Numerische und experimentelle Untersuchungen von Druckstößen in Rohrleitungen und Kreiselpumpen Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik, Erlangen Andreas Ismaier Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker Areva NP Erlangen Dr. rer. nat. W. Schnellhammer
Warum nach über 2000 Jahren Rohrleitungstechnik auch heute noch Forschung? Früher: Erfahrung der Baumeister, Trial and Error Heute: Rohrleitungen werden vorab berechnet Fluiddynamische Effekte müssen verstanden werden Neue Methoden verfügbar: Hochdynamische Messtechnik Computergestützte Auslegung Inhalt des Vortrages: Ursachen und Folgen von Druckstößen Versuchsanlage am ipat Druckstoß durch Ventilschnellschluss Wechselwirkung zwischen Druckstoß und Kreiselpumpe Film mit einer Hochgeschwindigkeitskamera 2
Entstehung von Druckstößen Grundsätzlich führt jede Änderung des stationären Betriebszustandes zu Druckstößen: Regel- und Stellvorgänge An- und Abfahrprozesse Ausfall von Pumpen Schnellschluss von Ventilen Harmlose Druckerhöhung oder gefährlicher Druckstoß? Abhängig vom System! Niederdrucksysteme sind meist stärker gefährdet. Je schneller die Änderung, desto stärker der Druckstoß. 3
Ventilschnellschluss Joukowsky-Stoß: p J c v Voraussetzung: Schließzeit des Ventils ist kleiner als die Reflektionszeit t r der Druckwelle t r = 2. L / c Abhängig von Rohrleitungslänge L und Schallgeschw. c Beispiel: Wasserleitung 100 m: t r = 0,15 s Erdölpipeline 1000 km: t r = 19,6 min Ventilschnellschluss bei 3 m/s Strömungsgeschwindigkeit, Medium Wasser (c = 1300 m/s) p J = 39 bar resultierende Kraft auf DN100 Rohr: 30,6 kn (3100 kg!) 4
Wann beginnt der hydraulische Schließvorgang? Gesamte Schließzeit einer Armatur ist ungleich der hydraulischen Schließzeit! Der Schließvorgang findet meist erst in den letzten 10 20 % des Schließweges statt. Vorher nur Erhöhung des Druckverlustes 45 -Stellung 20 -Stellung 6
Versuchsanlage am ipat 7
Beispiel für einen Ventilschnellschluss Schnellschlussventil entspricht einer gegen die Strömung eingebauten Rückschlagklappe Ventil wird geschlossen 8
Joukowsky Theorie und Praxis 15,0 13,5 max. Druckstoß [bar] 12,0 10,5 9,0 7,5 6,0 4,5 3,0 Wechselwirkung zwischen Pumpe und Ventil p Joukowsky berücksichtigt keine Reibung: Line Packing p = f(,l) 1,5 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Strömungsgeschwindigkeit [m/s] 10 Hz 20 Hz 30 Hz 40 Hz 50 Hz Joukowsky 9
Resonanz Wechselwirkung zwischen Kreiselpumpe und Schnellschlussventil Kreiselpumpe wird ausgeschaltet Ursache: Druckpulsation der Kreiselpumpe 10
Druckpulsation der Kreiselpumpe Hochdynamische Messtechnik notwendig (größer 10 khz)! 11
Druckwellenreflexion Idealisierte Extremfälle vollständiger Reflexion: Negative Reflexion an offenem Rohrende Druckwelle Unterdruckwelle Beispiel: Offener Behälter Positive Reflexion an geschlossenem Rohrende Druckwelle Druckwelle Beispiel: geschlossenes Ventil Wie interagiert ein Druckstoß mit einer Kreiselpumpe? 12
Druckstoß und Kreiselpumpe Kreiselpumpe offenes oder geschlossenes Ende? Druckwelle läuft durch offenes Rohrstück Allerdings Abschwächung der Druckstoßamplitude Kreiselpumpe = Druckverlustbeiwert für Druckstöße 13
Zusammenfassung Joukowsky-Formel gut für erste Abschätzung, kritische oder komplexe Systeme unbedingt numerisch überprüfen Resonanz, Line Packing Auch Kreiselpumpen können ein System anregen Kreiselpumpe ist hydraulisch offen für Druckwellen Aufnahme mit einer Hochgeschwindigkeitskamera: 14