Untersuchung fluiddynamischer Effekte in Rohrleitungssystemen

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1 Untersuchung fluiddynamischer Effekte in Rohrleitungssystemen Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik, Erlangen Dipl.-Ing. A. Ismaier Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker

2 Inhalt des Vortrages Versuchsanlage am ipat Druckpulsation von Kreiselpumpen Der Joukowsky-Stoß und seine Grenzen Film mit einer Hochgeschwindigkeitskamera Wechselwirkung zwischen Druckstoß und Kreiselpumpe Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Versuchsanlage am ipat Schnellschlussventil Variables Rohrleitungssystem 75 Meter Gesamtlänge (DN 100, PN 64) Einstufige Kreiselpumpe (150 m³/h, 33,3 m) Hochdynamische Messtechnik: Druck ( : 25 Messstellen) Beschleunigung Kraft Messfrequenz min Hz 3

4 Warum hochdynamische Messtechnik? Druckverlauf im Ventil bei Schnellschluss Messung mit 1000 Hz Abtastfrequenz Messung mit Hz Abtastfrequenz 4

5 Versuchsanlage am ipat 5

6 Druckpulsation von Kreiselpumpen 6

7 Pulsation ist vom Betriebspunkt abhängig Einstellung des Volumenstroms durch Drossel 1,8 1,6 1,4 Pulsation wird im Teillastbetrieb maximal Pulsation [bar] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Volumenstrom [m³/h] 20 Hz Pumpendrehzahl 50 Hz Pumpendrehzahl 55 Hz Pumpendrehzahl 7

8 Entstehung von Druckstößen Grundsätzlich führt jede schnelle Änderung des stationären Betriebszustandes zu Druckstößen: Regel- und Stellvorgänge An- und Abfahrprozesse Schnellschluss von Ventilen Ausfall von Pumpen Strömungsabriss Schließen von Rückschlagklappen Normaler Betrieb von Pumpen Massenstrompulsation bei Verdrängerpumpen Druckpulsation bei Kreiselpumpen 9

9 Detaillierte Vorgänge im Schnellschlussventil Aufnahme mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ( fps): 10

10 Detaillierte Vorgänge im Schnellschlussventil Aufnahme mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ( fps): 11

11 Detaillierte Vorgänge im Schnellschlussventil Aufnahme mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ( fps): 12

12 Detaillierte Vorgänge im Schnellschlussventil Aufnahme mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ( fps): 13

13 Detaillierte Vorgänge im Schnellschlussventil Aufnahme mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ( fps): 14

14 Detaillierte Vorgänge im Schnellschlussventil Aufnahme mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ( fps): 15

15 Detaillierte Vorgänge im Schnellschlussventil Aufnahme mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ( fps): 16

16 Der Joukowsky-Stoß Joukowsky-Stoß: Harmlose Druckerhöhung oder gefährlicher Druckstoß? Abhängig vom System! Niederdrucksysteme bzw. große Nennweiten sind meist stärker gefährdet. 17

17 Joukowsky-Stoß = worst case? Der Joukowsky-Stoß kann unter bestimmten Bedingungen deutlich überschritten werden: Reibung ( line-packing ) Überlagerung von Druckwellen (Reflektionen, andere Schwingungserreger im System Pumpen) Kondensationsschläge bzw. Kavitationsrückbildung Messstelle stromaufwärts des Schnellschlussventils Joukowsky-Stoß 18

18 Joukowsky-Stoß = worst case? Lokale, extrem kurze Druckstöße (< 1 ms) Besonders gefährdet ist Messtechnik 19

19 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 1,5 0,0 Wechselwirkung zwischen Pumpe und Ventil 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Strömungsgeschwindigkeit [m/s] Joukowsky Pumpendrehzahl: 10 Hz 20 Hz 30 Hz 40 Hz 50 Hz 20

20 Wechselwirkung Wechselwirkung zwischen Kreiselpumpe und frei beweglicher Rückschlagklappe Kreiselpumpe ausgeschaltet 21

21 Dämpfende Wirkung der Kreiselpumpe 30 Hz Pumpendrehzahl Jeweils 1,0 m/s Strömungsgeschw. Unterschiedliche Pumpendrehzahl (Bei 40 Hz größere Pulsationsamplitude als bei 30 Hz) 40 Hz Pumpendrehzahl Druckpulsation der Kreiselpumpe kann Druckstöße dämpfen! 22

22 Simulation (40 Hz Pumpendrehzahl) Kreiselpumpe ohne Pulsation Schwarz: Simulation Rot: Messung Simulation mit 1-D Programm Kreiselpumpe mit Pulsation Kreiselpumpenpulsation wird mit einer Sinusfunktion beschrieben 23

23 Druckwellenreflexion Idealisierte Extremfälle vollständiger Reflexion: Negative Reflektion an offenem Rohrende Beispiel: Offener Behälter Positive Reflektion an geschlossenem Rohrende Beispiel: geschlossenes Ventil Wie interagiert ein Druckstoß mit einer Kreiselpumpe? 24

24 Druckstoß und Kreiselpumpe Kreiselpumpe offenes oder geschlossenes Ende? Durch Ventilschnellschluss ausgelöster Druckstoß erreicht Kreiselpumpe Druckwelle läuft durch offenes Rohrstück Allerdings Abschwächung der Druckstoßamplitude Kreiselpumpe = Druckverlustbeiwert für Druckstöße 25

25 Zusammenfassung und Ausblick Auch Kreiselpumpen können ein System anregen Numerik: Kreiselpumpe sollte nicht als konstante Druckrandbedingung modelliert werden Joukowsky-Formel gut für erste Abschätzung, p Jouk kann jedoch deutlich übertroffen werden Kreiselpumpe ist hydraulisch offen für Druckstöße Weitere Untersuchungen werden folgen: Einfluss von Blenden, Rohr- Bögen, dynamischer Reibung 26

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