Die meisten Ingenieure, die an der Planung von Pumpsystemen beteiligt sind, sind mit den Begriffen „hydraulischer Übergang“, „Druckstoß“ oder, bei Wasseranwendungen, „Wasserschlag“ vertraut. Die Frage, ob eine transiente Strömungs- oder Schwallanalyse während der Planungsphase notwendig ist oder nicht, lässt sich weniger leicht beantworten. Unter ungünstigen Umständen kann es bei Rohrleitungen mit einer Länge von mehr als hundert Metern, die nur einige Zehntel Liter pro Sekunde fördern, zu Schäden durch Wasserschlag kommen. Aber auch sehr kurze, nicht unterstützte Rohrleitungen in Pumpstationen können durch Resonanzschwingungen beschädigt werden, wenn sie nicht ordnungsgemäß verankert sind. Im Gegensatz dazu ist das Phänomen in der Gebäudetechnik eher selten, beispielsweise bei Heizungs- und Trinkwasserversorgungsleitungen, die typischerweise kurze Längen und einen kleinen Querschnitt aufweisen.
The owners or operators of systems affected by water hammer are usually reluctant to pass on information about any surge damage suffered. But studying the photos taken of some “accidents” (Figs. 1-a, 1-b, 1-c) one thing is clear: the damage caused by water hammer by far exceeds the cost of preventive analysis and surge control measures.
Die Fähigkeit, zuverlässig konstruierte Überspannungsschutzgeräte wie einen Luftkessel oder Akkumulator, ein Schwungrad und ein Luftventil bereitzustellen, ist seit langem Stand der Technik. Im Merkblatt W 303 „Dynamische Druckänderungen in Wasserversorgungsanlagen“ des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches wird klargestellt, dass Drucktransienten bei der Auslegung und dem Betrieb von Wasserversorgungsanlagen berücksichtigt werden müssen, da sie erhebliche Schäden verursachen können. Dies bedeutet, dass für jedes hydraulische Rohrleitungssystem, bei dem das Risiko eines Wasserschlags besteht, eine Druckstoßanalyse nach Industriestandards durchgeführt werden muss. Zu diesem Zweck steht spezielle Software zur Verfügung – ein wichtiges Werkzeug für den spezialisierten Surge-Analysten. Berater und Systemdesigner stehen vor folgenden Fragen.
- Wie können wir wissen, ob die Gefahr eines Wasserschlags besteht oder nicht?
- Wie aussagekräftig sind Näherungsformeln zur Berechnung von Wasserschlägen?
- Kann die Schwallanalyse eines Rohrleitungssystems als Grundlage für Rückschlüsse auf ähnliche Systeme genutzt werden?
- Welche Parameter werden für eine Surge-Analyse benötigt?
- Was kostet eine Überspannungsanalyse?
- Wie zuverlässig ist die verfügbare Überspannungsschutzausrüstung und wie hoch sind die Betriebskosten?
- Wie zuverlässig ist eine computergestützte Analyse?
Systemdesigner und Überspannungsanalysten müssen eng zusammenarbeiten, um Zeit und Geld zu sparen. Wasserschläge sind ein komplexes Phänomen. Der Zweck dieser Broschüre besteht darin, ein Grundwissen über die vielfältigen Aspekte zu vermitteln, ohne sie zu stark zu vereinfachen.
Stetige und instationäre Strömung in einer Rohrleitung
When discussing the pressure of a fluid, a distinction has to be made between pressure above atmospheric [p bar], absolute pressure [p bar(a)] and pressure head h [m]. Pressure head h denotes the height of a homogeneous liquid column which generates a certain pressure p. Values for “h” are always referred to a datum, (e.g. mean sea level, axial centerline of pipe and pipe crown etc.).
In der Regel beginnen Systementwickler mit der Bestimmung der stationären Betriebsdrücke und Volumenströme. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff „stabil“2, dass sich Volumenströme, Drücke und Pumpengeschwindigkeiten nicht mit der Zeit ändern. Abb. 2.1-a zeigt ein typisches stationäres Strömungsprofil:
Bei einem konstanten Rohrdurchmesser und einer konstanten Oberflächenrauheit der Rohrinnenwände ist die Druckhöhenkurve eine gerade Linie. In einfachen Fällen lässt sich der stationäre Betriebspunkt einer Pumpe grafisch ermitteln. Hierzu wird der Schnittpunkt der Pumpenkurve mit der Rohrleitungskennlinie ermittelt.
Ein Pumpsystem kann niemals dauerhaft im stationären Zustand betrieben werden, da sich durch das Starten und Stoppen der Pumpe allein die Betriebsbedingungen ändern. Im Allgemeinen führt jede Änderung der Betriebsbedingungen und jede Störung zu Druck- und Durchflussschwankungen oder, anders ausgedrückt, dazu, dass sich die Strömungsverhältnisse mit der Zeit ändern. Strömungsverhältnisse dieser Art werden üblicherweise als instationär oder instationär bezeichnet. Bezogen auf Drücke werden sie manchmal als dynamische Druckänderungen oder Drucktransienten bezeichnet. Die Hauptursachen für instationäre Strömungsverhältnisse sind:
- Pumpenstörung aufgrund einer Abschaltung der Stromversorgung oder eines Stromausfalls.
- Starten oder Stoppen einer oder mehrerer Pumpen, während andere Pumpen in Betrieb sind.
- Schließen oder Öffnen von Absperrventilen im Rohrleitungssystem.
- Anregung resonanter Schwingungen durch Pumpen mit instabiler H/Q-Kurve.
- Schwankungen des Wasserstandes am Zulauf.
Abb. 2.1-b kann als repräsentatives Beispiel dienen und die Druckhülle3 mit und ohne Luftbehälter nach dem Pumpenauslösen zeigen.
hstetig in Abb. 2.1-b ist die SteadyState-Druckhöhenkurve. Druckhöhe Hüllkurven hminWK und hmaxWK wurden von einer Anlage mit, hmin und hmax von einer Anlage ohne Luftgefäß erhalten. Während hminWK und hmaxWK are within the permissible pressure range, hmin gives evidence of vapour pressure (macro cavitation) over a pipe distance from 0 m to approximately 800 m. Almost across the entire length of the pipe, the value of hmax exceeds the maximum permissible nominal pressure of the pipe PN 16 (curve marked “PN pipe“) and is, therefore, inadmissibly high. As a rule, vapor pressure is a most undesirable phenomenon. It can have the following harmful effects:
- Dellen oder Knickungen an dünnwandigen Stahlrohren und Kunststoffrohren.
- Zerfall der Zementauskleidung des Rohres.
- Durch undichte Anschlussstutzen gelangt Schmutzwasser in Trinkwasserleitungen.
Wir werden diese technischen Beiträge fortsetzen und in den folgenden Teilen auch auf das Thema Makrokavitation, also die Flüssigkeitssäulentrennung, zurückkommen.
REF: KSB Know-how, Band 1
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