Im ersten Teil dieser zweiteiligen Kolumne werden wir Wasserschlag definieren und die Ereignisse untersuchen, die ihn verursachen. Wir werden auch versuchen, eine Perspektive für den zusätzlichen Druck zu gewinnen, den er erzeugt. Um den zweiten Teil zu lesen, klicken Sie hier.

Was ist Wasserschlag?

Wasserschlag (auch Wasserhammer) ist ein Druckstoß, der in jedem Pumpensystem entstehen kann, das eine abrupte Änderung seiner Durchflussrate erfährt und normalerweise durch Pumpenstarts und -stopps, das Öffnen und Schließen von Ventilen oder die Trennung und Schließung der Wassersäule entsteht. Diese abrupten Änderungen können dazu führen, dass die gesamte oder ein Teil der fließenden Wassersäule eine Impulsänderung erfährt. Diese Änderung kann eine Stoßwelle erzeugen, die sich zwischen der Barriere, die sie erzeugt hat, und einer sekundären Barriere hin- und herbewegt. Wenn die Intensität der Stoßwelle hoch ist, kann es zu physischen Schäden an der Anlage kommen.

Wasserschlag ist ein weiteres Beispiel für die Energieerhaltung und resultiert aus der Umwandlung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie.

Da Flüssigkeiten eine geringe Kompressibilität haben, ist die resultierende Druckenergie tendenziell hoch.

Vielleicht lässt sich Wasserschlag am besten anhand eines hypothetischen Beispiels veranschaulichen. Abbildung 1 unten zeigt eine Pumpe, die Wasser in ein Rohr pumpt, das leer war, als die Pumpe gestartet wurde. Die beiden Ventile, die sich am Pumpenauslass und am anderen Ende der Rohrleitung befinden, sind vollständig geöffnet und können sich sofort wieder schließen. Das Rohr, die Ventile und andere Armaturen sind völlig unelastisch und es kann keine Volumenänderung auftreten, unabhängig vom Druck. Die Wassersäule, die durch das Rohr fließt, hat außerdem eine perfekt flache Vorderkante, die mit dem Querschnitt des Rohrs übereinstimmt. Wenn die Vorderkante der Wassersäule das stromabwärts gelegene Ventil erreicht, schließt es sich fast mit Lichtgeschwindigkeit und schließt keine Luft vor der Wassersäule ein.

Obwohl die Vorderkante das geschlossene Ventil getroffen hat, fließt der Fluss in das Rohr für die nächsten paar Millisekunden weiter. In dem Moment, in dem die Strömung aufhört, schließt sich das vorgelagerte Ventil (diesmal mit echter Lichtgeschwindigkeit) und die Wassersäule wird vollständig zwischen den beiden Ventilen isoliert. Was passiert, wenn die Säule auf das geschlossene, stromabwärts gelegene Ventil trifft, und warum strömt weiterhin Wasser in das Rohr, obwohl das Ventil geschlossen ist?

Wenn diese sich bewegende Säule eine Metallsäule anstelle von Wasser wäre (hypothetisch, natürlich), könnten mehrere Dinge passieren. Abhängig von ihrem Restitutionskoeffizienten (ihrer Fähigkeit, bleibende Schäden zu vermeiden), könnte die kinetische Energie aufgrund der Strömung (Bewegung) in mechanische Energie umgewandelt werden, wenn die Vorderkante der Metallsäule gegen das geschlossene Ventil gedrückt wird. In diesem Fall würde die Säule zum Stillstand kommen und bewegungslos am Ventil verharren. Ist die Restitution groß genug, um ein Quetschen zu verhindern, könnte dieselbe kinetische Energie genutzt werden, um ihre Richtung in Form eines Prellens umzukehren. Unabhängig vom Ergebnis würde die „gesamte“ Metallsäule entweder zur Ruhe kommen oder in die entgegengesetzte Richtung springen. Keines dieser Ereignisse tritt ein, wenn Wasser beteiligt ist.

Wasser ist eine nahezu nicht komprimierbare Flüssigkeit, was darauf hindeutet, dass es leicht komprimierbar ist. Bei Umgebungstemperatur verringert 1 psi sein Volumen um etwa 0,0000034 Prozent. Das scheint ziemlich wenig zu sein, aber je größer das Volumen ist, desto deutlicher ist der Effekt zu sehen. Wenn Wasser nicht komprimiert würde, läge der Meeresspiegel zum Beispiel etwa 100 Fuß höher als er heute ist! Bei sehr hohem Druck, z. B. 40.000 psi, erhöht sich seine Kompressibilität auf etwa 10 Prozent. Aber das meiste Wasser ist nicht nur Wasser – es enthält auch Luft, die hauptsächlich aus Stickstoff (78 Prozent) und Sauerstoff (21 Prozent) besteht. Sonst könnten Fische nicht überleben! Gelöste Luft macht etwa 2 Prozent eines gegebenen Volumens an unbearbeitetem Wasser aus und trägt wesentlich zu seiner Kompressibilität bei.

Warum

Es ist die Kompressibilität des Wassers (und der gelösten Luft), die bewirkt, dass sich Wasser anders verhält als die Metallsäule. Wäre es nicht kompressibel, würde seine Vorderkante permanent zerdrückt werden oder die gesamte Säule würde zurückschnellen. Wenn die Vorderkante einer Wassersäule auf das geschlossene Ventil trifft, bleibt sie abrupt stehen. Da das Wasser hinter der Vorderkante noch in Bewegung ist, beginnt es zu komprimieren. Diese Kompression über die gesamte Länge der Säule ermöglicht es, dass eine kleine Menge Wasser weiter in das Rohr fließt, obwohl die Vorderkante zum Stillstand gekommen ist. Wenn die Strömung aufhört, wird die gesamte kinetische Energie der Bewegung und die durch die Kompression verursachte Energie in Druckenergie umgewandelt.

Die Kompression beginnt an der Vorderkante der Wassersäule, und da die dabei entstehende zusätzliche Energie nicht über das geschlossene Ventil hinausgehen kann, wird eine Druck- oder Stoßwelle erzeugt, die sich auf dem Weg des geringsten Widerstandes ausbreitet, in diesem Beispiel also stromaufwärts. Ihr Entstehen ist vergleichbar mit dem Echo, das entsteht, wenn eine Schallwelle, die sich durch die Luft bewegt, auf eine ähnliche Barriere trifft. Wenn die Welle auf das stromaufwärts gelegene Ventil trifft, wird sie stromabwärts zurückreflektiert, jedoch mit verminderter Intensität. Diese Hin- und Herbewegung setzt sich fort, bis Reibung und Reflexionsverluste die Welle zum Verschwinden bringen. Die Geschwindigkeit, mit der sich eine Welle ausbreitet und die Energie, die sie dabei verliert, hängt von der Dichte und Kompressibilität des Mediums ab, in dem sie sich ausbreitet. Die Dichte und Kompressibilität von Wasser machen es zu einem guten Medium für die Erzeugung und Übertragung von Stoßwellen.

Die durch Wasserschlag erzeugten Druckwellen haben ähnliche Eigenschaften wie Schallwellen und breiten sich mit ähnlicher Geschwindigkeit aus. Die Zeit, die eine Wasserschlag-Druckwelle benötigt, um eine Rohrlänge zu durchlaufen, ist einfach die Rohrlänge geteilt durch die Schallgeschwindigkeit in Wasser (ca. 4.860-ft/sec). In der Wasserschlaganalyse wird häufig eine Zeitkonstante verwendet, die den Verlauf der Welle von ihrem Beginn bis zur sekundären Barriere und dann wieder zurück beschreibt. Sie hat die Form von Tc = 2L/a (wobei L die Rohrlänge und a die Geschwindigkeit der Welle, also die Schallgeschwindigkeit, ist). In einem 1.000 Fuß langen Rohr kann die Welle eine komplette Rundreise in weniger als einer halben Sekunde machen.

Der Druck, der durch diese Stoßwelle erzeugt wird, ist direkt proportional sowohl zur Wellengeschwindigkeit als auch zur Geschwindigkeit des im Rohr fließenden Wassers. Obwohl die untenstehende Gleichung den Effekt der Rohrlänge, des Durchmessers und der Elastizität nicht berücksichtigt, gibt sie einen Einblick in den zusätzlichen Druck, der durch eine Wasserschlag-Druckwelle erzeugt wird.

P(zusätzlich) = aV / 2,31g

P ist der zusätzliche Druck, den die Stoßwelle erzeugt, a ist die Wellengeschwindigkeit, V ist die Geschwindigkeit des fließenden Wassers im Rohr in Fuß pro Sekunde, g ist die universelle Gravitationskonstante @ 32-ft/sec2 und 2,31 ist die Druckumwandlungskonstante. Bei einer Rohrleitungsgeschwindigkeit von 5 ft/sec² beträgt der zusätzliche Druck, der durch die Stoßwelle erzeugt wird, etwa 328-psi. Erhöht man diese Geschwindigkeit auf 10 ft/sec, erhöht sich der zusätzliche Druck auf ca. 657-psi. Es liegt auf der Hand, dass Systeme, die nicht für einen derartig erhöhten Druck ausgelegt sind, oft beschädigt oder sogar zerstört werden.

Nächsten Monat werden wir die drei Hauptursachen von Wasserschlag und die Faktoren, die zur Größe der erzeugten Stoßwelle beitragen, untersuchen. Wir werden auch sehen, warum Wasserschlag in Niederdrucksystemen schädlicher sein kann.