Wie und warum Kavitation in Rohrleitungssystemen verhindert werden kann

Kavitation ist ein heißes Thema für Ingenieure, Wartungsfachleute und alle, die mit Pumpsystemen arbeiten – und das aus gutem Grund. Dieser Zustand hat komplizierte und schwer zu identifizierende Ursachen und seine Auswirkungen können verheerende Auswirkungen auf die Ausrüstung, die Systemintegrität und den Gesamtbetrieb haben.

Bei Systemen, die mit Kreiselpumpen betrieben werden, ist die Verhinderung von Kavitation eine Teamleistung. Es beginnt mit dem Systemdesign und den Berechnungen rund um die Netto-Positiv-Saughöhe (NPSH), bevor das System überhaupt gebaut wird. Pumpenauswahl, Flüssigkeitstemperatur und Einbeziehung von Schutzkomponenten sind Faktoren, die ein System vor Kavitation schützen können.

Aus der Sicht eines externen Beobachters lässt sich Kavitation oft schon durch bloßes Abhören eines Systems erkennen. Es kann fast so klingen, als ob die Flüssigkeit in einem System kocht. Das schnelle, sich wiederholende Geräusch platzender Blasen ist ein sicheres Zeichen dafür, dass mit Ihrem Rohrleitungssystem etwas nicht stimmt. Einige Zuhörer haben beschrieben, dass Kavitation im System wie Kaffeebohnen oder Kies klingt.

Aber was passiert eigentlich im System, das dieses Geräusch verursacht? Unter Kavitation versteht man die schnelle Bildung und Implosion von Dampftaschen innerhalb einer gepumpten Flüssigkeit. Die Implosionen erzeugen Stoßwellen, die sich durch die Flüssigkeit ausbreiten und die Ausrüstung beschädigen.

Der Kavitationsprozess kann empfindliche und hochtechnische Komponenten von Rohrleitungssystemen zerstören. Pumpenlaufräder, Gehäuse, Rohrleitungen und andere Geräte können Lochfraß, Erosion oder andere Schäden aufweisen, die die ordnungsgemäße Funktion dieser Komponenten beeinträchtigen. Diese Schäden können auch die Lebensdauer einzelner Systemkomponenten und des Gesamtsystems verkürzen.

Kavitation ist in einigen Systemen viel wahrscheinlicher als in anderen. Bei Systemen, die Flüssigkeiten anstelle von Schlämmen pumpen, besteht ein höheres Kavitationsrisiko. Dünnere Systemflüssigkeiten wie Wasser erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit, dass Systeme einer Kavitation ausgesetzt sind. Bei Anwendungen mit Flüssigkeiten, die bei höheren Temperaturen gepumpt werden, müssen außerdem mehr Maßnahmen zur Vermeidung von Kavitation ergriffen werden.

Um Kavitation zu verstehen, beginnt man am einfachsten mit einem der grundlegendsten Kochkonzepte: kochendes Wasser. Wenn wir in der Küche Wasser kochen, dreht sich alles um Hitze. Zum Kochen muss Wasser auf 100 °C erhitzt werden.

Aber das Erhitzen auf genau diese Temperatur ist nicht die einzige Möglichkeit, die schnelle Verdampfung zu bewirken, die wir Sieden nennen. Während 212 F der üblicherweise beim Kochen verwendete Siedepunkt ist, ist ein Siedepunkt wissenschaftlich gesehen die Temperatur, bei der der Dampfdruck einer Flüssigkeit gleich dem Druck ist, der die Flüssigkeit umgibt.

Unabhängig davon, ob ein Hobbykoch oder ein Profikoch am Herd steht, ist es unwahrscheinlich, dass der Dampfdruck einer Flüssigkeit in einer Küchenumgebung manipuliert wird. Aus diesem Grund wird die Metrik 212 F relativ allgemein verwendet (obwohl Küchen in sehr großen Höhen von wechselnden Wasserdrücken betroffen sind und möglicherweise unterschiedliche Siedepunkte haben).

In industriellen Systemen ändert sich der Flüssigkeitsdruck im Laufe der Phasen des Pumpprozesses. Am häufigsten erfährt die Flüssigkeit im Inneren der Pumpe große Druckänderungen. Wenn Flüssigkeit angesaugt wird, wird sie schnell unter Druck gesetzt und erfährt dann einen starken Druckabfall, wenn sie das Laufrad verlässt und zum Pumpenauslass gelangt. Dieser sich schnell ändernde Druck kann den Siedepunkt der Flüssigkeit beeinflussen und eine ideale Umgebung für das Auftreten von Kavitation schaffen.

Eine wichtige Nuance der Kavitation ist die Tatsache, dass die Dampftaschen während des Prozesses tatsächlich implodieren. Diese Implosionen senden starke Stoßwellen durch die gepumpte Flüssigkeit aus, die zu Schäden an Systemkomponenten führen können. Diese Stoßwellen können Erosion oder Kraterbildung in Pumpenlaufrädern oder Pumpengehäusen, aber auch in Rohrleitungen oder anderen Teilen des Systems verursachen.

Während der Auslassbereich einer Pumpe der häufigste Ort ist, an dem Kavitation auftritt, ist sie technisch in jedem Teil eines Systems mit einem großen Druckabfall möglich. Da es in Systemen häufig viele Bereiche mit sehr schneller Flüssigkeitsbewegung gibt, kann Kavitation in mehreren Teilen des Systems ein Problem darstellen.

Natürlich möchten Anlagenbetreiber die Investitionen, die sie in ihre Anlagen getätigt haben, schützen. Pumpen und andere hochentwickelte oder maßgeschneiderte Komponenten unterliegen strengen Wartungs- und Reparaturplänen, um ihre optimale Leistung zu gewährleisten. Das Letzte, was Betreiber wollen, ist, dass das System in einem Zustand läuft, der die Ausrüstung aktiv beschädigt.

Kavitation kann zu Lochfraß oder Materialabtrag in Pumpenlaufrädern oder -gehäusen führen. Die Veränderung der Bauteiloberfläche führt zu einer suboptimalen Leistung des gesamten Systems. Das Laufrad oder Gehäuse muss viel schneller ausgetauscht werden, als es der Zeitplan vorsieht.

Eine weitere Gefahr dieser Art von Schäden besteht darin, dass durch den Materialabtrag vom Pumpenbauteil Material in die Förderflüssigkeit gelangen kann. Je nach System kann es schädlich für das Produkt sein, wenn sich in der Flüssigkeit auch nur geringe Mengen des Pumpenbaumaterials befinden.

Die Verhinderung von Kavitation beginnt bereits in der Planungsphase einer Anlage. Mithilfe von NPSH-Berechnungen kann sichergestellt werden, dass in einem System niemals Kavitation auftritt. Für alle Pumpen ist eine festgelegte erforderliche NPSH-Menge (NPSHr) erforderlich, daher muss im System immer ein verfügbares NPSH-Niveau (NPSHa) vorhanden sein, das die NPSHr übersteigt. Pumpenhersteller stellen den NPSHr für jede Pumpe bereit, sodass Systementwickler ihn bei der Geräteauswahl berücksichtigen können.

Systeme können auch unter Berücksichtigung der Temperaturregelung konzipiert werden. Je kühler eine Flüssigkeit ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie ihren Siedepunkt erreicht – selbst wenn dieser Siedepunkt durch Druckänderungen gesenkt wird. Das Pumpen kühlerer Flüssigkeiten kann dazu beitragen, Kavitationsprobleme in einem System zu verhindern.

Stil RC-231

Bestimmte Gerätetypen können einem System auch dabei helfen, Kavitation und andere unerwünschte Zustände zu vermeiden. Selbst die sorgfältigsten Systeme können im realen Betrieb auf unerwartete Probleme stoßen. Wenn die Dinge nicht wie geplant verlaufen, benötigen Wartungsfachleute und Ingenieure Optionen, um einige der großen Schäden zu vermeiden, die durch Kavitation verursacht werden können.

Kompensatoren bieten Systembetreibern die Möglichkeit, reale Probleme zu berücksichtigen, die in Rohrleitungssystemen häufig auftreten. Proco Products bietet Gummikompensatoren der Typen RC-231 und RE-231 als Lösung für Anlagenbetreiber an. Diese Kompensatoren sind in verschiedenen Konfigurationen und Materialien erhältlich, um den Anforderungen vieler verschiedener Systeme gerecht zu werden. Für chemische Anwendungen steht eine Vielzahl von Elastomeren zur Verfügung, die auch unter rauen Bedingungen reibungslos funktionieren.

Stil RE-231

Zu den Vorteilen von Kompensatoren gehören:

Der reibungslose Betrieb eines Systems hat für Ingenieure und Wartungsfachleute gleichermaßen Priorität, und Kompensatoren von Proco Products können dabei helfen, einen optimalen Betrieb zu fördern.

Bei den RC- und RE-Serien handelt es sich jeweils um einzelne Breitbogen-Gummikompensatoren. Die RC-Serie zeichnet sich durch konzentrische Designs aus, während die RE-Serie exzentrische Designs bietet. Beide Reduzierserien sind in verschiedenen Größen erhältlich, um den meisten Anwendungen gerecht zu werden. Wenden Sie sich an einen Fachmann von Proco Products, um den idealen Gummikompensator für Ihr System zu finden.