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Institut für hydraulische Strömungsmaschinen, Prof. Jaberg
Innovative Technologien zur Steigerung derBetriebssicherheit von Membranpumpen
Praktikerkonferenz 16.-18. April 2007
Matthias Sauter, LEWA GmbH
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Übersicht
LEWA GmbH
Funktionsweise von Kolbenmembranpumpen
Besonderheiten bei der Rohrleitungsauslegung
Anwendungsbeispiel
Zusammenfassung
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LEWA – Ihr kompetenter Partner weltweit
Dosierpumpen
Prozess-Membranpumpen
Dosiersysteme
Kundenspezifische Anlagen
Serviceleistungen / After Sales
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LEWA – vom Familienunternehmen zur internationalen Gruppe
Hauptsitz und Produktionsstandort in Leonberg
Gründung 1952 durch Herbert Ott,in Familienbesitz bis September 2005
seit Oktober 2005 mit neuen Eigentümern(Deutsche Beteiligungs AG, Quadriga Capital)
15 internationale Vertriebsgesellschaften(zum Teil mit Montagetätigkeit)
in über 50 Ländern weltweit vertreten
Mitarbeiterzahl: 600
400 im Inland
200 im Ausland
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11%
6%
41%
39%
3%
Branchenübergreifende Pumpenexpertise
LEWA Branchen
Öl & Gas
Pharma &Kosmetik
Kunststoffe
Lebensmittel & Getränke
Chemie &Petrochemie
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LEWA Produkte in der Übersicht
Dosier-pumpen
Prozess-Membranpumpen
Anlagen-technik
Handels-produkte
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Übersicht
LEWA GmbH
Funktionsweise von Kolbenmembranpumpen
Besonderheiten bei der Rohrleitungsauslegung
Anwendungsbeispiel
Zusammenfassung
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Dosier-Membranpumpen
Triebwerk:Erzeugung einer
oszillierendenHubbewegung
Pumpenkopf : Fluiddosieren bzw. fördern
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Drucksteife Kennlinie
Kreiselpumpe
RotierendeVerdrängerpumpe
OszillierendeVerdrängerpumpe
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Erster Schritt: Ausgangspunkt ist die Kolbenpumpe
Funktionsweise Schritt für Schritt
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Zweiter Schritt: Einbau einer Membran
Funktionsweise Schritt für Schritt
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Funktionsweise Schritt für Schritt
Dritter Schritt: Membranführung und -abstützung, Leckerg änzungsventil
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Vierter Schritt: Druckbegrenzungsventil
Funktionsweise Schritt für Schritt
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Fünfter Schritt: Einbau einer Feder
Funktionsweise Schritt für Schritt
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LEWA ecoflow M900 mit DPS
movie
Diaphragm Protection System = Membransteuerung + Membranüberwachung
DPS ist patentiert .
Die Einspanntechnologie basiertauf den Erfahrungen mit den PTFEHochdruckpumpenköpfen
Die Membranen wurde in über700.000 Versuchsstundenerfolgreich erprobt
Die Membranfedern wurden füreinen Betrieb von über 40.000herfolgreich erprobt
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Übersicht
LEWA GmbH
Funktionsweise von Kolbenmembranpumpen
Besonderheiten bei der Rohrleitungsauslegung
Anwendungsbeispiel
Zusammenfassung
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Installation einer Dosierpumpe
1 Saugbehälter
2 Ansaugkorb
3 Absperrventile
4 Schmutzfänger
5 Pulsationsdämpfer
6 Manometer
7 Dosierpumpe
8 Sicherheitsventil
9 Druckbehälter
1
43 3
35
8
9
6
6
2
5 7
Rohrleitungssystem schematisch
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Vergleich verschiedenerFörderstrompulsationen
Zeit
Einzylinderpumpe ηv=0,95
Triplexpumpe ηv=0,95
Rotierende Verdrängerpumpe
Kreiselpumpe
V(t)
V(t)
V(t)
V(t)
Förderstrompulsation
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Triebwerkskinematik
Kolbenweg
Geschwindigkeit
Beschleunigung
Ku r b e lw in k e l
Kol
benb
esch
leun
igun
gK
olbe
nges
chw
indi
gkei
tK
olbe
nweg
Beschleunigung
Geschwindigkeit
Kolbenweg
Triebwerkskinematik
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Fluidkinematik
Saugseite Fördergrad = 100 %
Ku r b e lw in k e l
Flu
id B
esch
leun
igun
gF
luid
Ges
chw
indi
gkei
tF
luid
Weg
Fluidweg
Geschwindigkeit
Beschleunigung
Kinematik der Flüssigkeit in der Rohrleitung
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Überlagerung vonReibungsdruckverlust undMassendruckschwankungen ∆Pm
∆Pr
∆Pm + ∆Pr
Druckpulsation
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Fluidkinematik
druckseitig
Fördergrad = 100 %
Ku r b e lw in k e l
Flu
id B
esch
leun
igun
gF
luid
Ges
chw
indi
gkei
tF
luid
Weg
Fluidweg
Geschwindigkeit
Beschleunigung
Kinematik der Flüssigkeit in der Rohrleitung
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Überlagerung vonReibungsdruckverlust undMassendruckschwankungen
∆Pm
∆Pr
∆Pm + ∆Pr
Druckpulsation
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Druckpulsation in Abhängigkeit von Nennweite und Le itunsgslänge
kleine Nennweite - lange Leitung große Nennwe ite - kurze Leitung
∆Pm
∆Pr
∆Pm + ∆Pr
∆Pm
∆Pr
∆Pm + ∆Pr
Einflüsse auf die Pulsation
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Betriebskriterien
max. zul. Druck
Gegendruck
Saugdruck
Dampfdruck
Pumpe
Überlastung
Überförderung
Kavitation
Bewertung der Installation
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Pumpe und Rohrleitung als schwingfähiges System
L
X=0 X=L
Rohrleitung
ADd
Anlage
KontinuumOscillator
Pumpe
s t s tp p( ) sin≈ × ω
( , )ρ Ck
υ ζ= wa
m
x
Drosselcharakteristik aufgeprägteErregerschwingung
Resonanzzustände
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Theorie und Messung
0,1
1
10
100
0,1 1 10
Messung
Theorie
0.10.1
1
1
10
10
100
Kennwert ϕω
=L
a
Dru
ckke
nnw
ert
ψρ
ω=
∆p as p
π2
3
2
π 5
2
π
E1ϕ
E 2ϕ
E 3ϕ
υ = 0
Resonanzzustände
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Stehende Wellen im Resonanzzustand
1>>ϑ0=ϑ
n=1
n=1
n=2
n=2
n=3
n=3
2
π
2
3π
2
5π
π
π2
π3
LaE ⋅Ω=ϕ
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Eintrittsdruckverlust
und NPSH
NPSH = Net PositiveSuction Head[NPSH] = m
Eintrittsverlust und NPSH
Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 31
Eintrittsdruckverlust
und NPSH:
Eintrittsverlust und NPSH
∆ ∆ ∆ ∆ p i : Eintrittsdruckverlust in Pascal (= N/m² = bar * 10 ^5)
ρ ρ ρ ρ : Dichte der Dosierflüssigkeit in kg/m³ (= g/ml * 1000 )
g : Erdbeschleunigung 9.81 m/s²
NPSHR = p i
g⋅⋅⋅⋅∆∆∆∆ρρρρ
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NPSH
NPSHR R = requiredNPSHA A = available
NPSHA > NPSHR
NPSHA und NPSHR
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Eintrittsdruckverlust
und NPSH
Eintrittsverlust und NPSH
pSFmin ≥≥≥≥ ∆∆∆∆ p i + ∆∆∆∆ p H + 0.4 bar a
pSFmin ≥≥≥≥ ∆∆∆∆ p i + p D
der grössere der beiden Drücke:
oder:
ist entscheidend für die Auslegung
Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 34
Eintrittsdruckverlust
und NPSH
Eintrittsverlust und NPSH
pSFmin ≥≥≥≥ ∆∆∆∆ p i + p D
Pumpenköpfe mit LEWA DPS:
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Übersicht
LEWA GmbH
Funktionsweise von Kolbenmembranpumpen
Besonderheiten bei der Rohrleitungsauslegung
Anwendungsbeispiel
Zusammenfassung
Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 36
Anwendungsbeispiel: Fördern von Gelatinelösung
Anforderungen Keimfreie Förderung von Gelatinelösung
Betriebsdruck: max. 50bar
Volumenstrom: 1217 l/h für den Produktionsprozess, 24 34l/h für denReinigungsprozess
Viskosität: 1500mPas
Prozesstemperatur: 50°C
CIP/SIP/DIP-fähige Reinigungmit Heißwasser/Dampf von 140°C
pSFmin = 0.60 bar(abs)
pTfl ≈ 0 bar(abs)
Zulaufhöhe ist ausreichend :
entspricht NPSHR
entspricht NPSHA
NPSHA > NPSHR
Fördern von Gelatinelösung mit LEWA ecoflow M900 mi t DPS
∆pE = 0.6 bar
pSFmin = 1.22 bar(abs)
pTfl ≈ 0 bar
Zulaufhöhe nicht ausreichend:
entspricht NPSHR
entspricht NPSHA
NPSHA < NPSHR
Fördern von Gelatinelösung konventioneller Membranp umpenkopf
pkrit. Hydraulik ≈ 0.4 bar
∆pE = 0.6 bar
∆pH = 0.22 bar
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Investitionskosteneinsparung
Konventionelle Technik LEWA ecoflow M900
Inve
stiti
onsk
oste
n
Kosten für dieVordruckpumpe
Membranpumpe
30% - 40%Investitionskosteneinsparungdurch LEWA ecoflow
Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 40
Zusammenfassung
Grundvoraussetzung für einen sicheren Betrieb ist eine sichereBasistechnologie
Die Auslegung der Rohrleitungen für oszillierende Ver drängerpumpen, erfordertbesondere Kenntnisse und Rechenverfahren
Rohrleitungsinstallation und Betriebsweise der Pumpe müssen sauber aufeinander abgestimmt sein
Mit DPS wurde eine Pumpenkopftechnologie entwickelt, die einerseits einenentscheidenden Sicherheitsvorsprung bietet
DPS erlaubt aber auch wirtschaftlichere Rohrleitungsau slegungen wegen desunübertroffenen Saugverhaltens