Druckstoß in hydraulischen Leitungssystemen

Ein Druckstoß (auch Wasserhammer) bezeichnet die dynamische Druckänderung eines Fluids in einer Rohrleitung, der beim zu raschen Schließen einer Absperrarmatur (oder Ventils) auftritt. Durch zu hohe Druckstöße können Schäden an der betroffenen Anlage auftreten. Rohrleitungen können schlimmstenfalls platzen oder Halterungen der Rohrleitungen können beschädigt werden. Zudem sind Armaturen, Pumpen, Fundamente und weitere Bestandteile des Leitungssystems (z. B. Wärmeübertrager) gefährdet.
Druckstöße sind in technischen Anlagen generell unvermeidlich, das Ausmaß eines Druckstoßes lässt sich jedoch z. B. durch Dämpfer mindern. Für Rohrleitungssysteme können Druckstoßberechnungen numerisch durchgeführt werden, wobei Randbedingungen wie Drücke, Massenströme, Reibungsverluste, Drehzahlen von Pumpen und Stellungen von Armaturen zeitabhängig berücksichtigt werden. /1/

Beim Druckstoß denkt man oft nur an die Zulaufleitungen. Viel häufiger kommt es aber auf der Ablaufseite zu Druckstößen. Im Gegensatz zum Druckstoß in der Zulaufleitung wird vor dem Druckstoß auf der Ablaufseite allerdings ein kurzer aber entscheidender Zeitraum mit sehr niedrigem Druck durchlaufen, wenn die Geschwindigkeit des Fluids bis zum Stillstand abgebremst wird. Ursache des niedrigen Drucks ist die Induktivität der Fluidsäule. In einer bewegten Fluidsäule ist kinetische Energie gespeichert, die erst durch eine Bremskraft abgebaut werden muss, damit die Fluidsäule stoppt.

Bei der Analyse von Druckstößen muss außerdem berücksichtigt werden, dass bei hydraulischen Systemen unterschiedliche Fluide zum Einsatz kommen. Was dann genau während des Bremsvorgangs im Fluid passiert, das hängt neben den Stoffeigenschaften des Fluids auch noch vom Luftgehalt der Flüssigkeit ab. Hier muss sowohl die im Fluid enthaltenen gelöste Luft als auch die ungelöste Luft betrachtet werden. Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit, dem Bremsdruck und der Abschaltzeit des Volumenstroms (z. B. der Ventilschließzeit) bildet sich während des Bremsvorgangs dann bei bei mineralölbasierten Fluid (z. B. HLP) meist eine kavitationsähnliche Zone und bei Wasser bzw. wasser-basierten Fluiden (z. B. HFC) entsteht „echte“ Kavitation.

Wichtig für die Simulation eines Druckstoßes ist in diesem Zusammenhang, dass das verwendete Rohrmodell dazu in der Lage ist, neben dem eigentlichen Druckstoß auch noch die „Vorgeschichte“, also die Kavitation bzw. die kavitationsähnlichen Verhältnisse in der Tankleitung, abzubilden.

Ergänzende Information finden Sie in der O+P Veröffentlichung „Dieselgate im Tankrohr“

Textquelle: /1/ https://de.wikipedia.org/wiki/Druckstoß, Bildquelle: FLUIDON