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Druckstoßphänomene (Transiente Funktionen)

Wenn in einem Rohrleitungssystem plötzliche Geschwindigkeitsänderungen entstehen, z. B. wenn Geräte ausgeschaltet werden, oder Rückschlagventile geschlossen werden, entwickelt sich eine Druckwelle, welche sich innerhalb des Systems mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreitet. Diese wird weitgehend durch den Werkstoff der Leitung und der Dicke des Materials bestimmt. Diese Druckwelle kann schädlich für das System sein; Rohre und Fittings können reißen. Der maximale Druckanstieg über das bestehende Druckniveau beim Schließen eines Ventils kann annähernd durch Joukowskys Formel errechnet werden:

Hierbei bedeuten:

= Druck in mWS im Vergleich zum Ausgangsdruck.

= Geschwindigkeit der Druckwelle in m/sec

= Änderung des Förderstroms in m³/s

= Erdbeschleunigung

= Rohrquerschnitt in m²

Der maximal mögliche Überdruck kann kritisch sein. In den meisten Situationen sind es aber die Unterdrücke, welche für größere Probleme sorgen, denn die Rohrleitungen sind empfindlicher gegenüber Einbeulen als gegen Platzen infolge Überdrucks.

Materialermüdung: In einem System, das mit häufigen Ein- und Ausschaltvorgängen behaftet ist, muss das Risiko der Materialermüdung beachtet werden. Die meisten Rohrleitungsmaterialien sind empfindlicher gegenüber Materialermüdung infolge Unterdrucks als infolge Überdrucks.
Wenn der Druck in Teilen des Rohrsystems unter den Verdampfungsdruck sinkt, verdampft das Fördermedium. Zwischen den Flüssigkeitssäulen in der Rohrleitung bilden sich Blasen. Zerstörerische Drücke können entstehen, wenn diese Kavitationsblasen zusammenfallen.

Methoden zum Schutz des Rohrsystems:

Wenn man geeignete Methoden zum Schutz des Rohrsystems auswählen will, müssen verschiedene Faktoren bedacht werden. Beispielsweise die Anzahl der Pumpen, welche gleichzeitig in Betrieb sind, ob im Ein-Aus-Betrieb oder im kontinuierlichen Betrieb, ob ein normales Ausschalten oder Ausschalten wegen Fehlers vorliegt, Stauchgefahr oder Ermüdungsprobleme, Verstopfungsrisiko etc. Allen Methoden zum Schutz des Rohrsystems gemeinsam ist, dass diese auf einem grundlegenden Verständnis darauf basieren, wie sie das Gesamtsystem beeinflussen und dass sie für jeden speziellen Fall geeignet sind.

Lufteinschlüsse / „Air chamber"
Ein Lufteinschluss ist ein Reservoir, welches Flüssigkeit und komprimierte Luft enthält, welche mit der Rohrleitung verbunden sind. Wenn der Druck infolge eines Abschaltvorgangs fällt, entlädt der Behälter Flüssigkeit in das Rohrsystem. Der Strom in der Rohrleitung wird langsam gestoppt, und niedrige Drücke werden vermieden. Ein Lufteinschluß, welcher zu nahe an Pumpe oder einem Ventil positioniert ist, kann sogar ein Zuschlagen bewirken.

Langsam schließende Ventile:
Der Förderstrom wird langsam mit einem Ventil verringert, bevor die Pumpe ausgeschaltet wird. Der Strom in der Rohrleitung wird langsam verzögert, und niedrige Drücke können so vermieden werden. Diese Methode ist nicht geeignet zum Schutz des Rohrsystems im Falle eines Stromausfalls, da die Prozedur des Schließens des Ventils beendet sein muß, bevor die Pumpe ausgeschaltet wird.

Belüftungsventile / Vakuumbrecher:
Belüftungsventile werden entlang der Rohrleitung eingebaut, an Stellen, an denen Unterdrücke auftreten können. Diese lassen automatisch Luft in die Rohrleitung hinein, wenn der Druck dort unter einen vorher festgelegten Wert fällt. Die Luft, die in das System hineingelassen wird, muß dann auch wieder durch ein Entlüftungsventil herausgelassen werden, um nicht Lufteinschlüsse an den höchst gelegenen Stellen des Rohrleitungssystems auftreten zu lassen. Sollte die Luft zu schnell entweichen, kann die Flüssigkeitssäule, welche die Luft heraustreibt, hohe Geschwindigkeit erreichen. Wenn die gesamte Luft entwichen ist, und die Flüssigkeitssäule abrupt stoppt, können hohe Drücke entstehen.

Entlüftungsventile:
An Stellen, an denen hohe Drücke auftreten können, werden Entlüftungsventile installiert. Diese öffnen sich automatisch und lassen Flüssigkeit entweichen, wenn der Druck zu hohe Werte erreicht.

Riskofaktoren:

Das Rohrleitungsprofil: Die Linie minimalen Drucks hängt u. a. von solchen Faktoren wie der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwelle und dem Massenträgheitsmoment der Pumpen ab. Sie wird einen gleichen Verlauf haben, unabhängig vom Rohrleitungsprofil (sofern keine Verdampfung auftritt). Die Höhe des Unterdrucks, welchen die Rohrleitung aushalten muß, wird vom Rohrleitungsprofil abhängen, d. h. der Abstand zwischen der Linie minimalen Drucks und dem Rohrleitungsende (siehe Abbildung).

Die Rohrleitungslänge: Je kürzer die Rohrleitung, desto eher kommt die reflektierte Druckwelle zurück und erhöht die Drucklinie.

Das Massenträgheitsmoment: Je größer das Massenträgheitsmoment, desto länger wird die Pumpe nach dem Ausschalten nachlaufen, und desto weniger wird die Drucklinie abfallen bevor die reflektierte Druckwelle diese wieder erhöht.

Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit: Diese Geschwindigkeit hängt von der Elastizität der Rorhleitungswände und der Komprimierbarkeit des Mediums ab. Einige typische Werte für Rohre, welche Wasser enthalten, sind: bei PVC: a= 300m/s, bei Stahl: a= 1100 m/s.