Rohrleitungs-Schockabsorber

Lösungen für bekannte Probleme

Warum Rohrleitungs-Schockabsorber ?

 

Jede Änderung der Strömungsgeschwindigkeit löst einen Druckstoß oder Rohrleitungsschock aus. Selbst im heimischen Badezimmer sind solche Schocks bei Einhebelmischern, die schnell geschlossen werden, ab und zu hörbar.

Schließen von Ventilen, rasches Abstellen oder das Anfahren von Pumpen bewirken Schocks oder Schläge in Rohrleitungen, die zu erheblichen Druckerhöhungen führen, und somit manchmal katastrophale Schäden verursachen.

 

Geborstene Rohre, beschädigte Flanschverbindungen und teure Schäden an Pumpen und Getrieben sind mit Schockabsorbern vermeidbar. Häufig müssen nur wegen kurzfristig auftretender Schocks Anlagenteile in überhöhter Druckstufe ausgelegt werden, und sind damit unnötig teuer.

Anlagen mit Schockabsorbern sind u.U. in kleinerer Nennweite planbar, oder es lässt sich bei gleicher Nennweite ein höherer Durchsatz erzielen.

 

Schnelles Schließen von Ventilen oder plötzliches Abschalten von Pumpen erzeugen eine Druckänderung infolge der Geschwindigkeitsänderung. Sie wird als Joukowsky Stoß bezeichnet.

Die Schockwelle erreicht mit Schallgeschwindigkeit (circa 1.200 m/sec) jeden Ort in der Rohrleitung, und transportiert die gesamte kinetische Energie der vorausgegangenen Strömung. Der entstehende Druck kann das Mehrfache des Betriebsdruckes erreichen, und überschreitet somit den Auslegungsdruck der verwendeten Bauteile.

 

SAIP Rohrleitungs-Schockabsorber werden exakt berechnet und dimensioniert. Sie berücksichtigen die Nennweite, Rohrleitungslänge, den Durchfluss und den max. zulässigen Druck. Sie stellen ein wichtiges Sicherheitselement dar, das wartungsfrei immer zur Verfügung steht. Unsere Berechnungen ermitteln die Strömungsgeschwindigkeit, den zu erwartenden Druckstoß, und seine Dauer, sowie die Größe des notwendigen Schockabsorbers.

 

Was sind Rohrleitungs-Schockabsorber?

Schockabsorber sind Druckbehälter aus geeigneten Werkstoffen mit einer kompatiblen Membrane, die ein Gaspolster vom Förderfluid trennt. Das Gaspolster ist aufgrund der Kompressibilität in der Lage auftretende Druckstöße sofort aufzunehmen und zu absorbieren. Sie sind Teil des Systems,  und werden auf einen vorher bestimmbaren max. zulässigen Betriebsdruck oder max. zugelassenen Druckstoß ausgelegt.

Schockabsorber werden druckseitig an einer geeigneten Stelle in der Nähe der zu schützenden Bauteile installiert. Die Anschlüsse können der Rohrleitung angepasst werden, und dürfen nicht zu klein dimensioniert sein.

Theoretische Aspekte zu Rohrleitungsschocks

Druckstöße treten in nahezu jedem Rohrleitungssystem auf, in dem instationäre (transiente) Strömungszustände vorkommen.

Sie werden erzeugt von schnellen Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit durch Schließen von Ventilen, An- und Abfahren von Pumpen, Makrokavitation oder ungleichmäßiger Fluidförderung.

Das Resultat wird etwa als Wasserschlag, Water Hammer, Schock, Surge, Druckstoß oder auch nur als Vibration der Rohrleitung wahrgenommen.

Es kann entweder zu leichten Schlägen im System führen, die für den Betrieb akzeptabel sind, sich aber auch zu erheblichen höchst unwillkommenen zerstörerischen Druckstößen ausweiten.

Auf der weniger schwer wiegenden Seite der Auswirkungen, insbesondere bei kurzen Rohrleitungen kommt es durch Druckstöße zu kleinen Schlägen und leichten Vibrationen ohne nennenswerten Schaden an zu richten.

Aber auch bei sehr kurzen frei verlegten Rohrleitungen mit nur unzureichenden Befestigungen und einigen Bögen sind durch Resonanzschwingungen Beschädigungen möglich.

Auf der anderen Seite sind deutlich wahrnehmbare und zerstörende Effekte keine Seltenheit. Von einem einzigen kräftigen Schlag, bis hin zu periodisch wiederkehrenden Druckstößen, die in Intervallen von einigen Sekunden den Wasser Hammer Effekt erzeugen, können diese Stöße schwere Schäden anrichten.

Zeitlich sich ändernde Strömungszustände erzeugen Druck- und Volumenstromschwankungen. In schweren Fällen bersten Pumpengehäuse, Ventilgehäuse und Rohrleitungen.

Durchflussmesser und Druckanzeigen reagieren sensibel auf Druckstöße, werden zum Teil auch zerstört. In weniger schweren Situationen werden Überströmventile auslösen, Flanschdichtungen undicht und Berstscheiben ansprechen.

Dies führt zu Betriebsstillständen. Die Geräusche durch Schocks und Vibrationen belästigen Menschen, die sich in der Nähe aufhalten müssen.

Für Pumpenanlagen werden zunächst in der Planungsphase die Volumenströme und erforderlichen Betriebsdrücke stationär ermittelt.

ntsprechende Parameter werden als stationär, also zeitlich konstant angenommen. Der stationäre Betrieb ändert sich jedoch schon beim Anfahren der Pumpe in einen instationären Betrieb, in dem durch Zustandsänderungen Druck- und Volumenstromschwankungen hervorgerufen werden.

 

Der hauptsächliche Grund ist also eine plötzliche Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit. Um dies näher zu untersuchen, stellen wir uns vor, was im Falle eines schnell schließenden Ventils passiert.

Beim Schließen des Ventils wird am Eingang das Fluid abgebremst, mit dem Ergebnis einer Komprimierung der Flüssigkeit und einem korrespondierenden Druckanstieg.

Dieser Druckanstieg bewirkt eine Verformung (Erweiterung) des Rohrquerschnittes und eine Verbreitung einer Druckwelle, die sich mit Wellenfortplanzungsgeschwindigkeit entgegen der stationären Strömungsrichtung bewegt.

Die Druckwelle bewegt sich mit einer Geschwindigkeit abhängig vom Fluid und der Rohrleitung, und liegt in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten, grob 1.100 m/s.  Mit dieser Geschwindigkeit erreichen die Druckstöße nahezu ungemindert jeden Ort im Rohrleitungssystem.

 

Bewegt die Druckwelle sich entlang der Rohrleitung, expandiert das Rohr wegen des „Extra“ Drucks, und obwohl die Ausdehnung sehr klein ist, kann man sie in dünnwandigen Rohren als sich fortbewegende Wölbung wahrnehmen.

Sobald die Druckwelle das Ende erreicht, wird sie reflektiert was sich an dieser Stelle als Druckabsenkung bemerkbar macht.

Der gegensätzliche Effekt passiert auf der Ausgangsseite des Ventils. Die Druckwelle ist negativ, die Kraft in Duchflußrichtung gerichtet. Die entsprechende reflektierte Druckwelle erzeugt eine Druckerhöhung.

 

Ebenfalls kann am Ventilausgang ein Abreißen der Flüssigkeitssäule auftreten (Makrokavitation). An der Stelle des niedrigsten Drucks und hoher Masse entsteht ein Druckabfall unterhalb des Dampfdrucks des geförderten Fluids.

Ein Kavitationshohlraum entsteht. Sobald der Druck wieder über den Dampfdruck steigt, kollabiert der Kavitationshohlraum mit der Folge eines kurzzeitigen erheblichen Druckanstiegs. Dieser Effekt entsteht auch beim Ausschalten von Pumpen oder plötzlichen Stillständen.

Schnell schließende Ventile

In dünnen Rohrleitungen entstehen Schocks durch schnell schließende Ventile, häufig elektrisch oder mit Druckluft betrieben.

In größeren Rohrleitungen schließen Ventile relativ langsam, trotzdem erzeugen sie Schocks. Probleme dieser Art entstehen sowohl mit einfachen Eckventilen als auch mit aufwendigen mehrstufigen Ventilen für Tankerbeladungen.

Sobald eine Pumpe plötzlich zum Stillstand kommt, wird die Flüssigkeitssäule sich weiter bewegen und einen Kavitationshohlraum erzeugen.

Reibung bringt das Fluid zum Stillstand und die Gravitation erzeugt den Rückstrom, der dann beim abrupten Abbremsen und Zusammenschlagen der Flüssigkeitssäulen den Druckstoß erzeugt. Insbesondere Kunststoffrohrleitungen können in dieser Situation bersten.

Beim Betrieb von Tauchmotorpumpen entsteht ein Rohrleitungsschock u.a. dadurch, dass in eine vertikale Rohrleitung gefördert wir, in der ein Luftpolster unter atmosphärischem Druck eingeschlossen ist.

Entweicht diese Luft durch ein Entlüftungsventil, schlagen die stationäre und die Förderkolonne zusammen.

Dieses Druckstoßproblem entsteht auch durch Fördern in leere oder teilgefüllte Rohrleitungsabschnitte, wenn eine Verengung angeströmt wird oder eine Änderung der Druckrichtung erfolgt.

Der Effekt durch pulsierende Förderströme ist anderen Gesetzmäßigkeiten unterworfen und wird unter dem Punkt Pulsationsdämpfer gesondert behandelt.

Eine Vielzahl anderer Gründe können schnelle Änderungen der Strömungszustände bewirken, die erhebliche Druckstöße erzeugen.

Nicht zuletzt auch überschwingende Regel- und Kontrollelemente, entstehende und kollabierende Dampfdruckräume sowie mechanisch erzeugte Schwingungen im Rohrleitungssystem.

Einige Druckstoßprobleme können durch eine gut geführte und befestigte stabile Rohrleitung beseitigt werden.

Sehr langsam schließende Ventile und ausreichende Pumpenschwungmassen helfen, einige Auswirkungen von Druckstößen zu minimieren. Ist es so jedoch nicht möglich das Auftreten von schädlichen Druckstößen zu verhindern, kann die Installation eines Rohrleitungs-Schockabsorbers hilfreich sein.

Sie beinhalten Luft unter atmosphärischem Druck, die während des Betriebes durch das geförderte Fluid komprimiert wird. Entsteht durch Druckstoß eine Druckerhöhung, wird die Luft komprimiert und die Flüssigkeit abgebremst.

Im Falle einer Druckabsenkung schiebt das Luftpolster entsprechende Fluidmengen nach, um Makrokavitation bereits im Entstehen zu verhindern.

Windkessel als preiswerte Lösung haben jedoch einige wichtige Nachteile. Die Luft löst sich in nicht unerheblichem Maße im Förderfluid, und muss somit immer nachgeregelt werden.

In manchen Applikationen ist Luft im Produkt unerwünscht, außerdem müssen die Windkessel sehr groß gebaut werden, sollen sie bei Betriebsdrücken über Atmosphärendruck betrieben werden.

Diese Druckbehälter  arbeiten wie Windkessel, jedoch ist hier eine Membrane eingesetzt, die das Gaspolster vom Fluid trennt.

Sie sorgt dafür, dass der Gasdruck oberhalb des Atmosphärendrucks erhalten bleibt, auch wenn kein Fluiddruck vorhanden ist.

Schockabsorber sind weitgehend wartungsfrei, sie benötigen keine permanente Gasversorgung, und Luft oder Stickstoff kann nicht in das Fluid gelangen. Sie können wesentlich kleiner gebaut sein als Windkessel.

Die Berechnung der Größe der benötigten Schockabsorber ist kompliziert. Es stehen jedoch Rechenmodelle zur Verfügung, die hinreichend genau eine Auslegung ermöglichen. Unter Berücksichtigung einiger Anlagendaten sind wir in der Lage den Joukowsky-Stoß und die Länge der Druckstöße zu berechnen.

 

Daraus lässt sich dann die Druckbehältergröße ermitteln. Zur Auslegung benötigen wir einige Angaben, die uns mit dem  “Anfragebogen für die Auslegung von Rohrleitungs-Schockabsorbern“  übermittelt werden können.