Luft- und Rauchableitung. Hans-Joachim Gerhardt, Bernd Konrath, Rolf-Dieter Lieb, Aachen

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1 Das Strömungsfeld bei der Erfassung und Ableitung von Fluiden entspricht demjenigen einer Senkenströmung. Senkenströmungen zeichnen sich im Gegensatz zu Strahlströmungen durch eine nur geringe Wirkentfernung vom virtuellen Senkenursprung aus. Die Auslegung von wirksamen und effizienten Absaugsystemen ist daher ein schwieriges und daher interessantes Arbeitsgebiet der industriellen Strömungstechnik. Häufig erfordert eine gute Effizienz ein ausschließlich lokal wirksames Absaugsystem. Beispiele hierfür sind, die Erfassung lokal freigesetzter Schadstoffe in industriellen Prozessen, die Erfassung der lokal freigesetzten Flusen in der Textilindustrie (z. B. beim Schneiden von Kordstoffen) und die gezielte Rauchableitung im Brandfall. Luft- und Rauchableitung Das Drallrohr Eine einfache Vorrichtung zur linienhaften Erfassung von Gasen Hans-Joachim Gerhardt, Bernd Konrath, Rolf-Dieter Lieb, Aachen Bild 1 Strömung im Bereich einer Senke Bild 2 Hüllfläche der Strömung im Bereich einer Punktsenke Die Autoren setzen das so genannte Drallrohr seit über 20 Jahren für spezielle Absaugprobleme mit großem Erfolg ein. Beispiele für derartige Anwendungen finden sich in [1-6]. Der vorliegende Beitrag beschreibt das Drallrohrsystem und seine physikalischen Grundlagen und gibt typische Anwendungsbeispiele. Grundlagen Erfassungs- und Ableitsysteme können punktförmig oder linienhaft sein. Diese Formen entsprechen in strömungstechnischer Hinsicht Punkt- und Liniensenken. In der Nähe von Senken wird versucht, die Luft mittels Druckkräften aus dem angrenzenden Raum zur Absaugöffnung hin zu bewegen. Dies ist für eine Punktsenke schematisch in Bild 1 dargestellt. Die Luft durchströmt auf ihrem Weg zur Senke Hüllflächen, welche halbkugelförmig der Absaugöffnung übergestülpt sind, siehe Bild 2. Die Stromlinien (= Fluidbahnen) verlaufen senkrecht zu den Hüllflächen. Aus der Kontinuitätsgleichung für inkompressible Fluide Volumenstrom V = = Geschwindigkeit ù Fläche = c ù A (1) folgt, dass die Geschwindigkeit proportional der Hüllfläche, also proportional zum Quadrat ihres Abstandes vom Senkenursprung, abnimmt: c ~ 1 A ~ 1 r ( 2 2 ). Mittels der Bernoulli-Gleichung lässt sich der örtliche Druck p mit der örtlichen Geschwindigkeit c in Zusammenhang bringen. Hieraus folgt näherungsweise, dass bei einer Punktsenke die Druckdifferenz zwischen örtlichen Druck p und Absaugdruck p R im Bereich des Senkenursprungs proportional dem Quadrat der Geschwindigkeitsabnahme ist. Da die Geschwindigkeit ihrerseits quadratisch mit der Entfernung von der Absaugstelle abnimmt, reduziert sich der Druck mit der 4. Potenz der Entfernung von der Absaugstelle. Bei einer Verdopplung der Entfernung von der Punktsenke nimmt also die Saugwirkung um einen Faktor 2 4 = 16 ab! Man erkennt, dass punkförmige Absaugungen nur eine äußerst geringe Einwirkentfernung besitzen. Bei einer linienhaften Senke sind die Hüllflächen Halbzylinder mit A = 2 pr l, l = Erstreckung parallel zur Absauglinie, siehe Bild 3. Die Geschwindigkeit verringert sich daher mit der Entfernung vom Ursprung der Liniensenke umgekehrt proportional zum Abstand, die Saugwirkung entsprechend einem Faktor 2 2 = 4. Eine linienhafte Senke besitzt also eine bessere Wirksamkeit als eine Punktsenke; allerdings nimmt hier die Saugwir- Autoren Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Gerhardt, Geschäftsführer der I.F.I. Institut für Industrieaerodynamik GmbH, Institut an der Fachhochschule Aachen. Dipl.-Ing. Bernd Konrath, Prokurist, Leiter der notifizierten Prüfstelle am I.F.I. Dipl.-Ing. Rolf-Dieter Lieb, Prokurist am I.F.I. 91

2 Brandschutz Bild 4 Rauchableitung mittels Drallrohr Bild 5 Verteilung der Einströmgeschwindigkeit über die Gesamtschlitzlänge für Li,R/LDR = 2,16 Bild 3 Hüllfläche der Strömung im Bereich einer Liniensenke kung immer noch deutlich mit dem Abstand zur Liniensenke ab. Drallrohrsystem Beschreibung des Wirkmechanismus Linienhafte Erfassungs- und Ableitsysteme setzen sich im Allgemeinen aus mehreren, entlang einer Linie ausgeführten punktförmigen Senken zusammen. Dabei muss an jeder Senke (= Absaugstelle) der gleiche Volumenstrom abgeleitet werden. Im Absaugkanal muss daher der statische Druck entlang der Kanalachse konstant sein. Bei herkömmlicher Ausführung von Lüftungskanälen bedingt dies eine Querschnittsänderung nach jeder Absaugstelle. In Ableitrichtung betrachtet vergrößert sich also der Kanalquerschnitt stufenförmig. Hierdurch ergeben sich rasch Kanalquerschnitte mit Kantenlängen, die häufig das verfügbare Platzangebot übersteigen. Wählt man als Sammelkanal einen Kanal konstanten Querschnittes, so muss dessen Querschnittsfläche vergleichsweise groß gewählt werden. Bei einem Flächenverhältnis der Summe aller Zuströmöffnungen zum Sammelkanalquerschnitt Azu,ges/AK = 0,5 ergibt sich über die betrachtete Kanallänge eine Abweichung des Zuluftvolumenstroms vom mittleren Zuluftvolumenstrom in der Größenordnung ±10 %, siehe [7]. Eine äußerst raumsparende Ausführung einer linienhaften Absaugleitung stellt das Drallrohr dar. Durch die besondere Strömungsführung, die im Folgenden näher erläutert wird, ermöglicht das Drallrohr bei gleicher Absaugeffektivität 92 einer herkömmlichen Kanalführung ein Flächenverhältnis Azu,ges/AK = 2. Im Hinblick auf den Platzbedarf ergibt das Drallrohr eine Flächenreduzierung im Vergleich zu herkömmlichen Systemen um einen Faktor 4. Geht man von kreiszylindrischen oder näherungsweise quadratischen Kanälen aus, so baut das Drallrohr nur halb so hoch wie herkömmliche Kanalführungen. Über die Wirkungsweise von Drallrohren wurde verschiedentlich berichtet, z.b. in [1; 2; 4; 8]. Sie soll im Folgenden kurz erläutert werden. Das Drallrohr besteht aus einem kreiszylindrischen oder näherungsweise kreiszylindrischen Rohr mit sich über die gesamte Rohrlänge erstreckenden, tangential angeordneten Absaugschlitzen, siehe Bild 4, entnommen [8] und [2]. Durch die tangentiale Einströmung bildet sich im Rohr eine Wirbelströmung aus. Handelt es sich um ein Drallrohr mit beidseitiger Absaugung, so entsprechen die Stromlinien dieser Wirbelströmung einer Schraubenlinie mit von der Rohrmitte zu den Rohrenden hin ständig zunehmender Steigung. Die Verteilungsstromlinie, welche sich bei symmetrischer Absaugung zu beiden Seiten genau in der Rohrmitte einstellt, ist staupunktfrei. Das Drallrohr kann ebenfalls bei einseitiger Absaugung betrieben werden. In diesem Fall beginnt auf dem der Absaugseite abgewandten Ende des Drallrohres die zuvor erwähnte schraubenlinienartige Wirbelströmung mit der Steigung 0. Auch hier bildet sich kein Staupunkt. Der Hauptvorteil der Drallrohrabsaugung die recht gleichmäßig über die gesamte Rohrlänge verteilte Absaugwirkung bei konstantem und kleinem Rohrquerschnitt ist physikalisch durch die Wirbelströmung zu erklären, welche sich im Drallrohr ausbildet. Die Wirbelströmung ist am Ort des größten Abstandes zur Absaugseite also in Rohrmitte bei beidseitiger Absaugung bzw. am geschlossenen Rohrende bei einseitiger Absaugung am intensivsten. Durch diese Wirbelströmung wird die Axialströmung behindert. Man kann sich ersatzweise einen Kegel vorstellen, dessen Basisfläche sich in der Mitte bzw. am geschlossenen Ende des Drallrohres befindet, siehe Bild 3. Dieser Kegel übt auf die Axialströmung eine Verdrängungswirkung aus, durch welche, wenn die Axialströmung allein betrachtet wird, ein Ka

3 Bild 6 Schemaskizze der Halleneinteilung in vier Rauchabschnitte und der Drallrohranordnung Bild 7 Typische Drallrohreinheit in der neuen Opel-Werkhalle K180 nal mit parabolisch zunehmendem Querschnitt entsteht. Dieser Kanal sorgt für die Gleichmäßigkeit der Einströmung. Drallrohre für sehr große Längen/ Durchmesser-Verhältnisse Für besondere Anwendungen, z.b. für die Querentrauchung von U-Bahn-Stationen, sind wegen der sehr geringen Raumhöhen extrem große Längen/ Durchmesser-Verhältnisse erforderlich. In einer Grundlagenuntersuchung wurde die Effektivität der linienhaften Rauchgaserfassung bei sehr großen Längen/Durchmesser-Verhältnissen des Drallrohrsystems untersucht. Eine mögliche Anordnung zeigt Bild 5. Aktive Segmente mit veränderbaren Höhen der Ansaugschlitze h und der Länge L DR wechseln sich mit inaktiven Rohrstücken der Länge L ir ab. Für L ir /L DR = 2,16 ergab sich für die untersuchte Geometrie ein Längen/Durchmesser-Verhältnis L ges /D = 66. Die Verteilung des angesaugten Volumenstroms entlang der Rohrlänge geht aus Bild 5 hervor. Aufgetragen ist die örtlich in den Absaugschlitzen gemessene Geschwindigkeit bezogen auf die mittlere Absauggeschwindigkeit unter Berücksichtigung aller Schlitze. Bei einer konstanten relativen Schlitzhöhe h/d = 0,05 ergeben sich Geschwindigkeitsverhältnisse v l,s / v m,s = 0,4 2,1. Das Verhältnis von Rohrquerschnittsfläche zu Schlitzfläche beträgt hierbei A R /A S = 0,66. Die Gleichmäßigkeit der Absaugung lässt sich dabei auf einfache Art durch eine variable Schlitzhöhe entlang der Rohrachse weiter steigern. Anwendungen Maschinelle Rauchableitung Die Anwendung des Drallrohrprinzips für die Rauchableitung in niedrigen Räumen soll am Beispiel einer Automobilfabrik erläutert werden. Eine bestehende Halle der Adam Opel AG in Rüsselsheim wurde für den Karosseriebau des neuen Opel Vectra umgebaut. Ein Teilbereich der Halle mit einer Erstreckung von 53 m x ca. 135 m ist 2-geschossig ausgeführt. Die lichte Höhe des EG beträgt ca. 8 m. Wegen der Lüftungsrohre und der Transporteinrichtungen der Fertigung ist dort die Bauhöhe für die notwendige Strömungsführung zur maschinellen Rauchableitung im Deckenbereich auf maximal 500 mm und in Teilbereichen auf lediglich 300 mm beschränkt. Dies schloss eine herkömmliche Kanalführung aus. Vom I.F.I. Institut für Industrieaerodynamik GmbH wurde daher eine Drallrohrabsaugung empfohlen und ausgelegt. Bild 6 zeigt eine Schemaskizze des Hallenteils mit der Anordnung der Drallrohre. Alle Drallrohre münden in einen Sammelkanal, der zur Ventilatoreinheit führt. Durch eine Klappensteuerung wird die gesamte Ventilatorleistung nur auf den vom Brand betroffenen Bereich aufgeschaltet. Wegen der großen Absauglänge von 53 m und der durch die Höhenbegrenzung gegebenen maximalen Drallrohrdurchmesser von 500 mm musste jeder Drallrohrstrang in zwei Sektionen unterteilt werden. Für jede Linie werden also am Sammelkanal zwei Drallrohre angeschlossen. Ein Drallrohr reicht dabei etwa zur Mitte des Halleneinflussbereiches, das andere Drallrohr dagegen bis zu dessen Ende, besitzt jedoch nur in seiner hinteren Hälfte Absaugschlitze. Zur einfachen Montage wurden alle Drallrohre mit einer Sektionslänge von 2 m ausgeführt, siehe Bild 7. Jede Drallrohrsektion besitzt einen Absaugschlitz von, je nach Erfordernis, 830 mm bzw mm Länge. Die Wirksamkeit der Drallrohrabsaugung wurde in einem Realversuch überprüft. Er wurde in einem kritischen Hallenbereich durchgeführt, in welchem sich eine Bühne mit einer Breite von ca. 5 m befindet. Die lichte Höhe im Bühnenbereich betrug lediglich ca. 3 m. Es wurde ein Brandgeschehen unter der Bühne simuliert, bei dem das Rauchgas gegen die Bühnendecke aufsteigt, sich dort seitlich verteilt, an der Bühnenkante ablöst und in den Hallendeckenbereich strömt. Von dort verteilt sich das Rauchgas beidseitig in Richtung der achsparallel zur Arbeitsbühne verlaufenden Drallrohre. Ca. 3 min nach Versuchsbeginn stellte sich ein stationärer Zustand mit einer Rauchschicht im Hallendeckenbereich mit einer Dicke von ca. 700 mm ein. Die Rauchschicht beschränkte sich auf den Deckenbereich oberhalb der Bühne mit einer Länge in Drallrohrachsrichtung betrachtet von nur etwa 5 m. Die Effektivität der Drallrohrabsaugung ist so groß, dass nur äußerst geringe Rauchmengen zu den benachbarten Drallrohren abströmten und dort erfasst wurden. Während der gesamten Versuchszeit betrug die Höhe der rauchfreien Schicht auf der Bühne deutlich mehr als 2 m, siehe Bild 8. 93

4 Bild 8 Rauchausbreitung auf einer Bühne oberhalb des simulierten Brandes bei Rauchableitung mittels Drallrohren Weitere Informationen zur Drallrohrauslegung und zum Abnahmeversuch finden sich in [4]. Berührungslose Abdichtung Bild 10 Frontansicht der Walzstaubabsauganlage (im Hintergrund fahren die Profile aus dem Walzgerüst, rechts steht die Rückwand, in deren obersten Bereich der Ansaugschlitz der Drallrohre integriert ist) Bild 9 Schematische Darstellung einer zweistufigen Abdichtung Das Drallrohrsystem in Verbindung mit dem Doppelstrahlsystem [9], ergibt eine hoch wirksame berührungslose Abdichtung für spaltartige Öffnungen in Reaktoren. Dieses Abdichtsystem wurde erstmals an einer Reinigungsanlage für Walzbänder eingesetzt. Um das Walzöl von den Bändern vor der Weiterverarbeitung zu entfernen, werden diese in einer Entfettungsanlage durch ein Bad mit erwärmtem Trichloräthylen (Tri) geleitet. Wegen der Erwärmung des Tri geht dieses zum Teil in die gasförmige Phase über. Infolge der temperaturbedingten aerostatischen Druckdifferenz (Dp = 50 Pa) die Temperatur im Reaktor ist größer als die Hallenluft tritt das gasförmige Tri aus den Eintritts- und Austrittsöffnungen des Reaktors aus. Ein ungehinderter Betrieb der Entfettungsanlage ist nur bei berührungsloser Abdichtung der Öffnungen möglich. Bild 9 zeigt eine Schnittzeichnung (parallel zum Bandlauf) der Abdichteinheit (entnommen [3]). Die Abdichtung erfolgt in zwei Stufen mit je einer Doppelstrahlanordnung. Der innere Halbstrahl des inneren Doppelstrahls wird über ein Drallrohr mit der Tri-Atmosphäre auf der Innenseite der Öffnung betrieben, der äußere Halbstrahl dieses Doppelstrahls wird mit der Atmosphäre zwischen den beiden Doppelstrahlen gespeist. Die Absaugung in diesem Zwischenraum erfolgt mittels Drallrohr. Der abgesaugte Volumenstrom wird dabei auf die zu diesem Absaugraum abströmenden Halbstrahlen gleichmäßig aufgeteilt. Der äußere Halbstrahl des äußeren Doppelstrahls wird mit Umgebungsluft betrieben. Die Wirksamkeit dieser 2-stufen Abdichtung konnte bei Abnahmeversuchen nachgewiesen werden. Die Tri-Konzentration in der Entfettungsanlage betrug ppm, in der Pufferzone 690 ppm und im Austritt der Abdichteinheit lediglich 8 ppm. Zulässig waren seinerzeit 50 ppm in der Werkhalle! Weitere Einzel- 94

5 Bild 11 Partikelströmung vom Profil zur linienhaften Absaugung (gelbe Partikel stammen von der Vorderseite des Profils, schwarze mittig von seiner Oberseite und rote von der Rückseite) Bild 12 Partikelströmung vom Profil zur linienhaften Absaugung (Frontansicht) heiten zur Optimierung dieser berührungslosen Abdichtung finden sich in [10]. Walzstaubabsaugung Beim Walzen von Metallbarren löst sich an der Oberfläche Staub, der im Auslaufbereich des Walzgerüstes in die Hallenatmosphäre gelangen kann. Um dies zu vermeiden, ist dort eine gezielte Absaugung erforderlich. Häufig wird versucht, den Staub über eine Esse oberhalb des Rollengangs abzusaugen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist der vergleichsweise große Volumenstrom, der zur vollständigen Erfassung der freigesetzten Partikel erforderlich ist. Mit der in Bild 10 dargestellten Absaugeinrichtung kann der Volumenstrom deutlich gesenkt werden. Die Einrichtung besteht aus einer rückwärtigen Wand und einer Abdeckung des Rollengangs. Entlang der Berührungslinie der Rückwand und der oberen Abdeckung befindet sich der Ansaugschlitz eines Drallrohres, das sich hinter oder oberhalb der nach vorne offenen Haube befindet. Die Wirksamkeit der Absaugung wurde mittels einer numerischen Strömungssimulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) mit dem Rechencode FDS (NIST fds, Vers. 3.10) nachgewiesen. Die Bilder 11 und 12 zeigen in einer Ansicht senkrecht bzw. parallel zum Rollengang Momentaufnahmen der zeitlichen Entwicklung der Staubausbreitung. Infolge der Erwärmung der Luft an den heißen Barren steigt die partikelbeladene Luft nach oben. Durch die gute linienhafte Absaugwirksamkeit des Drallrohres wird der Auftriebstrahl zum Absaugschlitz abgeleitet. Die von vorn und von unten (durch den Rollengang) nachströmende Luft verhindert die Partikelablagerung im Bereich des Rollengangs und das Austreten von Partikeln in die Hallenluft. Zusammenfassung Nach einer knappen Darstellung des Wirkmechanismus von Drallrohren wird eine Anordnung für sehr große Längen/ Durchmesser-Verhältnisse (L/D = 66) vorgestellt. Derartige Längen/Durchmesser-Verhältnisse eignen sich bei- Literatur [1] Kramer, C. und Thiessen, V.: Bemessung von maschinellen Rauchabzügen, FLT Forschungsbericht 3/1/64/86, Forschungsgemeinschaft für Luft- und Trocknungstechnik, Frankfurt/Main (1986). [2] Kramer, C. und Gerhardt, H.J. : Zonenabsaugung und Belüftung für eine Produktionshalle mit zeitweilig auftretender hoher Staubentwicklung, DKV-Tagungsbericht 16. Jahrgang (1989), Hannover, Band 4. [3] Gerhardt, H.J.; Konrath, B.; Kramer, C.; Oliveira, L.A.: Aerodynamische Abdichtung von Anlagen für die Bandbearbeitung, Blech Rohre Profile 1, (Januar 1992), [4] Gerhardt, H.J. und Konrath, B.: Linienhafte Absaugung von Rauchgasen, vfdb-zeitschrift, Heft 1, Januar 2002, [5] Gerhardt, H.J. und Konrath, B.: Leserbrief mit Anmerkungen zu Aspekte der experimentellen Brandmodellierung von Ulrich Schneider und Ulrich Seifert, vfdb-zeitschrift 2/2003, Seite 43, in: vfdb-zeitschrift, Verlag W. Kohlhammer (Hrsg.), Heft 3, August 2003, S spielsweise für die Rauchableitung in unterirdischen Verkehrsanlagen, z.b. U-Bahnstationen und Straßentunneln. Die Anwendung des Drallrohrprinzips wird für die drei unterschiedlichen Einsatzgebiete? maschinelle Rauchableitung,? berührungslose Abdichtung von industriellen Reaktoren und? Absaugung von Walzstaub im Bereich von Walzgestellen verdeutlicht. Es wird aufgezeigt, dass das Drallrohr eine einfache und sehr effektive linienhafte Erfassung von Gasen ermöglicht und vielfältig einsetzbar ist. [6] Gerhardt, H.J. und Konrath, B.: Rauchableitung und deren Effektivität in der 4. Elbtunnelröhre / Smoke Removal and its Effectiveness in the 4th Elbe Tunnel Tube, Tunnel 3/2003, BertelsmannSpringer Bauverlag GmbH (Hrsg.), Mai 2003, [7] Recknagel, H.; Sprenger, E.; Schramek; E.-R.: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik einschließlich Warmwasser- und Kältetechnik, R. Oldenbourg Verlag (1995). [8] Kramer, C. und Gerhardt, H.J.: Ventilation and Heat and Smoke Extraction from Industrial Buildings; Preprints Vol. 4, 7 th International Conference on Wind Engineering, Aachen 1987, and: C. Kramer und H.J. Gerhardt (Edts.), Advances in Wind Engineering, Proc. 7 th Int. Conference on Wind Engineering, Elsevier (1988). [9] Kramer, C. und Gerhardt, H.J. : Gasstrahlabdichtung, Deutsches Patent P (1989). [10] Oliveira, L.A.; Costa, J.J.; Carvallo, M.G.; Kramer, C.; Gerhardt, H.J.: An aerodynamic sealing for industrial applications, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 37 (1991), p