Wasserschlag (Teil1)

Die meisten Ingenieure, die an der Planung von Pumpsystemen beteiligt sind, sind mit den Begriffen „hydraulische Transiente“, „Stoßdruck“ oder in Wasseranwendungen „Wasserschlag“ vertraut. Weniger eindeutig ist die Frage zu beantworten, ob in der Planungsphase eine transiente Strömungs- oder Stoßanalyse erforderlich ist oder nicht. Unter ungünstigen Umständen kann es bei Rohrleitungen, die mehr als hundert Meter lang sind und nur einige Zehntel Liter pro Sekunde fördern, zu Schäden durch Wasserschläge kommen. Aber auch sehr kurze, freitragende Rohrleitungen in Pumpstationen können durch Resonanzschwingungen beschädigt werden, wenn sie nicht richtig verankert sind. Dagegen ist das Phänomen in haustechnischen Anlagen, zB in Heizungs- und Trinkwasserversorgungsleitungen, die typischerweise kurze Längen und einen geringen Querschnitt aufweisen, nicht sehr verbreitet.

Die Eigentümer oder Betreiber von durch Wasserschläge betroffenen Anlagen sind in der Regel zurückhaltend, Informationen über erlittene Überspannungsschäden weiterzugeben. Betrachtet man jedoch die Fotos einiger „Unfälle“ (Abb. 1-a, 1-b, 1-c), so wird eines deutlich: Die durch Wasserschläge verursachten Schäden übersteigen bei weitem die Kosten für vorbeugende Analysen und Überspannungsschutzmaßnahmen.

Die Fähigkeit, zuverlässig konstruierte Ausrüstungen zur Kontrolle von Druckstößen bereitzustellen, wie z. B. ein Luftgefäß oder einen Akkumulator, ein Schwungrad und ein Luftventil, ist seit langem Stand der Technik. Das Technische Merkblatt W 303 „Dynamische Druckänderungen in Wasserversorgungsanlagen“ des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches weist ausdrücklich darauf hin, dass transiente Druckvorgänge bei der Planung und dem Betrieb von Wasserversorgungsanlagen berücksichtigt werden müssen, da sie große Schäden verursachen können. Das bedeutet, dass für jedes druckschlaggefährdete hydraulische Rohrleitungssystem eine Schwallanalyse nach Industriestandard durchgeführt werden muss. Zu diesem Zweck ist eine spezielle Software erhältlich – ein wichtiges Werkzeug für den spezialisierten Surge-Analytiker. Folgende Fragen stellen sich Beratern und Systemdesignern.

• Wie können wir wissen, ob ein Wasserschlagrisiko besteht oder nicht?
• Wie aussagekräftig sind Näherungsformeln zur Berechnung von Wasserschlägen?
• Kann die Schwallanalyse eines Rohrleitungssystems als Grundlage verwendet werden, um Rückschlüsse auf ähnliche Systeme zu ziehen?
• Welche Parameter werden für eine Surge-Analyse benötigt?
• Was kostet eine Schwallanalyse?
• Wie zuverlässig ist die Überspannungsschutzausrüstung verfügbar und wie viel kostet der Betrieb?
• Wie zuverlässig ist eine computergestützte Analyse?

Systemdesigner und Überspannungsanalytiker müssen eng zusammenarbeiten, um Zeit und Geld zu sparen. Wasserschlag ist ein komplexes Phänomen; diese broschüre soll ein grundwissen über ihre vielen aspekte vermitteln, ohne sie zu stark zu vereinfachen.

Stetiger und unsteter Fluss in einer Rohrleitung

Beim Druck einer Flüssigkeit muss zwischen Überdruck [p bar], Absolutdruck [p bar(a)] und Druckhöhe h [m] unterschieden werden. Druckhöhe h bezeichnet die Höhe einer homogenen Flüssigkeitssäule, die einen bestimmten Druck p erzeugt. Werte für „h“ beziehen sich immer auf einen Bezugspunkt (z. B. mittlere Meereshöhe, Rohrmittellinie und Rohrscheitel etc.).

Systemkonstrukteure beginnen in der Regel mit der Ermittlung der stationären Betriebsdrücke und Volumenströme. Der Begriff stationär2 bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich Volumenströme, Drücke und Pumpendrehzahlen zeitlich nicht ändern. Abb. 2.1-a zeigt ein typisches stationäres Strömungsprofil:

Bei konstantem Rohrdurchmesser und konstanter Oberflächenrauhigkeit der Rohrinnenwände ist die Druckhöhenkurve eine Gerade. In einfachen Fällen lässt sich der stationäre Betriebspunkt einer Pumpe grafisch ermitteln. Dazu wird der Schnittpunkt der Pumpenkennlinie mit der Rohrleitungskennlinie bestimmt.

Ein Pumpsystem kann niemals ständig im stationären Zustand betrieben werden, da allein das Starten und Stoppen der Pumpe die Betriebsbedingungen ändert. Allgemein gesagt verursacht jede Änderung der Betriebsbedingungen und jede Störung Druck- und Durchflussänderungen oder, anders ausgedrückt, eine zeitliche Änderung der Strömungsverhältnisse. Strömungszustände dieser Art werden üblicherweise als instationär oder transient bezeichnet. Speziell auf Drücke bezogen werden sie manchmal als dynamische Druckänderungen oder Drucktransienten bezeichnet. Die Hauptursachen für transiente Strömungszustände sind:

• Pumpenabschaltung durch Abschalten der Stromversorgung oder Stromausfall.
• Starten oder Stoppen einer oder mehrerer Pumpen, während andere Pumpen in Betrieb sind.
• Schließen oder Öffnen von Absperrventilen im Rohrleitungssystem.
• Anregung von Resonanzschwingungen durch Pumpen mit instabiler H/Q-Kurve.
• Schwankungen des Einlasswasserspiegels.

Abb. 2.1-b kann als repräsentatives Beispiel dienen, das die Druckhüllkurve3 mit und ohne Luftbehälter nach Pumpenauslösung zeigt.

h_stetig in Abb. 2.1-b ist die SteadyState-Druckhöhenkurve. Druckkopfhüllkurven h_minWK und h_maxWK wurden von einer Anlage mit, hmin und hmax von einer Anlage ohne Windkessel erhalten. Während h_minWK und h_maxWK im zulässigen Druckbereich liegen, gibt hmin den Dampfdruck (Makrokavitation) über eine Rohrlänge von 0 m bis ca. 800 m an. Nahezu über die gesamte Rohrlänge ist der Wert von h_max den maximal zulässigen Nenndruck der Rohrleitung PN 16 (Kennlinie „PN-Rohr“) überschreitet und damit unzulässig hoch ist. Dampfdruck ist in der Regel ein höchst unerwünschtes Phänomen. Es kann folgende schädliche Wirkungen haben:

• Einbeulen oder Ausknicken von dünnwandigen Stahlrohren und Kunststoffrohren.
• Auflösung der Zementauskleidung des Rohres.
• Durch undichte Anschlussstutzen wird Schmutzwasser in Trinkwasserleitungen gezogen.

Wir werden diese technischen Beiträge fortsetzen und in den folgenden Abschnitten auch auf das Thema Makrokavitation, dh Flüssigkeitssäulentrennung, zurückkommen.

REF: KSB Know-how, Band 1