Musterprüfbericht Leckagetest

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1 Dokument-Nr. Version Gültig ab Dokumenten- Status Verteilerstatus Arbeitsgruppe Anzahl Seiten öffentlich PLaPB Technisches Planungshandbuch der ASFiNAG AUTOBAHNEN- UND SCHNELLSTRASSEN-FINANZIERUNGS-AKTIENGESELLSCHAFT Rotenturmstraße 5 9, 1010 WIEN, Telefon +43 (0) , Telefax + 43 (0)

2 Änderungsberechtigte Name Firma / Abteilung Telefon - Nummer Fax - Nummer E - Mail WIERER Alexander ASFINAG BMG/EM +43 (0) (0) alexander.wierer@asfinag.at Dokumentenfreigabe Erstellt von: Geprüft von: Prüfung gem. RL_012_ASF Freigegeben von/im: Gesellschaft/Abt./Name Gesellschaft/Abt./Name Gesellschaft/Abt./Name Gesellschaft/Abt./Name BMG / EM / A. Wierer e.h. BMG / GF / G. Brandtner e.h. BMG / TU / G. Eberl e.h. Jour Fixe Technische Geschäftsführer Nr.: Datum: Datum: Datum: Datum: Dokumentenhistorie Version gültig ab Dokumenten- Status Verteiler- Status Verantwortlicher Änderungsgrund öffentlich ASFiNAG Neuerstellung Druckdatum: Seite 2 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

3 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemein Aufgabenstellung Messaufbau und Messablauf Messaufbau Messablauf Vorgehensweise bei der Berechnung des Leckvolumenstroms Berechnung des Leckvolumenstroms Bestimmung der Messunsicherheiten Mess- und Berechnungsergebnisse Geschlossene und abgedichtete Abluftklappen - Leckage des Abluftkanals Geschlossene und nicht abgedichtete Abluftklappen - Leckage der Abluftklappen und des Abluftkanals Leckagemengen der Abluftklappen Zusammenfassung VERZEICHNISSE Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Druckdatum: Seite 3 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

4 1 Allgemein Im Zuge der Leckagemessungen soll die Dichtigkeit des Abluftkanals und der Abluftklappen bestimmt werden. Nachfolgend findet sich ein Musterprüfbericht über die Durchführung der Leckagemessungen in quergelüfteten Tunnelanlagen. Dieser Musterprüfbericht definiert den Mindestumfang des Inhaltes, welcher selbstverständlich an die jeweilige Tunnelanlage angepasst werden muss. Druckdatum: Seite 4 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

5 2 2.1 Aufgabenstellung Um den Einfluss des Bauwerks bzw. der Abluftklappen quantifizieren zu können, werden einerseits Messungen mit geschlossenen und abgedichteten Abluftklappen sowie Messungen mit geschlossenen und nicht abgedichteten Abluftklappen durchgeführt. Der maximale Leckvolumenstrom darf gemäß RVS nicht überschreiten. Die Messstrecke ist so nah wie möglich am Ventilator angeordnet, um infolge der dort herrschenden höheren Unterdruckverhältnisse das Maximum an Leckageverlusten zu erreichen. Zur Bestimmung der Leckagemengen wird der Differenzvolumenstrom zwischen zwei im Abluftkanal eingebauten Normmessdüsen erfasst. Der Volumenstrom wiederum wird mit Hilfe der Messung der dynamischen Druckanteile berechnet. Die Messung der dynamischen Drücke erfolgt mit Prandtl-Sonden. Die Messung des Volumenstroms basiert auf dem Prinzip einer Netzmessung nach dem Log-Linear-Verfahren gemäß VDI Richtlinie 2640 Netzmessung in Strömungsquerschnitten, Blatt 1-3, VDI, November Messaufbau und Messablauf Messaufbau Die Messung der Leckagemengen erfolgt im Abluftkanal Kaverne Süd (LA 3). Entlang der Messtrecke befinden sich insgesamt fünf Abluftklappen. Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau der Messstrecke. ca. 500 m Messdüse 2 Messdüse 1 Abbildung 1: Schematische Darstellung der Messstrecke Die Messdüse 2 ist in einem Abstand von etwa 200 m hinter der 90 -Umlenkecke angeordnet. In einem Abstand von 500 m hinter der Messdüse 2 befindet sich die Messdüse 1. Beide Messdüsen sind entsprechend der Norm DIN EN ISO 5167 [3] baugleich ausgeführt. Der verbleibende Freiraum zwischen Düse und Kanalfläche ist durch eine Holzwand luftdicht verschlossen. Druckdatum: Seite 5 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

6 Abbildung 2: Anströmseite der eingebauten Messdüse im Abluftkanal. In den Messdüsen sind die Prandtl-Sonden an der Düsenwand verschiebbar montiert und werden während den Messungen mit Hilfe eines Schnellverschlusses fixiert. Die Anordnung der Sonden in den Messdüsen erfolgt nach der 24-Punkte Log-Linear-Regel für Rechteckflächen [2]. Zur Bestimmung der Luftdichten wird der Absolutdruck mit temperaturkompensierten Präzisionsbarometer der Fa. Digitel bestimmt. Die Messung des dynamischen Druckanteils in den Prandtl-Sonden erfolgt mit Differenzdruckmessdosen, der Fa. JUMO bzw. Halstrup. Für die Messung der Lufttemperaturen werden kalibrierte Temperaturfühler der Firma Testo verwendet. Die Differenzdrücke an den Prandtl-Rohren werden kontinuierlich aufgezeichnet. Die Aufzeichnungsfrequenz beträgt 1 Hz Messablauf Die erste Messung dient der Bestimmung der Leckagemengen des Abluftkanals. Dafür werden die Abluftklappen geschlossen und zusätzlich mit einer Kunststofffolie von unten luftdicht verschlossen. Die zweite Messung dient der Bestimmung der Leckagemengen der Abluftklappen. Dazu werden die Kunststofffolien entfernt. Die Messung verläuft ansonsten gleich wie bei der ersten Messung. Durch Subtraktion der beiden Volumenströme erhält man die Leckagemengen, die den Abluftklappen zuzuordnen sind. Die Messung erfolgte bei einem Volumenstrom von 85 % des Nennvolumenstroms des Abluftventilators. Nach einer Einlaufzeit des Ventilators bzw. nach Erreichen eines stationären Strömungszustandes wird die Messung mit den Prandtl-Sonden durchgeführt. Die Messzeit der einzelnen Messpunkte beträgt 1 min. Die Erfassung der Absolutdrücke und Temperaturen erfolgt über die gesamte Messdauer Vorgehensweise bei der Berechnung des Leckvolumenstroms Berechnung des Leckvolumenstroms Zur Bestimmung der Leckverluste werden in beiden Messdüsen die dynamischen Drücke p dynx,y(1,2) mit Hilfe von Prandtl-Sonden gemessen. Die Verteilung der Sonden basiert auf dem Log-Linear-Verfahren mit insgesamt 24 Messpunkten [2]. Der mittlere dynami- Druckdatum: Seite 6 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

7 sche Druck p dyn(1,2) in den jeweiligen Messebenen der beiden Rechteckdüsen ergibt sich aus den Einzelmesswerten p dynx,y(1,2) der Netzmessung gemäß p dyn1,2 1,2k 1 p 1,2k 2,6 dynx, y (1,2) 24 2 Formel 1: Mittlerer dynamischer Druck p dyn1,2 p dynx,y(1,2) Mittlerer dynamischer Druck (Düse 1 bzw. Düse 2) Dynamischer Druck der Einzelmesspunkte (Düse 1 bzw. Düse 2) [Pa] [Pa] Die Luftdichte ρ1 vor der ersten Düse errechnet sich aus dem Absolutdruck p 1-0 und der Temperatur t 1. 1 R L p 10 * [ t1] Formel 2: Luftdichte Düse 1 ρ 1 Luftdichte (Düse 1) [kg/m³] p 1-0 Absolutdruck (Düse 1) [Pa] R L Gaskonstante [J/(kg*K)] t 1 Temperatur (Düse 1) [ C] Die Gaskonstante beträgt J/(kg*K). Damit ergibt sich der Volumenstrom VD1 in der ersten Düse aus der Beziehung:. 2 * V D1 A1 * p dyn1 1 Formel 3: Volumenstrom Düse 1 V D1 Volumenstrom (Düse 1) [m³/s] A 1 Düsenquerschnittsfläche [m²] Die Düsenquerschnittsfläche A1 beträgt 3.24 m². Die Luftdichte ρ 2 vor der zweiten Düse ergibt sich aus dem statischen Druck p 2-0 und der Temperatur t 2 aus: Druckdatum: Seite 7 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

8 2 R L p 20 * [ t2 ] Formel 4: Luftdichte Düse 2 ρ 2 Luftdichte (Düse 2) [kg/m³] p 2-0 Absolutdruck (Düse 2) [Pa] R L Gaskonstante [J/(kg*K)] t 2 Temperatur (Düse 2) [ C] Der dazugehörige Volumenstrom V D2 berechnet sich somit wie folgt:. 2 * V D2 A2 * p 2dyn 2 Formel 5: Volumenstrom Düse 2 V D2 Volumenstrom (Düse 2) [m³/s] A 2 Düsenquerschnittsfläche [m²] Da die Messdüsen baugleich sind beträgt auch die Querschnittsfläche der zweiten Düse 3.24 m². Aus den Volumenströmen V D1 und V D2 sowie den dazugehörigen Luftdichten ρ 1 und ρ 2 ergeben sich die Massenströme md 1 und md 2 bzw. der Verlustmassenstrom m Leck : m D1 Massenstrom (Düse 1) [kg/s] m D2 Massenstrom (Düse 2) [kg/s] m Leck Verlustmassenstrom [kg/s] Der Leckvolumenstrom V Leck zwischen den beiden Messdüsen resultiert aus der mittleren Luftdichte ρ m und dem Verlustmassenstrom m Leck. V Leck. m Leck m Formel 6: Leckvolumenstrom V Leck Leckvolumenstrom [m³/s] Druckdatum: Seite 8 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

9 ρ m Mittlere Luftdichte [kg/m³] Die mittlere Luftdichte errechnet aus folgender Beziehung: 1 m Formel 7: Mittlere Luftdichte Der berechnete Leckvolumenstrom V Leck wird anschließend auf die Luftdichte bei Normzustand (20 C und 1013 mbar) korrigiert (=V Leck_RVS ). Des Weiteren werden die Messtoleranzen (siehe Kap ) zugunsten des Bauwerks berücksichtigt. Das bedeutet, dass die Summe der Messunsicherheiten (fm) vom berechneten Leckvolumenstrom abgezogen wird (=V Leck_RVS_tol ). Der zulässige Grenzwert der Leckage wird auf 1 km Tunnellänge bezogen. Aus der Kanalquerschnittsfläche AK und dem mittleren Volumenstrom berechnet sich die mittlere Luftgeschwindigkeit cmk im Abluftkanal aus: V cmk A m K Formel 8: Mittlere Luftgeschwindigkeit Die Kanalquerschnittfläche beträgt 7,15 m². Der mittlere Volumenstrom V m ist wie folgt definiert: V m ( V ) D1 VD2 2 Formel 9: Mittlerer Volumenstrom Bestimmung der Messunsicherheiten Die Bestimmung der Messunsicherheiten erfolgt nach VDI 2044 und VDI Das Messspiel für den Massenstrom ergibt sich nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz aus der Beziehung: fm fa fk f 4 1 f 4 2 p d Formel 10: Messspiel für den Massenstrom Für die Einzelmessspiele gelten folgende Anhaltswerte: Bei einer Bautoleranz von 0,1 % auf einer Länge von L D =1800 mm (Düsenhöhe bzw. Düsenbreite) ergibt sich ein Messspiel in Bezug auf die Fläche von f A = 0,002 Druckdatum: Seite 9 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

10 Für Messungen mit Prandtl-Sonden wird eine Messunsicherheit, entsprechend der Ausführungen der VDI 2640 und VDI 2044 von angenommen. f K = 0,015 Das Einzelmessspiel für die Dichte ergibt sich nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz aus: f f f f pst T R F Formel 11: Einzelmessspiel für die Luftdichte Die Gaskonstante RF, kann mit einer Genauigkeit von angenommen werden. f RF = 0,01 Die Temperaturen t 1 bzw. t 2 können mit digitalen PT-100 Thermometern bestimmt werden. Die Genauigkeit beträgt 1 K. Die Messunsicherheit beträgt somit: f T = 0,005 Die statischen Drücke p0 werden mit einem JUMO Differenzdruck-Messumformer gemessen. Daraus ergibt sich ein Messspiel von f pst = 0,005 Laut vorheriger Beziehung ergibt sich somit das Einzelmessspiel für die Dichte mit: f ρ = 0,01225 Die dynamischen Drücke pdynx,y(1,2) werden ebenfalls mit einem Differenzdruck- Messumformer gemessen, so dass sich für das Einzelmess-Spiel analog gilt f pd = 0,005 Das Gesamtmessspiel für den Massenstrom ist somit: f m = 1,65 % Druckdatum: Seite 10 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

11 2.3 Mess- und Berechnungsergebnisse Die Ergebnisse werden in Leckagemessung mit geschlossenen und abgedichteten Abluftklappen sowie Leckagemessung mit geschlossenen und nicht abgedichteten Abluftklappen unterteilt Geschlossene und abgedichtete Abluftklappen - Leckage des Abluftkanals Tabelle 1 Messwerte und Geometrien, Berechnung des Leckvolumenstroms Abluftkanal Messwerte und Geometrien Absolutdruck vor der Düse 1 p [mbar] Absolutdruck vor der Düse 2 p [mbar] Temperatur (Düse 1) t [ C] Temperatur (Düse 2) t [ C] Düsenfläche (Düse 1) A [m²] Düsenfläche (Düse 2) A [m²] Kanalquerschnittsfläche A K 7.15 [m²] Hydraulischer Durchmesser des Kanals D H [m] Messstrecke Leckagemessung L Leck 540 [m] kinematische Zähigkeit (Luft) ν L [m²/s] Gaskonstante (Luft) R L [J/(kg*K)] Berechnung des Leckvolumenstroms Mittlerer dynamischer Druck (Düse 1) p dyn1 -- [mbar] Luftdichte (Düse 1) ρ [kg/m³] Mittlere Strömungsgeschwindigkeit in Düse1 u 1 -- [m/s] Volumenstrom (Düse 1) V D [m³/s] Massenstrom (Düse 1) m D [kg/s] Mittlerer dynamischer Druck (Düse 2) p dyn [mbar] Luftdichte (Düse 2) ρ [kg/m³] Mittlere Strömungsgeschwindigkeit in Düse2 u [m/s] Volumenstrom (Düse 2) V D [m³/s] Massenstrom (Düse 2) m D [kg/s] Leckvolumenstrom (RVS Dichte) V leck_rvs_tol 2.20 [m³/(s*km)] Tabelle 2: Ergebnis der Messung Leckagemenge des Abluftkanals Zulässige Leckage lt. RVS Gemessene Leckage 5 [m³/(s*km)] 2.20 [m³/(s*km)] Druckdatum: Seite 11 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

12 2.3.2 Geschlossene und nicht abgedichtete Abluftklappen - Leckage der Abluftklappen und des Abluftkanals Tabelle 3 Messwerte und Geometrien, Berechnung des Leckvolumenstroms Abluftkanal Messwerte und Geometrien Absolutdruck vor der Düse 1 p [mbar] Absolutdruck vor der Düse 2 p [mbar] Temperatur (Düse 1) t [ C] Temperatur (Düse 2) t [ C] Düsenfläche (Düse 1) A [m²] Düsenfläche (Düse 2) A [m²] Kanalquerschnittsfläche A K 7.15 [m²] Hydraulischer Durchmesser des Kanals D H [m] Messstrecke Leckagemessung L Leck 540 [m] kinematische Zähigkeit (Luft) ν L [m²/s] Gaskonstante (Luft) R L [J/(kg*K)] Berechnung des Leckvolumenstroms Mittlerer dynamischer Druck (Düse 1) p dyn1 -- [mbar] Luftdichte (Düse 1) ρ [kg/m³] Mittlere Strömungsgeschwindigkeit in Düse1 u 1 -- [m/s] Volumenstrom (Düse 1) V D [m³/s] Massenstrom (Düse 1) m D [kg/s] Mittlerer dynamischer Druck (Düse 2) p dyn [mbar] Luftdichte (Düse 2) ρ [kg/m³] Mittlere Strömungsgeschwindigkeit in Düse2 u [m/s] Volumenstrom (Düse 2) V D [m³/s] Massenstrom (Düse 2) m D [kg/s] Leckvolumenstrom (RVS Dichte) V leck_rvs_tol 2.20 [m³/(s*km)] Tabelle 4: Ergebnis der Messung Leckagemenge des Abluftkanals Zulässige Leckage lt. RVS Gemessene Leckage 5 [m³/(s*km)] 2.20 [m³/(s*km)] Druckdatum: Seite 12 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

13 2.3.3 Leckagemengen der Abluftklappen Auf der Messstrecke befinden sich insgesamt 5 Abluftklappen. Tabelle 5: Leckagemengen aller gemessenen Abluftklappen. Leckvolumenstrom 1. Messung (Bauwerk) Leckvolumenstrom 2. Messung (Bauwerk und Abluftklappen) V leck_rvs_tol 1.19 [m³/(s*messstrecke 1 )] V leck_rvs_tol 2.44 [m³/(s*messstrecke 1 )] Leckagemengen der Abluftklappen V leck_ak 1.25 [m³/(s*5 Abluftklappen)] 1 Messstrecke: 540 m Im Mittel lag der Unterdruck bei ca Pa (ermittelt über eine Druckmessung zwischen Fahrraum und Abluftkanal). Die zulässige Leckagemenge pro Abluftklappe für eine Klappenfläche von 11,11 m² und einem Differenzdruck von 1500 Pa kann der nachfolgenden Tabelle entnommen werden. Tabelle 6: Leckagemenge einer einzelnen Abluftklappe. Zulässige Leckage Gemessene Leckage Differenzdruck (pro Klappe) lt. RVS (pro Klappe) 1500 Pa * 11,11 = [m³/s] 1.25/5 = 0.25 [m³/s] Damit wird die laut RVS [1] zulässige Leckage um mehr als das doppelte unterschritten. 2.4 Zusammenfassung Es wurden für die Leckagemessungen eine Netzmessung nach dem Log-Linear- Verfahren gemäß VDI Richtlinie 2640, Netzmessung in Strömungsquerschnitten, Blatt 1-3, VDI, November 1983 [2] und eine streckengemittelte Messung (Ultraschalllaufzeitdifferenz- Messgerät) eingesetzt. Die streckengemittelte Messung weist dieselbe Genauigkeit wie die Netzmessung auf. Die gemessene Leckagemenge im Abluftkanal Kaverne Süd (LA 3) beträgt 3,31 m³/(s*km) und ist somit im zulässigen Bereich. Die Leckagemenge der Abluftklappen auf der Messstrecke liegt bei 0,275 m³/s und Klappe. Damit liegt sie deutlich unter den in der RVS [1] geforderten Werten von 0,611 m³/s und Klappe. Somit kann festgehalten werden, dass die Leckagetests des Bauwerks und der Abluftklappen lt. RVS [1] als bestanden gewertet werden können. Druckdatum: Seite 13 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

14 3 VERZEICHNISSE 3.1 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Schematische Darstellung der Messstrecke... 5 Abbildung 2: Anströmseite der eingebauten Messdüse im Abluftkanal Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Messwerte und Geometrien, Berechnung des Leckvolumenstroms Abluftkanal Tabelle 2: Ergebnis der Messung Leckagemenge des Abluftkanals Tabelle 3 Messwerte und Geometrien, Berechnung des Leckvolumenstroms Abluftkanal Tabelle 4: Ergebnis der Messung Leckagemenge des Abluftkanals Tabelle 5: Leckagemengen aller gemessenen Abluftklappen Tabelle 6: Leckagemenge einer einzelnen Abluftklappe Druckdatum: Seite 14 von 14 Dokumentname: PLaPB Musterpruefbericht Leckagetest [V2.00].docm 2013 ASFINAG Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft