Mitschrift aus Strömungsmaschinen

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1 Mitschrift aus Strömungsmaschinen Wintersemester 007/008 Bei Professor Dr. Kullen Erstellt von Sebastian Füssl 30 Seiten

2 Inhaltsverzeichnis 0 Literatur... 3 Ventilatoren Bauformen (Einteilung nach der Durchströmungsrichtung im Laufrad) Hauptbetriebsdaten Volumenstrom Zusammenhang mit Wärmetauschern Massenstrom Normdichte Leistung P Wirkungsgrad Kennlinien und Betriebspunkt Ventilatorkennlinie Betriebspunkt Anlagenkennlinie (logarithmisch) Wirkungsweise und theoretische Kennlinie von Ventilatoren/Pumpen Schallleistung... 9 Anpassung, Steuerung u. Regelung von Ventilatoren bzw. Pumpen Wie passt man Ventilatoren / Pumpen dem Problem an? Drosselung:..... Drehzahlregelung.... Abschätzung des Wirkungsgrades eines WC-Lüfters EC-Motoren (wichtig) Motortypen Schlupfregelung (Vergrößerung des Schlupfes durch Schwächung des Magnetfeldes) Phasenabschnittsteuerung (Dimmer) IGB-Technologie Pulsweitenmodulation (PWM) PWM-Signal ist ein Rechtecksignal, dessen Pulspausenverhältnis variiert Bypassregelung bzw. Nebenauslassregelung Laufradschaufelverstellung bei Axialventilatoren Vergleich der Betriebsbereiche von Axialventilatoren mit Drehzahlregelung und Laufschaufelverstellung Zusammenschaltung Parallelbetrieb (wichtig) Parallelschaltung von Trommelläufern Hintereinanderschaltung = Reihenschaltung Parallelschaltung Reihenschaltung oder Parallelschaltung Reihen- oder Parallelschaltung von Widerständen Zusammenschaltung von Pumpen/Ventilatoren und Widerständen Beispiel Zusammenschaltung Pumpe mit Strömungswiderstand Übung zur Aufgabe??? Pumpen Hauptbetriebsdaten Anlagenkennlinie Leistungsbedarf Kavitation (Höhlenbildung) Saug- und Zulaufverhältnisse Vermeidung bzw. Beseitigung von Kavitation Allgemeines... 30

3 0 Literatur Bohl Willi Ventilatoren Vogel-Verlag Bohl Willi Strömungsmaschinen Vogel-Verlag Verlag: Vogel; Auflage: 9. A. (Juli 004) ISBN-0: X ISBN-3: Lexis Josef Ventilatoren in der Praxis Gentner Verlag Verlag: Gentner; Auflage: 4., Aufl. (000) ISBN-0: ISBN-3: Seite 3 von 30

4 Ventilatoren Keine berührende Teile (gilt auch für Kreiselpumpen) Verschleißfrei. Bauformen (Einteilung nach der Durchströmungsrichtung im Laufrad) a) Radialventilatoren (häufigster Typ) Laufrad mit Rückwärtsgekümmten Schaufeln Schaufelzahl Z = 6 Hoher wirkungsgrad daher in der Praxis als Hochleistungsventilator (-laufrad) Ventilator mit Spiralgehäuse Freilaufendes Rad Motor b) Laufrad mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln (funktioniert nur im Spiralgehäuse) Erkennungsmerkmal: Schaufelzahlen Z = 3 50 Vorteile: leise, klein (kompakt) Nachteil: schlechter Wirkungsgrad Wird in der Praxis als Trommelläufer-Ventilator genannt Merke: Trommelläufer liefern bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit den -3 fachen Druck im Vergleich zum rückwärtsgerichteten Laufrad Für enge Verhältnisse nimmt man den Trommelläufer Seite 4 von 30

5 c) Diagonalventilatoren d) Axialventilatoren Laufrad wird parallel zur Achse durchströmt Ausführungsformen: Mit Nachleitrat + Diffusor Mit Nachleitrat Ohne Alles Merke: Alle Axialventilatoren müssen innen eine längere Sehne als außen haben. Grund: Innen herrscht ein anderer Druckunterschied als außen auf Grund der geringeren Umlaufgeschwindigkeit. Hauptbetriebsdaten α = WA α Pa = Schallleistung Schalldruck.. Volumenstrom m m m in Praxis: ; = s h h Zusammenhang mit Wärmetauschern Q& = m& * c * ΔT p Q& = V& * ς * c p * ΔT..3 Massenstrom m kg & = * ρ in s m s 3 Seite 5 von 30

6 ..4 Normdichte kg ρ Luft =, m 3 P Dampf ρ feucht = ρtrocken * 0,337 * ϕ * ϕ = relative Feuchte P..5 Leistung P = V& * Δp P Strömung..6 Wirkungsgrad Nutzen Strömungsleistung Förderleistung η = = Aufwand Antriebsleistung V& * Δp Praxis: P = > 0, 5 η * η * η * η * η * η Elektrisch = Laufrad Motor Lager Riementrieb Riemenschutz Einbau.3 Kennlinien und Betriebspunkt gut.3. Ventilatorkennlinie Δ p Druckerhöhung Δ p = Δ Pa p Statisch Δ p ρ w d Δ p = Δp + p t Δ p p fa = frei ausblasend = p dyn. = * dynamischer Druck fa p Ström fa d = Δpt pd = V& * Δp FU = Frequenzumrichter Frequenz direkt proportional zur Drehzahl Leistungsangaben: DIN 463 Seite 6 von 30

7 .3.. Ermittlung der Ventilatorkennlinie Saugseitiger Kammerprüfstand (985) Hauptventilator mit n = variabel Messung des Volumenstroms Zu prüfender Ventilator läuft mit n = konst. z. B. 50 U/min Messung des Innendrucks.3. Betriebspunkt Betriebspunkt ist der Schnittpunkt zwischen Anlagenkennlinie und Ventilatorkennlinie (meist Δ p ) fa Δ p Statisch ρ + * w Δ p Δ p = Δp + t fa p d B V& w = A A = Austrittsflanschquerschnitt des Ventilators n = konst B Δ p fa ρ * w Anlagenkennlinie B = Betriebspunkt stellt sich ein, wenn die kinetische Energie V& * ρ * w genutzt wird (ist der Fall, wenn ein gerades Rohr direkt am Ventilatoraustritt angeflanscht wird.) l ρ ΔpVerlust = λ * * * w d Anlagenkennlinie ρ ΔpVerlust = ξ * * w B = Wenn die kinetische Energie nicht genutzt wird In der Versorgungstechnik fast immer mit Δ p rechnen fa Seite 7 von 30

8 Berechnung von Δ p fa = Δp Statisch Δ p fa aus Kennlinie mit Δ pt = Δp t p dyn.3.3 Anlagenkennlinie (logarithmisch) Häufig werden Kennlinien im doppelt-logarithmischen Maßstab dargestellt. Δ p /R Anlagenkennlinie Ventilator aus dem Katalog Anlagenkennlinie Δ p Verlust = R *V& log Δ p Verlust = log R + *logv& y = a + b * x Gerade mit der Steigung (63,4 ) R Wirkungsweise und theoretische Kennlinie von Ventilatoren/Pumpen Euler Gl. Δp = ρ ( C * U C ) * U th., U U * th = theoretisch = unendliche Schaufelzahl mit Dicke Null w r U r C w r U r C w r Stromlinien entsprechen der Schaufelform r r r C = U * w gilt für alle Laufräder von Strömungsmaschinen C = Absolute Geschwindigkeit U = Umfangsgeschwindigkeit U = r *ω ω = * π * f ω = * π * T ω = * π *u * π * u[ U ω = min ] 60 π *u ω = 30 Seite 8 von 30

9 Δ p Theoretische Kennlinie Reibung an den Deckscheiben Verluste infolge von falscher Schaufelströmung η max = 70% Reibung infolge der Durchströmung Merke: Bei einem Trommelläufer [schlechter Wirkungsgrad] (mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln) ist die Druckerhöhung - bis 3-mal größer als beim Hochleistungslaufrad [guter Wirkungsgrad] (mit rückwärts gekrümmten Schaufeln).3.5 Schallleistung L W,A L P = Schalldruck (Das menschliche Ohr nimmt nur den Schalldruck war) L W = Schallleistung A Kreis = m² L W = L P ca. 40 cm Schallquelle Bei Entfernungen von mehr als 4m cm von der Schallquelle ist L > L W P Seite 9 von 30

10 Anpassung, Steuerung u. Regelung von Ventilatoren bzw. Pumpen. Regelwege: ρ ΔpVerlust = ζ * * w ρ V& ΔpVerlust = ζ * * A pverlust ~ V& Δ Δpth = ρ * cth * u p ~ V& Δ n ~ V& Δ p Kennlinie n Regelweg (b) Kennlinie n/ B Regelweg (a) Δ l ρ = λ * w d p V, Rohr * * ρ * g * h Regelweg a gilt wenn Reibungswiderstände auftreten (z.b. in Rohren, Armaturen, Fittings, Einbauelemente) Regelweg b gilt wenn eine geodätische Höhe überwunden werden muss Auch bei VVS-Anlagen (Variabler VolumenStrom), hier wird dieser Regelweg künstlich erzeugt. Wie passt man Ventilatoren / Pumpen dem Problem an? - Drehzahlregelung - (Drallregelung) - Beipassregelung / Nebenauslassregelung - Parallelschaltung - Hintereinanderschaltung - Laufschaufelverstellung bei Axialventilatoren Seite 0 von 30

11 .. Drosselung: Veränderung (Verringerung) des Volumenstromes durch Erhöhung des Strömungswiderstandes (z.b. durch schließen eines Ventils) Δ p Druck Schließen der Drossel B Leistungsaufnahme nimmt meistens ab (bei Drosslung) Trotzdem extrem unwirtschaftlich Regelweg (a) Vorteil: + Billig P Laufrad Nachteil: - unwirtschaftlich - laut Leistung L W,A Schall Seite von 30

12 .. Drehzahlregelung Bei allen Strömungsmaschinen verschieben sich die Kennlinien nach folgenden Beziehungen V& ~ n Δ p ~ n Δp ~ V& 3 P ~ n 3 P ~ V& Der Betriebspunkt B verschiebt sich nur nach diesen Bedingungen, wenn die Anlagenkennlinie für gilt: Δ = V& Parabel durch den Nullpunkt p Verlust... Drehstrom 30V 400V f * 60 s 3000U Synchronmotor: n = min = min N N 3000U n = min Schlupf 33% N Asynchronmotor: ( )... Polpaare Welche Drehzahlen sind bei Norm-Motoren (Drehstromasynchronmotoren) bei Anschluss im 50Hz Bereich möglich? Pole werden nacheinander Geschaltet f * n = ( S ) = ( S ) N N N = Polpaarzahl S = Schlupf Polpaarzahl Anzahl Pole Drehzahl U/min Schlupf: Geschwindigkeitsdifferenz zwischen umlaufendem Magnetfeld und Rotor. Großer Schlupf schlechter Wirkungsgrad S = ( n n ) tatsächlich n Seite von 30

13 . Abschätzung des Wirkungsgrades eines WC-Lüfters m m V& = 00 = 0,07 h s ρ Δ p =,5* * u V& * Δp η = P el P el = 36W ρ = =,39 87 * 93,39 50 Δp =,5* * 0,05* π * = 08, 6Pa 30 00*08,6 η = = 8,35% 3600*36.3 EC-Motoren (wichtig) EC = Electronically Commutated (Elektronisch kommutierte Motoren) Das Magnetfeld im Rotor wird durch Permanentmagneten erzeugt. Wodurch die Ummagnetisierungsverluste im Rotor wegfallen. Nur ca. 50% der Verluste eines AC-Motors. η sehr hoch > 90% Motor Die elektronische Kommutierungseinheit erhält über Hall-Sensoren die Information über die Stellung des Rotors und versorgt die Passende Statorspule mit Gleichstrom n = 0 bis n max über Standarteingangssignal (0 bis 0 V). EC-Motoren zur Zeit bis 0kW wird direkt über eine integrierte oder externe Kummutierungseinheit direkt ans Stromnetz angeschlossen. Vorteil im Vergleich zum FU (Frequenzumwandler): Teillastwirkungsgrad ist viel höher!.4 Motortypen Schleifring Induktionsblech (Asynchronmotor) Dauermagnet (EC- Motor) Seite 3 von 30

14 .5 Schlupfregelung (Vergrößerung des Schlupfes durch Schwächung des Magnetfeldes) Magnetfeldschwächung durch: - Dimmer - Transformator - Abschaltung von Statorwickellungen. Schlupfregelung sollte (darf) nur bis kw Antriebsleistung angewendet werden, da der Wirkungsgrad umgekehrt proportional zum Schlupf ist und der Motor warm wird..5. Phasenabschnittsteuerung (Dimmer) U t.5. IGB-Technologie Pulsweitenmodulation (PWM) U t Seite 4 von 30

15 .5.3 PWM-Signal ist ein Rechtecksignal, dessen Pulspausenverhältnis variiert. M 30V 5V M ~ n² Parabel n 77 P W ; P W 54 9 ; 000 n = 600 W, 000 = = 0,8 8% 77W 9W, 600 = = 0,66 6,6% 54W m 3 = 6000 Δ p h Pa fa = 00 P 0, 5kW η Motor η Motor = L WA = 96dB( A).6 Bypassregelung bzw. Nebenauslassregelung Zur Anlage Δ p Drossel Ânlage B Bypass zu B Bypass auf Seite 5 von 30

16 .7 Laufradschaufelverstellung bei Axialventilatoren Ein Ventilator hat viele Kennlinien die in Abhängigkeit vom Schaufelanstellwinkel dargestellt werden (siehe Bild 3.34) Abrissgrenze α = 8 Bereiche gleichen Wirkungsgrades α = 36 Die Muschelkurven sind Linien gleichen Wirkungsgrades. Ein Nachtiel von Axialventilatoren (mit Laufradschaufelverstellung) ist, dass die Strömung an den Laufradschaufeln abreißt, wenn der Betriebspunkt falsch (im Abreißgebiet) gewählt wird. Es gibt jedoch Anti-Stall-Einrichtungen die bewirken, dass sich immer ein stabiler (z.b. AXICO) Betriebspunkt.8 Vergleich der Betriebsbereiche von Axialventilatoren mit Drehzahlregelung und Laufschaufelverstellung Bei Drehzahlregelung bleibt der Schaufelwinkel konstant. Dabei ändert sich die Kennlinie nach den Beziehungen V& ~ n Δp ~ n Δp Kennlinie einer VVS-Anlage Abrissgrenze Δp 5 n = n max Betriebsbereich bei Schaufelverstellung Betriebsbereich bei Drehzahlregelung Seite 6 von 30

17 3 Zusammenschaltung 3. Parallelbetrieb (wichtig) 3.. B + B bzw.v& + V& Wo liegt B, wenn beide Pumpen/Ventilatoren laufen? B : Betriebspunkt, wenn beide laufen B : Betriebspunkt, wenn eine/r eingeschaltet ist Merke: & * V& V parallel η parallel η einzel P parallel * P einzel Bei Parallelschaltung werden die Volumenströme bei gleichen Druck addiert. Seite 7 von 30

18 3.. Parallelschaltung von Trommelläufern Bei Parallelschaltung werden die Volumenströme bei gleichem Druck addiert. Δ p + Nachteil: Bei Ausfall von einem Ventilator wird der andere Motor ca. 3 mal mehr belastet! Motorüberdimensionierung erforderlich schlechter Motorwirkungsgrad 3... Anfahrproblem bei Axialventilatoren in Parallelschaltung Wenn beide gleichzeitig u. gleichschnell anfahren gibt es kein Problem B + B Problemlösung:. Eine Revisionstür öffnen und langsam wieder schließen. Bei Laufschaufelverstellung mit kleinem Schaufelwinkel α anfahren 3. Denjenigen Ventilator der pumpt (Rotating-Stall) auf höhere Drehzahl bringen bis pumpen aufhört, dann wieder zurück gehen Seite 8 von 30

19 3. Hintereinanderschaltung = Reihenschaltung Theoretisch erhält man die gemeinsame Kennlinie wenn man bei gleichem Volumenstrom die drücke addiert + : 3.3 Parallelschaltung In Tiefgaragen müssen immer Ventilatoren gleichzeitig in Betrieb sein. Wenn ein Ventilator ausfällt muss der andere noch mindestens 60% (66% / /3%) des ursprünglichen Volumenstromes liefern. + Seite 9 von 30

20 3.4 Reihenschaltung oder Parallelschaltung Δ p + Reihenschaltung Reihenschaltung besser Parallelschaltung besser + Parallelschaltung P el Seite 0 von 30

21 3.5 Reihen- oder Parallelschaltung von Widerständen R 3 R R R R R R 3 R 3.6 Zusammenschaltung von Pumpen/Ventilatoren und Widerständen R R R R ges R R R Β Seite von 30

22 3.6. Beispiel R R/ R R R ges R R/ R R = 4,4 Δp = 330 p A = 0 =, =,5 Seite von 30

23 3.7 Zusammenschaltung Pumpe mit Strömungswiderstand Widerstände verursachen Druckabfall in Strömungsrichtung. Ventilatoren/Pumpen verursachen einen Druckanstieg in Strömungsrichtung Vorzeichen müsste/muss verschieden sein z.b. Reihenschaltung. Druckverlust Δ pv Gesamt (Keine Parabel) Widerstand Pumpe/Ventilator Pumpe/Ventilator gespiegelt Drucküberschuss Druckabfall Druckgewinn Seite 3 von 30

24 3.7. Übung zur Aufgabe??? R R/ R 3R 3 Δ p 3R R 000 V R gesamt R R 3R R V a) V ges Δp Verslust V = 3 V V = 7, 3 m s 3 = m s 3 =, m s = Δp = Seite 4 von 30

25 3.7.. Aufgabe??? R R/ R 3R 3 3R + V Δ p 3R R 000 R R R R gesamt V 0 V Ventilator = 7,3 Δ = Δp = 650 p Ventilator p A = 50 V =, V =, 4 m m 3 3 s s V 3 = 3, 8 m 3 s m 3 V Ventilator = 3, 8 Δp Ventilator = 40 s Seite 5 von 30

26 4 Pumpen H [ m] Pumpenkennlinie Q & 4. Hauptbetriebsdaten Förderstrom Q & = Volumenstrom Förderhöhe H in m Δp H = ( Δ p = ρ * g * h) ρ * g Eine Kreiselpumpe fördert alle Flüssigkeiten immer auf die gleiche Höhe H. H ist unabhängig von der Dichte ρ. Δ p und P ist proportional zu ρ Anlagenkennlinie = Förderhöhe der Anlage H A pa pe wa we H A = H geo HVerlust ρ * g * g a = Austritt w = Durchflussgeschwindigkeit e = Eintritt H geo = geodätische Förderhöhe = Höhenunterschied zwischen den zwei Flüssigkeitsoberflächen Druckleitungsende oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche, dann H geo auf Mitte der Austrittöffnung beziehen. N kg F = A* p = 0,00m * = 80 = 8 cm cm pa pe = Druckdifferenz bei geschlossenen Behälter(n) zwischen saug- und druckseitigem ρ * g Flüssigkeitsspiegel wa we = Differenz der Geschwindigkeitshöhen (= dynamischer Anteil) * g HVerlust = Summe aller Druckhöhenverluste in der Saug- und Druckleitung (Rohrleitungswiderstände) Seite 6 von 30

27 4.. Anlagenkennlinie Anlagenkennlinie w a w * g e p a p ρ * g e Σ H Verlust H geo 4.. Leistungsbedarf Q * ρ * g * h P = η Seite 7 von 30

28 4. Kavitation (Höhlenbildung) Wird bei einer Flüssigkeit der Dampfdruck unterschritten, so tritt Dampfblasenbildung auf (Kochen). 85,9 5,55 p-t-diagramm Überschreitet der statische Druck den Dampfdruck, dann implodieren die Dampfblasen schlagartig. Implosion in Wandnähe bewirken mechanische Zerstörung der Materialoberfläche. Druckimpuls > 000 bar zusammenfall, wenn p stat > pdampf t < 0,00 sec Dieser Mikrofluid-Jetstrahl zerstört jedes Material mechanisch. Entstehung Implosion im Laufrad Schaufeln werden vom Ende her angenagt Erkennung bei Werkstoffzerstörung:. Prasseln wie wenn Metallkügelchen auf Blech fallen. Vibration 3. Unruhige Instrumentenanzeige 4. Kennlinie fällt ab, da ein Gas-Wassergemisch gefördert wird H [ m] mit Kavitation Q & Seite 8 von 30

29 4.. Saug- und Zulaufverhältnisse Man unterscheidet zwei NPSH-Werte (Haltedruckhöhe H H ) NPSH = Net positive Suction Head (resultierende positive Saughöhe) NPSH Pumpe = NPSH erforderlich = NPSH aus Katalog ist diejenige Druckhöhe, um die die statische Druckhöhe an der Pumpe größer sein muss als der Dampfdruck des Fördermediums, da mit keine Kavitation auftritt. H [ m] NPSH Q & NPSH Anlage = NPSH vorhanden sagt aus, welche Zulaufhöhe an der Pumpe vorhanden ist. Für kavitationsfreien Betrieb gilt NPSH > NPSH + 0, m Sicherheit Anlage aus 5 vorhanden Katalog pe + pb pd we NPSH Anlage + HV, ρ * g * g p e = Überdruck b = S p = = Barometer ( p ) e + pb pabs ( athmosph. Druck ) H S = saugseitige Druckhöhenverluste V, w H V = ξ * * g H geo H z, geo!!! H, ist negativ, wenn die Pumpe oberhalb der saugseitigen Flüssigkeitsspiegels angeordnet z geo ist. NPSH p e + pb p ρ * g D + H z, geo NPSH Anlage H V, S NPSH Pumpe Siehe Katalog Kavitationsfreier Betrieb NPSH Anlage > NPSH Katalog NPSH Anlage > NPSH Katalog (ohne Kavitation) Kavitation NPSH Anlage < NPSH Katalog Q Seite 9 von 30

30 pe + pb pd we + HV, S + H z, geo NSPH Katalog + 0,5m ρ * g * g geodätische Zulaufhöhe pe + pb pd H z, geo NPSH Katalog + 0,5m + HV, S Sicherheit Nur Saugseite ρ * g Formel immer verwenden, wenn nach Kavitition gefragt wird!!! H z, geo ist die Höhe, um die die Pumpe unterhalb des saugseitigen Flüssigkeitsspiegels aufgestellt sein muss (damit keine Kavitation auftritt). H z, geo ist negativ, wenn eine Aufstellung oberhalb des saugseitigen Flüssigkeitsspiegels möglich ist Bei Kreiselpumpen, die oberhalb eines freien saugseitigen Flüssigkeitsspiegels aufgestellt sind, muss die Saugleitung + Pumpe vor Ingetriebnahme entlüftet (befüllt) werden. Saugkorbventil erforderlich bzw. Fußventil (Rückschlagklappe, -ventil) 4.. Vermeidung bzw. Beseitigung von Kavitation. Erhöhung des statischen Druckes auf der Saugseite (bei Heizung, Systemdruck erhöhen) Geodätische Zulaufhöhe vergrößern Pumpe tiefer setzen bzw. Vorpumpe oder Inducer installieren. Senkung des Dampfdruckes Temperatur erniedrigen Frostschutzmittel erniedrigt den Dampfdruck Siedepunkterhöhung und Gefrierpunkterniedrigung 3. Andere Pumpe Mehrstufig, kleinere Drehzahl 5 Allgemeines In München ist die Luftdichte ca. 6 % geringer als in Hamburg p w = Δ ρ Δ l r λ * w d p V, Rohr = * * V& ~ n Δ p ~ n Δp ~ V& 3 3 P ~ n P ~ V& Gilt nur wenn Anlagenkennlinie eine Parabel durch den Nullpunkt ist Seite 30 von 30