsttätig auslöst. Zur Sicherstellung des vollen Ausrückweges des Kolbens 3, ist das Kontaktstück 2 am Boden mit einer Entlüftungsbohrung 9 versehen, durch die, die sich unter dem Kolben anstauende Luft und ggf. das verflüssigte Lot entweichen kann.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein relativ kostengünstiges und technisch zuverlässiges System mit geringer Störanfälligkeit, insbesondere im Hinblick auf elektronische Bauteile, zur Verfügung gestellt werden. Das Brandschutzsystem ist aufgrund einer nicht immer eindeutigen Ursache von Reifenbränden bei LKWs insbesondere auf präventive Maßnahmen gerichtet. So soll mit Hilfe eines Schmelzventils an potentiellen Orten großer Hitzeentwicklungen wie der Radaufhängung, dem Radlager und auch der Bremsscheibe kritische Temperaturen erkannt werden.
Bei einem Auslösen des Schmelzventils durch Temperaturen von ca. 300° C wird die Druckluft auf die Düse freigegeben, wodurch es zur Bildung von Wassernebel kommt. Dieser benetzt den Felgeninnenraum, das Radlager und auch die Bremsscheibe und sorgt folglich für eine Absenkung der Temperaturen in diesem Bereich. Hierdurch ist eine Verhinderung der hochentzündlichen Pyrolysegase möglich.
Des Weiteren erhält der Lastkraftwagenfahrer die Möglichkeit, eine bestmögliche Haltestelle für den LKW anzufahren, um dann auf sicherem Wege genauer mögliche Gefahrenstellen oder auch Defekte zu begutachten. Die Auslegung der Wasser- und Drucklufttanks gewährleistet bei einer Auslösung des Systems an einem Rad genügend Kühlmittel, um eine sichere Ausweichstelle anzufahren und ggf. auch ersten Flammen entgegenzuwirken und sie zu löschen.
Das insgesamt vollständig adaptive und für alle LKWs mit Luftdrucksystem passende Brandschutzsystem ist in seiner Größe individuell variabel und versorgt den Fahrer jederzeit über ein im Fahrerhaus installiertes Interface über eine eventuelle Auslösung des Systems an der Zugmaschine wie auch dem Auflieger.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1288469 A [0004]
DE 20004430 U1 [0005]
US 2867281 A [0006]

Claims

Vorrichtung zum Löschen oder Kühlen brennender oder brandgefährdeter Objekte, umfassend zumindest eine mehrteilige Düse zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches mittels einer pneumatischen Zerstäubung und eine Einrichtung zur Auslösung der Düse im Bedarfsfall.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung ein Schmelzventil ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung ein elektromagnetisches Ventil ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Düse ein selbstrückstellendes Verschlusssystem und eine Ausströmöffnung aufweist, umfassend zumindest eine keglige Dichtfläche an der Ausströmöffnung, um diese vor eindringendem Schmutz zu schützen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Düse einen selbsthaltenden Druckzylinder mit automatischer Rückstellung umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schmelzventil mit einem Gehäuse und einem Kolben derart ausgebildet ist, dass ein Leitungsquerschnitt im Gehäuse von dem Kolben verschließbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung einen Lotring umfasst, derart, dass der Kolben in einer axialen Abwärtsbewegung durch den Lotring blockierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Lotring bei einer Temperatur verflüssigbar ist, die wesentlich geringer ist, als die Schmelztemperatur des Ventils.