Verfahren zur Optimierung des Löschmittelverbrauchs und/oder der Löschzeit und Vorrichtung zum Löschen von Fest- und Flüssigkeitsbränden

Abstract

 Zur Optimierung der Löschzeit und Verbrauchsmenge des Löschwassers für eine vollständige Löschung beliebiger Brände werden mit thermodynamischen und strömungsmechanischen Methoden die Löschparameter für eine Löschvorrichtung und das Löschverfahren ermittelt. Es wird zunächst die Entwicklung des Brandgasstroms und das Verhalten von aus einer Düse austretenden Wassertropfen in diesem Gasstrom ermittelt. Durch die Erkenntnis der Zusammenhänge zwischen Wassertropfengeschwindigkeit, -grösse und -verdunstung können die Eigenschaften der Wassertropfen, die zur Löschung notwendig sind, berechnet werden. Die Anlagenparameter Druck, Wasserdurchsatz und Rohrleitungsdimensionen werden dann so abgestimmt, dass die gewünschten Wassertropfen entstehen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Löschmittelverbrauchs und/oder der Löschzeit bei einer mindestens einen Druckbehälter zur Bevorratung des Löschmittels, ein Rohrleitungssystem und eine Anzahl Düsen aufweisenden Löschvorrichtung, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

[0002] Es ist Stand der Technik, Räume und Sachwerte mit sogenannten Sprinklersystemen vor Feuer zu schützen. Diese stationär installierten Systeme arbeiten mit Wasserdrücken zwischen 2 und 10 bar und erzeugen im Einsatzfall Tropfen mit einem mittleren Durchmesser um 1 mm. Die Sprinkler-Düsen sind im Schutzbereich so angeordnet, dass die Wasserstrahlen einander überdecken und so den unteren Teil eines Schutzbereichs völlig benetzen können. Die Richtlinien zur Installation von herkömmlichen Sprinklersystemen, wie sie in Deutschland vom Verein der Sachversicherer (VdS) und in der Schweiz vom Brandverhütungsdienst (BVD) festgelegt sind, verlangen die Beherrschung eines Brandes, fordern eine Löschung des Feuers jedoch nicht. Durch die hydrodynamischen Randbedingungen von Sprinklersystemen kann man zeigen, dass die Sprinklertropfen bei grösseren Brandleistungen (über 1 MW) die Reaktionszone nicht mehr erreichen und nur noch die unmittelbare Umgebung des Brandherdes zu kühlen vermögen, das Feuer aber nicht löschen.

[0003] Zusammengefasst haben Sprinkler-Systeme, die nach den anerkannten Vorschriften installiert sind, folgende Nachteile:

• In den meisten Fällen nur Brandbeherrschung und keine Brandlöschung
• Einsatz von grossen Wassermengen und dadurch verursachter Sachschaden.

[0004] Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wasser verwendendes Löschverfahren und eine Löschvorrichtung zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeiden. Insbesondere soll die Erfindung eine vollständige Löschung bei optimalem Löschwasserverbrauch ermöglichen.

[0005] Die Erfindung beruht auf umfangreichen thermodynamischen und strömungsmechanischen Berechnungen, die es ermöglichen für Brände verschiedener Art in beliebigen Räumen die Brandleistung und Brandgasentwicklung zu ermitteln und die zur Löschung notwendigen Löschparameter zu berechnen. Dieses Löschverfahren ist in Anspruch 1 umschrieben. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Löschverfahrens und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 festgehalten.

[0006] Für einen gegeben Brand wird zunächst die Entwicklung des Brandgasstroms anhand eines Brandmodells ermittelt. Insbesondere werden die Aufstiegsgeschwindigkeiten und Temperatur der Brandgase in Abhängigkeit der Abbrandrate (Brandleistung), der Brennqualität, der Brandfläche und der Raumhöhe bestimmt.

[0007] Darauf wird das Verhalten von Wassertropfen nach ihrem Austritt aus einer Düse in den entgegenströmenden Brandgasstrom sowie die resultierende Abkühlung des Brandgases beschrieben. Insbesondere werden die Geschwindigkeit und Verdunstung, d.h. die Temperatur und Massenabnahme, von Tropfen als Funktion der Raumhöhe oder Distanz zum Brandherd ermittelt. Ausschlaggebend für die Löschfähigkeit ist die Menge und Masse der Tropfen, die den Brandherd erreichen. Diese Tropfenparameter werden näher in Abhängigkeit vom Wasserdurchsatz, der Tropfengrösse und -geschwindigkeit beim Austritt aus der Düse, und der Raumhöhe beschrieben. Somit können die für eine Brandlöschung optimalen Werte von Tropfengrösse und - geschwindigkeit, Wasserdurchsatz sowie Löschdauer und somit der gesamte Menge versprühten Wassers bestimmt werden. Schliesslich können für einen gewählten Typ von Wasserdüse der Wasserdruck, die Dimensionierung eines Rohrleitungssystems und der Wasserdurchsatz pro Sekunde bestimmt werden, sodass Tropfen von der gewünschten Art entstehen.

[0008] Das Berechnungsvorgehen für die Bestimmung der obengenannten Abhängigkeiten wird anhand von Beispielen aus der Praxis und in den Figuren 1-4 gezeigt.

[0009] Es wird von einem Referenzfall mit erfolgreicher Löschung ausgegangen, bei dem in einem 8 m hohen Raum ein Stapel von Papier und Kunststoff auf einer Fläche von 4 m² Grösse als Brandmaterial vorliegt. An der Decke des Raumes sind Sprinkler angebracht mit folgenden Sprinkerdüsenbedingungen: 5 kg/s Wasserdurchsatz, -15 m/s Austrittsgeschwindigkeit und 2 mm Tropfengrösse. Der Abbrand des Brennstoffs mit 20 MJ/kg Heizwert wurde mit folgenden Ergebnissen simuliert: Maximale Gastemperatur von 950°C, Abbrandrate von 0.51 kg/s und maximaler Gasgeschwindigkeit von 7.7 m/s. Figur 1a) zeigt für diesen Referenzfall das Absinken der Tropfengeschwindigkeit als Funktion der Raumhöhe von -15 m/s auf -3 m/s. Figur 1b) zeigt den Verlauf der Tropfentemperatur von 20°C auf 74°C, wo keine Verdampfung aber eine Verdunstung mit starker Abkühlwirkung der Gase stattfindet. Figur 1c) zeigt den Verlauf der Brandgastemperatur auf 556°C.

[0010] Die Figur 2 zeigt das simulierte Verhalten von kleineren Tropfen von 1.5 mm mittlerem Durchmesser. Hier zeigt die Simulation, dass die Geschwindigkeit von Tropfen von dieser Grösse bei einer Höhe von 3 m auf Null absinkt und somit die Tropfen weggetragen werden und keine Löschung stattfinden kann.

[0011] In Figur 3 ist die Wirkung von einer tieferen Austrittsgeschwindigkeit von -5 m/s gezeigt. Hier geht von der Simulation hervor, dass die Austrittsgeschwindigkeit eine starke Auswirkung auf die Löschfähigkeit hat. Die Tropfengeschwindigkeit fällt wiederum bereits bei 3 m oberhalb des Brandherdes auf Null.

[0012] Anders ist die Situation in Figur 4, die das Verhalten von Tropfen zeigt, die von einer niedrigeren Raumhöhe von 4 m ausgeprüht werden. Die Tropfen bewegen sich noch bei einer Geschwindigkeit von -1 m/s beim Auftreffen auf den Brandherd und bewirken eine Löschung.

[0013] Diese Berechnungen lassen erkennen, dass für eine gegebene Brandleistung durch eine optimale Kombination zwischen Tropfengrösse, Tropfengeschwindigkeit und Abstand der Sprinklerdüse vom Brandherd eine Brandlöschung innerhalb von Sekunden mit optimiertem Wasserverbrauch möglich ist. Umfangreiche Testreihen haben diesen Sachverhalt bestätigt. Figur 5 zeigt experimentell bestimmte Werte der Löschparameter Wirkdruck an der Düse und Wasserdurchsatz für eine Anzahl verschiedener eingesetzter Düsentypen und Brände, nämlich Holz-, Benzin-, Aethanol-, PET- und Heptanbrände. Die eingesetzten Düsentypen waren zum Beispiel Vollkegel-, Hohlkegel-(Drallkammer-), Mehrloch- und Einlochdüsen. Die Werte innerhalb des eingezeichneten Rahmens haben innerhalb einer Zeitspanne von 5-15 Sekunden nach Beginn der Löschung zu einer erfolgreichen Löschung geführt und entsprechen den Werten, die durch die Berechnungen für den gegebenen Raum und Brand errechnet worden sind. Die Werte ausserhalb des Rahmens haben zu keiner vollständigen Löschung.

[0014] Es ist bekannt, dass bei sogenannten trockenen Sprinklersystemen, bei denen die Rohrleitungen von der Wasserbevorratung bis zu den Düsen wasserfrei gehalten werden, das Anfahren brandfördernd sein kann. Während der Anfahrzeit wird die Luft aus den Leitungen über die Düsen in diesen Brandbereich geblasen, was den Brand anfachen oder bei Flüssigkeiten den Brand vergrössern kann. Im Patentanspruch 3 ist ein Verfahren zur Dämpfung diese Luftstosses beschrieben, indem in der Rohrleitung ein sich langsam öffnendes Ventil integriert wird. Ein weiteres Verfahren zur Dämpfung des Luftstosses durch Druckpolstergefässe ist im Patentanspruch 4 beschrieben.

[0015] In Figur 6 ist eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung näher erläutert.

[0016] Bei der Installation eines solchen Systems ist darauf zu achten, dass mittels der oben erwähnten thermodynamischen und strömungsmechanischen Methoden folgende Anlagegrössen auf das potentielle Brandgut abgestimmt werden:

• Abstand zwischen Düse und Brandquelle
• Düsenöffnungen und Sprühwinkel
• Anzahl Düsen
• Wasserdurchsatz
• Rohrleitungsdurchmesser
• Vorratsdruck
• Vorratsmenge
• Öffnungszeit des Ventils nach dem Sammelrohr

Der Wasservorrat wird in einer oder mehreren Druckflaschen gelagert. Die Druckflaschen 1 sind nur zu etwa 60% mit Wasser gefüllt. Darüber wird mit einem inerten Gas wie zum Beispiel Stickstoff oder Kohlendioxid ein Gaspolster aufgebracht. Der Vorratsdruck in den Flaschen ist vom nachfolgenden Rohrleitungssystem und den Düsen abhängig und liegt in der Regel zwischen 20 und 100 bar. Jede Flasche kann über ein Behälterventil 2 geöffnet werden. Die Auswertung erfolgt, gemäss dem Stand der Technik, über eine elektrische oder pneumatische Kraft, die über eine Löschzentrale 3 freigegeben wird. Durch die Wasserbevorratung in Flaschen ist die Löschwassermenge vorgegeben. Eine zu grosse Löschwassermenge, die die zu schützenden Sachwerte mehr schädigt als schützt, ist daher ausgeschlossen.

[0017] Im Falle eines Brandes löst der Brandmelder 4 über die Löschzentrale 3 die Ansteuerkraft für alle Behälterventile 2 aus. Das Wasser wird von den Gaspolstern in den Flaschen durch die Tauchrohre 5 in das Sammelrohr 6 gepresst. Das Sammelrohr wird durch ein Ventil 7 vom Leitungssystem 8 getrennt. Die Löschzentrale öffnet das Ventil 7 innerhalb 5 bis 30 Sekunden vollständig. Mit diesem verzögerten Öffnen wird ein gefährlicher Luftstoss aus den Düsen 9 in die Brandzone verhindert. Das sich langsam Öffnende Ventil 7 kann ein marktübliches Motorventil sein, vorzugsweise wird jedoch ein sich langsam öffnender Kugelhahn eingesetzt.

[0018] Das Rohrleitungssystem 8 kann vom Sammelrohr 6 bis zu den Düsen 9 bis zu 100 m lang sein. Die Rohrdurchmesser sind auf die hydraulischen Anforderungen des Löschsystems (Durchsatz und Druckabfall) abzustimmen, wobei zu beachten ist, dass in den Rohren ein Gas-Flüssigkeitsgemisch strömen kann.

[0019] Um bei stark asymmetrischen Leitungssystemen mögliche Anfahrluftstösse zu verhindern, sind vor der Düse 9 sogenannte Druckpolster-Gefässe 10 vorzusehen. Diese leeren Behälter (auch Windkessel genannt) können Druckstösse ähnlich einer Gasfeder abdämpfen. Diese Zusatzvorrichtung ergänzt das sich langsam öffnende Ventil 7 zur Beherrschung des Anfahr-Luftstosses.

[0020] Die Düsen 9 können von unterschiedlicher Konstruktion sein. Die hydraulischen Eigenschaften sind jedoch für jeden Düsentyp auszumessen und in den Auslegungsberechnungen zu berücksichtigen. Versuche haben gezeigt, dass sogenannte Drallkammerdüsen besonders geeignet sind, da die Austrittsöffnungen dieser Düsen gross sind und dadurch keine Verstopfungsgefahr besteht.

Ansprüche

1. Verfahren zur Optimierung des Löschmittelverbrauchs und/oder der Löschzeit bei einer mindestens einen Druckbehälter zur Bevorratung des Löschmittels, ein Rohrleitungssystem und einer Anzahl Düsen aufweisenden Löschvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Brandgasentwicklung für beliebige Brände berechnet und für eine gegebene Düsenkonstruktion der Zusammenhang zwischen Tropfengrösse, Tropfengeschwindigkeit, Wasserdurchsatz und Druck mittels thermodynamischen und strömungsmechanischen Methoden ermittelt wird und dass einer oder mehrere der Löschparameter Druck, Wasserdurchsatz, Tropfengrösse und -geschwindigkeit auf das potentielle Brandgut abgestimmt werden.

2. Vorrichtung zum Löschen von Fest- und Flüssigkeitsbränden mit optimalem Löschwasserverbrauch in optimaler Löschzeit mit mindestens einem Druckbehälter mit entsprechenden Behälterventilen zur Bevorratung des Wassers, einer Einrichtung, um das Löschmittel mit Gas auf einen Druck zwischen 20 und 100 bar zu bringen, einem Rohrleitungssystem und einer Anzahl Düsen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Löschung innerhalb von wenigen Sekunden einer oder mehrere der Löschanlagenparameter Druck, Wasserdurchsatz, Vorratsmenge, Abstand zwischen Düse und Brandquelle, Düsenöffnungen und Sprühwinkel, Anzahl Düsen und Rohrleitungsdimensionen mit Hilfe von thermodynamischen und strömungsmechanischen Methoden auf das potentielle Brandgut abgestimmt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung eines Druckstosses in der Zuleitung zur Düse die Rohrleitung zusätzlich zu den Behälterventilen ein sich langsam öffnendes Ventil zwischen den Behälterventilen und den Düsen aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung eines Druckstosses in der Zuleitung zur Düse vor den einzelnen Düsen ein Druckpolstergefäss angebracht ist, wodurch ein natürliches Gaspolster entsteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Düse eine Drallkammerdüse aufweist.

Zeichnung