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Anlage zur Anmeldung, Jürgen Kornfeld, Beschreibung 8 Seiten
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Einrichtung zum dosierten Einbringen von flüssigen Zusätzen zu einer
unter Druck strömenden Flüssigkeit Beschreibung: Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zum dosierten, kontinuierlichen Zumischen einer Flüssigkeit 1 ( insbesondere Schaummittel,
Netzmittel oder andere die Löschwirkung des Wassers verändernde Zusätze ) zu einer
unter Druck strömenden Flüssigkeit 2 ( insbesondere Löschwasser ).
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Im abwehrenden Brandschutz ist die Zugabe von Schaummitteln zu dem
unter Druck strömenden Löschwasser zur Erzeugung eines Schaummittel-Löschwasser-Gemisches
erforderlich.
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Für bewegliche Schaumlöscheinsätze ist ein transportabler Zumischer
erforderlich,der in die Druckschlauchleitung eingekuppelt werden kann und keiner
weiteren Energiezufuhr bedarf.
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Es ist bekannt,zum Zwecke der Zumischung Wirkdruckzumischer oder Strahlpumpenzumischer
einzusetzen.
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Wirkdruckzumischer bekannter Ausführung benötigen außer der Dosiereinrichtung
eine Schaummittelpumpe. Wegen der notwendigen Energieversorgung für deren Antrieb
werden Wirkdruckzumischer nicht in die Druckschlauchleitung eingekuppelt. Sie werden
vorrangig in Sonderfahrzeugen und in stationären Anlagen betrieben.Für die Dosierung
wird ein dem Durchfluß proportionales Signal, der Wirkdruck in einer Venturidüse,
zur Steuerung der Schaummittelzumischung benutzt.
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Bei den Strahlpumpenzumischern erfolgt das Ansaugen nach dem Inåektorprinzip
durch Minderung des Druckes der strömenden Flüssigkeit oder eines Teilstromes unter
den Umgebungsdruck (Strahlpumpenzumischer = Inäektprzumischer) .
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Die Zumischung läßt sich in zwei Teilaufgaben gliedern: - Mengendosierung
des Schaummittels entsprechend dem Durchfluß des Löschwassers und der gewünschten
Zumischrate - Erzeugung eines Druckgefälles zwischen dem Schaummittel und dem strömenden
Löschwasser ( letzteres oft durch das Injektorprinzip ).
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Die deutschen Patentschriften Nr. 905 928, 912 894, 911 096, 910 744
und 910 743 zeigen Einrichtungen zur Erzeugung des Druckgefälles mittels des Injektorprinzips.
Die deutschen Patentschriften 905 929, 912 657 und 964 831 haben zur Erzeugung des
Druckgefälles einen Windkessel über dem Schaummittel.Die deutschen Patentschriften
673 528 und 970 836 und die Auslegeschrift 1 015 694 beruhen zur Erzeugung des Druckgefälles
auf dem Injektorprinzip
und benutzen zusätzlich zur Dosierung eine von einem Teilstrom ( Verluststrom )
angetriebene Dosierpumpe. Wesentliche Nachteile des Injektorzumischers sind
- die durch das System bedingte Abhängigkeit der prozentualen Zumischung vom Druck
am Zumischerausgang - das vollständige Versagen des Ansaugens nach dem Inåektorprinzip
bei hohem Druck (z.B. 9 bar) auf der Ausgangsseite des Injektorzumischers der eingeschränkte
einstellbare prozentuale Sumischbereich (z.B. 1 bis 6 ,%) - die Notwendigkeit mehrere-
Zumischer für unter schiedliche Durchflüsse bereitzuhalten Der Erfindung liegt die
rufgabe zugrunde die Zumischung weitgehend druckunabhängig ( im Gegensatz zum Injektorzumischer
) zu machen - den Einbau an beliebiger Stelle der Druckschlauchleitung ohne zusätzliche
Energieversorgung zu moglichen und ohne Regelung zu arbeiten ( im Gegensatz zum
Wirkdruckzumischer )
- mehrere Zumischer durch einen Zumischer zu
ersetzen,der für einen größeren Durchflußbereich geeignet ist ( im Gegensatz zum
Injektorzumischer ) - den Bereich der Zumischrate zu erweitern ( gegenüber dem Inåektorzumischer
) Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelößt, daß ein Teil der hydraulischen
Energie der unter Druck strömenden Flüssigkeit 2 über eine Kraftmaschine ( vorzugsweise
Turbine ) in mechanische Energie einer Drehbewegung umgeformt wird und zum Antrieb
einer Arbeitsmaschine ( vorzugsweise Pumpe mit Kolbenpumpencharakteristik des Förderkennfeldes
) benutzt wird, welche die Flüssigkeit 1 von einem niedrigeren Druck ( in der Regel
Umgebungsdruck der Lurt ) auf einen höheren Druck als den der strömenden Flüssigkeit
2 bringen kann und gleichzeitig die Flüssigkeit 1 (z. B. Schaummittel) entsprechend
dem Durchfluß der Flüssigkeit 2 (z.B. Löschwasser) und der eingestellten Zumischrate
dosiert.
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Die gewünschte Zumischrate der Flüssigkeit 1 wird durch die Veränderung
des Förderstromes der Flüssigkeit 1 mittels - Verstellung des Fördervolumens einer
Verstellpumpe oder - einer Getriebeverstellung oder - Drosselung eines Teilstromes
erreicht.
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Die zeit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß die Zumishung weitgehend druckunabhängig ist und die Zumischrate und
damit die Qualität und Konstanz des erzeugbaren Schaumes weitgehend unabhängig sind
vor - der Höhe des Schaumstrahlrohres über dem Zumischer - der Länge und dem urchmesser
der Drucksohläuche - dem Volumenstrom des Löschwassers und der gewünschten furSweite.
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Anordnung (Figur 1), Modell (Figur 2) und Ausführungsbeispiel (Figur
3) werden im folgenden näher beschrieben.
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Bedeutung der Schriftzeichen und Bezugszeichen: 1 Turbine 1.1 Löschwassereintritt
(3- oder C-Kupplung) 1.2 Löschwasseraustritt (B- oder C-Kupplung) 1.3 Turbinengehäuse
1.4 Leitrad 1.5 Laufrad 2 Schaummittelpumpe (z.13. Flügelzellenpumpe) 2.1 Schaummitteleintritt
(drucklos) 2.2 Schaummittelaustritt (Druckseite) 2.3 Steuerniere 3 Getriebe (i =
1, i = const. oder verstellbar) 4 Feuerlöschkreiselpumpe 5 Verteiler 6 Schaummittelbehälter
7 ggf. Sperrventil 8 Zumischstelle, Einspeisestelle 9 Schaumstrahlrohr 10 Druckleitung
11 ggf. Nebenstromdrosselventil PE Eingangsdruck der Feuerlöschkreiselpumpe 4 PA
Ausgangsdruck der Feuerlöschkreiselpumpe 4 P2 Eingangsdruck der Turbine 1 p3 Ausgangsdruck
der Turbine 1 PU Saugdruck der Schaummittelpumpe 2 p4 Ausgangsdruck der Schaummittelpumpe
2 r Moment der Turbinenwelle n, Drehzahl der Turbinenwelle MP Moment der Schaummittelpumpenwelle
n Drehzahl der Schaummittelpumpenwelle
V Hubvolumen,Hubraum,Fördervolumen
= Fördervolumen pro Umdrehung Qi Volumenströme an der Steile i=1,2...
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A Druckfläche der Turbine 1 im Modell B Druckfläche der Schaummittelpumpe
2 im Modell a Hebelarm zum Druckmittelpunkt der Druckfläche A b Hebelarm zum Druckmittelpunkt
der Druckfläche B Der Förderstrom Q1 der Feuerlöschkreiselpumpe 4 treibt eine Turbine
1, welche wiederum eine Schaummittelpumpe 2 antreibt.
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Die Anordnung (Figur 1) stellt getriebetechnisch eine Leistungsverzweigung
dar. Die Turbine 1 und die Schaummittelpumpe 2 sind im einfachsten Fall verblockt
und laufen mit gleicher Drehzahl ( nT np ). Es sind auch Anordnungen mit einem Getriebe
3 mit konstantem oder einstellbarem Drehzahlverhältnis nT/np ausführbar.
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Die Schaummittelpumpe 2 mit verstellbarem Fördervolumen V fördert
aus dem Schaummittelbehälter 6 in eine beliebige Einspeisestelle 8 der Druckleitung
10, auch in Druckleitungsteile vor der Turbine 1 oder in Teile der turbine 1 selbst.
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Fiir-die Verstellung der Zumischrate bieten sich auger der im Ausführungsbeispiel
(Figur 3) gezeigten Möglichkeit des Einsatzes einer verstellbaren Schaummittelpumpe
2 ohne Getriebe 3,folgende weitere Möglichkeiten an - Getriebe 3: Übersetzung verstellbar
Scnaummittelpumpe 2: konstantes Fördervolumen V - Getriebe 3: Übersetzung konstant,
Schaummittelpumpe 2: verstellbares Fördervolumen V - Getriebe 3: entfällt oder Übersetzung
konstant, Schaummittelpumpe 2: konstantes Fördervolumen i, Zumischung über Stromteilung
und Drosselun 11 - Kombinationen der vorgenannten Möglichkeiten
Aus
dem Modell (Figur 2), es handelt sich dabei um ein vereinfachtes Kraft- und Geometriemodell
ohne Getriebe und Wirkungsgrade, läßt sich über die Gleichgewichtsbedingungen die
Dimensionierung vornehmen:
| ( P2 - P3 ) # A # 2 # a # nT # 2 # # = (P4 - PU) # B # 2 #
b # np # 2 # # |
| # |
| Druck |
| # |
| Kraft |
| Moment |
| leistung |
Der notwendige oder gewünschte Einspeisedruck p4 des Schaummittels liegt immer unter
dem Ausgangsdruck PA der Feuerlöschkreiselpumpe 4. Der Druckverlust der Turbine
1 läßt sich über die Baugröße (A,a) der Turbine 1 und über die Baugröße (B,b) der
Schaulumittelpumpe 2 ebenso beeinflussen wie der gewünschte Schaummitteldruck p4.
Die Beeinflussung ergibt sich aus den Relationen A>B und a>b (Figur 2).
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Durch Leistungsverzweigung wird aus der Turbineneingangsleistung Q2.
p2 die hydraulische Turbinenausgangsleistung Q3 p3 und die mechanische Turbinenausgangsleistung
MT # nT # 2 # #, die der Eingangsleistung der Schaummittelpumpe MP np. 2 t gleichzusetzen
ist.
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Da die Turbine 1 im Hauptstrom arbeitet gilt Q2 = Q3 (keine Leckverluste
oder Verlustströme).Q1 kann durchaus ungleich Q2 sein,woraus folgt, daß Schaumstrahlrohre
und Strahlrohre gleichzeitig eingesetzt werden können.
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Wirkungsgrade
| M ' 2 71 + Q3 p3 |
| Turb = |
| Q2 P2 |
Turb inenwirkungs grad
Bestimmende Größen sind Q2 = Q3 und p3. Die
mechanische Leistung nT 2 t ist klein gegenüber der hydraulischen Leistung Q3 p.
Der Wirkungsgrad ist demzufolge zwangsläufig systembedingt günstig. Das (Antriebs)-Moment
MP der Schaummittelpumpe 2 ist proportional der Druckdifferenz ( p4 -
Wirkungsgrad der Schaummittelpumpe z Der Wirkungsgrad der Schaummittelpumpe hängt
wesentlich von der Bauart ab. Die Bedeutung des Wirkungsgrades für die Anordnung
ist systembedingt gering, weil die verlangte Leistung Q4- P4 absolut betrachtet
klein ist.
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Die Turbine 1 des Ausführungsbeispieles (Figur 3) besteht aus dem
Gehäuse 1.3, dem Leitrad 1.4, dem Laufrad 1.5 und den Kupplungen 1.1 und 1.2. Sie
hat nicht nur die Aufgabe hydraulische Energie in mechanische Energie umzuformen
und damit die Funktion der Leistungsbereitstellung für den Antrieb der Schaummittelpumpe
2 zu übernehmen, sie dient gleichzeitig als Meßwertgeber für den Durchfluß Q2 des
Lösch-Wassers.
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Die zu erwartenden Druckverluste (P2 - s) ergeben sich aus der Wellenleistung
MP # np # 2 # # der Schaummittelpumpe 2 und den strömungstechnisch bedingten Reibungsverlusten.
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Die gewünschte Drehzahl nT und das gewünschte Moment Mg können durch
den hydraulisch wirksamen Durchmesser des Laufrades 1.5 der Turbine 1 oder/und durch
die Schaufelanordnung beeinflußt werden, sie können insbesondere wie im Ausführungsbeispiel
(Figur 3) gezeigt so gewählt werden, daß ein Getriebe 3 überflüssig wird und die
gewählte verstellbare Schaummittelpumpe 2 den gewünschten Förderstrombereich Q2
mit der gewünschten Zumischrate Q4 abdeckt.
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Die strömungstechnische Auslegung mit einem über einen großen Durchflußberei
ch Q2 möglichst konstan-,$eliLvolumetrischen Wirkungsgrad (Schlupf) ermöglicht,
daß die Drehzahl nT der Turbine 1 eine dem Durchfluß Q2 weitgehend proportionale
Größe wird.
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Anstelle der Turbine 1 können auch andere Kraftmaschinen eingesetzt
werden, z.B. Ovalradzähler mit geringfügig erhöhter übertragbarer Wellenleistung.
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Als Schaummittelpumpe 2 eignen sich vorzugsweise Pumpen mit Kolbenpumpencharakteristik
des Förderstrom-Druck-Kennfeldes wie Kolbenpumpen, Zahnradpumpen, Zahnringpumpen,
Schlauchpumpen,Membranpumpen, Flügelzellenpumpen (im Ausführungsbeispiel (Figur
3) einhubig und verstellbar und mit Steuernieren 2.3) und andere. Der Sörderstrom
Q4 der Schaummittelpumpe 2 ist weitgehend der Pumpendrehzahl np proportional, er
ist nahezu unabhängig von der Größe der Arbeitsdruckdifferenz (P4 -Die Einstellung
der prozentualen Zumischung kann bei einigen Schaummittelpumpen 2 über die Verstellung
des Fördervolumens pro Umdrehung V erreicht werden, im Ausführungsbeispiel (Figur
3) wird die Verstellung über eine veränderliche Exzentrizität zwischen Rotor und
Stator der Flügelzellenpumpe erreicht. Bei Konstantpumpen kann die Zumischrate durch
die Rückführung eines Teilstromes über das Drosselventil 11 zum Schaummittelbehälter
6 eingestellt werden.
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L e e r s e i t e