Anwendungswissen

Entstehung, Verhalten und Wirkung

Luft als Herausforderung in Druckrohrleitungen

In den nachfolgenden Abschnitten erklären wir Ihnen Ursachen und Folgen von Lufteinschlüssen und Unterdruck.
Sollten Sie zu einzelnen Punkten Fragen haben, zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren.
Gerne erklären wir Ihnen alle Sachverhalte ausführlich am Telefon oder im Rahmen eines produktneutralen Fachseminars.

Wie kommt Luft in die geschlossene Leitung?

Lufteinschlüsse - Ursachen

Es gibt sehr viele Ursachen für Lufteinschlüsse in geschlossenen Leitungssystemen.
Dazu zählen:

Fazit: 
Das Auftreten von Luft- bzw. Gaseinschlüssen in flüssigkeitsgefüllten Anlagen ist nahezu unvermeidbar.

Wie kommt es zu größeren Luftansammlungen?

Lufteinschlüsse - Verhalten

Sofern nicht bereits – bedingt durch einen ungünstigem Leitungsverlauf – viel Luft während des Füllens der Anlage eingeschlossen wurde, treten Gase im Betrieb meist als kleine Bläschen mit geringem Auftrieb auf.
Diese haben eine starke Tendenz, sich durch Vereinigung mit anderen Bläschen zu vergrößern.
Mit wachsender Größe steigt die Auftriebskraft von Gasblasen, bis der Auftrieb schließlich so stark ist, dass die Gasblase selbst in turbulenter Strömung aufsteigt.
Gasblasen akkumulieren an Hochpunkten führen dort zu strömungsbehindernden Lufteinschlüssen.

Fazit:
Luft sammelt sich in Hochpunkten.

Lufteinschlüsse drosseln die Förderleistung

Lufteinschlüsse - Folgen

In fallenden Leitungsabschnitten bilden sich – in Abhängigkeit von der herrschenden Strömungsgeschwindigkeit – schlauchartige Luftansammlungen am Scheitel der Rohrleitung. Diese können sich über hunderte Meter Leitungslänge erstrecken, wobei die Förderhöhe entsprechend der Höhendifferenz zwischen Anfang und Ende des Luftschlauches steigt.

Praxisbeispiel 1:
Im Düker einer Druckleitung zur Querung eines Kanals sammelte sich Luft.
Der Höhenunterschied zwischen Dükeroberhaupt und Dükersohle betrug 7 Meter.
Während der Pumpenförderung erstreckte sich ein schlauchförmiger Lufteinschluss vom Dükeroberhaupt bis zur Dükersohle, in dessen Folge der Strömungswiderstand der Druckleitung um 0,7 bar stieg.
Aufgrund der gestiegenen Förderhöhe verschob sich der Betriebspunkt des Pumpwerks, wobei die Fördermenge (Volumenstrom) um 35% sank. Erst nach fachgerechter Installation eines Be- und Entlüftungsventils am Dükeroberhaupt konnte der Betriebsdruck um 7 mWs gesenkt und dadurch der optimale Wirkungsgrad des Pumpwerks erreicht werden.

Praxisbeispiel 2:
Über den Einlauf einer Wasserkraftanlage gelang Luft in die talwärts führende Druckleitung.
Diese erstreckte sich in Form eines dünnen Luftschlauchs über 1 km Leitungslänge.
Der Höhenunterschied zwischen Anfang und Ende der Blase betrug 100 m.
In Folge des Lufteinschlusses stand an der Turbine ein um 10 bar (100 mWs) verringerter Betriebsdruck zur Verfügung.
Unmittelbar nach der Installation eines Be- und Entlüftungsventils an einer speziell dafür ausgewählten Position im Leitungsverlauf stieg der Betriebsdruck im Turbineneinlauf um die bis dahin „vermissten“ 10 bar an.

Fazit:
Lufteinschlüsse wirken wie Drosseln. Volumenstrom und Effizienz nehmen ab.

Vorsorgen ist besser als heilen.

Lufteinschlüsse - Vermeidung

Oberste Prämisse zur Vermeidung von Lufteinschlüssen ist die gezielte Ursachenbekämpfung.
Bereits bei der Planung gilt es, mögliche Quellen für Lufteintrag zu vermeiden und den Trassenverlauf einer Druckleitung so zu gestalten, dass die Anzahl an geodätischen und hydraulischen Hochpunkten minimal ist.
Bei der Wahl des Verlegeverfahrens, sowie der anschließenden Umsetzung ist darauf zu achten, das geplante Leitungsprofil mit hoher Genauigkeit einzuhalten. Höhenabweichungen sind zu protokollieren, um Betriebsprobleme durch Lufteinschlüsse zu einem späteren Zeitpunkt schneller verorten oder – im Bestfall – noch vor Abschluss der Bautätigkeit beheben zu können.
Hochpunkte des Leitungssystems sind mit fachgerecht ausgeführten Entlüftungsdomen und Entlüftungseinrichtungen zu versehen, um eine konsequente Entlüftung zu ermöglichen.

Fazit:
Je weniger Hochpunkte desto ist besser. Unvermeidbare Hochpunkte sind mit Entlüftungsdomen und Entlüftungseinrichtungen zu versehn.

Kann sich eine Leitung selbst entlüften?

Selbstentlüftungs-geschwindigkeit

In fallenden Leitungsabschnitten bilden sich – in Abhängigkeit von der herrschenden Strömungsgeschwindigkeit – schlauchartige Luftansammlungen am Scheitel der Rohrleitung. Diese können sich über hunderte Meter Leitungslänge erstrecken, wobei die Förderhöhe entsprechend der Höhendifferenz zwischen Anfang und Ende des Luftschlauches steigt.

Praxisbeispiel 1:
Im Düker einer Druckleitung zur Querung eines Kanals sammelte sich Luft.
Der Höhenunterschied zwischen Dükeroberhaupt und Dükersohle betrug 7 Meter.
Während der Pumpenförderung erstreckte sich ein schlauchförmiger Lufteinschluss vom Dükeroberhaupt bis zur Dükersohle, in dessen Folge der Strömungswiderstand der Druckleitung um 0,7 bar stieg.
Aufgrund der gestiegenen Förderhöhe verschob sich der Betriebspunkt des Pumpwerks, wobei die Fördermenge (Volumenstrom) um 35% sank. Erst nach fachgerechter Installation eines Be- und Entlüftungsventils am Dükeroberhaupt konnte der Betriebsdruck um 7 mWs gesenkt und dadurch der optimale Wirkungsgrad des Pumpwerks erreicht werden.

Praxisbeispiel 2:
Über den Einlauf einer Wasserkraftanlage gelang Luft in die talwärts führende Druckleitung.
Diese erstreckte sich in Form eines dünnen Luftschlauchs über 1 km Leitungslänge.
Der Höhenunterschied zwischen Anfang und Ende der Blase betrug 100 m.
In Folge des Lufteinschlusses stand an der Turbine ein um 10 bar (100 mWs) verringerter Betriebsdruck zur Verfügung.
Unmittelbar nach der Installation eines Be- und Entlüftungsventils an einer speziell dafür ausgewählten Position im Leitungsverlauf stieg der Betriebsdruck im Turbineneinlauf um die bis dahin „vermissten“ 10 bar an.

Fazit:
Lufteinschlüsse wirken wie Drosseln. Volumenstrom und Effizienz nehmen ab.

Womit Sie bei Lufteinschlüssen noch rechnen müssen...

Lufteinschlüsse - Weitere Nachteile

Neben der Steigerung des Betriebsdrucks, dem Rückgang der Fördermenge und der daraus resultierenden Ineffizienz des Systems, verursachen Lufteinschlüsse in Druckleitungen noch folgende Probleme:

Vereitelung fachgerechter Dichtheitsprüfungen
Ordnungsgemäß durchgeführte Dichtheitsprüfungen setzen einen minimalen Luftanteil voraus, weil Leckagen durch die Entspannung komprimierter Lufteinschlüsse kaschiert werden.

Verkeimung
Teilgefüllte Leitungsabschnitte können nicht fachgerecht desinfiziert werden, weil sie nicht vollständig von der Spüllösung benetzt werden.

Vibrationen und Schwingungen
Lufteinschlüsse rufen – speziell an Pumpen und Armaturen – häufig Vibrationen und Schwingungen hervor.

Korrosion
Die Präsenz von Luft und anderer oxidativer Gase begünstigt Korrosion

Verfälschung und Störung von Durchflussmessung
Selbst geringe Luftmengen in Form kleinster Gasblasen verfälschen Messwerte aller gängigen Durchflussmessgeräte.

Einschränkung der Trinkwasserqualität durch Trübung
Sowohl freie, als auch gelöste Gase begünstigen das Auftreten „weißen Wassers“.

Explosionsartige Entspannung eingeschlossener Gaspolster
Komprimierte Luft kann sich mit Schallgeschwindigkeit (333 m/s) entspannen. Die dabei freiwerdende Druckenergie stellt eine Gefahr für umgebendes Personal und Material dar.

Höhere Amplituden durch Kompressibilität von Luft
Lufteinschlüsse bewirken größere Druckschwankungen bei dynamischen Druckänderungen.

Druckstöße bei wechselndem Luft-/Wasseraustritt
Unterschiedliche Mediendichten und Fließgeschwindigkeiten von Luft und Flüssigkeiten erzeugen Druckstöße an Auslassöffnungen. Beste Beispiele hierfür sind „wütende“ Feuerwehrschläuche bei wechselndem Austritt von Luft und Wasser.

Fazit:
Nur vollgefüllte, luftfreie Anlagen sind beherrschbar.

Wie kommt es zur Ausbildung von Unterdruck?

Unterdruck - Ursachen

Es gibt viele Ursachen für Unterdruck in geschlossenen Leitungssystemen.
Dazu zählen:

Womit Sie bei Lufteinschlüssen noch rechnen müssen...

Lufteinschlüsse - Weitere Nachteile

Bei Unterdruck treten unmittelbar folgende Risiken auf:

Verkeimung
Das unkontrollierte Einsaugen von Fremdstoffen über Leckagestellen stellt eine unkontrollierbare Gefahr für Lebensmittel (Trinkwasser) dar!

Schäden
Dichtungen und Inliner können durch Unterdruck zerstört werden.

Implosion
Rohrleitungen, Kessel, Wärmetauscher und viele weitere Anlagenkomponenten können bei Unterdruck implodieren.

Druckstoß
das Entstehen und Kollabieren von Dampfblasen erzeugt massive dynamsiche Druckänderungen, welche sich mit Schallgeschwindigkeit (bis über 1.000 m/s) in der gesamten Anlage ausbreiten.

Unterdruck birgt ein besonderes Risiko für die Trinkwasserversorgung!

Verkeimungsgefahr

Erdüberdeckte Trinkwasserleitungen sind bei Unterdruck einer stark erhöhten Verkeimungsgefahr ausgesetzt. Auch in Deutschland werden jedes Jahr Pressemitteilungen über Trinkwasserverunreinigungen durch das Einsaugen unbekannter Flüssigkeiten veröffentlicht. Die Gründe sind eindeutig: In gewachsenen, weit verzweigten, teilweise über 100 Jahre alten Druckleitungsnetzen, sind Leckagestellen praktisch gesehen unvermeidbar. Hunderte von Fachkräften sind allein in Europa täglich mit Leckortung beschäftigt, um Wasserverluste zu lokalisieren. Wasserverluste treten nur bei Überdruck auf.

Es sind jedoch die gleichen Leckagestellen, an denen bei Unterdruck unbekannte Flüssigkeiten in das Trinkwassernetz eindringen. Unterdruck im Versorgungsnetz ist – zumindest in Europa – aufgrund hoher Standards und einer stabílen Stromversorgung –  überaus selten. Trotzdem muss man den Fakten ins Auge blicken:

  • Extremwetterlagen nehmen zu – dadurch steigt die Häufigkeit lokaler Stromausfälle.
  • Das Durchschnittsalter von Rohrleitungen steigt. Die Anzahl an Leckagestellen nimmt zu.
  • Wo Menschen arbeiten geschehen Fehler.
  • Technisches Versagen kann nicht ausgeschlossen werden.

Wenn Unterdruck in einem Leitungssystem entsteht, so breitet er sich mit Schallgeschwindigkeit aus.
Kein Mitarbeiter ist dann schnell genug, um die Gefahr einer Verkeimung abzuwenden.

Fazit:
Strategische Hochpunkte eines Trinkwassernetzes werden mit Be- und Entlüftungsventilen ausgerüstet, um selbsttätig bei Unterdruck zu belüften, damit alle tiefer gelegenen Bereiche nicht der Verkeimungsgefahr ausgesetzt sind. Das Umfeld von Be- und Entlüftungsventilen muss hygienisch einwandfrei geplant, ausgeführt und instandgehalten werden, damit von der Ge- und Entlüftungseinrichtung selbst keine Gefahr ausgeht.

Wie ist es möglich, dass Wasser bereits bei Raumtemperatur kocht?

Dampfdruck

Wasser kann in drei Aggregatzuständen vorliegen:
FEST (Eis)
FLÜSSIG (Wasser)
GASFÖRMIG (Dampf)

Es gehöhrt zur Allgemeinbildung, dass Wasser bei etwa 0° Celsius gefriert und bei etwa 100° Celsius verdampft.
Vielen ist jedoch nicht bewusst, dass dieses Verhalten druckabhängig ist.
Speziell der Siedepunkt von Wasser, also die Temperatur, bei der Wasser verdampft, hängt stark vom herrschenden Umgebungsdruck ab.
So kocht ein „Schnellkochtopf“ nur aus einem Grund schnell: Es ist ein Druckbehälter, in dem Wasser – aufgrund des ca. 1,8-fach höheren Drucks – erst ab einer höheren Temperatur (ca. 117° Celsius) verdampft. Folglich wird es im Inneren eines Schnellkochtopfes heißer als 100° Celsius, wodurch zubereitete Speisen deutlich schneller garen.
Umgekehrt sinkt der Siedepunkt von Wasser mit abnehmendem Umgebungsdruck.
Wenn von Unterdruck gesprochen wird, so ist ein Druckniveau unterhalb des atmosphärischen Drucks (Normdruck = 1.013 mbar) gemeint. Je größer der Unterdruck, desto geringere Temperaturen reichen aus, um Wasser zu verdampfen.
Im Vakuum, bei etwa 1 bar Unterdruck (- 1 bar rel.)  verdampft selbst Wasser, das unmittelbar vor dem Gefrierpunkt (0° Celsius) steht. Selbst Eis kann verdampfen, wobei man dann von Sublimation spricht.

Kurz zusammengefasst:
Wasser verdampft im Vakuum.
– 1 bar rel. (rel.: relativ zum herrschenden Umgebungsdruck) stellt den maximal möglichen Unterdruck dar.

Im Anlagen- und Rohrleitungsbau wird Druck oft in mWs (Meter Wassersäule) angegeben.
Die überschlägige Umrechnung lautet: 1 bar = 10 mWs.
Das bedeutet: Eine 10 m hohe Wassersäule erzeugt einen Überdruck von 1 bar. 
Umgekehrt entsteht ein Unterdruck von – 1 bar rel., wenn die Wassersäule nicht „drückt“, sondern „zieht“.
Unter stationären Bedingungen geschieht dies beipielsweise, wenn eine Leitung entleert wird, während sich die Entleerung 10 m tiefer befindet als der Hochpunkt oder die nächste (geschlossene) Absperrarmatur. Dabei sind sowohl Distanz, als auch Nennweite der Druckleitung irrelevant!
Dynamische Druckänderungen, die z.B. durch das An- und Abfahren von Pumpen entstehen, sind den stationären (Unter-)Druckverhältnissen hinzu zu fügen.

Fazit:
Bei 1 bar Unterdruck verdampft jegliches Wasser.
Der entstehende Hohlraum wird als Dampfblase bezeichnet.
Ein Höhenunterschied von nur 10 Metern reicht aus, um Dampfdruck zu erzeugen. 

Was passiert bei plötzlichem Abbremsen einer Flüssigkeitsströmung?

Druckstoß

Eine strömende Flüssigkeit beinhaltet Energie. Diese Energie wird als kinetische Energie, oder Bewegungsenergie bezeichnet. Energie geht bekanntlich nicht verloren. So wird kinetische Energie beim Abbremsen in Druckenergie umgewandelt. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, und je schneller die Abbremsung erfolgt, desto mehr Druckenergie entsteht. Bereits im Jahr 1898 veröffentlichte Nikolai Joukowski die nebenstehende Druckstoß-Gleichung, welche auch als Joukowski-Formel in der Hydrodynamik bekannt ist. Als Daumenregel können Sie sich merken:
Strömungsgeschwindigkeit [m/s] x 10 = möglicher Druckstoß [bar]

Beispiel:
Das abrupte Schließen einer Absperrarmatur, die zuvor mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s (3,6 km/h) angeströmt wurde, kann einen Druckstoß von bis zu 10 bar erzeugen.

Fazit:
Schnelles Abbremsen von Flüssigkeiten erzeugt hohe Druckschwankungen, die Schäden verursachen.

Purer Stress, der in Bruchteilen von Sekunden auftritt

Auf Dampfdruck folgt Druckstoß

Wie bereits zuvor erläutert, verdampft Wasser bei starkem Unterdruck. In diesem Augenblick reißt eine Dampfblase auf und bildet einen Hohlraum. Kurz darauf – meist nach wenigen Sekunden – kehrt die Strömungsrichtung um. Dann strömen Wasserfronten auf einander zu. Im Augenblick des Aufpralls wird kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt. Es entsteht ein Druckstoß, dessen Amplitude von der zuvor erreichten Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Häufig werden Druckstöße weit oberhalb des zulässigen Systemdrucks (PN = Nenndruckstufe) erreicht.
Kavitationsstöße werden oft als mehrfach nacheinander folgender „Knall“ wahrgenommen, weil die aufgeprallen Wasserfronten von einander abprallen und sich der Vorgang wiederholt, bis die zur Dampfdruckbildung erforderliche Energie über Reibungs- und Wärmeverluste verbraucht ist.

Fazit:
Vermeiden Sie auch bei robusten Sytemen starken Unterdruck, denn selbst vakuumfeste Bauteile werden unweigerlich von Druckstößen geschädigt.

Ein Rohrbruch kommt selten allein und zeigt sich oft als Längsriss

Dynamische Druckänderungen

Wie Sie den vorangegangenen Abschnitten entnehmen können, führt jede Änderung eines Betriebszustands zu dynamischen Druckänderungen in Form von Druckwellen, die sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten und dabei massive Schäden verursachen können.
Häufigkeit und Größe (Amplitude) dynamischer Druckänderungen haben einen erheblichen Einfluss auf die Lebenserwartung von Anlagen. Manche Anlagen tolerieren Hunderte von Druckstößen, bevor erste Schäden auftreten, andere Anlagen werden bereits vom ersten Druckstoß zerstört.
Dynamische Druckänderungen breiten sich nicht nur in Schallgeschwindigkeit aus, sie überwinden dabei auch weite Entfernungen. So sind Druckstöße nach wenigen Sekunden auch viele Kilometer weit entfernt messbar. Dies erklärt, warum Schäden auf weit vom eigentlichen Ort des Geschehens entfernt sind, denn eine Kette ist stets nur so stark, wie ihr schwächstes Glied. So treten Rohrbrüche einer Region häufig in kurzer Folge auf, denn das gesamte Einzugsgebiet eines Druckstoßes wurde mit nahezu gleicher Ampitude überlastet. Während eine erste Schwachstelle versagte, wurden benachbarte Bereiche bereits so stark belastet, dass sie bei der nächsten Druckschwankung versagen können.
Rohrbrüche, die von dynamischen Druckänderungen hervorgerufen werden, weisen oft einen Längsriss auf.

Zitat Husemann, AIRVALVE:
Dies legt den Vergleich zu einer Bratwurst nah, die auf dem Grill der Länge nach aufreißt, statt als Currywurst in die Glut zu fallen.

Fazit:
Dynamische Druckänderungen sind komplexe hydraulische Phänomene, die nur von erfahrenen Experten beherrscht werden können. Jedes System folgt dabei seinen eigenen Gesetzen. Aufgrund der weitreichenden Schäden, die von dynamischen Druckänderungen verursacht werden, empfehlen wir Ihnen, bereits bei der Planung fachkundige Unterstützung anzufordern.
Gerne stehen wir Ihnen mit Rat und Tat zur Seite und geben Ihnen detailliert Auskunft über Druckstoßberechnungen, aktive Druckstoßdämpfungsmaßnahmen und vieles mehr.