Auslegung von Kreiselpumpen

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5., berarbeitete und erweiterte Auage 2005 107. 117. Tsd. November 2005 Gestaltung, Zeichnungen, Satz: KSB Aktiengesellschaft, Medienerstellung V51 ISBN 3-00-004734-4

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InhaltInhaltsverzeichnis 1 2 33.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.2 3.2.1 3.2.1.1 3.2.1.2 3.2.1.2.1 3.2.1.2.2 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.8 3.4.9 3.4.10 3.5 3.5.1 3.5.1.1 3.5.1.2 3.5.2 3.5.3 3.6

Formelzeichen, Einheiten und Benennungen ...................... 6 Pumpenbauarten .................................................................... 8 Auslegung fr die Frderung von Wasser ......................... 10Pumpendaten .......................................................................... 10 Frderstrom Q der Pumpe ...................................................... 10 Frderhhe H und Frderdruck p der Pumpe ....................... 10 Wirkungsgrad und Leistungsbedarf an der Pumpenwelle ....................................................................................... 10 Drehzahl ................................................................................. 11 Spezische Drehzahl nq und Laufradbauformen ...................... 11 Kennlinien der Pumpen ........................................................... 13 Anlagedaten ............................................................................ 16 Frderhhe HA der Anlage ...................................................... 16 Bernoulli-Gleichung ................................................................ 16 Druckverluste pv durch Strmungswiderstnde ....................... 18 Druckhhenverluste Hv in geraden Rohrleitungen .................. 18 Druckhhenverluste Hv in Armaturen u. Formstcken ............ 22 Kennlinien der Anlage ............................................................. 26 Auswahl der Pumpe ................................................................ 28 Hydraulische Auslegung.......................................................... 28 Mechanische Auslegung .......................................................... 29 Auswahl des Elektromotors .................................................... 29 Bemessung der Motorleistung ................................................. 29 Motoren fr wellendichtungslose Pumpen .............................. 31 Anfahrverhalten ...................................................................... 31 Betriebsverhalten und Regelung .............................................. 34 Betriebspunkt .......................................................................... 34 Frderstromregelung durch Drosseln ...................................... 34 Frderstromregelung durch Drehzahlverstellung ..................... 35 Parallelbetrieb von Kreiselpumpen .......................................... 36 Serienbetrieb (Hintereinanderschaltung) ................................. 38 Abdrehen von Laufrdern ....................................................... 38 Hinterfeilen von Laufradschaufeln .......................................... 39 Frderstromregelung mittels Vordrall...................................... 39 Frderstromregelung/-nderung durch Schaufelverstellung ..... 39 Frderstromregelung mittels Bypass ........................................ 40 Saug- und Zulaufverhltnisse .................................................. 41 NPSH-Wert der Anlage NPSHvorh .......................................... 41 NPSHvorh bei Saugbetrieb ........................................................ 43 NPSHvorh bei Zulaufbetrieb..................................................... 44 NPSH-Wert der Pumpe NPSHerf.............................................. 44 Korrekturmglichkeiten .......................................................... 45 Einuss von Verunreinigungen ................................................ 47 Besonderheiten bei der Frderung zher Flssigkeiten ... 48 Die Fliekurve......................................................................... 48 NEWTONsche Flssigkeiten................................................... 50 Einuss auf die Pumpenkennlinien .......................................... 50 Einuss auf die Anlagekennlinien ............................................ 54 NichtNEWTONsche Flssigkeiten .......................................... 54 Einuss auf die Pumpenkennlinien .......................................... 54 Einuss auf die Anlagenkennlinien .......................................... 55

44.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2

4

Inhalt5 66.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Besonderheiten bei der Frderung gashaltiger Flssigkeiten ......................................................................... 56 Besonderheiten bei der Frderung feststoffhaltiger Flssigkeiten ......................................................................... 58Sinkgeschwindigkeit ................................................................ 58 Einuss auf die Pumpenkennlinien .......................................... 59 Einuss auf die Anlagenkennlinien .......................................... 60 Betriebsverhalten..................................................................... 60 Langfaserige Feststoffe ............................................................ 61 Die Peripherie ....................................................................... 62 Aufstellungsarten der Pumpen ................................................. 62 Gestaltung des Pumpeneinlaufs ............................................... 63 Pumpensumpf ......................................................................... 63 Saugleitung ............................................................................. 64 Einlaufgestaltung bei Rohrgehusepumpen ............................. 67 Ansaughilfen ........................................................................... 68 Anordnung von Messstellen .................................................... 71 Wellenkupplungen .................................................................. 72 Belastung der Pumpenstutzen .................................................. 73 Technische Regelwerke............................................................ 73

77.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.3 7.4 7.5 7.6

8 9 10 11

Rechenbeispiele (fr alle Gleichungen mit fetter Positionsnummer) .......... 75 Weiterfhrende Literatur .................................................... 83 Technischer Anhang (Tabellen, Diagramme, Umrechnungen).................................................................... 84 Gesetzliche Einheiten, Auszug fr Kreiselpumpen ........... 94Seite Grundbauarten von Kreiselpumpen .......................................... 8 Bezugsdrehzahlen .................................................................... 11 Mittlere Rauhigkeitserhebungen k von Rohren in grober Abschtzung ................................................................ 20 Innendurchmesser, Wandstrke und Gewichte handelsblicher Stahlrohre ..................................................................... 20 Verlustbeiwerte in Armaturen verschiedener Bauarten.......... 23 Verlustbeiwerte in Krmmern und Kniestcken.................... 24 Verlustbeiwerte in Formstcken ...................................... 24/25 Verlustbeiwerte in bergangsstcken ................................... 25 Schutzarten fr Elektromotoren zum Schutz gegen Berhrung, Fremdkrpern und Wasser ...................................................... 30 Zulssige Schaltzahlen pro Stunde fr Elektromotoren ........... 30 Anlassmethoden fr Asynchronmotoren ................................. 32 Verdampfungsdruck, Dichte und kinematische Viskositt des Wassers bei Sttigungsdruck.................................................... 42 Einuss der topographischen Hhe auf die Jahresmittelwerte des Luftdrucks ..................................................................... 43 Mindestwerte fr ungestrte Rohrlngen bei Messstellen ........ 71

Verzeichnis der Tabellen

Tab. 1: Tab. 2: Tab. 3: Tab. 4: Tab. 5: Tab. 6: Tab. 7: Tab. 8: Tab. 9: Tab. 10: Tab. 11: Tab. 12: Tab. 13: Tab. 14:

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11 Formelzeichen, Einheiten und Benennungen A A a B cD cT D DN d ds d50 F f fH fQ f g H Hgeo Hs Hs geo Hz geo Hv H0 I K k k kv L Ls M NPSHerf NPSHvorh Ns n nq P pe PN m/s2 m m m m m m m A m2 m m, mm m, mm durchstrmter Querschnitt Abstand zwischen Messstelle und Pumpenansch Kanalbreite rechteckiger Krmmer Bodenabstand des Saugrohres Widerstandsbeiwert der Kugel in Wasserstrmung Feststoffkonzentration im Frderstrom Auendurchmesser, grter Durchmesser Nennweite Innendurchmesser, kleinster Durchmesser Korndurchmesser von Feststoffen mittlerer Korndurchmesser von Feststoffen Kraft Drosselbeiwert der Lochblende Umrechnungsfaktor fr Frderhhe (KSB-System) Umrechnungsfaktor fr Frderstrom (KSB-System) Umrechnungsfaktor fr Wirkungsgrad (KSB-System) Fallbeschleunigung = 9,81 m/s2 Frderhhe geodtische Frderhhe Saughhe geodtische Saughhe geodtische Zulaufhhe Verlusthhe Nullfrderhhe (bei Q = 0) elektrische Stromstrke type number (angelschs. spezische Drehzahl) mittlere absolute Rauhigkeit Umrechnungsfaktoren kQ, kH, k (HI-Verfahren) Verlustkennzahl bei Armaturen Rohrlnge gestreckte Lnge der luftgefllten Leitung Moment NPSH-Wert der Pumpe (erforderlich) NPSH-Wert der Anlage (vorhanden) spezische Drehzahl in den USA Drehzahl spezische Drehzahl (auch dimensionslos als bautypische Kennzahl des Laufrades) Leistung, Leistungsbedarf berdruck im Saug- bzw. Zulaufbehlter Nenndruck

(%) m (mm) (mm) m (mm) m (mm) m (mm) N

mm, m

m3/h m m Nm m m min1, s1 min1 kW (W) N/m2 (bar)

6

Formelzeichen, Einheiten und Benennungen

1Indices A a auf die Anlage bezogen am Austrittsquerschnitt der Anlage, abzweigend Bl auf die Bohrung der Lochblende bezogen d druckseitig, am Druckstutzen, durchieend dyn dynamischer Anteil E am engsten Querschnitt von Armaturen (Tab.5) E am Eintritt des Saugrohres oder der Saugglocke e am Eintrittsquerschnitt der Anlage, z. B. im Saugoder Zulaufbehlter f auf die Trgerssigkeit bezogen H horizontal K auf die Krmmung bezogen m Mittelwert max Maximalwert min Minimalwert N Nennwert opt Bestwert, im Punkt besten Wirkungsgrades P auf die Pumpe bezogen p auf den Druck bezogen r reduziert, bei ab- oder ausgedrehtem Laufrad s saugseitig, am Saugstutzen s auf den Feststoff (solid) bezogen stat statischer Anteil t bezogen auf das Laufrad vor dem Ab-/Ausdrehen V vertikal v auf die Verluste bezogen w auf Wasser bezogen z auf die zhe Flssigkeit bezogen zu auf den Zuuss bezogen 0 Ausgangsposition, auf die Einzelkugel bezogen 1, 2, 3 Zhlziffern, Positionen I, II Zahl der betriebenen Pumpen

p p pb pD pv Q Qa Qe qL R Re S s s T t U U VB VN v w y Z z zs,d

bar (Pa) bar (Pa) mbar (Pa) bar (Pa) bar (Pa) m3/s, m3/h m3/h m3/h % m (mm) m mm m Nm C m m m3 m3 m/s m/s mm 1/h m

Frderdruck, Druckdifferenz (Pa N/m2) Druck (Pa N/m2 = 105 bar) atmosphrischer Luftdruck Verdampfungsdruck der Frderssigkeit Druckverlust Frderstrom (auch in l/s) Frderstrom beim Ausschaltdruck Frderstrom beim Einschaltdruck Luft- bzw. Gasgehalt in der Frderssigkeit Radius REYNOLDS-Zahl berdeckung, Eintauchtiefe Wandstrke Hhendifferenz zwischen Mitte Laufradeintritt und Mitte Pumpensaugstutzen Drehmoment Temperatur Lnge der ungestrten Strmung benetzter Umfang des durchstrmten Querschnitts Volumen des Saugbehlters Nutzvolumen des Pumpensumpfes Strmungsgeschwindigkeit Sinkgeschwindigkeit von Feststoffen ffnungshub des Schiebers, Wandabstand Schaltzahl (Schalthugkeit) Stufenzahl Hhenunterschied zwischen Druck- und Saugstutzen der Pumpe Umlenkungswinkel, ffnungswinkel Neigungswinkel Verlustbeiwert Wirkungsgrad dynamische Viskositt Rohrreibungsbeiwert kinematische Viskositt Dichte Schubspannung Schubspannung an der Fliegrenze Temperaturfaktor, ffnungswinkel der Klappe, als cos Leistungsfaktor von Asynchronmotoren Druckziffer (dimensionslose Laufradfrderhhe)

f

(%) Pa s m2/s kg/m3 N/m2 N/m2

7

22 Pumpenbauarten Die Unterscheidungsmerkmale fr Kreiselpumpen ergeben sich aus den Auslegungsdaten (Frderstrom Q, Frderhhe H, Drehzahl n und NPSH), den Eigenschaften der Frderssigkeit, den technischen Anforderungen am Einsatzort und den dort geltenden Vorschriften durch Gesetze oder technische Regelwerke. Diese auerordentliche Vielfalt bedingt zahlreiche Bauarten, die im Pumpenbauprogramm von KSB angeboten werden. Die auffallendsten Baumerkmale der Grundbauarten sind die Stufenzahl (einstug / mehrstug), die Wellenlage (horizontal / vertikal), das Gehuse (radial z. B. Spiralgehuse / axial = Rohrgehuse), die Zahl der Laufradstrme (einstrmig / zweistrmig), die Benetzung des Motors (trockener Motor / Tauchmotor = innen trocken / Nasslufermotor = innen nass, z. B. Spaltrohrmotor, Unterwassermotor). Fr diese Baumerkmale, die im allgemeinen das Erscheinungsbild einer Baureihe bestimmen, sind nachstehend einige Beispiele abgebildet (Tabelle 1 und Bilder 1a bis 1p).

Pumpenbauarten (Beispiele)

Darber hinaus sind weitere Merkmale einer Kreiselpumpe die Aufstellungsart, die in Abschnitt 7.1 behandelt wird, die Nennweite (fr die Baugre, abhngig vom Frderstrom), der Nenndruck (fr die Wandstrken von Gehusen und Flanschen), die Temperatur (fr die Khlung von Wellendichtungen z. B.), das Frdermedium (abrasive, aggressive, giftige Flssigkeiten), die Laufradbauart (radial / axial je nach spezischer Drehzahl) die Fhigkeit zur Selbstansaugung,

Tabelle 1: Grundbauarten von Kreiselpumpen Stufenzahl Wellenlage Gehusebauart Zahl der Laufradstrme einstug horizontal 1 2 1 b c j vertikal 1 d k 2 1 e f l o mehrstug horiz. vertik. 1 g 1 h m p

die Gehuseteilung, die Stutzenstellung, ein Topfgehuse usw.

radial axial radial axial Stufengehuse

Motorbauart, Bild Nr. 1.. Trockener (Norm)-Motor a dto. mit Magnetantrieb i Tauchmotor (s. 3.3.2) Nasslufermotor (s. 3.3.2) n

a

b

8

Pumpenbauarten (Beispiele)

2

c

d

e

f

g

h

i

j

k

l

m

n

o

p

Bild 1 (a bis p) : Grundbauarten von Kreiselpumpen nach Tabelle 1

9

33 Auslegung fr die Frderung von Wasser Dieser Abschnitt gilt hauptschlich fr die Frderung von Wasser; die Besonderheiten bei der Auslegung anderer Frderssigkeiten werden in den Abschnitten 4, 5 und 6 behandelt. 3.1 Pumpendaten 3.1.1 Frderstrom Q der Pumpe Der Frderstrom Q ist das in der Zeiteinheit am Pumpendruckstutzen nutzbar gelieferte Volumen in m3/s (gebruchlich sind auch l/s und m3/h). Er verndert sich proportional mit der Pumpendrehzahl. Leckwasser sowie die pumpeninternen Spaltstrme zhlen nicht zum Frderstrom. 3.1.2 Frderhhe H und Frderdruck p der Pumpe Die Frderhhe H einer Pumpe ist die von ihr auf die Frderssigkeit bertragene, nutzbare mechanische Arbeit in Nm, bezogen auf die Gewichtskraft der gefrderten Flssigkeit in N, ausgedrckt in Nm/N = m (frher auch m Flssigkeitssule genannt). Sie ist proportional dem Quadrat der Drehzahl des Laufrades und unabhngig von der Dichte der Frderssigkeit, d. h. eine bestimmte Kreiselpumpe frdert verschiedene Flssigkeiten (gleicher kinematischer Zhigkeit ) unabhngig von ihrer Dichte auf gleiche Frderhhen H. Diese Aussage gilt fr alle Kreiselpumpen.

Frderstrom Frderhhe Wirkungsgrad Leistungsbedarf

Die Pumpenfrderhhe H uert sich gem der BernoulliGleichung (siehe Abschnitt 3.2.1.1) in der Druckhhe Hp proportional zum Unterschied der statischen Drcke zwischen Druck- und Saugstutzen der Pumpe, in der geodtischen Hhe zs,d (Bilder 8 und 9), das ist der Hhenunterschied zwischen Druck- und Saugstutzen der Pumpe und in der Differenz der Geschwindigkeitshhen (vd2-vs2)/2g an Druck- und Saugstutzen der Pumpe. Fr die Druckerhhung p in der Pumpe (Lage der Druckmessstellen nach Abschnitt 7.3 beachten!) ist allein die Druckhhe Hp zusammen mit der Dichte der Frderssigkeit magebend nach der Gleichung p = g [H - zs,d - (vd2-vs2)/2g] (1) mit Dichte der Frderssigkeit in kg/m3, g H Fallbeschleunigung 9,81 m/s2, Frderhhe der Pumpe in m,

Q d

Frderstrom der Pumpe am jeweiligen Stutzen in m3/s, Innendurchmesser am jeweiligen Pumpenstutzen in m,

p Frderdruck in N/m2 (Zur Umrechnung in bar: 1 bar = 100 000 N/m2). Hohe Dichten erhhen also den Frderdruck und damit den Enddruck der Pumpe. Der Enddruck ist die Summe aus Frderdruck und Zulaufdruck und ist durch die Gehusefestigkeit begrenzt. Zu beachten ist weiterhin die Begrenzung der Gehusefestigkeit durch Temperatureinsse. 3.1.3 Wirkungsgrad und Leistungsbedarf P an der Pumpenwelle Der Leistungsbedarf P einer Pumpe ist die an der Pumpenwelle oder -kupplung aufgenommene mechanische Leistung in kW oder W; er ist proportional der dritten Potenz der Drehzahl und wird ermittelt nach einer der folgenden Formeln:

zs,d Hhenunterschied zwischen Druck- und Saugstutzen der Pumpe in m (siehe Bilder 8 und 9), vd Strmungsgeschwindigkeit im Druckstutzen = 4 Q/dd2 in m/s, vs Strmungsgeschwindigkeit im Saugstutzen = 4Q/ds2 in m/s,

10

Wirkungsgrad Leistungsbedarf Drehzahl spez. Drehzahl

3QH in kW 367 (2) Wasser (siehe unter Abschnitt 4) oder mit hherem Feststoffanteil (siehe unter Abschnitt 6) ist ein hherer Leistungsbedarf zu erwarten (dazu gehrt auch die Frderung von Abwasser, siehe unter Abschnitt 3.6). Die Dichte geht linear in den Leistungsbedarf P der Pumpe ein. Bei sehr hohen Dichten sind deshalb die zulssigen Hchstwerte der Motorbelastung (Abschnitt 3.3.3) und des Drehmomentes (wegen der Belastung von Kupplung, Welle und Passfedern) zu beachten!

P=

gQH in W

=

gQH in kW 1000

=

mit Q g H

Dichte in kg/m3 in kg/dm3 in kg/dm3 3 3 Frderstrom in m /s in m /s in m3/h Fallbeschleunigung = 9,81 m/s2, Frderhhe in m, Wirkungsgrad zwischen 0 und 2320 knnen die Zusammenhnge in hydraulisch glatten Rohren mit einer empirischen Gleichung von ECK wiedergegeben werden (bis zu Re 0. Bei hintereinandergeschalteten Rohrleitungen (Serienschaltung) werden die einzeln berechneten Anlagenkennlinien HA1, HA2 usw. ber Q aufgetragen und die jeweiligen Frderhhen miteinander addiert zu einer gemeinsamen Anlagenkennlinie HA = f(Q). Bei verzweigten Rohrleitungen werden die Anlagenkennlinien HA1, HA2 usw. der einzelnen

Rohrstrnge ab dem Verzweigungspunkt (bzw. bis zum Verzweigungspunkt) jede fr sich berechnet und ber Q aufgetragen; von allen parallel laufenden Strngen werden dann fr jede Frderhhe HA die jeweiligen Frderstrme Q1, Q2 usw. zu einer gemeinsamen Anlagenkennlinie HA = f(Q) miteinander addiert. Die beiden Abschnitte vor und nach dem Verzweigungspunkt mssen dann wie bei der Hintereinanderschaltung zusammengefasst werden.

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33.3 Auswahl der Pumpe 3.3.1 Hydraulische Auslegung Die zur Auswahl der Pumpengre bentigten Daten Frderstrom Q und Frderhhe H des gewnschten Betriebspunktes werden aus der Anlagenkennlinie als bekannt vorausgesetzt, die Netzfrequenz ist auch vorgegeben. Damit lassen sich aus einem Kennfeld der Verkaufsunterlage (auch Sammelkennfeld genannt, siehe Bild 17 oder 19) Pumpenbaugre, Pumpendrehzahl und ggfs. die Stufenzahl z auswhlen. Die weiteren Kenngren der ausgesuchten Pumpe, wie Pumpenwirkungsgrad , Leistungsbedarf P, NPSHerf (siehe Abschnitt 3.5.4) und Abdrehdurchmesser Dr knnen dann aus der entspreBild 18: Vollstndige Kennlinie einer Kreiselpumpe100Frderhhe

Hydraulische Auslegung (Auswahl)

70

60m 60

65

70

75

80

82,583,5

%

50

Laufrad 219 mm40

208

19930 26 8NPSH

77,5750 0 50 20 100 150 40 m3/h L/s 200 60

190

180250 290 80

180-2196 m 4 2,5 46 kW 40

219

208Leistungsbedarf

30

199

190

18020

10

0

50

100

150

m3/h

200

250

290

Frderstrom

10 9 H 8 7 m 6 50 5 40 4 30 20 3 2

10 9 8 7 6 5 4 3 2

7 6 5 4 3 2 4 3 2

10 Baugre 1 6 1 0,3 0,4 0,5 2 3 1 4 Baugre 2 5 2 Baugre 3 10 3 Baugre 4 Q m3/h 4 5 20 Q l/s 30

Bild 19: Sammelkennfeld einer Baureihe mehrstuger Pumpen bei n = 2900 min1

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Hydraulische Auslegung (Auswahl)

3Leistung der Antriebsmaschine bezogen auf den Leistungs- bedarf der Pumpe bei Auslegungsbedingungen in Prozent

chenden Einzelkennlinie ermittelt werden (Beispiel siehe Bild 18). Wenn keine besonderen Grnde fr eine andere Wahl vorliegen, ist der Betriebspunkt in die Nhe von Qopt (= Frderstrom im Punkt besten Wirkungsgrades) zu legen. Die Grenzen von Qmin und Qmax (z.B. wegen des Schwingungsverhaltens, wegen Geruschen sowie Radial- oder Axialkrften) sind in den baureihenspezischen Verkaufsunterlagen angegeben oder werden auf Rckfragen genannt [1]. Abschlieend sind die NPSHVerhltnisse nach Abschnitt 3.5 zu berprfen. Eine mehrstuge Pumpe wird nach den gleichen Vorgehensweisen ausgelegt; das Kennfeld enthlt als zustzliche Information neben den Baugren noch die jeweilige Stufenzahl (Bild 19). Bei hintereinandergeschalteten Pumpen (Serienbetrieb) werden die Frderhhen H1, H2 usw. der einzelnen Pumpenkennlinien (gegebenenfalls nach Abzug der zwischen ihnen liegenden Verluste) zu einer gemeinsamen Kennlinie H = f(Q) addiert. Bei parallel betriebenen Pumpen werden die einzelnen Kennlinien H1, H2 usw. = f(Q) zunchst um die Druckhhenverluste Hv1, Hv2 usw. bis zum Knotenpunkt reduziert (Berechnung von Hv nach Abschnitt 3.2.1.2) und ber Q aufgetragen; dann werden die Frderstrme Q der reduzierten Kennlinien miteinander zur gemeinsamen Kennlinie einer virtuellen Pumpe addiert. Diese arbeitet dann im Knotenpunkt mit der Kennlinie HA der restlichen Anlage zusammen.

150 % 140

130

120

110

100

1

5 10 50 kW 100 20 Leistungsbedarf der Pumpe bei Auslegungsbedingungen

Bild 20: Leistung der Antriebsmaschine in Abhngigkeit von der Auslegungsleistung der Pumpe im Betriebspunkt. Beispiel nach ISO 9905, 5199 und 9908 (Class I, II u. III) 3.3.2 Mechanische Auslegung Bei der Auslegung der Pumpe sind neben den hydraulischen auch mechanische Gesichtspunkte zu bercksichtigen. Sie betreffen z.B. den Einuss des maximalen Pumpenenddruckes und der Temperatur des Frdermediums auf bestimmte Einsatzgrenzen, die Auswahl der bestgeeigneten Wellendichtung mit etwaigem Bedarf an Khlung, die berprfung mglicher Schwingungen und Geruschemissionen, die Werkstoffauswahl hinsichtlich der Korrosions- und Verschleibedingungen unter Beachtung der Festigkeitsanforderungen und Temperaturgrenzen. Diese und hnliche Anforderungen sind oft branchen- oder sogar kundenspezisch und mssen unter Hinzuziehung der Erzeugnisdokumentation [1] oder der Fachabteilung behandelt werden. 3.3.3 Auswahl des Elektromotors 3.3.3.1 Bemessung der Motorleistung Bei Betrieb einer Kreiselpumpenanlage muss mit Abweichungen von der Nenndrehzahl und mit Volumenstromschwankungen und deshalb auch mit Vernderungen des Betriebspunktes (s. Abschnitt 3.4.1) gerechnet werden, die insbesondere bei steilen Leistungskennlinien (siehe Bilder 5 und 6c) einen gegenber den Ausgangsdaten unter Umstnden vergrerten Leistungsbedarf P der Pumpe bewirken. Deshalb rechnet man in der Praxis bei der Festlegung der Motorgre mit Sicherheitszuschlgen, die z.B. vom Besteller oder durch Technische Regelwerke vorgeschrieben werden, siehe Bild 20. Die von bestimmten Verbnden vorgeschriebenen Zuschlge sind der jeweiligen Baureihendokumentation zu entnehmen [1] oder durch Kundenspezikationen vorgegeben.

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3Bei energiesparenden Regelungsverfahren (z.B. Drehzahlregelungen) mssen die maximal mglichen Leistungsspitzen beachtet werden. Wird eine Pumpe fr eine Frderssigkeit ausgelegt, deren Dichte kleiner als die von Wasser ist, muss gegebenenfalls (z. B. bei der Prfung bzw. Abnahme auf dem Prffeld) die Dichte von Wasser bei der Leistungsermittlung zugrunde gelegt werden. Die typischen Wirkungsgrade und Leistungsfaktoren cos von Normmotoren IP 54 bei 50 Hz sind in Bild 21 angegeben, der Verlauf von Wirkungsgrad und Leistungsfaktor cos ber der relativen Motorbelastung P/PN in Bild 22. Tabelle 9 nennt die Schutzarten fr Elektromotoren zum Schutz gegen Berhrung, Fremdkrper und Wasser. Die besondere Erwrmung von Elektromotoren und auch von elastischen Kupplungen beim Anfahren sowie die vorzeitige Abntzung der Schaltschtze begrenzen die Schalthugkeit. Richtwerte fr die maximal zulssigen Schaltzahlen Z siehe Tabelle 10, falls nichts anderes vorgegeben wird. Tauchmotorpumpen (Bilder 1 j bis 1 m) sind fertigmontierte Aggregate, deren Motoren nicht besonders ausgelegt werden mssen [7]. Ihre elektrischen Daten gehen aus der Baureihenbeschreibung hervor. Der Motor ist innen mit Luft gefllt und kann dank einer meist doppelt wirkenden und mit Parafnl gesperrten Wellendichtung unter Wasser arbeiten.Wirkungsgrad Leistungsfaktor cos

Auswahl Elektromotor

Tabelle 9: Schutzarten fr Elektromotoren nach EN 60 529 und DIN/VDE 0530 T.5 zum Schutz gegen Berhrung, Fremdkrper und Wasser. Die Gehuseschutzart wird mit dem IP-Code in folgender Weise angezeigt: Code-Buchstaben (International Protection) IP Erste Kennziffer (Ziffern 0 bis 6 oder X bei Fehlanzeige) X Zweite Kennziffer (Ziffern 0 bis 6 oder X bei Fehlanzeige) X Wahlweise Buchstaben A, B, C, D und H, M, S, W nur fr besondere Zwecke. Bedeutung der Ziffern: Erste Stelle 0 1 2 3 4 5 6 Bedeutung fr den Schutz des Betriebsmittels gegen Eindringen von festen Fremdkrpern (nicht geschtzt) >50 mm Durchmesser >12,5 mm Durchmesser >2,5 mm Durchmesser >1,0 mm Durchmesser staubgeschtzt staubdicht Bedeutung fr den Schutz von Personen gegen Zugang zu gefhrlichen Teilen mit (nicht geschtzt) Handrcken Finger Werkzeug Draht Draht Draht

gegen Eindringen von Wasser mit schdlichen Wirkungen zweite 0 Stelle 1 2 3 4 5 6 7 8 (nicht geschtzt) senkrechtes Tropfen Tropfen (15 Neigung) Sprhwasser (60 Neigung) Spritzwasser (alle Richtungen) Strahlwasser starkes Strahlwasser (schwere See) zeitweiliges Untertauchen dauerndes Untertauchen

1,0

2 polig0,9

cos

0,8

4 polig

0,7

1

2

5

10

20

50

100

kW 300

Nennleistung PN

Bild 21: Typische Wirkungsgrade und Leistungsfaktoren cos von Normmotoren IP 54 bei 50 Hz ber der Motornennleistung PNTabelle 10: Zulssige Anlufe Z pro Stunde fr Elektromotoren Aufstellung des Motors Motoren bis 4 kW Motoren bis 7,5 kW Motoren bis 11 kW Motoren bis 30 kW Motoren ber 30 kW trocken 15 15 12 12 10 nass (Tauchmotoren) 30 30 10 10 10

30

Motoren fr wellendichtungslose Pumen Anfahrverhalten

3 Besondere Eigenschaften der Flssigkeit, wie Feststoffgehalt, Neigung zum Erstarren oder zur Polimerisation oder zur Bildung von Krusten und Belgen, mssen bei der Auslegung bekannt sein. Auch Unterwassermotorpumpen (U-Pumpen, meistens zur Wasserversorgung aus Brunnen) sind fertigmontierte Aggregate, deren Motoren nicht besonders ausgelegt werden mssen (Bild 1p). Bei ihnen sind Lufer und Wicklung vom Wasser benetzt [7]. Ihre elektrischen Daten und ihre zulssige Schalthugkeit gehen aus der Baureihenbeschreibung hervor [1]. 3.3.3.3 Anfahrverhalten Mit der Leistung P und der Drehzahl n ist das Drehmoment TP der Pumpe, das von der Wellenkupplung bertragen wird, direkt verbunden. Dieses Drehmoment hat beim Anfahren der Kreiselpumpe einen in Bild 23 dargestellten fast parabolischen Verlauf ber der Drehzahl [10]. Das vom Asynchronmotor angebotene Drehmoment muss dagegen grer sein, damit der Lufer bis zur Betriebsdrehzahl beschleunigt werden kann. Dieses Motordrehmoment hat zusammen mit der Spannung eine direkte Auswirkung auf die vom Motor aufgenommene Stromstrke und diese wiederum auf die Erwrmung der Motorwicklung; darum ist man bestrebt, durch Begrenzung der Anlaufzeit und/oder der Stromstrke unzulssige Erwrmungen des Motors zu vermeiden [2] (s. auch Tab. 11):

Bild 22: Verlauf von Wirkungsgrad und Leistungsfaktor cos von Normmotoren IP 54 ber der relativen Motorbelastung P/PN 3.3.3.2 Motoren fr wellendichtungslose Pumpen Zur Frderung von aggressiven, giftigen, leicht chtigen oder kostbaren Flssigkeiten werden vor allem in der chemischen und petrochemischen Industrie oft wellendichtungslose Pumpen, das heit Magnetkupplungs(Bild 1 i) und Spaltrohrmotorpumpen (Bilder 1 n und o), eingesetzt. Eine Magnetkupplungspumpe wird durch ein primres Magnetfeld angetrieben, das auerhalb ihres druckfesten Gehuses umluft und Sekundrmagnete innerhalb des Gehuses synchron mitnimmt [12]. Der Primrteil wird dann an einen normalen trockenen Antriebsmotor gekuppelt. Die Laufrder von Spaltrohrmotorpumpen sitzen dagegen direkt auf der Motorwelle, so dass der Lufer in der Frderssigkeit umluft, von der die Statorwicklung durch ein Spaltrohr getrennt wird [7]. Diese wellendichtungslosen Pumpenaggregate werden generell mit Hilfe von EDV-Angebotsprogrammen ausgelegt, wozu die nachstehenden Gesichtspunkte beachtet werden mssen: Der Rotor luft in der Frderssigkeit, deren kinematische Zhigkeit (Abschnitt 4.1) bekannt sein muss, weil sie die Reibungsverluste und damit die Motorleistung beeinusst. Metallische Spalttpfe bzw. Spaltrohre (z. B. aus 2.4610) verursachen Wirbelstromverluste, die die Motorleistung vergrern; nichtmetallische Spalttpfe in Magnetkupplungspumpen aber nicht. Der Verdampfungsdruck der Frderssigkeit muss bekannt sein, damit Lagerschden infolge Trockenlauf bei Verdampfung vermieden werden knnen. berwachungsgerte, die vor Trockenlauf warnen, sind zu empfehlen.

31

3Tabelle 11: Anlassmethoden fr AsynchronmotorenAnlaufBauart verfahren Direktanlauf SternDreieckAnlauf Schtz (mechanisch) Schtzkombination (mechanisch) StromaufHochnahme (Netz- laufzeit belastung) 48 IN MotorMechan. Hydraul. KostenAnlaufBelastung Belastung relation erwrmung sehr hoch sehr hoch 1 Empfohlene Motorbauarten alle ca. 0,55 s hoch

Anlassmethoden

Anmerkungen

Seitens der EVUs meist begrenzt auf 4 kW bei Motoren > 4 kW blicherweise von den EVUs gefordert.

1 /3 der Werte ca. 310 s hoch von Direktanlauf

sehr hoch sehr hoch 1,53

alle; bei Spaltrohr- und UMotoren tritt beim Umschalten ein grerer Drehzahlabfall auf alle

Teilspan- Anlass0,49 mal der ca. 310 s hoch nungstransfor- Werte von anlauf mator mit Direktanlauf zumeist 70%iger Anzapfung Sanftanlauf Softstarter frei einstell(Leistungs- bar; blich: elektronik) 3 IN ca. 1020 s hoch

hoch

hoch

515

Beim Umschalten keine stromlose Phase. (Anwendung zugunsten Sanftanlauf rcklug) An- u. Abfahren stufenlos ber Rampen auf jeweiligen Lastfall einstellbar: Keine hydraul. Ste Fr reines An- u. Abfahren zu teuer. Besser geeignet fr Stell- u. Regelbetrieb

gering

gering

515

alle

Frequenzanlauf

Frequenz- 1 IN umrichter (Leistungselektronik)

060 s

gering

gering

gering

ca. 30

alle

Im Falle der Direkteinschaltung (sofort volle Netzspannung auf den noch stehenden Motor) steht das gesamte Anlaufmoment von Anfang an zur Verfgung und das Aggregat erreicht nach krzester Zeit die Betriebsdrehzahl. Fr den Motor ist dieses Anlaufen am gnstigsten, aber der gegenber dem Nennstrom auf das 4 bis 8-fache gestiegene Anlaufstrom belastet insbesondere bei greren Motoren das Netz und kann bei benachbarten Gerten strende Spannungseinbrche verursachen. Deshalb sind bei ffentlichen Niederspannungsnetzen (380 V) die Bestimmungen der Elektro-Versorgungs-Unternehmen (EVU) ber den Direktanlauf ab Leistungen von 5,5 kW zu beachten.

Ist das Netz fr den Direktanlauf nicht geeignet, kann man den Motor mit verminderten Spannungen nach folgenden Methoden starten: Die Stern-Dreieck-Einschaltung ist die gebruchlichste, weil kostengnstigste Art, den Einschaltstrom zu verringern. Dazu ist es erforderlich, dass der Motor im Betrieb im Dreieck geschaltet ist, so dass die Motorwicklungen dann an der Netzspannung (z.B. 400 V) liegen. Whrend des Anlaufs aber werden die Wicklungen im Stern geschaltet, wodurch die Spannung an den Wicklungen um den Faktor 0,58 gegenber der Netzspannung verringert wird. Dies vermindert den Anlaufstrom und das -moment auf ein

Drittel der Werte bei Direktanlauf mit der Folge, dass der Anlaufvorgang lnger dauert. Der Motor luft nun in der Sternschaltung hoch ber das Kippmoment hinaus bis zur hchstmglichen Drehzahl im Punkt B in Bild 23. Dann erfolgt die Umschaltung auf die Dreieckstufe, und der Motor beschleunigt weiter auf die Nenndrehzahl. Whrend der Umschaltzeit von etwa 0,1 s bleibt der Motor stromlos und die Drehzahl fllt ab. Bei Aggregaten mit kleinem Trgheitsmoment (Spaltrohr- und U-Motoren) kann dieser Drehzahlabfall so gro sein, dass nach dem Umschalten auf die Dreieckstufe doch wieder der fast ungeminderte Einschaltstrom wie bei der Direkteinschaltung iet.

32

Anlassmethoden

3Transformators auf 49% der Werte bei direkter Einschaltung. Von Vorteil ist auch, dass bei der Umschaltung keine stromlose Phase auftritt. Beim Softstarter wird die Spannung an den Motorwicklungen nach dem Dimmerprinzip stufenlos elektronisch verndert. Dadurch ist eine beliebige Anpassung von Anfahrzeit und Anlaufstrom im Rahmen der zulssigen Betriebsgrenzen des Motors (Verlustwrme durch Schlupf!) mglich. Auerdem sind hier besondere Grenzen fr die Schaltzahlen (im Gegensatz zu Tabelle 10) zu beachten [1]. Beim Einsatz von Frequenzumrichtern (in der Regel fr Stell- oder Regelbetrieb) kann ein sanfter Anlauf ohne Zusatzaufwand verwirklicht werden. Dazu werden die Ausgangsfrequenz und -spannung des Frequenzumrichters (siehe Abschnitt 3.4.3) kontinuierlich von einem Minimalwert auf den gewnschten Wert hochgefahren. Der Nennstrom des Motors wird dabei nicht berschritten.

Mit einem Anlasstransformator wird ebenfalls die Spannung an den Motorwicklungen verringert, jedoch ist der Grad der Absenkung im Gegensatz zur Stern-Dreieck-Schaltung whlbar. Z.B. sinken das Anfahrmoment und der Netzstrom bei einer 70%igen Anzapfung des

500 % 400

I

Stromstrke I

300 D'' 200

I D D'

100

0 300 % B''

200 Drehmoment T

T

100 B' T TP 0 0 50 % von nsynchron Motordrehzahl n

B

100

Bild 23: Anlaufkurve fr Strom I und Drehmoment T von Kurzschlusslufern bei Stern-Dreieck-Schaltung. ( = Stern-Schaltung; = Dreieck-Schaltung; P = Pumpe)

33

33.4 Betriebsverhalten und Regelung [4],[6],[8] 3.4.1 Betriebspunkt Beim Betrieb einer Kreiselpumpenanlage ergibt sich der Betriebspunkt durch den Schnittpunkt der Pumpenkennlinie (siehe unter 3.1.6) mit der Anlagenkennlinie (siehe unter 3.2.2). Dadurch werden der Frderstrom Q und die Frderhhe H bestimmt. Eine nderung dieses Betriebspunktes erfordert die Vernderung entweder der Anlagenkennlinie oder der Pumpenkennlinie. Eine Anlagenkennlinie kann bei der Frderung von Wasser nur verndert werden durch nderung der Strmungswiderstnde (z.B. durch Verstellen eines Drosselorgans, durch Einbau einer Lochblende oder einer Bypassleitung, durch Umbau oder Inkrustierung der Rohrleitungen) oder aber durch Vernderung des statischen Frderhhenanteils (z.B. durch eine andere Hhe des Wasserspiegels oder des Behlterdruckes). Eine Pumpenkennlinie kann verndert werden durch eine Verstellung der Drehzahl (siehe unter 3.4.3), durch Hinzuschalten oder Abschalten einer parallel oder in Serie betriebenen Pumpe (siehe unter 3.4.4 oder 3.4.5), bei Pumpen mit radialen Laufrdern durch Verndern ihres Auendurchmessers (siehe unter 3.4.6),

Betriebsverhalten Betriebspunkt Drosseln

bei Pumpen mit halbaxialen Laufrdern (Schraubenrdern) durch Vorschalten bzw. Verstellen eines Vordrallreglers (siehe unter 3.4.8), bei Propellerpumpen durch Verstellen des Einstellwinkels der Propellerschaufeln (siehe unter 3.4.9). Hinweis: Die Wirkungen dieser Manahmen zur Kennliniennderung knnen nur fr kavitationsfreien Betrieb vorausgesagt werden (siehe unter 3.5).

3.4.2 Frderstromregelung durch Drosseln Die nderung des Frderstromes Q durch Verstellen einer Drosselarmatur ist zwar die einfachste Methode sowohl fr die einmalige Anpassung als auch fr die stndige Regelung, da sie die geringsten Investitionen erfordert, zugleich ist sie aber auch die energieunfreundlichste, weil sie Strmungsenergie irreversibel in Wrmeenergie berfhrt. Bild 24 veranschaulicht diesen Vorgang: Durch gezieltes Vergrern der Anlagenwider-

Bild 24: Vernderung des Betriebspunktes und Leistungseinsparung beim Drosseln von Pumpen mit steigender Leistungskennlinie

34

Lochblende Drehzahlverstellung

3mit dBl Bohrungsdurchmesser der Lochblende in mm, f Drosselbeiwert nach Bild 25, Q Frderstrom in m3/h, g Fallbeschleunigung 9,81 m/s2, H abzudrosselnde Differenz der Frderhhe H in m. Da das ffnungsverhltnis (dBl/d)2 vorab geschtzt werden muss, ist eine Iteration bei diesem Rechenverfahren ntig (zweckmig ist eine graphische Auftragung vom berechneten ber dem geschtzten Bohrungsdurchmesser dBl, so dass nach zwei Iterationen zielgenau interpoliert werden kann, siehe Rechenbeispiel 8.20). 3.4.3 Frderstromregelung durch Drehzahlverstellung Bei verschiedenen Drehzahlen n hat dieselbe Kreiselpumpe verschiedene Kennlinien, die durch das hnlichkeitsgesetz (Afnittsgesetz) miteinander verbunden sind. Sind bei der Drehzahl n1 die Kennlinien H und P ber Q bekannt, errechnen sich alle Punkte der Kennlinien bei n2 nach den folgenden Gleichungen: Q2 = Q1 . n2/n1 H2 = H1 (n2/n1)2 P2 = P1 (n2/n1)3 (21) (22) (23)

20

19

18

dBlDrosselbeiwert f

17

d

16

15

14

13

12 0,1

0,2

0,3 0,4 0,5 ffnungsverhltnis (dBl/d)2

0,6

0,7

Bild 25: Lochblende und deren Drosselbeiwerte f

stnde (z.B. durch Eindrosseln einer Armatur auf der Pumpendruckseite) wird die dadurch vernderte Anlagenkennlinie HA1 steiler und geht in HA2 ber. Bei konstanter Pumpendrehzahl verlagert sich der Betriebspunkt B1 auf der Pumpenkennlinie nach B2 zu kleinerem Frderstrom. Die Pumpe erzeugt dabei eine grere Frderhhe, als fr die Anlage erforderlich wre; dieser Frderhhenberschuss wird in der eingedrosselten Armatur abgebaut, wobei die hydraulische Energie irreversibel in Wrmeenergie umgewandelt und mit dem Frderstrom abgefhrt wird. Dieser Verlust ist noch akzeptabel, wenn der Regelbereich nur klein oder die Rege-

lung nur selten erforderlich ist. Die erzielte Leistungseinsparung ist im unteren Teil des Bildes dargestellt und ist verglichen mit dem groen Frderhhenberschuss verhltnismig bescheiden. Das gleiche gilt im Prinzip auch fr den Einbau einer festen, scharfkantigen Blendenscheibe in die Druckleitung, was bei kleinen Leistungen oder kurzen Betriebszeiten noch zu vertreten ist. Dabei geht man zur Berechnung des erforderlichen Bohrungsdurchmessers dBl der Drossel von der abzudrosselnden Frderhhendifferenz H aus nach der Gleichung dBl = f Q/ g H (20)

Gleichung (23) gilt nur solange, wie sich der Wirkungsgrad nicht mit abnehmender Drehzahl n vermindert. Mit nderung der Drehzahl verschiebt sich auch der Betriebspunkt

35

3H [%] 160 140 120 100 80 HA2 stat 60 40 20 0 0 P [%] 100P1 Leistungseinsparung

Drehzahlverstellung Parallelbetrieb

HA1 HA2 B n = 100% 90% 80% 70%

lagenkennlinie HA1, wie der untere Teil des Diagrammes zeigt [4]. Der Leistungsgewinn gegenber der Drosselung ist umso geringer, je grer der statische Anteil HA stat (also je kleiner der dynamische Anteil HA dyn) ist. Drehzahlnderung bedeutet meistens Frequenznderung, was bei der Auswahl der Antriebsmotoren beachtet werden muss. Der Aufwand dafr ist nicht gering, amortisiert sich aber bald bei Pumpen, die hug in Betrieb sind und bei kleinem HA stat oft auf Teillast geregelt werden [8]. Dieses gilt besonders fr Pumpen in Heizungsanlagen. 3.4.4 Parallelbetrieb von Kreiselpumpen Fr den Fall, dass der bentigte Anlagenfrderstrom Q im Betriebspunkt nicht mit einer Pumpe erreicht werden kann, ist es mglich, zwei oder mehrere Pumpen parallel ber je ein Rckschlagorgan in die gemeinsame Druckleitung frdern zu lassen (Bild 27). Die Betriebsweise von parallelgeschalteten Pumpen ist einfacher, wenn deren Nullfrderhhe H0 untereinander gleich gro ist, was bei identischen Pumpen immer gewhrleistet ist. Sind die Nullfrderhhen H0 dagegen nicht einander gleich, so gibt die niedriger liegende Nullfrderhhe auf der gemeinsamen QH-Kennlinie immer den Mindestfrderstrom Qmin an, bis zu dem ein Parallelbetrieb nicht mglich ist, weil in diesem Betriebsbereich das

n = 50%

60% HA2 HA1 Frderhhenbedarf

}

20

40

60

80

100

120 Q [%]

P P2P2

n = 100% 90% 80% 70%

80 60 40 20 0 0

P1

60% 50% 20 40 60 80 100 120 Q [%]

Bild 26: Betrieb einer drehzahlverstellbaren Pumpe bei unterschiedlichen Anlagenkennlinien HA1 und HA2. (Leistungseinsparungen P1 und P2 bei Halblast jeweils im Vergleich zur Drosselung) (siehe unter 3.4.1). Bild 26 zeigt fr mehrere Drehzahlen QHKurven, die je einen Schnittpunkt mit der Anlagenkennlinie HA1 besitzen. Der Betriebspunkt B wandert auf dieser Anlagenkennlinie zu kleineren Frderstrmen, wenn die Drehzahl entsprechend verkleinert wird. Sofern die Anlagenkennlinie wie im Beispiel HA1 eine Ursprungsparabel ist, fllt die Frderhhe H nach Gleichung 22 bei Halbierung der Drehzahl auf ein Viertel, die Antriebsleistung P nach Gleichung 23 auf ein Achtel der Ausgangswerte. Der untere Teil des Bildes 26 zeigt das Ausma der Einsparung P1 im Vergleich zur Drosselung. Ist die Anlagenkennlinie im Beispiel HA2 dagegen eine Parabel mit groem statischen Anteil HA2 stat, so muss beachtet werden, dass sie mit der Pumpenkennlinie bei abgesenkter Drehzahl unter Umstnden keinen Schnittpunkt, also keinen Betriebspunkt mehr liefert; die unteren Bereiche der Drehzahlverstellung sind hier also nutzlos und knnen eingespart werden. Die mglichen Leistungseinsparungen P2 sind in diesem Falle bei gleichen Frderstrmen Q geringer als bei der An-

36

Parallelbetrieb

3H0 Kennlinie Pumpe I bzw. Pumpe II Bparallel Anlagenkennlinie HA Qeinzel Beinzel M Kennlinie Pumpe I + Pumpe II

Rckschlagorgan der Pumpe mit kleinerem H0 von der greren Frderhhe der anderen Pumpe zugedrckt wird. Bei solchem Parallelbetrieb muss aber beachtet werden, dass nach dem Abschalten einer von zwei gleichen Kreiselpumpen (Bild 27) der Frderstrom Qeinzel der weiterlaufenden Pumpe nicht auf die Hlfte von Qparallel zurckgeht, sondern grer als die Hlfte bleibt. Diese Pumpe fhrt dann sofort unter Umstnden im berlastbereich im Betriebspunkt Beinzel, was bei der berprfung der NPSH-Werte (siehe unter 3.5) und der Antriebsleistung (siehe unter 3.1.3) bercksichtigt werden muss. Der Grund fr dieses Verhalten liegt im parabolischen Verlauf der Anlagenkennlinie HA. Aus dem gleichen Grund verdoppelt beim umgekehrten Vorgang das Hinzuschalten einer zweiten gleichgroen Kreiselpumpe nicht den Frderstrom Qeinzel der bereits laufenden Pumpe, sondern vergrert ihn nur auf weniger als das Doppelte, also Qparallel < 2 Qeinzel (24)

H Frderhhe H

B Betriebspunkt H0 Nullfrderhhe Qparallel QI = QII = Qparallel / 2 Frderstrom Q Qparallel = QI + QII

Bild 27: Parallelbetrieb von 2 gleichen Kreiselpumpen mit stabiler Kennlinie Das Hinzu- oder Abschalten einzelner parallelbetriebener Pumpen ist zwar energiesparend, erlaubt aber nur eine stufenweise Frderstromregelung. Zur stufenlosen Regelung muss deswegen beispielsweise mindestens eine der beteiligten Pumpen mit einer Drehzahlverstellung oder die gemeinsame Druckleitung mit einer Drosselarmatur ausgerstet werden [4]. Wenn Kreiselpumpen mit starren Drehzahlen und instabiler Kennlinie (siehe Bild 7 unter 3.1.6) parallel betrieben werden sollen, kann es beim Hinzuschalten einer solchen Pumpe zu Problemen kommen, falls die Betriebsfrderhhe H1 der laufenden Pumpe grer ist als die Nullpunktfrderhhe H0 (das ist die Frderhhe bei Q = 0) der zuzuschaltenden Pumpe; diese ist dann nicht in der Lage, den Gegendruck, der auf ihrer Rckschlagklappe liegt, zu berwinden (Bild 28, Anlagenkennlinie HA1). Pumpen mit instabilen Kennlinien sind fr einen derartigen Teillastbetrieb nicht geeignet. (Bei einer tiefer liegenden Anlagenkennlinie HA2 wrden sie aber einwandfrei zuzuschalten sein, weil jetzt die Betriebsfrderhhe H2 der laufenden Pumpe niedriger ist als die Nullpunktfrderhhe H0 der zuzuschaltenden Pumpe).

Dieser Effekt beim Ab- oder Hinzuschalten ist umso strker, je steiler die Anlagenkennlinie oder je acher die Pumpenkennlinie ist. Solange aber beide Pumpen I und II laufen, ist der Gesamtfrderstrom Qparallel immer die Summe von QI und QII (siehe Bild 27), also Qparallel = QI + QII (25)

Zur Berechnung der Kennlinien bei Parallelbetrieb siehe 3.3.1.

Bild 28: Parallelbetrieb von 2 gleichen Kreiselpumpen mit instabiler Kennlinie

37

33.4.5 Serienbetrieb (Hintereinanderschaltung) Beim Serienbetrieb (Reihenbetrieb) sind die Pumpen hintereinandergeschaltet, so dass sich die Frderhhen der laufenden Pumpen bei gleichem Frderstrom addieren. Dabei ist aber zu beachten, dass der Enddruck der ersten Pumpe zugleich der Zulaufdruck der folgenden Pumpe ist, was bei Bemessung ihrer Wellendichtung und ihrer Gehusefestigkeit bercksichtigt werden muss. Deswegen wird ein solcher Bedarf im allgemeinen (nicht beim hydraulischen Feststofftransport, siehe Abschnitt 6) durch mehrstuge Pumpen gedeckt, bei denen sich das oben genannte Wellendichtungsproblem nicht stellt. 3.4.6 Abdrehen von Laufrdern Soll die Frderleistung einer radialen oder halbaxialen Kreiselpumpe bei konstanter Drehzahl bleibend verringert werden, muss ihr Laufradauendurchmesser D verkleinert werden; dabei soll die maximale Durchmesserverkleinerung so begrenzt werden, dass sich die Schaufeln bei radialer Blickrichtung noch gegenseitig berdecken. In den Kennlinienblttern (Bild 18) sind die Pumpenkennlinien in der Regel fr mehrere Abdrehdurchmesser D (in mm) dargestellt. Laufrder aus harten Werkstoffen, wie sie fr den hydraulischen Feststofftransport verwendet werden, oder aus Edelstahlblech sowie Einschaufelrder (Bild 43) und Stern- und Peripheralrder (Bild 4) knnen nicht abgedreht werden (gleiches gilt auch fr das Hinterfeilen nach Abschnitt 3.4.7). In mehrstugen Pumpen werden in der Regel nur die Schaufeln, nicht aber die Radseitenwnde der Laufrder abgedreht; man spricht hier vom Ausdrehen statt Abdrehen. Unter Umstnden knnen bei einer mehrstugen Pumpe anstelle des Ausdrehens das Lauf- und das Leitrad einer der Stufen ausgebaut und durch eine sogenannte Blindstufe (das sind zwei konzentrische zylindrische Hlsen zur Strmungsfhrung) ersetzt werden. Laufrder mit nicht zylindrischem Austritt werden nach Angaben in den Kennlinienblttern ab- oder ausgedreht (z.B. wie in Bild 29). Wenn der Durchmesser nur geringfgig verkleinert werden soll, lsst er sich mit einer Faustformel berechnen. Eine exakte Berechnung ist dagegen nicht mglich, weil geometrische hnlichkeit hinsichtlich der Schaufelwinkel und der Austrittsbreiten beim Abdrehen von Laufrdern nicht mehr gewhrleistet werden kann. Fr den Zusammenhang

Serienbetrieb Abdrehen von Laufrdern

zwischen Q, H und dem (ggfs. zu mittelnden) Laufradauendurchmesser D gilt die folgende Faustformel (Index t = Zustand vor der Reduzierung des Laufradauendurchmessers, Index r = Zustand nach der Reduzierung): (Dt/Dr)2 Qt/Qr Ht/Hr (26) woraus sich zur Bestimmung des (gemittelten) Abdrehdurchmessers ergibt: Dr Dt (Qr/Qt) Dt (Hr/Ht) (27) Die Daten zur Bestimmung des Abdrehdurchmessers knnen nach Bild 30 ermittelt werden, indem man im QH-Diagramm (mit linearer Teilung!) durch den gewnschten neuen Betriebspunkt Br eine Ursprungsgerade zieht (Achtung bei Kennlinien mit unterdrcktem Nullpunkt!), die die vorhandene Kennlinie fr den vollen Laufraddurchmesser Dt in Bt schneidet. Dabei erhlt man die Wertepaare fr Q und H mit den Indices t und r, die mit der Gleichung (27) den ungefhren gewnschten Abdrehdurchmesser Dr ergeben. Das Verfahren nach ISO 9906 ist etwas genauer, aber auch umstndlicher durch Einbeziehung des (gemittelten) Durchmessers D1 der Laufradeintrittskante (Index 1), gltig fr nq < 79 und bis zu einer Durchmesserreduzierung um < 5%, solange der Schaufelwinkel und die Laufradbreite konstant bleiben. Dann gilt (mit den Bezeichnungen nach den Bildern 29 und 30):

Dr

D1

Dt

Bild 29: Ausdrehkontur eines Laufrades mit halbaxialem Austritt

38

Abdrehen von Laufrdern Hinterfeilen Vordrall Schaufelverstellung

3dert. Diese Methode ist fr letzte Nachbesserungen geeignet. 3.4.8 Frderstromregelung mittels Vordrall Bei Rohrgehusepumpen mit halbaxialen Laufrdern (Schraubenrdern) kann man die Kennlinie durch Verndern des Dralles in der Laufradzustrmung beeinussen. Derartige Vordrallregler werden hug als Bauelemente zur Frderstromregelung eingesetzt. Die verschiedenen Kennlinien sind dann in den Kennlinienblttern mit Angabe der Reglerstellung eingetragen (Bild 32). 3.4.9 Frderstromregelung/ -nderung durch Schaufelverstellung Die Kennlinien von Propellerpumpen lassen sich durch Verstellen der Propellerschaufeln

Gl. 28

nac h

na

ch

Gl

.26

Bild 30: Ermittlung des Abdrehdurchmessers Dr (28)

(Dr2 D12)/(Dt2 D12) = Hr/Ht = (Qr/Qt)2 Eine Lsung ist hier nur mglich, wenn D1 bekannt ist und wenn durch den reduzierten Betriebspunkt Br (mit Hr und Qr) nicht wie in Bild 30 eine

Gerade, sondern eine Parabel H ~ Q2 gelegt wird, die die fr Dt geltende QH-Linie in einem anderen Punkt Bt (mit anderen Ht und Qt) schneidet. auf der konkaven Seite, erreichen (Bild 31); die Frderhhe bei Q = 0 bleibt dabei unvern2

3.4.7 Hinterfeilen von Laufradschaufeln Eine geringfgige, bleibende Vergrerung der Pumpenfrderhhe im Bestpunkt (bis zu 4 6%) kann man bei radialen Laufrdern durch das Hinterfeilen der rckwrts gekrmmten Beschaufelung, also das Anschrfen der Laufschaufelenden

Relative Frderhhe H/Hopt

Betriebsgrenze

1

1,0 0,99

/opt 0,94 0,88 115 0,83

n

0,7 30

50 70 Vordrallreglerstellung

105 90

0

0

0,5

1,0

1,5

Relativer Frderstrom Q/Qopt

Bild 31: Hinterfeilte Schaufeln eines radialen laufrades

Bild 32: Kennfeld einer Kreiselpumpe mit Vordrallverstellung, nq 160

39

3verndern. Diese Einstellung kann fest verschraubt sein oder mittels eines Verstellgetriebes im Betrieb zur Frderstromregelung benutzt werden. In den Kennlinienblttern sind die Einstellwinkel bei den verschiedenen Kennlinien eingetragen (Bild 33). 3.4.10 Frderstromregelung mittels Bypass Die Anlagenkennlinie kann durch Drosseln einer Armatur steiler gemacht werden, sie kann aber auch durch ffnen eines Bypasses in der Druckleitung acher gemacht werden, siehe Bild 34. Der Betriebspunkt verschiebt sich in diesem Falle von B1 zum greren Frderstrom bei B2; der regelbare Bypassfrderstrom kann wieder in den Saugbehlter zurckgefhrt werden, wird also nicht genutzt. Diese Art der Frderstromregelung ist aus energetischen Gesichtspunkten nur dann sinnvoll, wenn die Leistungskennlinie mit steigendem Frderstrom abfllt, was bei groen spezischen Drehzahlen (bei Schraubenrdern oder Propellern) der Fall ist (P1 > P2). Mit der Vordrall- oder Schaufelverstellung gibt es aber in diesem Bereich Regelungsmglichkeiten, die noch wirtschaftlicher arbeiten. Der Aufwand fr Bypass und Regelarmatur ist nicht gering [4]. Diese Methode ist auch zum Schutz von Pumpen gegen Betrieb in unzulssigen Teillastbereichen (siehe Betriebsgrenzen in den Bildern 5 und 6c sowie 32 und 33) geeignet.2

Schaufelverstellung Bypass-Regelung

Betriebsgrenze

Relative Frderhhe H/Hopt

1

1,0

0,99 0,94

/opt = 0,83 0,88

24

2011 Laufschaufelstellung

16

0

7

0

0,5

1,0

1,5

Relativer Frderstrom Q/Qopt

Bild 33: Kennfeld einer Axialpumpe mit Laufschaufelverstellung, nq 200

Bild 34: Kennlinien und Betriebspunkte einer Pumpe mit fallender Leistungskennlinie bei der Frderstromregelung mittels Bypass (bei einer Pumpe mit radialem Laufrad wrde die Leistungskennlinie nach rechts ansteigen und diese Art der Regelung eine Mehrleistung verursachen, s. Bild 5)

40

Saug- und Zulaufverhltnisse NPSH der Anlage

3

3.5 Saug- und Zulaufverhltnisse [3] (NPSH = Net Positive Suction Head) 3.5.1 NPSH-Wert der Anlage NPSHvorh Der NPSHvorh-Wert ist die vorhandene Druckdifferenz zwischen dem Gesamtdruck in der Mitte des Pumpeneinlaufstutzens und dem Verdampfungsdruck pD (auch Sttigungsdruck genannt), gemessen als Druckhhendifferenz in m. Er ist gewissermaen ein Ma fr die Verdampfungsgefahr an dieser Stelle und wird nur durch die Daten der Anlage und der Frderssigkeit bestimmt. Die Verdampfungsdrcke von Wasser und anderen Flssigkeiten sind in Tabelle 12 und in Bild 35 als Funktion der Temperatur dargestellt.

Bild 35: Verdampfungsdruck pD verschiedener Flssigkeiten als Funktion der Temperatur t (vergrerte Darstellung siehe Seite 88)

41

3t C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 pD bar 0,00611 0,00656 0,00705 0,00757 0,00812 0,00872 0,00935 0,01001 0,01072 0,01146 0,01227 0,01311 0,01401 0,01496 0,01597 0,01703 0,01816 0,01936 0,02062 0,02196 0,02337 0,02485 0,02642 0,02808 0,02982 0,03167 0,03360 0,03564 0,03779 0,04004 0,04241 0,04491 0,04753 0,05029 0,05318 0,05622 0,05940 0,06274 0,06624 0,06991 0,07375 0,07777 0,08198 0,08639 0,09100 0,09582 0,10085 0,10612 0,11162 0,11736 0,12335 0,12960 0,13613 0,14293 0,15002 0,15741 0,16509 0,17312 0,18146 0,19015 0,19920 kg/m3 999,8 999,9 999,9 1000,0 1000,0 1000,0 999,9 999,9 999,8 999,7 999,6 999,5 999,4 999,3 999,2 999,0 998,8 998,7 998,5 998,4 998,2 997,9 997,7 997,5 997,2 997,0 996,7 996,4 996,1 995,8 995,6 995,2 994,9 994,6 994,2 993,9 993,5 993,2 992,9 992,6 992,2 991,8 991,4 991,0 990,6 990,2 989,8 989,3 988,9 988,5 988,0 987,7 987,2 986,7 986,2 985,7 985,2 984,7 984,3 983,7 983,2 mm2/s 1,792

NPSH der Anlage Daten von Wasser

Tabelle 12: Verdampfungsdruck pD, Dichte und kinematische Viskositt des Wassers bei Sttigung als Funktion der Temperatur t.t C61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 132 134 136 138 140

pD bar0,2086 0,2184 0,2285 0,2391 0,2501 0,2614 0,2733 0,2856 0,2983 0,3116 0,3253 0,3396 0,3543 0,3696 0,3855 0,4019 0,4189 0,4365 0,4547 0,4736 0,4931 0,5133 0,5342 0,5557 0,5780 0,6010 0,6249 0,6495 0,6749 0,7011 0,7281 0,7561 0,7849 0,8146 0,8452 0,8769 0,9095 0,9430 0,9776 1,0132 1,0878 1,1668 1,2504 1,3390 1,4327 1,5316 1,6361 1,7465 1,8628 1,9854 2,1144 2,2503 2,3932 2,5434 2,7011 2,8668 3,0410 3,2224 3,4137 3,614

kg/m3982,6 982,1 981,6 981,1 980,5 980,0 979,4 978,8 978,3 977,7 977,1 976,6 976,0 975,4 974,8 974,3 973,7 973,0 972,5 971,8 971,3 970,6 969,9 969,4 968,7 968,1 967,4 966,7 966,0 965,3 964,7 964,0 963,3 962,6 961,9 961,2 960,4 959,8 959,0 958,3 956,8 955,5 954,0 952,6 951,0 949,6 948,0 946,4 944,8 943,1 941,5 939,8 938,2 936,5 934,8 933,2 931,4 929,6 927,9 926,1

mm2/s

t C145 150 155 160 165 170

pD bar4,155 4,760 5,433 6,180 7,008 7,920 8,925 10,027 11,234 12,553 13,989 15,550 17,245 19,080 21,062 23,202 25,504 27,979 30,635 33,480 36,524 39,776 43,247 46,944 50,877 55,055 59,487 64,194 69,176 74,452 80,022 85,916 92,133 98,694 105,61 112,90 120,57 128,64 146,08 165,37 186,74 210,53

kg/m3921,7 916,9 912,2 907,4 902,4 897,3 892,1 886,9 881,4 876,0 870,3 864,7 858,7 852,8 846,6 840,3 834,0 827,3 820,6 813,6 806,5 799,2 791,8 784,0 775,9 767,9 759,4 750,7 741,6 732,3 722,7 712,5 701,8 690,6 679,3 667,1 654,0 640,2 609,4 572,4 524,4 448,4 326,0

mm2/s

0,1890

1,307

0,413

175 180 185 190 195 200 205 210

0,1697

0,1579

1,004

0,365 215 220 225 230 235 240 0,326 245 250 255 260 265 270 275 280 0,295 285 290 295 300 305 310 315 320 0,2460 325 330 340 350 360 370 0,1488

0,1420

0,801

0,1339

0,1279

0,658

0,1249

0,1236

0,553

0,1245

0,1260

374,2 225,60 0,2160

0,1490

0,474

Dichte von Meerwasser = 1030 1040 kg/m3

42

NPSH der Anlage bei Saugbetrieb

3

3.5.1.1 NPSHvorh bei Saugbetrieb Bei Saugbetrieb (Bild 8) ist die Pumpe oberhalb des saugseitigen Flssigkeitsspiegels aufgestellt. Der NPSHvorh-Wert kann aus den Zustandsdaten im Saugbehlter (Index e) wie folgt berechnet werden (siehe Bild 36):

Bezugsebene

s'

offener Behlter pb pe = 0

geschlossener Behlter pb + pe

Hs geo

pD, t, , ve

pD, t, , ve

Bild 36: Ermittlung von NPSHvorh bei Saugbetrieb fr horizontal oder vertikal aufgestellte Pumpe Bei kaltem Wasser und offenem Behlter (Bild 36 links) in Meereshhe vereinfacht sich diese Formel (mit Einheiten wie oben) fr die Praxis genau genug zu NPSHvorh = 10 - Hv,s - Hsgeo s (30) Die Korrektur durch s ist nur ntig, wenn die Mitte des Laufradeintritts (der fr die Kavitationsgefahr magebend ist) nicht mit der Mitte des Saugstutzens (= Bezugsebene) auf gleicher Hhe liegt. Im Bild 36 muss bei der linken Pumpe daher Hs geo um s verlngert werden (d. h. gleiche Vorzeichen von Hs geo und s!). Falls s nicht bekannt ist, gengt meistens eine Abschtzung nach dem Mabild der Pumpe.

NPSHvorh = (pe + pb pD)/( g) + ve2/2g Hv,s Hs geo s mit pe pb pD g ve Hv,s Hs geo s

(29)

berdruck im Saugbehlter in N/m2, Luftdruck in N/m2 (Tabelle 13: Hheneinuss beachten!) Verdampfungsdruck in N/m2 (in Tabelle 12 absoluter Druck!), Dichte in kg/m3, Fallbeschleunigung 9,81 m/s2, Strmungsgeschwindigkeit im Saugbehlter in m/s, Druckhhenverlust in der Saugleitung in m, Hhendifferenz zwischen Flssigkeitsspiegel im Saugbehlter und Mitte Pumpensaugstutzen in m, Hhendifferenz zwischen Mitte Pumpensaugstutzen und Mitte Laufradeintritt in m.

Tabelle 13: Einuss der topographischen Hhe ber N.N. auf die Jahresmittelwerte des Luftdrucks und auf die jeweilige Siedetemperatur (1 mbar = 100 Pa) Hhe ber N. N. m 0 200 500 1000 2000 4000 6000 Luftdruck pb mbar 1013 989 955 899 795 616 472 Siedetemperatur C 100 99 98 97 93 87 81

43

3offener Behlter pb pe = 0 geschlossener Behlter pb + pe

NPSH der Anlage bei Zulaufbetrieb NPSH der Pumpe

pD, t, , ve

pD, t, , ve Hz geo

Bei kaltem Wasser und offenem Behlter (Bild 37 links) in Meereshhe vereinfacht sich auch diese Formel mit Einheiten wie oben (fr die Praxis genau genug) zu NPSHvorh = 10 Hv,s + Hzs'

geo s

(32)Bezugsebene

Die Anmerkungen zu s gelten sinngem wie unter 3.5.1.1. 3.5.2 NPSH-Wert der Pumpe NPSHerf Mit abnehmendem Druck bilden sich in der Pumpe die ersten Kavitationsblasen schon lange, bevor die hydraulischen Eigenschaften der Pumpe darauf reagieren. Aus konomischen Grnden muss man in der Praxis daher das Auftreten geringfgiger Kavitationsblasen meistens akzeptieren. Dabei kann das fr zulssig erachtete Ausma der Kavitation mit bestimmten Kriterien deniert werden. Hug wird ein Frderhhenabfall der Pumpe von 3% als Folge der Kavitation zugelassen. Bild 38 zeigt die Vorgehensweise bei der Ermittlung: Bei konstantem Frderstrom und konstanter Drehzahl wird das NPSHvorh der Versuchsanlage so weit abgesenkt, bis die Frderhhe der Pumpe gerade um 3% abgefallen ist. Man kann aber auch den kavitationsbedingten Anstieg des Geruschpegels oder das Ausma eines Materialabtrags oder einen bestimmten Wirkungsgradabfall der Pumpe fr die Begrenzung der Kavitation heranziehen. Will man diesen

Bild 37: Ermittlung von NPSHvorh bei Zulaufbetrieb fr horizontal oder vertikal aufgestellte Pumpe 3.5.1.2 NPSHvorh bei Zulaufbetrieb Bei Zulaufbetrieb (Bild 9) ist die Pumpe im Gegensatz zu 3.5.1.1 unterhalb des Flssigkeits-

spiegels aufgestellt. Die Gleichungen (29) und (30) verndern sich dann mit + Hz geo anstelle Hs geo zu (31)

NPSHvorh = (pe + pb pD)/( g) + ve2/2g Hv,s + Hz geo s mit Hz geo Hhendifferenz zwischen Flssigkeitsspiegel im Zulaufbehlter und Mitte Pumpensaugstutzen in m.H Hkavitationsfrei Erstes Auftreten von Kavitationsblasen

1

3%

Q = konst. n = konst.

0 NPSHerf NPSH

Bild 38: Experimentelle Ermittlung von NPSHerf fr das Kriterium H = 0,03 Hkavitationsfrei

44

NPSH der Pumpe Korrekturmglichkeiten

3Ps'

Zustand nicht berschreiten, ist ein Mindest-NPSH-Wert erforderlich, der in den NPSHerf-Kurven unter den QH-Kennlinien in der Einheit m angegeben wird (siehe Bild 18). Bezugsebene ist dabei die Mitte des Laufradeintritts (Bild 39), die sich z.B. bei vertikalen Pumpen um das Ma s von der Bezugsebene der Anlage unterscheiden kann (siehe Bilder 36 u. 37). Um also das somit angegebene Ausma der zugelassenen Kavitation nicht zu berschreiten, muss NPSHvorh > NPSHerf (33)

Ps'

Ps'

Ps'Ps'Ps'

sein. Bild 40 zeigt diesen Sachverhalt graphisch im Schnittpunkt von NPSHvorh und NPSHerf. Wird diese Voraussetzung nicht beachtet, fllt die Frderhhe rechts des Schnittpunktes (bei vergrertem Frderstrom) schnell ab und bildet Abreiste. Ein lngerer Betrieb in diesem Zustand beschdigt die Pumpe.

Bild 39: Lage des Bezugspunktes Ps bei verschiedenen Laufrdern 3.5.3 Korrekturmglichkeiten Die Zahlenwerte von NPSHvorh und NPSHerf beruhen auf den konstruktiv festgelegten und nachtrglich nicht mehr vernderlichen Abmessungen der Anlage und der Pumpe und auf den Daten des Betriebspunktes. Daraus folgt, dass eine nachtrgliche Verbesserung der Bedingung NPSHvorh > NPSHerf in einer vorhandenen Kreiselpumpenanlage nur mit einem groen konstruktiven und nanziellen Aufwand in der Anlage oder Pumpe mglich ist. Das betrifft z.B. die Vergrerung von Hz geo oder die Verminderung von Hs geo (durch Hherlegen des Behl-

H NPSH

QH-Linie

B A1 A2Bild 40: Abreiste A1 und A2 der QH-Linie bei unzureichendem NPSHvorh: NPSHDezit im einfach schraferten (Fall 1) und doppelt schraferten Bereich (Fall 2). Nach Erhhung von NPSHvorh(1) auf NPSHvorh(2) wird der nutzbare Betriebsbereich der Pumpe von Q1 auf Q2 vergrert und der Betriebspunkt B erreicht.

HA NPSHvorh (2) NPSHvorh (1) NPSHerf Q1

Q2

Q

45

3

NPSH der Pumpe Korrekturmglichkeiten

des NPSHerf-Wertes durch einen Inducer nicht fr den gesamten Frderstrombereich der betreffenden Pumpe gilt, sondern nur fr bestimmte Teilbereiche (siehe Bild 42). Die Bestndigkeit gegen Kavitationsverschlei kann insbesondere bei Pumpen grerer Nennweiten durch die Wahl geeigneterer (d.h. auch teurerer) Laufradwerkstoffe erhht werden. Nur in einem Sonderfall ist die NPSH-Korrektur einfach: Bei geschlossenen Kreislufen (z.B. in Heizungsanlagen) kann das Druckniveau gegebenenfalls zur Verbesserung von NPSHvorh angehoben werden, sofern die Anlage einen solchen hheren Systemdruck zulsst.

Inducer

Bild 41: Schnittbild einer Pumpe mit Inducer (Ausschnitt) ters oder tiefere Aufstellung der Pumpe) oder die Reduzierung der saugseitigen Druckverluste Hv,s oder den Austausch der Pumpe. Im letzten Falle kann der Einsatz eines speziellen Sauglaufrades oder das Vorschalten eines Inducers (Vorschaltpropeller, Bild 41) die Ko-sten der Verbesserung in Grenzen halten (ein Umbau der Pumpe ist aber dennoch unvermeidlich). Zu beachten ist jedoch, dass die Reduzierung

PumpenkennlinieNPSH-Wert der Pumpe Frderhhe H der Pumpe

NPSHerf ohne Inducer

NPSHerf mit Inducer

Frderstrom Q

Qopt

Bild 42: Einuss eines Inducers (Vorschaltlufers) auf NPSHerf

46

Einuss von Verunreinigungen Laufrder Abwasserfrderung

3bis 7,5 kW von 11 22 kW von 30 55 kW ber 55 kW ca.30% (1kW), ca.20%, ca.15%, ca.10%.

3.6 Einuss von Verunreinigungen Wenn das Wasser (z.B. husliches Abwasser, Regenwasser oder Mischwasser) nur geringe Verunreinigungen enthlt, werden meistens spezielle Laufrad- und Pumpenbauformen (z. B. mit Reinigungsdeckeln, besonderen Wellendichtungen) eingesetzt [1]. Bild 43 zeigt die gngigsten Laufradbauformen fr diese Abwsser. Bei der Schlammfrderung knnen Kanalrder bis 3%, Einschaufelrder bis 5%, Freistromrder bis 7% und Schneckenrder noch hhere Anteile an Trockensubstanz bewltigen.

Da Einschaufelrder fr die Abwasserfrderung zur Anpassung des Betriebspunktes (siehe Abschnitt 3.4.6) nicht abgedreht werden knnen, werden diese Pumpen oft mittels Keilriemen angetrieben (siehe Bild 59 g). Zuschlge zu den Antriebsleistungen sind nicht in Bild 20, sondern in der erzeugnisspezischen Dokumentation angegeben [1], da sie nicht nur abhngig von der Antriebsleistung, sondern auch von der Laufradform und der spezischen Drehzahl sind. So werden z.B. fr Einschaufelrder bei der Frderung von huslichen Abwssern und Fkalien die folgenden Leistungsreserven empfohlen:

Bei der Ermittlung der Druckhhenverluste in Rohrleitungen (siehe unter 3.2.1.2) sind besondere Zuschlge erforderlich [1]. Um bei hochbelasteten Abwssern die Gefahr von Verstopfungen in den Rohrleitungen zu vermindern, sollte die Mindestgeschwindigkeit in horizontalen Rohren mit 1,2 m/s und in vertikalen Rohren mit 2 m/s nicht unterschritten werden (genaue Werte sind nur experimentell zu gewinnen!); das ist bei Drehzahlregelungen zu beachten [1].

Laufradbauformen fr Abwasserfrderung.

Abwasser mit festen oder langfaserigen Draufsicht ohne Deckscheibe dargestellt. Beimengungen

geschlossenes Einschaufelrad *) fr

Draufsicht ohne Deckscheibe dargestellt. Flssigkeiten ohne langfaserige Beimengungen

geschlossenes Kanalrad *) fr feststoffhaltige oder schlammige nicht gasende

Freistromrad fr Flssigkeiten mit groben oder langfaserigen Feststoffen und Gaseinschlssen

Bild 43a: Geschlossenes Einschaufelrad fr Abwasser mit festen oder langfaserigen Beimengungen

Bild 43b: Geschlossenes Kanalrad fr feststoffhaltige oder schlammige nicht gasende Flssigkeiten ohne langfaserige Beimengungen

Bild 43c: Freistromrad fr Flssigkeiten mit groben oder langfaserigen Feststoffen und Gaseinschlssen

Schneckenrad fr Abwasser mit groben, festen oder langfaserigen Feststoffen oder fr Schlmme mit 5 bis 8% Trockensubstanz

Bild 43d: Schneckenrad fr Abwasser mit groben, festen oder langfaserigen Feststoffen oder fr Schlmme mit 5 bis 8% Trockensubstanz

Bild 43e: D-Rad fr Abwasser mit festen und langfaserigen als auch mit grberen Beimengungen

47

44 Besonderheiten bei der Frderung zher Flssigkeiten 4.1 Die Fliekurve Die Zhigkeit (Viskositt) einer Flssigkeit ist ihre Eigenschaft, Schubspannungen zu bertragen. Bild 44 verdeutlicht diesen Vorgang: In einer Flssigkeit wird parallel zu einer ebenen Wand im Abstand y0 eine ebene Platte mit der benetzten Oberche A und der Geschwindigkeit v0 bewegt. Dabei muss eine Reibungskraft F berwunden werden, die man zur Schubspannung = F/A umrechnen kann. Wird der Wandabstand y0 oder die Geschwindigkeit v0 oder die Art der trennenden Flssigkeit verndert, so beeinusst dieses die Schubspannung proportional zur Geschwindigkeit v0 oder umgekehrt proportional zum Wandabstand y0. Die beiden einfach zu erkennenden Parameter v0 und y0 fasst man zum Begriff Schergeflle v0/y0 zusammen. Da die Zhigkeit der Flssigkeit die Schubspannung nicht nur an den Wnden, sondern auch in allen anderen Wandabstnden, also zwischen den Flssigkeitsteilchen bertrgt, deniert man verallgemeinert das Schergeflle als v/y (Geschwindigkeitsgeflle pro nderung des Wandabstandes); es ist ebenso wie die Schubspannung nicht fr alle Wandabstnde y gleich gro, sondern es gibt bei einer Messreihe Wertepaare t und v/y, die als Funktion in der sogenannten Fliekurve aufgetragen werden knnen (Bild 45).Platte v0

Besonderheiten bei zhen Flssigkeiten Fliekurve

F

Ist diese Fliekurve eine Ursprungsgerade = v/y (34)

y0

v/y

Wand

Bild 44: Geschwindigkeitsprol zwischen einer ebenen Wand und einer parallel dazu geschleppten ebenen Platte. F = Schleppkraft; v0 = Schleppgeschwindigkeit; y0 = Wandabstand; v/y = Schergeflle

so nennt man den konstanten Proportionalittsfaktor die dynamische Zhigkeit mit der Einheit Pa s. Eine derart gekennzeichnete Flssigkeit (z. B. Wasser oder alle Mineralle) ist eine normalviskose oder NEWTONsche Flssigkeit, fr die die Gesetze der Hydrodynamik uneingeschrnkt gelten. Ist die Fliekurve dagegen keine Ursprungsgerade, sondern eine beliebig verlaufende Kurve, dann handelt es sich um eine nichtNEWTONsche Flssigkeit, fr die die hydrodynamischen Gesetze nur unter Einschrn-

Bild 45: bersicht ber das Flieverhalten zher Flssigkeiten a ohne, b mit Fliegrenze f. N NEWTONsche, B BINGHAMsche, S Strukturviskose, D dilatante Flssigkeit

48

Besonderheiten bei zhen Flssigkeiten

4 Za h d nra ge trie be leSchmierle BB

kungen gelten. Beide Flle mssen daher grundstzlich unterschieden werden. Da in vielen Beziehungen der Quotient aus dynamischer Zhigkeit und der Dichte vorkommt, hat man ihn als kinematische Zhigkeit = / (35)

Schmierle BC

Anforderungswerte nach DIN 51 507 (Transformatorenle) DIN 51 603 (Heizle) DIN 51 601 (Dieselkraftstoff) ISO-Viskosittsklassifikation nach DIN 51 519

He iz lSSchmierle BA

mit kinematische Zhigkeit in m2/s, dynamische Zhigkeit in Pa s (= kg/sm), Dichte in kg/m3 (Zahlenwerte siehe Bild 48). deniert. Fr Wasser mit 20 C ist = 1,00 106 m2/s. Weitere Zahlenwerte siehe Tabelle 12. Die frher gebruchlichen Einheiten Centistokes = mm2/s,

Hy dra u

le en tor Mo

le lik

HL

,H

LPKF Z-G

ns Tra en tor ma for

e rl hte , dic DL ver , V BL uft , VCL L C ,V VB Vnne rbi Tu le TD ver KC lte K erle t ich d ver KA lte -AN K erle le L ht L er dic mi eC h l Sc ier hm le C Sc er i hm Sc

e ieb etr

le

He ZD le er le ZB nd yli er ZA pfz lind le am fzy er id amp nd yli id pfz He am id He

iz He

l

M

iz He

He

l L

s Die elk

l

h Sc

mi

er

le C

LP

raf

iztst

l ELoff

Bild 46: Umrechnung von verschiedenen Einheiten der kinematischen Zhigkeit

Bild 47: Kinematische Zhigkeit verschiedener Mineralle als Funktion der Temperatur t (vergrerte Darstellung siehe Seite 89) Englergrad E, Saybolt-Sekunden S (USA) oder RedwoodSekunden R (England) sind heute nicht mehr zugelassen und knnen mittels Bild 46 umgerechnet werden auf m2/s. Die Zhigkeit hngt (unabhngig von der obigen Erluterung) von der Temperatur ab: Mit steigender Temperatur werden fast alle Flssigkeiten dnnssiger, ihre Zhigkeit nimmt ab (Bilder 47 und 48). Die dynamische Zhigkeit kann fr alle Flssigkeiten zur Aufzeichnung der Fliekurve mit einem Rotationsviskosimeter gemessen werden: In einem mit der Prfssigkeit ge-

49

4t = 100 C = 2,01 mm2/s

Newtonsche Flssigkeiten Zhigkeit und Pumpenkennlinie

t = 92,5 C = 2,35 mm2/s

t = 98,3 84,2 72,5 44,5 C = 15,8 7,76 4,99 2,33 mm2/s

t =18,3 50 70 C = 11,87 3,32 1,95 mm2/s

Ameis ensure

nach KSB. Beide Verfahren benutzen zur Darstellung der Umrechnungsfaktoren Diagramme, die zwar in hnlicher Weise gehandhabt werden, die sich aber darin unterscheiden, dass im KSB-Verfahren auer den Einussgren Q, H und auch noch zustzlich der deutliche Einuss der spezischen Drehzahl nq (siehe Abschnitt 3.1.5) enthalten ist. Das HI-Verfahren (Bild 49) wurde nur bei nq = 15 bis 20 gemessen und fhrt in diesem engen Anwendungsbereich zu zahlengleichen Ergebnissen wie das KSB-Verfahren (Bild 50), das im nq-Bereich von 6,5 bis 45 und bei Zhigkeiten bis z = 4000 106 m2/s gemessen wurde. Die Benutzung beider Diagramme ist durch eingezeichnete Beispiele erlutert [9]. Der Frderstrom Q, die Frderhhe H und der Wirkungsgrad einer einstugen Kreiselpumpe, die fr einen Wasserbetrieb (Index w) bekannt sind, lassen sich nun fr den Betrieb mit einer zhen Flssigkeit (Index z) wie folgt umrechnen: Qz = fQ Qw Hz = fH Hw z = f w (36) (37) (38)

enAmeis e sur

s Es igs u re

Bild 48: Dichte und kinematische Zhigkeit verschiedener Flssigkeiten als Funktion der Temperatur t (vergrerte Darstellung siehe Seite 90) fllten zylindrischen Topf rotiert ein Zylinder mit frei whlbarer Drehzahl. Gemessen werden bei mehreren Drehzahlen das Antriebsmoment, die Umfangsgeschwindigkeit, die Gre der benetzten Zylinderche und der Wandabstand im Topf. 4.2 NEWTONsche Flssigkeiten 4.2.1 Einuss auf die Pumpenkennlinien Die Kennlinien der Kreiselpumpen (H, und P ber Q) zeigen erst ab einer kinematischen Zhigkeit > 20 106 m2/s sprbare Einsse und mssen erst ab dieser Grenze mit empirisch ermittelten Umrechnungsfaktoren umgerechnet werden. Die beiden bekanntesten Verfahren sind die nach Standards of the Hydraulic Institute (HI) und

Die Faktoren f werden im HIVerfahren k genannt; beide sind in den Bildern 49 und 50 graphisch aufgetragen; in Bild 50 muss zustzlich die Pumpendrehzahl n eingelesen werden und die spezische Drehzahl nq des Pumpenlaufrades bekannt sein, z.B. nach Bild 3 oder nach Gleichung 3.

50

Zhigkeit und Pumpenkennlinie Korrekturfaktoren

4

1,0

Korrekturfaktor kH

kH0,8

0,6 Q 0,8 Q 1,0 Q 1,2 Q

0,6 1,0

4 Korrekturfaktoren kQ, k

0,8

kQ

0,6

0,4

k

0,2

150 8025

2F 0 20 0 10

erh rd

he

H

10 00 40 00 30 00 20 6 10 00 10 0 80 0 60 0 40 0 30 0 20 2 /s 6 m 0 0 1 10 80 60

6

60 0 30 4 20 5 10 1 8 6 4

3200

K

tis ma ine

ch

osi isk eV

tt

40 30

20

10 10 8,0 6,0

2,06

1,0 10

4,0 3,0

6

25 6 10

50 20

100 30

m3/h l/s 100

500 200

1000 300

2000 500

40 50

1 Frderstrom Q

Bild 49: Ermittlung der Korrekturfaktoren k nach Standards of Hydraulic Institute. Eingetragenes Beispiel fr Q = 200 m3/h, H = 57,5 m, = 500 106 m2/s

51

4

Zhigkeit und Pumpenkennlinie Korrekturfaktoren

300 200 150 100 80 60 50 40 30 20 15 10 8 6 5 4 3 2 1,5 1

400

200 250 300

400 500 600 800 1000 1500 2000 2500 3000 4000

1

2

3

4 1

5 2

10 3 4

20 5

30 40 50 100 10 20

200

300 400 500 100 200

1000

2000 3000 1000

5000

10000 2000

0,3 0,4 0,5

30 40 50

300 400 500

Bild 50: Ermittlung der Korrekturfaktoren f nach dem KSB-Verfahren. Eingetragenes Beispiel fr Q = 200 m3/h, H = 57,5 m, = 500 106 m2/s, n = 2900 min1, nq = 32,8

52

Zhigkeit und Pumpenkennlinie Korrekturfaktoren Umrechnung

4

Mit diesen Faktoren knnen dann die fr Wasserbetrieb bekannten Betriebsdaten fr zhe Flssigkeiten umgerechnet werden; die Umrechnung gilt im Lastbereich 0,8 Qopt < Q < 1,2 Qopt, (39)

vereinfacht also bei drei Frderstrmen 0,8 und 1,0 und 1,2 Qopt mit der einzigen Ausnahme: Bei Q = 0,8 Qopt ist Hz = 1,03 fH Hw. (Hz aber nie > Hw!). Beim Frderstrom Q = 0 ist einfach Hz = Hw sowie z = w = 0 zu setzen. Ein Rechenschema nach Bild 51 erleichtert die Umrechnung. Nachdem auch die Leistung bei den drei Frderstrmen (im Lastbereich nach Gleichung 39) berechnet wurde gem Pz = z g Hz Qz / 1000 z (40) mit z Dichte in kg/m3, Qz Frderstrom in m3/s, g Fallbeschleunigung = 9,81 m/s2, Hz Frderhhe in m, z Wirkungsgrad zwischen 0 und 1, Pz Leistung in kW (!), knnen danach alle Kennlinien aus jeweils 4 bzw. 3 berechneten Punkten ber Qz aufgezeichnet werden, siehe Bild 52, Seite 54. Sind in der umgekehrten Aufgabenstellung nicht die Wasserwerte, sondern die Daten bei Betrieb mit zher Flssigkeit gegeben (z.B. bei der Suche einer

1)

1/min

= Hw = Hw fH, w 1,03 Hw fH, w Hw fH, w2)

2)

Bild 51: Rechenblatt zur Umrechnung der Pumpenkennlinien bei Frderung einer zhen Flssigkeit nach dem KSB-Verfahren (vergrerte Darstellung siehe Seite 91)

geeigneten Pumpe fr den geforderten Betriebspunkt), schtzt man zunchst die Wasserwerte und nhert sich dann mit den Umrechnungsfaktoren fQ, fH und f iterativ in einem zweiten (oder notfalls dritten) Schritt der Lsung. Oberhalb einer spezischen Drehzahl nq von 20 fhrt das besser angepasste KSB-Rechenverfahren zu geringeren An-

triebsleistungen, unterhalb dieser Grenze sind die berechneten Antriebsleistungen nach HI zu klein [9]!

53

470 m 60 50 40 20 10 0 0 50 30 H Hwopt

Zhigkeit und Pumpen-/Anlagenkennlinien NichtNEWTONsche Flssigkeiten: Pumpenkennlinien

Hzopt Hz Qwopt Qzopt Hw

0,8 100 150

1,0 200

1,2 Q/Qopt 250 m3/h Q

keit wegen der jetzt dickeren Grenzschichten in der Strmung auer Acht bleiben knnen). Mit dem Verhltnis zum Wasserwert z/w sind dann alle fr die Wasserfrderung berechneten Druckverluste in Rohrleitungen und Armaturen nach 3.2.1.2 hochzurechnen. Fr den praktischen Gebrauch ist auch Bild 53 geeignet: In Abhngigkeit vom Frderstrom Q, vom Rohrinnendurchmesser d und von der kinematischen Zhigkeit z kann hier schnell der Rohrreibungsbeiwert z ermittelt werden, whrend der Beiwert w in diesem Diagramm nur bei hydraulisch glatten Rohren (also nicht bei rauhen Rohren) gilt! Mit dem zutreffenden w kann wieder z/w berechnet werden. Da der statische Anteil der Anlagenkennlinie HA (Bild 16) von der Zhigkeit nicht beeinusst wird, kann somit der dynamische Anteil der fr Wasserbetrieb bekannten Anlagenkennlinie als steiler verlaufende Parabel fr die zhe Flssigkeit umgezeichnet werden. 4.3 NichtNEWTONsche Flssigkeiten 4.3.1 Einuss auf die Pumpenkennlinien Wegen des rtlich nicht bekannten Schergeflles in den hydraulischen Bauelementen der Pumpen ist eine Berechnung der Zhigkeitseinsse auf die Pumpenkennlinien bei nichtNEWTONschen Flssigkeiten nicht mglich. Nur fr ganz spe-

%

80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 zopt

wopt w

z

50

100

150

200

250 m3/h Q Pz

50 40 kW 30 20 10 0 0 50 100 150 200 P Pzopt Pwopt

Pw

250 m3/h Q

Bild 52: Umzeichnung der Kennlinien von Wasser auf eine zhe Flssigkeit

4.2.2 Einuss auf die Anlagenkennlinien Da bei den NEWTONschen Flssigkeiten alle hydrodynamischen Gesetze ihre Gltigkeit ohne Einschrnkung behalten, gelten auch die Berechnungsformeln und Diagramme fr die Rohrreibungsbeiwerte und fr die Verlustbeiwerte in Arma-

turen weiterhin. Man muss nur bei der Berechnung der REYNOLDS-Zahl Re = v d/ anstelle der kinematischen Zhigkeit w von Wasser jetzt z der jeweiligen zhen Flssigkeit einsetzen. Damit ergibt sich eine kleinere Re-Zahl und nach Bild 10 folglich ein grerer Rohrreibungsbeiwert z (wobei die Einsse der Wandrauhig-

54

NichtNEWTONsche Flssigkeiten Pumpen-/Anlagenkennlinien

41

2

4.3.2 Einuss auf die Anlagenkennlinien Da die Fliekurven keine Geraden mit konstanter Zhigkeit sind, kann man sich so behelfen, dass man sie in kurze Parabelabschnitte unterteilt und fr jeden Abschnitt (zweckmigerweise in doppeltlogarithmischer Auftragung) auf graphischem Wege den Parameter (= Steigkeitszahl) und den Exponenten n (= Strukturzahl) der Parabeln ermittelt. In einem speziellen Diagramm (analog zu Bild 10), in dem der Rohrreibungsbeiwert z ber der verallgemeinerten REYNOLDSZahl Ren fr mehrere Exponenten n aufgetragen ist, kann dann z abgelesen und fr einen bestimmten Frderstrom Q die Anlagenkennlinie HA ermittelt werden. Da dieses Verfahren insbesondere wegen der mehrfachen Iterationen aber uerst umstndlich ist, kann es nicht fr die allgemeine Anwendung empfohlen werden. Man greift in diesem Falle wie bei den Pumpenkennlinien auf die besonderen Erfahrungen mit bestimmten Flssigkeiten zurck und liest in Diagrammen mit engem Anwendungsbereich den Druckhhenverlust Hv ab. Bei zunehmenden Abweichungen von diesen Voraussetzungen werden die Druckhhenverluste immer unsicherer, so dass in solchen Fllen nur die Erfahrung der Fachabteilung weiterhelfen kann.

4 6 8 1 10 m 63 /h

225 32 40 50 65 80 100 125 15 mm 0

4

F

rs de r

0,010 0,011 0,012 0,013

10

80

600

00

Roh

0

rin

20 0 0 d er 40 ess 0 chm dur nen

30

Rohrreibungsbeiwert z Turbulente Strmung

0,014 0,015 0,016 0,017 0,018 0,020 0,022 0,024 0,026 0,028 0,030 0,035 0,040

Wa ss e

r im

hy dr

au

lis

ch

gla

tte nR oh

r10 6 2

5 10 50,03 0,035 4 0,0 0,05 6 0,0 Ro 0,08 La hrre 0,10 2 mi ib ,1 na un 0 0,15 re gs St be 0,20 rm iw un ert 0,30 g 0,40 0 z 0,5 0 0,6

2

5 10 4

10

5

m2 /s

2

3

Bild 53: Ermittlung des Rohrreibungsbeiwertes z fr zhe Flssigkeiten. Beispiel: Q = 200 m3/h; d = 210 mm; z = 5 104 m2/s zielle Flssigkeiten, wie z.B. Faserstoffbrei, gibt es Erkenntnisse, die eine Vorhersage aufgrund langjhriger Erfahrungen mit diesem Frdermedium gestatten. Die Auslegung der Pumpen muss deshalb der Fachabteilung vorbehalten bleiben.

Kinematische Viskositt

Rohrinnendurchmesser d

m tro

Q

8 2 10

2

4

6 8 3 10 2 4 6 8 4 10

55

55. Besonderheiten bei der Frderung gashaltiger Flssigkeiten Im Gegensatz zu den gelsten Gasen kann der Gehalt einer Flssigkeit an ungelsten Gasen (in Volumenprozent) die Auslegung, die Kennlinien und das Betriebsverhalten von Kreiselpumpen erheblich verndern, wie das Beispiel einer Kanalradpumpe in Bild 54 zeigt. Dieser Gasgehalt kann durch den Produktionsprozess verursacht werden, aber auch durch undichte Flansche oder Spindeldichtungen an Armaturen in der Saugleitung oder durch luftziehende Wirbel in offenen Einlaufkammern bei zu niedrigem Wasserstand, siehe Abschnitt 7.2. Im Fliehkraftfeld eines Laufrades tendieren die Gasblasen dazu, sich an bestimmten Stellen in der Pumpe anzusammeln und hier die Strmung zu stren. Dieser Effekt wird begnstigt, je weiter die Pumpe im Teillastgebiet arbeitet, weil hier wegen der geringeren Strmungsgeschwindigkeiten deren Schleppwirkung nachlsst, je kleiner der Laufradeintrittsdurchmesser ist, weil dann die Drosselwirkung durch das Gasvolumen relativ strker ist,

Gashaltige Flssigkeiten

je kleiner die spezische Drehzahl nq des Pumpenlaufrades ist, je geringer die Drehzahl der Pumpe ist. Eine rechnerische Erfassung dieser Erscheinung ist nicht mglich. Wenn grere Gasgehalte in der Frderssigkeit zu erwarten sind, knnen die folgenden Manahmen ntzlich sein: Ein gengend groer Ruhebehlter in der Saugleitung ermglicht eine Entgasung der Flssigkeit und kann die strenden Einsse der ungelsten Gasblasen vermindern. Rohrleitungen, die zur Fllung eines offenen Ansaugbehlters dienen, mssen unterhalb des Flssigkeitsspiegels enden, damit z.B. ein freier Wasserfall keine Luftblasen in den Behlter einsplen kann; auerdem soll eine Prallwand den Eintritt von Wirbeln in die Saugleitung verhindern (siehe Bilder 64 und 65). Ein Teillastbetrieb der Pumpe lsst sich durch Installation einer besonderen Teillastpumpe vermeiden; wenn diese nur zeitweise betrieben werden muss, kann sie vorteilhaft als selbstansaugende Pumpe (mit geringerem Wirkungsgrad) ausgewhlt werden. Eine Gasabfhrungsleitung vor der Laufradnabe erfordert eine Absaugevorrichtung, ist bei grerem Gasanteil nur begrenzt leistungsfhig und strt bei normalem Betrieb die Frderung.

Frderhhe H

26 m 2,8% 20 4,1%5,5%

qL = 0%

2,8%

10

6,9%8,3% 9,6%qL = 0% 2,8% 4,1% 5,5%

11%

0%

Wirkungsgrad

0 80 % 50

2,8%

0%

0 14 10 kW 0

6,9% 8,3% 9,6%qL = 0%, 2,8% 4,1%, 5,5%

11%

Leistung P

6,9% 8,3% 9,6%

11%

5,5%

0

100 200 saugseitiger Gesamtfrderstrom Qs

m3/h

300

340

Bild 54: Einuss von ungelster Luft auf das Betriebsverhalten einer Kanalradpumpe zur Frderung von vorgereinigten Abwssern (offenes Dreikanalrad, D = 250 mm, n = 1450 min1, nq = 37). qL = saugseitiges Luftvolumen in % des Gemisches.

56

Gashaltige Flssigkeiten

5 Bei planmig hohen Gasanteilen arbeiten Seitenkanalpumpen (geringere Wirkungsgrade, strkere Gerusche, begrenzter Frderstrom) oder Wasserringpumpen (nach dem Verdrngerprinzip) zuverlssiger.

Seitens der Pumpe sind offene Laufrder (siehe Bild 4) mit mglichst wenig Schaufeln vorteilhaft, hnlich wie das Vorschalten eines Inducers (Bild 41). Ohne besondere Manahmen knnen Kanalrder (Bild 43) bis zu 3%vol und Freistromrder 6 bis 7%vol Gasanteile mitfrdern.

57

66 Besonderheiten bei der Frderung feststoffhaltiger Flssigkeiten 6.1 Sinkgeschwindigkeit Feststoffe (schwerer als Wasser) lassen sich um so besser frdern, je geringer ihre Sinkgeschwindigkeit und um so grer ihre Strmungsgeschwindigkeit ist. Wegen der vielen Einussgren ist aber die Berechnung der Sinkgeschwindigkeit nur unter abstrahierenden Annahmen mglich: Die Sinkgeschwindigkeit einer einzelnen Kugel im unbegrenzten Raum (Index 0) folgt aus dem Krftegleichgewicht zu 4 g ds 3 cD s f f (41)

Feststoffhaltige Flssigkeiten Sinkgeschwindigkeit

Wesentlichen Einuss hat die Konzentration der Feststoffteilchen: cT = Qs/(Qs + Qf) (43)

In der Wirkung nicht abschtzbar ist die unregelmige Form der Feststoffe, die von der Kugelform erheblich abweichen kann. Auch der Einuss des Kornspektrums ist kaum abschtzbar: Bild 56 zeigt exemplarisch ber der logarithmisch geteilten Skala der Korndurchmesser ds denjenigen Massenanteil, der noch durch ein Sieb der jeweiligen Maschenweite hindurchfllt. Feststoffstrme setzen sich in der Praxis fast immer aus Teilchen verschiedener Durchmesser zusammen, so dass das Kornspektrum einen mehr oder weniger ausgeprgten S-Schlag zeigt. Man hilft sich nun in einfachster Weise dadurch, dass man denjenigen Durchmesser, der einem Massenanteil von 50% entspricht, als d50 bezeichnet und als reprsentativ fr

mit cT Konzentration der Frderstrme (Transportkonzentration), Qs Frderstrom des Feststoffes in m3/s, Qf Frderstrom der Flssigkeit in m3/s. Diese Konzentrationen vermindern zusammen mit den begrenzenden Wandeinssen der Rohrleitung die Sinkgeschwindigkeit durch die gegenseitige Verdrngerwirkung erheblich etwa nach der empirisch gefundenen Beziehung ws = ws0 (1 cT)5 (44)

ws0 =

mit ws0 Sinkgeschwindigkeit in m/s, g Fallbeschleunigung 9,81 m/s2, ds Kugeldurchmesser in m, cD Widerstandsbeiwert der Kugel abhngig von Res, s Dichte d. Feststoffes in kg/m3, f Dichte d. Flssigkeit in kg/m3. Res = ws0 ds/f (42)

10

Wasser t = 15 C

wso [m/s]

80

00 000 00 000 7 60 5

Res

= 105

10

4

Die Sinkgeschwindigkeit ws0 ist in Bild 55 graphisch dargestellt.

0,5 0,4 0,3 0,2

00 40 00 35

00 30

0,1 0,1

,2

,3 ,4 ,5,6 ,8 1,0

10

ds [mm]

Bild 55: Sinkgeschwindigkeit wso kugeliger Einzelteilchen (Kugeldurchmesser ds) im ruhenden Wasser

58

mit f kinematische Zhigkeit der Flssigkeit in Pa s.

10

1,0 0,710

0 25000 3 20 g/m 0k 50 =1s

3

2

100

Feststoffhaltige Flssigkeiten Pumpenkennlinien

6Einsse von Teilchendurchmesser ds, Konzentration cT und Feststoffdichte s sowie der spezischen Drehzahl nq wiedergeben. Danach lsst sich die relative Frderhhenminderung H/H grob abschtzen zu (45)

diese Mischung ansieht. Hierin liegt die wichtigste Ursache fr alle Unwgbarkeiten in der Planungsphase. Es ist einzusehen, dass nach allen diesen Annahmen und groben Vereinfachungen exakte Vorhersagen ber die Auswirkungen der Feststoffe auf das Verhalten der Strmung, der Anlagenkennlinien, der Frderhhen und Wirkungsgrade von Pumpen usw. unmglich sind. Es muss daher Sache der Experten sein, mit ausreichender Erfahrung aus hnlich gelagerten Fllen Pumpen fr den hydraulischen Feststofftransport auszulegen. Selbst dann muss man im Zweifelsfall Experimente zur Absicherung durchfhren. Nur einige Tendenzen lassen sich allgemein angeben: 6.2 Einuss auf die Pumpenkennlinien Die Feststoffe verhalten sich im Fliehkraftfeld des Laufrades anders als die Trgerssigkeit, im allgemeinen Wasser. Sie durchqueren die Stromlinien

der Wasserstrmung und stoen und reiben sich an den Wnden der Strmungskanle. Dadurch vermindern sie die im Laufrad erzeugte Frderhhe H um das Ma H. Darber gibt es experimentelle Erkenntnisse, die die H/H = (cT / ) mit cT Res nq s f3

Res (11,83/nq)3 (s / f 1)

Transportkonzentration nach Gleichung 43, Druckziffer der Pumpe, hier etwa = 1, REYNOLDS-Zahl der Feststoffstrmung nach Gleichung 42, spezische Drehzahl der Pumpe nach Gleichung 3, Dichte des Feststoffes in kg/m3, Dichte der Flssigkeit in kg/m3. (cd2 cs2)/2 g vernachlssigt, also die Druckhhe Hp H gesetzt: p = m g (H H) (46) mit m gemittelte Dichte des Feststoff-Wassergemisches nach Gleichung 47 in kg/m3, g Fallbeschleunigung 9,81 m/s2, H Frderhhe in m, H Frderhhenminderung nach Gleichung 45 in m, p Druck in N/m2 (zur Umrechnung in bar: 1 bar = 100 000 N/m2) Die mittlere Dichte einer Mischung berechnet sich nach