Dem Wasserschlag einen Dämpfer verpassen

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

... 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.

Quelle: Caleffi

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.

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.

Quelle: Caleffi
Bild 1: Der Wasserschlagdämpfer der Serie „525“ besteht aus einem Zylinder (1), der von einem Kolben mit doppelter O-Ring-Dichtung (4) in zwei Kammern (2) und (3) unterteilt ist. Die geschlossene Kammer (2) enthält komprimierbare Luft und fungiert dadurch als Dämpfer. Die offene Kammer (3) ist direkt mit der Rohrleitung verbunden und wird mit Wasser aus der Anlage gefüllt. Der Druck des Wassers auf den Kolben wird sowohl durch die Änderung des Drucks der in der Kammer (2) enthaltenen Luft, als auch von der Gegenfeder (5) hinter dem Kolben in der Luftkammer ausgeglichen.

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 Wasserschlag-Über­druckes werden die normalerweise in einer Trinkwasseranlage vorhandenen Werte unmittelbar in der folgenden Formel miteinander verbunden:

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

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.

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.

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.

Quelle: Caleffi
Bild 2: Die Grafik zeigt die Effizienz der Wasserschlagdämpfer.

Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass bei Kunststoffrohren für Trinkwasserleitungen eher Wasserschläge auftreten, da ihre Phasenzeit t* länger ist als bei Metallrohren. Daraus ergibt sich in der Praxis die Notwendigkeit, die Absperrorgane, Ventile usw. langsamer zu schließen als bei Metallrohren. Obwohl Kunststoffleitungen geringere Überdruckwerte Δp aufweisen als Metallrohre (da sie nicht so steif sind und den Wasserschlag teilweise „auffangen“), können diese Überdrücke das Material übermäßig beanspruchen. Bei Unterputzverlegung gestaltet sich die Berechnung des Wasserschlags durch Spiralschlauchmäntel oder Isolationsmaterial und die dadurch gegebene Beeinflussung der Steifigkeit des Kunststoffs noch komplexer. Aus dem obigen Beispiel ist ersichtlich, dass der Einbau eines Dämpfers bei Trinkwasseranlagen mit Kunststoffrohren, vor allem, wenn diese frei liegen, noch wichtiger ist als bei Metallrohren.

Dienstag, 06.04.2021

Von Dietmar Stump
Pressebüro DTS
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