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May 26, 2023

So verhindern Sie Kondensation

Der Begriff „Kondensationsinduzierter Wasserschlag“ (CIWH) wird häufig verwendet

Der Begriff „Kondensationsinduzierter Wasserschlag“ (Condensation Induced Water Hammer, CIWH) wird häufig zur Beschreibung einer Vielzahl von Transienten verwendet, die auftreten, wenn Wasserdampf durch kaltes Wasser schnell kondensiert. Dieser Artikel beschreibt die verschiedenen Arten und Ursachen von CIWH, erklärt, wie man die damit verbundenen Geschwindigkeiten und Drücke abschätzt, und bietet den Lesern Lösungen, mit denen sich CIWH verhindern lässt.

Dampf und flüssiges Wasser in einer Rohrleitung passen nicht immer gut zusammen. Situationen, in denen sie unerwartet in Kontakt kommen, können brisant sein. Ein hydraulischer Übergang ist ein kurzfristiges Ereignis, das durch eine schnelle Änderung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Drucks in einem Rohr ausgelöst wird. Das Ereignis erzeugt Druckimpulse, die sich wie Wellen von ihrem Ursprungsort stromabwärts und stromaufwärts ausbreiten. Die Impulse treffen auf Hindernisse auf und werden von ihnen reflektiert, während sie sich durch das Rohr bewegen. Dabei entstehen hämmernde Geräusche und kickartige Rohrbewegungen. Der Begriff „Wasserschlag“ wird im Allgemeinen für diese Transienten verwendet, auch wenn andere Flüssigkeiten und Gase beteiligt sind.

Wasserdampf ist Nassdampf. Wenn Sie einer Menge Wasser am Siedepunkt Wärme hinzufügen, beginnt es, sich von einer Flüssigkeit in einen Dampf zu verwandeln (zu verdampfen). Wenn Sie weiterhin Wärme zuführen, bleiben Flüssigkeit und Dampf auf derselben Temperatur, bis die gesamte Flüssigkeit in Dampf umgewandelt ist. Dies wird als gesättigter Zustand bezeichnet. Eine Rohrleitung, die gleichzeitig Gas und flüssiges Wasser transportiert, soll eine Zweiphasenströmung enthalten.

Wenn heißes, gesättigtes Wasser in einer Leitung einen Druckabfall erfährt, beginnt es zu verdampfen. Es bilden sich kleine Dampfblasen. Diese Blasen sind schwimmfähig und neigen daher dazu, aufzusteigen und sich an hohen Stellen in Taschen zu sammeln. Taschen können auch entstehen, wenn die Rohrgeometrie beim Nachfüllen oder Herunterfahren des Systems eine Dampfmenge isoliert. Beispielsweise kann in einem vertikalen U-Bogen Dampf eingeschlossen werden, wenn beide Steigleitungen beim Befüllen mit Wasser verstopft sind.

Eine Flüssigkeit gilt als unterkühlt, wenn sie bei einem gegebenen Druck eine Temperatur unterhalb der Sättigungstemperatur hat. Wenn eine Dampftasche mit einer unterkühlten Flüssigkeit in Kontakt kommt, beginnt diese an der Dampf-/Flüssigkeitsgrenze zu kondensieren. Die Kondensationsrate nimmt mit zunehmender Temperaturdifferenz zu. Wenn der Temperaturunterschied mehr als etwa 35 °F beträgt, kondensiert der gesamte Dampf plötzlich. Dampf nimmt viel mehr Platz ein als eine Flüssigkeit; Daher entsteht ein Hohlraum mit niedrigem Druck. Das die Tasche umgebende Wasser beschleunigt in den Hohlraum. Diese Implosion erfolgt im Bruchteil einer Sekunde. Die Geschwindigkeit (VI, ft/sec) des voranschreitenden Wassers unmittelbar vor dem Aufprall wird beim Aufprall auf Null reduziert und kann wie in Gleichung 1 dargestellt berechnet werden:

VI = ∆V = √((( 288 gc ( PU – PD )) / ρ ) ( α / ( 1 – α )))

wobei α der Hohlraumanteil ist (konservativ etwa 0,5); gc ist die Gravitationskonstante (32,2 ft-lbm/sec2-lbf); und ρ ist die Flüssigkeitsdichte (lbm/ft3). Der Druck in einer Dampftasche (PD) ist der Dampfdruck, der der Temperatur des umgebenden Wassers entspricht. Da die zurückgelegte Strecke sehr klein ist, hat die Reibung nur einen minimalen Einfluss und wird vernachlässigt.

Die abrupte Geschwindigkeitsänderung erzeugt einen Wasserschlag-Druckimpuls. Die Geschwindigkeit des Impulses, während er sich durch das Rohr bewegt, ist die akustische (Schallgeschwindigkeit) (c, ft/s) und kann mit Gleichung 2 berechnet werden:

c = √(( 144 gc G / ρ ) / ( 1 + ( G / E ) φ ))

wobei G der Kompressionsmodul der Flüssigkeit (psi) ist; E ist der Elastizitätsmodul des Rohrs (psi); φ ist ein Rohrrandbedingungsparameter, der für ein an beiden Enden befestigtes dünnwandiges Rohr D/t beträgt; wobei D der Rohrinnendurchmesser (Zoll) ist; und t ist die Rohrdicke (Zoll). Lufteinschlüsse würden die Geschwindigkeit verringern.

Der theoretische maximale Druckimpuls (∆P, psi) kann mithilfe der bekannten „Joukowski“-Wasserschlaggleichung ermittelt werden, die hier als Gleichung 3 dargestellt ist:

∆P = k (( ρ c ∆V ) / ( 144 gc ))

wobei die Variable k 1,0 ist, wenn der Zusammenbruch der Dampftasche neben einer harten Oberfläche wie einem Rohrsackgasse oder einem geschlossenen Ventil auftritt, andernfalls ist k = 0,5. Beachten Sie, dass ΔP nicht der Gesamtdruck ist, sondern die Zunahme oder Abnahme gegenüber dem stationären Druck, der vor dem Übergang herrschte.

Bei einer geschichteten Zweiphasenströmung in einem horizontalen Rohr steigt der Wasserstand im Rohr aufgrund der Kondensation an der Dampf/Wasser-Grenzfläche. Dadurch verringert sich die vom Dampf eingenommene Rohrquerschnittsfläche, was seine Geschwindigkeit erhöht. Wenn der Geschwindigkeitsunterschied groß genug ist, kommt es zum Übergang von der Schichtströmung zur Schwallströmung. Oberflächenwellen bilden sich und bewegen sich mit einer höheren Geschwindigkeit als die Flüssigkeit. Die Wellen werden größer, je turbulenter die Strömung wird. Wenn eine große Oberflächenwelle die Querschnittsfläche des Rohrs blockiert, übt in die Rohrleitung eintretender Dampf Druck auf die stromaufwärtige Seite der Welle aus, wodurch die Welle als Wasserschwall die Rohrleitung hinuntergeschleudert wird.

Die Froude-Zahl (Fr) ist ein Parameter, der typischerweise zur Beurteilung der Entstehung von Schwerewellen in Strömungen im offenen Gerinne verwendet wird. Studien haben ergeben, dass es eine Mindestgeschwindigkeit (VMIN) gibt, oberhalb derer kein Übergang von der geschichteten Zweiphasenströmung zur Schwallströmung stattfindet. Dieser Durchfluss entspricht einer Froude-Zahl von 0,5. In der Industrie wird bei der Rohrdimensionierung konservativ eine Froude-Zahl von 1,0 verwendet, um einen Designspielraum zu schaffen. VMIN kann mit Gleichung 4 berechnet werden:

VMIN = Fr √( gc D / 12 )

Wenn ein Wasserschwall auf etwas in seinem Weg trifft, wird ein Wasserschlag-Druckimpuls erzeugt. Unter Vernachlässigung der Reibung wird die Aufprallgeschwindigkeit nach Gleichung 5 berechnet:

VI = ∆V = √((( 288 gc ( PU – PD )) / ρ ) ( LV / LS ))

wobei PU der vorgeschaltete Dampfdruck (psi) ist; PD ist der stromabwärtige Hohlraumdruck (psi); LS ist die Länge des Geschosses (ft); und LV ist die Länge des Dampfraums (ft).

Der Druckimpuls beim Aufprall (∆P) kann mithilfe von Gleichung 3 mit k = 1,0 ermittelt werden. Die Aufprallkraft des Geschosses (FS, lbf) ist in erster Linie eine Funktion des Impulses des Geschosses, dargestellt in Gleichung 6:

FS = ( AP ( ρ VI2 )) / gc

Dabei ist AP der interne Strömungsquerschnitt des Rohrs (ft2). Um die dynamischen Auswirkungen von Stößen zu berücksichtigen, wird für die Konstruktion häufig ein konservativer dynamischer Lastfaktor (DLF) von 2X verwendet. Dieser Faktor stellt das Verhältnis der Belastung durch eine schnell aufgebrachte Belastung zu der Belastung dar, die bei langsamer Belastung aufgetreten wäre.

Hydraulische Übergangsereignisse in Kraftwerken wurden in den 1970er bis 1990er Jahren vom Electric Power Research Institute (EPRI) eingehend untersucht. Ein Großteil des in diesem Artikel vorgestellten Materials basiert auf dem „Water Hammer Handbook for Nuclear Plant Engineers and Operators“ TR-106438 von EPRI, das 1996 veröffentlicht wurde und von der EPRI-Website unter www.epri.com heruntergeladen werden kann. Die Studie identifizierte und definierte die folgenden vier grundlegenden CIWH-Mechanismen.

Mechanismus 1 – Dampfabgabe in unterkühltes Wasser. Wenn eine Dampfleitung unter Wasser mündet und der Dampffluss durch Schließen eines vorgeschalteten Ventils gestoppt wird, wird eine Dampfblase im Rohr eingeschlossen (Abbildung 1). Das Wasser beginnt am Rohrausgang abzukühlen, da es nicht mehr durch den Dampf erhitzt wird. Der Kontakt mit unterkühltem Wasser führt dazu, dass die Dampfblase schnell kondensiert. Durch die durch die Implosion entstehende Unterdruckzone wird die Wassersäule durch das Rohr hochgezogen und prallt mit hoher Geschwindigkeit auf das geschlossene Ventil. Beim Aufprall wird ein Wasserschlag-Druckimpuls abgegeben. Es ist nicht verwunderlich, dass dieser CIWH-Mechanismus als Wasserwerfer bezeichnet wird.

Die Differenzhöhe über der Wassersäule (∆H, ft) wird mithilfe von Gleichung 7 ermittelt:

∆H = Ha + x0 – HVP

wobei x0 die Eintauchtiefe des Rohrs (ft) ist; Ha ist die Druckhöhe auf der Wasseroberfläche; und HVP ist der Druck in der Dampftasche.

Die Geschwindigkeit der Wassersäule (VO, ft/s) wird mithilfe von Gleichung 8 ermittelt:

VO = ∆V = √((2 gc ∆H ) / KTotal )

Dabei ist KTotal die Summe der Verlustkoeffizienten der „Darcy-Weisbach“-Komponente plus (f·L)/D. Dabei ist f der Rohrreibungsfaktor, L der Abstand vom Ventil zum Rohrauslass und D der Rohrinnendurchmesser .

Die Aufprallgeschwindigkeit (VI) kann anhand von Gleichung 9 ermittelt werden, einer empirischen Kurve, die an die Daten im EPRI-Handbuch angepasst ist:

VI = VO (( 0,0097 L / ∆H – 0,438) KTotal2 + ( –0,161 L / ∆H + 1,18) KTotal – 0,061 L / ∆H + 1,056)

Der Aufpralldruckimpuls (∆P) kann mit Gleichung 3 mit k = 1,0 ermittelt werden.

So verhindern Sie Transienten bei Mechanismus 1:

Mechanismus 2 – Geschichteter Dampf- und Wassergegenstrom in einem horizontalen Rohr. Dieser CIWH-Mechanismus tritt in horizontalen Rohren mit Zweiphasenströmung auf. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel, bei dem eine Rohrleitung zur Versorgung eines Dampfkessels mit unterkühltem Wasser verwendet wird. Zunächst ist die Pfeife voller Dampf. Wenn das Füllventil öffnet, beginnt die Rohrleitung von unten nach oben mit Wasser zu füllen. Vertikale Rohrabschnitte werden mit Wasser gefüllt; Bei horizontalen Rohrabschnitten herrscht jedoch eine Zweiphasenströmung, wobei das Wasser auf der Unterseite des Rohrs ruht, während Dampf den Raum über dem Wasser einnimmt.

Der mit dem Wasser in Berührung kommende Dampf kondensiert, was dazu führt, dass mehr Dampf in das Rohr gesaugt wird, wodurch sich die Kondensation und die Dampfdurchflussrate erhöhen. Dadurch entsteht ein Gegenstrommuster zwischen Dampf und Wasser und ein Übergang zu Schwallströmungsbedingungen. Eine große Oberflächenwelle, die den Rohrquerschnitt ausfüllt, erzeugt auf der Abströmseite eine Dampfblase. Durch den Dampfdruck wird die Welle stromabwärts gedrückt. Die komprimierte Dampftasche kollabiert, wenn sie mit unterkühltem Wasser in Kontakt kommt. Die Implosion erzeugt einen Wasserschlag-Druckimpuls und ein großer Druckunterschied über die Welle beschleunigt sie als Wasserschwall durch die Rohrleitung. Wenn die Kugel auf eine Richtungsänderung oder ein Strömungshindernis trifft, erzeugt der Aufprall einen weiteren großen Druckimpuls.

Ein Übergang von Mechanismus 2 kann nicht auftreten, wenn das Rohr mit Wasser gefüllt ist. Der Mindestmassendurchfluss (m, lbm/s), um mit Wasser voll zu laufen, kann mithilfe des in Gleichung 10 gezeigten Kriteriums ermittelt werden, das auf einer Froude-Zahl von 0,5 basiert:

m ≥ 2,227 ρ D2,5

Außerdem haben Strömungsmodelltests gezeigt, dass sich bei niedrigen Durchflussraten, bei denen der Massendurchfluss während einer Wasserfüllung die Kriterien in Gleichung 11 erfüllt, keine geschichteten Gegenstrombedingungen bilden:

m ≤ C D2 e–0,005 (LH/D)

wobei LH die horizontale Rohrlänge (ft) ist; und C ist ein Koeffizient, der eine Funktion des Rohrdurchmessers (1,5 bis 36 Zoll) ist, gegeben durch Gleichung 12:

C = –0,00001745 D4 + 0,0001736 D3 – 0,06152 D2 + 0,9425 D + 4,280

Gegenstrom-CIWH kann sehr schädliche Übergangskräfte erzeugen. Probleme treten am häufigsten beim Start auf. Besonders anfällig sind Kondensatrückführungsleitungen und Dampfenthitzer-Sprühsysteme.

Um Transienten bei Mechanismus 2 zu verhindern:

Mechanismus 3 – Unter Druck stehendes Wasser tritt in ein vertikales, mit Dampf gefülltes Rohr ein. Dieser CIWH-Mechanismus tritt in vertikalen dampfgefüllten Rohren oder horizontalen Rohren mit einer Neigung von mehr als 3 Grad auf (die wie ein vertikales Rohr wirken). Bei der Außerbetriebnahme einer Anlage kann Dampf in Taschen zurückbleiben. Gesättigtes Wasser kann auch an Absperrventilen vorbei austreten, wo es auf der Niederdruckseite in Dampf übergehen und Dampftaschen bilden kann.

Obwohl Kondensation eine Rolle spielt, sind die Trägheit und der Druck des das Rohr füllenden Wassers und die Frage, ob das Wasser von unten oder von oben in das vertikale Rohr eintritt, der Hauptfaktor für die Schwere eines Mechanismus-3-Transienten.

Top-Füllung. Wenn unterkühltes Wasser mit der Dampftasche in Kontakt kommt, bilden sich Dampfblasen im Wasser. Wenn das Rohr langsam gefüllt wird, fließt das Wasser hauptsächlich an den vertikalen Rohrwänden entlang (Ringfilmströmung), wodurch die Blasen in der Rohrmitte aufsteigen und entweichen können. Wenn die Wasserfüllgeschwindigkeit jedoch schneller ist als die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit, werden die Dampfblasen eingefangen und kondensieren und kollabieren unter dem Druck, den das eintretende Wasser ausübt. Kollabierende Dampfblasen sind viel kleiner als eine kollabierende Dampftasche, daher werden die resultierenden Wasserschlag-Druckimpulse als moderat und nicht als schwerwiegend angesehen (Abbildung 3).

Die maximale sichere Füllgeschwindigkeit (VF, ft/s) für eine Ringströmung in einem vertikalen Rohr kann mit Gleichung 13 berechnet werden:

VF = 0,67 √((( ρf – ρg ) / ρf ) (( gc D ) / 12 ))

Dabei sind ρf und ρg die Dichten bei gesättigten Bedingungen für die flüssige bzw. gasförmige Phase. Beachten Sie, dass bei niedrigen Drücken die Gasdichte nahe Null liegt, sodass die Dichteterme vernachlässigt werden können. Beachten Sie außerdem, dass sich das ringförmige Strömungsmuster ändert, wenn das Rohr mehr als 15 Grad von der Vertikalen geneigt ist. Dampfblasen sammeln sich entlang des oberen Teils des Rohrquerschnitts und ihre Aufstiegsgeschwindigkeit erhöht sich. Daher sollte die sichere Füllgeschwindigkeit um den Faktor √2 erhöht werden.

Füllung von unten. Wenn das System von unten befüllt wird, wird die Front der Wassersäule turbulent, da sie die Dampftasche komprimiert und kondensiert. Die Tasche implodiert und es entsteht eine Unterdruckzone, die die Wassersäule nach oben beschleunigt. Wenn die Wassersäulenfront auf das geschlossene Dampfventil trifft, entsteht ein großer Druckimpuls (Abbildung 4).

Um Transienten bei Mechanismus 3 zu verhindern:

Mechanismus 4 – Heißes Wasser gelangt in ein Rohr mit niedrigerem Druck. Abbildung 5 zeigt einen Druckwasserbehälter mit geschlossenem Abflussrohr. In der Abflussleitung befindet sich stehendes Wasser, das mit der Zeit abkühlt. Beim erneuten Öffnen des Ventils wird das unterkühlte Wasser schnell und problemlos durch das Ventil ausgeblasen. Wenn jedoch das Wasser mit höherer Temperatur durch das Ventil zur Niederdruckseite gelangt, „verdampft“ es und der Durchfluss wird „erstickt“. Bei Durchflussdrosseln wird der Massenstrom (Massendurchfluss) durch das Ventil begrenzt. Die abrupte Änderung des Massenflusses von unterkühltem Wasser zu heißer Zweiphasenströmung führt zu einer großen Geschwindigkeitsänderung, die eine Wasserschlag-Stoßwelle und Turbulenzen am Ventil erzeugt (Abbildung 5).

An jedem Punkt, an dem der Wasserdruck unter den Dampfdruck fällt, verdampft das Wasser. Flashendes Wasser füllt das Rohr mit Dampfblasen, die sich in einer Dampftasche ansammeln können, was zu einem Wasserschlag führt, wenn der Dampf plötzlich kondensiert.

Heizungsabläufe zum Kondensator sind anfällig für diesen CIWH-Mechanismus. Undichte Sprühventile von Enthitzern und Ausfälle von Kondensatableitern sind typische Ursachen dafür, dass heißes Kondensat zu Dampf verdampft.

Um Transienten bei Mechanismus 4 zu verhindern:

Neben Kondensat- und Dampfwechselwirkungen gibt es noch andere Arten und Ursachen von Wasserschlagtransienten, die hier nicht erörtert werden. Ein durch Wasserschläge verursachter Wasserschlag tritt auf, wenn sich Kondensatpfützen in der Rohrleitung zu Pfützen entwickeln, wenn sich Dampfabsperrventile öffnen und das Wasser im Dampf mitgerissen wird. Ein schneller Pumpen- oder Ventilbetrieb führt zu Transienten. Durch die Trennung der Wassersäule entsteht ein Hohlraum, der ebenfalls zu einem Wasserschlag führt, wenn die Bedingungen dazu führen, dass sich die Wassersäulen wieder verbinden.

Diese Transienten können mit herkömmlicher kommerzieller Software zur Modellierung inkompressibler und kompressibler Strömungen mithilfe der „Methode der Kennlinien“ modelliert und analysiert werden. Die meisten Wasserschlagprogramme sind nicht in der Lage, Zweiphasenströmungs-CIWH-Ereignisse zu modellieren. Einzelheiten finden Sie in der zuvor erwähnten EPRI-Referenz. ■

—Michael F. Czyszczewski, PE([email protected]) ist ein Maschinenbauberater mit 45 Jahren Designerfahrung in der Energiebranche.

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