Grundlagen für die Planung von Kreiselpumpenanlagen

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1 Grundlagen für die Planung von Kreiselpumpenanlagen DIE STERLING FLUID SYSTEMS GRUPPE

2 GRUNDLAGEN FÜR DIE PLANUNG VON KREISELPUMPEN- ANLAGEN

3 Herausgeber: Sterling SIHI GmbH Mitglied der Sterling Fluid Systems-Gruppe Redaktion: Rainer Born Autoren: Fritz Brüchler Fritz Brüchler Dennis Carter Dr. Peter Knapp Peter Fandrey Jan Fischer Ralf Mann Dieses Werk erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Alle Angaben erfolgen, soweit kein direkter Quellennachweis gegeben wird, nach bestem Wissen und aufgrund unserer langjährigen Erfahrung unter Ausschluss jeglicher Gewähr. In diesem Buch werden etwa bestehende Patente, Gebrauchsmuster oder Warenzeichen nicht erwähnt. Auch ohne besondere Kennzeichnung berechtigt daher das Fehlen eines Hinweises nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. 7. überarbeitete und erweiterte Auflage Sterling SIHI GmbH, Lindenstraße 170, D Itzehoe Der Nachdruck, auch einzelner Teile, ist verboten. Das Urheberrecht und sämtliche weitere Rechte sind dem Herausgeber vorbehalten. Übersetzung, Speicherung, Vervielfältigung und Verbreitung einschließlich Übernahme auf elektronische Datenträger wie CD-ROM, Bildplatte usw. sowie Einspeicherung in elektronische Medien wie Bildschirmtext, Internet usw. ist ohne vorherige schriftliche Genehmigung des Herausgebers unzulässig und wird mit Strafverfolgung geahndet. 2

4 Vorwort Die nun vorliegende 7. Auflage des seit Jahrzehnten anerkannten Pumpenhandbuches wurde vollständig überarbeitet und um wesentliche Kapitel erweitert, wobei die neuesten für den Pumpenbau und die Pumpenanlagen relevanten internationalen und europäischen Normen berücksichtigt wurden, soweit sie schon in Kraft gesetzt sind. Das Buch wendet sich an alle, die sich mit dem umfassenden Gebiet der Flüssigkeitsförderung befassen. Es ist ein zuverlässiges Nachschlagewerk für Planung und Betrieb aber auch für das Studium. Dem Planer und Betreiber bietet es darüber hinaus zu dem Thema der Lebenszykluskosten einer Pumpenanlage eine Fülle von Details für die Optimierung der Lebenszykluskosten einer Pumpenanlage. In bewährter Weise wurde diese Auflage, wie die früheren, von Fachleuten unseres Hauses verfasst. Allen Beteiligten sei an dieser Stelle für ihre Mitarbeit gedankt. Ein besonderer Dank gilt Herrn Fritz Brüchler, der nicht nur die Gesamtprojektierung für die Überarbeitung übernommen hatte, sondern durch Einbindung der verschiedenen Fachleute und durch intensives Studium der Literatur und der Normen ganz wesentlich zur Aktualisierung dieser Neuausgabe beigetragen hat. Itzehoe und Ludwigshafen im Sommer 2000 Der Herausgeber 3

5 Sterling SIHI GmbH Pumpentechnik Vakuumtechnik Anlagentechnik Sterling SIHI GmbH Sterling SIHI GmbH SIHI Anlagentechnik GmbH Werk Itzehoe Werk Ludwigshafen Lindenstraße 170 Lindenstraße 170 Halbergstraße 1 D Itzehoe D Itzehoe D Ludwigshafen Lieferprogramm Pumpentechnik Vakuumtechnik Chemienormpumpen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen Wassernormpumpen Flüssigkeitsring-Kompressoren Seitenkanalpumpen Gasstrahler Wärmeträgerpumpen Trockenlaufende Vakuumpumpen Gliedergehäusepumpen Wellendichtungslose Pumpen Anlagentechnik Faulschlammmischer Vakuum- und Feuerlöschaggregate Kompressoren Systeme Rohrgehäusepumpen Membrantechnik Längsgeteilte Pumpen Kfz - Füllsysteme Service Standardprogramm Großpumpen 4

6 6

7 Inhalt Formelzeichen und Einheiten 10 1 Auslegungsdaten von Kreiselpumpen und Kreiselpumpenanlagen 1.1 Förderstrom Massenstrom Förderhöhen Saugvermögen NPSH bei Kreiselpumpen Spezifische Energie Leistung, Wirkungsgrad Drehzahl und Pumpendrehsinn Spezifische Drehzahl, Schnellläufigkeit Auslegung der Pumpen Anlagenplanung und Lebenszykluskosten 45 2 Betriebsverhalten von Kreiselpumpen 2.1 Kennlinien Anpassung an veränderte Betriebsverhältnisse Beeinflussung der Steigung durch eine Blendenscheibe Betrieb von Kreiselpumpen in verzweigten Rohrleitungen Anfahren und Auslauf von Kreiselpumpen Mindestförderstrom und Maximalförderstrom 82 3 Hydraulische Abnahmeprüfungen an Kreiselpumpen 3.1 Vorbemerkung Abnahmeprüfungen nach DIN EN ISO Abnahme von Seitenkanalpumpen 95 4 Spezielle Unterlagen zur Planung von Kreiselpumpenanlagen 4.1 Förderung viskoser Flüssigkeiten Bauarten von Pumpen nach der Aufstellungsart Ausbildung von Saug- und Zulaufleitungen Gestaltung der Einlaufkammer für vertikale Pumpen Entlüftung von Kreiselpumpen vor der Inbetriebnahme Förderung von Flüssigkeits- Gasgemischen Druckstöße in Rohrleitungssystemen Stutzenkräfte und -momente Förderung von Stoffsuspensionen 130 7

8 4.10 Wellendichtungen Leckagefreie Pumpen Förderung von Flüssiggasen Förderung heißer Flüssigkeiten Pumpen für stationäre Feuerlösch-und Brandschutzanlagen Schwingungen und Geräusche 5.1 Schwingungen und Laufruhe Geräusche Schallschutzmaßnahmen Geräusche und Schalldruckpegel Verlusthöhen in Rohrleitungen und Armaturen 6.1 Verlusthöhe in geraden Rohrleitungen Verlusthöhe in Armaturen und Formstücken Flansche 7.1 Flansche nach europäischen und deutschen Normen Flansche nach amerikanischen Normen-ANSI Flansche nach internationalen Normen ISO Prüfdruck Meßgeräte zur Überwachung von Kreiselpumpenanlagen 8.1 Druckmessung Messung des Förderstroms Leistungsmessung Drehzahlmessung Temperaturmessung Schwingungsmessung Niveaustandsmessung Grundlagen des elektrischen Antriebs 9.1 Elektrische Netze Elektromotoren Ausführung der Elektromotoren Betrieb der Elektromotoren Explosionsschutz Drehzahlregelung elektrischer Antriebe Auswahltafeln für Drehstrom-Asynchronmotoren mit Käfigläufer 241 8

9 10 Wasser 10.1 Natürliches Wasser, Trinkwasser und Betriebswasser Wichtige Begriffe für die Beurteilung eines Wassers Wasseranalyse Sonstige natürliche Wässer Abwasser Aufbereitetes Wasser in Heizungsanlagen und Dampfkraftwerken Werkstoffauswahl für verschiedene Wässer Eigenschaften verschiedener Wässer Werkstoffe und Werkstoffauswahl 11.1 Werkstoffe Werkstoffübersicht US-Werkstoffe mit AISI-Bezeichnungen Werkstoffe nach ASTM-Standards Werkstoffe nach Handelsnamen Organische Werkstoffe Faserverbundwerkstoffe Keramische Werkstoffe Werkstoffauswahl für die Förderung verschiedener Flüssigkeiten Maßeinheiten 12.1 Allgemeines Maßeinheiten / Umrechnung von Maßeinheiten Tafeln 331 Sachverzeichnis 374 9

10 Formelzeichen und Einheiten In der nachfolgenden Übersicht sind die wichtigsten Formelzeichen und Einheiten, die für Kreiselpumpen und Kreiselpumpenanlagen benutzt werden, aufgeführt. Formelzeichen Bedeutung SI-Einheit weitere praxisübliche Einheiten A Fläche, Querschnittsfläche m² mm², cm², dm² D Durchmesser m mm z.b. von Laufrädern Rohrleitungen d Durchmesser m mm z. B. von Wellen, Wellenhülsen Blendenbohrungen E Energie J kj F Kraft N kn f Frequenz Hz G Gewichtskraft N kn g örtliche Fallbeschleunigung m/s² H Förderhöhe der Pumpe m J Trägheitsmoment kg m² (Massenmoment 2. Grades) K Kennzahl für die Schnellläufigkeit s 1 k Rauigkeit der Rohrinnenwand m mm Rauigkeitswert l Länge m mm, cm, dm M Moment, Drehmoment N m n Drehzahl s 1 min 1 (NPSH) 1) Net Positiv Suction Head m Haltedruckhöhe P Leistung W kw, MW p Druck Pa hpa, bar Q Förderstrom, Volumenstrom m³/s m³/h, L/s q Massenstrom kg/s kg/h, t/h Re Reynolds-Zahl dimensionslose Zahl 10

11 Formelzeichen und Einheiten (Fortsetzung) S Saugvermögen m³/s m³/h T Thermodynamische Temperatur K t 1. Celsius-Temperatur C 2. Zeit s U mittlere Fließgeschwindigkeit m/s u Umfangsgeschwindigkeit m/s min, h, d V Volumen m³ dm³ auch L v Geschwindigkeit m/s km/h y Spezifische Energie J/kg m²/s² z Höhenlage Abstand zur Bezugsebene z Widerstandsziffer dimensionslose Zahl h Wirkungsgrad % l Widerstandszahl dimensionslose Zahl Rohrreibungsbeiwert m dynamische Viskosität Pa s mpa s, N s/m² n kinematische Viskosität m²/s mm²/s r Dichte kg/m³ kg/dm³ auch kg/l w Winkelgeschwindigkeit rad/s 1) (NPSH): im normalen Geschäftsverkehr kann auch eine vereinfachte Schreibweise, ohne Klammern, verwendet werden Bedeutung der verwendeten Indizes Die Indizes werden zur Bezeichnung der Größenwerte an einer bestimmten Stelle und / oder einer bestimmten Bedingung verwendet. Index Bedeutung Beispiel A bezogen auf die Pumpenanlage H A Förderhöhe der Anlage abs absolut p abs Absolutdruck all zulässig (allowable) n max all maximal zulässige Drehzahl amb Umgebung (ambient) p amb örtlicher Luftdruck B Entlastung (Balancing) Q B Entlastungsförderstrom m 11

12 Bedeutung der verwendeten Indizes (Fortsetzung) D Differenz, Bezugsniveau z D Höhenlage des (NPSH) - Bezugsniveaus dyn dynamisch H dyn dynamischer Anteil der Förderhöhe G Garantie Q G Garantieförderstrom g Gleit... v g Gleitgeschwindigkeit geo geodätisch H geo geodätische Förderhöhe gr bezogen auf das Pumpenaggregat h gr Wirkungsgrad des Pumpenaggregats int innen (internal) h int innerer Wirkungsgrad J Verlust H J Verlusthöhe L Leckage Q L Leckageförderstrom M 1. Druckmessgerät, Manometer 2. die Flüssigkeit in der Manometermessleitung betreffend p 1M Manometerdruck am Eintritt der Pumpe r M Dichte der Flüssigkeit in der Manometermessleitung m die mechanischen Verluste betreffend h m mechanischer Wirkungsgrad max maximal n max maximale Drehzahl min minimal n min minimale Drehzahl mot bezogen auf den Motor P mot aufgenommene Leistung des Pumpenantriebs N nominal P N mot Motornennleistung op Arbeit (operating) Q op Arbeitsförderstrom opt im Punkt besten Wirkungsgrades Q opt Förderstrom im Punkt besten Wirkungsgrades r Auslegung (rated) Q r Auslegungsförderstrom s 1. spezifisch 2. saugend n s spezifische Drehzahl H s geo geodätische Saughöhe sch Scheitelpunkt H sch Förderhöhe im Höchstpunkt einer instabilen Kennlinie, Scheitelförderhöhe sp spezifiziert n sp spezifizierte Drehzahl ss saugspezifisch n ss spezifische Saugzahl 12

13 Bedeutung der verwendeten Indizes (Fortsetzung) stable stabil Q min stable minimaler stabiler Dauerförderstrom stat statisch H stat statische Förderhöhe T übertragen (transmitted) M T übertragenes Moment = Drehmoment t gesamt (total) H Jt Gesamtverlusthöhe der Anlage thermal thermisch Q min thermal minimaler thermischer Dauerförderstrom u nutzbar (useful) P u Förderleistung = hydraulische Leistung v Dampf (vapour) p v Dampfdruck w Betrieb (working) p w Betriebsdruck x 1. einen beliebigen Punkt der Anlage H x Energiehöhe im Punkt x betreffend 2. einen beliebigen bzw. gesuchten D x gesuchter Laufrad-Ø für Wert betreffend einen bestimmten Kennlinienpunkt z zulaufend H z geo geodätische Zulaufhöhe 0 bei dem Förderstrom Q = 0 H 0 Nullförderhöhe 1 Eintrittsseite der Pumpe (Saugseite) p 1 Druck im Pumpeneintritt 1 Eintrittsseitiger Messpunkt p 1 Druck am eintrittsseitigen Messpunkt 2 Austrittsseite der Pumpe (Druckseite) p 2 Druck im Pumpenaustritt 2 Austrittsseitiger Messpunkt p 2 Druck am austrittsseitigen Messpunkt 3, 4... Zwischenentnahmepunkte p 3 Druck im Zwischenentnahmepunkt 3 3, 4... Messpunkt an den Zwischenentnahmestutzen p 3 Druck an dem zum Zwischenpunkt 3 gehörenden Messpunkt Anmerkung Ein Bindestrich (-) zwischen zwei Indizes zeigt die Differenz zwischen den Werten an den durch die Indizes angegebenen Punkten an, gibt aber keine Auskunft darüber, welcher von den Werten der größere ist. Beispiel: z 1 2 = Differenz zwischen z 1 und z 2. Es kann sein z 1 z 2 oder z 2 z 1 13

14 1 Auslegungsdaten von Kreiselpumpen und Kreiselpumpenanlagen 1.1 Förderstrom Q Der Förderstrom Q ist der von der Pumpe durch ihren Austrittsquerschnitt (Druckstutzen) geförderte nutzbare Volumenstrom (Flüssigkeitsvolumen pro Zeiteinheit). Die gebräuchlichen Einheiten für den Förderstrom sind m³/s, m³/h und l/s. Volumenströme, die vor dem Austrittsquerschnitt der Pumpe für Fremdzwecke entnommen werden, müssen bei der Ermittlung des Förderstroms der Pumpe berücksichtigt werden. Flüssigkeitsströme, die innerhalb der Pumpe umlaufen, z.b. Ausgleichsförderstrom Q B und Leckstrom Q L, rechnen nicht zu Q. Im Einzelnen unterscheidet man: Zeichen Benennung Definition Q opt Bestförderstrom Förderstrom im Punkt besten Wirkungsgrades Q r Q w Q max Q min Q max all und Q min all Q min stable Q min thermal 14 Auslegungsförderstrom Betriebsförderstrom Maximaler Förderstrom Minimaler Förderstrom Maximal oder minimal zulässiger Förderstrom Minimaler stabiler Dauerförderstrom Minimaler thermischer Dauerförderstrom Förderstrom bei Auslegungsbedingungen, unter Berücksichtigung aller erforderlichen Zuschläge Der Förderstrom, der bei dem üblichen Betrieb zu erwarten ist Größter Förderstrom, der bei den Anlagebedingungen zu erwarten ist Kleinster Förderstrom, der bei den Anlagebedingungen zu erwarten ist Der größte oder kleinste Förderstrom, bei dem die Pumpe dauernd, ohne Schaden zu nehmen, fördern kann, wenn sie bei Auslegungsdrehzahl und mit der Förderflüssigkeit arbeitet, für die sie geliefert wurde Der kleinste Förderstrom, bei dem die Pumpe arbeiten kann, ohne dass die Grenzwerte der Lebenserwartung, Geräusche und Schwingungen unter- bzw. überschritten werden Der kleinste Förderstrom, bei dem die Pumpe arbeiten kann, ohne dass ihr Betrieb durch Temperaturanstieg der Förderflüssigkeit beeinträchtigt wird Q B Ausgleichsstrom Der Förderstrom, der zur Betätigung der Axialschub- Ausgleichsvorrichtung abgeführt wird Q L Leckstrom Der Förderstrom, der aus den Wellendichtungen nach außen gelangt

15 Q 1 Q 2 Q 3,4... Eintritts- Förderstrom Austritts- Förderstrom Zwischenentnahmeförderstrom Der Förderstrom, der von der Eintrittsseite der Anlage durch den Eintrittsquerschnitt der Pumpe fließt Der Förderstrom, der durch den Austrittsquerschnitt der Pumpe in die Austrittsseite der Anlage fließt Der Förderstrom, der durch einen oder mehrere Entnahmestutzen dem Förderstrom Q 1 entnommen wird 1.2 Massenstrom q Der Massenstrom q ist die von der Pumpe durch ihren Austrittsquerschnitt (Druckstutzen) in der Zeiteinheit geförderte nutzbare Masse der Förderflüssigkeit. Die gebräuchlichen Einheiten für den Massenstrom sind kg/s und t/h. Für entnommene und umlaufende Massenströme und für Leckströme gelten ebenfalls die unter dem Förderstrom aufgeführten Festlegungen. Zwischen dem Massenstrom q und dem Förderstrom Q besteht der Zusammenhang q = r Q (r = Dichte der Förderflüssigkeit) Anmerkung: Die Benennungen für den Förderstrom, wie oben aufgeführt, können sinngemäß auch in der Verbindung mit dem Massenstrom gebildet werden, z.b. q r = Auslegungsmassenstrom. 1.3 Förderhöhen Die Förderhöhe einer Pumpe H ist die von der Pumpe auf die Förderflüssigkeit übertragene nutzbare mechanische Arbeit, bezogen auf die Gewichtskraft der geförderten Flüssigkeit bei der örtlichen Fallbeschleunigung. Im Einzelnen unterscheidet man: Zeichen Benennung Definition H opt Bestförderhöhe Förderhöhe im Punkt besten Wirkungsgrades H r Förderhöhe beim Auslegungsförderstrom unter Berücksichtigung aller erforderlichen Zuschläge H 0 Nullförderhöhe Förderhöhe beim Förderstrom Q = 0 H sch Auslegungsförderhöhe Scheitelförderhöhe Förderhöhe im Scheitelpunkt einer instabilen Förderhöhenkennlinie Gemessen wird die Förderhöhe H als Zunahme der nutzbaren mechanischen Energie E des Förderstroms zwischen Ein- und Austrittsquerschnitt der Pumpe, bezogen auf die Gewichtskraft G der geförderten Flüssigkeit. 15

16 Mit der Energieeinheit N m und der Einheit N für die Gewichtskraft erhält man für auf Gewichtskräfte bezogene Energien und somit auch für die Förderhöhe als Einheit das Meter. N m / N = m Trotz dieser Einheit darf die Förderhöhe jedoch grundsätzlich nicht als eine Länge, z.b. die Länge einer Flüssigkeitssäule, gedeutet werden. Die Förderhöhe H ist bei konstanter Drehzahl und konstantem Förderstrom Q unabhängig von der Dichte r der Förderflüssigkeit, sie ist jedoch abhängig von deren Viskosität n. Sie ist umgekehrt proportional zur örtlichen Fallbeschleunigung g Die Förderhöhe der Anlage H A ist die von der Pumpe aufzubringende Förderhöhe H, um den Förderstrom Q in der Anlage aufrecht zu erhalten. Im Beharrungszustand der Förderung ist H = H A. Beim Anfahrvorgang ist H > H A ; die Differenz bewirkt die Beschleunigung der Flüssigkeit in der Rohrleitung Ermittlung der Förderhöhen Maßgebend für die Ermittlung der Förderhöhen sind neben dem Förderstrom, die Verhältnisse in der Anlage, die durch die im folgenden beschriebenen Größen bestimmt sind Höhenlagen Die Höhenlagen entsprechen den geodätischen Höhenunterschieden zwischen dem betrachteten Punkt und der Bezugsebene der Anlage. Die Bezugsebene der Anlage ist jede horizontale Ebene, die als Ausgangspunkt für Höhenmessungen, d.h. also für die Ermittlung der Höhenlagen dient. Aus praktischen Gründen ist es ratsam, die Bezugsebene als genau zu definierende Höhenkoten der Anlage, z.b. Höhenkote des Aufstellungsflurs, des Pumpenfundaments o.ä., anzugeben. Eine Bezugsebene, die auf den Abmessungen der Pumpe basiert, wie z.b. Achsmitte oder Mitte Eintrittsstutzen, sollte man vermeiden. Die Einheit für die Höhenlage ist das Meter (m). Die Höhenlagen werden wie folgt definiert: Zeichen Benennung Definition z Höhenlage Geodätischer Höhenunterschied zwischen dem betrachteten Punkt und der Bezugsebene Anmerkung: Die Höhenlage ist negativ, wenn der betrachtete Punkt unter der Bezugsebene liegt. 16

17 z 1 z 2 z 1 z 2 z A1 z A2 z D Höhenlage des Eintritts der Pumpe Höhenlage des Austritts der Pumpe Höhenlage des eintrittsseitigen Messpunktes Höhenlage des austrittsseitigen Messpunktes Höhenlage des Eintritts der Anlage Höhenlage des Austritts der Anlage Höhenlage der (NPSH)- Bezugsebene Höhenlage der Mitte des Eintrittsquerschnittes der Pumpe Höhenlage der Mitte des Austrittsquerschnittes der Pumpe Höhenlage des Anschlusses der Manometerleitung an die Rohrleitung auf der Eintrittsseite der Pumpe Höhenlage des Anschlusses der Manometerleitung an die Rohrleitung auf der Austrittsseite der Pumpe Höhenlage des Flüssigkeitsspiegels im Eintrittsquerschnitt der Anlage. Falls kein Flüssigkeitsspiegel vorhanden bzw. vorgegeben ist, die Höhenlage der Mitte des Eintrittsquerschnittes der Anlage Höhenlage des Flüssigkeitsspiegels im Austrittsquerschnitt der Anlage. Falls kein Flüssigkeitsspiegel vorhanden bzw. vorgegeben ist, die Höhenlage der Mitte des Austrittsquerschnittes der Anlage Geodätischer Höhenunterschied zwischen der Bezugsebene der Anlage und der (NPSH)- Bezugsebene Bei geodätischen Höhenunterschieden zwischen zwei Höhenlagen werden zu dem Zeichen z die beiden Indizes gesetzt, die die verschiedenen Punkte der Höhenlagen kennzeichnen; sie werden durch einen Gedankenstrich (-) getrennt. Zeichen Benennung Definition z 1-2 z 1 -M z 2 -M Höhenunterschied zwischen Aus- und Eintritt der Pumpe Höhenunterschied zwischen eintrittsseitigem Manometer und eintrittsseitigem Messpunkt Höhenunterschied zwischen austrittsseitigem Manometer und austrittsseitigem Messpunkt z 1-2 = z 2 z 1 Bezugspunkt = Null- oder Mittenposition des Manometers Bezugspunkt = Null- oder Mittenposition des Manometers z x-x Niveaudifferenz Die Höhendifferenz der Höhenlage von einem betrachteten Punkt zur Höhenlage eines zweiten betrachteten Punktes. 17

18 Abb Kreiselpumpenanlage (1)=Bezugsebene der Anlage Indizes (2)=(NPSH)-Bezugsebene A1=Eintrittsseite 1 =Eintrittsseite der Pumpe der Anlage 1 =Eintrittsseitiger Messpunkt A2=Austrittsseite 2 =Austrittsseite der Pumpe der Anlage 2 =Austrittsseitiger Messpunkt 18

19 Für einige Höhenunterschiede sind spezielle Benennungen üblich, die im Folgenden aufgeführt sind. Zeichen Benennung Definition H geo Geodätische Förderhöhe Höhenunterschied zwischen Austritts- und Eintrittsquerschnitt der Anlage H geo = z A1-A2 = z A2 z A1 H z geo Geodätische Zulaufhöhe Höhenunterschied zwischen dem Eintrittsquerschnitt der Anlage und der (NPSH) -Bezugsebene H z geo = z A1-D = z A1 z D H s geo Geodätische Saughöhe Höhenunterschied zwischen dem Eintrittsquerschnitt der Anlage, der unterhalb der Bezugsebene liegt und der (NPSH) - Bezugsebene H s geo = z A1-D = z A1 z D Querschnittsflächen Die hier behandelten Querschnittsflächen betreffen die Größe der Strömungsdurchgänge. Die übliche Dimension für Querschnittsflächen ist m². Im Einzelnen unterscheidet man Zeichen Benennung Definition A 1 A 2 Eintrittsquerschnitt der Pumpe Austrittsquerschnitt der Pumpe Die freie Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung im Eintrittsstutzen der Pumpe Anmerkung Bei Pumpen ohne Eintrittsstutzen ist der Eintrittsquerschnitt zu definieren Die freie Querschnittsfläche der Austrittsöffnung im Austrittsstutzen der Pumpe Anmerkung 1 Bei Pumpen ohne Austrittsstutzen ist der Austrittsquerschnitt zu definieren Anmerkung 2 Bei Rohrgehäuse-, Tauch- und ähnlichen Pumpen mit zur Pumpe gehöriger Steigleitung kann der Steigrohrquerschnitt als Austrittsquerschnitt bestimmt werden 19

20 A 1 A 2 A A1 A A2 Messquerschnitt an der Eintrittsseite der Pumpe Messquerschnitt an der Austrittsseite der Pumpe Eintrittsquerschnitt der Anlage Austrittsquerschnitt der Anlage Die freie Querschnittsfläche am eintrittsseitigen Messpunkt Die freie Querschnittsfläche am austrittsseitigen Messpunkt Die freie Querschnittsfläche an einer zu vereinbarenden Sektion des Eintritts der Anlage, für die der Querschnitt, die Höhenlage und der Druck bekannt sind Die freie Querschnittsfläche an einer zu vereinbarenden Sektion des Austritts der Anlage, für die der Querschnitt, die Höhenlage und der Druck bekannt sind Strömungsgeschwindigkeiten Die mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit in einem betrachteten Querschnitt ist der Quotient aus dem Förderstrom im betrachteten Querschnitt und der Querschnittsfläche. Q U = in m/s mit Q in m³/s und A in m² A Ist die Querschnittsfläche ein runder Rohrquerschnitt mit der Nennweite DN eines Rohres, kann U mit dem Förderstrom Q in m³/h und der Nennweite DN wie folgt berechnet werden: In dieser Formel wird die Nennweite DN gleichgesetzt mit dem lichten Durchmesser in mm. Mögliche Abweichungen sind in der Regel so klein, dass das Ergebnis für die erforderlichen Berechnungen ausreichend genau ist. Die auf die verschiedenen Querschnittsflächen bezogenen Strömungsgeschwindigkeiten werden mit den entsprechenden Indizes wie folgt gekennzeichnet: Zeichen Definition U 1 Strömungsgeschwindigkeit im Eintrittsstutzen der Pumpe Strömungsgeschwindigkeit im Austrittsstutzen der Pumpe U 2 U 1 und U 2 U A1 U A2 2 18,8 U = Q in m/s mit Q in m³/h [18,8 ist der gerundete Wert von 18,806319] DN Strömungsgeschwindigkeit im freien Querschnitt des ein- bzw. austrittsseitigen Messpunktes Anmerkung: Nur von Bedeutung, wenn A 1 A 1 bzw. A 2 A 2 Stömungsgeschwindigkeit im Eintrittsquerschnitt der Anlage Strömungsgeschwindigkeit im Austrittsquerschnitt der Anlage 20

21 1.3.7 Drücke Allgemein gültige Drücke sind: Zeichen Benennung Definition p amb p v Atmosphärischer Luftdruck Dampfdruck der Förderflüssigkeit Der mittlere absolute Druck der Atmosphäre am Aufstellungsort der Pumpe Der absolute Druck, bei welchem die Förderflüssigkeit entsprechend der Temperatur der Förderflüssigkeit verdampft Die auf die verschiedenen Querschnittsflächen bezogenen Drücke werden mit den entsprechenden Indizes wie im Folgenden aufgeführt gekennzeichnet. Diese Drücke werden im Gegensatz zu den Drücken p amb und p v immer als Überdrücke angegeben. Zeichen Benennung Definition p 1 p 2 p 1 M p 2 M p A1 p A2 Eintrittsdruck an der Pumpe Austrittsdruck an der Pumpe Manometerdruck auf der Eintrittsseite Manometerdruck auf der Austrittsseite Eintrittsdruck der Anlage Austrittsdruck der Anlage Druck im Eintrittsquerschnitt der Pumpe in der Höhenlage z 1 Druck im Austrittsquerschnitt der Pumpe in der Höhenlage z 2 Druckanzeige am Manometer, das auf der Eintrittsseite der Pumpe in der Höhenlage z 1 angeschlossen ist Druckanzeige am Manometer, das auf der Austrittsseite der Pumpe in der Höhenlage z 2 angeschlossen ist Druck im Eintrittsquerschnitt A 1 Bei einem vorhandenen Flüssigkeitsspiegel der Druck auf diesen Druck im Austrittsquerschnitt A 2 Bei einem vorhandenen Flüssigkeitsspiegel der Druck auf diesen Die Einheit für den Druck ist Pascal (Pa). Die übliche Einheit für Pumpen und Pumpenanlagen ist bar. Für die Umrechnung der Manometerdrücke p 1 M und p 2 M auf den Ein- bzw. Austrittsdruck an der Pumpe p 1 bzw. p 2 können die in folgenden aufgeführten Formeln verwendet werden. 21

22 Mit den Drücken in bar und der Dichte in kg/dm³ ergeben sich die folgenden Formeln U 1 ² U 1 ² p 1 = p 1 M + [r M g z 1 -M + r g (z H J1-1 )] 10 2 in bar 2g U 2 ² U 2 ² p 2 = p 2 M + [r M g z 2 -M + r g (z H J2-2 )] g in bar Anmerkung: r ist die Dichte der Förderflüssigkeit, r M ist die Dichte der Flüssigkeit in der Manometermessleitung. Bei mit Förderflüssigkeit gefüllter Messleitung ist r M = r. Bei einer mit Luft gefüllten Messleitung kann das erste Glied in der eckigen Klammer vernachlässigt werden, da r Luft «r Flüssigkeit Verlusthöhen Die Verlusthöhe ist der auf die Gewichtskraft bezogene Verlust an mechanischer Energie zwischen Anfangs- und Endquerschnitt eines Leitungsabschnittes also den Rohrleitungsverlusthöhen einschließlich etwaiger Einlass- und Auslassverluste und Verlusten durch Armaturen und sonstige Einbauten, aber ohne die Verluste innerhalb der Pumpe. Die Einheit für die Verlusthöhe ist das Meter (m). Die Verlusthöhen werden wie folgt definiert: Zeichen Benennung Definition H J x-x Verlusthöhe Die Differenz der Energiehöhe an einem betrachteten Punkt zur Energiehöhe an einem zweiten betrachteten Punkt. Anmerkung: Der Verlust kann als Gesamtenergiehöhe, Druckhöhe oder Geschwindigkeitshöhe ausgedrückt werden H J A1-1 Eintrittsseitige Verlusthöhe Verlusthöhe vom Eintrittsquerschnitt der Anlage bis zum Eintrittsquerschnitt der Pumpe. H J 2-A2 Austrittsseitige Verlusthöhe Verlusthöhe vom Austrittsquerschnitt der Pumpe bis zum Austrittsquerschnitt der Anlage. H Jt Gesamtverlusthöhe in der Anlage Summe der ein- und austrittsseitigen Verlusthöhen H Jt = H J A1-1 + H J 2-A2 22

23 1.3.9 Energiehöhen Die Energiehöhe ist die auf die Gewichtskraft bezogene mechanische Energie, d.h. die Summe aus der geodätischen Höhenlage über der Bezugsebene, der Druckhöhe (gerechnet mit dem Überdruck über dem Luftdruck) und der Geschwindigkeitshöhe. Die auf die Gewichtskraft bezogene Druckenergie der unter dem statischen Druck p stehenden Förderflüssigkeit wird als Druckhöhe bezeichnet. Die Einheit für die Druckhöhe ist das Meter (m). p x 100 Druckhöhe im Punkt x = in m, mit p in bar und r in kg/dm³ r x g Die auf die Gewichtskraft bezogene Geschwindigkeitsenergie der Förderflüssigkeit wird als Geschwindigkeitshöhe bezeichnet. Die Einheit für die Geschwindigkeitshöhe ist das Meter (m). U x ² Geschwindigkeitshöhe im Punkt x = in m, mit U in m/s 2 g In einem beliebigen Querschnitt beträgt die Gesamtenergiehöhe: p x 100 U x ² H tx = z x + + in m, mit p in bar und r in kg/dm³ r x g 2 g Bei der absoluten Energiehöhe wird die Druckhöhe mit dem absoluten Druck gerechnet. Die absolute Energiehöhe ist also um die Druckhöhe des Luftdrucks größer als die Energiehöhe. p amb 100 H tx abs = H tx + in m, mit p in bar und r in kg/dm³ r x g Die Energiehöhen werden wie folgt definiert: Zeichen Benennung Definition 2 H t1 Gesamtenergiehöhe an der Eintrittsseite der Pumpe r g 2 g p 1 U 1 H t1 = z H t2 Gesamtenergiehöhe an der Austrittsseite der Pumpe r g 2 g p 2 U 2 H t2 = z H ta1 Gesamtenergiehöhe an der Eintrittsseite der Anlage r g 2 g p A1 U A1 H ta1 = z A H ta2 Gesamtenergiehöhe an der Austrittsseite der Anlage r g 2 p A2 U A2 H ta2 = z A2 + + g 23

24 Berechnung der Förderhöhen Die Förderhöhe als nutzbare mechanische Energie einer Flüssigkeit ist im allgemeinen die Summe aus Höhenenergie, Druckenergie und Geschwindigkeitsenergie. Mit den folgenden Gleichungen werden die Förderhöhen berechnet: die Förderhöhe einer Pumpe p 2 p 1 U 2 ² U 1 ² H = H t2 H t1 = (z 2 z 1 ) + + r g 2 g Geschwindigkeitsenergie Druckenergie Höhenenergie die Förderhöhe der Anlage p A2 p A1 U A2 ² U A1 ² H A = H ta2 H ta1 = (z A2 z A1 ) H JA1-1 + H J2-A2 r g 2 g Die Förderhöhe der Anlage kann auch wie folgt definiert werden: H A = H stat + H dyn dynamischer Anteil der Förderhöhe Verlusthöhen Geschwindigkeitshöhe Druckhöhe Höhenenergie statischer Anteil der Förderhöhe Der statische Anteil der Förderhöhe der Anlage ist der vom Förderstrom unabhängige Anteil und er setzt sich zusammen aus der Höhenenergie und der Druckenergie. p A2 p A1 H stat = (z A2 z A1 ) + r g Der dynamische Anteil der Förderhöhe der Anlage ist der vom Förderstrom abhängige Anteil und er setzt sich zusammen aus der Geschwindigkeitsenergie und der Verlusthöhe. U A2 2 U A1 2 H dyn = + H Jt 2 g 24

25 Beispiele zur Berechnung der Förderhöhe 1. Beispiel Ermittlung der Förderhöhe H einer Kreiselpumpe Gegeben: A 1 Eintrittsquerschnitt der Pumpe DN 1 = DN 125 A 2 Austrittsquerschnitt der Pumpe DN 2 = DN 80 A 1 Messquerschnitt an der Eintrittsseite = DN 150 A 2 Messquerschnitt an der Austrittsseite = DN 125 Höhenlagen z 1 = 350 mm z 2 = 650 mm z 1 = 370 mm z 2 = 700 mm z 1 -M = 140 mm z 2 -M = 120 mm Förderflüssigkeit: kaltes Wasser, r = 1,0 kg/dm³ Gesucht: Die Förderhöhe der Pumpe H bei Q r = 100 m³/h Es wurden die folgenden Manometerdrücke abgelesen: p 1 M = 0,2 bar (Unterdruck!) p 2 M = 11,4 bar Die Manometerleitungen sind mit der Förderflüssigkeit gefüllt, d.h. r M = r Die Verlusthöhen wurden wie folgt ermittelt: H J 1-1 = 0,007 m H J 2-2 = 0,015 m Die Stömungsgeschwindigkeiten werden mit U = (18,8/DN)² Q berechnet. U 1 = 2,26 m/s U 2 = 3,53 m/s U 1 = 1,57 m/s U 2 = 2,26 m/s Der Eintrittsdruck p 1 und der Austrittsdruck p 2 werden gemäß den auf Seite 22 aufgeführten Formeln wie folgt berechnet: 1,57² 2,26² p 1 = 0,2 + [1 9,81 0, ,81(0,02 + 0,007)] ,81 p 1 = 0,1982 bar 2,26² 3,53² p 2 = 11,4 + [1 9,81 0, ,81(0, ,015)] ,81 p 2 = 11,3814 bar 25

26 Die Förderhöhe der Pumpe wird gemäß der auf Seite 24 aufgeführten Formel mit den ermittelten Werten wie folgt berechnet: p 2 p 1 U 2 ² U 1 ² H = (z 2 z 1 ) r g 2 g 11,3814 ( 0,1982) 3,53² 2,26² H = (0,65 0,35) + 10² + = 118,7 m 1 9,81 2 9,81 Die Förderhöhe der Pumpe bei Q r = 100 m³/h beträgt 118,7 m. 2. Beispiel Ermittlung der Förderhöhe einer Kreiselpumpenanlage H A bei offenen Flüssigkeitsspiegeln im Ein- und Austrittsquerschnitt der Anlage Gegeben: Förderflüssigkeit: kaltes Wasser, r = 1,0 kg/dm³ A A1 = 0,35 m² A A2 = 0,14 m² z A1 = 5 m z A2 = 48 m Drücke: p A1 = p A2 = p amb Verlusthöhen bei Q = 50 m³/h = 0,0139 m³/s H J A1-1 = 2 m H J 2-A2 = 8,9 m Gesucht wird die Förderhöhe der Anlage H A bei Q = 50 m³/h = 0,0139 m³/s Zwischenwerte: U A1 = Q/A A1 = 0,0139 : 0,35 = 0,04 m/s U A2 = QA A2 = 0,0139 : 0,14 = 0,1 m/s U A2 ² U A1 ² 0,1² 0,04² Geschwindigkeitshöhendifferenz = = = 0,00043 m 2 g 2 9,81 Generell gilt für die Berechnung der Förderhöhe der Anlage die auf Seite 24 aufgeführte Formel. Da im vorliegenden Beispiel jedoch die Drücke p A1 und p A2 gleich sind und damit die Druckhöhendifferenz null ist und außerdem die Geschwindigkeitshöhendifferenz vernachlässigbar klein ist, kann für die Berechnung folgende vereinfachte Formel verwendet werden: H A = (z A2 z A1 ) + H J A1-1 + H J A2-A2 = (48 5) ,9 = 53,9 m Die Förderhöhe der Anlage bei Q = 50 m³/h beträgt 53,9 m. 26

27 3. Beispiel Ermittlung der Förderhöhe H A einer Hochdruck-Pumpenanlage Gegeben: Heißwasser, t = 160 C, r = 0,9073 kg/dm³, p v = 6,181 bar (absolut) Luftdruck p amb = 1,011 bar (absolut) Im Zulaufbehälter herrscht der Dampfdruck des heißen Wassers. A A1 = 0,35 m² A A2 entspricht DN 150 z A1 = 9 m z A2 = 14 m p A1 = p v p amb = 6,181 1,011 = 5,17 bar p A2 = 73 bar Die Verlusthöhen bei Q = 130 m³/h = 0,0361 m³/s sind H J A1-1 = 2,4 m H J 2-A2 = 11,3 m Gesucht ist die Förderhöhe der Anlage bei Q = 130 m³/h Zwischenwerte: U A1 = Q/A I = 0,036 : 0,35 = 0,103 m/s U A2 = (18,8/DN)² Q = (18,8 : 150)² 130 = 2,042 m/s Die Förderhöhe der Anlage errechnet sich gemäß der auf Seite 24 aufgeführten Formel hieraus zu: p A2 p A1 U A2 ² U A1 ² H A = (z A2 z A1 ) + 10² + + H J A1-1 + H J 2-A2 r g 2 g 73 5,17 2,042² 0,103² = (14 9) + 10² + + 2,4 + 11,3 0,9073 9,81 2 9,81 H A = 5 m + 762,1 m + 0,2 m + 2,4 m + 11,3 m = 781 m Die Förderhöhe der Anlage beträgt 781 m bei Q = 130 m³/h. 1.4 Saugvermögen S Das Saugvermögen S einer Pumpe ist das Gasvolumen, welches in Abhängigkeit vom Ansaugdruck in der Zeiteinheit von einer Pumpe gefördert wird. Es ist eine Kenngröße für gasfördernde oder gasmitfördernde Pumpen, z.b. Flüssigkeitsringvakuumpumpen, Seitenkanalpumpen oder Kreiselpumpen mit Seitenkanal - Ansaugstufe, die zum Entlüften von Saugleitungen bzw. Ansaugen von Flüssigkeiten in Kreiselpumpen und Pumpenanlagen eingesetzt werden. Saugvermögen und zu evakuierendes Volumen bestimmen die zur Erzielung einer Druckabsenkung notwendige Pumpdauer. Die übliche Einheit für das Saugvermögen ist m³/h. 27

28 1.5 NPSH bei Kreiselpumpen Der für Kreiselpumpen und Kreiselpumpenanlagen wichtige Begriff (NPSH) stammt aus der USA und steht für Net Positive Suction Head. (NPSH) ist definiert als Netto-Energiehöhe (= absolute Energiehöhe abzüglich der Verdampfungsdruckhöhe) im Eintrittsquerschnitt der Pumpe. p amb p v (NPSH) = H t1 z D + r 1 g Der (NPSH)-Wert bezieht sich auf die (NPSH)-Bezugsebene, während sich die Energiehöhe im Eintrittsquerschnitt der Pumpe auf die Bezugsebene der Anlage bezieht. Im engen Zusammenhang mit (NPSH) steht der Begriff der Kavitation. Als Kavitation bezeichnet man die Bildung von Dampfblasen (Hohlräumen) aufgrund einer örtlichen Absenkung des statischen Druckes unter den Verdampfungsdruck der Förderflüssigkeit und den implosionsartigen Zusammenfall dieser Dampfblasen an Stellen höheren Druckes. Bei diesem Vorgang entstehen Druckwellen mit hohen Druckspitzen. Befinden sich die Dampfblasen in der Nähe oder direkt an einer festen Wand, z.b. den Laufradschaufeln, so entsteht bei der Implosion ein Flüssigkeitsstrahl ( Microjet ) der mit hoher Geschwindigkeit auf die Wand bzw. Laufradschaufel auftrifft und diese durch die schlagartige Druckbelastung hoch beansprucht. Dies erklärt die kraterförmigen Materialabtragungen bei voll ausgebildeter Kavitation. Die Ursache von Kavitation sind insbesondere bei Kreiselpumpen die örtlichen Druckabsenkungen im Schaufelkanaleintritt des Laufrades, die unvermeidlich mit der Umströmung der Schaufeleintrittskanten und der Energieübertragung von den Laufradschaufeln auf die Förderflüssigkeit verbunden sind. Kavitation kann aber auch an anderen Stellen der Pumpe, an denen der Druck örtlich absinkt wie z.b. an den Eintrittskanten von Leitradschaufeln, Gehäusezungen, Spaltringen usw. auftreten. Weitere Ursachen sind entweder das Ansteigen der Temperatur der Förderflüssigkeit, das Absinken des Druckes auf der Eintrittsseite der Pumpe, die Vergrößerung der geodätischen Saughöhe oder die Verkleinerung der Zulaufhöhe. Die Anzeichen von Kavitation in der Reihenfolge nach dem Grad der Kavitation sind: a) Bildung von einzelnen Dampfblasen und Blasenfeldern Dies kann nur bei stroboskopischer Betrachtung des Laufradeintritts in speziellen, dem Pumpenoriginal nachgebauten Blasensichtmaschinen beobachtet und bewertet werden. Dieses aufwendige Verfahren wird in erster Linie nur bei der hydraulischen Auslegung von hochbeanspruchten Laufrädern großer Kondensatpumpen angewandt, um den Pumpen- und Laufradeintritt in Bezug auf das (NPSH)-Verhalten zu optimieren. b) Abfall der Förderhöhe gegenüber dem kavitationsfreien Betrieb bei gleichem Förderstrom 28

29 Der Abfall wird in Prozent der kavitationsfreien Förderhöhe angegeben, bei mehrstufigen Pumpen in Prozent der Förderhöhe der ersten Stufe. c) Abfall des Wirkungsgrades gegenüber kavitationsfreiem Betrieb d) Geräusche oder Geräuschveränderung gegenüber kavitationsfreiem Betrieb Infolge des Zusammenbrechens der Dampfblasen entsteht ein prasselndes Geräusch wie von Kieselsteinen in einer Betonmischmaschine. e) Laufunruhe, festzustellen durch eine Änderung des Schwingungsverhaltens der Pumpe gegenüber kavitationsfreiem Betrieb f) Kavitationsverschleiß (Materialabtrag) an Pumpeninnenteilen Die Materialanfressungen weisen eine löchrige, schwammige Struktur auf. g) Förderhöhenabriss Die Förderhöhe der Pumpe reißt völlig ab, da die Kavitationsblasen die Schaufelkanäle des Laufrades blockieren und keine Energie mehr auf die zu fördernde Flüssigkeit übertragen werden kann Erforderlicher (NPSH)-Wert einer Pumpe Der erforderliche (NPSH)-Wert einer Pumpe, (NPSHR), gibt an, um wieviel die gesamte Energiehöhe bezogen auf das Bezugsniveau für den (NPSH)-Wert mindestens über der Verdampfungsdruckhöhe der Förderflüssigkeit liegen muss, um ein einwandfreies Arbeiten der Pumpe mit der Auslegungsdrehzahl, dem Auslegungsförderstrom (oder der Auslegungsförderhöhe) und mit der der Auslegung zugrunde gelegten Förderflüssigkeit zu erreichen. (NPSHR) wird vom Pumpenhersteller angegeben und als (NPSHR) (Q)-Kurve im Kennlinienblatt dargestellt. Die Basis für (NPSHR) sind Kavitationsprüfungen mit reinem, kaltem Wasser, wobei ein Abfall von 3% gegenüber dem kavitationsfreien Betrieb zugrunde gelegt wird. Dieser Wert wird als (NPSH3) bezeichnet. Bei mehrstufigen Pumpen bezieht sich (NPSH3) auf die Förderhöhe der ersten Stufe. Bei Pumpen mit einer höheren Energieumsetzung im Laufrad als es bei Standardpumpen die Regel ist, z.b. bei Kesselspeisepumpen und Kondensatpumpen für große Kraftwerksblöcke wird (NPSHR) wesentlich höher als (NPSHR3) angegeben, da bei diesen Verhältnissen die Beeinträchtigungen durch Schwingungen und Materialabtrag früher einsetzen. Durch geeignete kavitationsbeständige Laufradwerkstoffe ist es allerdings möglich die (NPSHR) wieder abzusenken bzw. die Standzeit des Laufrades zu erhöhen. Die Kavitationsbeständigkeit von Laufradwerkstoffen kann aus der nachfolgenden Tafel abgeschätzt werden. 29

30 Tafel 1.01 Verschleißindizes bei Kavitationserosion Werkstoff Beispiel Verschleißindex Gusseisen EN-JL1040 EN-GJL-250 (GG25) 1,0 Bronze und Rotguss Chromstahlguss Aluminiumbronze Korrosionsbeständiger Stahlguss Duplex-Stahlguss G-CuSn GX4CrNi G-CuAl 10 Ni GX5CrNiMo GX2CrNiMoCuN ,5 0,2 0,1 0,05 0,02 Der Verschleißindex gibt an, in welchem Verhältnis sich in etwa der Materialabtrag bei gleichem (NPSHA) und gleicher Förderflüssigkeit gegenüber dem Werkstoff Gusseisen mit dem Verschleißindex 1,0 reduziert Reduzierung des (NPSH)-Wertes bei Pumpen, die Wasser und Kohlenwasserstoffe fördern Betriebserfahrungen und Prüffeldversuche zeigen, dass Pumpen bei der Förderung von gasfreien Kohlenwasserstoffen und von Wasser bei hohen Temperaturen betriebssicher mit einer weniger schädlichen Kavitation arbeiten und die Pumpen daher einen niedrigeren (NPSHA)-Wert als für kaltes Wasser benötigen. Das Hydraulic Institute (HI) hat ein Diagramm veröffentlicht, aus dem (NPSHR)- Reduzierungen in Abhängigikeit von der Temperatur und dem Dampfdruck bzw. verschiedenen Kohlenwasserstoffen und Wasser abgelesen werden können. Diese (NPSHR)-Reduzierungen basieren jedoch auf einer exakten Einhaltung der zugrunde gelegten Zulaufbedingungen und der Temperatur. Eine Berücksichtigung dieser Werte sollte daher nur in Betracht gezogen werden wenn der Besteller bzw. Betreiber dem ausdrücklich zustimmt. Gemäß den Normen zu den Technischen Anforderungen an Kreiselpumpen, Klasse I und II (DIN ISO 9905 und 5199) sind Korrekturfaktoren für Kohlenwasserstoffe nicht zulässig Bezugsebene für den (NPSH)-Wert Als Bezugsebene für den (NPSH)-Wert ist die horizontale Ebene definiert, die durch den Mittelpunkt eines durch die Außenpunkte der Eintrittskanten der Laufradschaufeln beschriebenen Kreises geht. Bei zweiflutigen Pumpen mit nicht horizontaler Welle ist der höher liegende Laufradeintritt maßgebend. Bei Pumpen mit horizontaler Welle liegt die (NPSH)-Bezugsebene in der Regel in der Höhe der Wellenmitte. Bei Pumpen mit vertikaler oder schräger Welle ist die Höhenlage des Laufradeintritts und damit das Bezugsniveau für den (NPSH)-Wert in der Regel nicht von außen erkennbar und muss deshalb vom Hersteller angegeben werden. 30

31 Abb Lage der Bezugsebene für den (NPSH)-Wert Vorhandener (NPSH)-Wert der Anlage (NPSHA) Der vorhandene (NPSH)-Wert der Anlage (NPSHA) ist der von Seiten der Anlage bei einem gegebenen Förderstrom und der für die Auslegung zugrunde gelegten Förderflüssigkeit gegebene (NPSH). Der (NPSH)-Wert der Anlage wird wie folgt ermittelt: p 1 + p amb p v U 1 ² (NPSHA) = (z 1 z D ) + + r g 2g bzw. p A1 + p amb p v U A1 ² (NPSHA) = (z A1 z D ) + + H J A1-1 r g 2g Für den störungsfreien Betrieb einer Pumpe muss mindestens die Bedingung (NPSHA) (NPSHR) erfüllt sein. Aus Sicherheitsgründen und um Schwankungen in den Betriebsverhältnissen auszugleichen ist jedoch, wenn nicht durch besondere Normen oder Vorschriften etwas anderes festgelegt ist, ein Sicherheitszuschlag von mindestens 0,5m zu berücksichtigen, d.h.: (NPSHA) (NPSHR) + 0,5 m 31

32 Ist (NPSHA) kleiner als dieser Wert kommen für eine Anpassung folgende Möglichkeiten in Betracht: Wahl einer Pumpe mit niedrigerer Drehzahl Aufteilung des Förderstroms auf mehrere Pumpen bzw. Verwendung von Pumpen mit mehrflutigen Laufrädern eventuell auch nur in der ersten Stufe Einsatz einer Pumpe mit einem speziellen NPSH-Laufrad; bei mehrstufigen Pumpen für die erste Stufe Einsatz einer niedrigtourigen Boosterpumpe (Vorpumpe) Einbau von Topfpumpen, bei denen je nach Länge des Topfes der Saugmund des Laufrades der ersten Stufe und damit die (NPSH)-Bezugsebene entsprechend den Erfordernissen tiefer gelegt wird Wenn aus anlagebedingten Gründen jedoch ein Betrieb der Pumpe im Bereich der Kavitationsgrenze, z.b. im Umschaltbetrieb oder Überlastbetrieb unvermeidbar ist, wählt man für die gefährdeten Bauteile, insbesondere für das Laufrad, bei mehrstufigen Pumpen für das Laufrad der 1. Stufe, zähe Werkstoffe die dem Kavitationsverschleiß längere Zeit widerstehen. Solche Werkstoffe sind mit ihrem Verschleißindex in der Tafel 1.01, Seite 30 aufgeführt Beispiele zur Berechnung des (NPSH)-Wertes der Anlage Zur Erläuterung der Anlagenverhältnisse siehe hierzu die Abb. 1.03, Seite 33 und 1.04, Seite 34. Achtung! Falls aus der Spezifikation nicht ersichtlich ist, dass der angegebene Luftdruck sich auf die Aufstellungshöhe bezieht ist der Luftdruck gemäß Tafel 13.01, Seite 332 zu berechnen. Bei allen Beispielen wird eine vernachlässigbar kleine Geschwindigkeitshöhe U A1 ²/2g angenommen. 1. Beispiel Saugen aus einem geschlossenen Behälter Gegeben: Gesucht: Förderflüssigkeit Wasser, t = 60 C, r = 0,9832 kg/dm³ p v = bar, p amb = 1,025 bar, p A1 = 0,4 bar z A1 = 3,2 m z D = 0,8 m H J A1-1 = 1,8 m vorhandener (NPSH)-Wert der Anlage 32 p A1 + p amb p v (NPSHA) = (z A1 z D ) + H J A1-1 r g 0,4 + 1,025 0,19920 (NPSHA) = ( 3,2 0,8) + 10² 1,8 = 6,9 m 0,9832 9,81 Der vorhandene (NPSH)-Wert der Anlage (NPSHA) beträgt 6,9 m.

33 Abb Kreiselpumpenanlage, Zulaufbetrieb (1)=Bezugsebene der Anlage Indizes (2)=(NPSH)-Bezugsebene A1=Eintrittsseite 1 =Eintrittsseite der Pumpe der Anlage 1 =Eintrittsseitiger Messpunkt 33

34 Abb Kreiselpumpenanlage, Saugbetrieb (1)=Bezugsebene der Anlage Indizes (2)=(NPSH)-Bezugsebene A1=Eintrittsseite 1 =Eintrittsseite der Pumpe der Anlage 1 =Eintrittsseitiger Messpunkt 34

35 2. Beispiel Saugen aus einem offenem Behälter In diesem Falle ist p A1 = 0, d.h. auf den Flüssigkeitsspiegel wirkt nur der Atmosphärendruck p amb. Gegeben: Förderflüssigkeit Wasser, t = 40 C, r = 0,9923 kg/dm³ p v = 0,07375 bar, p amb = 1,016 bar (NPSHR) = 2,9 m (NPSHA) = (NPSHR) + 0,5 m Sicherheitszuschlag = 3,4 m H J A1-1 = 2,7 m Gesucht: die größtmögliche geodätische Saughöhe H s geo p amb p v aus (NPSHA) = (z A1 z D ) + H J A1-1 r g p amb p v ergibt sich (z A1 z D ) = (NPSHA) + H J A1-1 r g Damit errechnet sich die größtmögliche geodätische Saughöhe H s geo zu: 1, (z A1 z D ) = 3,4 10² + 2,7 = 3,58 m 0,9923 9,81 Der Wert ist negativ, also kann die Pumpe oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Saugbehälter stehen. Die größtmögliche geodätische Saughöhe ist H s geo = 3,58 m. Wird die Pumpe in 2000 m Höhe über NN bei sonst gleichen Bedingungen aufgestellt, ergibt sich mit p amb = 0,795 bar (siehe Tafel 13.01, Seite 332) die größtmögliche geodätische Saughöhe zu: 0,795 0,07375 (z A1 z D ) = 3,4 10² + 2,7 1,31 m 0,9923 9,81 Die größtmögliche geodätische Saughöhe H s geo beträgt bei der Höhenlage 2000 m über NN nur noch 1,31 m. Dies zeigt den großen Einfluss des Luftdrucks auf die mögliche geodätische Saughöhe. 35

36 3. Beispiel Zulauf aus einem geschlossenem Behälter Gegeben: Gesucht: Förderflüssigkeit Wasser, t = 140 C, r = 0,9258 kg/dm³ p v = 3,614 bar, p amb = 0,996 bar, p A1 = 3,0 bar (z A1 z D ) = H z geo = 16 m H J A1-1 = 15 m der vorhandene (NPSH)-Wert der Anlage p A1 + p amb p v (NPSHA) = (z A1 z D ) + H J A1-1 r g Damit ergibt sich: 3 + 0,996 3,614 (NPSHA) = = 5,21 m 0,9258 9,81 4. Beispiel Zulauf aus einem geschlossenem Behälter Gegeben: Gesucht: Förderflüssigkeit Wasser t = 160 C, r = 0,9073 k/dm³ p v = 6,181 bar, p amb = 1,013 bar, p A1 = 5,4 bar (NPSHR) = 4 m (incl. Sicherheitszuschlag), H J A1-1 = 2m die mindesterforderliche geodätische Zulaufhöhe H z geo p A1 + p amb p v aus (NPSHA) = (z A1 z D ) + H J A1-1 r g p A1 + p amb p v ergibt sich (z A1 z D ) = (NPSHA) +H J A1-1 r g Für (NPSHA) wird in diesem Falle (NPSHR) eingesetzt 5,4 + 1,013 6,181 und somit ist (z A1 z D ) = 4 10² + 2 = 3,39 m 0,9073 9,81 Der Wert ist positiv, also muss die Pumpe unterhalb des Flüssigkeitsspiegels im Zulaufbehälter stehen. Die mindesterforderliche geodätische Zulaufhöhe ist H z geo = 3,39 m. 36

37 5. Beispiel Zulauf aus einem geschlossenem Behälter, in dem der Dampfdruck der Förderflüssigkeit herrscht (Sättigungsverhältnisse im Behälter). In diesem speziellen Falle ist p A1 + p amb = p v und die Gleichung für den vorhandenen (NPSH)-Wert der Anlage vereinfacht sich zu: (NPSHA) = (z A1 z D ) H J A1-1 und Gegeben: Zu ermitteln: (z A1 z D ) = (NPSHA) + H J A1-1 + Sicherheitszuschlag (NPSHR) = 1,3 m, Sicherheitszuschlag = 0,5 m, H J A1-1 = 0,2 m mindesterforderliche geodätische Zulaufhöhe H z geo (NPSHA) wird in diesem Falle gleichgesetzt mit (NPSHR) und somit ergibt sich: (z A1 z D ) = 1,3 m + 0,2 m + 0,5 m = 2,0 m Der Wert ist positiv, also muss die Pumpe unterhalb des Flüssigkeitsspiegels im Zulaufbehälter stehen. Die erforderliche geodätische Zulaufhöhe ist H z geo = 2,0 m. 1.6 Spezifische Energie Als spezifische Energie y wird die auf die Masse der Förderflüssigkeit bezogene Energie bezeichnet. Sie ist bestimmt durch die Gleichung y = H g Ihre SI-Einheit ist J/kg = N m/kg = W/kg s = m²/s² Vergleich zwischen Energiehöhen und spezifischen Energien Energiehöhen Zeichen spezifische Energie Zeichen Förderhöhe der Pumpe Förderhöhe der Anlage Höhenlage Druckhöhe Geschwindigkeitshöhe Verlusthöhe H H A z p/r g U²/2 g der Pumpe der Anlage der geodätischen Höhe des Drucks der Geschwindigkeit des Energiehöhenverlustes y y A z g p/r U²/2 H J y J 37

38 1.7 Leistung, Wirkungsgrad Die Förderleistung P u ist die durch die Pumpe auf den Förderstrom übertragene nutzbare Leistung: P u = q g H = r Q g H Dabei ist r die Dichte der Förderflüssigkeit. Bei merklicher Dichteänderung bei dem Durchgang der Förderflüssigkeit durch die Pumpe ist die Dichte r 1 im Eintrittsquerschnitt der Pumpe einzusetzen. Die SI-Einheit für Leistungen ist das Watt (W). In der Praxis ist es üblich, Leistungen in kw anzugeben. Man verwendet dann zweckmäßig die Zahlenwertgleichung r Q H P u = in kw mit r in kg/dm³, Q in m³/h und H in m Der Leistungsbedarf P einer Pumpe ist die von einer Pumpe an der Pumpenkupplung oder an der Pumpenwelle aufgenommene mechanische Leistung. Sie ist um die Verlustleistung der Pumpe größer als die Förderleistung P u. Ist der Pumpenwirkungsgrad h, der die Verlustleistung der Pumpe berücksichtigt, bekannt, errechnet sich der Leistungsbedarf der Pumpe zweckmäßig nach der Zahlenwertgleichung P u r Q H mit r in kg/dm³, Q in m³/h und H in m P = = in kw h 367 h h ist hierbei als Dezimalwert einzusetzen Beispiel: gegeben: Q = 50 m³/h, H = 54 m, r = 1,0 kg/dm³, h = 70 % = 0,70 1, P = = 10,5 kw 367 0,70 Im Einzelnen unterscheidet man bei den Leistungen Zeichen Benennung Definition P u Pumpen-Förderleistung Die auf das Fördergut beim Durchgang durch die Pumpe übertragene mechanische Leistung Anmerkung Auch als hydraulische Leistung benannt 38

39 P Pumpen-Leistungsbedarf Die an der Pumpenkupplung oder an der Pumpenwelle aufgenommene mechanische Leistung P r P J m Pumpen-Auslegungsleistungsbedarf Mechanischer Leistungsverlust der Pumpe Die für die Pumpe erforderliche Leistung bei den Auslegungsbedingungen Die Leistungsaufnahme hervorgerufen durch die Reibungsverluste in den Lagern und Wellendichtungen der Pumpe Der Pumpenwirkungsgrad h gibt das Verhältnis der von einer Pumpe abgegebenen Förderleistung zur an der Pumpenkupplung oder an der Pumpenwelle aufgenommenen mechanischen Leistung im betrachteten Betriebspunkt an. Der Pumpenwirkungsgrad ergibt sich hieraus zu: P u r Q g H h = = P P bzw. als Zahlenwertgleichung: r Q H h = 367 P mit P in kw, r in kg/dm³, Q in m³/h und H in m Beispiel: gegeben: Q = 200 m³/h, H = 90 m, r = 1,0 kg/dm³, P = 64,5 kw 1, h = = 0,76 = 76 % ,5 Im Einzelnen unterscheidet man folgende Wirkungsgrade Zeichen Benennung Definition h Pumpenwirkungsgrad Das Verhältnis der Förderleistung P u zum Leistungsbedarf P bei bestimmten Arbeitsbedingungen h = P u / P h opt Bestwirkungsgrad Der größte Wert des Pumpenwirkungsgrades bei einer bestimmten Pumpen- auch h BEP drehzahl und einer bestimmten h max Förderflüssigkeit 39

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