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Druckstoß in Rohrleitungen vermeiden
Schlagende Rohrleitungen nach dem Schließen eines Ventils sind in Förder- und Prozessanlagen kein Schönheitsfehler, sondern ein akutes Risiko für Rohrleitungen, Armaturen und Anlagenverfügbarkeit.
Anders als ein handelsüblicher Wasserschlagdämpfer für die Trinkwasserinstallation ist ein Rohrleitungsschockabsorber für die Drücke und Durchflussraten industrieller Prozessanlagen ausgelegt.
Er wirkt bei jeder Ursache eines Druckstoßes – unabhängig davon, ob ein Ventil schnell schließt oder eine Pumpe an- oder abfährt.
Was ist ein Druckstoß?
Druckstoß, Druckschlag und Wasserschlag bezeichnen denselben Vorgang: Eine Flüssigkeit in einer Rohrleitung ändert ihre Strömungsgeschwindigkeit abrupt, wodurch sich kinetische Energie schlagartig in Druckenergie umwandelt. Die entstehende Druckwelle läuft mit der Druckwellengeschwindigkeit a durch das Rohrleitungssystem und kann ein Vielfaches des Betriebsdrucks erreichen.
Hauptursache ist in der Praxis das schnelle Schließen eines Ventils: Die Strömung wird abrupt gestoppt, und die kinetische Energie der Flüssigkeit muss sich in Druckenergie entladen. Eine zweite Ursache ist das plötzliche An- oder Abfahren einer Pumpe.
Die Folgen reichen von Vibrationen und Geräuschen über Materialermüdung und Korrosion bis zum Bruch von Rohrleitungen und Armaturen.
In der Praxis bedeutet das wiederkehrende Anlagenstillstände und, bei Systemen mit Berstscheiben als Schutzelement, einen laufenden Ersatzteil- und Montageaufwand, da jede ausgelöste Berstscheibe neu installiert werden muss.
Der Joukowsky-Stoß: die physikalische Berechnungsgrundlage
Der nach dem russischen Wissenschaftler Nikolai Joukowsky benannte Joukowsky-Stoß beschreibt den maximalen Druckanstieg, der bei einer schlagartigen Geschwindigkeitsänderung in einer gefüllten Rohrleitung auftritt.
Definition: Ein plötzlicher Druckänderungsschub in einer gefüllten Rohrleitung, ausgelöst durch eine rasche Geschwindigkeitsänderung des Mediums, zum Beispiel durch schnelles Ventilschließen oder einen Pumpenstopp. Die Druckwelle läuft mit der Druckwellengeschwindigkeit a im Rohr hin und her.
Vereinfacht gilt für den maximalen Druckstoß bei schlagartiger Schließung:
Δp = ρ × a × Δv
- Δp: Druckanstieg (Pa)
- ρ: Dichte des Mediums (kg/m³)
- a: Druckwellengeschwindigkeit im Rohr (m/s)
- Δv: Änderung der Strömungsgeschwindigkeit (m/s)
Diese Formel liefert den theoretischen Maximalwert für eine Schließzeit unterhalb der kritischen Rohrleitungslaufzeit. In der Praxis hängt der tatsächliche Druckstoß zusätzlich von Rohrwerkstoff, Nennweite und der realen Schließcharakteristik des Ventils ab – Werte, die wir bei der FLOWMatic Prozesstechnik GmbH für Ihre Anlage konkret berechnen, bevor wir den passenden Rohrleitungsschockabsorber auslegen.
Sechs Maßnahmen im Vergleich
Nicht jede Maßnahme gegen Druckstöße wirkt unter allen Bedingungen gleich gut. Die folgende Übersicht zeigt, wo der Rohrleitungsschockabsorber im Vergleich zu anderen Ansätzen steht:
| Maßnahme | Wirkt bei | Eignung | Aufwand |
|---|---|---|---|
| Rohrleitungsschockabsorber | jeder Ursache – Ventilschluss, Pumpenstart/-stopp | Neubau und Bestand, Nachrüstung über T-Stück | gering, planbare Vorspannungskontrolle |
| Rückschlagventile | vor allem Druckstoß nach Pumpenstillstand | abhängig von der Anlagensituation | mittel |
| Optimierte Anlagenplanung | grundsätzlich wirksam, wenn vorab eingeplant | nur in der Neubauphase praktikabel | in Bestandsanlagen hoch |
| Sanftes Schalten von Ventilen/Pumpen | planbare Schaltvorgänge | nur wenn Prozesszeiten es zulassen | gering, aber prozessabhängig |
| Luft- oder Gaspolster in der Leitung | kurzfristig | veraltet, Gas löst sich mit der Zeit im Medium | hoch, regelmäßiges Nachfüllen nötig |
| Schulung des Personals | menschlich verursachte Schläge | sinnvolle Ergänzung, kein Ersatz für eine technische Lösung | laufend |
Der Rohrleitungsschockabsorber ist die einzige Maßnahme in dieser Übersicht, die unabhängig von der Ursache wirkt und sich sowohl in neue als auch in bestehende Anlagen integrieren lässt.
Funktionsweise, Installation und Wartung
Funktionsweise:
Im Rohrleitungsschockabsorber trennt eine Elastomer- oder PTFE-Membran beziehungsweise ein Kolben ein Gaspolster vom Fluidstrom. Das komprimierbare Gaspolster nimmt die kinetische Energie des Druckstoßes auf und baut sie ab, statt sie ungedämpft durch die Rohrleitung laufen zu lassen.
Installation, auch in Bestandsanlagen:
Der Schockabsorber lässt sich über ein T-Stück in eine bestehende Rohrleitung einbinden, ohne dass die Anlage neu ausgelegt werden muss. Entscheidend ist dabei die Position: Der Druckimpuls breitet sich mit sehr hoher Geschwindigkeit aus, deshalb muss der Behälter so direkt wie möglich an der zu schützenden Stelle angeschlossen werden. Ist die Anbindung zu lang oder zu weit von der Druckquelle entfernt, kann der Impuls am Anschluss vorbeilaufen, bevor er den Behälter erreicht, und die Dämpfungswirkung sinkt entsprechend. Die richtige Positionierung ist Teil unserer Auslegung.
Wartung:
Im laufenden Betrieb ist die Vorspannung in regelmäßigen Abständen zu prüfen, das ist ohne Ausbau des Behälters aus der Rohrleitung möglich. Ist ein Membranwechsel fällig, wird der Behälter dafür ausgebaut. Bei den SAIP-Behältern, mit denen wir seit 2006 zusammenarbeiten, ist dieser Austausch unkompliziert.
Diese Angaben benötigen wir für Ihre Auslegung
Für die Berechnung des Joukowsky-Stoßes und die passende Dimensionierung des Rohrleitungsschockabsorbers benötigen wir:
- Fördermedium und Betriebstemperatur
- Fördermenge und Rohrleitungsdaten
- Betriebsdruck und maximal zulässigen Druckstoß
- Schließzeit des betroffenen Ventils beziehungsweise Anfahr-/Abfahrverhalten der Pumpe
Technische Auslegung
Schicken Sie uns die Eckdaten Ihrer Anlage. Wir berechnen den auftretenden Joukowsky-Stoß und legen den passenden Rohrleitungsschockabsorber für Sie aus.
Das geht bequem über unser Anfrageformular oder per Mail an info@flowmatic.de
Auslegungsdaten für Rohrleitungsschockabsorber
Auslegungsdaten für Rohrleitungsschockabsorber
