Sicherlich ist der laute, hammerähnliche Schlag bekannt, der auftritt, wenn Wasserventile schnell geöffnet und geschlossen werden. Dabei handelt es sich um Wasserschläge in einem Wasserleitungssystem. In größeren Anlagen kann dieser Effekt beispielsweise beim Anfahren oder Stoppen von Pumpen sowie beim plötzlichen Schließen von Entlüftern auftreten.

Wasserschlag kann jedoch auch in Dampf- und Kondensatleitungen entstehen. Die vorliegende Serie von Artikeln beschäftigt sich mit dieser Art von Wasserschlägen. Wenn kondensierender Dampf beteiligt ist, spricht man manchmal auch von Dampfschlägen oder besser Kondensationsschlägen.

Beim Anfahren von Dampfleitungen oder Dampfanlagen entstehen oft metallisch klingende Klopfgeräusche oder sogar heftige Schläge, gefolgt von einer Vibration der Dampfleitung. Diese Geräusche sind den meisten Betreibern einer Dampfanlage vermutlich bekannt.

Kennen Sie das Geräusch von Wasserschlägen?

Beim Auftreten von Wasserschlägen werden für eine sehr kurze Zeitspanne Drücke von über 100 bar ü in der Dampfleitung erreicht.

Dieser Druckstoß kann zu ernsthaften Erschütterungen in Rohrleitungen, Anlagen oder Maschinengehäusen führen. Mögliche Schäden können nicht nur schadhafte Dichtungen sein, sondern auch das Bersten von Ventilgehäusen.

Beispiele für durch Wasserschlag beschädigte Armaturen und Rohrleitungen

Bei solchen Schäden strömen heiße Medien wie Dampf und Kondensat in großen Mengen aus. Sie können zu ernsthaften Verletzungen führen. Leider sind auch Todesfälle als Konsequenz von Wasserschlägen bekannt. Trotz dieser Unfälle gibt es kaum Forschungsergebnisse oder Literatur, die sich mit den Ursachen und der Vermeidung von Wasserschlägen auseinandersetzen. Viele Betreiber von Dampfanlagen sind daher bei Wasserschlägen oft ratlos.

Stellen, an denen Wasserschläge auftreten

Wasserschläge in Dampf- und Kondensatsystemen lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen.

• Aufschlag beschleunigter Kondensatpfropfen auf die Rohrwandung etc.
• Kondensationsschläge aufgrund plötzlicher Implosion von Dampfblasen

Aufschlag beschleunigter Kondensatpfropfen

Durch Wärmeabstrahlung kondensieren Teile des Sattdampfes, und es bildet sich Kondensat in der Dampfleitung. Bei nicht ausreichender Entwässerung werden Tropfen des angestauten Kondensats durch den mit hoher Geschwindigkeit strömenden Dampf mitgerissen. Es bilden sich Kondensatwellen, die sich immer höher aufbauen und schließlich den Leitungsquerschnitt ausfüllen. Dies geschieht ähnlich wie bei hohem Wellengang, der durch Wind entsteht. Nachströmender Dampf schießt den so gebildeten Kondensatpfropfen dann mit hoher Geschwindigkeit vor sich her.

An der nächsten Querschnittsveränderung in der Dampfleitung – etwa einem Ventil oder Krümmer – schlägt der Kondensatpfropfen mit hoher Geschwindigkeit auf die Rohrwandung auf. Dieser Vorgang wird als Wasserschlag bezeichnet.

Kondensationsschläge aufgrund plötzlicher Implosion von Dampfblasen

Bei der Wärmeabgabe kondensiert Dampf und wird wieder zu Wasser, das ein um den Faktor 1000 geringeres Volumen besitzt. Trifft heißer Dampf auf kühles Kondensat, findet die Kondensation plötzlich statt, einhergehend mit einer schlagartigen Volumenreduktion, die auch als Implosion bezeichnet wird.

Während dieser plötzlichen Kondensation stellt sich im nun freigewordenen Raum, den zuvor noch der Dampf ausfüllte, ein Vakuum ein. Dieses Vakuum saugt das umgebende Kondensat schlagartig an. Der Zusammenprall des augenblicklich einströmenden Kondensats verursacht die zweite Form des Wasserschlags.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Mischung aus heißem Dampf und kühlem Kondensat gefährlich ist. Dies ist jedoch oft die Regel in vielen Kondensatleitungen, weshalb sich diese Art des Wasserschlags nicht immer vermeiden lässt.

Er tritt nicht nur in Kondensatleitungen, sondern auch in Dampfleitungen und -verbrauchern auf.

Schwerwiegende Folgen sind bei beiden Arten des Wasserschlags möglich, jedoch treten diese bei Kondensationsschlägen häufiger auf.

Lange war man der Meinung, dass mit sinkender Kondensattemperatur die Gefahr von Wasserschlägen zunimmt. Untersuchungen von TLV haben jedoch ergeben, dass die Heftigkeit eines Wasserschlags am größten ist, wenn sich die Temperatur des Kondensats nur wenig unter der Sattdampftemperatur befindet.

Bei einer Dampftemperatur von 100 °C bilden sich mehr und stärkere Wasserschläge bei einer Kondensattemperatur von 70–80 °C als bei 50–60 °C.

Der Einfluss von Wasserschlägen lässt sich sogar mathematisch berechnen. Die Ergebnisse zeigen einen starken Zusammenhang zwischen der Stärke eines Wasserschlags und dem Volumen der Dampfblase vor der Kondensation.

Wie in der Zeichnung dargestellt, lassen sich drei Zonen der Wasserschlaggefahr in Abhängigkeit von der Kondensattemperatur erkennen.

• In der Zeichnung links ist Folgendes zu sehen: Dampf kondensiert beim Auftreffen auf kaltes Kondensat zwar plötzlich, jedoch in Form vieler kleiner Blasen. Aus diesen können sich keine großen Dampfblasen und damit keine starken Wasserschläge bilden.
• In der Mitte der Zeichnung ist der Zustand dargestellt, der die stärksten Wasserschläge verursacht. Durch den vergleichsweise geringen Temperaturunterschied von 20–30 °C findet keine plötzliche Kondensation statt, die Temperatur ist jedoch tief genug, sodass der Kondensationsprozess beginnt. Dieser angestoßene Prozess führt ebenfalls zu einem Kondensationsschlag, jedoch erst nach einer gewissen Abkühlung und daher mit einer zeitlichen Verzögerung. Diese zeitliche Verzögerung erlaubt die Bildung größerer Dampfblasen, die durch ihre volumenmäßig größere Implosion stärkere Dampfschläge verursachen.
• In der Zeichnung rechts ist zu sehen, dass bei gleicher Temperatur von Dampf und Kondensat keine plötzliche Kondensation und somit kein Wasserschlag auftritt. Diese Erkenntnis wird durch das Ausbleiben von Wasserschlägen am Auslass eines Kondensatableiters bestätigt, bei dem Entspannungsdampf und Kondensat die gleiche Temperatur haben.

So bilden sich bei einer Kondensattemperatur von 70–80 °C etwa größere Dampfblasen, die heftige Kondensationsschläge verursachen. Doch was löst diesen Vorgang aus? Die Antwort gibt der nächste Artikel: Wasserschlag - Ursache und Ort des Auftretens.