Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen
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298 9 Druckflüssigkeitsspeicher
-derNutzungsgrad
4
als Verhältnis von maximal aufnehmbarem Flüssig-
keitsvolumen
'
V und maximalem Gasvolumen V
0
.
4
=
'
V/ V
0
(9.1)
Blasenspeicher finden in der Praxis eine breite Anwendung. Ein Beispiel für
die konstruktive Ausführung zeigt Abb. 9.5 a, während Abb. 9.6 die Funktions-
weise veranschaulichen soll. Druckflüssigkeit und Stickstoff werden durch eine
geschlossene Blase 3 aus Elastomer voneinander getrennt. Je nach der erforder-
lichen Beständigkeit gegenüber der verwendeten Druckflüssigkeit werden unter-
schiedliche Kautschuk-Arten (Acrylnitril-, Butadien-, Fluor-, Isobuten-, Isopren-
Kautschuk) eingesetzt.
Das Gas befindet sich im Inneren der Blase. Blasenspeicher sind nahezu war-
tungsfrei, arbeiten sehr trägheitsarm und zeichnen sich wegen des sehr schnellen
Ansprechverhaltens durch eine hohe Dynamik aus. Die breiteste Anwendung fällt
in den Bereich eher kleinerer Gesamtvolumina (V < 50 dm
3
), es sind aber auch
wesentlich größere Blasenspeicher im Einsatz.
Abb. 9.6 Betriebszustände eines Blasenspeichers
Das Druckverhältnis p
2
/p
0
soll 4 nicht übersteigen. Eine zu große Dehnung der
Blase und damit ein negativer Einfluss auf die Lebensdauer soll vermieden wer-
den. Das Flüssigkeitsvolumen darf wegen Beschädigungsgefahr der Blase nicht
vollständig entnommen werden; das Verhältnis 'V/V
0
,also der Nutzungsgrad, ist
i. d. R. kleiner als 0,7 und damit ungünstiger gegenüber Membran- und Kolben-
speichern, s. a. Tabelle 9.1. Die Ursache liegt in der begrenzten Verformbarkeit
der Elastomerblase. Es muss vermieden werden, dass die elastische Trennwand
auf dem Fluidventil 4 aufschlägt oder gar unter das Ventil gezwängt wird. Die be-
vorzugte Einbaulage ist die senkrechte; prinzipiell kann jedoch auch waagerecht
eingebaut werden. Bei der zweiten Variante besteht jedoch die Gefahr einer un-
gleichmäßigen Abnutzung der Blase infolge unterschiedlicher Reibungs-
bedingungen. Im Extremfall können bestimmte Fluidvolumina von der Blase ein-
geschlossen und damit vom Auslass ferngehalten werden, so dass sich das
Abgabevolumen reduziert >9.4@.
Bei Membranspeichern (Abb. 9.5 b) werden die Medien Flüssigkeit und Gas
durch eine eingespannte Membrane 2 aus Elastomeren getrennt. Die zur Memb-
ranmontage notwendige Teilung des Speichergehäuses 3 erfordert eine Verbin-
9.3 Bauarten 299
dung der meist halbkugelförmigen Hälften durch eine Schraub- oder Schweißver-
bindung.
Membranspeicher werden hauptsächlich für kleine Volumina (V < 4 dm
3
) ein-
gesetzt. Das maximale Druckverhältnis p
2
/p
0
darf Werte von 8 bis 10 erreichen,
der Volumennutzungsgrad
'V/V
0
liegt bei 0,8 bis 0,9. Membranspeicher sind äu-
ßerst robust, wartungsfrei und preiswert; sie arbeiten praktisch trägheitsfrei und
können in beliebiger Einbaulage verwendet werden. Hauptanwendungsgebiete
sind Pulsations- und Stoßdämpfer, Schockabsorber sowie die Versorgung von
Steuerkreisen mit Druckflüssigkeit. Ein sehr bekannter Einsatzfall ist die originel-
le hydropneumatische Federung der Fa. Citroën.
Herzstück der Kolbenspeicher (Abb. 9.5 c) ist ein frei beweglicher (fliegender)
Kolben 3 zur Trennung von Flüssigkeit und Gas. Der Kolben wird in einem ge-
honten Zylinderrohr 2 geführt und dichtet mittels spezieller Dichtelemente die
beiden Medienräume gegeneinander ab. Diese notwendige Bewegungsdichtung
mit Gleitreibung verursacht Verluste (Folge: Verringerung des entnehmbaren
Druckes), eine Verlängerung der Reaktionszeit und die Gefahr von Stick-Slip-
Erscheinungen bei kleinen Entnahmen.
Zur Vermeidung thermischer Überbeanspruchung und eines übermäßigen Ver-
schleißes der Dichtungen soll die Kolbengeschwindigkeit 2 bis 3 m/s nicht über-
steigen. Durch diesen Kennwert wird auch der je nach Baugröße (Kolbendurch-
messer) maximal mögliche Volumenstrom begrenzt.
Ein wesentlicher Vorteil der Kolbenspeicher liegt in den großen Nutzvolu-
mina; es werden Volumennutzungsgrade bis zu 0,9 erreicht. Das maximale Druck-
verhältnis p
2
/p
0
d 12 stellt schon den Spitzenwert unter allen Speicherbauarten
dar, aber theoretisch besteht keine Beschränkung, denn das Problem der Schädi-
gung der Trennwände aus Elastomeren entfällt bei den Kolbenspeichern >9.4@.
Das Nachschalten von Druckflaschen und damit die nahezu beliebige Varia-
tion und Anpassung des Gasvolumens sind problemlos möglich. Bei Blasenspei-
chern dagegen sind bei derartigen Volumenerweiterungen Restriktionen zu be-
achten, vor allem die Begrenzung des maximalen Druckverhältnisses p
2
/p
0
.
Die Einbaulage von Kolbenspeichern ist prinzipiell beliebig, bevorzugt jedoch
senkrecht. Bei waagerechter Installation kann ein ungleichmäßiger und vorzeitiger
Verschleiß der Dichtungen eintreten, insbesondere bei ungenügender Sauberkeit
der Druckflüssigkeit. Nur die Kolbenspeicher bieten über die Wegabfrage der
Kolbenstellung eine Überwachungsmöglichkeit für das Volumen.
Eine Zusammenstellung wesentlicher Speicherparameter und Auswahlkriterien
bietet Tabelle 9.1.
Neuere Entwicklungen in der Speichertechnik entspringen den Anforderungen
aus dem Leichtbau, insbesondere der Mobiltechnik, und verwenden zum Beispiel
Aluminium oder Composite-Werkstoffe mit dem Ergebnis beträchtlicher Masse-
reduzierungen gegenüber der Stahlausführung. Auf dem Markt sind bereits Bla-
senspeicher mir Gehäusen aus CFK-Faserschichten (Fa. HYDAC) sowie CFK-
Verbundfasern bei gewickelten Druckrohren von Kolbenspeichern.
Der reine Federspeicher erlebt im Druckbereich bis 50 bar eine Renaissance,
weil er gasunabhängig und damit äußerst wartungsarm ist. Eine moderne und zu-
kunftweisende Konstruktion stellen Metallbalg-Speicher dar, die eine einhundert-
300 9 Druckflüssigkeitsspeicher
prozentige Gasdichtheit garantieren und dadurch sehr hohe Lebensdauer-
anforderungen, in der Mobiltechnik zum Beispiel zehn Jahre, erfüllen. Bei
Drücken bis 200 bar sind die Volumina allerdings auf Werte von weniger als
1 dm
3
begrenzt.
Auch für die Klarwasserhydraulik stehen serienmäßige Druckflüssigkeitsspeicher
aller drei Hauptbauarten zur Verfügung. Der notwendige Korrosionsschutz wird
entweder durch die Verwendung korrosionsresistenter Werkstoffe oder eine ent-
sprechende Beschichtung der mit dem Wasser kontaktierten Innenflächen sicher-
gestellt.
Tabelle 9.1 Parameter und Einsatzkriterien verschiedener Speicherbauarten
Blasenspeicher Membranspeicher Kolbenspeicher
Hochdruck Niederdruck geschweißt geschraubt
Speichervolumen
(Baugröße) [dm]
3
0,2 – 50
(200)
2,5 - 500 0,1 - 4 0,1 - 10 1 - 250 (1500)
max. Druck [bar] 550 (1000) 40 (50) 250 210 (600) 350 (600)
Gasfülldruck p
0
[bar]
<(0,6-0,9)p
1
< 0,9p
1
< 0,9p
1
< 0,9p
1
< (p
1
- 5 bar)
max. zul. Druck-
verhältnis p
2
/p
0
4 (8) 4 4 – 6 10 10 – 12
Volumenstrom
[dm
3
/s]
< 40 < 140 < 10 < 50
< 400
(< 1000)
Nutzungsgrad
'
V/V
0
< 0,6 - 0,75 (0,8) < 0,8 < 0,85 < 0,85 - 0,9
Dynamik hoch hoch gering
Einbaulage senkrecht, bedingt waage-
recht
beliebig
beliebig
(bevorz. senkr.)
Austauschbarkeit
Trennelement
ja ja nein ja ja
Überwachungs-
möglichkeit
bedingt nein nein nein ja
Schadenan-
fälligkeit
relativ hoch gering bis mittel gering
(Klammerwerte beziehen sich auf Sonderausführungen)
9.4 Auslegung von Druckflüssigkeitsspeichern
9.4.1 Problemstellung und Kenngrößen
Die Grundlagen für die Berechnung von Speichern liegen in den thermodynami-
schen Gesetzen für die Zustandsänderung von Gasen. Bei jedem Lade- und Ent-
ladevorgang ändern sich die Arbeitsgrößen Volumen V und Druck p auf der Gas-
und Ölseite gleichermaßen und mit zusätzlichen Beeinflussungen durch die Tem-
peratur.
Dieser physikalische Hintergrund weist auf zwei wesentliche Probleme bei der
Auslegung von Druckflüssigkeitsspeichern:
Daten über die Wärmeaustauschvorgänge stehen i. Allg. nicht zur Verfügung,
so dass weder Größe noch Verlauf der Temperatur bekannt sind. In der Be-
9.4 Auslegung von Druckflüssigkeitsspeichern 301
rechnungspraxis werden je nach Anwendungsfall isotherme, adiabate oder
auch polytrope Zustandsänderungen vorausgesetzt.
Die oft angewandte Einstufung des Speichergases als ideales Gas führt be-
sonders bei hohen Drücken und niedrigen Temperaturen zu unzulässigen Aus-
legungsfehlern. Die realen Gase gleichen dem idealen Gas am nächsten, je
weiter die Einsatztemperatur von der Kondensationstemperatur (Übergang von
der gasförmigen in die flüssige Phase)des Gases entfernt ist. Der Kondensati-
onspunkt des eingesetzten Speichergases Stickstoff liegt bei -196°C.
Die speziellen Auslegungsberechnungen sind vom jeweiligen Anwendungsfall ab-
hängig, aber immer gibt es einen Bezug auf die charakteristischen Betriebszustän-
de eines Druckflüssigkeitsspeichers mit den folgenden Kenngrößen, s. Abb. 9.6
und 9.7. Im Zustand 0 füllt das effektive Gasvolumen V
0
den gesamten Druckraum
aus und steht dabei unter dem Vorfüll(Vorspann-)druck p
0
bei einer Temperatur T
0
(i. Allg. Raumtemperatur). Der Flüssigkeitsraum ist in diesem Betriebszustand
entleert, und der Flüssigkeitsanschluss ist verschlossen. Dass der Druck p
0
bau-
artabhängig und in jedem Fall kleiner als der minimale Betriebsdruck p
1
zu wäh-
len ist, wurde im Abschn. 9.3 begründet (vgl. auch Tabelle 9.1).
Volumen V
Druck p
3
V
p
2
p
3
2
V
1
1
0
p
0
p
1
V
2
V
3
V
0
W
12
Zustand
0
p
0
,V
0
1
p
1
,V
1
2
p
2
,V
2
3
p
3
,V
3
Trennelement
Abb. 9.7 Betriebszustände eines Druckflüssigkeitsspeichers >9.8@
Die weiteren Betriebszustände (Indizes 1 und 2) sind dadurch gekennzeichnet,
dass nach dem Überschreiten von p
0
Druckflüssigkeit in den Speicher gelangt und
dabei das Gasvolumen druckabhängig komprimiert wird. Die entsprechenden
Kenngrößen sind:
p
1
minimaler Betriebsdruck V
1
Gasvolumen bei p
1
p
2
maximaler Betriebsdruck V
2
Gasvolumen bei p
2
.
Mit p
3
wird der höchste Systemdruck bezeichnet, also der Druck, bei welchem
das Sicherheitsventil öffnet. Zu beachten ist in jedem Fall auch der zulässige Be-
triebsüberdruck p
zul
, mit dem jeder Speicher nach der Betriebssicherheitsver-
ordnung (BetrSichV) >9.3@ gekennzeichnet ist.
Die Größen p
1
, p
2
, V
1
, V
2
bestimmen auch den möglichen Energievorrat und
die austauschbaren Volumina. Es gelten die Definitionen
'
p = p
2
- p
1
Betriebsdruckdifferenz (9.2)
302 9 Druckflüssigkeitsspeicher
'
V = V
1
- V
2
[> 0] Flüssigkeitsabgabe (Gasexpansion) (9.3 a)
'
V = V
2
- V
1
[< 0] Flüssigkeitsaufnahme
(Gaskompression).
(9.3 b)
Einzuhalten sind die von der Speicherbauart abhängigen maximal zulässigen
Druckverhältnisse p
2
/p
0
(vgl. Abschn. 9.3, Tabelle 9.1).
Das austauschbare Flüssigkeitsvolumen
'
V ist nicht nur von den Kenngrößen
des Speichers und den gewählten Parametern, sondern auch von der Zustands-
änderung des Speichergases beim Lade- und Entladevorgang abhängig.
Zur Zustandsbeschreibung des Gases in den genannten Betriebszuständen 0
(Ende der Gasfüllung), 1 und 2 (Flüssigkeitsaufnahme bzw. -abgabe) wird die Po-
lytropengleichung idealer Gase herangezogen:
pV pV pV pV konst
n
nn n
00 11 22
.
. (9.4)
Je nach zeitlichem Verlauf der Austauschvorgänge kommt eine isotherme (n = 1),
adiabate , isentrope (n =
N
= 1,4) oder polytrope (1 < n < 1,4) Zustandsänderung
der Praxis am nächsten. Physikalisch ist die polytrope Zustandsänderung so zu
verstehen, dass außer dem Austausch potentieller Energie (Volumenarbeit) auch
ein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet.
Bei einem isothermen Vorgang findet ein vollkommener Wärmeaustausch
statt; eine Temperaturänderung erfolgt nicht. Dieser Zustand ist bei Speicheran-
wendungen anzutreffen, bei denen der Lade- und Entladezyklus der Druckflüs-
sigkeit langsam (Größenordnung > 3 min.) verläuft, so dass genügend Zeit für ei-
nen vollständigen Wärmeaustausch zwischen Füllgas und Umgebung bleibt. Ein
Praxisbeispiel dafür ist die Speicheranwendung zur Druckhaltung durch Leck-
flüssigkeitskompensation.
Es gilt die Zustandsgleichung
pV p V p V p V konst
00 11 22
.
. (9.5)
Die adiabate (isentrope) Zustandsänderung ist durch einen sehr schnellen Flüssig-
keitsaustausch (t < 1 min.) gekennzeichnet, wodurch das Gas kaum Wärme mit der
Umgebung austauschen kann. Es kommt damit zu Temperaturänderungen. Typi-
sche Anwendungsbeispiele sind die Energiespeicherung zur Deckung kurzzeitiger
Bedarfsspitzen oder auch die Schockabsorber.
Zur Beschreibung dient die Zustandsgleichung:
pV p V p V p V konst
N
NN N
00 11 22
.
. (9.6)
Für die Abhängigkeit der Temperatur von den Zustandsgrößen p und V gilt:
TV T V
N
N
1
11
1
(9.7)
Tp T p
()/
()/
1
11
1
NN
NN
. (9.8)
Alle angegebenen Gleichungen sind exakt nur für ideale Gase gültig. Das Füllgas
Stickstoff weicht als reales Gas vor allem bei höheren Drücken von den idealen
Zustandsgleichungen ab. Für den Zusammenhang zwischen p, T und V existieren
9.4 Auslegung von Druckflüssigkeitsspeichern 303
Näherungsgleichungen. In der Auslegungspraxis hat sich allerdings die An-
passung mit Hilfe von Korrekturfaktoren (C
i
bzw. C
a
) durchgesetzt:
V
0, real
= C
i, a
.
V
0
(9.9 a)
'
V
real
= C
i, a
.
'
V . (9.9 b)
Index i bezieht sich auf die isotherme, a auf die adiabate Zustandsänderung. Diese
Korrekturwerte werden in den Unterlagen der Speicherhersteller zur Verfügung
gestellt.
9.4.2 Auslegungspraxis
Ausgangsangaben für die Auslegung eines Druckflüssigkeitsspeichers sind der
Anwendungsfall und die dafür notwendigen Betriebsparameter, in erster Linie das
aufzubringende Flüssigkeitsvolumen
'
V
bzw. die erforderliche hydrostatische
Energie
'
W
hydr
. Rahmenbedingungen werden vor allem durch Sicherheits-
forderungen und anlagenspezifische Einflussgrößen abgesteckt.
Als Ziel der Auslegung sind im Wesentlichen die Speichergröße, d. h., das ef-
fektive Speichervolumen V
0
, und der Gasvorfülldruck p
0
zu bestimmen. Während
der Druck p
0
in bestimmten Abhängigkeiten und Grenzen beliebig wählbar ist,
liegt V
0
in der Praxis nur gestuft, entsprechend den Baureihen der Speicherher-
steller, vor. Bei der Festlegung des Gasvorfülldruckes p
0
ist nicht zuletzt aus Si-
cherheitsgründen der Betriebstemperaturbereich während des Speichereinsatzes zu
berücksichtigen. Der Druck p
0
ist immer auf die maximale Betriebstemperatur
T
2
(T
Bmax
) zu beziehen; das Füllen und Kontrollieren erfolgt jedoch meistens bei ei-
ner anderen Temperatur T
0
, z. B. bei Raumtemperatur. Die Umrechnung erfolgt
dann über die Beziehung
ppTT
TT0002
02
,,
/
. (9.10)
Zu beachten ist, dass T
0
und T
2
grundsätzlich als absolute Temperaturen in °K
(
-
/°C + 273) einzusetzen sind.
Im Folgenden werden für die grundsätzlichen Anwendungsfälle der Speicher-
technik die Auslegungsgleichungen für eine Vorauswahl angegeben. Viele Spei-
cherhersteller bieten heute ihren Kunden sehr ausgereifte Programme zur rechner-
gestützten Auswahl und Dimensionierung an.
Anwendungsfall Energiespeicherung/Volumenaustausch
Vorgegeben ist das Entnahmevolumen
'
V
.
Unter Annahme einer polytropen Zu-
standsänderung gilt:
nn
pppp
V
V
/1
20
/1
10
0
//
'
. (9.11)
304 9 Druckflüssigkeitsspeicher
Der Vorfülldruck p
0
soll p
0
= 0,9 · p
1
(bei Temperatur T
2
!) betragen. Der Betriebs-
druckbereich zwischen Minimum p
1
und Maximum p
2
wird i. d. R. vom Hydrau-
liksystem bestimmt. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Berechnung nach
Gl. (9.11) wird durch die Wahl der Größe des Polytropenexponenten n bestimmt.
Hierin liegt das eigentliche Problem, denn n hängt von den Betriebsbedingungen
ab. In der Praxis bewährt hat sich der Ansatz, dass zwischen p
0
und p
1
eine iso-
therme und zwischen p
1
und p
2
eine polytrope Zustandsänderung abläuft [9.5, 9.8]
und damit die Bestimmungsgleichung für V
0
übergeht in:
n
pp
ppV
V
1
21
01
0
/1
/
'
. (9.12)
Typische Beispiele für diesen Ansatz sind Speicheranwendungen als Not- bzw. Si-
cherheitsfunktion.
Gleichung (9.12) liefert ein Ergebnis auf der „sicheren Seite“, weil das Volu-
men etwas größer errechnet wird. Für den ersten Überschlag wird
n
N
14,
ge-
setzt. Eine Verbesserung der Genauigkeit der Ergebnisse wird durch Korrektur-
faktoren möglich, die den Katalogen der Speicherhersteller entnommen werden
können, z. B. [9.5, 9.6].
Anwendungsfall Leckölkompensation, Volumenkompensation
Sowohl der Ladevorgang (p
0
o p
2
) als auch die Arbeitsfunktion (langsame Ab-
gabe von
'
V, Druckabfall p
2
o p
1
) können als isotherme Zustandsänderungen an-
gesetzt werden. Die Auslegungsgleichung lautet damit:
V
V
pppp
0
01 02
'
//
. (9.13)
Anwendungsfall Arbeitsaustausch und Energieinhalt
Das Energiespeichervermögen beruht auf der Volumenänderung der Gasfüllung.
Die dem Speicher zugeführte hydraulische Energie verrichtet Volumenänderungs-
arbeit am Gas:
WW pdV
hydr
V
V
.
³
12
1
2
. (9.14)
Unter Einbeziehung der Zustandsgleichungen (Gasgesetze) p = f (V) lassen sich
Lösungen für das Integral gewinnen >9.7@
isotherm W
12
=
1211
/ln ppVp (9.15)
polytrop
W
pV
n
p
p
nn
12
11 2
1
1
1
1
§
©
¨
·
¹
¸
ª
¬
«
«
º
¼
»
»
/
. (9.16)
9.4 Auslegung von Druckflüssigkeitsspeichern 305
Für einen gegebenen Bauraum V
1
und maximalen Betriebsdruck p
2
existiert ein
optimales Druckverhältnis (p
1
/p
2
)
opt
, für das ein Maximum an Volumen-
änderungsarbeit verrichtet wird.
Die Lösung der entsprechenden Extremwertaufgabe ergibt für den isothermen
Vorgang
( p
1
/ p
2
)
i,opt
= 1 / e = 0,388 (9.17 a)
e Eulersche Zahl
und für die adiabate Zustandsänderung
N
N
1/1
,21
)/(
opta
pp
0,308. (9.17 b)
Daraus folgt die maximal speicherbare hydraulische Energie
max12max,
WW
hydr
12max12
368,0 VpW isotherm (9.18 a)
12max12
308,0 VpW adiabat. (9.18 b)
Das Produkt p
2
V
1
ist von Bauart und -größe des Speichers abhängig.
Für p
1
gibt es Variationsmöglichkeiten über den wählbaren Fülldruck p
0
, aber der spei-
cherbare Energieinhalt kann höchstens 37% (isotherm) bzw. 31% (adiabat) vom
Druck-Volumen-Produkt p
2
V
1
betragen.
Das effektive Speichervolumen V
0
für eine vorgegebene aufzunehmende Ener-
gie W
hydr
lässt sich unter Beachtung von Zusatzbedingungen (p
0
= 0,9
p
1
, idea-
les Gas) berechnen >9.8@:
1/
1
9,0
1
/1
12
1
0
nn
hydr
pp
p
nW
V
. (9.19)
Die Auslegung für reale Gase wird in >9.9@ dargestellt.
Anwendung als Hydrodämpfer
Druckflüssigkeitsspeicher werden auch eingesetzt, um die in Hydraulikanlagen
unerwünschten periodischen Druckschwankungen oder auftretende Druckstöße
abzufangen und abzubauen. Es gibt mehrere Ursachen für derartige Vorgänge:
Förderstromschwankungen und Druckpulsationen von Pumpen (Verdränger-
einheiten),
Absperr- und Öffnungsvorgänge mittels Ventilen bei kurzen Schaltzeiten,
An- und Abschalten von Pumpen,
schlagartiges Verbinden von Räumen mit unterschiedlichem Druckniveau.
Zu den negativen Auswirkungen gehören
dynamische Beanspruchung von Anlagenkomponenten bis hin zur Bruchge-
fahr,
erhöhte Geräuschentwicklung,
306 9 Druckflüssigkeitsspeicher
Funktionsgefährdung für Bauelemente und Messgeräte,
Leistungsreduzierungen (Absenkung von Drücken und Volumenströmen),
Beeinträchtigung der Arbeitsgenauigkeit (z. B. Werkzeugmaschinen).
Ein als Dämpfungselement eingesetzter Speicher (s. Abb 9.3 b) gleicht durch den
Volumenaustausch die Volumenstrom- bzw. Druckpulsationen aus (Absorption
der Pulsationen im Gasvolumen; physikalisch bedeutet das, Verzehr der un-
erwünschten kinetischen Energie durch Umwandlung in Wärmeenergie).
Die Speicherhersteller bieten spezielle, für die unterschiedlichen Einsatzfälle
konzipierte Bauformen an: Pulsationsdämpfer, Schockabsorber (Druckstoßdämp-
fer), Saugstromstabilisatoren oder Flüssigkeitsschalldämpfer (Silencer) >9.6@.
Bei der Pulsationsdämpfung wird die adiabate Zustandsänderung angesetzt,
denn es handelt sich um schnelle Vorgänge. Auslegungskriterium ist die vorge-
gebene, zulässige Restpulsation
G
des Druckes:
G
pp
pp
pp
pp
max min
max min
21
21
. (9.20)
Die Minimierung von
G
ist an eine flache p-V-Kennlinie des Speichers gebunden.
Die Verringerung der Kennliniensteigung erreicht man durch ein größeres Spei-
chervolumen und eine Erhöhung des Gasfülldruckes. Die erforderliche Speicher-
größe läßt sich unter Berücksichtigung bestimmter Vorgabewerte (Volumen-
pulsation
'
V, Restpulsation des Druckes
G
, Druckverhältnis p
1
/p
0
) berechnen
>9.8@:
»
»
¼
º
«
«
¬
ª
¸
¹
·
¨
©
§
'
N
G
G
/1
0
1
0
1
1
1p
Vp
V
.
(9.21)
Für den Vorfülldruck p
0
wird empfohlen: p
0
= 0,6 p
m
(p
m
= Mitteldruck).
Die sog. Schockabsorber bauen Druckstöße durch das Umwandeln kinetischer
Energie der Strömung in potentielle Energie des komprimierten Gases ab. Aus-
legungsgleichungen für die Speichergröße (V
0
) sind in der Literatur zu finden >9.6,
9.8@.
Die für schnell veränderliche Zustandsänderungen wichtige Eigendynamik von
Druckflüssigkeitsspeichern wird maßgebend von der Kapazität C
h
des Speichers
und der Induktivität L
h
der angeschlossenen Leitung bestimmt [9.8], siehe auch
Abschn. 4.5. Für die Eigenkreisfrequenz
s
Z
des Systems (Speicher und Rohr-
leitung) gilt:
hh
Lc
s
1
Z
. (9.22)
Bei Kolbenspeichern kann die Genauigkeit verbessert werden, wenn gemäß (9.23)
aus der Kolbenmasse m
K
und der Kolbenfläche A
K
die Induktivität berechnet wird
2
)/(
KKK
AmL
. (9.23)
9.5 Sicherheitsvorschriften 307
9.5 Sicherheitsvorschriften
Hochgespannte Gase können wegen der gespeicherten Energie ein erhebliches Ge-
fahrenpotential darstellen, deshalb bestehen für die Konstruktion und Herstellung
von Druckflüssigkeitsspeichern sowie für den Betrieb und die Wartung hydrauli-
scher Anlagen mit Speichereinsatz strenge Sicherheitsvorschriften.
Im Zuge der
Harmonisierung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten der Europäischen
Gemeinschaft vollziehen sich gegenwärtig gravierende Veränderungen in Bezug
auf die Sicherheitsvorschriften für Druckgeräte, denen auch die Druckflüssigkeits-
speicher zuzuordnen sind. Die bisher in Deutschland maßgebenden amtlichen
Vorschriften in Form der Unfallverhütungsvorschrift des Hauptverbandes der
gewerblichen Berufsgenossenschaften UVV VBG 17 über Druckbehälter sowie
der Druckbehälterverordnung (DruckbehV) mit der Ergänzung der Technischen
Regeln Druckbehälter (TRB) sind außer Kraft getreten.
Verbindlich für die Hersteller und Lieferanten von Druckgeräten ist die Richt-
linie 97/23/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 29. Mai 1997
>9.2@, wonach alle Druckgeräte, das sind Geräte mit einem maximal zulässigen
Druck von mehr als 0,5 bar, einem sog. Konformitätsbewertungsverfahren zu un-
terziehen sind. Geregelt werden die für die Hersteller wichtigen Bereiche Aus-
legung, Konstruktion und Fertigung.
Das für die Anwender (Betreiber) wichtigste Dokument ist die auf der Grund-
lage der o. g. EG-Richtlinie erstellte Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV)
>9.3
@, wo im Abschnitt 3 „Besondere Vorschriften für überwachungsbedürftige
Anlagen“ die notwendigen Maßnahmen beim Betreiben von „Druckgeräten“ defi-
niert sind. Im Mittelpunkt stehen die Prüfung vor der Inbetriebnahme sowie die
wiederkehrenden Prüfungen.
Nach der europäischen Druckgeräterichtlinie werden die Druckgeräte nach zu-
nehmendem Gefahrenpotential in Gruppen eingestuft. Grundlage dafür ist die Ein-
teilung der Fluide in zwei Gruppen, s. Tabelle 9.2.
Tabelle 9.2 Fluidgruppen nach der europäischen Druckgeräterichtlinie 97/23/EG >9.2@
Gruppe Merkmal
Fluidgruppe 1
explosionsgefährlich, hoch entzündlich, leicht entzündlich, entzündlich
(wenn die maximal zulässige Temperatur über dem Flammpunkt liegt),
sehr giftig, giftig, brandfördernd
Fluidgruppe 2 alle nicht in Gruppe 1 genannten Fluide
Über den maximal zulässigen Druck PS in bar, das Behältervolumen V in dm
3
sowie das Produkt PS * V in bar * dm
3
(bar * Liter) ist das Druckgerät einem Dia-
gramm nach Anhang II der Richtlinie zuzuordnen. Abbildung 9.8 zeigt ein Bei-
spiel für Fluide der Gruppe 2, dazu sind auch die in der Hydraulik verwendeten
Druckflüssigkeiten zu zählen. Die mit römischen Ziffern bezeichneten Kategorien
beinhalten „Module“ nach Anhang II der Richtlinie, in denen die Kontroll- und
Prüf-vorschriften festgelegt sind, s. Tabellen 9.3 und 9.4.