Entwicklung einer Einrichtung zur Vermeidung von unzulässigen Druckstößen in Rohrleitungen

In dieser Arbeit wird eine neue Einrichtung (PCD) zur Vermeidung unzulässiger Druckstöße beim schnellen Absperren von Rohrleitungen für Flüssigkeiten entwickelt und unter Einsatz moderner technisch erprobter Messmethoden an einer eigens hierfür errichteten größeren Versuchsanlage experimentell untersucht. Im theoretischen Teil der Arbeit werden Simulationen zum schnellen Absperren von Flüssigkeit führenden Transportleitungen mit und ohne PCD durchgeführt, bei denen die wesentlichen betrieblichen Einflüsse behandelt werden. Weiterhin wird ein eigenes Berechnungsprogramm zur Dämpfung von Druckstößen mit dem PCD entwickelt. Die neu entwickelte Einrichtung zeichnet sich gegenüber bereits bekannten konstruktiven Maßnahmen u.a. dadurch aus, dass hierbei eine "Verunreinigung" des Mediums mit Gasen, wie bei Wasserschlössern und Windkesseln, unterbleibt. Das PCD ist zudem aufgrund der kompakten Bauform leicht in bestehende Anlagen implementierbar; Auffang- und Abscheidesysteme, wie sie bei Sicherheitsventilen und Berstscheiben erforderlich sind, entfallen. Die geschlossene Regelkreisstruktur macht es meist der neuen Einrichtung möglich, auch bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten eine gute Dämpfung zu erzielen. Hierin besteht eine wesentliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen programmierbaren Stellungspositionier-Einrichtungen.

In this thesis a new device (PCD) for prevention of water hammer due to fast valve closure in liquid filled pipe systems is developed. Investigations on the influence of the steady state initial velocity and pressure of the medium in the pipe, the valve closing time and check valves on water and cavitational hammer as well as investigations concerning the performance and the operational reliability of a PCD are made by the use of modern measurement technology. The theoretical part of this thesis contains simulations, which are concerned with the fast valve closure in liquids carrying pipelines with and without a PCD, taking fundamental operating conditions into account. Furthermore, a new code for the computing of water hammer damping with a PCD is developed, which uses the implicit Euler-Method for numerical solution. The new code is embedded as a dynamic boundary condition "shut-off valve" into thesimulation procedure. It is shown that the pressuretime course during the fast closure of single, liquid filled pipe systems is estimated well with the help of a PCD. Therefore, the new model is suitable for the design of a PCD in order to prevent unacceptable water hammer in piping systems. Several operating conditions can be analysed and compared cost-efficiently. Because of that particularly suitable operating conditions can be determined with the help of the new model. The new device distinguishes from common methods for prevention of water hammer, like surge tanks and air chambers, by omitting direct contact of the medium with gases (i.e. air). In contrast to air chambers and bladder accumulators, the PCD is not liable to the German "Druckbehälterverordnung" Due to its compact design it can be easily implemented in already existing plants. Collector and separator systems, required when using safety valves and rupture discs, are not necessary. A significant improvementtowards common positioner devices lies in its closed control loop. As a consequence, good damping can be achieved even at different steady state initial velocities of the medium.