Den Puls der Anlage messen

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Mit steigender Vorlauftemperatur des Wärmetauschers – bei ansonsten unveränderten Anlagenbedingungen – werden die Druckschwankungen und damit auch die Rohrleitungsschwingungen stärker. Darüber hinaus zeigt sich, dass für den Rohrleitungsabschnitt im Bereich der Druckmesspunkte bei 19 Hz eine benachbarte strukturmechanische Eigenfrequenz liegt. Dadurch werden die bei 18 Hz durch die akustische Resonanz angeregten Rohrleitungsschwingungen entsprechend weiter verstärkt.

Schwingungsanregung durch Wärmetauscher

Aus der Energietechnik ist bekannt, dass Verbrennungsvorgänge auf unterschiedliche Weise mit akustischen Phänomenen in Wechselwirkung treten. Bei solchen Verbrennungsschwingungen kann es zur Rückkopplung zwischen Wärmeübertragung und Systemakustik kommen. Als hinreichendes Kriterium für das Auftreten einer thermoakustischen Instabilität gilt die Kopplung zwischen der instationären Wärmemengenschwankung und der akustischen Druckschwankung. Den Zusammenhang beschreibt das Rayleigh-Integral oder der Rayleigh-Index R. Dabei ist die Wärmemengenschwankung q’ proportional der akustischen Geschwindigkeitsschwankung v mit einem Phasenverzug. Je nach Vorzeichen des Rayleigh-Index kommt es zu einer Anfachung oder zu einer Dämpfung der Gassäulenschwingung und damit der akustischen Resonanz.

Übertragen auf eine GDRM-Station in der Praxis bestätigt sich, dass der Ort der möglichen Anfachung einer thermoakustischen Instabilität und die tatsächliche Einbauposition des Wärmetauschers durchaus übereinstimmen können. In der untersuchten Anlage war diese geometrische Übereinstimmung gegeben.

Mögliche Minderungsmaßnahmen

Prinzipiell bestehen verschiedene Möglichkeiten, das Auftreten von thermoakustischen Instabilitäten zu reduzieren oder zu vermeiden. Bei Neuanlagen kann durch gezielte Positionierung der Wärmetauscher im Rahmen einer Pulsationsstudie unter Berücksichtigung des jetzigen Kenntnisstandes das Anfachen selbsterregter Schwingungen direkt unterbunden werden. Alternativ können Positionen zum gezielten Einsatz von Dämpfungsgliedern im Gasstrom – z.B. Pulsations-Dämpferplatten – berechnet und für den praktischen Einsatz ausgelegt werden.

Bei bestehenden Anlagen wird empfohlen, dort, wo im Laufe eines Jahres sehr unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich des Volumenstromes und Differenzdruckes vorherrschen, eine theoretische Überprüfung möglicher Anfachungsmöglichkeiten von thermoakustischen Instabilitäten durchführen zu lassen. Werden bei dieser Pulsationsstudie mögliche Anzeichen für das Auftreten von selbsterregten Schwingungen festgestellt, sollte eine messtechnische Erfassung der Akustik und der Strukturdynamik für ausgesuchte Betriebspunkte durchgeführt werden. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse können dann strukturmechanische Maßnahmen wie zusätzliche Rohrleitungsabstützungen oder akustische Maßnahmen wie Pulsations-Dämpferplatten eingesetzt werden.

* Der Autor ist Geschäftsführer von Kötter Consulting Engineers. Kontakt: Tel. +49-5971-97100

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