Zumischer für hochviskose (fluorfreie) Schaummittel: Das gilt es zu beachten

Die richtige Zumischung und Handhabung von Schaummitteln, die in Löschanlagen zum Einsatz kommen, hat einen enormen Einfluss auf deren Löschwirkung. Besonders zu beachten sind die physikalischen Eigenschaften der Schaummittel – allen voran deren Viskosität, also die Zähflüssigkeit. Dabei stellen hochviskose Schaummittel besondere Anforderungen an die Zumischer.

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Die Viskosität von Schaummitteln ist wichtig, da sie einen erheblichen Einfluss auf die Wahl und Auslegung der Zumischeinrichtung und damit den Löscherfolg hat.

Ingo Weiss, Sales Manager bei FireDos und Experte in Sachen Zumischsysteme

Seit der Einführung der ersten Schaummittel (auch: Schaumlöschmittel) zur Bandbekämpfung in 1877 ist eine Menge Forschungsarbeit in die Entwicklung neuer Konzentrate gesteckt worden. Mittlerweile gibt es eine große Vielfalt an unterschiedlichen Schaummitteln für die unterschiedlichsten Anwendungen und Einsatzfälle und mit variierenden Eigenschaften, zum Beispiel der Viskosität. Je größer die Viskosität ist, desto dickflüssiger (weniger fließfähig) ist eine Flüssigkeit. Je niedriger die Viskosität, desto dünnflüssiger (fließfähiger) ist sie. Man unterscheidet bei der Viskosität von Schaummitteln zwischen

newtonschen Flüssigkeiten mit linear viskosem Fließverhalten, z. B. die niedrigviskosen Löschmittel AFFF, Hi-Ex, Class A und MBS und
nicht-newtonschen Flüssigkeiten, also strukturviskose Schaummittel wie AFFF-AR und FF (fluorfreie Schaummittel).

Die Auswahl des passenden Schaummittels hängt von der Anwendung bzw. dem zu schützenden Risiko ab. Handelt es sich um brennbare Feststoffe oder Flüssigkeiten? Zum Löschen polarer Flüssigkeiten eignen sich andere Schaummittel als zum Löschen nicht polarer Flüssigkeiten. Polare Stoffe, wie z. B. Wasser, besitzen Dipol-Kräfte, die zwischen den Molekülen wirken. Brennbare polare Flüssigkeiten, wie z. B. Alkohol oder Aceton sind mit Wasser mischbar – unpolare Flüssigkeiten, wie z. B. Benzin oder Heizöl hingegen nicht.

Niedrigviskos

Newtonsche Flüssigkeiten
z. B. AFFF, Hi-Ex, Class A, MBS ...

Hochviskos

Nicht-newtonsche, strukturviskose Schaummittel
z. B. AFFF-AR und FF

Hochviskose Schaummittel: Welche Zumischtechnik ist die richtige?

Die Viskosität von Schaummitteln hat einen erheblichen Einfluss auf die richtige Zumischung zum Löschwasserstrom. Hochviskose Schaummittel haben einen deutlich größeren Druckverlust beim Fließen als ein niedrigviskoses Schaummittel. Dadurch scheiden viele Zumischtechniken aus, die auf Druckverhältnissen basieren. Geeignet sind hingegen Zumischtechniken, die auf die Förderung des hochviskosen Schaummittels mit Pumpen setzen. Da das größte Problem beim Handling hochviskoser Schaummittel der Lufteintrag ist, eignen sich für die Förderung nur Verdrängerpumpen. Handelsübliche Fasspumpen kommen nicht in Frage, weil generell Kreiselpumpen ungeeignet sind. Diese führen zu einem sehr starken Lufteintrag beim Fördern. Aufgrund der hohen Viskosität kann diese Luft nicht entweichen und das Schaummittel wird dadurch unbrauchbar.

Ein Versuch mit hochviskosem Schaummittel

Bei der Förderung entsteht starker Lufteintrag.

Noch besser zu sehen ist der Lufteintrag beim Umfüllen in eine transparente Säule.

Anforderungen an die Schaummittelpumpe: Auf die Saugleitung kommt es an

Die Viskosität des Schaummittels beeinflusst maßgeblich den Druckverlust beim Fließen durch die Ansaugleitung. Deshalb ist die richtige Dimensionierung der Saugleitung ganz entscheidend für die korrekte Zumischung des Schaummittels. Betrachtet man die wichtigsten Betriebsgrößen einer Pumpe, wird der Zusammenhang zwischen Viskosität des Schaummittels, Saugvermögen der Pumpe sowie Durchmesser der Saugleitung deutlich. Die maßgeblichen Werte sind:

NPSH-Wert

Jede Pumpe hat einen bestimmten NPSH-Wert (Net Positive Suction Head), auch als Saugkapazität bezeichnet. Der Wert ist dem Datenblatt des Herstellers zu entnehmen. Er ist abhängig von der Art der Pumpe und der Drehzahl. Vereinfacht ausgedrückt ist der NPSH-Wert der Unterdruck bzw. die Druckabsenkung, den die Pumpe im Saugstutzen erzeugt.

Volumetrischer Wirkungsgrad

Effektiv geförderter Volumenstrom in Relation zum theoretisch geförderten Volumenstrom.

Volumetrischer Wirkungsgrad als Funktion des Gegendrucks bei unterschiedlichen Drehzahlen mit einer Flüssigkeit von 1000 mPa*s.
Rote Linie: Kolbenpumpe
Blaue Linie: Zahnradpumpe

Auslegung der Ansaugleitung für die Schaummittelpumpe

Bei der Auslegung der Ansaugleitung sind zwei Limitierungen zu berücksichtigen: Zum einen die maximal zulässigen Strömungsgeschwindigkeiten und zum anderen der Druckverlust in der Ansaugleitung. Die Grenzwerte für die max. Strömungsgeschwindigkeiten resultieren aus dem Gesetz von Bernoulli.

Fließ-/Strömungsgeschwindigkeit

Je nach Viskosität haben Schaummittel unterschiedliche maximal zulässige Fließgeschwindigkeiten. Für Schaummittel mit einer dem Wasser ähnlichen Viskosität, die unabhängig vom Bewegungszustand ist (Newtonsche Flüssigkeit, z.B. AFFF-Schaummittel), sollte eine Fließgeschwindigkeit von 1,0 bis 1,2 Meter in der Sekunde in der Ansaugleitung nicht überschritten werden.

Für pseudoplastische Schaummittel mit einer vom Bewegungszustand abhängigen Viskosität (nicht-Newtonsche Flüssigkeit, z.B. AFFF-AR-Schaum) darf die Fließgeschwindigkeit von 0,6 bis 0,8 Meter in der Sekunde nicht überschritten werden.

Beim Überschreiten der zulässigen Fließgeschwindigkeiten kann es zum Verdampfen von Bestandteilen des Schaummittels kommen, was sich in einer explosionsartigen Volumenvergrößerung und einem einhergehenden Druckschlag äußert.

Dimensionierung der Schaummittelsaugleitung

Die Saugleitung einer Schaummittelpumpe muss so dimensioniert sein, dass sie den Druckverlusten bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen Rechnung trägt:

niedrigste / höchste erwartete Schaummittelmenge
niedrigste / höchste erwartete Schaummitteltemperatur in der Saugleitung

Bei der Berechnung der Dimensionierung der Schaummittelsaugleitung müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Dies sind im Einzelnen der Höhenunterschied zwischen Schaumtank und Schaummittelpumpe, die Schaummitteldichte, die Erdbeschleunigung, die Länge der Saugleitung sowie der Druckverlustkoeffizient als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit und der Viskosität des Schaummittels und schlussendlich die Strömungsgeschwindigkeit.

Mithilfe dieser Formel kann die Dimension der Schaummittelsaugleitung zwischen Tank und Pumpe berechnet werden.

Beeinflussbare Faktoren für die Gestaltung der Saugleitung sind:

h, der Höhenunterschied zwischen Ausgang am Schaummitteltank und Eingang an der Schaummittelpumpe
L_Total, die Länge der Ansaugleitung
d_i, der Innendurchmesser der Ansaugleitung

Ohne Viskositätsangaben sind keine Druckverlustberechnungen möglich, denn der Druckverlustkoeffizient berechnet sich wie folgt:

Doch nicht nur die richtige Dimensionierung der Ansaugleitung ist entscheidend. In der Anwendung sollten zur störungsfreien Förderung des Schaummittels durch die Schaummittelansaugleitung folgende Hinweise beachtet werden:

Die Saugleitung sollte so einfach wie möglich gebaut und so kurz und gerade wie möglich sein. Nichtstetige Leitungsführungen sowie Blindleitungen gilt es zu vermeiden da diese nicht komplett entlüftet werden können. Wird die verbleibende Luft dann mit in die Pumpe gerissen führt das zu erheblichen Druckschlägen, die wiederum zu Beschädigungen führen können.
Vermieden werden sollten auch die Anwendung einer gemeinsamen Ansaugleitung für mehrere Tanks. Im Saugbetrieb kann über diese gemeinsame Verbindung kein Niveauausgleich zwischen den Tanks erfolgen und es wird lediglich der Tank leer, von dem aus der geringste Druckverlust bis zur Pumpe besteht. Ist dieser Tank leer, wird Luft angesaugt, was wiederum zu Druckschlägen und Beschädigungen führt.
Ebenso sollten gemeinsame Saugleitungen für mehrere Pumpen vermieden werden. Hier besteht die Gefahr, dass der Druckverlust in der Saugleitung von Pumpe zu Pumpe geringer ist als der Druckverlust von der Pumpe zum Tank. Dann versucht eine Pumpe der anderen das Schaummittel abzusaugen was zu Kavitation und Beschädigung führt.
Zusätzlich ist darauf zu achten, dass der Anschluss am Schaummitteltank und alle Armaturen in der Leitung mindestens den gleichen Durchmesser haben wie die Ansaugleitung selbst da es sonst wiederum zu Druckverlusten kommt.
Zudem muss die Saugleitung vakuumdicht sein. Eine Druckprüfung der Ansaugleitung zur Überprüfung reicht nicht aus, da Dichtungen bei Über- und Unterdruck unterschiedlich belastet werden und eine druckdichte Leitung nicht vakuumdicht sein muss.

Die Schaummittelansaugleitung sollte möglichst kurz und gerade ausgelegt sein.

Anders als in diesem Beispiel ist eine einfache Auslegung der Ansaugleitung vorteilhaft.

Eine gemeinsame Schaummittelsaugleitung für mehrere Tanks gilt es zu vermeiden.

Fazit

Die Viskosität ist die wichtigste physikalische Eigenschaft eines Schaummittels im Hinblick auf die Förderung in der Ansaugleitung und damit der Zumischung und entscheidet über dessen Einsatzmöglichkeiten in einer Löschanlage. Hochviskose Schaummittel können nur mit der richtigen Zumischtechnik, basierend auf Verdrängerpumpen, effizient eingesetzt werden. Ferner ist die richtige Zumischung des Schaummittels von der Dimensionierung der Schaummittelsaugleitung abhängig. Neben der korrekten Dimensionierung ist besonders auf einen möglichst gradlinigen Leitungsverlauf zu achten.

FireDos bietet mit GEN III eine komplette Baureihe an Zumischern an, die speziell auch zur Förderung hochviskoser Schaummittel entwickelt wurde.

GEN III ist ein hydraulisch betriebener Schaummittel-Zumischer zur Brandbekämpfung. Das kompakte und robuste System ist für alle Arten von Schaummitteln geeignet - auch für extrem hochviskose, alkoholbeständige und fluorfreie Schaummittel. Zudem ermöglicht GEN III eine kostengünstige und umweltschonende Lösung zum Testen der Zumischrate, ganz ohne Schaumerzeugung – ohne Verbrauch von Schaummittel und ohne Entsorgung von Premix.