Druckstöße, Resonanzzustände und Fluid-Struktur-Wechselwirkungen in Kreiselpumpenanlagen

Transkript

1 Druckstöße, Resonanzzustände und Fluid-Struktur-Wechselwirkungen in Kreiselpumpenanlagen Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik, Erlangen Andreas Ismaier Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker

2 Warum heute noch Forschung? Früher: Erfahrung der Baumeister, Trial and Error relativ einfache Systeme Heute: Komplexe Anlagen, Dynamische Lasten, Gefahrstoffe, extreme Drücke/Temperaturen... Rohrleitungen werden vorab berechnet Fluiddynamische Effekte müssen verstanden werden Neue Methoden verfügbar Hochdynamische Messtechnik Computergestützte Auslegung 2

3 Inhalt des Vortrages Entstehung von Druckstößen Druckpulsation von Kreiselpumpen Fallbeispiel aus einem Klärwerk Versuchsanlage am ipat Wechselwirkung zwischen Druckstoß und Kreiselpumpe Film mit einer Hochgeschwindigkeitskamera 3

4 Entstehung von Druckstößen Grundsätzlich führt jede schnelle Änderung des stationären Betriebszustandes zu Druckstößen: Regel- und Stellvorgänge An- und Abfahrprozesse Schnellschluss von Ventilen Normaler Betrieb von Pumpen Verdrängerpumpen Kreiselpumpen Harmlose Druckerhöhung oder gefährlicher Druckstoß? Abhängig vom System! Niederdrucksysteme sind meist stärker gefährdet. Je schneller die Änderung, desto stärker der Druckstoß. H t 4

5 Druckverlauf einer Kreiselpumpe Hochdynamische Messtechnik notwendig (größer 10 khz)! 5

6 Fallbeispiel: Befüllung eines Faulturms

7 Fallbeispiel Befüllung des Faulturms einer Kläranlage Kreiselpumpe: Schmutzwasser, konstante Drehzahl Laufrad mit einer Schaufel Exzenterschneckenpumpe: Klärschlamm, variable Drehzahl Beide Pumpen fördern in die gleiche Druckleitung! Gelegentlich starke Schwingung einer DN 100 Leitung Was ist die Ursache??? 8

8 Frequenzanalyse der Druckmessung Drehzahl Kreiselpumpe (960 1/min = 16 Hz) Messstelle Kreiselpumpe Netzfrequenz Anregungsfrequenz Exzenterschneckenpumpe Messstelle Exzenterschneckenpumpe Drehzahlregelung! 9

9 Versuchsanlage am ipat 10

10 Druckstoß durch Ventilschnellschluss Joukowsky-Stoß: p J c v Beispiel: 3 m/s Geschw., Medium Wasser (c = 1300 m/s) p J = 39 bar resultierende Kraft auf DN100 Rohr: 30,6 kn (3100 kg!) Ventil wird geschlossen 11

11 Joukowsky Theorie und Praxis 15,0 13,5 max. Druckstoß [bar] 12,0 10,5 9,0 7,5 6,0 4,5 3,0 Wechselwirkung zwischen Pumpe und Ventil p Joukowsky berücksichtigt keine Reibung: Line Packing p = f(,l) 1,5 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Strömungsgeschwindigkeit [m/s] 10 Hz 20 Hz 30 Hz 40 Hz 50 Hz Joukowsky 12

12 Resonanz Wechselwirkung zwischen Kreiselpumpe und Schnellschlussventil Kreiselpumpe wird ausgeschaltet Ursache: Druckpulsation der Kreiselpumpe 13

13 Dämpfende Wirkung der Kreiselpumpe Pulsation dämpft Druckstoß! 14

14 Druckwellenreflexion Idealisierte Extremfälle vollständiger Reflexion: Negative Reflexion an offenem Rohrende Druckwelle Unterdruckwelle Beispiel: Offener Behälter Positive Reflexion an geschlossenem Rohrende Druckwelle Druckwelle Beispiel: geschlossenes Ventil Wie interagiert ein Druckstoß mit einer Kreiselpumpe? 15

15 Druckstoß und Kreiselpumpe Kreiselpumpe offenes oder geschlossenes Ende? Druckwelle läuft durch offenes Rohrstück Allerdings Abschwächung der Druckstoßamplitude Kreiselpumpe = Druckverlustbeiwert für Druckstöße 16

16 Zusammenfassung Joukowsky-Formel gut für erste Abschätzung, kritische oder komplexe Systeme unbedingt numerisch überprüfen Resonanz, Line Packing Auch Kreiselpumpen können ein System anregen stets ganzes System betrachten Aufnahme mit einer Hochgeschwindigkeitskamera: 17

17 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik, Erlangen Andreas Ismaier Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker