Grundlagen der Hydraulik. Schulung am

Transkript

1 Schulung am Dipl.- Ing. Christoph Brandt Folie Nr. 1 von 30

2 Bedeutung des Themas Hydraulik Energieeffizienz - das zentrale Thema des 21. Jahrhunderts Stromverbrauch in der EU Stromverbrauch in der Industrie Sonstiges 2% Andere 32% Straßenverkehr 24% INDUSTRIE 42% PUMPEN 30% Landwirtschaft 2% Wohnung 30% Druckluft, Kälte Kompressoren 24% Ventilatoren 14% Stromverbrauch Bildnachweis: KSB Die Industrie verbraucht mit Abstand am meisten elektrische Energie. Innerhalb der Industrie sind die Pumpen die größten Energieverbraucher. Folie Nr. 2 von 30

3 Bedeutung des Themas Hydraulik Bildnachweis: Imtech Folie Nr. 3 von 30

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 /( kgk ) m / s m ³ / h. m. V A Wasser 20 C; J/(kg x K); Ethylenglykol 40/60%; 20 C; J/(kg x K)... V m 4 m v 2 A A d i.. m V Av v Rohrquerschnitt Dichte A m ² kg/ m³ A d i 4. m. V 2 bzw m V Folie Nr. 4 von 30

5 Grundlagen zur Hydraulik - Energietransport Spez. Wärmekapazität von Wasser- / Ethylenglykolgemischen: Bildnachweis: Tyfo Folie Nr. 5 von 30

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 2 2 R Rohrreibungszahl (laminare Strömung) Reynolds-Zahl Re laminar turbulent kinematische Viskosität R e - - m / R 64 R e e (laminare Strömung bei Rohrströmung praktisch nicht relevant) v d 6 ² s Tabellenwert, z.b. Wasser 20 C :1, i Rohrreibungszahl (turbulente Strömung) Rohrreibung (vereinfachte Ermittlung) pr - f ( R, d / k div. Berechungsansätze, besser: Colebrook-Diagramm Pa Rl pr e ) Folie Nr. 6 von 30

7 Grundlagen zur Hydraulik Rohrnetz Moody-Colebrook-Diagramm Moody-Diagramm: Reibungsbeiwerte für Rohrleitungsströmungen als Funktion der Reynoldszahl Re und relativen Rauheit k s /D Folie Nr. 7 von 30

8 Grundlagen zur Hydraulik Rohrnetz Nahtloses Stahlrohr nach DIN 2448 (k = 0,045 mm, t = 60 C) Rohrreibungstabelle (Beispiel) Folie Nr. 8 von 30

9 Grundlagen zur Hydraulik Rohrnetz Nahtloses Stahlrohr nach DIN 2448 (k = 0,045 mm, t = 60 C) Rohrreibungstabelle (Beispiel) Folie Nr. 9 von 30

10 Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz Größe: Formeln zur Rohrnetzberechnung Druckverlust durch Einzelwiderstände Formelzeichen Z Einheit Pa Berechnungsformel Z 2 v 2 Einzelwiderstände - Addition aller Einzelwiderstände je TS Druckverlust gesamt pges Pa pges pr Z Druckverlust über kvs-wert (Ventile) pv kpa bei bekanntem kvs-wert pv Q [ m ³ / h kvs ] Druckverlust aus geodätischer Höhe pgeo m pgeo h geo g (bei geschlossenen Systemen nicht relevant) Folie Nr. 10 von 30

11 Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz Druckverluste durch Einzelwiderstände Folie Nr. 11 von 30

12 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...] = Förderhöhe in H m Folie Nr. 12 von 30

13 Grundlagen zur Hydraulik Pumpen Wirkungsgrad Wirkungsgrad η = P ab P zu Folie Nr. 13 von 30

14 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 % Folie Nr. 14 von 30

15 Grundlagen zur Hydraulik Parallelschaltung Q 2 parallel Q einzel Bildnachweis: KSB Folie Nr. 15 von 30

16 Grundlagen zur Hydraulik Energetische Optimierung Für die Anlagenkennlinie gilt: Förderstrom Q 2 Q 1 80% Drehzahl heißt 80% Förderstrom, 50% Drehzahl heißt 50% Förderstrom. Förderhöhe H n 2 n 1 2 n 2 Q H n 1 Q 1 2 Affinitätsgesetze aus der Ähnlichkeitsmechanik: Lineare Zunahme/Abnahme des Förderstroms bei linear ansteigender/fallender Drehzahl Quadratische Zunahme/Abnahme der Förderhöhe bei linear ansteigender/fallender Drehzahl 64% Förderhöhe, 25% Förderhöhe. Leistungsaufnahme P 3 n 2 Q P n 1 Q 1 und nur 51 % Leistungsaufnahme, bzw. 12,5% Leistungsaufnahme. 3 Kubische Zunahme/Abnahme der Leistungsaufnahme bei linear ansteigender/fallender Drehzahl Nutzung der Einsparpotentiale setzt variable Fördermengen voraus! Folie Nr. 16 von 30

17 Förderhöhe H m Grundlagen zur Hydraulik Energetische Optimierung 2 H ~ c ; c Q A ; A d 2 4 H ~ d 4 50 DN 50 DN 65 = ¼ H V Förderstrom Q m 3 /h Folie Nr. 17 von 30

18 Grundlagen zur Hydraulik Kostenoptimierung Dimensionierung von Rohrleitungen: üblich: Richtwerte der Fließgeschwindigkeit als Ausgangsgröße zur Festlegung von D besser: Kostenoptimierung von Investitions- und Energiekosten - Investitionskosten für Rohre gemäß C i,rohr = k D 2 - Energiekosten (C e ) über Verlustbeiwerte der Einzelkomponenten LCC Ce ~ Q( t) HV( t) Preis der Rohrleitung (ggf. inkl. Isolierung) Energieaufwand D 2 opt D 2 Bildnachweis: KSB Folie Nr. 18 von 30

19 Grundlagen zur Hydraulik Standardschaltungen Umlenkschaltung Energieeinsparung Folie Nr. 19 von 30

20 Grundlagen zur Hydraulik Standardschaltungen Drosselschaltung H [%] 160 Pumpenkennlinie Anlagenkennlinie (Teillast) 140 B 2 Eindrosseln Anlagenkennlinie (Volllast) Förderhöhenüberschuss B Förderhöhenbedarf Q [%] P W [%] Leistungseinsparung P W2 P W Energieeinsparung Q [%] Bildnachweis: KSB Folie Nr. 20 von 30

21 Grundlagen zur Hydraulik Drehzahlregelung Konstantdruckregelung Bildnachweis: Grundfos Leistungsanpassung P 1 : 5.0 kw bis 15 kw Folie Nr. 21 von 30

22 Grundlagen zur Hydraulik Drehzahlregelung Konstantkennlinie Konstantdruckregelung Proportionaldruckregelung Energieeinsparung Folie Nr. 22 von 30

23 Grundlagen zur Hydraulik Standardschaltungen Beimischschaltung Merkmale: konstanter Volumenstrom sekundär keine Rücklaufanhebung variabler Primärwasserstrom kein Vordruck erforderlich (druckloser Verteiler) Folie Nr. 23 von 30

24 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) Folie Nr. 24 von 30

25 Grundlagen zur Hydraulik Standardschaltungen Ablaufschaltung oder Einspritzschaltung mit 2-Wege-Ventil Merkmale: variable Wassermenge primärseitig geeignet für variable und konstante Wassermenge sekundärseitig unterschiedliche Temperaturen primärund sekundärseitig möglich Hauptpumpe erforderlich (druckbehafteter Verteiler) Folie Nr. 25 von 30

26 Grundlagen zur Hydraulik Abgleich Druckverlauf Zweirohranlage Bildnachweis: Recknagel Druckverlauf bei der Tichelmannschen Rohrverlegung Folie Nr. 26 von 30

27 Grundlagen zur Hydraulik Abgleich Statischer Strangabgleich Voreinstellbares Thermostatventil Strangregulierventil kv. m dp Bildnachweis: Danfoss Bildnachweis: Oventrop statischer Abgleich für Auslegungsfall, im Teillastbetrieb wirkungslos max. Druckdifferenz beachten (Geräusche) kaum zusätzlicher Druckverlust Folie Nr. 27 von 30

28 Druckverlust Dp [mbar] Grundlagen zur Hydraulik Abgleich H H ( Q N Q N 2 ) Statischer Abgleich im Teillastbetrieb 2 0, Volumenstrom Q [l/h] Folie Nr. 28 von 30

29 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)! Folie Nr. 29 von 30

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Folie Nr. 30 von 30