Untersuchung der fluiddynamischen Wechselwirkung zwischen Druckstößen und Anlagenkomponenten in Kreiselpumpensystemen

Untersuchung der fluiddynamischen Wechselwirkung zwischen Druckstößen

und Anlagenkomponenten in Kreiselpumpensystemen

Promotionsvortrag

Gliederung des Vortrags Versuchsanlage

Entstehung von Druckstößen und deren Ausbreitung Wechselwirkung mit einer Kreiselpumpe

Begrenzung von nicht vermeidbaren Druckstößen Kurze Übersicht über weitere Effekte

Zusammenfassung

Versuchsanlage

Rohrleitung:

DN 100, PN 63

Fluid: Wasser (25°C)

Kreiselpumpe:

Q_opt = 150 m³/h H_opt = 33,3 m Schnellschluss-

ventil

Versuchsanlage

Rohrleitung:

DN 100, PN 63

Fluid: Wasser (25°C)

Schnellschluss- ventil

Messtechnik

Druckmessung: 8 piezoresistive Sensoren an 25 Messstellen ( )

 Standard Messfrequenz 20.000 Hz (bis 70 kHz für lokale Effekte)

Weitere Messgrößen:

Klappenstellung Schnellschlussventil

Durchfluss, Beschleunigung, Pumpendrehzahl

Begriffe

Druckstoß Als Folge einer Durchflussänderung

auftretende rasche Druckänderung im Trinkwassersystem

Druckwelle Ausbreitung der Druckänderung (des

Druckstoßes) im Trinkwassersystem VDI 6006 (Druckstöße in Trinkwasserleitungen)

Beispiele für schnelle Durchflussänderungen:

Schalthandlungen an Armaturen Pumpenanfahren/-abfahren

Rohrbrüche (= schnelles Öffnen) Was ist eine „schnelle“ Änderung?

 Spezifische Zeitkonstante für jedes Rohrleitungssystem!

Entstehung eines Druckstoßes

Druckwelle breitet sich mit der durch Rohratmung reduzierten Schallgeschwindigkeit im System aus

Typischer Wert für Stahl-Wasserleitungen ca. 1000 – 1300 m/s

Endliche Schließzeit des Ventils erzeugt keinen schlagartigen Druckanstieg, sondern eine Druckrampe

Behälter Behälter

Entstehung eines Druckstoßes

Druckwelle breitet sich mit der durch Rohratmung reduzierten Schallgeschwindigkeit im System aus

Typischer Wert für Stahl-Wasserleitungen ca. 1000 – 1300 m/s

Endliche Schließzeit des Ventils erzeugt keinen schlagartigen Druckanstieg, sondern eine Druckrampe

Behälter Behälter

Entstehung eines Druckstoßes

Druckwelle breitet sich mit der durch Rohratmung reduzierten Schallgeschwindigkeit im System aus

Typischer Wert für Stahl-Wasserleitungen ca. 1000 – 1300 m/s

Endliche Schließzeit des Ventils erzeugt keinen schlagartigen Druckanstieg, sondern eine Druckrampe

Behälter Behälter

Entstehung eines Druckstoßes

Druckwelle breitet sich mit der durch Rohratmung reduzierten Schallgeschwindigkeit im System aus

Typischer Wert für Stahl-Wasserleitungen ca. 1000 – 1300 m/s

Endliche Schließzeit des Ventils erzeugt keinen schlagartigen Druckanstieg, sondern eine Druckrampe

Unterdruck Überdruck

Behälter Behälter

Druckverlauf in der Rohrleitung

Druck

Die Druckrampe läuft mit der Wellen-

ausbreitungsgeschw. dem Druckplateau voraus.

Rohrlänge Das Druck-Maximum wird erreicht, falls t_s < 2 L/c











 p

c v

„schnell“: kleiner als kritische Schließzeit

 Max. Druckstoß unter den gegebenen Annahmen Joukowsky:

Annahme: reibungsfreie Strömung

Zeitlicher Druckverlauf an verschiedenen Messstellen

3 6 9 12

Druck [bar]

MS 3.1 MS 1.3 MS 4.4

Abklingende Druckwelle

Dissipative Effekte (z.B. instationäre Rohrreibung) führen zum Abklingen des Druckstoßes

0 1 2 3 4 5

Zeit [s]

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15

Druck [bar]

Stehende Welle

Im extremen Teillastbetrieb der Kreiselpumpe kann sich eine Druckschwingung stabilisieren

Phänomen tritt unregelmäßig auf

0 1 2 3 4 5 6 7

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15

Druck [bar]

Abfahren der Kreiselpumpe

Stehende Welle

3 3.25 3.5 3.75 4

3 4 5 6 7

Druck [bar]

Phasenporträt der Druckmessung

0 3 6 9

Druck [bar]

-100 -50 0 50 100

zeitliche Druckänderung [bar/s]

2.5 5 7.5 10 12.5 15

Druck [bar]

Abfahren der Kreiselpumpe

 selbsterregte Schwingung

Selbsterregte Schwingung

Angewandt auf die Versuchsanlage:

Energiequelle: Kreiselpumpe Schwinger: Fluidsäule

Schalter: ?

rückstellendes Element: ?

Zusätzlich: Nur bestimmte Betriebsbedingungen, stochastisch Energiequelle Schwinger

Schalter

Schalter

Bewegungsfähigkeit der Klappe im Schnellschluss- ventil beeinflusst Amplitude der stehenden Welle

 Geöffnete Klappe ermöglicht geringe Leckageströmung

 Erneutes Schließen

erzeugt kleinen Druckstoß

Effekt auch mit 1D Fluid- dynamik Code ROLAST reproduzierbar

0 1 2 3 4 5

0 3 6 9 12 15

Druck [bar]

MS 4.4

0 1 2 3 4 5

Zeit [s]

85 86 87 88 89 90

Klappenposition [°]

0 1 2 3 4 5

0 3 6 9 12 15

Druck [bar]

MS 4.4

86 87 88 89 90

appenposition [°]

ROLAST-Simulation (1)

0 1 2 3 4 5

0 3 6 9 12 15

Druck [bar]

MS 4.4

0 1 2 3 4 5

Zeit [s]

87 88 89 90 91 92

Klappenposition [°]

Modellierung einer beweglichen Klappe

ROLAST-Simulation (2)

0 1 2 3 4 5

0 3 6 9 12 15

Druck [bar]

0 1 2 3 4 5

Zeit [s]

87 88 89 90 91 92

Klappenposition [°]

MS 4.4

Modellierung einer fixierten Klappe

Rückstellendes Element

Schwingung benötigt diskontinuierlich Energie zum richtigen Zeitpunkt (wenn Schwingungsenergie minimal ist)

 Ausgleich der dissipierten Energie

Klappe kann nur während des Druckminimums öffnen

 Energie im System ist minimal

 Energiespeicher und phasenverschobene Freisetzung notwendig (vgl. elektrische Klingel: Blattfeder)

Aus der Literatur bekannt:

Kavitationsgebiete (z.B. in Pumpen) sind Energiespeicher, die sich schlagartig entladen

Rückstellendes Element

Messstelle an der Pumpe:

Erklärung auch für das unregelmäßige Auftreten in bestimmten Betriebsbereichen

 Starke Kavitation besonders im extremen Teillastbetrieb

2 2.25 2.5 2.75 3

0 1 2 3 4

Druck [bar]

2 2.25 2.5 2.75 3

Zeit [s]

-750 -500 -250 0 250 500 750

Beschleunigung [m/s²]

MS 0.1

Auch Verstärkung des Druckstoßes möglich

Druckstoß-Amplitude überschreitet Joukowsky-Niveau deutlich

0 1 2 3 4 5

Zeit [s]

0 4 8 12 16

Druck [bar]

Auch Verstärkung des Druckstoßes möglich

Druckstoß-Amplitude überschreitet Joukowsky-Niveau deutlich

Nur 1 x innerhalb von ca. 2000 Messungen aufgetreten

 Vorhersage derartiger seltener Phänomene schwierig

0 1 2 3 4 5

Zeit [s]

0 4 8 12 16

Druck [bar]

Begrenzung von Druckstößen

Klassische Methode zur Begrenzung von unzulässigen Drücken:

Federbelastete Sicherheitsventile

Öffnen Sicherheitsventile schnell genug?

 Einbau eines 6-barg Sicherheitsventils (DN 25) direkt im Schnellschlussventil (DN 100)

Begrenzung von Druckstößen

 Begrenzung der Druckamplitude grundsätzlich möglich

3.05 3.1 3.15 3.2 3.25

Zeit [s]

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15

Druck [bar]

3.05 3.1 3.15 3.2 3.25

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15

Druck [bar]

Messstelle SSV

Messstelle Mitte Rohrleitung

ohne/mit Sicherheitsventil

Vergleich verschiedener Ventilnennweiten

2.65 2.7 2.75 2.8 2.85

Zeit [s]

0 5 10 15 20

Druck [bar]

ohne Ventil

2.65 2.7 2.75 2.8 2.85

Zeit [s]

0 5 10 15 20

2.650 2.7 2.75 2.8 2.85

5 10 15 20

Druck [bar]

2.650 2.7 2.75 2.8 2.85

5 10 15 20

1/2"-Ventil

1"-Ventil 2"-Ventil

Verschiedene Ventilnennweiten – ROLAST-Simulation

2.65 2.7 2.75 2.8 2.85

Zeit [s]

0 5 10 15 20

Druck [bar]

ohne Ventil

2.65 2.7 2.75 2.8 2.85

Zeit [s]

0 5 10 15 20

2.650 2.7 2.75 2.8 2.85

5 10 15 20

Druck [bar]

2.650 2.7 2.75 2.8 2.85

5 10 15 20

1/2"-Ventil

1"-Ventil 2"-Ventil

Weitere Effekte (1)

Eine Druckwelle durchläuft die Kreiselpumpe fast ungestört

 Auch die Saugleitung muss berücksichtigt werden

1 1.25 1.5 1.75 2

Zeit [s]

0 2.5 5 7.5 10

Druck [bar]

Druckseite Saugseite

Weitere Effekte (2)

Hochfrequente Druckpulsation der Kreiselpumpe dämpft die Ausbreitung der Druckwelle

Je höher die Pumpendrehzahl, desto größer die Pulsation

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5

Druck [bar]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5

Druck [bar]

40 Hz Pumpendrehzahl 30 Hz Pumpendrehzahl

Weitere Effekte (2)

Dämpfung ist durch eine Optimierung des Pumpenmodells in ROLAST simulierbar

Pulsation wird mit einer Kolbenpumpe modelliert

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5

Druck [bar]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Zeit [s]

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5

Druck [bar]

Pumpenmodell mit pulsierendem Förderdruck Pumpenmodell mit konstantem Förderdruck

Weitere Effekte (3)

Luftblase im Gehäuse des Schnellschlussventils wirkt wie ein Windkessel

 Dämpfung der Druckstoßamplitude

 Erniedrigung der Frequenz

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 5 10 15 20

Druck [bar]

mit Luftblase im SSV ohne Luftblase im SSV

Weitere Effekte (4)

Häufig in realen Anlagen zu finden:

Materialmix aus verschiedenen

Rohrwerkstoffen (Stahl, GFK, PVC...)

 Sprunghafte Änderung der Wellen- ausbreitungsgeschwindigkeit

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

0 5 10 15 20

Druck [bar]

Schlauch Rohr

Zusammenfassung

Druckstöße entstehen bei schnellen Durchflussänderungen

Die entstehende Druckwelle kann mit Systemkomponenten (Pumpen, Armaturen, Bögen...) interagieren

Bereits in diesem einfachen Versuchstand sind sehr komplexe Wechselwirkungen mit unerwarteten Folgen aufgetreten

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!