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KLIMAhaus Klima- und

Gebäudetechnik GmbHGrundlagen der Hydraulik

Grundlagen der Hydraulik

Dipl.- Ing. Christoph BrandtKLIMAhaus Klima- und Gebäudetechnik GmbH



Bedeutung des Themas Hydraulik

Sonstiges 2%

Straßenverkehr 24%

INDUSTRIE 42%

Landwirtschaft 2%Wohnung 30%

Stromverbrauch in der EUAndere 32%

PUMPEN 30%

Druckluft, KälteKompressoren 24%

Ventilatoren 14%

Stromverbrauch in der Industrie

Die Industrie verbraucht mit Abstand am meisten elektrische Energie.Innerhalb der Industrie sind die Pumpen die größtenEnergieverbraucher.

Stromverbrauch

Energieeffizienz das zentrale Thema des 21. Jahrhunderts

Bildnachweis: KSB



Bedeutung des Themas Hydraulik

Bildnachweis: Imtech



Grundlagen zur Hydraulik - Energietransport

Größe:

Formel- zeichen

Einheit Berechnungsformel

Wärmeleistung

Massenstrom

Spez. Wärmekapazität Wasser 20 °C; 4.190 J/(kg x K); Ethylenglykol 40/60%; 20 °C; 3.560 J/(kg x K)

Fließgeschwindigkeit

Volumenstrom

Rohrquerschnitt

Formeln zum Energietransport

cmQ...

Q W

)/( KkgJ C vAVm

...m skg /

2

...4

idm

Am

AVvv sm /

vAmV

..

.V hm /³

2

4 idA

A ²m



Grundlagen zur Hydraulik - Energietransport

Spez. Wärmekapazität von Wasser- / Ethylenglykolgemischen:

Bildnachweis: Tyfo



Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz (geschl. System)

Größe:

Formel- zeichen


Rohrreibung (inkompressible Medien)

Rohrreibungszahl (laminare Strömung)

-(laminare Strömung bei Rohrströmung

praktisch nicht relevant)

Reynolds-Zahl Re ≤ 2.320 laminar ≥ 2.320 turbulent

-

kinematische Viskosität Tabellenwert, z.B.

Rohrreibungszahl (turbulente Strömung) -

div. Berechungsansätze, besser: Colebrook-Diagramm

Rohrreibung (vereinfachte Ermittlung)

Formeln zur Rohrnetzberechnung

Rvdl

ipR 2

2

eR

ie

dvR

)/,( kdRf e

pR Pa lRpR

pR PamN ²/

eR64

sm /² 610006,1:20 CWasser



Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz

Moody-Colebrook-Diagramm

Moody-Diagramm: Reibungsbeiwerte für Rohrleitungsströmungen als Funktion der Reynoldszahl Re und relativen Rauheit ks/D



Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz

Rohrreibungstabelle (Beispiel)



Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz

Größe:

Formel- zeichen


Druckverlust durch Einzelwiderstände

Einzelwiderstände - Addition aller Einzelwiderstände je TS

Druckverlust geamt

Druckverlust über kvs-Wert (Ventile)

bei bekanntem kvs-Wert

Druckverlust aus geodätischer Höhe

(bei geschlossenen Systemen nicht relevant)

Formeln zur Rohrnetzberechnung

Pa

mPa ,

100]/³[ 2

kvs

hmQpv

Z

pges

pv

pgeo

kPa

ZpRpges Pa

gh geopgeo

2

2vZ



Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz

Druckverluste durch Einzelwiderstände



Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz (geschlossen)

Entgegen des SI-Einheitenystems werden für Rohrnetz-und Pumpenauslegung abweichende Formelzeichen verwendet:

= Förderstrom in

= Förderhöhe in

...]³;³;;[h

ms

msl

hlQ

H m



Grundlagen zur Hydraulik – Pumpen

Wirkungsgrad

zu

ab

PPWirkungsgrad η =



Grundlagen zur Hydraulik – Pumpen

Wirkungsgrad – Kennfeld

Betrieb der Pumpe möglichst „in der Nähe“ des Wirkungsgrad-Bestpunktes !

Pumpen-Wirkungsgrad am Wirkungsgrad-

Bestpunkt:71,8 %

Pumpenwirkungsgrad am Betriebspunkt

41,5 %



Grundlagen zur Hydraulik – Parallelschaltung

Bildnachweis: KSB

einzelparallel QQ 2



Grundlagen zur Hydraulik – Energetische OptimierungAffinitätsgesetze aus derÄhnlichkeitsmechanik:

Lineare Zunahme/Abnahmedes Förderstroms bei linear ansteigender/fallender Drehzahl

Quadratische Zunahme/Abnahmeder Förderhöhe bei linear ansteigender/fallender Drehzahl

Kubische Zunahme/Abnahmeder Leistungsaufnahme bei linear ansteigender/fallender Drehzahl

Für die Anlagenkennlinie gilt:

Nutzung der Einsparpotentiale setzt variable Fördermengen voraus!

3

1

23

1

212

Q

Q

n

nPP

Leistungsaufnahme

Q 2 Q1 n 2

n 1

Förderstrom

80% Drehzahl heißt 80% Förderstrom,50% Drehzahl heißt 50% Förderstrom.

2

1

22

1

212

Q

Q

n

nHHFörderhöhe

64% Förderhöhe,25% Förderhöhe.

und nur 51 % Leistungsaufnahme,bzw. 12,5% Leistungsaufnahme.



Grundlagen zur Hydraulik – Energetische Optimierung

Förd

erhö

he H

m

Förderstrom Q m3/h

20

20

50

565

DN 50 DN 65 = ¼ HV

4~ dH4

2

dA;AQc 2~ cH ;



Grundlagen zur Hydraulik – Kostenoptimierung

Bildnachweis: KSB

Dimensionierung von Rohrleitungen:üblich: Richtwerte der Fließgeschwindigkeit als Ausgangsgröße zur Festlegung von D

besser: Kostenoptimierung von Investitions- und Energiekosten- Investitionskosten für Rohre gemäß Ci,Rohr = k · D2

- Energiekosten (Ce) über Verlustbeiwerte der Einzelkomponenten

)()(~ tHtQC VeLCC

D2D2opt

Preis der Rohrleitung(ggf. inkl. Isolierung)

Energieaufwand



Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen

Energieeinsparung

Umlenkschaltung




Energieeinsparung

20 40 Q [%]

H [%]

160

140

120

100

80

60

40

20

060 80 100

20 40 Q [%]

PW [%]

120

100

80

60

40

20

060 80 100

Pumpenkennlinie

Anlagenkennlinie(Volllast)

B1

Anlagenkennlinie(Teillast)

B2Eindrosseln

Förderhöhen-überschuss

Förderhöhen-bedarf

Leistungseinsparung

PW2

PW1

Drosselschaltung

Bildnachweis: KSB



Grundlagen zur Hydraulik – Drehzahlregelung

Leistungsanpassung P1: 5.0 kW bis 15 kW

Konstantdruckregelung

Bildnachweis: Grundfos



Energieeinsparung

Grundlagen zur Hydraulik – Drehzahlregelung

ProportionaldruckregelungKonstantdruckregelungKonstantkennlinie




Merkmale:

konstanter Volumenstrom sekundär

keine Rücklaufanhebung

variabler Primärwasserstrom

kein Vordruck erforderlich(druckloser Verteiler)

Beimischschaltung




Merkmale:

konstanter Durchfluss im Primär- undSekundärkreis

Rücklauftemperaturanhebung

geeignet zur Temperaturmischung

kurze Reaktionszeit

konstantlaufende Hauptpumpe erforderlich(druckbehafteter Verteiler)

Einspritzschaltung mit3-Wege-Ventil




Merkmale:

variable Wassermenge primärseitig

geeignet für variable und konstante Wasser-menge sekundärseitig

unterschiedliche Temperaturen primär-und sekundärseitig möglich

Hauptpumpe erforderlich(druckbehafteter Verteiler)

Ablaufschaltung oderEinspritzschaltung mit2-Wege-Ventil



Grundlagen zur Hydraulik – Abgleich

Bildnachweis: Recknagel

Druckverlauf Zweirohranlage Druckverlauf bei der Tichelmannschen Rohrverlegung




Bildnachweis: Danfoss

Statischer Strangabgleich

Voreinstellbares Thermostatventil Strangregulierventil

Bildnachweis: Oventrop

statischer Abgleich für Auslegungsfall,im Teillastbetrieb wirkungslos

max. Druckdifferenz beachten (Geräusche)

kaum zusätzlicher Druckverlustdpmkv.




Statischer Abgleich im Teillastbetrieb

QQN H

HN2

Dru

ckve

rlu

st D

p [

mb

ar]

0,5

100

Q

QN H

HN2

Dru

ckve

rlu

st D

p [

mb

ar]

0,5

100 Volumenstrom Q [l/h]200

2




Dynamischer Abgleich:Bei Anlagen mit unterschiedlichen Verbrauchern bzw. großen Rohrnetzen sollte der dynamische Abgleich gewählt werden

Abgleich begrenzt Differenzdruck an denVerbrauchern

keine Geräuschbildung

Einmalige Einstellung, Umbautenerfordern keine Nachregulierung

Höhere Differenzdrücke erforderlich(große Unterschiede bei denmarktverfügbaren Ventilen)!

Bildnachweis: IKZ-Haustechnik



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