Dem Wasserschlag einen Dämpfer verpassen

Kleine Ursache, große Wirkung. Diese an und für sich banale Erkenntnis trifft aber genau des Pudels Kern ...

Das Bild zeigt zwei Wasserschlagdämpfer.
Quelle: Caleffi
Kleine Problemlöser für Trinkwasseranlagen: Die Wasserschlagdämpfer der Serie "525" von Caleffi.

... wenn es um die möglichen Auswirkungen von Wasserschlägen in Trinkwasseranlagen geht. Denn die durch das plötzliche Schließen von Einhebelmischern oder von Magnetventilen ausgelösten „Wasserdruckwellen“ können unter Umständen zu Beschädigungen von Anlagenkomponenten führen, wie Absperr-, Rückschlag- oder Regeleinheiten.

Auf Dauer kann sich die Lebensdauer des Rohrleitungssystems verkürzen. Gerade Rohrverbindungen und Armaturen reagieren, je nach Häufigkeit und Intensität der Wasserschläge, sehr „allergisch“ auf die plötzlichen Änderungen der Druckverhältnisse. Nur eine störende Randerscheinung dagegen ist die durch Vibrationen in den Leitungen ausgelöste Geräuschkulisse.

Die Grafik zeigt die Effizienz der Wasserschlagdämpfer.
Quelle: Caleffi
Die Grafik zeigt die Effizienz der Wasserschlagdämpfer.

Was ist ein Wasserschlag?

Bei Trinkwasseranlagen tritt ein Wasserschlag nach dem plötzlichen Schließen einer Leitung durch Vorrichtungen wie Einhebelmischer, Magnetventile, Kugelhähne usw. auf. Das plötzliche Schließen verursacht eine Änderung des Wasserdrucks, die sich in der Leitung in Form einer Überdruckwelle fortsetzt.

Diese Druckänderung beginnt an der Absperrvorrichtung, steigt die Leitung hinauf, wirkt sich auf andere Vorrichtungen oder Biegungen der Leitungsrohre aus und kehrt wieder zum Ausgangspunkt zurück, wobei sie allmählich schwächer wird. Der Überdruck kommt also zu dem bereits in der Leitung vorhandenen Druck hinzu und kann verschiedene Auswirkungen verursachen:

  • Rohr- oder Schlauchbruch,
  • Abnutzung der Verbindungsstücke, der Schweißnähte und der Armaturen,
  • Beschädigung der Absperr-, Rückschlag- und Regeleinrichtungen,
  • starke Geräuschentwicklung und Vibrationen in den Leitungen.

Das Ausmaß des Überdrucks hängt von vielen Faktoren ab. Daher lässt sich das Phänomen im Labor nur schwer nachvollziehen. Es ist abhängig von:

  • Schließzeit der Geräte,
  • Länge, Durchmesser und Material der Rohrleitung,
  • Wassergeschwindigkeit.

Für die praktische Berechnung des Wasserschlagüberdruckes werden die normalerweise in einer Trinkwasseranlage vorhandenen Werte unmittelbar in der folgenden Formel miteinander verbunden:

Das Bild zeigt eine Formel.
Quelle: Caleffi
Δp = wasserschlagbedingter Überdruck (m w s.), v1 = Geschwindigkeit des Wassers beim Schließen (m/s), L = Rohrlänge (m), g = Fallbeschleunigung (9,81 m/s2), t = Schließzeit des Ventils (s)

Mit dieser Formel kann kurz die physikalische Bedeutung der „Schließzeit“ oder besser „Phasenzeit“ aufgezeigt werden:

Das  Bild zeigt eine Formel.
Quelle: Caleffi

t* = Phasenzeit des Ventils (s) L = Rohrlänge (m) v2 = Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung (m/s). Sie hängt vom Fluid, dem Material, dem Innendurchmesser und der Stärke der Leitung ab.

Bei allen mechanischen Vorrichtungen wie Einhebelmischern, Magnetventilen, Kugelhähnen usw. werden alle Schließzeiten t ≤ t* als „schnelles Schließen“ definiert und verursachen in der Leitung einen Wasserschlag mit einem Überdruck, der bei allen Schließzeiten gleich stark und sehr hoch ist. Eine Schließzeit t > t* wird als „langsames Schließen“ definiert und verursacht einen Wasserschlag mit geringerem oder sogar irrelevantem Überdruck. Setzt man in der Formel (1) eine Zeit t = t* voraus, erhält man den Wert des maximalen Überdrucks Δp für den Wasserschlag.

Das Bild zeigt eine Grafik zum Überdruck im Kupferrohr.
Quelle: Caleffi

Beispiel mit Zahlen: Rohrlänge 10 m, Durchmesser für 1/2”, Rohre aus Stahl, Kupfer und PE-X mit Wassergeschwindigkeit v1 = 2 m/s. Es ergeben sich die folgenden Werte für die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung v2, die Zeiten für das „schnelle“ Schließen t* (Phasenzeit) und den Überdruck Δp anhand der Formeln.

Das Bild zeigt eine Tabelle.
Quelle: Caleffi

Aufgrund der höheren Steifigkeit von Metallrohren ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit v2 höher als in Kunststoffrohren und erreicht beinahe die Schallgeschwindigkeit im Wasser von 1.420 m/s bei 7 °C, die umgerechnet 5.328 km/h beträgt. Zum Vergleich: Die Schallgeschwindigkeit in der Luft beträgt auf Meereshöhe knapp 1.300 km/h. Im Wasser ist die Schallgeschwindigkeit damit knapp viermal höher als in der Luft.

Donnerstag, 26.11.2020

Von Dietmar Stump
Pressebüro DTS
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