Wasserschläge und Druckstöße vermeiden Wer klopft denn da im Rohr? Dem Druckstoß auf der Spur

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Evaluieren und Minimieren von Wasserschlag in einem Flüssig-Probenahme­system – Ein häufiges Problem in Flüssig-Probenahmesystemen stellen so genannte Wasserschläge dar; meist mit schwerwiegenden Folgen. Es handelt sich dabei um Druckstöße, die in jedem Flüssigkeitssystem auftreten können. Zu hohe Druckstöße können die Komponenten des Systems schwer beschädigen.

Das Phänomen der Wasserschläge (engl. 'Water Hammer') kennen viele aus Sanitär- und Heizungsinstallationen als klopfendes Geräusch in den Leitungen, wenn die Armatur zugedreht wird. Die Auswirkungen in Probenahmesystemen sind gravierender: Eine plötzliche Druckspitze, verursacht durch rasches Schließen eines Absperrhahns, pulsiert durch das System und beschädigt Manometer, Durchflussmesser, Pumpen und andere empfindliche Komponenten. Ist der Impuls stark genug, kann dies zum Bersten der Leitungen oder der Anschlüsse führen. Handelt es sich um ein giftiges/toxisches Medium oder Flüssigkeiten mit hohen Temperaturen, ist dies ein erhebliches Sicherheitsrisiko. Druckstöße sind für Anlagenbetreiber nicht nur rätselhaft, sondern auch störend und richten ernsthafte Schäden an. Speziell in Probenahmesys wird ihre eigentliche Ursache häufig übersehen oder falsch interpretiert. Woher kommt der Überdruck, wo doch der maximale Systemdruck nicht überschritten wird?

Weiß der Betreiber wonach er suchen muss, können Wasserschläge erkannt und minimiert werden. Sehen wir uns an, was in einem Probenahmesystem abläuft, wenn Druckstöße entstehen.

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Ursache und Wirkung

Wird ein Ventil geschlossen und unterbricht den Fluidstrom, muss der Impuls der Flüssigkeit aufgenommen werden, um sie zu Stillstand zu bringen. Da diese schwer ist und schnell fließt, erzeugt die zum Abbremsen nötige Kraft einen Druckstoß. Der Stoß entsteht durch Kompression und die Verformung der Rohrwandung und wandert als Druckwelle entgegen der Flussrichtung durch die Leitung.

Dieser Druckstoß kommt meist zu schnell für ein herkömmliches proportionales Überströmventil. Kann das Ventil den raschen Druckanstieg nicht ableiten, kommt es zum Reißen der Berstscheibe. Dies erfolgt oftmals zu spät, um vorgelagerte Sensoren oder Durchflussmesser zu schützen. Die Komponenten sind bereits der vollen Kraft der Druckwelle ausgesetzt, bevor das Ventil öffnet oder die Berstscheibe reißt.

Technische Dichtheit von Druckreaktoren

Druckreaktoren – Noch ganz dicht?

Der erste Schritt, um Probleme mit Wasserschlägen zu lösen, ist die Beurteilung der Auswirkungen von Druckstößen mit der Joukowsky Gleichung: Mithilfe der Dichte der Probenflüssigkeit (ρ) errechnet die Gleichung den entstehenden Druckstoß (ΔP), wenn sich die Geschwindigkeit der Flüssigkeit (u) um Δu ändert:

ΔP = c · ρ · Δu

Der Parameter c ist die Schallgeschwindigkeit im Medium unter Betriebsbedingungen. Diese beträgt in Wasser bei 20 °C etwa 1400 m/s. Stoppt ein Ventil einen Wasserstrom, der mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s fließt, ist der Druckimpuls:

ΔP = 1400 m/s · 1000 kg/m³ · 1 m/s

ΔP = 1400 kPa

In diesem Beispiel ist das Ergebnis ein zusätzlicher Druck von 14 bar, für den das System möglicherweise nicht ausgelegt ist. Beträgt die Strömung mehr als 1 m/s, ist der Druckanstieg noch größer.

Der Druckstoß: Eine Frage der Zeit?

Die Joukowsky-Gleichung liefert einen theoretischen Wert, der unter realen Bedingungen vielleicht nicht ganz so hoch ausfällt. Je schneller die Geschwindigkeit der Flüssigkeit verändert wird, desto größer fällt der Druckstoß aus, insbesondere wenn Δu in einem bestimmten Zeitabschnitt (t) auftritt. Nun können wir Berechnung an unsere Bedingungen anpassen. In der folgenden Gleichung ist L die Länge der Flüssigkeitsleitung:

t ≥ (2 · L)/c

Ist diese 100 Meter lang, gilt:

t ≥ (200/1400) · s

t ≥ 142 ms

Hier steht t für die erforderliche Zeit, in der die Druckwelle sich ausbreitet und wieder zurück auf das Ventil trifft. Der volle Druckstoß tritt nur auf, wenn die zurückkehrende Welle auf das noch geschlossene Ventil trifft. Das obenstehende Ergebnis zeigt, dass der Druckstoß geringer ausfällt, wenn die Schließzeit des Ventils länger als 142 ms beträgt.

Wasserschläge und Druckstöße minimieren

In der Sanitär- und Heizungsinstallation kann das Problem von Wasserhämmern vermieden werden: Durch vertikal montierte Rohre an jeder Armatur wird mithilfe eingeschlossener Luft das Klopfgeräusch beseitigt. Dieses Prinzip würde auch für ein Probenahmesystem funktionieren. In der Praxis bilden sich dabei jedoch Toträume, die zu einer Kontamination führen. Hier ist also ein anderer Lösungsansatz erforderlich.

Eine Möglichkeit sind mehrgängige Nadelventile mit Mehrfachdrehung, die ein langsames Absperren gestatten. Kugelhähne stoppen den Durchfluss umgehend. Dieses abrupte Absperren kann zu Druckstößen und somit zu Schäden führen. Ein System mit mehrgängigen Nadelventilen (s. Abb. 1, ein Fast-Loop-Modul) erlaubt, den Durchfluss langsam zum Stillstand zu bringen und den Impuls der Flüssigkeit über einen längeren Zeitraum abzubauen. Beachten Sie dabei, dass Nadelventile einen größeren Druckabfall verursachen; ein ausreichender Versorgungsdruck muss gewährleistet sein.

Schluss mit dem Schlag: Ein Bypass kann Druckstöße ableiten

Eine weitere Möglichkeit den Durchfluss zu kontrollieren, ist das Ableiten eines Flüssigkeitsstromes. Abbildung 2 zeigt ein Fast-Loop-­System mit zwei Bypass-Ventilen und nur einer gemeinsamen Ansteuerung. So ist sichergestellt, dass beide Ventile nicht unabhängig voneinander betätigt werden können. Dafür eignet sich ein Drei-Wege Kugelhahn, der einen Bypass öffnet bevor der Flüssigkeitshauptstrom abgesperrt wird. In solch einem System sind die Ventile niemals komplett geschlossen, wodurch die Gefahr von Wasserschlägen ausgeschlossen wird.

Selbst in einem System, das wie oben beschrieben aufgebaut ist, können kleine Wasserschläge erzeugt werden. Diese Schläge können Manometer beschädigen. Die Installation von Druckdämpfern minimiert dieses Risiko. Ein Druckdämpfer verlangsamt die Reaktionszeit eines Manometers und schützt so vor der vollen Wucht von Druckstößen.

* * Der Autor ist Produk Manager, Analytical Instrumentation, Swagelok Company, Solon, Ohio/USA.

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