„Wenn Sie Probleme haben, irgendwas kaputt zu kriegen, versuchen Sie es mal mit Dampf“
Forschungsvorlesung zum Thema „Wenn es knallt und scheppert – Druckstöße und Dampfschläge im Anlagenbau“
Unter einem Druckstoß versteht man die Umwandlung kinetischer Energie in alle möglichen anderen Energieformen. „Das kann sich noch jeder vorstellen“, erklärt Prof. Dr. Olaf Bleibaum, Fakultät Maschinenbau/Umwelttechnik, bei der ersten Forschungsvorlesung im Wintersemester 2017/18. „Wenn Sie mit dem Auto unsanft gegen einen Baum fahren, dann erleben Sie einen Druckstoß.“ Ein solcher Stoß entsteht jedoch auch, wenn sich z.B. die Strömungsgeschwindigkeit in einer Rohrleitung abrupt ändert.
Doch was dann knallt und scheppert, sind nicht immer nur Druckstöße, wie im Laufe des Vortrags anhand mehrerer beeindruckender Videos zu sehen (und zu hören) war. Nicht umsonst wies bereits der Titel des Vortrags auch auf Dampf- oder Kavitationsschläge hin. Durch die Bewegung des Fluids in der Rohrleitung nach dem Druckstoß entsteht ein Unterdruck, der wiederum dazu führt, dass sich Dampfblasen bilden. Wenn das Fluid nun zurück fließt, kollabieren diese Dampfblasen abrupt und die Flüssigkeit schlägt mit voller Wucht gegen die entsprechenden Anlagenteile. Durch die Plötzlichkeit ist ein solcher Kavitationsschlag oft sehr viel heftiger als ein Druckstoß. „Viele Leute haben bei Rohrleitungen Angst vor Überdruck und legen ihre Anlagen entsprechend aus. Aber an den Unterdruck denken sie nicht. Deshalb fallen die Rohrleitungen dann einfach in sich zusammen“, berichtet Prof. Dr. Bleibaum.
Ein solcher Unterdruck kann aufgrund des statischen Drucks z.B. besonders leicht in Hochpunkten einer Anlage entstehen. Das Problem ist, dass sich solche Hochpunkte kaum vermeiden lassen. Deshalb ist es hier besonders wichtig, die Anlage entsprechend zu sichern. „Sie haben dann ja nicht nur so einen kleinen Stoß in einer Leitung, Sie haben vor allem richtig viele Nebenwirkungen und die damit verbundenen Kosten“, gibt Prof. Dr. Bleibaum zu bedenken. Von Materialermüdung über Brüche oder Haarrisse in Schweißnähten, die Zerstörung von Mess- oder Absperreinrichtungen bis hin zum Anlagenstillstand und damit Produktionsausfall können Druckstöße und Dampfschläge alles bewirken. Selbst Umweltverschmutzungen durch auslaufendes Öl o.Ä. sind nicht auszuschließen.
„Wenn Sie Probleme haben, irgendwas kaputt zu kriegen, versuchen Sie es mal mit Dampf“, rät Prof. Dr. Olaf Bleibaum mit einem Augenzwinkern.
Doch wie kann es überhaupt zu solchen Druckstößen kommen?
Die Ursachen sind vielfältig, weiß Prof. Dr. Bleibaum zu berichten. Zum einen sind da natürlich Fehler oder Probleme im Betrieb der Anlage zu nennen: Pumpenausfälle, defekte Schutzeinrichtungen, Rohrbrüche oder die schlagartige Öffnung von Ventilen. Doch auch die Inbetriebnahme oder Stilllegung einer Anlage oder die Erhöhung der Analgenkapazität kann zu solchen Problemen führen. „Im Studium rechnen Sie in der Regel mit dem stationären Zustand. Aber sind wir mal ehrlich: der ist nicht der spannendste. So eine Anlage muss ja auch irgendwann angeschaltet werden. Und das ist es, was sich meistens keiner traut, weil man nie sicher sein kann, was passiert.“ Die wahrscheinlich häufigste Ursache sind nach Einschätzung von Prof. Dr. Bleibaum jedoch Irrtümer in der Anlagenauslegung. Gerade deshalb ist es so wichtig, fähige Ingenieure für die Anlagenauslegung zu haben. Dabei müssen alle möglichen Szenarien berechnet werden, angefangen beim Anfahren der Anlage über Ausfälle diverser Anlagenteile bis hin zur Stilllegung. Für die Ursachenforschung genau wie für die Anlagenauslegung selbst sind aufgrund der Komplexität dynamische Prozesssimulationen und damit entsprechende Codes zur Berechnung unerlässlich. Hier liegt bisher noch ein großes Problem: viele, wenn nicht gar alle kommerziellen Codes geben oftmals die Fluidkräfte nicht korrekt wider und stellen somit im Grunde schon ein Sicherheitsrisiko dar. Gerade für Mehrphasengemische, wie man sie z.B. in Ölpipelines hat, existieren noch überhaupt keine Codes. Deshalb arbeitet Prof. Dr. Bleibaum an der OTH Amberg-Weiden unter anderem an der Entwicklung eines Industrie-Codes für Blasenströmung. „Ich suche immer Studierende mit einem Interesse für das Zusammenspiel aus Strömungsmechanik, Programmierung und Mathematik“, berichtet Prof. Dr. Bleibaum. Wer sich also für eine Abschlussarbeit in diesem Bereich interessiert, ist bei ihm sicher gut aufgehoben.