Be- und Entlüftungsventile Druckstösse und Wasserschläge in Rohrleitungen

Transkript

1 Schweizerischer Brunnenmeister-Verband Weiterbildungskurse Lostorf 4. bis 13. März 2008 Be- und Entlüftungsventile Druckstösse und Wasserschläge in Rohrleitungen von Bernd Husemann AIRVALVE Flow Control GmbH D Soest AIRVALVE Flow Control GmbH Seite 1 von 7

2 Druckstöße und Wasserschläge in Rohrleitungen Einsatz von Be- und Entlüftungsventilen zur Vermeidung von Druckstößen und Kavitationsschlägen in Rohrleitungen Autor: Bernd Husemann (AIRVALVE Flow Control GmbH, D Soest) Zusammenfassung In diesem Beitrag wird erläutert, inwieweit Be-und Entlüftungsventile (BEV) neben ihrer eigentlichen Hauptaufgabe (Minimierung der erforderlichen Pumpenleistung durch Be- und Entlüften) gefährliche Strömungsvorgänge in Rohrleitungen (Druckstöße und Kavitationsschläge) dämpfen bzw. vollständig verhindern können. Diese BEV-Eigenschaften werden anhand von praxisgerecht durchgeführten Versuchen quantifiziert und beurteilt. Einführung Seit Wasser in Druckrohrleitungen gefördert wird, beschäftigen sich Ingenieure mit eingeschlossenen Luftblasen, deren Wirkung und ihrer Beseitigung. Be- und Entlüftungsventile dienen der kontrollierten Zu- und Abfuhr von Luft in Druckrohrleitungen. Speziell die Zufuhr von Luft bei Unterdruck kann das Auftreten eines unzulässigen Unterdrucks mit der damit verbundenen Gefahr von Dampfblasenbildung und Kavitationsschlägen vermeiden. Für eine erfolgreiche Abwehr gefährlicher Drucksituationen ist eine gezielte Auswahl von Installationspunkt und Ventil-Bauform/-Nennweite erforderlich. Abb. 1 (links): Abb. 2 (rechts): Stahlrohr DN1200, 7mm Wandstärke, vollständig kollabiert durch Unterdruck Edelstahlbehälter, 4mm Wandstärke, kollabiert bei 0,2 bar (rel.) AIRVALVE Flow Control GmbH Seite 2 von 7

3 Häufigste Ursachen für das Entstehen gefährlicher Druckschwankungen sind: - Abschalten von Pumpen - Schnelles Schließen und Öffnen von Absperrorganen - gestörter Betrieb von Regelorganen - Entleeren von Leitungsabschnitten - Schnelles Füllen bei Inbetriebnahme - Rohrbrüche Einfluss von Be- und Entlüftungsventilen auf dynamische Druckverläufe Im Rahmen eines komplexen Versuchsaufbaus bei Fraunhofer UMSICHT, vereinfacht dargestellt in Abb. 3, wurde der Einfluss unterschiedlicher Be- und Entlüftungsventile zur Dämpfung von Druckstößen und Kavitationsschlägen stromabwärts einer schnellschließenden Armatur untersucht. Abb. 3 : Versuchsaufbau zur Protokollierung dynamischer Druckverläufe mit und ohne Be- und Entlüftungsventile Ein spezielles Augenmerk galt dem zeitlichen Verlauf der entstehenden Druckschwankungen, sowie der Höhe des maximal auftretenden Drucks. Die Rohrleitung (Edelstahl, DN100) wurde bei den Versuchen mit demineralisiertem Wasser der Temperatur von ca. 20 C im Kreislauf durchströmt. Ohne Be- und Entlüftungsventil(e) breitete sich bei schnellem Schließen der Absperrarmatur stromabwärts (zwischen Absperrarmatur und Speisekessel) eine Unterdruckwelle aus, weil die Flüssigkeitssäule aufgrund ihrer Massenträgheit weiterfloss und nicht genügend Medium aus dem stromaufwärts gelegenen Rohrleitungsteil nachströmte. Bei hinreichend großer dynamischer Druckabsenkung kann dabei der Dampfdruck des Fördermediums erreicht werden, was zur Ausbildung einer lokalen Dampfblase führen kann. In Folge des starken Unterdrucks bildete sich neben der Dampfblase hinter der Absperrarmatur (vgl. Abb.4) eine weitere Dampfblase auf der ca. 10m hohen Rohrbrücke. AIRVALVE Flow Control GmbH Seite 3 von 7

4 Der durch Dampfblasen hydraulisch getrennte Rohrstrang zwischen Absperrarmatur und Rohrbrücke veranschaulicht dem Betrachter, wie eine pendelnde Wassersäule eine eingeschlossene Dampfblase so lange kollabieren und wieder neu entstehen lässt, bis die Energie infolge von Reibung verbraucht ist. Abb. 4 Schematische Darstellung von Kavitationsschlägen. links: Infolge von Unterdruck entsteht eine Dampfblase beim Armaturenschließen rechts: Bei Re-Kondensation der Dampfblase wird eine Druckspitze in die Transportleitung eingetragen (Kavitationsschlag) Zur Vermeidung dieser unerwünschten Phänomene wurden an den Punkten AV1 und AV2 unterschiedliche Be- und Entlüftungsventile (BEV) der Nennweite DN50 installiert und jeweils einzeln oder gemeinsam zur Be- und Entlüftung der Leitung nach Schließen und Öffnen der Absperrarmatur eingesetzt (vgl. Abb.3). Alle BEVs verfügten über eine kombinierte Bauform (große und kleine Düse), um jeweils über die große Düse viel Luft gegen Unterdruck einzulassen und ebenfalls viel Luft bei Rückkehr der Wassersäule auszublasen (vgl. Abb.5). Abb. 5: Schematische Darstellung der Be- und Entlüftung nach Schließen der Absperrarmatur. AIRVALVE Flow Control GmbH Seite 4 von 7

5 Die Betrachtung des Druckverlaufs stromabwärts der Absperrarmatur (Abb. 6) zeigt, dass ohne BEV (rote Kurve) der Druck schlagartig auf Dampfdruck-Niveau (etwa 1,0 bar rel.) fällt. Dieser Unterdruck bleibt erhalten, bis die Dampfblase - beim Eintreffen der rücklaufenden Wassersäule - kollabiert und ein Kavitationsschlag in der Größenordnung von 45 bar gemessen wird. Die damit verbundene Überdruckwelle pflanzt sich im stromabwärts gelegenen Leitungsteil fort. Nach einigen Reflexionen am Behälter und an der verschlossenen Absperrarmatur ist hier die erneute Bildung einer Dampfblase zu beobachten. Bei Installation eines BEV an Punkt AV1 (Abb. 3), grüne Kurve (Abb. 6), wird die Bildung einer Dampfblase vermieden, da das BEV im Unterdruck (hier bis zu 0,6 bar rel.) Luft über die große Düse einträgt. Das Unterbinden des Dampfdrucks bewirkt gleichzeitig, dass keine Kavitationsschläge mehr auftreten. Abb. 7 links rote Kurve [ohne BEV]: Dampfdruck wird erreicht (ca. 1,0 bar rel.) grüne Kurve [mit BEV]: Dampfdruck wird nicht erreicht (ca. 0,6 bar rel.) rechts rote Kurve [ohne BEV]: Dampfdruck und Kavitationsschläge bis +45 bar rel. grüne Kurve [mit BEV]: kein Dampfdruck, keine Kavitationsschläge Aus Abbildung 6 geht ebenfalls hervor, dass sich mit Hilfe von BEV sowohl das Entstehen, als auch das schlagartige Re-Kondensieren der Dampfblase auf der Rohrbrücke vermeiden lässt. Bei den Experimenten ohne BEV ist hingegen zu beobachten, dass diese beim Wiederöffnen der Absperrarmatur (ca. 7 Sekunden nach dem Schließen markiert durch blaue Punktlinie in Abb. 6, rechts) kollabiert. Bereits ein BEV an Punkt AV1 konnte die Ausbildung von Dampfdruck auf der Rohrbrücke verhindern, wodurch auch nach Öffnen der Absperrarmatur keine Kavitationsschläge gemessen wurden (der Druck steigt lediglich auf Betriebsdruckniveau). Analysiert wurde auch die Wirkung unterschiedlicher BEV-Konzepte auf den Druckverlauf bei ansonst gleichen Versuchbedingungen. AIRVALVE Flow Control GmbH Seite 5 von 7

6 Während sich hohe Belüftungsleistungen eines BEV (primär definiert über die Querschnittsfläche der großen Düse), sowie kurze Öffnungszeiten positiv auf die Minimierung eines sich ausbildenden Unterdrucks auswirken, können hohe Entlüftungsleistungen eines BEV (ebenfalls primär über die Querschnittsfläche der großen Düse definiert) zu Druckstößen durch abruptes Schließen des BEV bei Wassereintritt führen. Abbildung 7 vergleicht zwei BEV der Nennweite DN50. Die rote Kurve zeigt den Druckverlauf bei Einsatz eines BEV mit hoher Be- und Entlüftungsleistung über einen großem Düsenquerschnitt (ca mm²). Der Unterdruck nach Schließen der Absperrarmatur wird auf 0,55 bar (rel.) begrenzt, jedoch treten zusätzliche dynamische Druckänderungen in Höhe von ca. +10 bar durch abruptes Schließen des BEV bei Wassereintritt auf. Die grüne Kurve zeigt den Druckverlauf bei Installation eines BEV mit Belüftung über einen Düsenquerschnitt von ca. 800 mm², dessen Entlüftungsquerschnitt jedoch nur ca. 15 mm² beträgt. Der Unterdruck nach Schließen der Absperrarmatur erreicht ein Minimum bei ca. 0,6 bar (rel.), jedoch sind keine Druckstöße durch abruptes Schließen des BEV nachweisbar. Dieses Phänomen erklärt sich dadurch, dass die durch Belüftung eingetragene Luftmenge gedrosselt über das BEV entweicht, wodurch die retournierende Wassersäule stark gebremst in das Ventil eintritt und dieses sanft schließt. Abb. 7 links rote Kurve: Druckstöße bei Schließen eines BEV mit großer Entlüftungsdüse grüne Kurve: Druckverlauf bei BEV mit großer Be- und kleiner Entlüftungsdüse rechts die gelbe Kurve stellt den Druckverlauf ohne BEV dar. die blaue Punktlinie markiert den max. Druck bei BEV-Einsatz (vgl. links, rote Kurve) AIRVALVE Flow Control GmbH Seite 6 von 7

7 Fazit: Die in diesem Beitrag dargestellten Untersuchungsergebnisse zeigen, dass Kavitationsschläge und Druckstöße auf der stromabwärts gelegenen Seite einer Absperrarmatur durch Be- und Entlüftungsventile (BEV) verhindert werden können, wobei der Einfluss eines BEV auf den Verlauf dynamischer Druckänderungen stark von Position, Dimension und Konzept des/der zum Einsatz gebrachten BEV abhängig ist. Literaturhinweise: Dudlik A. Vergleichende Untersuchungen zur Beschreibung von transienten Strömungsvorgängen in Rohrleitungen, Dissertation am Fachbereich Chemietechnik der Universität Dortmund Fraunhofer IRB Verlag, 2000 Giesecke J. Dynamische Vorgänge in Rohrleitungssystemen und ihre Auswirkungen, Chemie Ingenieur Technik Nr. 10, Verlag Chemie GmbH, Weinheim 1984 Grams J. Der Einfluss von Armaturen auf die Druckstöße in Rohrleitungen, VGB Kraftwerkstechnik, Heft 9, 1987 Horlacher B. Druckstoßerscheinungen in Wasserversorgungsanlagen, Wasser Abwasser Nr.7, 1994 Kottmann A. Druckstoßermittlung in der Wasserversorgung, Vulkan-Verlag, Essen, 1992 Suda Martin Berechnung von Druckstößen in einer flüssigkeitsgefüllten Rohrleitung bei Kavitationsprozessen, 3R International, Heft 7/8, 1990 AIRVALVE Flow Control GmbH Seite 7 von 7