KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbHGrundlagen der Hydraulik
Grundlagen der Hydraulik
Dipl.- Ing. Christoph BrandtKLIMAhaus Klima- und Gebäudetechnik GmbH
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbHGrundlagen der Hydraulik
Bedeutung des Themas Hydraulik
Sonstiges 2%
Straßenverkehr 24%
INDUSTRIE 42%
Landwirtschaft 2%Wohnung 30%
Stromverbrauch in der EUAndere 32%
PUMPEN 30%
Druckluft, KälteKompressoren 24%
Ventilatoren 14%
Stromverbrauch in der Industrie
Die Industrie verbraucht mit Abstand am meisten elektrische Energie.Innerhalb der Industrie sind die Pumpen die größtenEnergieverbraucher.
Stromverbrauch
Energieeffizienz das zentrale Thema des 21. Jahrhunderts
Bildnachweis: KSB
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Bedeutung des Themas Hydraulik
Bildnachweis: Imtech
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Grundlagen zur Hydraulik - Energietransport
Größe:
Formel- zeichen
Einheit Berechnungsformel
Wärmeleistung
Massenstrom
Spez. Wärmekapazität Wasser 20 °C; 4.190 J/(kg x K); Ethylenglykol 40/60%; 20 °C; 3.560 J/(kg x K)
Fließgeschwindigkeit
Volumenstrom
Rohrquerschnitt
Formeln zum Energietransport
cmQ...
Q W
)/( KkgJ C vAVm
...m skg /
2
...4
idm
Am
AVvv sm /
vAmV
..
.V hm /³
2
4 idA
A ²m
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Grundlagen zur Hydraulik - Energietransport
Spez. Wärmekapazität von Wasser- / Ethylenglykolgemischen:
Bildnachweis: Tyfo
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Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz (geschl. System)
Größe:
Formel- zeichen
Einheit Berechnungsformel
Rohrreibung (inkompressible Medien)
Rohrreibungszahl (laminare Strömung)
-(laminare Strömung bei Rohrströmung
praktisch nicht relevant)
Reynolds-Zahl Re ≤ 2.320 laminar ≥ 2.320 turbulent
-
kinematische Viskosität Tabellenwert, z.B.
Rohrreibungszahl (turbulente Strömung) -
div. Berechungsansätze, besser: Colebrook-Diagramm
Rohrreibung (vereinfachte Ermittlung)
Formeln zur Rohrnetzberechnung
Rvdl
ipR 2
2
eR
ie
dvR
)/,( kdRf e
pR Pa lRpR
pR PamN ²/
eR64
sm /² 610006,1:20 CWasser
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Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz
Moody-Colebrook-Diagramm
Moody-Diagramm: Reibungsbeiwerte für Rohrleitungsströmungen als Funktion der Reynoldszahl Re und relativen Rauheit ks/D
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Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz
Rohrreibungstabelle (Beispiel)
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Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz
Größe:
Formel- zeichen
Einheit Berechnungsformel
Druckverlust durch Einzelwiderstände
Einzelwiderstände - Addition aller Einzelwiderstände je TS
Druckverlust geamt
Druckverlust über kvs-Wert (Ventile)
bei bekanntem kvs-Wert
Druckverlust aus geodätischer Höhe
(bei geschlossenen Systemen nicht relevant)
Formeln zur Rohrnetzberechnung
Pa
mPa ,
100]/³[ 2
kvs
hmQpv
Z
pges
pv
pgeo
kPa
ZpRpges Pa
gh geopgeo
2
2vZ
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Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz
Druckverluste durch Einzelwiderstände
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Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz (geschlossen)
Entgegen des SI-Einheitenystems werden für Rohrnetz-und Pumpenauslegung abweichende Formelzeichen verwendet:
= Förderstrom in
= Förderhöhe in
...]³;³;;[h
ms
msl
hlQ
H m
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Grundlagen zur Hydraulik – Pumpen
Wirkungsgrad
zu
ab
PPWirkungsgrad η =
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Grundlagen zur Hydraulik – Pumpen
Wirkungsgrad – Kennfeld
Betrieb der Pumpe möglichst „in der Nähe“ des Wirkungsgrad-Bestpunktes !
Pumpen-Wirkungsgrad am Wirkungsgrad-
Bestpunkt:71,8 %
Pumpenwirkungsgrad am Betriebspunkt
41,5 %
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Grundlagen zur Hydraulik – Parallelschaltung
Bildnachweis: KSB
einzelparallel QQ 2
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Grundlagen zur Hydraulik – Energetische OptimierungAffinitätsgesetze aus derÄhnlichkeitsmechanik:
Lineare Zunahme/Abnahmedes Förderstroms bei linear ansteigender/fallender Drehzahl
Quadratische Zunahme/Abnahmeder Förderhöhe bei linear ansteigender/fallender Drehzahl
Kubische Zunahme/Abnahmeder Leistungsaufnahme bei linear ansteigender/fallender Drehzahl
Für die Anlagenkennlinie gilt:
Nutzung der Einsparpotentiale setzt variable Fördermengen voraus!
3
1
23
1
212
Q
Q
n
nPP
Leistungsaufnahme
Q 2 Q1 n 2
n 1
Förderstrom
80% Drehzahl heißt 80% Förderstrom,50% Drehzahl heißt 50% Förderstrom.
2
1
22
1
212
Q
Q
n
nHHFörderhöhe
64% Förderhöhe,25% Förderhöhe.
und nur 51 % Leistungsaufnahme,bzw. 12,5% Leistungsaufnahme.
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Grundlagen zur Hydraulik – Energetische Optimierung
Förd
erhö
he H
m
Förderstrom Q m3/h
20
20
50
565
DN 50 DN 65 = ¼ HV
4~ dH4
2
dA;AQc 2~ cH ;
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Grundlagen zur Hydraulik – Kostenoptimierung
Bildnachweis: KSB
Dimensionierung von Rohrleitungen:üblich: Richtwerte der Fließgeschwindigkeit als Ausgangsgröße zur Festlegung von D
besser: Kostenoptimierung von Investitions- und Energiekosten- Investitionskosten für Rohre gemäß Ci,Rohr = k · D2
- Energiekosten (Ce) über Verlustbeiwerte der Einzelkomponenten
)()(~ tHtQC VeLCC
D2D2opt
Preis der Rohrleitung(ggf. inkl. Isolierung)
Energieaufwand
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Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen
Energieeinsparung
Umlenkschaltung
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Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen
Energieeinsparung
20 40 Q [%]
H [%]
160
140
120
100
80
60
40
20
060 80 100
20 40 Q [%]
PW [%]
120
100
80
60
40
20
060 80 100
Pumpenkennlinie
Anlagenkennlinie(Volllast)
B1
Anlagenkennlinie(Teillast)
B2Eindrosseln
Förderhöhen-überschuss
Förderhöhen-bedarf
Leistungseinsparung
PW2
PW1
Drosselschaltung
Bildnachweis: KSB
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Grundlagen zur Hydraulik – Drehzahlregelung
Leistungsanpassung P1: 5.0 kW bis 15 kW
Konstantdruckregelung
Bildnachweis: Grundfos
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Energieeinsparung
Grundlagen zur Hydraulik – Drehzahlregelung
ProportionaldruckregelungKonstantdruckregelungKonstantkennlinie
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Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen
Merkmale:
konstanter Volumenstrom sekundär
keine Rücklaufanhebung
variabler Primärwasserstrom
kein Vordruck erforderlich(druckloser Verteiler)
Beimischschaltung
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Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen
Merkmale:
konstanter Durchfluss im Primär- undSekundärkreis
Rücklauftemperaturanhebung
geeignet zur Temperaturmischung
kurze Reaktionszeit
konstantlaufende Hauptpumpe erforderlich(druckbehafteter Verteiler)
Einspritzschaltung mit3-Wege-Ventil
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Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen
Merkmale:
variable Wassermenge primärseitig
geeignet für variable und konstante Wasser-menge sekundärseitig
unterschiedliche Temperaturen primär-und sekundärseitig möglich
Hauptpumpe erforderlich(druckbehafteter Verteiler)
Ablaufschaltung oderEinspritzschaltung mit2-Wege-Ventil
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Grundlagen zur Hydraulik – Abgleich
Bildnachweis: Recknagel
Druckverlauf Zweirohranlage Druckverlauf bei der Tichelmannschen Rohrverlegung
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Grundlagen zur Hydraulik – Abgleich
Bildnachweis: Danfoss
Statischer Strangabgleich
Voreinstellbares Thermostatventil Strangregulierventil
Bildnachweis: Oventrop
statischer Abgleich für Auslegungsfall,im Teillastbetrieb wirkungslos
max. Druckdifferenz beachten (Geräusche)
kaum zusätzlicher Druckverlustdpmkv.
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Grundlagen zur Hydraulik – Abgleich
Statischer Abgleich im Teillastbetrieb
QQN H
HN2
Dru
ckve
rlu
st D
p [
mb
ar]
0,5
100
Q
QN H
HN2
Dru
ckve
rlu
st D
p [
mb
ar]
0,5
100 Volumenstrom Q [l/h]200
2
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Grundlagen zur Hydraulik – Abgleich
Dynamischer Abgleich:Bei Anlagen mit unterschiedlichen Verbrauchern bzw. großen Rohrnetzen sollte der dynamische Abgleich gewählt werden
Abgleich begrenzt Differenzdruck an denVerbrauchern
keine Geräuschbildung
Einmalige Einstellung, Umbautenerfordern keine Nachregulierung
Höhere Differenzdrücke erforderlich(große Unterschiede bei denmarktverfügbaren Ventilen)!
Bildnachweis: IKZ-Haustechnik