Eigenschaften hochviskoser Schaummittel und deren Einfluss auf Zumischsysteme

Von fluorhaltigen zu fluorfreien Schaummitteln

Ob ein Brand erfolgreich gelöscht werden kann, hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Am wichtigsten ist jedoch die richtige Wahl des Schaummittels. In der Vergangenheit waren AFFF- und AFFF-AR-Schaummittel am Weitesten verbreitet. Einer ihrer Hauptbestandteile ist Fluor, da es sehr gute Löscheigenschaften besitzt. So haben fluorhaltige Schaummittel den Vorteil, dass eine Vielzahl verschiedener Chemikalien mit einem einzigen Schaummittel gelöscht werden kann.

In den letzten Jahren sind jedoch in vielen Ländern Gesetze erlassen worden, die Fluor in Schaummitteln verbieten. Fluorfreie Ersatzstoffe sind weithin verfügbar, haben aber den Nachteil, dass sie die fluorhaltigen Schaummittel nicht einfach 1:1 ersetzen können. In vielen Fällen haben fluorfreie Schaummittel (FFF) noch keine Zulassungen, um eine größere Zahl von Chemikalien zu löschen. Zudem müssen oftmals verschiedene fluorfreie Schaummittel für verschiedene Anwendungsfälle eingesetzt werden, wo früher ein einziges fluorhaltiges Produkt ausreichte.

Viskosität

Eine physikalische Eigenschaft, die viele der fluorfreien Schaummittel gemeinsam haben, ist eine erhöhte Viskosität. Schaummittel mit hoher Viskosität (z. B. AFFF-AR) werden seit Jahrzehnten in der Brandbekämpfungsindustrie eingesetzt. Mit dem Übergang zu fluorfreien Schaummitteln muss das Thema Viskosität jedoch stärker berücksichtigt werden. Der Begriff Viskosität bezieht sich auf den Widerstand einer Flüssigkeit gegen Verformung. Je höher die Viskosität, desto dicker und weniger fließfähig ist die Flüssigkeit. Je niedriger die Viskosität ist, desto dünner und fließfähiger ist sie.

Pseudoplastische Schaummittel

Schaummittel mit niedriger Viskosität, wie z. B. AFFF, Hi-Ex, Klasse A oder Mehrzweckschaummittel, werden als Newtonsche Flüssigkeiten bezeichnet. Hochviskose Schaummittel, wie AFFF-AR und FFF, sind oft pseudoplastische Flüssigkeiten. Pseudoplastisch bedeutet, dass sie ihre Viskosität mit der Geschwindigkeit und Verwirbelung, mit der sie bewegt werden, ändern.

Die Viskosität eines pseudoplastischen Schaummittels kann als Funktion der dynamischen Viskosität und der Schergeschwindigkeit charakterisiert werden, wobei die Schergeschwindigkeit die Geschwindigkeit ist, mit der ein Fluid während des Durchflusses bewegt oder "bearbeitet" wird, d. h. aufgrund der Reibung zwischen dem Fluid und der Wand des Rohrleitungssystems oder der durch Rohrwinkel oder Verengungen verursachten Verwirbelungen. Wie bei den einzelnen Viskositätswerten ist eine dynamische Viskositäts-/Schergeschwindigkeitskurve immer mit einer bestimmten Temperatur verbunden.

Abbildung 1 zeigt den Unterschied zwischen einer newtonschen und einer pseudoplastischen Flüssigkeit. FM Approvals hat als Beispiel die Schergeschwindigkeiten von 5 1/s bis 600 1/s als relevant für Schaummittel und Zumischsysteme definiert. 

Im Folgenden werden wir einen Blick auf hochviskose Schaummittel im Allgemeinen werfen und erläutern, was bei der Entscheidung für ein Zumischsystem zu beachten ist.

Die Viskosität von Schaummitteln hat einen großen Einfluss auf die korrekte Zumischung. Hochviskose Schaummittel haben einen deutlich höheren Druckverlust beim Fließen als niedrigviskose Schaummittel. Dies schließt viele Zumischtechniken aus, die auf Druckverhältnissen basieren. Für hochviskose Schaummittel eignen sich in der Regel Zumischtechniken, die mit Verdrängerpumpen arbeiten. Neben den Schaummitteln ist jedes Zumischsystem durch eine Viskositätskurve gekennzeichnet, die beschreibt, bis zu welcher Viskosität Flüssigkeiten verarbeitet werden können. Die Kurve hängt von den technischen Merkmalen der jeweiligen Zumischtechnik und dem Systemaufbau ab.

Dimensionierung der Saugleitung

So variiert beispielsweise die Viskosität eines pseudoplastischen Schaummittels in Abhängigkeit von der Saugleitung. Ein kleiner Saugleitungsdurchmesser oder eine lange Saugleitung mit vielen Winkeln erzeugt eine hohe Scherrate, was zu einem großen Druckabfall führt. Dabei ist nicht nur der Durchmesser der Saugleitung selbst zu berücksichtigen, sondern auch eventuelle Verengungen in der Leitung. Dazu gehört zum Beispiel der Auslass des Schaummittelbehälters. Ein 2"-Auslass eines IBC wird der begrenzende Faktor sein, selbst wenn eine 4"-Saugleitung verwendet wird.

Nach unseren Erfahrungen liegen die zulässigen Strömungsgeschwindigkeiten für newtonsche Schaummittel in der Saugleitung im Bereich von 1,0 m/s bis 1,2 m/s. Für hochviskose pseudoplastische Schaummittel liegen sie bei 0,6 m/s bis 0,8 m/s. Um also die gleichen Volumenströme zu erreichen, müssen für hochviskose Schaummittel größere Rohrdurchmesser verwendet werden.

Darüber hinaus sollte bei der Dimensionierung der Ansaugleitung berücksichtigt werden, dass unter den Betriebsbedingungen des niedrigsten und des höchsten zu erwartenden Wasserdurchflusses sowie der niedrigsten und der höchsten zu erwartenden Schaummitteltemperatur im Vorratsbehälter und in der Ansaugleitung Unterschiede im Druckabfall auftreten können.

Die Berücksichtigung der Viskositätskurve ist besonders wichtig bei der Beurteilung eines Zumischsystems, das mit unterschiedlichen Durchflussmengen arbeiten soll.

In Abbildung 2 ist das Zumischsystem in der Lage, das Schaummittel 1 zu dosieren, hat aber möglicherweise Schwierigkeiten mit Schaummittel 2. Die Kurve des Schaummittels 2 übersteigt die Kurve des Zumischsystems ab einer Scherrate von etwa 90 1/s. Um zu überprüfen, ob die Kombination von Zumischsystem und Schaummittel 2 verwendet werden kann, werden physikalische Tests empfohlen. Dabei ist stets zu beachten, dass die Viskositätskurve der niedrigsten zu erwartenden Temperatur, der das System ausgesetzt werden kann, verwendet werden sollte.

Lufteinschluss

Eine weitere große Herausforderung bei der Handhabung hochviskoser Schaummittel ist der Lufteinschluss. Bei hochviskosen, pseudoplastischen Schaummitteln können die Luftblasen, die während des Transports oder des Nachfüllens entstehen, in der Flüssigkeit verbleiben und somit die Zumischrate beeinflussen. 10 % Lufteinschluss bedeutet eine um 10 % reduzierte Zumischrate, sodass aus 3 % effektiv 2,7 % werden.

Im Folgenden werden verschiedene Arten von Zumischsystemen hinsichtlich der Auswirkungen beim Übergang von einem Newtonschen zu einem hochviskosen, pseudoplastischen Schaummittel verglichen.

Venturi-Zumischsysteme

Bei der Verwendung von selbstansaugenden Venturi-Zumischsystemen ist der limitierende Faktor für die Umstellung auf ein hochviskoses Schaummittel die begrenzte Saugfähigkeit des Venturi-Geräts. Die Saugleitungen müssen im Allgemeinen einen großen Durchmesser haben und sehr kurz sein, wenn sie überhaupt funktionieren, da die Saugfähigkeit des Systems nur durch den Wasserstrom erzeugt wird. Außerdem muss damit gerechnet werden, dass der Druckabfall in der Löschwasserleitung sehr hoch sein wird.

Blasentank mit Mehrbereichszumischer

Will man weiterhin einen Blasentank mit einem Mehrbereichszumischer verwenden, so kann der Druckabfall in der Verbindungsleitung zwischen Blasentank und Zumischsystem aufgrund des Reibungsverlustes ein limitierender Faktor sein. In jedem Fall müssen die Verrohrung der Schaummittelleitung und die Venturidüsen an die hohe Viskosität des Schaummittels angepasst werden. Sehr verbreitet ist der Einsatz von Mehrbereichszumischern mit einer Zahnradpumpe, bei denen überschüssiges Schaummittel in den Schaummitteltank zurückgeführt wird. Wie bei allen Systemen müssen die Saug- und Schaummitteleinspritzleitungen im Durchmesser vergrößert werden, um einen besseren Durchfluss von hochviskosen Schaummitteln zu ermöglichen. Andernfalls müssen die Einstellungen der Mehrbereichszumischer an die Eigenschaften des neuen Schaummittels angepasst werden, um korrekte Zumischraten bei unterschiedlichen Durchflüssen zu gewährleisten. Zahnradpumpen arbeiten im Allgemeinen gut mit höher viskosen Flüssigkeiten. Eine Erhöhung des Gegendrucks einer Löschanlage führt jedoch bei geringen Durchflussmengen zum Austritt von Schaummittel.

Elektronische Zumischsysteme

Bei elektronischen Zumischsystemen mit Zahnradpumpe, bei denen überschüssiges Schaummittel in den Schaummitteltank zurückgeführt wird, müssen die Ansaug- und Schaummitteleinspritzleitungen angepasst werden. Andernfalls ist es erforderlich, das System auf die Eigenschaften des höherviskosen Schaummittels neu zu kalibrieren.

Mechanische Zumischsysteme

Zumischsysteme, die einen Wassermotor mit einer Zahnradpumpe verwenden, benötigen neue Rohrleitungen, um das hochviskose Schaummittel aufnehmen zu können. Darüber hinaus müssen die minimalen und maximalen Wasserdurchflüsse überprüft werden, da Zahnradpumpen je nach Wasserdurchfluss und Gegendruck im Löschwassersystem unterschiedlich viel Schaummittel auslaufen lassen. Hohe Gegendrücke und niedrige Wasserdurchflüsse können sich verstärkt auf die Leckage auswirken, sodass die Abmessungen der Zahnradpumpe für die erforderlichen Wasserdurchflüsse überprüft werden sollten.

Bei Verwendung eines wassermotorgetriebenen Zumischsystems mit Kolbenpumpe muss die Saugleitung zwischen Schaummitteltank und Pumpe angepasst werden. Ansonsten sind keine Änderungen zu erwarten, da die Kolbenpumpe keine Leckage aufweist. Anbieter von wassermotorgetriebenen Zumischsystemen mit Kolbenpumpe verwenden zwei verschiedene Pumpentypen. Zum einen Industriepumpen, die für die Förderung von niedrigviskosen Newtonschen Flüssigkeiten wie Wasser ausgelegt sind. Zum anderen Pumpen, die speziell für hochviskose pseudoplastische Flüssigkeiten wie Schaummittel ausgelegt sind. Letztere, speziell entwickelte Pumpen, haben bei der Verwendung von hochviskosen Schaummitteln in der Regel einen höheren Wirkungsgrad als die gewöhnlichen Industriepumpen.

Die wasserbetriebenen FireDos GEN III Zumischsysteme verwenden ausschließlich hausintern entwickelte Kolbenpumpen, die sowohl für den Einsatz von niedrigviskosen newtonschen als auch hochviskosen pseudoplastischen Schaummitteln entwickelt und getestet wurden. Darüber hinaus sind alle Systeme mit Schaummittelrücklaufleitungen ausgestattet, die das umweltfreundliche Testen der Zumischrate ermöglichen, ohne dass Premix oder Löschschaum erzeugt werden muss.  

Bei allen Zumischsystemen ist zu beachten, dass die oben genannten Viskositätskurven (siehe Bild 2) für die Zumischgeräte und die Schaummittel kompatibel sind. Eine Umstellung von einem Newtonschen auf ein hochviskoses Schaummittel ist bei richtiger Planung für fast alle Zumischtechnologien möglich. Die Umstellung muss sorgfältig geplant und durchgeführt werden, und es wird empfohlen, für die Umstellung spezialisierte Unternehmen hinzuzuziehen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich im März 2024 auf Englisch im Magazin International Fire Fighter veröffentlicht.