Druckstöße

Druckstöße, auch Wasserhammer genannt, sind plötzliche transiente Druckänderungen in Rohrleitungssystemen, die durch eine rasche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit verursacht werden. Sie entstehen als Druckwellen, die sich durch das Fluid ausbreiten und an Rohrenden oder Armaturen reflektieren können. Druckstöße können sowohl zu Druckanstiegen als auch zu Druckabfällen führen, treten aber häufig als kurzzeitige, hohe Druckspitzen auf.

Ursachen und Mechanismus: Typische Ursachen sind ein plötzlicher Ventilverschluss, das Schließen eines Druckentlastungsventils, das Abstellen einer Pumpe oder eine abrupt veränderte Durchflussrichtung. Wenn der bewegte Fluidanteil gestoppt wird, muss dessen Impuls weitergeführt werden, was zu einer Druckerhöhung führt. Die sich ausbreitende Druckwelle besitzt eine Geschwindigkeit, die der akustischen Geschwindigkeit der Flüssigkeit entspricht und liegt oft im Bereich von Tausenden Metern pro Sekunde. Je nach Netzgeometrie und vorhandenen Gasräumen kann es zu Reflexionen und Verstärkungen kommen.

Auswirkungen: Druckstöße können Rohre, Armaturen, Ventile, Ventilatoren und Dichtungen schädigen, zu Leckagen, Rissen oder Materialermüdung führen und Lärm sowie Vibrationen verursachen. In haustechnischen, industriellen und ölhydraulischen Systemen sind daher entsprechende Maßnahmen erforderlich.

Quantifizierung: Eine zentrale Größe ist die Joukowsky-Gleichung Δp = ρ c Δv, wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit, c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwelle und Δv die Änderung der Fließgeschwindigkeit ist. Diese Beziehung dient zur Abschätzung von auftretenden Druckspitzen.

Vermeidung und Schutz: Maßnahmen umfassen langsames Öffnen/Schließen von Armaturen, Drosselventile, Druckbegrenzungsventile, Luftkammern, Druckspeicher, Absorber und eine sorgfältige Systemauslegung sowie hydraulische Berechnungen zur Sink- oder Dämpfungsdynamik. Messungen mit Drucksensoren ermöglichen die Überwachung von Druckspitzen.