Druckstoßsicherung einer Kühlwasseranlage durch Windkessel
Ein international tätiger Konzern beauftragte für den Neubau eine Untersuchung zur Druckstoßsicherung der Kühlwasseranlage. Basierend auf den Daten des Auftraggebers wurde ein Berechnungsnetzwerk modelliert. Für die langen, vergrabenen und historisch alten Rohrstrecken wurden Näherungen getroffen, da der Auftraggeber nur über wenige Daten verfügte. Die Berechnungen wurden sowohl mit der Bestandssituation der Anlage als auch mit einer fiktiven größeren Leitung durchgeführt, um die aktuelle Druckstoßgefährdung bei der gewünschten Volllastmenge beurteilen zu können.
Ausgehend von einer ausführlichen stationären IST-Anlagenanalyse der Druckverluste wurden Summenpumpenkennlinien sowie Anlagenkennlinien errechnet und es wurde eine Übersicht über die möglichen Pumpenkombinationen und die sich einstellenden Durchflüsse erstellt. Die nachfolgende transiente Analyse betraf:
- die Druckstoßgefahr bei Fehlauslösung der Regelklappe
- die Anlagengefährdung bei Stromausfall und somit Antriebsausfall der Pumpen (Kavitation und Überdruck).
Maßnahmen zur Druckstoßsicherung notwendig
Die Berechnungsergebnisse zeigten, dass ohne Maßnahmen zur Druckstoßsicherung ein Betrieb der Anlage für große Durchflüsse auf Grund von starker Kavitationsgefahr nicht möglich ist. Auch die Berechnungsergebnisse für den Betrieb der Anlage mit geringerem Durchfluss zeigten keine bis nur sehr geringe Sicherheit gegenüber Kavitation im Falle eines Stromausfalls.
Druckstoßsicherung durchWindkessel
Da von Seiten des Pumpenherstellers die Anbringung von zusätzlichen Schwungmassen ausgeschlossen wurde, folgten eine Grobauslegung des Windkessels und eine zugehörige Parameterstudie. Um eine wirtschaftliche Auslegung des Volumens der einzubauenden Windkessel zu ermitteln, wurden zwei Varianten (2 m³ / 4 m³) analysiert.
Druckstoßsicherung mit Windkessel 2 m³
Da ein Windkessel dieser Dimension nicht ausreicht, um die Anlage im Fall eines Stromausfalls vor unzulässiger Kavitation zu schützen, wurde ein Vakuumbrecher (kontrolliertes Nachsaugen von Umgebungsluft) hinzugefügt und zusätzlich der Einfluss einer Änderung der Randbedingungen (Durchmesser, Widerstand) in der Anschlussleitung untersucht. Ein Leerlaufen der Windkessel bei Antriebsausfall konnte jedoch nicht verhindert werden. Der Vakuumbrecher zeigte wenig Wirkung, da auf Grund des Luftpolsters im Windkessel der Ansprechdruck im Sammler erst sehr spät nach Leerlaufen des Windkessels unterschritten wird.
Kavitationsfreier Betrieb: Druckstoßsicherung mit Windkessel 4 m² ohne Vakuumbrecher
Der Betrieb der Anlage mit dieser Konfiguration ist rechnerisch bis zu einem Durchfluss von Q = 1500 m³/h kavitationsfrei möglich. Ein Leerlaufen der Windkessel und somit ein Lufteintrag in das System ist nicht ausgeschlossen, da bereits vor einem Leersaugen der Windkessel durch Einsenkungen bzw. Wirbelbildung mit einem Lufteinzug in das Rohrleitungssystem zu rechnen ist.
