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O+P Fluidtechnik 6/2017

O+P Fluidtechnik 6/2017

VERBINDUNGSELEMENTE 12

VERBINDUNGSELEMENTE 12 Parametervorgabe und Datenexport für die automatisierte Simulation 13 Übersicht der Parametervariationen FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 14 Maximaler Druckgradient in Abhängigkeit von Leitungslänge und Strömungsgeschwindigkeit 46 O+P Fluidtechnik 6/2017

VERBINDUNGSELEMENTE Druckschlag bei ca. 0,343 s. Ab diesem Zeitpunkt ist jetzt der Effekt der „zurückfedernden“ Fluidsäule erkennbar. Es entsteht ein Bereich, in dem der Druck bis auf das Dampfdruckniveau abfällt und kavitationsähnliche Zustände herrschen. Hier entsteht das Luft- Fluid-Gemisch, das letztlich durch den nachfolgenden Druckschlag gezündet wird. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass es möglich ist, numerisch die kritischen Druckgradienten zu bestimmen, die während des Abbremsens einer Fluidsäule in der Tankleitung zum Diesel-Effekt führen. Unter welchen Randbedingungen es zu Druckschlägen mit Diesel-Effekten kommt, hängt jedoch von den individuellen Randbedingungen der jeweiligen Anlage ab. Hier zeigen sich jetzt die Vorteile der numerischen Simulation, denn durch eine Parametervariation kann automatisiert ein breites Spektrum möglicher Anlagenkonfigurationen berechnet werden. Basis der automatisierten Simulation bildet das schon bekannte Simulationsmodell aus Bild 07, das um Elemente zur Parametervorgabe und um einen automatischen Datenexport (Bild 12) erweitert wird. Während der automatisierten Simulation wird das in Bild 13 dargestellte Parameterfeld berechnet. Jede der 13 200 Simulationen ergänzt die Ergebnisdatei um eine Datenzeile, sodass abschließend alle Informationen gesammelt vorliegen. Bild 14 zeigt exemplarisch die Datenmenge 1 für eine Ventilschließzeit von 10 ms und einer Brems-Differenzdruck von 1,0 bar. Es sind die Zellen rot eingefärbt, bei denen der Druckgradient den kritischen Wert von 100 000 bar/s überschreitet und somit die Gefahr eines Diesel-Effektes besteht. Der Rand der roten Fläche repräsentiert eine Art „Grenzkurve“ für den Diesel-Effekt-freien Betrieb der Tankleitung. Aus dem Beispiel in Bild 14 wird deutlich, dass bei einer sehr kurzen Ventilschließzeit bereits für eine Tankleitung ab 3 m Länge die Gefahr von Diesel-Effekten vorliegt, auch wenn die Strömungsgeschwindigkeit noch unterhalb des sehr oft in der Literatur genannten Richtwertes von 2,0 m/s liegt. Es wird ferner auch deutlich, dass es ab einer bestimmten Leitungslänge tatsächlich so etwas wie eine Grenze für die maximal zulässige Strömungsgeschwindigkeit gibt. Allerdings ist die maximal zulässige Strömungsgeschwindigkeit nicht konstant, sondern variiert mit dem Brems-Differenzdruck, der Ventilschließzeit, der Viskosität des Fluids und dem Leitungsdurchmesser. NOMOGRAMME ZUR ZULÄSSIGEN DYNAMIK IN TANKLEITUNGEN 15 Nomogramm für HLP 46, 40 °C, 100 000 bar/s kritischer Druckgradient und Umgebungsdruck Für die praktische Arbeit ist die Darstellung der kritischen Druckgradienten anhand einzelner Diagramme viel zu unhandlich, denn für jede relevante Ventilschließzeit-Brems-Differenzdruck-Kombination müsste es ein eigenes Diagramm geben. Für das Parameterfeld aus Bild 13 wären das 60 Diagramme. Da im Prinzip jedoch nur die Grenzkurve interessant ist, ab der der kritische Druckgradient überschritten wird, können die Ergebnisdaten weiter zusammengefasst werden. Für eine konstante Brems-Druckdifferenz wird aus den 15 Grenzkurven einer Ventilschließzeitvariation das in Bild 15 dargestellten Nomogramm zusammengefügt, das die relevante Information von 3300 Druckschlagsimulationen zusammenfasst. Der einzige freie Parameter ist jetzt noch die Brems-Druckdifferenz der Anlage. Aus den vier Einzelnomogrammen der Brems- Druckdifferenzvariation wird das in Bild 16 dargestellt Übersichtsnomogramm erstellt. Das Übersichtsnomogramm verdeutlicht, dass die Grenzkurve des kritischen Druckgradienten durch längere Ventilschließzeiten und/oder durch eine Erhöhung der Brems-Druckdifferenz zu höheren Strömungsgeschwindigkeiten hin verschoben werden kann. Die Erhöhung der Brems-Druckdifferenz hilft allerdings nur bedingt bei sehr kurzen Ventilschließzeiten und Tankleitungen, die länger als 4 m sind. Der hyperbolische Verlauf der Übersichtsnomogramme deuten an, dass es für das Druckschlagverhalten auch noch einen Zusammenhang zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der Tankleitungslänge geben muss. Im Fall der DN-100-Tankleitung ist die kritische Reynolds-Zahl, ab der die Strömung turbulent wird, bereits bei einer Strömungsgeschwindigkeit von knapp über 1 m/s erreicht. Ist eine Strömung turbulent, dann ist der Druckverlust viel größer als bei einer laminaren Strömung. Der Druck am Leitungsanfang ist somit auch größer als der Bremsdruck am tankseitigen Leitungsende. Im strömenden Fluid gibt es also eine treibende Druckdifferenz innerhalb der Leitung, die wiederum als vorgespannte „hydraulische Feder“ interpretiert werden kann. Die „hydraulische Feder“ ist umso stärker vorgespannt, je länger die Tankleitung ist. Schließt das Ventil, dann entspannt sich während des Bremsvorgangs die „hydraulische Feder“, wodurch der Bremsvorgang selbst verlängert wird. Das Ergebnis ist eine längere Beschleunigungstrecke für die zurückströmende Fluidsäule, wodurch der Druckschlag und konsequenterweise auch der Druckgradient größer werden. Schließt das Ventil langsamer, dann reduziert sich hierdurch zwar nicht der Bremsweg – er vergrößert sich sogar etwas, da der Druck in der kavitationsähnlichen Zone durch das nachströmende Fluid nicht so lange auf Dampfdruckniveau abfällt und dadurch die Brems-Druckdifferenz kleiner ist – die kavitationsähnliche Zone ist jedoch nicht mehr so groß. Hierdurch wird die Beschleunigungsstrecke für die rückströmende Fluidsäule kürzer und es kommt früher zum Aufbau eines Bremsdruckes, wodurch die Amplitude des Druckschlags sinkt. Damit dennoch genügend kinetische Energie für einen Druckschlag zur Verfügung steht, dessen Druckgradient die kritische Marke von 100 000 bar/s übersteigt, bedarf es einer initial höheren Strömungsgeschwindigkeit. Die Grenzkurve des kri- O+P Fluidtechnik 6/2017 47

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