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KLIMAhaus Klima- und

Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik

Folie Nr. 1 von 30

Grundlagen der Hydraulik –

Schulung am 16.11.2012

Dipl.- Ing. Christoph Brandt

KLIMAhaus Klima- und Gebäudetechnik GmbH



Folie Nr. 2 von 30

Bedeutung des Themas Hydraulik

Sonstiges 2%

Straßenverkehr 24%

INDUSTRIE 42%

Landwirtschaft 2%

Wohnung 30%

Stromverbrauch in der EU

Andere 32%

PUMPEN 30%

Druckluft, Kälte

Kompressoren 24%

Ventilatoren 14%

Stromverbrauch in der Industrie

Die Industrie verbraucht mit Abstand am meisten

elektrische Energie.

Innerhalb der Industrie sind die Pumpen die größten

Energieverbraucher.

Stromverbrauch

Energieeffizienz - das zentrale Thema des 21. Jahrhunderts

Bildnachweis: KSB



Folie Nr. 3 von 30

Bedeutung des Themas Hydraulik

Bildnachweis: Imtech



Folie Nr. 4 von 30

Grundlagen zur Hydraulik - Energietransport

Größe:

Formel-

zeichenEinheit Berechnungsformel

Wärmeleistung

Massenstrom

Spez. WärmekapazitätWasser 20 °C; 4.190 J/(kg x K);

Ethylenglykol 40/60%; 20 °C; 3.560 J/(kg x K)

Fließgeschwindigkeit

Volumenstrom

Rohrquerschnitt

Dichte

Formeln zum Energietransport

cmQ...

Q W

)/( KkgJ C

vAVm...

m skg /

2

...

4

id

m

A

m

A

Vvv sm /

vAm

V

..

.

V hm /³

2

4idA

A ²m

V

mbzw

V

m.

.

³/ mkg



Folie Nr. 5 von 30

Grundlagen zur Hydraulik - Energietransport

Spez. Wärmekapazität von Wasser- / Ethylenglykolgemischen:

Bildnachweis: Tyfo



Folie Nr. 6 von 30

Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz (geschl. System)

Größe:

Formel-


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

Rvd

l

i

pR 2

2

eR

i

e

dvR

)/,( kdRf e

pR Pa lRpR

pR PamN ²/

eR

64

sm /² 610006,1:20 CWasser



Folie Nr. 7 von 30

Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz

Moody-Colebrook-Diagramm

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



Folie Nr. 8 von 30


Rohrreibungstabelle (Beispiel) Nahtloses Stahlrohr nach DIN 2448 (k = 0,045 mm, t = 60 °C)



Folie Nr. 9 von 30


Rohrreibungstabelle (Beispiel) Nahtloses Stahlrohr nach DIN 2448 (k = 0,045 mm, t = 60 °C)



Folie Nr. 10 von 30

Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz

Größe:

Formel-


Druckverlust durch

Einzelwiderstände

Einzelwiderstände - Addition aller Einzelwiderstände je TS

Druckverlust gesamt

Druckverlust über

kvs-Wert (Ventile)

bei bekanntem kvs-Wert

Druckverlust aus

geodätischer Höhe m(bei geschlossenen Systemen nicht relevant)

Formeln zur Rohrnetzberechnung

Pa

100]/³[

2

kvs

hmQpv

Z

pges

pv

pgeo

kPa

ZpRpges Pa

gh geopgeo

2

2vZ



Folie Nr. 11 von 30

Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz

Druckverluste durch Einzelwiderstände



Folie Nr. 12 von 30

Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz (geschlossen)

Entgegen des SI-Einheitenystems werden für Rohrnetz-

und Pumpenauslegung abweichende Formelzeichen

verwendet:

= Förderstrom in

= Förderhöhe in

...]³

;³

;;[h

m

s

m

s

l

h

lQ

H m



Folie Nr. 13 von 30

Grundlagen zur Hydraulik – Pumpen

Wirkungsgrad

zu

ab

P

PWirkungsgrad η =



Folie Nr. 14 von 30

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 %



Folie Nr. 15 von 30

Grundlagen zur Hydraulik – Parallelschaltung

Bildnachweis: KSB

einzelparallel QQ 2



Folie Nr. 16 von 30

Grundlagen zur Hydraulik – Energetische Optimierung

Affinitätsgesetze aus der

Ähnlichkeitsmechanik:

Lineare Zunahme/Abnahme

des Förderstroms bei linear

ansteigender/fallender Drehzahl

Quadratische Zunahme/Abnahme

der Förderhöhe bei linear


Kubische Zunahme/Abnahme

der Leistungsaufnahme bei linear


Für die Anlagenkennlinie gilt:

Nutzung der Einsparpotentiale setzt variable Fördermengen voraus!

3

1

2

3

1

2

12

Q

Q

n

nPP

Leistungsaufnahme

Q2 Q1 n2

n1

Förderstrom

80% Drehzahl heißt 80% Förderstrom,

50% Drehzahl heißt 50% Förderstrom.

2

1

2

2

1

2

12

Q

Q

n

nHHFörderhöhe

64% Förderhöhe,

25% Förderhöhe.

und nur 51 % Leistungsaufnahme,

bzw. 12,5% Leistungsaufnahme.



Folie Nr. 17 von 30

Grundlagen zur Hydraulik – Energetische Optimierung

Förd

erh

öhe H

m

Förderstrom Q m3/h

20

20

50

5 65

DN 50 DN 65 = ¼ HV

4~ dH4

2

dA;

A

Qc 2~ cH ;



Folie Nr. 18 von 30

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

D2 D2opt

Preis der Rohrleitung

(ggf. inkl. Isolierung)

Energieaufwand



Folie Nr. 19 von 30

Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen

Energieeinsparung

Umlenkschaltung



Folie Nr. 20 von 30


Energieeinsparung

20 40 Q [%]

H [%]

160

140

120

100

80

60

40

20

0 60 80 100

20 40 Q [%]

PW [%]

120

100

80

60

40

20

0 60 80 100

Pumpenkennlinie

Anlagenkennlinie

(Volllast)

B1

Anlagenkennlinie

(Teillast)

B2 Eindrosseln

Förderhöhen-

überschuss

Förderhöhen-

bedarf

Leistungseinsparung

PW2

PW1

Drosselschaltung

Bildnachweis: KSB



Folie Nr. 21 von 30

Grundlagen zur Hydraulik – Drehzahlregelung

Leistungsanpassung P1: 5.0 kW bis 15 kW

Konstantdruckregelung

Bildnachweis: Grundfos



Folie Nr. 22 von 30

Energieeinsparung

Grundlagen zur Hydraulik – Drehzahlregelung

Proportionaldruckregelung Konstantdruckregelung Konstantkennlinie



Folie Nr. 23 von 30


Merkmale:

konstanter Volumenstrom sekundär

keine Rücklaufanhebung

variabler Primärwasserstrom

kein Vordruck erforderlich

(druckloser Verteiler)

Beimischschaltung



Folie Nr. 24 von 30


Merkmale:

konstanter Durchfluss im Primär- und

Sekundärkreis

Rücklauftemperaturanhebung

geeignet zur Temperaturmischung

kurze Reaktionszeit

konstantlaufende Hauptpumpe erforderlich

(druckbehafteter Verteiler)

Einspritzschaltung mit

3-Wege-Ventil



Folie Nr. 25 von 30


Merkmale:

variable Wassermenge primärseitig

geeignet für variable und konstante Wasser-

menge sekundärseitig

unterschiedliche Temperaturen primär-

und sekundärseitig möglich

Hauptpumpe erforderlich

(druckbehafteter Verteiler)

Ablaufschaltung oder

Einspritzschaltung mit

2-Wege-Ventil



Folie Nr. 26 von 30

Grundlagen zur Hydraulik – Abgleich

Bildnachweis: Recknagel

Druckverlauf Zweirohranlage Druckverlauf bei der

Tichelmannschen Rohrverlegung



Folie Nr. 27 von 30


Bildnachweis: Danfoss

Statischer Strangabgleich

Voreinstellbares Thermostatventil Strangregulierventil

Bildnachweis: Oventrop

statischer Abgleich für Auslegungsfall,

im Teillastbetrieb wirkungslos

max. Druckdifferenz beachten (Geräusche)

kaum zusätzlicher Druckverlust

dp

mkv

.



Folie Nr. 28 von 30


Statischer Abgleich

im Teillastbetrieb D

ru

ckverlu

st Dp

[m

bar]

0,5

100

Dru

ckverlu

st Dp

[m

bar]

0,5

100 Volumenstrom Q [l/h] 200

2

2)(NN Q

Q

H

H



Folie Nr. 29 von 30


Dynamischer Abgleich:

Bei Anlagen mit unterschiedlichen Verbrauchern bzw. großen Rohrnetzen sollte der

dynamische Abgleich gewählt werden

Abgleich begrenzt Differenzdruck an den

Verbrauchern

keine Geräuschbildung

Einmalige Einstellung, Umbauten

erfordern keine Nachregulierung

Höhere Differenzdrücke erforderlich

(große Unterschiede bei den

marktverfügbaren Ventilen)!

Bildnachweis: IKZ-Haustechnik



Folie Nr. 30 von 30

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit

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