Wasserschlag - was ist das und welche Probleme verursacht er?

Der Wasserschlag ist ein Phänomen, das in Wasser-, Heizungs-, Kälte- und Industrieanlagen auftritt und durch eine plötzliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit entsteht. Er kann sich durch ein charakteristisches Klopfen in den Rohren, Vibrationen der Anlage sowie plötzliche Druckspitzen äußern. Aus diesem Grund wird der Wasserschlag auch als Wasserhammer bezeichnet.

Das Problem sollte, wenn es sich wiederholt, nicht auf die leichte Schulter genommen werden. Starke oder regelmäßig wiederkehrende Wasserschläge können Rohre, Ventile, Pumpen, Dichtungen, Verbindungen und andere Anlagenelemente belasten. Unter bestimmten Bedingungen können sie auch eine Gefahr für Plattenwärmetauscher darstellen.

Wir erklären, was genau ein Wasserschlag ist, welche die häufigsten Ursachen und Symptome sind, welche Schäden er verursachen kann und wie sich das Risiko seines Auftretens verringern lässt.

Was ist ein Wasserschlag oder Wasserhammer?

Der Wasserschlag, auch als Wasserhammer bezeichnet, ist eine plötzliche Druckänderung, die durch eine schnelle Änderung der Strömungsgeschwindigkeit der im Rohrleitungssystem befindlichen Flüssigkeit entsteht.

Das einfachste Beispiel für einen Wasserhammer kann etwa das abrupte Schließen eines der Ventile sein, die den Durchfluss im System regeln. Das strömende Wasser besitzt eine bestimmte Geschwindigkeit und Energie. Wird sein Fluss plötzlich gestoppt, entsteht eine Druckwelle, die sich durch die Anlage fortbewegt. Plötzliche Druckspitzen sind natürlich nicht erwünscht, sie sind der Langlebigkeit insbesondere mancher Heizungskomponenten nicht zuträglich.

Die Welle kann an Anlagenelementen wie Ventilen, Rohrbögen, Pumpen oder Wärmetauschern reflektiert werden. Infolgedessen kann der momentane Druck in manchen Anlagenteilen erheblich vom normalen Betriebsdruck abweichen.

Ein Wasserschlag bedeutet nicht immer ausschließlich einen Druckanstieg. Unter bestimmten Bedingungen können auch plötzliche Druckabfälle auftreten, insbesondere in manchen Bereichen des Systems. Aus technischer Sicht haben wir es also mit einem dynamischen Phänomen zu tun, und nicht einfach mit einem konstanten Druckanstieg in der Anlage.

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Wie entsteht ein Wasserschlag in der Anlage?

Zu einem Wasserschlag kommt es am häufigsten, wenn ein sich bewegender Flüssigkeitsstrom plötzlich gestoppt wird oder sich seine Geschwindigkeit schnell ändert. Eine der typischsten Situationen ist das schnelle Schließen eines Ventils. Wenn durch die Rohrleitung eine große Wassermenge fließt und das Ventil in sehr kurzer Zeit geschlossen wird, erzeugt die Energie der sich bewegenden Flüssigkeit eine Druckwelle.

Eine ähnliche Situation kann beim plötzlichen Stoppen der Umwälzpumpe auftreten - aber auch beim Anlaufen, besonders wenn die Pumpe im Verhältnis zum Bedarf deutlich überdimensioniert ist. Die Ursache kann sowohl das Wirken der Automatik als auch ein Ausfall oder eine Unterbrechung der Stromversorgung sein.

Die Intensität des Wasserschlags wird von vielen Faktoren beeinflusst, unter anderem von der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, der Länge der Leitungen, dem Rohrdurchmesser, den Eigenschaften des transportierten Mediums sowie der Geschwindigkeit des Ventilschließens.

In ausgedehnten Anlagen mit langen Rohrleitungsabschnitten können die Auswirkungen des plötzlichen Stoppens einer großen, sich bewegenden Flüssigkeitsmasse besonders spürbar sein.

Wasserhammer in Systemen mit Motoren oder Kompressoren und der Wärmetauscher

Ein Wasserhammer kann auch in Anlagen auftreten, die mit Motoren, Kompressoren und anderen Geräten zusammenarbeiten, deren Starten oder Stoppen eine plötzliche Änderung der Strömungsbedingungen verursacht. Besondere Bedeutung hat dies in Systemen, in denen sich ein Plattenwärmetauscher befindet - z.B. bei der Kühlung von Hydrauliköl. Der Betrieb eines Kompressors oder Motors hat einen charakteristischen Modus, der stets ein deutlich höheres Risiko für das Auftreten von Wasserschlägen bedeutet, im Vergleich zu klassischen Heizungsanlagen. Aus diesem Grund ist die Ausfallhäufigkeit von Wärmetauschern in solchen Systemen höher, und ein Teil der Hersteller gewährt keine Garantie auf Wärmetauscher, die mit einem Motor oder Kompressor zusammenarbeiten (darunter auch die Firma Nordic Tec).

Das Problem der Wasserschläge steht nicht oder nicht immer direkt mit der Überschreitung des Betriebsdrucks der Wärmetauscher in Zusammenhang. Gelötete Wärmetauscher sollten keinen plötzlichen Druckänderungen ausgesetzt werden, da dies für sie zerstörerisch ist.

Es lohnt sich, daran zu denken, dass der nominale Druck, der während des normalen Anlagenbetriebs auftritt, nicht das vollständige Bild zeigt. Im Moment des Auftretens eines Wasserhammers kann ein sehr kurzer Druckimpuls entstehen, den ein Standardmanometer nicht rechtzeitig erfassen kann. Aus Sicht des Wärmetauschers ist also nicht nur der konstante Betriebsdruck wichtig, sondern auch die dynamischen Änderungen, die beim Anlaufen, Stoppen oder beim Wechsel des Betriebsmodus der Geräte auftreten.

In Systemen mit Motoren, Pumpen oder Kompressoren lohnt es sich daher, für möglichst sanfte Durchflussänderungen zu sorgen. Eine geeignete Gerätesteuerung, eine richtig gewählte Automatik, Ventile sowie - wenn die Anlagenkonstruktion dies erfordert - Elemente zur Dämpfung von Wasserschlägen können das Risiko plötzlicher Druckspitzen verringern und so den Plattenwärmetauscher sowie die übrigen Anlagenelemente schützen.

Häufigste Ursachen eines Wasserschlags

Ein Wasserschlag kann viele Ursachen haben. Ein Teil davon ist mit einer fehlerhaften Anlagenplanung verbunden, während andere aus der Art der Gerätesteuerung resultieren.

Zu den häufigsten Ursachen eines Wasserschlags gehören:

• zu schnelles Schließen von Ventilen,

• abruptes Öffnen von Ventilen,

• plötzliches Stoppen der Umwälzpumpe,

• zu schnelles Anlaufen der Pumpe, besonders wenn die Pumpe überdimensioniert ist

• Notabschaltung der Pumpenstromversorgung, ebenso besonders bei Überdimensionierung

• zu hohe Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit,

• falsch gewählter Leitungsdurchmesser,

• schnelles Schalten von Magnetventilen,

• fehlerhafte Funktion von Rückschlagventilen,

• schlecht konzipierte Automatik,

• unsachgemäße Entlüftung der Anlage.

Besonders wichtig ist die Strömungsgeschwindigkeit. Ist der Rohrleitungsdurchmesser im Verhältnis zum erforderlichen Durchfluss zu klein, bewegt sich die Flüssigkeit mit höherer Geschwindigkeit. Ihr plötzliches Stoppen kann dann stärkere Druckänderungen hervorrufen.

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Mögliche Symptome von Wasserschlägen?

Das charakteristischste Symptom eines Wasserschlags ist ein lautes Klopfen, das aus der Anlage zu hören ist. Es tritt meist unmittelbar nach dem Schließen eines Ventils, dem Anlaufen oder Stoppen einer Pumpe oder dem Auslösen der Automatik auf.

Das Geräusch kann an einen Schlag mit einem Metallgegenstand gegen ein Rohr erinnern. Gerade deshalb wird das Phänomen auch als Wasserhammer bezeichnet.

Allerdings sind die Symptome nicht immer so eindeutig. Für das Auftreten von Wasserschlägen können auch folgende Anzeichen sprechen:

• Vibrationen der Leitungen,

• Verschiebung unsachgemäß befestigter Rohre,

• Ruckeln der Anlage,

• untypische Geräusche aus den Ventilen,

• Vibrationen der Pumpen,

• periodische Undichtigkeiten der Verbindungen,

• häufige Schäden an Dichtungen oder Armaturen.

Tritt das charakteristische Klopfen regelmäßig in einem bestimmten Moment des Anlagenbetriebs auf, lohnt es sich zu prüfen, welches Gerät zu diesem Zeitpunkt die Strömungsbedingungen ändert.

Wasserschlag und Plattenwärmetauscher

Ein Wasserschlag kann sich auch auf den Wärmetauscher auswirken. Dies betrifft unter anderem gelötete Plattenwärmetauscher, also BPHE (Brazed Plate Heat Exchanger), die weit verbreitet in Heizungs-, Kälte- und Prozessanlagen eingesetzt werden.

Der Plattenwärmetauscher verfügt über ein System von Kanälen, durch die die am Wärmeaustausch beteiligten Medien strömen. Das Gerät sollte stets innerhalb des für das jeweilige Modell zulässigen Druck- und Temperaturbereichs betrieben werden.

Das Problem besteht darin, dass sich der Druck während eines Wasserschlags in sehr kurzer Zeit ändern kann. Ein Standardmanometer, das den normalen Betriebsdruck der Anlage anzeigt, muss einen sehr kurzen Druckimpuls nicht erfassen.

Deshalb liefert die bloße Feststellung, dass die Anlage im Alltag z.B. bei einigen Bar arbeitet, keine vollständige Information über die dynamischen Belastungen, die auf den Wärmetauscher einwirken.

Regelmäßig wiederkehrende Druckspitzen können zusätzliche Belastungen des Wärmetauschers und seiner Anschlüsse verursachen. Bei der Planung einer mit einem Plattenwärmetauscher ausgestatteten Anlage lohnt es sich daher, nicht nur die nominalen Betriebsparameter zu berücksichtigen, sondern auch die Arbeitsweise von Pumpen, Ventilen und Automatik.

Kann ein Wasserschlag den Plattenwärmetauscher beschädigen?

Ist die entstehende Druckspitze entsprechend groß, kann sie eine Gefahr für den Plattenwärmetauscher darstellen. Das bedeutet jedoch nicht, dass jedes einzelne Klopfen in der Anlage zu seinem Ausfall führt.

Entscheidend sind vor allem der tatsächliche Wert des momentanen Drucks, die Konstruktion des Wärmetauschers, seine zulässigen Betriebsparameter, die Medientemperatur sowie die Häufigkeit des Auftretens von Wasserschlägen. Ebenso, ob der Wärmetauscher im Hinblick auf anspruchsvollere Systeme produziert wurde, in denen plötzliche Druckspitzen häufiger vorkommen. Kein Wärmetauscher ist dagegen vollständig resistent, aber z.B. Wärmetauscher für Kältemittel - die Medien in der Wärmepumpe verarbeiten - besitzen aufgrund ihrer spezifischen Rolle sicherlich eine höhere Widerstandsfähigkeit.

Besondere Aufmerksamkeit erfordern Anlagen, in denen sich ein sehr schnell schaltendes Ventil in der Nähe des Wärmetauschers befindet. Ein abruptes Abschneiden des Durchflusses kann die Entstehung einer Druckwelle verursachen, die auf das Gerät einwirkt.

Ein ähnliches Risiko besteht beim abrupten Anlaufen oder Stoppen von Pumpen.

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Wasserschlag in der Heizungsanlage

Ein Wasserschlag kann auch in der Zentralheizungsanlage auftreten. Im Heizkreis arbeiten Pumpen, Regelventile, Rückschlagventile, Thermostatköpfe, Stellantriebe sowie andere Elemente, die den Durchfluss des Heizmediums beeinflussen.

Erfolgt die Durchflussänderung zu abrupt, können in der Anlage ungünstige Druckänderungen entstehen.

Das Problem kann beispielsweise nach dem schnellen Schließen eines Zonenventils oder beim plötzlichen Stoppen der Umwälzpumpe auftreten.

Bei einer mit einem Plattenwärmetauscher ausgestatteten Heizungsanlage lohnt es sich, auf beide Seiten des Wärmetauschers zu achten. Jeder Kreislauf ist ein eigenständiges hydraulisches System und kann über eine eigene Pumpe, Ventile, Sicherungen und Automatik verfügen.

Die Folgen von Wasserschlägen sind nicht immer zerstörerisch, können aber sehr lästig sein - denn es kommt auch vor, dass sie die Produkte nicht beschädigen, sondern z.B. zu Undichtigkeiten an Gewindeverbindungen führen, aber auch an Komponenten von Pumpengruppen, hydraulischen Weichen oder Fußbodenheizungsverteilern. Gemeint sind kleine Ventile, Rotameter, Verschraubungen oder Entlüfter - all diese Elemente sind kleinen Undichtigkeiten ausgesetzt, die zwar vielleicht kein kritisches Problem darstellen, aber schlicht lästig sein können.

Wasserschlag in der Wasseranlage

Der Wasserhammer wird oft mit der Wasserversorgungsanlage in Verbindung gebracht. Das charakteristische Klopfen ist manchmal nach dem schnellen Schließen einer Armatur oder dem Auslösen eines Magnetventils zu hören.

Das Problem kann in Anlagen stärker ausgeprägt sein, in denen ein relativ hoher Druck sowie eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Wassers herrschen.

Schnell schaltende Ventile, wie sie z.B. in automatischen Geräten verwendet werden, können den Durchfluss deutlich abrupter stoppen als ein traditionelles, manuell geschlossenes Ventil.

Tritt das Phänomen regelmäßig auf, lohnt es sich, den Anlagendruck, die Leitungsdurchmesser, die Art der Rohrbefestigung sowie die Funktion der Armaturen zu überprüfen.

Wie lassen sich Wasserschläge verhindern?

Die Begrenzung von Wasserschlägen beruht vor allem auf einer Verringerung der Abruptheit von Durchflussänderungen. Wird die Flüssigkeit schrittweise beschleunigt und gestoppt, können die Druckänderungen deutlich sanfter ausfallen.

Je nach Art der Anlage lassen sich mehrere Lösungen anwenden.

Eine davon ist eine geeignete Pumpensteuerung. Der Einsatz eines Frequenzumrichters erlaubt es in vielen Anlagen, die Drehzahl sanft zu erhöhen und zu verringern, anstatt sofort zwischen voller Leistung und Stillstand zu wechseln.

Auch die Schließzeit der Ventile ist von Bedeutung. In Anlagen mit großen Durchflussmengen muss besonders auf Ventile und Magnetventile geachtet werden, die ein sehr schnelles Stoppen des Durchflusses verursachen.

Je nach Charakteristik des Systems kommen auch Geräte zum Einsatz, die einen Teil der bei der Durchflussänderung entstehenden Energie aufnehmen, z.B. entsprechend dimensionierte Membranausdehnungsgefäße, Hydraulikspeicher oder Wasserschlagdämpfer.

Sehr wichtig ist zudem die richtige Wahl der Leitungsdurchmesser und die Begrenzung einer übermäßigen Strömungsgeschwindigkeit.

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Wie lässt sich der Wärmetauscher vor Wasserschlag schützen?

Der Schutz des Plattenwärmetauschers vor Wasserschlag sollte sich nicht nur auf die Wahl eines Geräts mit hohem zulässigem Betriebsdruck beschränken.

Es sollte das gesamte System analysiert werden, in dem der Wärmetauscher arbeitet. Von Bedeutung sind unter anderem die Position der Pumpe, der Absperrventile, der Rückschlagventile, der Regelventile, des Membranausdehnungsgefäßes sowie der übrigen Sicherungen.

Wichtig ist auch die Art des Anlaufens und Stoppens der Pumpe sowie die Schaltgeschwindigkeit der automatischen Ventile.

Treten in der Anlage Wasserschläge auf, kann der Einsatz eines Wärmetauschers mit höherem zulässigem Druck die Sicherheitsmarge erhöhen, beseitigt aber nicht die Ursache des Phänomens selbst. Zunächst sollte die Quelle der abrupten Durchflussänderungen identifiziert und ihre Intensität begrenzt werden.

Außerdem müssen die mit dem Wärmetauscher verbundenen Leitungen richtig befestigt werden. Das Gewicht der Rohrleitung, ihre Vibrationen sowie Spannungen infolge einer fehlerhaften Montage dürfen nicht direkt auf die Anschlüsse des Wärmetauschers übertragen werden.

Tritt der Wasserhammer nur in Wasseranlagen auf?

Die Bezeichnung „Wasserhammer" könnte suggerieren, dass das Phänomen ausschließlich Wasseranlagen betrifft. In der Praxis können abrupte Durchflussänderungen und die damit verbundenen Druckwellen auch in Anlagen auftreten, die andere Flüssigkeiten transportieren.

Das Problem kann also in Heizungs-, Kälte-, Prozess- und Industrieanlagen auftreten.

Dies betrifft auch Systeme, in denen das Arbeitsmedium eine Mischung aus Wasser und Glykol ist. Die physikalischen Parameter des Mediums beeinflussen die hydraulische Charakteristik des Systems, weshalb die Anlage unter Berücksichtigung des tatsächlich eingesetzten Mediums sowie des Betriebstemperaturbereichs geplant werden sollte.

Wie lässt sich ein Wasserschlag beseitigen?

Es gibt keine einzige universelle Lösung, mit der sich jeder Wasserschlag beseitigen ließe. Zunächst muss seine Ursache ermittelt werden.

Tritt das Problem nach dem Stoppen der Pumpe auf, sollte die Art ihrer Steuerung analysiert werden. Entsteht der Wasserschlag beim Schließen eines bestimmten Ventils, sollte dessen Schaltgeschwindigkeit sowie die Durchflussparameter überprüft werden.

In der Praxis kann die Lösung des Problems eine Änderung der Pumpensteuerung, den Einsatz eines langsamer schaltenden Ventils, eine Änderung der Durchflussparameter, eine Korrektur des Leitungsdurchmessers oder den Einsatz eines geeigneten Dämpfungsgeräts umfassen.

In größeren und komplexeren Anlagen kann eine korrekte Diagnose die Durchführung dynamischer Druckmessungen erfordern.

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Wasserschlag – Zusammenfassung

Der Wasserschlag ist eine plötzliche Druckänderung, die aus einer schnellen Änderung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit resultiert. Ein charakteristisches Symptom ist ein lautes Klopfen in den Rohren, das Phänomen kann jedoch auch Vibrationen der Leitungen, Belastung der Armaturen sowie Probleme mit einzelnen Geräten verursachen.

Die häufigsten Ursachen eines Wasserschlags sind schnelles Schließen von Ventilen, plötzliches Stoppen von Pumpen sowie eine zu hohe Strömungsgeschwindigkeit.

Das Phänomen kann auch für Plattenwärmetauscher von Bedeutung sein. Eine kurzzeitige Druckspitze kann erheblich höher sein als der normale Betriebsdruck der Anlage, weshalb der Wärmetauscher nicht nur richtig ausgewählt, sondern auch in einem korrekt geplanten hydraulischen System montiert werden sollte.

Tritt in der Anlage regelmäßig ein charakteristisches Klopfen beim Schließen von Ventilen oder beim Abschalten von Pumpen auf, lohnt es sich, dessen Quelle zu finden. Die Beseitigung der Ursache von Wasserschlägen kann die Belastung von Rohren, Pumpen, Ventilen, Wärmetauschern sowie der übrigen Anlagenelemente verringern.

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• Auslegung eines Wärmetauschers für einen Glykol-Lufterhitzer - wie geht man vor?