Gefahr für die Abgasanlage

Joukowski-Stöße werden durch instationäre Strömungen hervorgerufen, die bei allen Regelvorgängen in Rohrleitungen mehr oder minder stark auftreten. Instationäre Bedingungen treten immer dann auf, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit mit der Zeit verändert. Von stationären Verhältnissen spricht man, wenn sich die Strömungsverhältnisse (z.B. Durchfluss/Druck) an einem Punkt der Rohrleitung zeitlich nicht ändern.

Ein Druckstoß innerhalb eines Rohrleitungssystems kann gewollt oder ungewollt auftreten. Er kommt häufig bei inkompressiblen (nicht verdichtbaren) Medien vor, gelegentlich aber auch in kompressiblen. Solche Druckstöße können nach der Theorie der Mathematiker Nikolai Joukowski (1847 bis 1921) und Lorenzo Allievi (1856 bis 1942) berechnet werden.

Anschauliche Erklärung am Beispiel des Kugelhahns

Ein für viele bekanntes praktisches Beispiel des Joukowski-Stoßes abseits der Abgastechnik ist das schlagartige Schließen eines Kugelhahns in einer Wasserleitung. Wasser besitzt ein sehr niedriges Kompressionsmodul. Dies ist eine physikalische Größe aus der Elastizitätslehre. Sie beschreibt, welche allseitige Druckänderung nötig ist, um eine bestimmte Volumenänderung hervorzurufen. Die kinetische Energie des sich im Rohr bewegenden Wassers sorgt für einen starken Druckanstieg vor dem Absperrventil. Das Gegenteil passiert hinter dem Ventil. Es entsteht ein sehr niedriger Druck, welcher zur Bildung einer Dampfblase führen kann, während das Wasser sich weiter bewegt. Irgendwann wird sich die Bewegungsrichtung aufgrund des Druckgefälles umkehren, während die Dampfblase kollabiert. Das Wasser wird hierbei erneut auf die Armatur schlagen. Dabei können Schäden an Leitung und Rohrhalterungen entstehen. Vermeiden lässt sich dies durch ein langsames Öffnen und Schließen des Absperrorgans.

Auftreten von Druckstößen in Abgasanlagen

Grundsätzlich tritt der Joukowski-Stoß häufiger bei flüssigen Medien auf, da sie im Vergleich zu Gasen über ein deutlich geringeres Kompressionsmodul verfügen. In Abgasanlagen wurden bislang drei verschiedene Szenarien beobachtet:

• Der Joukowski-Stoß kann durch eine plötzliche Druckerhöhung (z.B. Verpuffung) mit anschließender Druckerniedrigung einhergehen.
• Der Druckstoß folgt auf eine zu abrupte Abschaltung des Brenners. Ursache könnte z. B. ein technischer Defekt oder auch ein simpler Stromausfall sein.
• Auch durch extrem schnelles Schließen der Zuluftklappen des Brenners kann der Joukowski-Stoß verursacht werden.

Am häufigsten treten der 2. und der 3. Fall auf, oft sogar in direkter Kombination. Der Brenner wird binnen eines Augenblicks abgeschaltet, praktisch gleichzeitig schließen sich die Zuluftklappen. Die heiße Abgasanlage sowie die kinetische Energie des im Augenblick zuvor noch strömenden Abgases sorgen dafür, dass das Abgas noch weiter strömen möchte. Über den Kessel wird der Abgasanlage aber kein weiteres Abgasvolumen mehr zugeführt. Dieser Umstand führt dazu, dass das Abgas hinter dem Kessel bzw. in der Schornsteinanlage stark abgebremst wird und an dieser Stelle ein möglicherweise unzulässig großer Unterdruck entsteht. Dieser Unterdruck kann so stark sein, dass das Abgasrohr an dieser Stelle kollabiert und die Abgasanlage beschädigt oder irreparabel zerstört.

Joukowski-Druckstöße in Schornsteinen mit Schamotterohren wurden schon wissenschaftlich untersucht, in Edelstahlrohren bislang nicht. Schäden treten jedoch vornehmlich in der Kombination von Kesseln größerer Leistung, einer Unterdruckabgasanlage mit einem Durchmesser größer als 300 mm, handelsüblichen Wanddicken von 0,4 bis 0,6 mm ­und einer größeren wirksamen Schornsteinhöhe auf. Je größer diese Parameter sind, desto stärker ist auch die Intensität dieses Effektes. Aber auch bei Abgasanlagen, die gemäß Berechnung im Überdruck betrieben werden, kann ein Druckstoß auftreten.

Nebenlufteinrichtungen bieten einen Ausweg

Vermeiden lassen sich Schäden dieser Art durch die Verwendung einer geeigneten Nebenluftvorrichtung nach DIN 4795, welche bei schlagartigen Regelvorgängen selbst nicht beschädigt wird – zum Beispiel die schlaggedämpfte Nebenluftvorrichtung ZUK 250 SG des Abgastechnikspezialisten Kutzner + Weber. Dieses Bauteil dient in Großanlagen dem sofortigen Druckausgleich.

Die hydraulische Dämpfung bewirkt, dass die Nebenluftvorrichtung – auch Zugbegrenzer genannt – selbst durch extreme Öffnungs- und Schließvorgänge nicht beschädigt wird. Zusätzlich ist in diesem Bauteil eine Überdruckklappe integriert. Sie gewährleistet im Falle einer Verpuffung den sofortigen Druckabbau. Nebenluftvorrichtungen dieser Art sind jedoch nur in Unterdruckabgasanlagen zulässig.

Energieeinsparung ist durch die Zugbegrenzung inklusive

Ein zusätzlicher Vorteil beim Einsatz eines richtig dimensionierten Zugbegrenzers ist der konstante Unterdruck am Feuerstättenstutzen während des normalen Betriebes, der eine gleichbleibende Verbrennungsqualität garantiert. Damit gehen niedrigere Emissionen sowie eine messbare Energieeinsparung einher, sodass sich eine Nebenlufteinrichtung in ein bis drei Heizperioden amortisiert – je nach Nutzungscharakteristik und Anlagenkonstellation. In der Praxis ergeben sich Einsparungen von bis zu 5 %.

Nicht berücksichtigt wurde bei der bisherigen Betrachtung, dass eine Nebenlufteinrichtung das Risiko einer Kesselstörung reduziert. Wird der Kessel zum Beispiel für Prozesswärme genutzt, kann der Produktionsausfall schnell die Kosten des notwendigen Kundendiensteinsatzes übersteigen. In Wohnanlagen muss im besten Fall mit unzufriedenen Nutzern gerechnet werden.

Sichere und wirtschaftliche Abgasanlagen als Fazit

Mithilfe einer langlebigen und robusten Nebenlufteinrichtung lässt sich das Schadens­risiko für die Abgasanlage minimieren und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit erhöhen. Die mechanische Beanspruchung wird begrenzt und Druckschäden durch den Joukowski-Stoß vermieden. Sicherheit und Wirtschaftlichkeit gehen Hand in Hand.

Der Druckstoß ist eine Verdichtung im Druckmedium (Flüssigkeit oder Luft) durch Freiwerden der kinetischen Energie, wenn der Volumenstrom schlagartig zum Stillstand kommt, z. B. durch Schließen eines Ventils. Die so entstehende Druckwelle (räumliche Ausbreitung einer Druckänderung) wird an der nächsten Rohrkrümmung reflektiert und läuft zurück.

Der größtmögliche Stoß entsteht, wenn die Schließzeit t_s kleiner ist als die Laufzeit t_L der Welle (Joukowski-Stoß).

Wie funktioniert der Zugbegrenzer?

Um eine optimale Verbrennung sicherstellen zu können, benötigt jede Feuerstätte mit Unterdruckabgasanlage einen konstanten Unterdruck am Kesselstutzen. Dieser sogenannte Zugbedarf – meist in Pascal angegeben – wird vom Feuerstättenhersteller festgelegt und findet sich in der Regel auf dem Typenschild bzw. der Installationsanleitung. Bei der Kaminquerschnittsberechnung wird geprüft, ob dieser Wert auch bei ungünstigeren wärmeren Außentemperaturen (15 °C) nicht unterschritten und das Abgas sicher abgeführt wird.

Nicht betrachtet wird, dass mit sinkenden Außentemperaturen der Kaminzug zunimmt bzw. bei Windeinflüssen schwanken kann. Das hat zur Folge, dass die Verbrennung auf unwirtschaftliche Weise angefacht wird. Der Wirkungsgrad verschlechtert sich, der Energieverbrauch steigt. Hier setzt die Nebenluftvorrichtung an. Sobald der Zug im Schornstein den optimalen, voreingestellten Wert überschreitet, öffnet sich die Regelscheibe der Nebenluftvorrichtung – ohne weitere Hilfsenergie ausschließlich aufgrund der Druckdifferenz zwischen Aufstellraum und Abgasanlage. Durch die nun einströmende kühle Luft passieren zwei Dinge: Zum einen wird das Abgas abgekühlt, zum anderen nimmt das Volumen zu. Beide Punkte bewirken, dass der Kaminzug abnimmt. Nähert sich der Kaminzug nun wieder dem eingestellten Wert, beginnt die Nebenluftvorrichtung zu schließen. Auf diese Weise wird demnach eine natürlich entstehende Schwankung permanent ausgeglichen. Der ebenso einfache wie effektive Vorgang des Luftzuführens bewirkt eine gleichmäßige Verbrennung, bessere Emissionswerte sowie eine messbare Energieeinsparung. Erfahrungsgemäß kann der Brennstoffverbrauch um bis zu 5 % gesenkt werden.

(siehe Grafik Amortisationszeit)

Das Bild für die Auslegung der Nebenluftvorrichtung (unten) finden Sie unter https://www.sbz-online.de/ in hoher Auflösung zum Herunterladen.

Daniel Pfaff betreut den Bereich allgemeine Anwendungstechnik und Produktmanagement für Nebenluftvorrichtungen und Abgasklappen bei Kutzner + Weber, 82216 Maisach, Telefon: (0 81 41)9 57-1 22, pfaff@kutznerweber.de, https://www.raab-gruppe.de/marken/kutzner-weber/