Kavitation

Oftmals fällt im Zusammenhang mit Feuerlösch-Kreiselpumpen der Begriff Kavitation. Aber was ist das eigentlich? Im Folgenden wird versucht ohne große Theorie eine einfache Antwort zu geben.

Bei welcher Temperatur kocht Wasser?

Sie denken jetzt wahrscheinlich: Blöde Frage! Bei 100 °C natürlich. Aber das ist nicht ganz richtig. Wasser kocht nur auf Meereshöhe bei 100 °C. Auf dem Mount Everest kocht Wasser aber bereits bei rund 70 °C. Warum ist das so? Mit steigender Höhe nimmt der Luftdruck ab. Je niedriger der Umgebungsdruck, desto niedriger ist auch die Siedetemperatur einer Flüssigkeit. Bildlich gesprochen drückt weniger Luft auf die Flüssigkeit. Deswegen braucht sie weniger Energie (Wärme) um zu verdampfen.

 

Es gibt also zwei Möglichkeiten, wie Wasser zum kochen gebracht wird:

 

1. Der Druck bleibt konstant, die Temperatur wird erhöht.

Diesen Fall erleben Sie täglich beim Kaffeekochen. Der Umgebungsdruck bleibt konstant und die Temperatur im Kochtopf wird erhöht.

 

2. Der Druck wird abgesenkt, die Temperatur bleibt konstant.

Dieser Fall ist in Pumpen zu beobachten. Der Druck wird z.B. auf der Saugseite der Pumpe abgesenkt (negativer Wert am Manometer). Die Temperatur bleibt aber konstant. Wenn der Druck weit genug abgesenkt wird, dann kommt es auch bei kaltem Wasser zum Verdampfen. Bei 20 °C verdampft Wasser, wenn -0,98 bar (Manometer-Druck) bzw. 0,02 bar (absoluter Wert) erreicht werden. Dabei entstehen dann Dampfblasen, genauso wie im Kochtopf.

 

Am Manometer am Pumpeneingang wird man einen so geringen Druck nicht erreichen. Aber im Inneren der Pumpe sinkt der Druck noch weiter ab. Besonders im Bereich des schnell drehenden Laufrads entsteht Kavitation.

Kavitation
Aufnahme von Kavitation in einem Ventil mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Bild 5 und 6 zeigen den Kollaps einer Dampfblase (Pfeil).

Die Folgen von Kavitation

Dampf braucht mehr Platz als flüssiges Wasser. Diesen Effekt kennt jeder Feuerwehrmann aus dem Löscheinsatz: Ein Liter Wasser in das Feuer gespritzt kommt als rund 1700 Liter Dampf zurück. In der Pumpe führt dies zu einem Abfall des Förderstroms. Wenn Dampfblasen mitgefördert werden, dann ist weniger Platz für Wasser.

 

Wenn der Druck wieder ansteigt (z.B. auf der Druckseite der Pumpe), dann fallen die Dampfblasen schlagartig wieder zustammen. Der plötzlich verschwundene "Hohlraum" wird sehr schnell vom umgebenden Wasser gefüllt. Dabei entstehen kurzzeitige aber extrem hohe Druckspitzen, teilweise bis 1000 bar. Diese "Nadelstiche" zerstören die Pumpen. Normalerweise nicht sofort, aber "steter Tropfen höhlt den Stein".

Kavitation Plattenventil
Schäden durch Kavitation an einem Plattenventil

Wie merkt man Kavitation?

Sehen, hören, fühlen!

 

Sehen: Weniger Pumpen-Förderstrom heißt, dass weniger Wasser am Strahlrohr rauskommt.

Hören: Geförderte Dampfblasen klingen ähnlich wie Luft in einer Leitung. Zusammenfallende Dampfblasen klingen wie Regen auf einem Blechdach.

Fühlen: Die Pumpe arbeitet unruhig. Es kommt zu Vibrationen und "Schlägen" in der Pumpe.

Wie kann man Kavitation vermeiden?

  • Pumpeneingangsdruck erhöhen (z.B. bei langen Schlauchstrecken die Abstände zwischen den Pumpen verkleinern)
  • Drehzahl/Förderstrom verkleinern
  • Temperatur reduzieren: Je kälter das Wasser, desto niedriger kann der Druck abfallen, bis es zum Verdampfen kommt. Wie kann die Temperatur beeinflusst werden? Zum Beispiel im Sommer beim Ansaugen aus einem See versuchen, dass man aus tieferen Schichten ansaugt und nicht das warme Wasser direkt an der Oberfläche. Oder die Pumpe nicht "im eigenen Saft" laufen lassen, denn dabei erwärmt sich das Wasser in der Pumpe stark. Also z.B. bei einem Stopp der Wasserabgabe am Strahlrohr einen freien B-Abgang öffnen, damit frisches (kaltes) Wasser in die Pumpe kommt.

Bei welchem Manometer-Druck hat Wasser welche Siedetemperatur?

Druck Temperatur
0 bar 100 °C
-0,5 bar 81 °C
-0,8 bar 60 °C
-0,9 bar 46 °C
-0,95 bar 33 °C
-0,98 bar 20 °C
-0,99 bar 7 °C