Kavitation in Wassersystemen

Kavitation

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
Abkürzungen im SHK-Handwerk
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Dampfkavitation	Gaskavitation	Implosion	Haltedruckhöhe (NPSH)

Als Kavitation wird das Entstehen und schlagartige Zusammenbrechen von Hohlraumbildungen (z. B. Dampfblasen in einer Flüssigkeitsströmung) bezeichnet. Für das Auftreten, das Ausmaß und die Auswirkungen von Kavitation in Kreiselpumpen gibt es verschiedene Kavitationskriterien und eine Unterscheidung erfolgt in Dampf- und Gaskavitation

Dampfkavitation
Wenn sich in einer Flüssigkeit an bestimmten Stellen der Anlage Dampfblasen bilden, dann spricht man von Kavitation (Hohlraumbildung). Die Dampfblasen entstehen, wenn der statische Druck in einer Flüssigkeitanlage, die Temperatur und der Dampfdruck nicht zueinander passen. Nach dem Ansteigen des statischen Druckes über den Dampfdruck in der Strömungsrichtung, kommt es zu einer Implosion der Dampfblasen.

Vermeidung von Kavitation

Kavitation in einer Kreiselpumpe wird vermieden, wenn die Flüssigkeit mit einer bestimmten Zulaufhöhe zugeführt wird. Diese Mindestzulaufhöhe ist abhängig von der Temperatur und dem Druck in der Förderflüssigkeit.

Weitere Möglichkeiten zur Vermeidung von Kavitation:

Erhöhung des statischen Druckes
Senkung der Medientemperatur (Reduzieren des Dampfdruckes PD)
Auswahl einer Pumpe mit geringerer Haltedruckhöhe (Mindestzulaufhöhe, NPSH)

1. Druck auf der Saugseite

2. Druckverlauf

3. Atmosphärendruck

4. Saugstutzen der Pumpe

5. Dampfdruck

6. Druckstutzen der Pumpe

7. Vakuum

8. NPSH

9. NPSHerf

Quelle: GRUNDFOS GmbH

Kavitationskorrosion

Durch eine sehr hohe Fließgeschwindigkeit mit gleichzeitiger Druckminderung, so z. B. in Rohrverengungen (nicht entgratetes Rohr, schlecht hergestellte Rohrabzweigungen), können Mikroblasen entstehen. Derartige Bedingungen gibt es auch am Pumpenlaufrad und in den Armaturen. Aber auch in den neuartigen Fittings von Steck- und Presssystemen findet man die Querschnittsverengungen.

Diese Mikroblasen aus Luft und Dampf, deren Bildung sich in nicht entlüftetem Wasser steigert, können aufgrund des Phänomens der Hohlraumbildung implodieren. Diese Kavitation führt zum Abtrag es Materials an diesen Stellen.

Quelle: CALEFFI ARMATUREN GmbH

Besonders bei Anlagen mit hohen Flüssigkeitstemperaturen (thermischen Solaranlagen, Anlagen mit Warmluftgeräten oder Konvektoren) ist es wichtig, dass der Anschluss des Ausdehnungsgefäßes an der Saugseite der Pumpe angeordnet ist, damit der Nullpunkt der Anlage in diesem Bereich liegt. Eine Kavitation kann aber auch, z. B. in selbstgebauten Solaranlagen, durch zu hohe Fließgeschwindigkeiten auftreten, wenn die Rohr- und Armaturenquerschnitte zu klein gewählt bzw. nicht richtig berechnet wurden.

Gaskavitation

Gaskavitation (Pseudokavitation) bezeichnet die Bildung und das Wachstum von Gasblasen in einer Flüssigkeit (Mineralöl in Hydrauliksystemen, Gleitlagern oder bei stark kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeiten), wenn der lokale Druck unter den Sättigungsdruck der darin gelösten Gase fällt. Im Gegensatz zur klassischen Dampfkavitation (bei der die Flüssigkeit selbst verdampft, weil der Druck unter den Dampfdruck sinkt), gast bei der Gaskavitation das in der Flüssigkeit physikalisch gelöste oder als winzige Keime vorhandene Gas aus. Steigt der Druck in der Flüssigkeit später wieder an, lösen sich die Gase im Idealfall langsam durch Diffusion zurück in die Flüssigkeit – ein Prozess, der oft Zeit benötigt, sodass die Blasen eine Weile mit der Strömung mitwandern können. Ähnlich wie bei echter Kavitation kann es zu Geräuschen (Rauschen, Prasseln), Wirkungsgradverlusten und Kompressibilitätsproblemen im Hydraulikmedium kommen.

Kavitation in der Pumpe und wie man sie vermeidet
Diener Precision Pumps Ltd
Kavitation
KSB SE & Co. KGaA
Kavitation in der Pumpe und wie man sie vermeidet
Diener Precision Pumps AG
Kavitation
KAMAT GmbH & Co. KG
Was ist Kavitation bei Pumpen?
Steinle Industriepumpen GmbH

Gaskavitation in kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeiten
Viele Hydraulik- und Kraftstoffeinspritzsysteme verwenden kohlenwasserstoffhaltige Flüssigkeiten, die in Abhängigkeit von Druck und Temperatur Gase intermolekular lösen. Diese Systeme müssen ihre Funktion bei einer großen Bandbreite an Betriebsbedingungen erfüllen, wodurch die Flüssigkeiten häufig mit Gas übersättigt sind. Infolgedessen können große Mengen ungelöster Luft durch Gaskavitation in kurzen Zeiträumen auftreten und die Systemeigenschaften erheblich beeinflussen.
Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung experimenteller Methoden um einerseits Eingangsgrößen für die Modellierung der Gaskavitation zu ermitteln und um andererseits den Stoffübergang gelöster Gase bei technisch relevanten Bedingungen zu bestimmen. Stoffdaten mit großem Einfluss, wie der Gasgehalt oder die Größe von Gasblasen, wurden für ausgewählte Alkane, ein Hydrauliköl und für Diesel-Kraftstoffe ermittelt. Das Auftreten der Gaskavitation wurde in Drosselströmungen und stromabwärts in dessen Nachlauf akustisch und optisch untersucht. Hierbei wurden auch die Kavitationswahrscheinlichkeiten und die Menge ungelöster Gase über hochauflösende Durchlichtverfahren erfasst. Die vorgestellten Experimente verdeutlichen die signifikanten Einflussgrößen auf den Stoffübergang gelöster Gase bei technisch relevanten Bedingungen. Sie bilden die Grundlage für ein Gaskavitations-Modell, welches das Auftreten großer Mengen ungelöster Luft in Sekundenbruchteilen erklärt.

Gaskavitation in kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeiten: Einfluss von ruhendem, strömendem und hydrodynamisch kavitierendem Zustand
Fabian Wolf, TUDpress Verlag der Wissenschaften GmbH

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Eine Implosion ist im Gegensatz zur Explosion ein Zusammenbrechen nach innen. So kann z. B. das schlagartige Zusammenfallen eines Behälters (z. B. Ausdehnungsgefäß), der in den Unterdruckbereich kommt, aufgrund des äußeren Luftdrucks mit lautem Knall stattfinden. Dabei fliegen alle Metallsplitter zunächst in den Innenraum und danach explosionsartig nach außen.
Auch in einer Umwälzpumpe kann es aufgrund einer Kavitation zu einer schlagartige Kondensation der entstandenen Dampfblasen (Mikroblasen aus Luft und Dampf) kommen. Diese Hohlraumbildung führt zum Abtrag des Materials an den betroffenen Stellen. Durch die Implosionen kann es auch zu einer Leistungsminderung in der Förderhöhe, zu unruhigen Laufeigenschaften, zum Abfall des Wirkungsgrades und zu Geräuschen kommen. Die gleichen Effekte können auch an Schiffsschrauben und Hochleistungsventilatoren auftreten.

Schäden durch Implosionen in einer Heizungspumpe

Implosion
brand-feuer.de - Rainer Schwarz, KHK i. R.
Kavitation erkennen und verstehen – Wie man Kreiselpumpen davor schützen kann
Boris Vaihinger, ingenieur verlag nagel

Kleine Explosionen verursachen durch Ausdehnung und Zusammenfall (Implosion) kleiner Luft-/Dampfbläschen in den Bereichen eines höheren Druckes (z. B. am Pumpenausgang) Druckschläge, die einen Abrieb bzw. eine Zerstörung des umliegenden Materials verursachen. Geräusche in der Pumpe oder in der Rohrleitung können auf Kavitation hinweisen.
Kavitation in einer Kreiselpumpe wird durch den Zulaufdruck (NPSH-Wert > Net Positive Suction Head) definiert. Dieser gibt die Zulaufhöhe an der Saugseite der Pumpe an, den jede Pumpe je nach Bauart benötigt, um kavitationsfrei zu arbeiten. Gemeint ist der Druck, der benötigt wird, um die Verdampfung der Flüssigkeit zu verhindern und im flüssigen Zustand zu halten. Der Dampfdruck ist in einer Dampfdrucktafel aufgeführt.

Die Haltedruckhöhe (HH bzw. NPSH > Net Positive Suction Head) ist ist von der Bauart der Pumpe und wird von den Herstellern als Kurve im Kennliniendiagramm der Pumpe dargestellt. Ein wichtiger Faktor ist die Pumpendrehzahl.

Bei unveränderter Bauform ergeben sich
Hohe Drehzahl >	Hohe Haltedruckhöhe
Niedrige Drehzahl >	Niedrige Haltedruckhöhe
hohe Temperatur >	Hohe Haltedruckhöhe

Um Unsicherheiten bei der Auslegung des Betriebspunktes zu berücksichtigen, sind diese Werte mit einem Sicherheitszuschlag von 0,5 m bei der Auswahl der Pumpe einzurechnen.
Für die Haltedruckhöhe HH darf bei der Haltedruckhöhe HH eine Mindestkavitation eingerechnet werden:

Die Förderhöhe der Pumpe im Nennpunkt um 3 % reduziert

Keine die Funktion und Lebensdauer beeinträchtigende Werkstoffzerstörungen auftreten lässt.

Bei der zulässigen Kavitation können immer noch Kavitationsgeräusche auftreten, die aber zum Teil als störend empfunden werden. Je höher die Temperatur, desto gößer die Gefahr der Kavitation.

Durch einem Zuschlag von ca. 1 bis 5 m auf die errechnete Mindestzulaufhöhe, kann die Restkavitation beseitigt werden. Dieser Zuschlag ist abhängig von der Drehzahl und vom Betriebspunkt der Pumpe.

Der NPSH-Wert gibt die (Netto)energiehöhe im Eintrittsquerschnitt der Pumpe an. Also die absoluten Energiehöhe abzüglich der Verdampfungsdruckhöhe. Dabei ist die Verdampfungsdruckhöhe mit dem Verdampfungsdruck zu berechnen, der zu der im Eintrittsquerschnitt der Pumpe vorhandenen Temperatur gehört.

Der vorhandenem NPSH-Wert (NPSH-Wert der Anlage) ergibt sich aus dem vorhandenen Förderstrom und der geförderten Flüssigkeit in einer Anlage. Die erforderliche NPSH ist der kleinste Wert, bei dem eine bestimmtes Kavitationverhalten eingehalten wird und es nicht zu Kavitationsabrieb, Dampfblasenausbreitungen, Schwingungen, Geräuschen und zum Abfall der Förderhöhen kommt.

pe Druck im Eintrittsquerschnitt der Anlage

pb Luftdruck

pD Dampfdruck des Fördermediums vor dem Eintrittsquerschnitt der Pumpe

r Dichte des Fördermediums vor dem Eintrittsquerschnitt der Pumpe

g Örtliche Fallbeschleunigung

ze geodätische Höhendifferenz zwischen Eintrittsquerschnitt der Anlage und Bezugsniveau; das negative Vorzeichen gilt, wenn das Bezugniveau oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt

Hv Verlusthöhe, resultierend aus den Druckverlust der saugseitigen Anlage

Berechnen des NPSH-Wertes - Anton Schweizer

Ein Druck ist der gemessene statische Druck von Gasen und Flüssigkeiten in Rohrleitungen oder Druckbehältern gegenüber der Atmosphäre (Pa, mbar, bar).

Ruhedruck > Statischer Druck, wenn kein Medium fliesst.
Ruhedruck = Füllhöhe über den jeweiligen Messpunkt + Vordruck im Membran-ausdehnungsgefäss.

Fliessdruck > Dynamischer Druck wenn ein Medium fliesst.
Fliessdruck = dynamischer Druck - Druckverlust.

Differenzdruck > Erzeugter Druck durch die Kreiselpumpe zur Überwindung der Summe aller Widerstände in einer Anlage. Gemessen zwischen Saug- und Druckseite der Kreiselpumpe. Durch die Abnahme des Pumpendrucks aufgrund der Verluste entlang der Rohrleitungen, der Armaturen des Kessels und der Verbraucher, herrscht an jeder Anlagenstelle ein anderer Betriebsdruck.

Betriebsdruck > Druck, der beim Betrieb einer Anlage oder einzelner Teilabschnitte herrscht bzw. entstehen kann.

Zulässiger Betriebsdruck > Aus Gründen der Sicherheit festgelegter Höchstwert des Betriebsdruckes.

Pumpendruck > Druck, der an der Druckseite der Kreiselpumpe bei Betrieb erzeugt wird. Dieser Wert kann anlagenbedingt vom Differenzdruck abweichen.

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