Druckpulsation erklärt: Ein umfassender Leitfaden

Druckpulsationen stellen in zahlreichen Industrieanwendungen eine große Herausforderung dar. Werden sie nicht kontrolliert, können diese Schwingungen zu übermäßigen Vibrationen, Lärm, verringerter Effizienz und sogar zu katastrophalen Geräteausfällen führen.

In diesem umfassenden Leitfaden gehen wir ausführlich auf die Ursachen und Folgen von Druckpulsationen in der Maschinenindustrie ein. Anschließend untersuchen wir bewährte Lösungen und Best Practices zur Minderung dieser Probleme und helfen Ihnen, Ihre Systeme für Spitzenleistung und Zuverlässigkeit zu optimieren.

Was ist Druckpulsation?

Druckpulsation ist eine periodische Druckschwankung, die in Flüssigkeitssystemen auftritt, insbesondere in solchen mit Pumpen, Kompressoren oder Turbinen. Diese Druckschwankungen überlagern den konstanten Betriebsdruck des Systems und können eine Amplitude von einigen Millibar bis zu mehreren Bar haben.

Druckpulsationen unterscheiden sich von stationären Druckänderungen oder Druckstößen. Stationäre Änderungen sind relativ langsame, allmähliche Schwankungen des Gesamtsystemdrucks. Druckstöße hingegen sind plötzliche Spitzen mit hoher Amplitude, die durch Ereignisse wie Ventilschließungen oder Pumpenstarts verursacht werden. Während Stöße vorübergehende Ereignisse sind, sind Pulsationen anhaltende Schwingungen, die so lange anhalten, wie der verursachende Mechanismus (z. B. eine Pumpe) in Betrieb ist.

Ursachen für Druckpulsation

Kolbenpumpen und Kompressoren

Eine der häufigsten Ursachen für Druckpulsationen ist der Einsatz von Kolbenpumpen und Kompressoren. Diese Geräte funktionieren, indem sie Flüssigkeit durch die zyklische Bewegung von Kolben oder Plungern verdrängen. Wenn sich der Kolben hin und her bewegt, entstehen abwechselnde Saug- und Entladephasen, was zu inhärenten Schwankungen bei Durchfluss und Druck führt.

Verdrängerpumpen

Verdrängerpumpen, darunter Zahnradpumpen, Schraubenpumpen und Flügelzellenpumpen, können ebenfalls zur Druckpulsation beitragen. Diese Pumpen fangen diskrete Flüssigkeitsmengen auf und bewegen sie, was zu Strömungsschwankungen und Druckschwankungen führen kann, insbesondere am Auslass der Pumpe.

Rohrlayout

Abrupte Änderungen des Rohrdurchmessers, wie z. B. Ausdehnungen oder Verengungen, können Strömungsstörungen und Druckschwankungen verursachen. Lange, gerade Rohrleitungen können die Ausbreitung und Verstärkung von Pulsationen ermöglichen, während Biegungen und Winkel Druckwellen reflektieren können, was zu Interferenzmustern führt. Auch die Lage und der Abstand von Rohrhalterungen und -ankern können die Reaktion des Systems auf Pulsationen beeinflussen.

Druckbehälter und Tanks

Druckbehälter und Tanks im System können mit dem pulsierenden Durchfluss interagieren und die Pulsationen entweder verstärken oder abschwächen. Wenn die Pulsationsfrequenz mit der Eigenfrequenz des Behälters oder Tanks übereinstimmt, Resonanz Es kann zu übermäßigen Vibrationen und möglichen Schäden kommen.

Turbulenzen und Wirbelablösung

Wenn Flüssigkeit an Hindernissen vorbei oder durch komplexe Geometrien fließt, können lokale Wirbel und Strudel entstehen, die sich regelmäßig lösen. Diese Strömungsinstabilitäten erzeugen schwankende Kräfte an den Rohrwänden, was zu Druckpulsationen führt.

Wasserschlag (schnelles Schließen des Ventils)

Ein schnelles Schließen von Ventilen oder das Starten/Abschalten einer Pumpe kann ein Phänomen auslösen, das als Wasserschlag bekannt ist. Wenn eine sich bewegende Flüssigkeit plötzlich zum Anhalten oder zur Richtungsänderung gezwungen wird, entsteht eine Druckwelle, die sich mit Schallgeschwindigkeit durch das System bewegt. Dieser Druckanstieg kann um ein Vielfaches höher sein als der normale Betriebsdruck und möglicherweise schwere Schäden an Rohren, Ventilen und anderen Komponenten verursachen.

Änderungen der Fließrichtung/-geschwindigkeit

Jede abrupte Änderung der Fließrichtung oder -geschwindigkeit kann Druckpulsationen erzeugen. Dies kann an Rohrbögen, T-Stücken oder Reduzierstücken auftreten, wo die Flüssigkeit gezwungen ist, ihren Verlauf oder ihre Geschwindigkeit zu ändern. Die daraus resultierenden Strömungsstörungen erzeugen lokale Druckschwankungen, die sich durch das System ausbreiten können.

Resonanz

Resonanz tritt auf, wenn die Frequenz der Druckpulsationen mit der Eigenfrequenz des Rohrleitungssystems oder seiner Komponenten übereinstimmt. Unter Resonanzbedingungen können die Pulsationen erheblich verstärkt werden, was zu übermäßigen Vibrationen, Lärm und möglichen strukturellen Schäden führt. Das Resonanzrisiko ist in Systemen mit langen, nicht unterstützten Rohrleitungsabschnitten, geringer Dämpfung oder einem Zusammentreffen der Anregungsfrequenz mit den akustischen oder strukturellen Eigenfrequenzen höher.

Fluideigenschaften

Auch die Eigenschaften der transportierten Flüssigkeit können das Druckpulsationsverhalten beeinflussen. Zu den wichtigsten Flüssigkeitseigenschaften zählen:

Dichte: Flüssigkeiten mit höherer Dichte haben eine größere Trägheit, was bei Strömungsstörungen zu stärkeren Druckschwankungen führen kann.
Viskosität: Flüssigkeiten mit hoher Viskosität neigen aufgrund ihres erhöhten Strömungswiderstands und ihrer Fähigkeit zur Energieableitung dazu, Druckschwankungen zu dämpfen.
Kompressibilität: Kompressible Fluide wie Gase sind anfälliger für Druckpulsationen als inkompressible Flüssigkeiten. Durch die Kompressibilität breiten sich Druckwellen leichter aus und können zu höheren Pulsationsamplituden führen.

Folgen unkontrollierter Druckpulsationen

Vibration

Übermäßige Vibrationen sind eine der häufigsten Folgen unkontrollierter Druckpulsationen. Die schwankenden Druckwellen können mechanische Vibrationen in Rohren, Ventilen und anderen Komponenten auslösen. Diese Vibrationen tragen nicht nur zu erhöhtem Verschleiß der Geräte bei, sondern gefährden auch die strukturelle Integrität des Systems.

Lärm

Druckpulsationen äußern sich häufig als hörbares Geräusch, insbesondere in Systemen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten oder schnellen Druckänderungen. Die Turbulenzen und Kavitation Die durch die pulsierende Strömung erzeugten Geräusche können ein Spektrum an Geräuschfrequenzen erzeugen, von tiefem Grollen bis zu hohem Pfeifen.

Effizienzverlust

Die mit der pulsierenden Strömung verbundene Energie wird im Wesentlichen verschwendet, da sie nicht zum gewünschten Flüssigkeitstransfer beiträgt. Dieser Energieverlust äußert sich in einem erhöhten Stromverbrauch von Pumpen und Kompressoren, was zu höheren Betriebskosten führt. Darüber hinaus können die durch die Pulsation verursachten Turbulenzen und Strömungsstörungen die Wirksamkeit von Wärmetauschern, Filtern und anderen Prozessgeräten verringern und so die Effizienz des Systems weiter beeinträchtigen.

Geräteschäden

Die vielleicht schwerwiegendste Folge unkontrollierter Druckschwankungen ist die Gefahr von Geräteschäden. Die wiederholten Belastungszyklen durch den schwankenden Druck können zu beschleunigtem Verschleiß und vorzeitigem Ausfall verschiedener Komponenten führen:

Dichtungen, Dichtungsringe und Messgeräte: Die zyklische Belastung kann dazu führen, dass Dichtungen und Dichtungsringe schneller verschleißen, was zu Lecks und einem Verlust der Systemintegrität führt. Druckmesser und andere Instrumente können durch den pulsierenden Druck ebenfalls beschädigt werden, was zu ungenauen Messwerten oder einem vollständigen Ausfall führen kann.
Erosion: Die mit Druckpulsationen verbundenen turbulenten Strömungsmuster können die Erosion beschleunigen, insbesondere in Bereichen mit plötzlichen Änderungen der Strömungsrichtung oder -geschwindigkeit. Mit der Zeit kann diese Erosion die Rohrwände dünner machen, Lecks verursachen und sogar zu Brüchen führen.
Hohlraumbildung: In schweren Fällen von Druckpulsationen können lokale Druckabfälle zur Bildung und zum Kollaps von Dampfblasen führen, was als Kavitation bezeichnet wird. Die Implosion dieser Blasen erzeugt hochintensive Stoßwellen, die Oberflächen erodieren und beschädigen können, wodurch Laufräder, Ventile und andere Komponenten erheblich beschädigt werden.
Rohrbruch: In Extremfällen können die kombinierten Effekte von Vibration, Erosion und durch Druckpulsation verursachter Ermüdung zu Rohrleitungsbrüchen führen.

Lösungen

Pulsationsdämpfer

Pulsationsdämpfer sind Geräte, die Druckschwankungen in Flüssigkeitssystemen reduzieren sollen. Sie bestehen normalerweise aus einer gasgefüllten Blase oder Membran in einem Druckbehälter. Wenn der Flüssigkeitsdruck steigt, komprimiert sich das Gas und absorbiert den Druckanstieg. Wenn der Druck fällt, dehnt sich das Gas aus und hält einen konstanteren Druck nachgeschaltet aufrecht.

Pulsationsdämpfer werden in der Nähe der Pulsationsquelle, beispielsweise einem Pumpenauslass oder in der Nähe eines Ventils, installiert, um die Übertragung von Pulsationen durch das System zu minimieren.

Überspannungsschutz

Überspannungsschutzgeräte, auch als Stoßdämpfer oder Wasserschlag Druckminderer sind dafür ausgelegt, plötzliche Druckspitzen bei Wasserschlägen zu absorbieren. Bei einem schnellen Ventilschluss ermöglicht der Druckminderer einen begrenzten Flüssigkeitsfluss in eine Expansionskammer und dämpft so den Druckanstieg.

Überspannungsschutzgeräte werden typischerweise an Rohrleitungsendpunkten und in der Nähe von Schnellschlussventilen installiert.

Laufräder mit versetzten Schaufeln

Für Kreiselpumpen, kann die Verwendung von Laufrädern mit versetzten Schaufeln dazu beitragen, Druckpulsationen zu reduzieren. Bei einem herkömmlichen Laufrad sind die Schaufeln gleichmäßig verteilt, was Druckpulsationen verursacht, wenn jede Schaufel die Spiralzunge passiert. Durch die versetzte Anordnung der Schaufeln in unregelmäßigen Abständen werden die Druckpulsationen gleichmäßiger verteilt, was die Gesamtpulsationsamplitude reduziert.

Laufräder mit versetzten Schaufeln sind am effektivsten bei der Reduzierung von Pulsationen bei der Schaufeldurchgangsfrequenz der Pumpe. Sie beseitigen Pulsationen zwar nicht vollständig, können sie aber deutlich reduzieren. Vibration und Lärmprobleme.

Pumpendesign

Überdimensionierte Pumpen, die weit von ihrem Bestleistungspunkt (BEP) entfernt arbeiten, sind anfälliger für Durchflussinstabilitäten und Pulsationen. Die Auswahl einer Pumpe, die bei der gewünschten Durchflussrate nahe an ihrem BEP arbeitet, kann dazu beitragen, Pulsationen zu reduzieren.

Für Verdrängerpumpen, kann die Verwendung mehrerer kleinerer Pumpen parallel anstelle einer einzigen großen Pumpe dazu beitragen, die Pulsationsamplitude zu verringern. Triplexpumpen neigen aufgrund der gleichmäßigeren Durchflussabgabe zu einer geringeren Pulsation als Simplex- oder Duplex-Konstruktionen.

Alternative Ansätze

In einigen Fällen kann die Pulsation durch einfache Änderungen am Rohrleitungssystem gemildert werden:

Blenden: Der Einbau einer Blende hinter der Pulsationsquelle führt zu einem Druckabfall, der zur Ableitung der Pulsationsenergie beitragen kann.
Flexible Schläuche und Dehnungsfugen: Die Verwendung flexibler Verbindungen in der Nähe der Pulsationsquelle kann dazu beitragen, Vibrationen vom Rest des Rohrleitungssystems zu isolieren. Dehnungsfugen gleichen Rohrbewegungen und Wärmeausdehnung aus, die sonst zu hohen Spannungen und Ausfällen führen könnten.

Betriebsanpassungen

Zusätzlich zu Hardwarelösungen kann die Anpassung des Systembetriebs zur Kontrolle von Druckschwankungen beitragen:

Pumpendrehzahlregelung: Der Betrieb von Pumpen mit niedrigerer Geschwindigkeit verringert die Pulsationsfrequenz und -amplitude. Frequenzumrichter ermöglichen den Betrieb von Pumpen bei geringerer Nachfrage mit reduzierter Geschwindigkeit.
Phasensteuerung mehrerer Pumpen: Bei Installationen mit mehreren Pumpen kann das Anpassen des Phasenwinkels zwischen den Pumpen, sodass ihre Pulsationen nicht synchron sind, dazu beitragen, die Pulsation stromabwärts zu minimieren.