HTW Dresden V-SM1 Lehrgebiet Strömungsmaschinen Praktikum Kreiselpumpenprüfstand 1. Einführende Erläuterungen Kreiselpumpen sind Arbeitsmaschinen zur Förderung von Flüssigkeiten, die aber auch Gase und Feststoffe enthalten können. Sie führen dem Fördermedium nutzbare Geschwindigkeits- und Druckenergie zu. Die erste Kreiselpumpe baute der französische Physiker Denis Papin 1689. An zwei einfachen Gartenpumpen sollen das Betriebsverhalten von einzelnen Kreiselpumpen und das Betriebsverhalten zweier Pumpen bei Reihen- und Parallelschaltung ermittelt und anschaulich dargestellt werden. 1.1. Aufbau der Kreiselpumpe Die Pumpenaggregate bestehen aus einem Elektromotor von 900 bzw. 800W Maximalleistung und einer einstufigen Radialpumpe (Abströmrichtung ist radial), die direkt mit dem Elektromotor gekoppelt ist (Blockausführung). Der Aufbau der Pumpen ist aus Bild 1 sowie aus den Originalteilen einer zerlegten Pumpe ersichtlich. Kritisch zu beachten ist die Abdichtung der Pumpenwelle, welche Ursache für den Ausfall der zerlegten Pumpe war. Die Pumpen sind einfach gestaltet und werden als Massenprodukt gefertigt. Die Bestimmung des Wirkungsgrades erfolgt aufgrund der Blockausführung als Gesamtwirkungsgrad einschließlich Elektromotor. Druckstutzen Tachogenerator Motor Saugstutzen Manometer Induktiver Druckaufnehmer Bild 1: Anordnung einer Kreiselpumpe am Prüfstand Vom Hersteller werden folgende Leistungsdaten angegeben: Netzanschluss 230 V,~ 50 Hz; maximale Förderhöhe 42 bzw. 45m; Stromaufnahme 3,6 A; maximaler Förderstrom 2,5 bzw. Leistungsaufnahme 900 W bzw. 800W; 2,2 m³/h; Nenndrehzahl 2800 min -1 ; maximale Wassertemperatur 35 C; Ziel dieses Praktikums ist es, die Kennlinien der zwei Kreiselpumpen zu bestimmen. Die dimensionsbehafteten Kennlinien von Kreiselpumpen werden über zwei charakteristischen Größen aufgetragen. Dies sind der geförderte Volumenstrom und die Förderhöhe. Der Prüfstand ist so aufgebaut, dass es möglich ist den Volumenstrom direkt abzulesen und die Förderhöhe der Pumpe zu berechnen. Die Messungen am Prüfstand erfolgen computergestützt. 18
Ablauf: Entsprechend der zu untersuchenden Schaltung: 1. Datei öffnen (Desktop) 2. Ventile am Versuchsstand öffnen bzw. schließen nach Anleitung 3. Ventil 3 dient zum Verstellen des Volumenstroms. Zu Beginn Ventil 3 schließen, so dass die Volumenstromanzeige (Versuchsstand) Null anzeigt. 4. Leistungsmesser anschließen. 5. Die zu untersuchende Pumpe1, Pumpe2 oder beide am Versuchstand einschalten. Die Pumpen brauchen 30 Sekunden bis sich die Werte richtig eingestellt haben. Dann kann mit den Messungen begonnen werden. 6. Labview starten. Bild 1: 7. Die Elektrische Leistung am Versuchsstand(Leistungsmesser) ablesen und in das Eingabefeld eintragen. Bild2: Eingabefeld für die elektrische Leistung 8. Durch das Betätigen des Schalters Messen werden Daten berechnet und in einer Tabelle und Diagrammen aufgenommen. Bild3: Schalter Messen 9. Volumenstrom am Ventil 3 erhöhen. 10. Schritte 7. bis 9. mehrmals (mind. 10 Stellungen) wiederholen bis Ventil 3 ganz offen ist. 11. Nachdem alle Werte aufgenommen sind, Excel über die Schaltfläche Excel öffnen. Es öffnet sich eine Mappe mit der Tabelle, die in Labview aufgenommen worden ist. Die Excel-Mappe ist durch einen eigenen Namen abzuspeichern. 12. Programm in Labview durch die Schaltflächen Stopp beenden. Bild4: Stoppen durch Schalter auf Frontpanel Bild5: Stoppen durch Schalter in der Menüleiste Nächste Pumpenschaltung am Desktop aufrufen. 19
Schwebekörper- Ventil6 durchflußmesser Ventil3 p d2 p s2 Ventil2 Ventil5 Pumpe2 Anschluß für externe Erweiterung p d1 Ventil4 p s1 Ventil1 z 2 Pumpe1 z 1 p 0 Induktiver Durchflußmesser Prall- Platte Bild 2: Schaltung des Prüfstandes Pumpensumpf Ansaugsiebventil 1.2. Messtechnik Volumenstrom Zur Messung des Volumenstromes kommt ein induktiver Durchflussmesser der Firma TURBO-Werk Messtechnik GmbH vom Typ MG 711/H in Kunststoffausführung zum Einsatz. Ein Messumformer vom Typ PC2-A versorgt den Durchflussmesser mit der notwendigen Speisespannung. Das Prinzip der Messung beruht auf zwei in der Rohrströmung befindlichen Zylindern zwischen denen ein Magnetfeld aufgebaut wird. Durch dieses fließt das Wasser (elektrisch leitendes Fluid). Die vorhandenen Ionen der Flüssigkeit schneiden die Feldlinien und erzeugen eine Induktionsspannung, welche umgerechnet als Volumenstrom angezeigt wird. Drucksensoren Zur Bestimmung der Drücke werden induktive Druckaufnehmer der Firma VDO Industriemesstechnik GmbH eingesetzt. Bei induktiven Druckmessern wird durch den anliegenden Druck eine Membran gedehnt. Es resultiert ein Messhub, der einen Weicheisenkern im Innern einer Spule bewegt. Die sich dadurch verändernde Induktivität der Spule ist ein direktes Maß für den an der Membran anliegenden Druck. Es kommen insgesamt 5 Druckaufnehmer zum Einsatz, jeweils zwei Druckaufnehmer auf den Saug- und Druckseiten der beiden Pumpen sowie ein Aufnehmer in der gemeinsamen Rückflussleitung. Die Druckaufnehmer werden von digitalen Anzeigegeräten mit Spannung versorgt und geben ein Spannungssignal an diese zurück. Diese Geräte verarbeiten das Signal und zeigen den Druck an. Die Drehzahl Unter der Drehzahl einer Pumpe versteht man die Drehzahl der Pumpenwelle bzw. der Pumpenkupplung. Bei den eingesetzten Kreiselpumpenaggregaten ist der Elektromotor direkt mit der Pumpe verbunden, das heißt die Drehzahl der Pumpenwelle und des Elektromotors sind gleich. Kennlinien von Kreiselpumpen 20
müssen immer für eine bestimmte Drehzahl ermittelt werden. Die Drehzahl der Elektromotoren ist jedoch lastabhängig und ändert sich während der Messung. Es ist ohne Drehzahlregelung nicht möglich, die Drehzahl während des Betriebes konstant zu halten. Deshalb müssen zur Bestimmung der Pumpenkennlinien die Parameter auf die Nenndrehzahl umgerechnet werden. Die Nenndrehzahl n N beträgt 2800min -1. Die Drehzahlen der Pumpen werden über zwei Tachogeneratoren gemessen. Diese sind direkt an den Motorwellen angeflanscht. Die Tachogeneratoren liefern eine Wechselspannung, die sich proportional zur Drehzahl ändert. Die Drehzahl n errechnet sich über folgende Beziehung: n = U 1735 / 15 [n in min -1 ; U in V] 2. Einzelschaltung der Pumpe 1 bzw. Pumpe 2 Bei der Einzelschaltung der Pumpen werden jeweils 10 Messwerte erfasst. Druck auf Saug- und Druckseite der Pumpe, Drehzahl, Volumenstrom und Leistung. 2.1. Berechnung der Pumpenparameter Um die Eigenschaften von Pumpen zu verdeutlichen und darzustellen, werden im Allgemeinen die Förderhöhe, die Förderleistung und der Wirkungsgrad benötigt. Am Kreiselpumpenprüfstand werden die verschiedenen Volumenströme durch Drosselung am Ventil 3 in der druckseitigen Pumpenanlage eingestellt. Die folgenden Berechnungen und Formeln orientieren sich an der rechentechnisch gestützten Aufnahme und Auswertung der Messwerte. Die Formeln für die Rechenergebnisse werden als Zahlenwertgleichungen dargestellt, so dass nur noch die erfassten Messwerte eingesetzt werden müssen. Sämtliche Umrechnungen von Einheiten sind bereits berücksichtigt. Die Dichte für Wasser mit einer Temperatur von 20 C betrage 1000 kg/m³. 2.2. Die Förderhöhe einer Kreiselpumpe Die Förderhöhe einer Kreiselpumpe ist ein Maß für die auf die Förderflüssigkeit übertragene mechanische Arbeit. Sie kann als die Differenz der spezifischen Energie zwischen Saug- und Druckstutzen der Pumpe, dividiert durch die Erdbeschleunigung definiert werden. Bei der Berechnung der Nutzförderhöhe H n ist darauf zu achten, dass alle Anteile richtig erfasst werden. Bild 3: Kennlinie einer Kreiselpumpe (oben) und einer Rohrleitung (unten) mit dem Arbeitspunkt 21
Das sind: - H p, berechnet aus der Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckstutzen, - Höhendifferenz z, zwischen den Druckmessstellen Saug- und Druckstutzen (wird in der Berechnung nicht berücksichtigt) - Geschwindigkeitshöhe H q, berechnet aus der Differenz der Geschwindigkeiten im saug- bzw. druckseitigen Messquerschnitt. Für die Nutzförderhöhe gilt: 2 2 pd ps cd cs Hn Hp Hq z z g 2 g D Druckstutzen S Saugstutzen (1) 2.3. Die Leistung Die theoretische Förderleistung P ist die von der Pumpe auf den Förderstrom Q (Volumenstrom übertragene nutzbare Leistung. Sie wird aus den auf die Nenndrehzahl umgerechneten Werten des Förderstromes und der Förderhöhe berechnet P Kus = * g* *H n (2) 2.4. Der Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis aus isentroper Förderleistung und Leistungsaufnahme des gesamten Aggregats. PKus = (3) P Elktr. 3. Parallelschaltung der Pumpen 1 und 2 Sollen die Pumpen 1 und 2 parallel betrieben werden, müssen die Ventile 1, 2, 3, 4 und 6 geöffnet werden, das Ventil 5 muss geschlossen sein. Beide Pumpen fördern dann in eine Druckleitung. Der Förderstrom der beiden Pumpen addiert sich, während die Druckerhöhung und damit die Änderung der Förderhöhe H, im Vergleich zur Einzelschaltung, gleich bleiben. Da beide Pumpen stabile Drosselkurven und annähernd gleiche Nullförderhöhen besitzen, ist ein Parallelbetrieb problemlos möglich. Zur Ermittlung der Kennlinien für die Parallelschaltung werden die beiden Drücke auf den Saugseiten der Pumpen, der Gesamtdruck, beide Drehzahlen, die Gesamtleistungsaufnahme sowie der Gesamtvolumenstrom aufgenommen. Da der Volumenstrom und die Leistung nur für beide Pumpen zusammen aufgenommen werden können, werden bei der Berechnung der Parameter zur Ermittlung der Kennlinien beide Pumpen als ein Aggregat betrachtet. Aus diesem Grund werden aus den beiden Drücken auf der Saugseite, den beiden Drehzahlen sowie den Höhenunterschieden zwischen Gesamtdruckaufnehmer und den Druckaufnehmern auf beiden Saugseiten, Mittelwerte gebildet. 22
4. Reihenschaltung der Pumpen 1 und 2 Bei der Reihenschaltung beider Pumpen müssen Ventil 1, 3, 5 und 6 geöffnet sowie Ventil 2 und 4 geschlossen sein. Die Pumpe 1 saugt aus einer gemeinsamen Leitung an und bringt den Förderstrom zur Saugseite der Pumpe 2, an der somit ein Überdruck anliegt. Der Gesamtdruck, und damit die Förderhöhe, werden im Verhältnis zur Einzelschaltung bei gleichem Förderstrom etwa verdoppelt, während die Volumenströme etwa denen der Einzelschaltung entsprechen. Zur Ermittlung der Kennlinien für die Reihenschaltung werden jeweils die Drücke auf der Ein- und Austrittsseite beider Pumpen, die Drehzahlen beider Pumpen, die Gesamtleistungsaufnahme und der gesamte Volumenstrom aufgenommen. Beide Pumpen werden wiederum als ein Aggregat betrachtet. 5. Aufgabenstellung 1. Zeichnen sie die aufgenommenen Kennlinien in ein Exceldiagramm (Förderhöhe- Volumenstrom (H-Q), Wirkungsgrad- Volumenstrom ( -Q) und isentrope Förderleistung- Volumenstrom P Kus -Q). Erläutern und diskutieren Sie die Diagramme. 2. Wie kann man mit diesen Daten die Auswahl einer Pumpe für eine Aufgabenstellung vornehmen? 3. Welche Angaben einer Kreiselpumpe muss man unbedingt kennen, um sie für eine Aufgabe einzusetzen? 4. Was ist Kavitation und wann spricht man von Kavitation an Kreiselpumpen? 5. Welche Medien werden mit Laufrädern gefördert die nur eine Schaufel besitzen? 6. Wie werden große Förderhöhen mit Kreiselpumpen erreicht? 23