Bei vielen Bränden lässt sich mit Wasser allein kein Löscherfolg erzielen. Mittels unterschiedlicher Systeme werden dann Additive (wie Schaummittel) dem Wasser beigemischt. Wir stellen die gängigsten Zumischtechniken mit ihren Vor- und Nachteilen vor.
Seit dem Beginn der Industrialisierung genügt es nicht mehr, für die Brandbekämpfung ausschließlich mit Wasser vorzugehen. Vielmehr werden Additive verwendet, die die natürlichen Eigenschaften des Wassers gezielt verändern. Mittels Zumischsystemen werden diese Additive dem Löschwasser in einem bestimmten Verhältnis zugemischt. Dadurch entstehen Löschmittel mit veränderten Löscheigenschaften. Aktuell werden die unterschiedlichsten Schaumlöschmittel, Netzmittel, Gelbildner und Flüssigkeiten (vor allem für die Dekontamination) angeboten.
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Beim Zumischprozess ist eine gewisse Genauigkeit notwendig, wenn die Mittel effektiv und effizient eingesetzt werden sollen. Bis vor wenigen Jahrzehnten war der Injektor-Zumischer (Z-Zumischer) die einzige Möglichkeit, dem Löschwasser Additive zuzumischen. Heute bietet die Industrie eine Vielfalt an Zumischsystemen. Aber worauf kommt es an? Was unterscheidet ein „gutes“ von einem „weniger guten“ System? Und was bedeutet das für den Einsatzwert?
Der Z-Zumischer
Z-Zumischer wurden einst erfunden, um Schaumlöschmittel dem Löschwasser einfach, preiswert und transportabel zumischen zu können. Noch heute sind diese Gerätschaften im Feuerwehrbereich sehr weit verbreitet. „Sie gehören zu den Normbeladungen der wasserführenden Einsatzfahrzeuge, sofern die Wahl nicht auf andere Zumischtechnik gefallen ist“, erklärt René Schubert, Leiter der Feuerwehr Ratingen und Obmann des Normausschusses „Allgemeine Anforderungen an Feuerwehrfahrzeuge – Löschfahrzeuge“.
Z-Zumischer arbeiten nach dem Venturi-Prinzip. Diese Technologie steckt in weit mehr als nur den tragbaren Zumischern. Es funktionieren zum Beispiel auch einige Bauformen der Pumpenvormischer und selbstansaugende Strahlrohre oder Düsen nach dem Venturi-Prinzip.
In einer Injektordüse wird das Wasser beschleunigt. Hinter der Düse befindet sich eine Saugkammer, in der auf Grund der besonderen Geometrie bei ausreichendem Durchfluss der statische Druck unter 1 bar fällt. Dadurch wird durch den atmosphärischen Druck Schaumlöschmittel aus dem externen Vorratsbehälter in den Zumischer gedrückt. Dieser Vorgang funktioniert nur in engen physikalischen Grenzen, da in der Injektordüse bestimmte Strömungsgeschwindigkeiten und Druckverhältnisse herrschen müssen, damit die Zumischung mit korrekten Zumischraten funktioniert.
Vorteile:
preiswert
einfache Herstellung
einfache Handhabung
keine Fremdenergie notwendig
Nachteile:
Funktion abhängig vom Druck
Funktion abhängig vom Gegendruck
Funktion abhängig von der Durchflussmenge
Funktion abhängig von der Viskosität des Additives
hoher Druckverlust (zirka 35 bis 40 % des Eingangsdruckes)
nur ein Arbeitspunkt (System benötigt konstanten Löschwasserstrom)
Für den Feuerwehrbereich werden die Beschaffenheit und die technischen Parameter für Z-Zumischer durch die Norm DIN EN 14384 „Schaummittel-Zumischer PN16, selbstansaugend“ geregelt.
Die Zumischer verfügen über zwei Kupplungen und werden in die Schlauchleitung eingekuppelt. Dabei ist unbedingt die Fließrichtung zu beachten. Am Zumischer ist die Durchflussrichtung durch einen Pfeil auf dem Gehäuse markiert. Die Zumischraten sind meistens zwischen 1% und 6 % verstellbar. „Neuere Exemplare können aber auch 0,5 % oder gar 0,25 % Zumischrate realisieren“, berichtet Schaummittelexperte Silvio Faulstich. Das Schaummittel wird über einen kurzen D-Ansaugschlauch aus einem Kanister oder anderem Behältnis zugeführt. Für Netzwasseranwendungen werden allerdings Zumischraten ab 0,1 % benötigt, da bei höherer Dosierung als 0,3 % bereits Schaum entstehen kann.
Für den Zulaufbetrieb, zum Beispiel aus einem Schaumlöschmittel-Fahrzeugtank, sind diese Zumischer nicht geeignet. Der statische Druck aus dem Fahrzeugtank würde zu erheblichen Überdosierungen führen. Zu beachten ist außerdem, dass eine korrekte Zumischung nur bei entsprechendem Löschwasser-Volumenstrom erreicht werden kann. Der Arbeitspunkt des Z-Zumischers wird durch eine Zahl hinter dem „Z“ x 100 angegeben. Ein Z 4 benötigt für eine korrekte Funktion also einen Löschwasser-Volumenstrom von 400 l/min.
Die häufigste Anwendung, wenn es darum geht, Schaummittel zuzumischen: Der Z-Zumischer im Geradeausverfahren.
Deshalb gibt es in den gleichen Abstufungen auch die passenden Schaumrohre. Am gebräuchlichsten sind Schwerschaumrohre S 2, S 4, S 8 oder Mittelschaumrohre M 2 oder M 4. Natürlich funktionieren auch Hohlstrahlrohre für eine Schaumabgabe, wenn die erforderlichen Volumenströme beachtet werden. „Je nach Bauart kann mit einem Hohlstrahlrohr bereits ohne zusätzliches Equipment eine Verschäumungszahl von bis zu 7 erreicht werden. Dabei wird der Schaum durch die Verwirbelungen beim Austritt des Wasser-Schaummittel-Gemisches aus der Hohlstrahldüse generiert. Das funktioniert je nach Bauart des Strahlrohres unterschiedlich gut. Da hilft nur Ausprobieren. Mit Schaumvorsätzen können auch höhere Verschäumungen im Schwer- oder Mittelschaumbereich erzielt werden“, so Faulstich.
Im mobilen Einsatz werden Z-Zumischer meist im Geradeaus-Verfahren eingesetzt. Der Aufbau ist einfach, hat jedoch auch Nachteile und Einschränkungen. Sie ergeben sich durch die physikalischen Grenzen des Z-Zumischers wie Löschwasser-Volumenstrom, Druck- und Gegendruck. Ist die Schlauchleitungslänge zwischen Zumischer und Schaumrohr zu lang, wird der zu hohe Gegendruck zum Aussetzen der Zumischung führen. In der Regel sollten maximal zwei Schauchleitung zwischen Zumischer und Schaumrohr installiert sein. Damit ist der Zumischer allerdings fast immer im Gefahrenbereich einer Einsatzstelle platziert. Weil Z-Zumischer nur ein geringes Saugvermögen haben, muss das Schaumlöschmittel direkt neben den Zumischer, also im Gefahrenbereich, platziert werden.
Durch zusätzliche Zumischer kann der Durchfluss erhöht werden. Außerdem wird die Bereitstellung der Schaummittel vereinfacht, da ein kurzfristiges Unterbrechen einer Schaummittelzufuhr nicht zum kompletten Zusammenbruch der Schaumversorgung führt.
Mit etwas mehr Aufwand und einem erfahrenen Maschinisten lassen sich einige Beschränkungen jedoch aushebeln: Dazu muss der Z-Zumischer im so genannten „Nebenschluss“- oder „around the pump“- Verfahren betrieben werden. So wird aus dem Arbeitspunkt des Zumischers ein Arbeitsbereich und auch der für die korrekte Funktion niedrige Gegendruck muss nur im Nebenstrom beachtet werden.
So funktioniert es: Ein Pumpenabgang dient zum Betreiben des Zumischers und das Wasser-Schaummittel-Gemisch (Premix) wird über ein Sammelstück zurück in den Pumpeneingang geführt. Der Maschinist muss die Druckverhältnisse überwachen, so dass die Zumischung korrekt arbeitet.
Beim Nebenschlussverfahren wird ein Pumpenabgang als „Bypass“ zum Hauptförderstrom für die Zumischung genutzt. Exakte Zumischraten sind damit nicht möglich, jedoch lassen sich einige Nachteile der Z-Zumischer aufheben.
Beispiel: Bei einem Einsatz soll mit Schaum gelöscht werden. Zur Verfügung stehen 1-prozentiges Schaumlöschmittel und ein Z 2. Für den Löscheinsatz sollen ein Schwerschaumrohr S 8 und ein S 4 verwendet werden, um die Mindestapplikationsrate (Aufbringrate in l/min) und somit einen ausreichenden Löscherfolg zu erreichen. Dazu muss der Z 2 im Nebenschlussverfahren betrieben werden. Über den Zumischer werden konstant zirka 200 l/min bei 6 % Zumischrate (12 Liter Schaummittel pro Minute) gefördert und in den Pumpeneingang zurückgeführt. Über den zweiten Pumpenabgang wird der Premix zur Brandbekämpfung zur Verfügung gestellt.
Bei einer Gesamtabnahmemenge von 1.200 l/min wird die Zumischrate von 1 % eingehalten. Bei weniger Abnahmemenge kann die Zumischrate am Zumischer nach unten korrigiert werden. Bei Abnahme von mehr als 1.200 l/min ergibt sich allerdings eine Unterdosierung, die sich negativ auf den Löscheffekt auswirken kann. Die kalkulatorischen Fähigkeiten des Maschinisten sind also gefragt und für den sicheren Einsatz nach dieser Methode unerlässlich!
Sogar Netzwassereinsätze können auf diese Art gefahren werden. Praxisfern, jedoch theoretisch möglich: Mit einem Z 2 kann eine Zumischrate von 0,1 % bis zu einem Löschwasser-Volumenstrom von 12.000 l/min eingehalten werden, wenn über den Nebenstrom 200 l/min konstant mit 6 % zugemischt werden.
Der Zumischer ist in direkter Nähe zur Feuerlösch-Kreiselpumpe (und außerhalb des direkten Gefahrenbereiches) installiert. Die Schaumlöschmittel-Logistik ist entsprechend weniger aufwändig. Die Einschränkungen durch die Abhängigkeit des Z-Zumischers von Druck, Gegendruck und Löschwasser-Volumenstrom sind – zumindest größtenteils – aufgehoben.
Nach Benutzung müssen Z-Zumischer gut gespült werden, da ansonsten Verklebungen oder Verstopfungen Betriebsstörungen verursachen können. Wird das Nebenschlussverfahren angewendet, müssen Pumpe, Schläuche und Armaturen gespült werden.
Selbstansaugende Düsen und Schaumpistolen
Vorteile:
preiswert
einfache Herstellung
keine Fremdenergie notwendig
einfache Anwendung
keine Installation eines Zumischers
kaum Schaummittellogistik notwendig
Nachteile:
nur ein Arbeitspunkt
nur für kleine Mengen anwendbar
Funktion abhängig vom Druck
Funktion abhängig von der Viskosität des Additives
hoher Druckverlust
Selbstansaugende Düsen und Schaumpistolen werden in kommunalen Feuerwehren oft für die kleineren Schaumanwendungen in täglichen Einsatzsituationen verwendet. Ein typisches Einsatzszenario: Fahrzeugbrände. Im betrieblichen Brandschutz kommen hingegen auch größere selbstansaugende Wasser-Schaum-Werfer zum Einsatz. Schaumpistolen oder auch selbstansaugende Düsen arbeiten ebenfalls nach dem Venturi-Prinzip. Der Zumischer ist bereits in der Düse integriert und somit auf Durchflussmenge und die Druckverhältnisse optimal abgestimmt.
Im Fall großer selbstansaugender Düsen muss das Schaumlöschmittel direkt an der Düse bereitgestellt werden – lange Saugleitungsstrecken sind physikalisch nicht möglich. Großwerfer auf Fahrzeugen oder Anhängern werden oft direkt aus Vorratstanks mit Schaumlöschmittel versorgt, die auf dem Fahrzeug selbst installiert sind.
Für kleinere Löschangriffe mit Schaum oder Netzwasser sind auch Schaumpistolen eine gute Wahl. Das Schaummittel wird in einem Behälter direkt am Strahlrohr bevorratet. Diese Behälter haben meist ein Fassungsvermögen zwischen einem und fünf Litern. Wenn diese Löschmittelauswurfvorrichtungen mit 0,5-prozentigen oder 1-prozentigen Schaumlöschmitteln betrieben werden, ergibt sich oft ein Einsatzwert, der für das „Tagesgeschäft“ einer durchschnittlichen kommunalen Feuerwehr völlig ausreicht. Handling, Bedienung und Wartung sind einfach und die Geräte sind preiswert in der Beschaffung. Nach der Benutzung muss nur die Düse beziehungsweise die Schaumpistole gespült werden, da Feuerlösch-Kreiselpumpe, Schläuche und Armaturen nicht mit Premix in Berührung kommen.
Pumpenvormischer
Vorteile:
preiswert
kleine Baugröße
keine Fremdenergie notwendig
Nachteile
Funktion abhängig von der Viskosität des Additives
hoher Druckverlust (ca. 35 bis 40 % des Eingangsdruckes)
Pumpenvormischer arbeiten ebenfalls nach dem Venturi-Prinzip – allerdings nach dem Nebenschlussverfahren. Auf diese Weise wird das System flexibler und einige Nachteile und Einschränkungen der Z-Zumischer werden aufgehoben. Genau wie beim Nebenschlussverfahren mit einem Z-Zumischer wird vom Hauptförderstrom der Feuerlöschkreiselpumpe Wasser entnommen und über einen Venturi-Zumischer zurück zur Pumpensaugseite geführt. Je nach Bauart erfordern diese Konstellationen ein unterschiedlich hohes Druckgefälle in der Injektordüse – also zwischen Druckabgang und Saugseite der Feuerlösch-Kreiselpumpe.
Der Name „Nebenschlussverfahren“ kommt daher, dass die Zumischraten über einen definierten „Nebenstrom“ realisiert werden. Dieser Premix wird dann dem Haupt-Förderstrom wieder zugeführt.
Pumpenvormischer werden auf Fahrzeugen und Containern als Einheit mit der Feuerlöschkreiselpumpe verbaut und direkt aus Vorratstanks mit Schaumlöschmittel versorgt. Schaumlöschmittellogistik ist also nur zum Nachführen und Ergänzen der Schaumittelvorräte an der Einsatzstelle notwendig.
„Zumischraten unter 1% können nur sehr wenige Pumpenvormischer wirklich zuverlässig realisieren“, erklärt Brandrat Josef Helpenstein, Referatsleiter Fachausbildung an der Feuerwehr- und Katastrophenschutzschule Rheinland-Pfalz. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Wassermenge, die dem Haupt-Förderstrom für das Nebenschlussverfahren entnommen wird, von der Nennförderleistung der Feuerlösch-Kreiselpumpe subtrahiert werden muss. Da das gesamte System mit Schaummittelpremix beaufschlagt wird, steht an allen Pumpenausgängen gleichermaßen entweder nur Wasser oder Premix zur Verfügung. Sind die Feuerlösch-Kreiselpumpe und alle Instalationen in der Peripherie nicht in entsprechend beständigen Werkstoffen ausgelegt, muss nach dem Betrieb mit Zumischung das Gesamtsystem gespült werden, um Korrosionsschäden zu vermeiden.
Turbo-Zumischer
Vorteile:
preiswert
nur geringer Druckverlust
keine Fremdenergie notwendig.
Nachteile:
nur ein Arbeitspunkt
schmutzempfindlich
Zumischraten unter 0,5% nicht möglich
Die Turbo-Zumischer nutzen für den Antrieb der Zumischpumpe eine Turbine. Für den Feuerwehrbereich hat dieses Konzept aber nur einen wesentlichen Vorteil: Die Turbine verursacht einen deutlich geringeren Druckverlust als die Injektordüse der Z-Zumischer. Dem stehen Nachteile, wie vor allem die Schmutzempfindlichkeit und große Leckwassermengen, entgegen.
Turbinen sind Antriebsmaschinen, die nach dem Strömungsprinzip arbeiten. Leckwassermengen variieren je nach Bauart und sind auch bedingt durch Spaltmaße – schließlich soll sich das Laufrad ja bewegen. Je größer die Spaltmaße gehalten werden, desto unempfindlicher ist die Turbine gegen Schmutzpartikel und desto höher die Leckwassermenge. Dieses Wasser durchströmt die Turbine, ohne Antriebsarbeit zu verrichten. Je nach Konstruktion und Aufbau eines Turbinenrades beziehungsweise einer Turbine sind diese Leckmengen unterschiedlich. Bei der Einhaltung der Zumischrate ergeben sich daraus Ungenauigkeiten.
Auch Turbozumischer haben nur einen Arbeitspunkt und keinen Arbeitsbereich. Beim bekanntesten Modell von AWG liegt dieser Arbeitspunkt bei 400 l/min Löschwasser-Volumenstrom. Als Zumischpumpe wird bei diesem Modell eine Zahnradpumpe verwendet und die Zumischraten sind zwischen 0,5 % und 6 % verstellbar. Sollen zum Erzeugen von Netzwasser beispielsweise 1-prozentige (oder noch höher konzentrierte) Schaumlöschmittel verwendet werden, ist diese Untergrenze bereits zu hoch, so dass eine unerwünschte Verschäumung entsteht.
Auch die Turbozumischer sollten nach jedem Gebrauch unbedingt gespült werden, um Korrosion und Verklebungen durch eingetrocknetes Schaumlöschmittel zu vermeiden.
Druckzumischsysteme
„Wer sich heute mit Beschaffungsplanungen für Feuerwehrfahrzeuge oder Abrollcontainer beschäftigt, kommt auch an einer Entscheidung für oder gegen Druckzumischanlagen (DZA) nicht vorbei“, so Fahrzeugexperte Schubert. Die Vorteile gegenüber dem „Standard“ Z-Zumischer liegen auf der Hand: Schaum oder Netzwasser auf Knopfdruck! Das Schaumlöschmittel kommt aus einem Vorratstank und somit ist (außer bei Großeinsätzen) kein Aufwand für die Schaumittellogistik an der Einsatzstelle notwendig. Die Zumischung funktioniert ohne die bekannten physikalischen Einschränkungen der übrigen Zumischer wie Druck, Gegendruck oder Löschwasser-Volumenstrom. Und je nach Gerät kann auch das lästige Spülen überflüssig sein. „Wasser halt!“ – und fertig. Zwar sollten die Schläuche und Strahlrohre nach dem Einsatz „mittels Umkuppeln“ trotzdem gespült werden. Am „gelben Abgang“ steht bei einem Folgeeinsatz allerdings sofort Schaum oder Netzwasser (je nachdem, welche Zumischrate eingestellt ist) zur Verfügung.
Doch Vorsicht! Die Unterschiede zwischen den verschiedenen technischen Lösungen sind groß und die Möglichkeiten und Grenzen der Anlagen sind nicht immer einfach zu durchschauen. Verwirrend können vor allem Systeme sein, deren Zumischbereiche mit 0,1 % bis 9,99 % Zumischrate angegeben werden. Die Frage ist: Welche Zumischrate kann bei welchen Löschwasser-Volumenströmen wirklich realisiert werden?
Können solche Anlagen wirklich 9,99 % Zumischrate bei zum Beispiel 4.000 l/min Löschwasser-Volumenstrom realisieren? Das wären immerhin 399,60 Liter Schaumlöschmittel pro Minute, die zuzumischen wären! Kann das gleiche Zumischsystem tatsächlich 0,1 % Zumischrate realisieren bei 40 l/min Löschwasser-Volumenstrom? Da wären dann lediglich 0,04 l Schaumlöschmittel pro Minute zuzumischen! „Genau diese Schaummittel-Mindest- und Höchstfördermengen sind es, die den tatsächlichen Arbeitsbereich der Systeme drastisch einschränken und daher beachtet werden sollten“, rät Helpenstein allen Beschaffern.
Die realen Mindestfördermengen von DZA liegen nicht selten bei 1 l/min Schaumlöschmittel. In diesem Fall wäre eine Zumischrate von 0,1 % erst ab einem Löschwasser-Volumenstrom von 1.000 l/min (oder höher) zu realisieren. Werden kleinere Wassermengen abgenommen, findet eine Überdosierung statt. In den technischen Datenblättern sind diese Einschränkungen meistens gar nicht angegeben, einzig die Arbeitsbereichsdiagramme verraten (manchmal) diese tückischen Einschränkungen.
Elektrische Druckzumischanlagen
Vorteile:
Funktion unabhängig von Druck und Gegendruck
nur geringer Druckverlust
breiter Arbeitsbereich
auch kleinste Zumischraten möglich
Nachteile:
teurer als konventionelle Zumischtechnik
Einschränkungen durch Mindest- und Höchstfördermengen der Zumischpumpen und Regelungenauigkeiten (geräteabhängig)
Die Steuerung elektrischer Druckzumischanlagen folgt bestimmten Regelcharakteristiken. In vielen Fällen sorgen diese Regelcharakteristiken für starke Überdosierungen, vor allem bei kleinenZumischraten. Diese Effekte bleiben in den technischen Unterlagen vollkommen unberücksichtigt. Ein praktischer Test ist die sicherste Methode, um herauszufinden, inwieweit ein Gerätetyp für die eigenen Anforderungen geeignet ist oder nicht. Dabei sollte auf jeden Fall mit Schaummittel gearbeitet und wie in der Einsatzpraxis vorgegangen werden. Beispiel für einen Testablauf:
Hohlstrahlrohr mit eingestellter Durchflussmenge 40 l/min
stoßweise Löschmittelabgabe (zum Beispiel Innenangriff)
eingestellte Zumischrate 0,1% (Empfehlung für Class A-Schaum)
Löschmittelabgabe auf eine Beton- oder Asphaltfläche (damit die Effekte eventueller Überdosierung sofort sichtbar werden)
Anlagen, die zum Erzeugen von Netzwasser ungeeignet sind, werden während dieses Testdurchlaufs so stark überdosieren, dass eine unerwünschte Verschäumung einsetzt. Dies hat nicht nur negative Folgen für den Geldbeutel (unnötiger Schaummittelverbrauch), sondern wirkt sich auch nachteilig auf die Brandbekämpfung aus. Werden glutbildende Stoffe mit Schaum abgedeckt, wird die Glut dabei nicht nachhaltig gelöscht und es kann zu Rückzündungen kommen.
Hydraulisch-mechanische Druckzumischanlagen
Vorteile:
Funktion unabhängig von Druck und Gegendruck
nur geringer Druckverlust
keine Fremdenergie notwendig
breiter Arbeitsbereich
auch kleinste Zumischraten möglich
Nachteile:
teurer als konventionelle Zumischtechnik
Neben den elektrischen DZA existiert noch die Gruppe der hydraulisch-mechanischen Druckzumischanlagen. Als Antriebsmedium wird der Löschwasser-Volumenstrom genutzt. Vorteil: Der Betrieb ist unabhängig von Fremdenergie. Viele dieser Systeme arbeiten nach dem Verdrängungsprinzip und somit volumenstromproportional. Doppelter Löschwasser-Volumenstrom heißt somit doppelte Drehzahl beziehungsweise doppelte Hubzahl am Antrieb. Ist der volumetrische Antrieb ebenfalls mit einer volumetrisch arbeitenden Zumischpumpe (zum Beispiel Kolbenpumpe oder Membranpumpe) kombiniert, arbeiten diese Anlagen ohne die beschriebenen Einschränkungen der elektrischen Systeme. In der Regel funktioniert diese Art der Zumischung deutlich genauer.
