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    Masterarbeit


    Untersuchung von Kavitation

    07.05.18, 22:34 Uhr

    Untersuchung von Kavitation in Einloch-Drossel-Blenden bzgl. des bleibenden Druckverlustes und der Kavitationsform - Unterteilung in Kavitationsbereiche und Bestimmung des Beginns der Gefährdung für die Drosselblende Masterarbeit, Abgabe 2017 Einleitung: Das Einsatzgebiet von Drosselblenden erstreckt sich über diverse Industrien, wie beispielsweise in Kraftwerken oder in Chemieanlagen. Sie erweisen sich als simple und kostengünstige Lösung zur Druckminderung, bzw. Durchflussbegrenzung und kommen aufgrund dessen häufig zum Einsatz. Sie übernehmen in den Anlagen zum Teil sicherheitsrelevante Aufgaben, z. B. durch die Druckvernichtung in Ausblaseleitungen von Dampfkesseln (ähnlich Sicherheitsventilen). Ein weiteres Beispiel aus der Industrie ist der Einsatz auf Öl-Plattformen. Dort werden Dosselblenden in der Sauergas-Zuleitung (Eingasung) einer Erdgas-Fackel eingesetzt. Diese sind für einen Maximaldurchfluss ausgelegt und dienen der Regulierung (durch Erreichen des kritischen Zustands und einer Durchflussbegrenzung) [Rist, 2013, S. 266]. Auch in Wasserleitungen kommen Drosselblenden zu Einsatz, beispielsweise in Notumlaufleitungen für Pumpen in der Kühl- oder Speisewasserversorgung. Drosselblenden ähneln stark Messblenden, mit dem prägnanten Unterschied, dass deutlich mehr Druck abgebaut wird. Das hat einerseits einen Einfluss auf die Blechstärke und andererseits kann dies beim Einsatz in Flüssigkeiten zu Kavitationserscheinungen führen. Kavitation kann durch Materialabtrag das Fluidsystem gefährden, außerdem ergeben sich unerwünschte Nebenwirkungen durch Vibrationen und einen erhöhten Geräuschpegel. Es kann dabei auch zu einer Beschädigung der Blende kommen, welche deren Funktionalität beeinflusst. Zur Vermeidung dessen werden Drosselblenden mit einer stellitierten Kante eingesetzt. Das Stellit ist Kavitation gegenüber widerstandsfähiger und muss mit einem Schweißverfahren eingebracht werden. Dies bedeutet deutlich höhere Kosten und Energieverbrauch. Zur Auslegung gehören die Berechnung des Bohrungsdurchmessers, welcher den Druckverlust in Abhängigkeit von Prozess- und Fluidparametern festlegt, sowie die Berechnung der Festigkeit der Blende. Eine einheitliche Vorgehensweise zur Bestimmung des Bohrungsdurchmessers, beispielsweise durch eine Norm, gibt es nicht. Für Drosselblenden ergeben sich also folgenden Probleme: Keine einheitliche Berechnung, Auftreten von Kavitation, Einsatz größerer Blechstärken. In der Praxis wird oftmals die Druckverlustberechnung in Anlehnung an die DIN EN ISO 5167-2 herangezogen. Jedoch ist diese nur für dünne Blenden anwendbar. Nach Wagner [2008], Idelchik [2005], Roul & Dash [2012], Rennels & Hudson [2012] hat die Blechstärke einen Einfluss auf die Berechnung und muss berücksichtigt werden. Auch das Auftreten von Kavitation hat einen Einfluss auf den Druckverlust, Tullis [1993]. Ziele der Arbeit sind: Die Einflüsse speziell der Blechstärke und der Kavitation auf den Druckverlust zu untersuchen und mit vorhandenen Ansätzen zu vergleichen. Außerdem soll Kavitation beobachtet werden mit dem Ziel, vorhandene Ansätze zu überprüfen. Dabei soll im Besonderen der Ort der Gefährdung betrachtet werden, um die Notwendigkeit einer stellitierten Blende besser bestimmen zu können. In dieser Arbeit werden zu diesem Zweck Drosselblenden bei unterschiedlichen Kavitationsstufen experimentell untersucht. Es werden Blenden unterschiedlicher Durchmesser- und Blechstärkenverhältnisse betrachtet in Bezug auf zwei Nennweiten. Die Arbeit beginnt in Kapitel 1 den theoretischen Hintergrund von Drosselblenden zu beleuchten. Dabei wird auf Drosselblenden und Kavitation im Allgemeinen, sowie deren Zusammenhang eingegangen. Eine Auswahl an Berechnungsverfahren für Druckverlust und Kavitation wird vorgestellt. Im Zweiten Kapitel werden weitere Forschungsansätze und -ergebnisse zusammengefasst. Anschließend wird auf die Planung der experimentellen Untersuchung eingegangen (Kap. 3), indem Ziele konkret formuliert und die Gegebenheiten des Prüfstands vorgestellt werden. Aus den festgelegten Anforderungen werden dann die Versuche bzgl. der Konstruktion und des Ablaufs festgelegt. In Kapitel 4 werden die gewonnenen Daten vorgestellt und in Zusammenhang gebracht. Dazu werden Kavitationsstadien definiert. Es werden die Einflüsse auf den Druckverlust sowie das Verhalten bei Kavitation untersucht und die Ergebnisse mit den Berechnungsverfahren verglichen. Abschließend werden die Ergebnisse kritisch hinterfragt.


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