Institut für hydraulische Strömungsmaschinen, Prof. Jaberg Innovative Technologien zur Steigerung der Betriebssicherheit von Membranpumpen Praktikerkonferenz 16.-18. April 2007 Matthias Sauter, LEWA GmbH Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 1
Übersicht LEWA GmbH Funktionsweise von Kolbenmembranpumpen Besonderheiten bei der Rohrleitungsauslegung Anwendungsbeispiel Zusammenfassung Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 2
LEWA Ihr kompetenter Partner weltweit Dosierpumpen Prozess-Membranpumpen Dosiersysteme Kundenspezifische Anlagen Serviceleistungen / After Sales Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 3
LEWA vom Familienunternehmen zur internationalen Gruppe Hauptsitz und Produktionsstandort in Leonberg Gründung 1952 durch Herbert Ott, in Familienbesitz bis September 2005 seit Oktober 2005 mit neuen Eigentümern (Deutsche Beteiligungs AG, Quadriga Capital) 15 internationale Vertriebsgesellschaften (zum Teil mit Montagetätigkeit) in über 50 Ländern weltweit vertreten Mitarbeiterzahl: 600 400 im Inland 200 im Ausland Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 4
LEWA Branchen Branchenübergreifende Pumpenexpertise Pharma & Kosmetik Lebensmittel & Getränke Kunststoffe 11% 6% 3% 39% Öl & Gas Chemie & Petrochemie 41% Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 5
LEWA Produkte in der Übersicht Dosier- pumpen Anlagen- technik Prozess- Membranpumpen Handels- produkte Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 6
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Dosier-Membranpumpen Triebwerk: Erzeugung einer oszillierenden Hubbewegung Pumpenkopf: Fluid dosieren bzw. fördern Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 8
Drucksteife Kennlinie Rotierende Verdrängerpumpe Oszillierende Verdrängerpumpe Kreiselpumpe Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 9
Pulsierender Förderstrom Förderstrom Q Vh Vh Vh Zeit t Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 10
Funktionsweise Schritt für Schritt Erster Schritt: Ausgangspunkt ist die Kolbenpumpe Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 11
Funktionsweise Schritt für Schritt Zweiter Schritt: Einbau einer Membran Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 12
Funktionsweise Schritt für Schritt Dritter Schritt: Membranführung und -abstützung, Leckergänzungsventil Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 13
Funktionsweise Schritt für Schritt Vierter Schritt: Druckbegrenzungsventil Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 14
Funktionsweise Schritt für Schritt Fünfter Schritt: Einbau einer Feder Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 15
LEWA ecoflow M900 mit DPS Diaphragm Protection System = Membransteuerung + Membranüberwachung DPS ist patentiert. Die Einspanntechnologie basiert auf den Erfahrungen mit den PTFE Hochdruckpumpenköpfen Die Membranen wurde in über 700.000 Versuchsstunden erfolgreich erprobt Die Membranfedern wurden für einen Betrieb von über 40.000h erfolgreich erprobt movie Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 16
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Rohrleitungssystem schematisch Installation einer Dosierpumpe 1 Saugbehälter 2 Ansaugkorb 3 Absperrventile 4 Schmutzfänger 5 Pulsationsdämpfer 6 Manometer 7 Dosierpumpe 8 Sicherheitsventil 9 Druckbehälter 1 9 6 5 8 6 5 7 3 2 4 3 3 Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 18
Förderstrompulsation Vergleich verschiedener Förderstrompulsationen V(t) Einzylinderpumpe ηv=0,95 Triplexpumpe ηv=0,95 V(t) Rotierende Verdrängerpumpe V(t) Kreiselpumpe V(t) Zeit Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 19
Triebwerkskinematik Triebwerkskinematik Kolbenweg Geschwindigkeit Beschleunigung Kolbenweg Kolbenweg Kolbenbeschleunigung Kolbengeschwindigkeit Geschwindigkeit Beschleunigung Ku r b e lw in k e l Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 20
Kinematik der Flüssigkeit in der Rohrleitung Fluidkinematik Saugseite Fördergrad = 100 % Fluid Beschleunigung Fluid Geschwindigkeit Fluid Weg Fluidweg Geschwindigkeit Beschleunigung Ku r b e lw in k e l Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 21
Druckpulsation Überlagerung von Reibungsdruckverlust und Massendruckschwankungen Pm Pr Pm + Pr Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 22
Kinematik der Flüssigkeit in der Rohrleitung Fluidkinematik druckseitig Fördergrad = 100 % Fluid Beschleunigung Fluid Geschwindigkeit Fluid Weg Fluidweg Geschwindigkeit Beschleunigung Ku r b e lw in k e l Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 23
Druckpulsation Überlagerung von Reibungsdruckverlust und Massendruckschwankungen Pm + Pr Pr Pm Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 24
Einflüsse auf die Pulsation Druckpulsation in Abhängigkeit von Nennweite und Leitunsgslänge Pm Pm Pr Pr Pm + Pr Pm + Pr kleine Nennweite - lange Leitung große Nennweite - kurze Leitung Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 25
Bewertung der Installation Betriebskriterien Überlastung max. zul. Druck Gegendruck Überförderung Pumpe Saugdruck Kavitation Dampfdruck Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 26
Resonanzzustände Pumpe und Rohrleitung als schwingfähiges System Anlage υ = ζ w a m d D A Rohrleitung sp( t) sp sinωt x L Pumpe Kontinuum ( ρ, Ck ) X=0 X=L Drosselcharakteristik Oscillator aufgeprägte Erregerschwingung Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 27
Resonanzzustände Theorie und Messung 100 100 ϕ ϕ ϕ E1 E 2 E 3 p Druckkennwert ψ = ρ a ω s p 10 1 10 1 υ = 0 Messung Theorie 0.10,1 0.1 0,1 1 10 Kennwert ϕ ω = L a 1 π 2 3π 5π 2 2 10 Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 28
Stehende Wellen im Resonanzzustand Ω ϕe = L a 3π 5π 2 2π 3π 2 π π 2 ϑ = 0 n=3 n=2 n=1 ϑ >>1 n=3 n=2 n=1 Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 29
Eintrittsverlust und NPSH Eintrittsdruckverlust und NPSH NPSH = Net Positive Suction Head [NPSH] = m Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 30
Eintrittsverlust und NPSH Eintrittsdruckverlust und NPSH: NPSH R = i ρ p g p i : Eintrittsdruckverlust in Pascal (= N/m² = bar * 10^5 ) ρ : Dichte der Dosierflüssigkeit in kg/m³ (= g/ml * 1000) g : Erdbeschleunigung 9.81 m/s² Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 31
NPSHA und NPSHR NPSH NPSHR R = required NPSHA A = available NPSHA > NPSHR Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 32
Eintrittsverlust und NPSH Eintrittsdruckverlust und NPSH der grössere der beiden Drücke: p SFmin p + p i D oder: p SFmin p i + p H + 0.4 bar a ist entscheidend für die Auslegung Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 33
Eintrittsverlust und NPSH Eintrittsdruckverlust und NPSH Pumpenköpfe mit LEWA DPS: p SFmin p i + p D Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 34
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Anwendungsbeispiel: Fördern von Gelatinelösung Anforderungen Keimfreie Förderung von Gelatinelösung Betriebsdruck: max. 50bar Volumenstrom: 1217 l/h für den Produktionsprozess, 2434l/h für den Reinigungsprozess Viskosität: 1500mPas Prozesstemperatur: 50 C CIP/SIP/DIP-fähige Reinigung mit Heißwasser/Dampf von 140 C Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 36
Fördern von Gelatinelösung mit LEWA ecoflow M900 mit DPS Zulaufhöhe ist ausreichend : NPSH A > NPSH R entspricht NPSH A entspricht NPSH R p SFmin = 0.60 bar(abs) p E = 0.6 bar p Tfl 0 bar(abs)
Fördern von Gelatinelösung konventioneller Membranpumpenkopf Zulaufhöhe nicht ausreichend: entspricht NPSH R NPSH A < NPSH R p SFmin = 1.22 bar(abs) entspricht NPSH A p E = 0.6 bar p H = 0.22 bar p krit. Hydraulik 0.4 bar p Tfl 0 bar
Investitionskosteneinsparung 30% - 40% Investitionskosteneinsparung durch LEWA ecoflow Investitionskosten Kosten für die Vordruckpumpe Membranpumpe Konventionelle Technik LEWA ecoflow M900 Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 39
Zusammenfassung Grundvoraussetzung für einen sicheren Betrieb ist eine sichere Basistechnologie Die Auslegung der Rohrleitungen für oszillierende Verdrängerpumpen, erfordert besondere Kenntnisse und Rechenverfahren Rohrleitungsinstallation und Betriebsweise der Pumpe müssen sauber auf einander abgestimmt sein Mit DPS wurde eine Pumpenkopftechnologie entwickelt, die einerseits einen entscheidenden Sicherheitsvorsprung bietet DPS erlaubt aber auch wirtschaftlichere Rohrleitungsauslegungen wegen des unübertroffenen Saugverhaltens Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 40
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Praktiker-Konferenz 2007 Seite / Page 41