Können Wärmetauscher Schwingungen anregen? - Thermoakustische Instabilitäten als Ursache erhöhter Pulsationen innerhalb von Gasdruckregel- und Messanlagen

Bei der Vielzahl der von KÖTTER Consulting Engineers (KCE) in den letzten 10 Jahren durchgeführten Untersuchungen an Gasdruckregel- und Messstationen (GDRM-Stationen) wurden verschiedenste Erfahrungen gesammelt. Dabei konnten immer wieder im Zusammenhang mit Wärmetauschern auftretende Gassäulenschwingungen festgestellt werden, die vom außenstehenden Betrachter als Rohrleitungsschwingungen optisch oder auch akustisch wahrgenommen werden. Auch eine Beeinflussung der vorgeschalteten Mengenmesseinrichtung konnte wiederholt festgestellt werden. Zu einer Gefährdung hinsichtlich der Anlagensicherheit kommt es in der Regel jedoch erst dann, wenn die Frequenz der Gassäulenschwingung mit der Frequenz der strukturmechanischen Rohrleitungseigenschwingung übereinstimmt [1]. Bei den bisher durchgeführten Untersuchungen wurden immer wieder erhöhte Gassäulenschwingungen auch als Druckpulsationen bezeichnet - zwischen dem Regler, der durchströmten Betriebsschiene und dem Regler der benachbarten nicht durchströmten Reserveschiene festgestellt. Unklar war bisher, warum in Abhängigkeit der lokalen Gaserwärmung durch den Wärmetauscher erhöhte Druckpulsationen auftreten. Dies konnte jetzt - nach Analyse aller vorliegenden Daten - auf eine thermoakustische Instabilität zurückgeführt werden. Dieses Prinzip wird anhand eines auf die Problemstellung angepassten Experimentes vorgestellt. Anschließend wird der thermo-akustische Effekt in einer theoretischen Betrachtung hinsichtlich der Anregung akustischer Resonanzen in einer Gasdruckregelstation näher analysiert. Auf Basis der erarbeiteten Ergebnisse werden Minderungsmaßnahmen sowohl für die Planungsphase von Neuanlagen als auch für bestehende Anlagen vorgestellt.