Druckstoß
Druckwellen, hier erzeugt durch Flug mit Schallgeschwindigkeit. Beim in diesem Artikel behandelten Druckstoß geht es allerdings um Druckwellen in Rohrleitungen.
Ein Druckstoß (auch Wasserhammer, engl. pressure surge) bezeichnet die dynamische Druckänderung eines Fluids. Umgangssprachlich wird der Begriff Joukowskistoß für den Druckanstieg in einer Rohrleitung verwendet, der beim zu raschen Schließen einer Absperrarmatur (oder Stellarmatur) auftritt. Druckstöße sind in technischen Anlagen generell unvermeidlich (das wäre nur mit einer unendlich langen Schließzeit möglich), weil diese mittels Armaturen geregelt werden. Das Ausmaß eines Druckstoßes lässt sich jedoch mindern. Druckstöße bewirken in Flüssigkeitssystemen höhere Druckanstiege als in Gassystemen, weil Flüssigkeiten weniger kompressibel sind als Gase. Die Information Druck wird von Druckwellen weitergegeben. Es handelt sich dabei immer um Longitudinalwellen.
4 Druckstoßphänomene
4.1 Der Joukowsky-Stoß
4.2 Berechnung von Druckstößen in Leitungen
4.2.1 Sonderfall dünnwandiges Rohr
4.2.2 Sonderfall Felsstollen
4.2.3 Allgemein
4.3 Druckstoß in Rohrleitungen unter Beachtung der Schließzeit
4.4 Line-Packing
4.5 Druckerhöhung
4.6 Drucksenkung
5 Druckstoßreduzierende Maßnahmen und Faktoren
6 Numerische Berechnungsmethoden
7 Schäden
Nikolai E. Joukowsky
Bereits seit der Antike sind die grundsätzlichen Ursachen für Druckstöße in flüssigkeitsgefüllten Rohrleitungen und die damit verbundene Gefahr der Anlagenbeschädigung/-zerstörung bekannt. Marcus Vitruvius Pollio beschreibt im 1. Jahrhundert vor Christus das Auftreten von Druckstößen in Blei- und Steinrohren der römischen Wasserversorgung[1]. 1883 veröffentlichte Johannes von Kries die Theorie des Druckstoßes in einer Veröffentlichung des Blutflusses in Arterien.[2] Entgegen der landläufigen Meinung hat er vor Nikolai Egorovich Joukowsky (1847-1921) die Joukowsky-Formel aufgestellt. Dieser führte 1897 ausführliche Experimente an Trinkwasserleitungen durch und veröffentlichte seine Ergebnisse 1898[3]. Als generelle Bezeichnung des Druckstoßes setzte sich der Begriff Joukowsky-Stoß durch.
Ursachen[Bearbeiten]
Soll ein Fluid in einer Rohrleitung beschleunigt werden, ist dafür eine gewisse Kraft nötig.[4] Das zweite Newtonsche Gesetz besagt:
F = Kraft, p = Druck, A = Querschnittsfläche der Rohrleitung
Die nötige Kraft resultiert in einer Änderung des Druckes. Beschleunigt wird ein Fluid in einer Rohrleitung z.B. durch das Schließen eines Ventils oder einer Absperrklappe (Klappenschlag) sowie durch das An- und Abfahren von Pumpen.[5] Die meisten Pumpen sind mit Rückschlagklappen versehen. Werden zwei oder mehr solcher Pumpen parallel betrieben und es findet ein Umschalten der Pumpen statt, kann durch die auslaufende(n) Pumpe(n) eine Rückströmung entstehen, welche von der Rückschlagklappe möglichst vermieden werden soll. Wird eine herkömmliche (relativ langsam schließende) Rückschlagklappe verwendet, schließt diese, wenn sich die Rückströmung bereits teilweise ausgebildet hat, ein Druckstoß entsteht.
Auswirkungen[Bearbeiten