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1Betrieb von Pumpen

Betrieb von Kreiselpumpen

Dr. Dirk KollmarKSB AG, Frankenthal

[email protected]

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


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


6Betrieb von Pumpen

Strömung im Laufrad


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


8Betrieb von Pumpen

Laufrad und Leitrad


9Betrieb von Pumpen

Betriebspunkt „Stoßfreier Eintritt“

β1

β1,s

cm1 = cm

w1

u1

β1,s = β1


10Betrieb von Pumpen

Betriebspunkt „Teillast“


SS = SaugseiteDS = Druckseite

β1s

w1

u1

c1 = cm1

SSDS


Betriebspunkt „Überlast“


SS = SaugseiteDS = Druckseite

β1s

w1c1 =cm1

u1

SSDS


Hydraulische Verluste im Laufrad

Q

Reibungsverluste

y, u

x

StoßverlusteHv

Hv, Stoß

Hv, Rbg

QstoßfreiSource: D. H. Hellmann, TU Kaiserslautern


Reale Kennlinie einer Kreiselpumpe

H

QQDesign

Ideale Kennlinie nach EulerEinfluss der endlichen Schaufelzahl

Reibungsverluste HLfr~ Q2

Stoßverluste HLshock~ (Qdesign - Q)2

Spaltverluste QSP~ H


Spaltverluste in Kreiselpumpen


Q = QLa - QSpalt

H

Q

Q

QSpalt

QLa

H = const

H = H (QSpalt = 0)

H = H (Qspalt ≠ 0)

Q

Q

QSpalt

QLa


Leistung und Wirkungsgrad


H

QLa

Htheo, La

H

Qopt

Qopt

QLa

QLa

η

PPWelle

PTeillast

Pmech

PSRbg

PLa

ω = const


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]


Betrieb bei Teil- und Überlast


Druckverteilung längs einer Laufradschaufel


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


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


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


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


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


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



Energy ▪ Industry ▪ Building Services ▪ Water ▪ Waste Water ▪ Mining

Abdrehen von Laufrädern


Laufradabdrehen: Einfache Formel

ØD

t

ØD

r

t

r

t

r

t

r

HH

QQ

DD

==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛2


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


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


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%


Kavitation


Dampfdrucktafel für Wasser

flüssig gasförmig


Strömung entlang der Schaufel


SSDS

X

p

Q = constn = const

DS

SS

x

pS

pmin SS = SaugseiteDS = Druckseite


Entstehung von Kavitation


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


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


Was ist die erforderliche Zulaufhöheoder Net Positive Suction Head (NPSH)?

Laufrad

S

D

Pumpe: NPSHerf. = NPSHR(equired)

System: NPSHvorh= NPSHA(vailable)

Generell: NPSHA ≥ NPSHR


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


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


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


Reale NPSHerf Kennlinie

FörderhöheHeadHauteurAltura

H [m]

NPSH [m]

H [ft]

NPSH [ft]


NPSH erforderlich


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


Betrieb in der Mindestmenge


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


Förderung von gasbeladenen Medien


Herkunft von Gas in einem hydraulischen System

Leckage von Gas mit höherem DruckOberflächenwirbelAusgasen im Medium gelöster GaseGas von chemischen ReaktionenUnzureichende Entlüftung bei IB...


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



Die Folgen von Gasmitförderung bei Kreiselpumpen

Förderhöhenabfall, Zusammenbruch der FörderungTrockenlauf der WellendichtungTrockenlauf mediengeschmierter GleitlagerHydraulische Unwucht

dynamische and statische KräfteSchall



Mechanische Störungen

Axial-kräfte

Radial-kräfte

Fremderregte SchwingungenResonanzen

Unwucht

Feuchtigkeit


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


Optimierung der Rohrleitungsauswahl


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


Die Effizienz einer Rohrleitung


H1 H2Q1 Q2

aus folgt

Berechnung der Rohrleitungseffizienz

konstantQQforHHη

211

2 ===

1

V21V H

H1HHH −=−= η


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


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


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


Optimale Druckstufe der Rohrleitung


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

]



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

]



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.

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