DUSENANORDNUNG ZUR ERZEUGUNG EBENER SPRUHFELDER
Stand der Technik
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.
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.
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 Durchgangsoder 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 AI 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 .
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 1/m3 * min-1 eingestellt. Eine dementsprechende Anordnung ist in der DE 100 19 537 AI 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 -wasche.
Die Erfindung und ihre Vorteile
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 nur noch zu dem den Erfordernissen des Raumes entsprechenden Rohr system aneinandergereiht werden müssen. Zur Verbindung der einzelnen Vernebelungsmodule sind an sich bekannte Verbindungssysteme verwendbar.
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.
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. 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.
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.
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.
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. 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.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Hohlkegeldüsen verwendet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat sich die Winkeldifferenz der axialen Auslenkung benachbarter Düsen zwischen 1° und 10° als ausreichend geeignet erwiesen.
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.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beispielbeschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Hierbei zeigen
Fig. 1 einen Vernebelungsmodul mit vier Düsen und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des durch das in Fig. 1 gezeigte Vernebelungsmodul erzeugten ebenen Sprühfeldes.
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 Verkehrs tunnels, sind die einzelnen Wassernebelmodule direkt oder über kurze Rohrteile miteinander verbunden. Fig. 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 ihren 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 ß an dem Wassernebelmodul 1 angeordnet sind, wobei sich die Werte für die Sprühwinkel γ und ß auf eine waagerechte Anordnung des
Wassernebelmoduls 1 beziehen. Dabei wird der radiale Sprühwinkel γ in der y-z-Ebene und der axiale Sprühwinkeln ß in der x-z-Eben jeweils von der positiven z-Achse aus gemessen.
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.
Schematisch ist dieser Sachverhalt auch in Fig. 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 Fig. 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 Tropfen Spektrum 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 1/min Wasser benötigt, um eine Reichweite von 3,00 m bei einer Wirkungsbreite von 1,50 m zu erreichen.
Für die Erzeugung eines horizontalen Sprühfeldes wird das Wassermodul 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 1/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.
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.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszahlenliste
1 Wassernebelmodul
2 bis 5 Wassernebeldüsen 6 bis 9 Wassernebelkegel 10 Sprühfeld ß axialer Sprühwinkel (Auslenkung der Wassernebeldüse) γ radialer Sprühwinkel (Auslenkung der Wassernebeldüse) δ Sprühwinkel