Frühwarnsystem für Miniimplosionen in industriellen Anlagen
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Pressemitteilung der Hochschule Bremerhaven vom 08. Juli 2026
Frühwarnsystem für Miniimplosionen in industriellen Anlagen
Bachelorarbeit beschäftigt sich mit Verhinderung von Kavitation
In industriellen Anlagen, in denen Flüssigkeiten sehr schnell strömen, können in Bruchteilen von Sekunden winzige Dampfblasen entstehen und wieder in sich zusammenfallen. Dieses Phänomen, die sogenannte Kavitation, verursacht an strömungsführenden Bauteilen wie Ventilen oder Rohrbögen langfristig Materialabtrag und führt somit zu Effizienzverlust und unter Umständen auch zu Schäden. Anna Titze hat im Rahmen ihrer Bachelorarbeit nach einer Möglichkeit gesucht, wie sich die negativen Anteile von Kavitation bereits vor ihrer Entstehung automatisiert von den für den Mischprozess notwendigen Anteile differenzieren lässt. Dafür hat sie mehrere Millionen Messwerte analysiert.
Frequenzanalyse als Lösungsidee
Kavitation ist ein physikalisches Phänomen, das seit vielen Jahrzehnten erforscht wird. Da bereits Schwingungs- und Strömungsverhältnisse in den Anlagenkomponenten entstehen, bevor es zu Implosionen und sichtbaren Schäden kommt, lassen sich kavitationsbedingte Zustände mithilfe technischer Methoden frühzeitig erkennen. Auf die Praxis lassen sich die Forschungsergebnisse jedoch nicht so einfach übertragen. „In der Forschung wird von optimalen Bedingungen ausgegangen, die es in der Realität nicht gibt. Bei einer realen Anlage gibt es Rohre und Verbindungsstücke, die alle mitschwingen und in der Frequenzmessung abzulesen sind“, weiß Anna Titze, die sich im Rahmen ihrer Bachelorarbeit im Studiengang Nachhaltige Energie und Umwelttechnologien (heute: Sustainable Process Engineering) mit Kavitation beschäftigt hat. Weil jedes Anlagensystem Eigenfrequenzen und Schwingungsmuster aufweist, müssen für jedes System charakteristische Referenzmessungen durchgeführt und anlagenspezifische Modelle aufgebaut werden. Möglich gemacht wurde dies durch eine enge Zusammenarbeit mit der symex GmbH & Co. KG, die ihre Mischanlagen für Messkampagnen zur Verfügung stellte und die Arbeit fachlich unterstütze. Symex beschäftigt sich seit Jahren mit der differenzierten Betrachtung der verschiedenen Kavitationseinflüsse und der Separierung hinsichtlich Mischeffizienzsteigerung und Materialschonung. Für das Unternehmen gehört der konstruktive Umgang mit Kavitation zum etablierten Entwicklungs- und Auslegungsprozess. Im Fokus der Kooperation stand daher vor allem die wissenschaftliche Vertiefung und die Erprobung neuer Auswertemethoden.
Millionen Messdaten ausgewertet
Für ihre Untersuchungen führte Anna Titze über einen längeren Zeitraum Messungen durch. Besonders anspruchsvoll war dabei die Auswertung der erhobenen Daten. „Das Messgerät hat pro Sekunde rund einhunderttausend Werte aufgezeichnet. Um gezielt unterschiedliche Betriebszustände zu erfassen, habe ich pro Durchgang jeweils nur ein bis zwei Sekunden gemessen. Am Ende hatte ich dennoch mehrere Millionen Messdaten, die ich analysieren musste“, erklärt die Absolventin. Die Daten flossen in Frequenzbilder, die dann statistisch ausgewertet wurden. Auf diese Arbeit wurde sie während ihres Studiums gut vorbereitet: „Ich konnte eigentlich alles anwenden, was ich gelernt habe. Frequenzanalysen sind Physik, aber ich habe auch Mathematik oder Strömungslehre gebraucht. Und auch Kavitation ist Thema im Studium.“ Ihre Bachelorarbeit habe ihr geholfen, die Inhalte verschiedener Module miteinander zu verknüpfen. Mit ihren Ergebnissen ist Anna Titze zufrieden. Sie konnte anhand der Frequenzbilder eine deutliche Abgrenzung zwischen kavitationsfreien und kavitierenden Zuständen feststellen und nachweisen, dass die Messmethode geeignet ist. Derzeit führt Anna Titze weitere Untersuchungen an anderen Anlagentypen durch. „Ich hatte eine gewisse Erwartung an zukünftige Experimente, aber jedes Ergebnis ist eine Überraschung. Nicht alles läuft immer ideal, aber Schritt für Schritt kommt man näher ans Ziel.“
Kooperationen machen Studium aus
Die Erfahrungen, die die Studierenden im Rahmen von Projekten sammeln können, bereiten sie auf ihr Berufsleben vor. Daher freuen sich die Lehrenden, wenn Kooperationsanfragen bei ihnen eingehen. „Kooperationen mit Unternehmen sind für Hochschulen für angewandte Wissenschaften sehr wichtig. Daher wollen wir diese zukünftig in unserem Studiengang Sustainable Process Engineering noch weiter verstärken“, sagt Prof. Dr. Benedikt Klobes, der als Professor für Physik, Materialtechnik und Mathematik an der Hochschule Bremerhaven lehrt und die Bachelorarbeit von Anna Titze betreut hat.
Der verfahrenstechnische Studiengang Sustainable Process Engineering beschäftigt sich unter anderem damit, wie in Zukunft fossile Rohstoffe vermieden und durch nachhaltige Alternativen ersetzt werden können. Beispiele hierfür sind die Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien aus Biomasse beziehungsweise aus grünem Wasserstoff und nicht vermeidbarem Kohlendioxid als Ausgangsstoffen. Auch die Wiederverwertung von Materialien nach dem Ende ihrer Nutzungsdauer hat einen entscheidenden Beitrag für eine nachhaltige Produktion. In den ersten Semestern erwerben die Studierenden sowohl ingenieur- als auch naturwissenschaftliche Kenntnisse. Gleichzeitig werden sie mit energie- und umwelttechnischen Inhalten, Nachhaltigkeitsaspekten sowie potentiellen Berufsfeldern vertraut gemacht. Die individuelle Auswahl von Wahlpflichtfächern ermöglicht eine Spezialisierung nach persönlichen Interessen. Hohe Priorität hat das praxisorientierte Lernen, das durch Labor- und Projektarbeiten in kleinen Gruppen sowie Exkursionen gefördert wird.
Derzeit läuft die Bewerbungsphase für ein Studium an der Hochschule Bremerhaven. Auch der Bachelorstudiengang Sustainable Process Engineering nimmt neue Studierende auf. Die Bewerbungsfrist ist der 15. August. Weitere Informationen zum Bewerbungsverfahren für Bachelorstudiengänge unter www.hs-bremerhaven.de/bachelorbewerbung. Wer Interesse an einem Masterstudium hat, findet weitere Informationen unter https://www.hs-bremerhaven.de/masterbewerbung.
Wissenschaftlicher Hintergrund
Kavitation ist ein physikalisches Phänomen und tritt in vielen strömungstechnischen Anwendungen immer dort auf, wo sich in Bruchteilen von Sekunden die Druckverhältnisse so schnell ändern, dass Flüssigkeiten unterhalb des Verdampfungsdrucks ihr Volumen schlagartig (um den Faktor 1.000) vergrößern und quasi im gleichen Moment, beim Überschreiten des Verdampfungsdrucks ihr Volumen gleich wieder um denselben Faktor reduzieren. Bei dieser Reduzierung des Volumens im stattfindenden Zerfall wirken implosionsartige Kräfte an der Umgebung. Bei den zu mischenden Flüssigkeiten resultiert dieses in einer unfreiwilligen, aber gewollten Mischung der Volumenelemente bis hin zur Reduzierung von Partikel- und Tröpfchendurchmessern. An den umgebenden Bauteilen wirken diese Kräfte oft negativ in Form von materialzerstörender Oberflächenerosion. Klassische Beispiele sind Pumpen, deren Wirkprinzip durch eine Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckseite besteht. Homogenisatoren arbeiten prinzipiell nach dem gleichen, wenn auch nach einem erweiterten Prinzip. Entscheidend ist in Systemen wie diesen, dass der materialbeeinflussende Kavitationsanteil möglichst komplett eliminiert wird, um das gesamte Energiepotential der Pump- und ggf. Mischeffizienz zur Verfügung zu stellen. Für Betreiber:innen ist es daher von großem Interesse, kritische Betriebszustände frühzeitig zu erkennen und Betriebsstrategien zu entwickeln, die die Beanspruchung von Komponenten reduzieren und ihre Standzeiten erhöhen.
Ansprechperson
Prof. Dr. Benedikt Klobes
Professor für Physik, Materialtechnik und Mathematik
Mail: bklobes@hs-bremerhaven.de
Mit Begeisterung studieren, lehren und forschen – dafür steht die Hochschule Bremerhaven. In mehr als 20 praxisnahen und innovativen Studiengängen profitieren die rund 3.000 Studierenden von der engen Zusammenarbeit mit der regionalen Wirtschaft und modernen Lehr- und Lernansätzen. Die zahlreichen Forschungsaktivitäten der „Hochschule am Meer“ wurden bereits vielfach ausgezeichnet und unterstützen nachhaltige Entwicklungen in der Region und darüber hinaus.
Pressekontakt: Hochschule Bremerhaven Nadine Metzler An der Karlstadt 8 27568 Bremerhaven nmetzler@hs-bremerhaven.de presse@hs-bremerhaven.de