Grundlagen der Hydraulik

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1 Dipl.- Ing. Christoph Brandt

2 Bedeutung des Themas Hydraulik Energieeffizienz das zentrale Thema des 1. Jahrhunderts Stromverbrauch in der EU Sonstiges % Straßenverkehr 4% Stromverbrauch in der Industrie Andere 3% INDUSTRIE 4% PUMPEN 30% Landwirtschaft % Wohnung 30% Druckluft, Kälte Kompressoren 4% Ventilatoren 14% Stromverbrauch Bildnachweis: KSB Die Industrie verbraucht mit Abstand am meisten elektrische Energie. Innerhalb der Industrie sind die Pumpen die größten Energieverbraucher.

3 Bedeutung des Themas Hydraulik Bildnachweis: Imtech

4 Grundlagen zur Hydraulik - Energietransport Größe: Formeln zum Energietransport Wärmeleistung Formelzeichen Einheit. Q W Berechnungsformel Q.. mc Massenstrom Spez. Wärmekapazität Fließgeschwindigkeit Volumenstrom. m C v. V kg/ s J /( kg K ) m / s m ³ / h. m. V A Wasser 0 C; J/(kg x K); Ethylenglykol 40/60%; 0 C; J/(kg x K).. V m 4 m v A A d i.. m V Av. v Rohrquerschnitt A m ² A d i 4

5 Grundlagen zur Hydraulik - Energietransport Spez. Wärmekapazität von Wasser- / Ethylenglykolgemischen: Bildnachweis: Tyfo

6 Grundlagen zur Hydraulik Rohrnetz (geschl. System) Größe: Formeln zur Rohrnetzberechnung Rohrreibung (inkompressible Medien) Formelzeichen pr Einheit N / m ² Pa Berechnungsformel pr d l i v R Rohrreibungszahl (laminare Strömung) Reynolds-Zahl Re.30 laminar.30 turbulent R e - - R 64 R e e (laminare Strömung bei Rohrströmung praktisch nicht relevant) v d i kinematische Viskosität m / 6 ² s Tabellenwert, z.b. Wasser 0 C :1, Rohrreibungszahl (turbulente Strömung) Rohrreibung (vereinfachte Ermittlung) pr - f ( R, d / k div. Berechungsansätze, besser: Colebrook-Diagramm Pa R l pr e )

7 Grundlagen zur Hydraulik Rohrnetz Moody-Colebrook-Diagramm Moody-Diagramm: Reibungsbeiwerte für Rohrleitungsströmungen als Funktion der Reynoldszahl Re und relativen Rauheit k s /D

8 Grundlagen zur Hydraulik Rohrnetz Rohrreibungstabelle (Beispiel)

9 Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz Größe: Formeln zur Rohrnetzberechnung Druckverlust durch Einzelwiderstände Formelzeichen Z Einheit Pa Berechnungsformel Z v Einzelwiderstände - Addition aller Einzelwiderstände je TS Druckverlust geamt pges Pa pges pr Z Druckverlust über kvs-wert (Ventile) pv kpa bei bekanntem kvs-wert pv Q [ m ³ / h kvs ] 100 Druckverlust aus geodätischer Höhe pgeo Pa, m pgeo h geo g (bei geschlossenen Systemen nicht relevant)

10 Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz Druckverluste durch Einzelwiderstände

11 Grundlagen zur Hydraulik Rohrnetz (geschlossen) Entgegen des SI-Einheitenystems werden für Rohrnetzund Pumpenauslegung abweichende Formelzeichen verwendet: Q = Förderstrom in [ l h ; l s ; m s ³ ; m h ³...] H = Förderhöhe in m

12 Grundlagen zur Hydraulik Pumpen Wirkungsgrad Wirkungsgrad η = P ab P zu

13 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 %

14 Grundlagen zur Hydraulik Parallelschaltung Q parallel Q einzel Bildnachweis: KSB

15 Grundlagen zur Hydraulik Energetische Optimierung Für die Anlagenkennlinie gilt: Förderstrom Leistungsaufnahme P Q Q 1 80% Drehzahl heißt 80% Förderstrom, 50% Drehzahl heißt 50% Förderstrom. Förderhöhe H 64% Förderhöhe, 5% Förderhöhe. n n 1 H 1 n 1 Q 1 3 n Q 1 P n 1 Q 1 und nur 51 % Leistungsaufnahme, bzw. 1,5% Leistungsaufnahme. n Q 3 Affinitätsgesetze aus der Ähnlichkeitsmechanik: Lineare Zunahme/Abnahme des Förderstroms bei linear ansteigender/fallender Drehzahl Quadratische Zunahme/Abnahme der Förderhöhe bei linear ansteigender/fallender Drehzahl Kubische Zunahme/Abnahme der Leistungsaufnahme bei linear ansteigender/fallender Drehzahl Nutzung der Einsparpotentiale setzt variable Fördermengen voraus!

16 Grundlagen zur Hydraulik Energetische Optimierung H ~ c ; c Q A ; A d 4 H ~ d 4 50 DN 50 DN 65 = ¼ H V Förderhöhe H m 0 Förderstrom Q m 3 /h

17 Grundlagen zur Hydraulik Kostenoptimierung Dimensionierung von Rohrleitungen: üblich: besser: LCC Richtwerte der Fließgeschwindigkeit als Ausgangsgröße zur Festlegung von D Kostenoptimierung von Investitions- und Energiekosten - Investitionskosten für Rohre gemäß C i,rohr = k D - Energiekosten (C e ) über Verlustbeiwerte der Einzelkomponenten C e ~ Q ( t ) H V ( t ) Preis der Rohrleitung (ggf. inkl. Isolierung) Energieaufwand D opt D Bildnachweis: KSB

18 Grundlagen zur Hydraulik Standardschaltungen Umlenkschaltung Energieeinsparung

19 Grundlagen zur Hydraulik Standardschaltungen Drosselschaltung H [%] 160 Pumpenkennlinie Anlagenkennlinie (Teillast) 140 B Eindrosseln Anlagenkennlinie (Volllast) B Förderhöhenüberschuss Förderhöhenbedarf Q [%] P W [%] Leistungseinsparung P W P W Energieeinsparung Q [%] Bildnachweis: KSB

20 Grundlagen zur Hydraulik Drehzahlregelung Konstantdruckregelung Bildnachweis: Grundfos Leistungsanpassung P 1 : 5.0 kw bis 15 kw

21 Grundlagen zur Hydraulik Drehzahlregelung Konstantkennlinie Konstantdruckregelung Proportionaldruckregelung Energieeinsparung

22 Grundlagen zur Hydraulik Standardschaltungen Beimischschaltung Merkmale: konstanter Volumenstrom sekundär keine Rücklaufanhebung variabler Primärwasserstrom kein Vordruck erforderlich (druckloser Verteiler)

23 Grundlagen zur Hydraulik Standardschaltungen Einspritzschaltung mit 3-Wege-Ventil Merkmale: konstanter Durchfluss im Primär- und Sekundärkreis Rücklauftemperaturanhebung geeignet zur Temperaturmischung kurze Reaktionszeit konstantlaufende Hauptpumpe erforderlich (druckbehafteter Verteiler)

24 Grundlagen zur Hydraulik Standardschaltungen Ablaufschaltung oder Einspritzschaltung mit -Wege-Ventil Merkmale: variable Wassermenge primärseitig geeignet für variable und konstante Wassermenge sekundärseitig unterschiedliche Temperaturen primärund sekundärseitig möglich Hauptpumpe erforderlich (druckbehafteter Verteiler)

25 Grundlagen zur Hydraulik Abgleich Druckverlauf Zweirohranlage Bildnachweis: Recknagel Druckverlauf bei der Tichelmannschen Rohrverlegung

26 Grundlagen zur Hydraulik Abgleich Statischer Strangabgleich Voreinstellbares Thermostatventil Strangregulierventil Bildnachweis: Danfoss Bildnachweis: Oventrop kv. m dp statischer Abgleich für Auslegungsfall, im Teillastbetrieb wirkungslos max. Druckdifferenz beachten (Geräusche) kaum zusätzlicher Druckverlust

27 Grundlagen zur Hydraulik Abgleich Q Q N H H N Statischer Abgleich im Teillastbetrieb Druckverlust Dp [mbar] 0, Volumenstrom Q [l/h]

28 Grundlagen zur Hydraulik Abgleich Dynamischer Abgleich: Bei Anlagen mit unterschiedlichen Verbrauchern bzw. großen Rohrnetzen sollte der dynamische Abgleich gewählt werden Abgleich begrenzt Differenzdruck an den Verbrauchern keine Geräuschbildung Einmalige Einstellung, Umbauten erfordern keine Nachregulierung Bildnachweis: IKZ-Haustechnik Höhere Differenzdrücke erforderlich (große Unterschiede bei den marktverfügbaren Ventilen)!

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit