Post on 18-Sep-2018
1Betrieb von Pumpen
Betrieb von Kreiselpumpen
Dr. Dirk KollmarKSB AG, Frankenthal
dirk.kollmar@ksb.com
2Betrieb von Pumpen
Agenda
Kreiselpumpen und ihre KennlinienBetrieb bei Teil- und ÜberlastAbdrehen von LaufrädernKavitationMindestmengeGasbeladene MedienFeststoffbeladene MedienMechanische Störungen
3Betrieb von Pumpen
Hauptkomponenten einer Kreiselpumpe
Schaufeln – Laufrad – Welle
Schaufeln Radscheibe
Welle
Laufrad Antrieb
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
4Betrieb von Pumpen
Hydraulische Kräfte
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
5Betrieb von Pumpen
Energieumsetzung im Laufrad
wc
u
cu
r
Tw
ω
Ptech1,2 = ρQLa Δ(ucu)
mLa = ρQLa = ρcmA
Δ(ucu) = Ptech1,2 / ρQLa
cm = QLa / A
Ptech1,2 = Tw ω
cm
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
6Betrieb von Pumpen
Strömung im Laufrad
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
Laufradabströmung:
Konstanter Drall:r2 cu2 = r cu
Kontinuitätsgleichung:(ρ = const)r2 cm2 = r cm
tgα = cm2/cu2 = cm/cu
d.h. α = const
cm
cu
c
cm2
cu2
c2
7Betrieb von Pumpen
Laufrad und Spirale
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
8Betrieb von Pumpen
Laufrad und Leitrad
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
9Betrieb von Pumpen
Betriebspunkt „Stoßfreier Eintritt“
β1
β1,s
cm1 = cm
w1
u1
β1,s = β1
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
10Betrieb von Pumpen
Betriebspunkt „Teillast“
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
SS = SaugseiteDS = Druckseite
β1s
w1
u1
c1 = cm1
SSDS
11Betrieb von Pumpen
Betriebspunkt „Überlast“
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
SS = SaugseiteDS = Druckseite
β1s
w1c1 =cm1
u1
SSDS
12Betrieb von Pumpen
Hydraulische Verluste im Laufrad
Q
Reibungsverluste
y, u
x
StoßverlusteHv
Hv, Stoß
Hv, Rbg
QstoßfreiSource: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
13Betrieb von Pumpen
Reale Kennlinie einer Kreiselpumpe
H
QQDesign
Ideale Kennlinie nach EulerEinfluss der endlichen Schaufelzahl
Reibungsverluste HLfr~ Q2
Stoßverluste HLshock~ (Qdesign - Q)2
Spaltverluste QSP~ H
14Betrieb von Pumpen
Spaltverluste in Kreiselpumpen
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
Q = QLa - QSpalt
H
Q
Q
QSpalt
QLa
H = const
H = H (QSpalt = 0)
H = H (Qspalt ≠ 0)
Q
Q
QSpalt
QLa
15Betrieb von Pumpen
Leistung und Wirkungsgrad
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
H
QLa
Htheo, La
H
Qopt
Qopt
QLa
QLa
η
PPWelle
PTeillast
Pmech
PSRbg
PLa
ω = const
16Betrieb von Pumpen
Reale Kennlinie
FörderhöheHeadHauteurAltura
LeistungsbedarfPump inputPuiss, abs.Potencia nec.
H [m]
P [kW]
H [ft]
P [HP]
17Betrieb von Pumpen 17
Theoretische Wirkungsgrade von Pumpen
Der erreichbare Wirkungsgrad ist abhängig von der spezifischen Drehzahl nq.
3/4q HQnn = [ ]1/min mit n in [1/min ], Q in [m3/s], H in [m]
Side channel impeller Radial impellers Mixed flow impellers Axial impellernq = 4 to 12 nq = 8 to 45 nq = 40 to 160 nq = 110 to 400
Q ≥ 2000 m3/h
Side channel impeller
≤ 25
2050
125 250 630
0.95
0.85
0.75
0.65
0.55
0.45
0.35
4 5 6 7 8 10 20 30 40 50 60 100 200 300
Wirk
ungs
grad
nq [min-1]
18Betrieb von Pumpen
Betrieb bei Teil- und Überlast
19Betrieb von Pumpen
Druckverteilung längs einer Laufradschaufel
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
Optimum
Q = constn = const
p
x
pS
pmin
DS
SS
Teillast
Q = constn = const
p
x
pS
pmin
DS
SS
Überlast
Q = constn = const
p
x
pS
pmin
DSSS
SS
DSDSSS
20Betrieb von Pumpen
Betrieb außerhalb des Optimums
Zunge der Spirale Zunge der Spirale
FR
ε
Druckverteilung am Laufradumfang Q < QDesign
Spirale und idealesStrömungsprofil Q < QDesign
Druckverteilung am Laufradumfang Q < QDesign
Spirale und idealesStrömungsprofil Q < QDesign
P(ε)
P(ε)
ε
FRZunge der Spirale
Zunge der Spirale
Spirale bei Teillast Spirale bei Überlaste
Bei Fördermengen außerhalb der hydraulischen Auslegemenge passen Laufradund Spirale nicht zusammen
Durch die ungleiche Druckverteilung entsteht eine Radialkraft FR
21Betrieb von Pumpen
Betriebspunkt und LebensdauerBetrieb im Optimum spart Energie und erhöht die Lebensdauer
21
Quelle: Judy Hodgson (Du Pont): “Predicting Maintenance Costs Accurately”, Pumps & Systems, April 2004
% F
örde
rhöh
e
% Förderstrom
Austausch-wirbel
Teillast-wirbel
Laufradverschleiss
Kürzere Lebensdauer
Lager und GLRD
Kavitation
Überhitzung
Kürzere Lebensdauer Lager und GLRD
Kennlinie
Kavitation
0.53*η
0.92*η
Zuverlässigkeits-kurve
Normal: -30%..+15%
Gut: -20%..+10%
Ideal =-10% ..+5% vom Optimum
% L
eben
sdau
er
Lebensdauer~ MTBF
0.1*η
η
22Betrieb von Pumpen
Realer Betrieb von Pumpen
22
Laufzeit [h]
PumpenQ/Qopt Source: ReMain research project, 65
pumps, 21 May – 10 June 2009
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 010
2030
4050
6070
23Betrieb von Pumpen
Radialkräfte bei verschiedenen Gehäuseformen
FR = f (q) Bei Spiralgehäusepumpen bestimmt die Gehäuseform die Radialkraftin Höhe und Verlauf über der Menge
FR FR FR FR
Fördergrad q = Q/Q opt Q/Q opt Q/Q opt Q/Q opt
Spirale konzentrisch DoppelspiraleSpirale/konzentrisch
24Betrieb von Pumpen
Zusammenfassung zu Kennlinien
Betrieb außerhalb des Optimums ist unvermeidlich –die Dauer dieses Zustands kann jedoch minimiert werden
H
η Q
QBEPQ
TeillastwirbelRadialkraftAxialkraftVIBRATION
Part Load
n = nA = const
ÜberlastRadialkraftAxialkraftVIBRATION
KAVITATION
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
25Betrieb von Pumpen
Energy ▪ Industry ▪ Building Services ▪ Water ▪ Waste Water ▪ Mining
Abdrehen von Laufrädern
26Betrieb von Pumpen 26
Laufradabdrehen: Einfache Formel
ØD
t
ØD
r
t
r
t
r
t
r
HH
DD
==⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛2
27Betrieb von Pumpen 27
Laufradabdrehen: Formel nach ISO 9906
ØD
t
ØD
r
ØD
1
(Dr2 – D1
2)/(Dt2 – D1
2) = Hr/Ht = (Qr/Qt)2
ISO 9906 Formel
28Betrieb von Pumpen 28
Teilweise enorme Leistungseinsparung
Motor 55 kW Laufrad 55 kW
0
20
40
60
179 181 185 189 192 195 199 203 207 211 215 219Laufraddurchmesser [mm]
Leis
tung
[kW
]
Motor 55 kW Laufrad 46 kWMotor 45 kW Laufrad 46 kW
9 kW x 6.000 h x 0,09 € / kWh = 4.860 € pro Jahr
Baugröße 100-200
29Betrieb von Pumpen 29
Abgedrehte Laufräder bieten durchschnittlich 10% Leistungseinsparung
29
Baugröße 100-200
0
20
40
60
179 181 185 189 192 195 199 203 207 211 215 219
Abdrehdurchmesser [mm]
Leis
tung
[kW
]
%2245
4555=
−kW
kWkW
%2330
3037=
−kW
kWkW
Zwischen 0 und 22% Wirkungsgradgewinnim Durchschnitt mehr als 10%
30Betrieb von Pumpen
Kavitation
31Betrieb von Pumpen
Dampfdrucktafel für Wasser
flüssig gasförmig
32Betrieb von Pumpen
Strömung entlang der Schaufel
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
SSDS
X
p
Q = constn = const
DS
SS
x
pS
pmin SS = SaugseiteDS = Druckseite
33Betrieb von Pumpen
Entstehung von Kavitation
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
ω ω ω
Q = constn = const
p
x
pS
pmin
pd
DS
SS
x x
p p
pS
pmin= pd
pSpmin= pd
DS DS
SSSS
DSSS
lkav
34Betrieb von Pumpen
Kollabieren der Gasblasen
MikrostrahlTorus
BeginnendeAbflachung
Einzelblase
Lebensdauer einer Blase t < 0.006 s
Implosionsdauer t ≤ 0.001 s
Maximaler lokaler Druck p ≤ 105 bar
Durchmesser des Strahls 3 - 5 μm
35Betrieb von Pumpen
Was ist die erforderliche Zulaufhöheoder Net Positive Suction Head (NPSH)?
Laufrad
S
D
Pumpe: NPSHerf. = NPSHR(equired)
System: NPSHvorh= NPSHA(vailable)
Generell: NPSHA ≥ NPSHR
36Betrieb von Pumpen
Was ist die erforderliche Zulaufhöheoder Net Positive Suction Head (NPSH)?
gρ
pv2ρpp
gρpp
NPSHD
2Satm.S
DabsS,tot,
⋅
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅++
=⋅−
=
Messquerschnitt
ps, tot
ρ • g • NPSH
pD
p0
p
X
Laufradeintrittskante
pD
pS
ppressure side
psuction side
pD
37Betrieb von Pumpen
Saugbehälter mit + 5 m (Hs)Der Behälter ist atmosphärisch + 10 m (Pe) Luftdruck entspricht
ungefähr 10m bei waterFörderung von Wasser bei 10 °C - 0.125m (Hvap) Dampfdruck von Wasser
bei 10 °C
Gleiche Anlage bei 90°C:Saugbehälter mit + 5 m (Hs)Der Behälter ist atmosphärisch + 10 m (Pe)Förderung von Wasser bei 90 °C - 7.41m (Hvap) Dampfdruck von Wasser
bei 90 °C
NPSH vorhanden beträgt 5 + 10 - 0.125 = 14.875 m
NPSH vorhanden beträgt 5 + 10 - 7.41 = 7.59 m
Ein Beispiel
38Betrieb von Pumpen
Welcher NPSH-Wert ist in der Praxis sinnvoll?
NPSHi, NPSH3 und Kurven konstanter Kavitationsintensität lBlin Abhängigkeit vom Betriebspunkt
NPSHi
NPSH3
lBl = x1
x2
x3
x4
x5x6
SSDS
SSDS
SSDS
SSDS
SSDS
SSDS
SSDS
SSDS
Q < Qopt Q = Qopt Q > Qopt
39Betrieb von Pumpen
Reale NPSHerf Kennlinie
FörderhöheHeadHauteurAltura
H [m]
NPSH [m]
H [ft]
NPSH [ft]
40Betrieb von Pumpen
NPSH erforderlich
41Betrieb von Pumpen
Kavitation und ihre Folgen für die Pumpe
Dampf versperrt teilweise den Schaufelkanal und begrenzt den statischen Druck auf den Dampfdruck. Die anschließende Kondensation kann die Pumpe beschädigen:
Hydraulik
FörderhöhenabfallWirkungsgradabfallDurchflussbegrenzung
Mechanik
SchallSchwingung
Material
ErosionKorrosion
42Betrieb von Pumpen
Betrieb in der Mindestmenge
43Betrieb von Pumpen
Warum Mindestmenge?
Kessel: 2kWVolumen: 1.5 lKochdauer: 4.5 min
PumpeLeistung @ Q=0: 8kWVolumen: 2.5 l
0102030405060708090
100
0 20 40 60 80 100 120
flow
head
/ po
wer
head
power absorbed
Die Mindestmenge verhindert das Überhitzen der Pumpe
Min
flow
Betrieb bei Mindestmenge
44Betrieb von Pumpen
Förderung von gasbeladenen Medien
45Betrieb von Pumpen
Herkunft von Gas in einem hydraulischen System
Leckage von Gas mit höherem DruckOberflächenwirbelAusgasen im Medium gelöster GaseGas von chemischen ReaktionenUnzureichende Entlüftung bei IB...
46Betrieb von Pumpen
Gasförderfähigkeit von Kreiselpumpen
Mit zunehmendem Gasgehalt sinkt die Förderhöhe der Pumpe. Dadurch sinkt die Fördermenge.
< 10% < 5%
< 5%
< 10%> 10%
n = const
Gasvolumen
Q
H
Hsystem
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
47Betrieb von Pumpen
Die Folgen von Gasmitförderung bei Kreiselpumpen
Förderhöhenabfall, Zusammenbruch der FörderungTrockenlauf der WellendichtungTrockenlauf mediengeschmierter GleitlagerHydraulische Unwucht
dynamische and statische KräfteSchall
Source: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern
48Betrieb von Pumpen
Mechanische Störungen
Axial-kräfte
Radial-kräfte
Fremderregte SchwingungenResonanzen
Unwucht
Feuchtigkeit
49Betrieb von Pumpen
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
50Betrieb von Pumpen
Optimierung der Rohrleitungsauswahl
51Betrieb von Pumpen
Das Design und die Auslegung einer Rohrleitung haben eine wesentliche Auswirkung auf die Lebens-zykluskosten eines Pumpensystems. Die
• Energiekosten
• Investitionskosten
werden unmittelbar beeinflusst.
Zwei Kernpunkte müssen bei der Auswahl der Rohrleitung unbedingt beachtet werden:
• Effizienz der Rohrleitung Auswahl der richtigenRohrleitungsdimension
• Druckstufe der Rohrleitung
Optimierung der Rohrleitungsauswahl
52Betrieb von Pumpen
Die Effizienz einer Rohrleitung
53Betrieb von Pumpen
H1 H2Q1 Q2
aus folgt
Berechnung der Rohrleitungseffizienz
konstantQQforHHη
211
2 ===
1
V21V H
H1HHH −=−= η
54Betrieb von Pumpen
Verbraucher
Länge der RohrleitungL = 250 m
OOffenes Systemffenes System
HHvv
Kundendaten: Q= 18 m3/h , H2= 20 m,2 Absperrarmaturen, 1 Rückschlagventil
H1
H2
Beispiel: Berechnung der optimalen Rohrleitungsdimension I
55Betrieb von Pumpen
0
20
40
60
80
0 10 20Fördermenge [m³/h]
Förd
erhö
he [m
]
P = 4,0 kW
Rohrleitung DN 50 v = 2,5 m/s
%4544241 =−=
mm
Rohrη
DN 50
Rohrleitung DN 80 v = 0,8 m/s
%832441 =−=
mm
Rohrη
0
20
40
60
0 10 20
P = 1,8 kW
Fördermenge [m³/h]
Förd
erhö
he [m
] DN 80
Beispiel: Berechnung der optimalen Rohrleitungsdimension II
56Betrieb von Pumpen
Lebe
nszy
klus
kost
en
Rohrleitungsgröße²
Energie
Investitionen
Gesamtkosten
D2opt
Optimierung der Lebenszykluskosten
Die Auswahl der Rohrleitung sollte auf einer detaillierten Lebenszyklus-Kostenberechnung basieren, die sowohl die Kosten für Energieverbrauch, Instandhaltung sowie für die Investition berücksichtigt.
Rohrleitungskosten steigen mit D²Energieverbrauch der Rohrleitung sinkt mit 1/D
57Betrieb von Pumpen
Optimale Druckstufe der Rohrleitung
58Betrieb von Pumpen
Druckstufe einer Rohrleitung
Rohrleitungen haben standardisierte Druckstufen, z.B. PN 6, PN 10, PN 16.Die benötigte Druckstufe hängt vom Pumpeneingangsdruck, der maximalen Nullpunktförderhöhe der Pumpe sowie des kalkulierten Sicherheitsfaktors ab, der üblicherweise bei 30% liegt.Die maximale Nullpunktförderhöhe einer Pumpe liegt in einem offenen System für eine Rohrleitungsdruckstufe PN 10 bei 7,7 bar (10 bar / 1,3)
Förd
erhö
he [m
]
Fördermenge [m³/h]
59Betrieb von Pumpen
Die größere und teurere Etanorm 50-250 erlaubt die Auswahl einesRohrleitungssystem mit der Druckstufe PN 10, während die kleinereEtanorm 40-250 ein PN 16-System voraussetzt.
Die Nullpunktförderhöhe einer Pumpe kann die benötigte Rohrleitungs-klasse wesentlich beeinflussen!
Nutzung von EasySelect zur Bestimmung der benötigten Rohrleitungsdruckstufe II
Förd
erhö
he[m
]
Fördermenge [m³/h]
60Betrieb von Pumpen
Zusammenfassung
Die optimale Rohrleitungsauswahl eines Pumpensystems basiert auf einer detaillierten Lebenszyklus-Kostenberechnung, die sowohl die Kosten für Energieverbrauch, Instandhaltung sowie für die Investition berücksichtigt. Zwei wesentliche Punkte sind zu berücksichtigen:
Rohrleitungsdimension:Eine vergleichende Berechnung der Rohrleitungseffizienz optimiert die Auswahl der Rohrleitungsdimension und damit die Energiekosten.
Rohrleitungsdruckstufe:Eine optimierte Pumpenauswahl kann die Druckstufe der benötigten Rohrleitung reduzieren und somit die erforderlichen Investitionskosten für Rohrleitungen, Ventile und Wärmetauscher wesentlich senken.
Mit EasySelect steht eine geeignete Software zur Verfügung, die die nötigen Informationen zur optimierten Rohrleitungsauswahl bietet.