Wasserschlag - Wasserhammer

Wasserschlag - Dampfschlag

Ein Wasserschlag (Wasserhammer - Druckstoß - Druckschlag) in Wasserleitungen entsteht durch das plötzliche bzw. schlagartige Schließen eines Hahns bzw. (Ventils) . Da Massenträgheit das strömenden Wassers in der Rohrleitung eine träge Masse ist, kommt es dabei zu dieser Druckerhöhung. Unter ungünstigen Verhältnissen können für eine 1/100 Sekunde Drücke von 70 bis 90 bar auftreten.

Ein Wasserschlag in Dampfheizungen entsteht durch Wasserpfropfen, die mit der hohen Dampfgeschwindigkeit mitgerissen werden. Diese führen zu Schlägen in Anlagen, die zum Platzen von Armaturen, Abnutzung von Rohrleitungsbögen oder Ventilsitzen und zum Brechen von Rohrleitungen führen können.

Wasserschlagdämpfer

Der Wasserschlag kann in allen Anlagen auftreten, in denen Flüssikeiten transportiert werden. Hier wird die Zeit der Änderung des Massenstroms bzw. der Strömungsgeschwindigkeit gegenüber einer Grenzwertzeit unterschritten. Es handelt sich hier um alle Anlagen, in denen flüssige Medien (Wasser, Wasser mit Frostschutzmittel, Wärmeträgeröl) durch Rohrleitungen, Armaturen, Behälter und Strömungsmaschinen fließen. Hierzu gehören Wasserversorgungs-, Heizungs-, Kühl- und Solarsysteme aber auch Pipelines. Es ist möglich, Rohrleitungen mit Wasserschlagsicherungen (Wasserschlagdämpfer) zu versehen bzw. durch Querschnittserweiterungen und Gaspolster so zu gestalten, daß der Druckstoß einen Grenzwert nicht überschreitet bzw. aufgefangen wird.

Einbau WSD

Quelle: Caleffi

1. Der Wasserschlag tritt in Systemen auf, die vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sind. Er tritt meist in Rohrleitungssystemen, so z. B. Pipelines, Wasserinstallationen, auf und wird durch Öffnen und Schließen von Armaturen (z.B. Hahn, Einhebelmischer) bzw. eine Drehzahländerungen von Pumpen ausgelöst. Hier handelt sich um den Übergang einer stationären in eine instationäre Strömung.

2. Der Wasserschlag tritt in Systemen auf, in denen die Flüssigkeit vor der Problemstelle (Hahn) mit "hohem" Druck anliegt und nach der Problemstelle Gas mit "geringem" Druck vorliegt oder Vakuum vorhanden ist. Dieser Fall tritt z. B. bei der ersten Inbetriebnahme verfahrenstechnischer Anlagen auf. Hier spricht man vom "Priming"-Fall (Reaktionszeit), dabei ist im stationären Zustand der Phasenwechsel an der Problemstelle.

Wasserschlagdämpfer (WSD)

MAG als Wasserschlagdämpfer

a) Wasser fliesst durch offene Leitung.
b) Absperrorgan wird geschlossen. Das Wasser strömt in das Gefäß und komprimiert mit seiner Energie das Gaspolster.
c) Momente später erfolgt der Ausgleich, das Gaspolster drückt das "erschöpfte" Wasser ins Leitungssystem.

Quelle: Pneumatex

Wenn eine in Bewegung befindlichen Wassermasse schlagartig gestoppt wird, so z. B. bei schnellschließenden Armaturen, dann führt das zu einer kurzzeitigen Druckspitze (Schlag) am Ort, an der die Wassermasse auftrifft.

Druckschläge können auch bei starker Beschleu-nigung von Wasser (so z. B. Einschalten von Pumpen) oder durch plötzliche Richtungsänderung von strömendem Wasser hervorgerufen werden.

Da die Druckspitzen ein Mehrfaches der vor-handenen Leitungsdrücke erreichen (bis zu 90 bar), ist abgesehen von Lärm auch mit der Zerstörung von Anlagenteilen (Kaltbrüche) zu rechnen.

Bei Druckschlägen kann durch spezielle Wasser-schlagdämpfer, aber auch mit einem TW-MAG, Abhilfe geschaffen werden.

Das MAG wird dort montiert, wo die Wassermasse gestoppt wird, so z. B. an einer Absperrarmatur. Das Wasser schlägt nicht auf die geschlossene Armatur, sondern strömt in das Gefäß, komprimiert das Gaspolster und wird dadurch abgebremst.

Das Gefäß sollte berechnet werden.

Trinkwasser - ein Lebensmittel

Mini-Patrone

Quelle: AW AG

Diese Mini-Patrone kann Druckstöße und Fließgeräusche an Auf- und Unterputzarmaturen mit wenig Aufwand vermindern.

Die Mini-Patrone für Geräusch- und Druckschlagdämpfung

Der Wasserschlag wird auch gezielt angewendet. So wird z. B. der Druckstoß in der Rohrleitung als hydraulischer Widder (Stoßheber) angewandt, um eine geringe Menge Wasser auf eine größere Höhe zu bringen, in dem eine größere Menge Wasser mit geringer Fallhöhe eingesetzt wird.

Wasserschlag in Dampfleitungen

Bei dem Einströmen des Dampfes in die Dampfleitung entsteht an den kühlen Rohrwandungen Kondensat. Dieses muss entfernt werden, damit es sich nicht ansammeln kann. Der schnellströmende Dampf bewegt die Wasseransammlung bis das Kondensat den Dampfstrom stark behindert und als Wasserpfropfen mitgerissen wird. Dieser Wasserpfropfen wird mit Dampfgeschwindigkeit durch die Leitung gedrückt. In Sattdampfleitungen kann eine Geschwindigkeit bis 25 m/s (90 km/h) - in Heißdampfleitungen bis 60 m/s (216 km/h) - vorkommen.

Wird dieser Wasserpfropfen durch ein Hindernis oder durch seine eigene Größe plötzlich abgebremst, entsteht ein Wasserschlag. Hierbei können Drücke von mehreren tausend bar auftreten. Armaturen, Rohrbogen und Rohrabzweigungen werden zerrissen. Durch diese Wasserschläge sind schon viele Unfälle mit tödlichen Verletzungen durch ausströmenden Dampf vorgekommen.

Deswegen ist es auch in Niederdruckdampfheizungen notwenig, dass die Dampfleitungen gut gedämmt und längere Leitungen (ab 2 m) immer mit Gefälle und sägeförmig zur nächsten Entwässerung verlegt werden. In Hochdruckdampfheizungen sind hohe sicherheitstechnische Anforderungen vorgegeben.

Dampfschlag

Eine implosionsartige Kondensation von Dampfblasen, die in einer kälteren Flüssigkeit entstehen, ist ein Dampfschlag. Dampfschläge treten auf, wenn Dampf in eine Flüssigkeit transportiert wird oder in einer Flüssigkeit entsteht, die eine niedrigere Temperatur hat (Kavitation).

Die Dampfblasen kondensieren durch den Wärmeübergang in einer Flüssigkeit. Dieser Vorgang läuft schlagartig ab. Die Dampfschläge können mit einer Überschallgeschwindigkeit ablaufen. Die Flüssigkeit nimmt das Volumen des Dampfes ein, sodass ein Vakuum entsteht. Die entstehenden Druckschläge können kurzzeitige Drücke bis zu 100 bar haben.

Dampfschläge können in einem Kessel entstehen, wenn der Dampfdruck überschritten wird, d. h. die Kesseltemperatur ist höher als der Anlagendruck, der das Wasser im flüssigen Zustand halten kann. Durch die Druckerhöhung aufgrund der Volumensänderung geht der Dampf wieder in den flüssigen Zustand über.

Auch in thermischen Solaranlagen können Dampfschläge beobachtet werden. So kann z. B. bei einer anlaufenden Stagnation der entstehende Dampf in die noch bestehende kältere Flüssigkeit gelangen. Aber auch in Anlagen, in denen ein Unterdruck (Vakuum) entstehen kann (z. B. in Drain-Back-Systemen) oder der Dampfdruck unterschritten wird, weil der Anlagendruck nicht mehr dem notwendigen Dampfdruck entspricht (z. B. defektes MAG, zu starke Pumpe, zu niedriger Anlagendruck), entstehen Dampfschläge.

Wasserdampftafel

Die Errichtung einer Trinkwasserinstallation und wesentliche Veränderungen an diesen dürfen nur von Installationsbetrieben durchgeführt werden, die in das Installateurverzeichnis eines WVU eingetragen sind.

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