VI. Pumpen und Anlagen

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1 VI. Pumpen und Anlagen Bauarten und Anwendungen Wasserwirtschaft Förderung: Bohrlochwellenpumpe Unterwassermotorpumpe

2 Auslegung von Pumpen und Anlagen Erforderliche Förderhöhe der Anlage 2 statischer Anteil dynamischer Anteil Sonderfälle: große Behälter offene Behälter geschlossene Ringleitung 0, 0, Pumpenanlage mit Saugbetrieb Quelle: KSB -115-

3 Pumpenauswahl: ρ 2 Ausnahme: -) sich füllende/entleerende Behälter -) sich füllende/entleerende Druckbehälter ζ 2 ζ Verlustansatz (Darcy-Weisbach) Verlustbeiwert Die Pumpengröße muss so gewählt werden, dass sie bei gegebenem Volumenstrom Q das Optimum erreicht! -116-

4 Auswahl der Pumpe keine Toleranzen, keine Sicherheitszuschläge u.u. Anpassung der Kennlinie durch Abdrehen Quelle: KSB -117-

5 Was passiert, wenn die Pumpe nicht im Optimalpunkt fährt? F radial NPSH NPSH i opt F radial opt NPSH 3 Q opt Q Q opt Q Ausserhalb des Optimalpunktes: Schlechter Betriebspunkt Hohe Radialkraft Kavitation Energieverschwendung Zerstörung der Gleitringdichtungen und Lager Zerstörung der Hydraulik -118-

6 Berechnung der Druckhöhenverluste: prinzipiell: 1. Gerade Rohre: ζ 2 ζ λ Die ζ -Werte für neuwertige Gusseisenrohre können auf andere Materialien umgerechnet werden: ζ ζ neuer, gewalzter Stahl 0,8 Guss, inkrustiert: 1,7(anderer Querschnitt) Stahl, angerostet 1,25 Kunststoff: 0,7 0,9-119-

7 2. Armaturen und Formstücke: Verlustbeiwert ζ hängt stark von der Bauart ab Für Standardbauarten gibt es Tabellen bzw. Formeln ansonsten: Herstellerangaben Verschiebung des BP durch Drosselung Darstellung von Formstücken mit zugehörigen Verlustbeiwerten Quelle: KSB Einfluss der Ausrundung von konkaver und konvexer Seite auf den Verlustbeiwert von Krümmern mit quadratischem Querschnitt -120-

8 Bauformen von Armaturen Verlustbeiwerte ζ in Armaturen (bezogen auf die Strömungsgeschwindigkeit am Anschlussquerschnitt) Quelle: KSB -121-

9 Eintrittsverlust: wegen Einschnürung ζ0,5 Austrittsverlust: Kinetische Energie geht verloren bei Austritt ins Freie oder in Behälter am Austritt nicht doppelt zählen ζ1-122-

10 Weitere Bedingungen: 1. Motorleistung und Pumpenleistung müssen zusammenpassen 2. Saugverhältnisse von Pumpe und Anlage müssen zusammenpassen ad 1. Pumpenleistung: η 367 η Alternative: Leistung aus Pumpenkennfeld ablesen ( 1000 ) gegebenfalls Umrechnung auf andere Dichte Motorleistung: Sicherheitszuschläge 7,5 7, % 15 % 10 % Achtung: zulässige Lagerbelastung des Motors einhalten! -123-

11 Motor nicht zu weit überdimensionieren, weil der Motorwirkungsgrad bei Teillast stark abnimmt SRM Spaltrohrmotor Einfluss der Drehzahlen: Polpaarzahl Frequenz Bezugsdrehzahlen der Kennliniendokumentation in 1/min bei 50 Hz bei 60 Hz Gegebenfalls sind die exakten Drehzahlen einzusetzen

12 ad 2. Saugverhältnisse Ansatz: schreibe erweiterte Bernoulli-Gleichung zwischen bekannter Stelle auf Saugseite (i.a. Eintritt) und Stelle S Bezugsebene S mit 0, 2 Faustregel für offene Saugbehälter:

13 Anlagenkennlinien bei Rohrleitungsnetzen: Kirchhoff sche Gesetze 1. Parallelschaltung Q 1 Q W 1 Kontinuität W 2 Q 2 Weil an den Verzweigungspunkten über beide Teilstränge der gleiche Druck herrscht 2. Serienschaltung W 1 W 2 Q Widerstände addieren sich -126-

14 Verzweigte Rohre: Serienschaltung Vertikale Summation Leitungen H 1 H Pumpen Q Q -127-

15 Verzweigte Rohre: Serienschaltung Bei der Ermittlung der Widerstände der einzelnen Rohrleitungsabschnitte braucht der statische Druck und die Kinetische Energie an inneren Schnittstellen nicht berechnet werden. Beweis: e 1 2 z a Δ Δ Δ Δ ρ 2 ρ 2 Δ ρ 2 Es reicht also: Δ Δ ρ 2 Δ Δ ρ

16 Verzweigte Rohre: Parallelschaltung Q 1 Q horizontale Summation 2 Leitungen Pumpen H = 1 2 H = Q Q

17 Verzweigte Rohre: Parallelschaltung Bei der Ermittlung der Widerstände der einzelnen Rohrleitungsabschnitte braucht der statische Druck und die Kinetische Energie am inneren Schnitt nicht berechnet zu werden. Beweis:. 1: ρ 2 2 p 2, z 2 p 3, z 3 H 2 red 3 red 2+3 red. 2: ρ 2 3 X 1 red. 3: ρ 2 p 1, z 1 Q. 2 3: / ρ 2 / für / für / Wenn 1 + (2+3) in Serie geschaltet wird, heben sich wieder die x-terme heraus

18 Verzweigte Rohre: Parallelschaltung Wenn Leitung 2/3 mit Leitung 1 in Serie geschaltet wird, heben sich wieder die statische Druckhöhe, die geodätische Höhe und die kinetische Energiehöhe heraus, weil die Verbindungsstelle x Endpunkt der Leitung 1 und Anfangspunkt der parallelgeschalteten Summenleitung (Leitung 2 + Leitung 3) ist. Ungenauigkeit: X wird aber als Abzweigverlust ζ in berücksichtigt -131-

19 Verzweigte Rohre: Rechenregel L3, d3 z-m = z-k M Q 1. Betrachte Verbraucher und Pumpe separat 2. Fasse parallelgeschaltete Leitungsstränge/Pumpen zu einer Summenleitung/Summenpumpe zusammen (horizontale Summation) L1-D, d1 L1-S, d1 z-u1 Pu1 Pu2 z- Pu L2-D, d2 L2-S, d2 Tipp 1: Parallelgeschaltete Pumpen mit unterschiedlichen Leitungen vor/und/oder nach der Pumpe: Ermittle für jede Pumpe die reduzierte Pumpenkennlinie, d.h. subtrahiere von Pumpenkennlinien die zugehörigen Rohrleitungswiderstände reduzierte Pumpenkennlinie. H H Pu1 =H Pu2 z-u2 H Pu-red2 =H Pu2 -H Anl2 H Pu-red1 =H Pu1 -H Anl1 Q -132-

20 Verzweigte Rohre: Rechenregel Ltg1 Tipp 2: Pumpen in einem Nebenstrang, das heißt teilweise seriengeschaltete Pumpen : Ermittle für den Nebenstrang mit Pumpe die reduzierte Leitungskennlinie, d.h. subtrahiere von Leitungskennlinie die Pumpenkennlinie Tipp 3: An inneren Schnittpunkten: statischen Druck und kinetische Energie weglassen (s.o.) H Ltg2 Pp2 Ltg2 Pp1 H 2red = H 2 H Pp2 3. Fasse seriengeschaltete Leitungsstränge/Pumpen zu einer Summenleitung/Summenpumpe zusammen (vertikale Summation) 4. Ermittle Betriebspunkt im Schnittpunkt der Summenleitung und der Summenpumpe Pp2 5. Ermittle die Durchsätze durch die einzelnen Teilstränge durch Umkehrung des Rechenwegs, d.h. durch Umkehrung der vertikalen bzw. horizontalen Summationen. Q -133-

21 Förderung zäher Flüssigkeiten: Anlage Rohrreibungswiderstände bei zähen Medien,, λ λ zähes Medium Wasser Ermittlung des Rohrreibungsbeiwertes für zähe Medien Quelle: KSB -134-

22 Pumpe Förderhöhe Leistung Wirkungsgrad werden bei Förderung zäher Medien verändert der Betrieb wandert,, η, Veränderung des Betriebspunktes bei Förderung zäher Flüssigkeiten (Index Z) bzw. Wasser (Index W) -135-

23 Rechenweg: geg.:,,η,ν, 1. Ermittle Optimum aus gegebenem Pumpenkennfeld,,η,, 2. Zeichne in Diagramm 3. Gehe zu senkrecht nach oben 4. Gehe horizontal zu ν 5. Gehe senkrecht nach oben zu 6. Gehe schräg/senkrecht zum f- Nomogramm 7. Lies bei richtiger Linie die Werte für,, ab Quelle: KSB - oben: Umzeichnung der Kennlinien von Wasser auf ein zähes Medium - rechts: Ermittlung der Korrekturfaktoren nach dem KSB-Verfahren für ein Beispiel mit: 200, 57,5, 2900,ν

24 Für die Umrechnung ganzer Kennlinien muss der Vorgang für mehrere Punkte der, η - Kennlinien wiederholt werden. Die Leistung kann aus errechnet werden η Die Nullförderhöhe ist bei allen Medien gleich

25 Druckstoßrechnung Entstehung: Beschleunigung / Verzögerung von Flüssigkeitsmasse in Rohrleitung Öffnen / Schließen von Armaturen Ein- / Ausschalten von Pumpen Größe: Δ Δ Δ maximal Voraussetzung: kurze Zeitspanne 2 Schallgeschwindigkeit ρ

26 Langsames Schließen Druck steigt entlang nach 2 sinkt Geschwindigkeit auf entsprechend Schließgesetz Schnittpunkt Druckstoßgerade mit Anlagenkennlinie Zu dieser Zeit: bei B trifft bei A reflektierte negative Druckwelle ein: jetzt Druckabnahme Reflexionen führen zu Sägezahnverlauf -139-

27 Δ Gerade mit Steigung : grafisch maximaler Druckstoß, wenn Flüssigkeitssäule von zur Ruhe kommt Reflexion nach 2, Strömung in Gegenrichtung, Förderhöhe kann nicht unterschritten werden -140-

28 Abschalten einer Pumpe Auslaufende Pumpe bietet Widerstand in der Anlage abnehmender Druck entlang Drehzahl aus ω und ρ η ω Druckanstieg bis Widerstandsparabel Druckabfall -141-

29 710 7: Teillast, langsamläufig kleine 10: Überlast, schnellläufig hohe Flache -Kurve: keine Druckstoßgefahr -142-

30 Abhilfen Schwungrad Windkessel Standrohr Nachsaugvorrichtung Belüftungsventil Entlastungsarmaturen gesteuerte Schließarmaturen Berstscheibe -143-