Schlagwort: Betriebspunkt

Regenwasserabfluss QR

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r5/2 Fünfminutenregen, der statistisch gesehen einmal in 2 Jahren erwartet werden muss r5/100 Fünfminutenregen, der statistisch gesehen einmal in 100 Jahren erwartet werden muss

In der DIN 1986-100 sind beispielhaft die Werte für etliche deutsche Städte aufgeführt. Die Werte differieren von r5/2 = 200 bis 250 l/(s ha) bzw. r5/100 = 800 l/(s ha) [1 ha =10.000 m²]. Angaben zu den Regenereignissen sind bei den örtlichen Behörden oder ersatzweise beim Deutschen Wetterdienst zu erfragen. Anhaltswerte sind in der DIN EN 1986-100 Anhang A angegeben. Liegen keine Werte vor, sollte von rT(n)=200 l/(s ha) ausgegangen werden. Leitungsanlagen und die zugehörigen Bauteile der Regenentwässerungsanlage sind aus wirtschaftlichen Gründen und zur Sicherstellung der Selbstreinigungsfähigkeit für ein mittleres Regenereignis zu bemessen. Der Berechnungsregen ist im Geltungsbereich der DIN 1986-100 ein idealisiert betrachtetes Regenereignis (Blockregen) mit einer konstanten Regenintensität über 5 Minuten. Die jeweils für den Bemessungsfall zu verwendende Jährlichkeit (Tn) wird durch die Aufgabenstellung festgelegt. Regenereignisse oberhalb des Berechnungsregens (r5/2) sind planmäßig zu erwarten.

Pumpenkennlinie

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Der Verlauf der Pumpenkennlinie ist gekrümmt und fällt im Diagramm von links nach rechts mit zunehmendem Förderstrom ab. Die Neigung der Kennlinie wird durch die Konstruktion der Pumpe und insbesondere auch durch die Bauform des Laufrades bestimmt. Das Charakteristische an der Pumpenkennlinie ist die gegenseitige Abhängigkeit des Förderstromes und der Förderhöhe. Jede Änderung der Förderhöhe hat stets auch eine Änderung des Förderstromes zur Folge. Großer Förderstrom -> geringe Förderhöhe Kleiner Förderstrom -> große Förderhöhe Obwohl ausschließlich das installierte Rohrleitungssystem auf Grund der Eigenwiderstände vorgibt, welcher Förderstrom bei gegebener Pumpenleistung gefördert wird, kann die betreffende Pumpe immer nur einen Betriebspunkt auf ihrer Kennlinie einnehmen. Dieser Betriebspunkt ist der Schnittpunkt der Pumpenkennlinie mit der jeweiligen Rohrnetzkennlinie. Neben der Q-H-Kennlinie sind bei Kreiselpumpen häufig folgende Kennlinien zu finden:
  • Leistung
    • Wellenleistung P2(Q)
    • Leistungsaufnahme P1(Q) (häufig bei Tauchmotorpumpen und Nassläuferpumpen)
  • Wirkungsgrad
    • Hydraulischer Wirkungsgrad ηhydr(Q)
    • Gesamtwirkungsgrad ηtot(Q) (häufig bei Tauchmotorpumpen und Nassläuferpumpen)
  • NPSH erforderlich NPSHreq(Q)
  • Drehzahl n(Q)
 

Berechnung der Anlagenkennlinie

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Die notwendige Förderhöhe einer Pumpe in einer unverzweigten Rohrleitung erhält man aus der BERNOULLI-Gleichung für eindimensionale, stationäre Strömungen inkompressibler Medien: pin, pout = Drücke beim Ansaugen bzw. Ablassen der Flüssigkeitsstände ρ = Flüssigkeitsdichte g = Fallbeschleunigung (9,81 m/s²) Hgeo = statischer Höhenunterschied zwischen den Flüssigkeitsniveaus der saug- und druckseitigen Behälter Hl,tot = Gesamtrohrreibungsverlust zwischen Ein- und Austritt vin, vout = mittlere Strömungsgeschwindigkeiten in saug- bzw. druckseitigen Behältern Die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten in den saug- bzw. druckseitigen Behältern sind nach dem Kontinuitätsgesetz meist unbedeutend klein und können vernachlässigt werden, wenn die Tankflächen im Vergleich zu denen der Rohrleitungen relativ groß sind. In diesem Fall wird die obige Formel vereinfacht, zu: Der statische Teil der Anlagenkennlinie, d.h. der Teil, der nicht von der Strömungsgeschwindigkeit und damit dem Förderstrom abhängt, lautet: Für geschlossene Systeme ergibt sich dieser Wert zu null. Die Gesamtverlusthöhe setzt sich aus den Verlusten aller Komponenten der Saug- und Druckleitung zusammen. Sie ist bei genügend großen REYNOLDS-Zahlen dem Quadrat des Volumenstromes proportional. g = Fallbeschleunigung (9,81 m/s²) Hl,tot = Gesamtreibungsverlust zwischen Ein- und Austritt vi = mittlere Strömungsgeschwindigkeiten durch die Rohrquerschnittsfläche i Ai = charakteristische Rohrquerschnittsfläche ζi = Reibungsverlustbeiwert für Rohre, Formstücke usw. Q = Förderstom k = Proportionalitätsfaktor Unter den genannten Voraussetzungen kann man nun die Parabel der Anlagenkennlinie angeben: Der Proportionalitätsfaktor k wird aus dem gewünschten Betriebspunkt bestimmt. Der Schnittpunkt der Anlagenkennlinie mit der pumpenspezifischen Drosselkurve (Pumpenkennlinie) stellt den tatsächlichen Betriebspunkt dar.

Anlagenkennlinie

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Die Anlagenkennlinie setzt sich aus einem statischen und einem dynamischen Anteil zusammen. HA = HA,0 + Hv(Q) Sie ist hauptsächlich durch die statische Höhendifferenz HGeo zwischen den Flüssigkeitsständen an Saug- und Drucktank sowie die Reibungsverluste Hv durch das gesamte Flüssigkeitsströmungssystem gekennzeichnet. Der statische Anteil HA,0 ist unabhängig von der Fließgeschwindigkeit (und somit vom Förderstrom). Er enthält den geodätischen Höhenunterschied sowie die Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckbehälter bzw. Ein- und Austrittspunkt des betrachteten Systems. Bei geschlossenen Kreisläufen (z.B. Heizungszirkulation) ist die statische Höhe immer Null. Der dynamische Anteil der Kennlinie beschreibt die Rohrleitungsverluste, die vom Förderstrom abhängen. Bei turbulenter Strömung von NEWTONschen Flüssigkeiten mit konstanten Verlustbeiwerten der Anlagenkomponenten ergibt sich die Kennlinie zu einer quadratischen Parabel. Wenn die statische Höhe und der Sollbetriebspunkt bekannt sind, kann man daraus die Anlagenkennlinien mit hinreichender Genauigkeit darstellen.

Pumpenauswahl

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Liegt der vorgegebene Betriebspunkt einer Heizungsanlage zwischen zwei Pumpenkennlinien, so wird empfohlen, die kleinere zu wählen. Die damit verbundene Reduzierung des Förderstromes hat im Heizungsanlagensystem keine nennenswerten Auswirkungen auf die effektive Heizleistung. Dagegen stehen die Vorteile wie reduziertes Geräuschverhalten, geringere Anschaffungskosten und verbesserte Wirtschaftlichkeit. In der Heizungstechnik ist eine Unterdimensionierung bezüglich des berechneten Volumenstromes von bis zu ca. 10% üblich. Zur Vermeidung von Kavitation (Dampfbildung innerhalb der Pumpe) muss im Pumpensaugstutzen stets ein ausreichender Überdruck (Zulaufhöhe) gegenüber dem Dampfdruck des Fördermittels herrschen. Für Nassläuferpumpen wird die Mindestzulaufhöhe als Maß für den erforderlichen Überdruck angegeben. Bei Trockenläufermotoren verwendet man im allgemeinen die NPSH Informationen.

Auslegungspunkt der Anlage (Soll-Betriebspunkt)

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Der Punkt setzt sich aus dem Volumenstrom Q und der Fördermenge H zusammen. Zur Berechnung des Auslegungspunktes wird zunächst der erforderliche Volumenstrom (Fördermenge der Pumpe) bestimmt. Dieser kann je nach Anwendung von verschiedenen Größen abhängen (z.B. Wärmebedarf bei Heizungssystemen, anfallende Abwassermenge usw.). Mit Hilfe des berechneten Volumenstroms werden dann die Reibungsverluste der Rohrleitung bestimmt, die dann zusammen mit der statischen Förderhöhe die Gesamtförderhöhe der Pumpe ergibt. Falls für die Anwendung eine Mindestfließgeschwindigkeit vorgeschrieben ist und diese für den berechneten Förderstrom nicht erreicht wird, wird der Bemessungsförderstrom angepasst, so dass die Mindestfließgeschwindigkeit erreicht wird. Die Pumpe läuft dann im Ausschaltbetrieb (diskontinuierlich). Der Auslegungspunkt der Anlage ist für die Pumpenauswahl der gewünschte Betriebspunkt (Soll-Betriebspunkt). Die Standardpumpen besteht zwischen dem gewünschten und dem wirklichen Betriebspunkt in der Regel eine Abweichung. Die zulässige Abweichung hängt vom Einsatzgebiet ab und wird teilweise durch geltende Normen geregelt. Bei drehzahlgeregelten Pumpen wird die Drehzahl der Pumpe so modifiziert, dass der Soll-Betriebspunkt exakt angefahren wird. Insbesondere bei Systemen, die in verschiedenen Lastzuständen betrieben werden (z.B. Heizungsanlage), ist dadurch ein effizienter Betrieb möglich. In Abhängigkeit von der Konstruktion der Pumpe stehen weitere Möglichkeiten zur Verfügung, um die Pumpenkennlinie an den Sollbetriebspunkt anzupassen. Neben der Drehzahländerung sind folgende Methoden weit verbreitet:
  • Laufradabdrehen
  • Schaufelwinkelverstellung bei Axialpumpen
  • Drosselung
  • Bypass

Gesamtförderhöhe

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Die Förderhöhe ist definiert als die effektive mechanische Kraft, die von der Pumpe auf das Fördermedium ausgeübt und als Gewichtseinheit bei der lokalen Gravitationskonstante ausgedrückt wird. Sie ist bei konstanter Drehzahl und konstantem Durchfluss unabhängig von der Dichte des Fluids, aber abhängig von dessen Viskosität.

Leistungsbedarf der Pumpe

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Der Leistungsbedarf oder die Leistungsaufnahme der Pumpe wird darum ebenfalls wie die hydraulische Förderleistung der Pumpe in einem Diagramm dargestellt.
  • Es zeigt sich die Abhängigkeit der Antriebsleistung der Pumpe vom Förderstrom.
  • Bei vielen Pumpentypen ist bei max. Förderstrom auch der max. Leistungsbedarf der Pumpe erreicht.
Für diesen Punkt wird der Antriebsmotor der Pumpe ausgelegt, wenn die Pumpe über den gesamten Kennlinienverlauf betrieben wird. Kleinere Pumpen (z.B. Heizungsumwälzpumpen) werden in der Regel mit Motoren bestückt, die den Betrieb über den gesamten Kennlinienverlauf zulassen. Dadurch wird die Typenzahl verringert, und infolge hiervon ist eine einfachere Lagerhaltung für Ersatzteile gewährleistet. Bei größeren Pumpen werden meist mehrere Motoroptionen angeboten, so dass entsprechend der Betriebsbedingungen der passende Antrieb gewählt werden kann. Liegt der errechnete Betriebspunkt für eine Pumpe z. B. im vorderen Bereich der Kennlinie, so kann der Antriebsmotor entsprechend dem zugehörigen Leistungsbedarf kleiner ausgewählt werden. In diesem Fall besteht jedoch die Gefahr einer Motorüberlastung, wenn der tatsächliche Betriebspunkt bei größerem Förderstrom liegt als errechnet (Rohrnetzkennlinie ist flacher). Da in der Praxis immer mit einer Verlagerung des Betriebspunktes zu rechnen ist, sollte der Antriebsmotor einer Trockenläuferpumpe ca. 5 — 20% größer ausgelegt werden als der Leistungsbedarf es erfordert. Für die Betriebskostenberechnung einer Pumpe muss grundsätzlich unterschieden werden zwischen dem mechanischem Leistungsbedarf der Pumpe P2 [kW] (Wellenleistung oder Kupplungsleistung) und der elektrischen Leistungsaufnahme des Antriebsmotors P1 [kW]. Letztere Angabe ist Grundlage der Betriebskostenberechnung. Falls nur der Leistungsbedarf P2 angegeben ist, kann dieser durch Division durch den Motorwirkungsgrad in die Leistungsaufnahme P1 überführt werden. Die elektrische Leistungsaufnahme P1 [kW] wird angegeben, wenn Pumpe und Antriebsmotor eine in sich gekapselte Einheit bilden wie bei den sog. Nassläuferpumpen. Hier ist es sogar üblich, auf dem Typenschild der Pumpen beide Werte P1 und P2 anzugeben. Für Aggregate, wo Pumpe und Motor über Kupplung oder starre Wellenverbindung gekoppelt sind, also bei den Trockenläuferpumpen, wird die erforderliche Wellenleistung P2 [kW] angegeben. Das ist bei diesen Pumpenbauformen schon deshalb erforderlich, da die unterschiedlichsten Motorausführungen – angefangen beim IEC-Normmotor bis zum Spezialmotor – mit ihren verschiedenen Leistungsaufnahmen und Wirkungsgraden an die Pumpe angebaut werden.

Haltedruckhöhe

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Allgemein erkennbar ist die starke Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl. Bei unveränderter Bauform entspricht: Hohe Drehzahl -> Hohe Haltedruckhöhe Niedrige Drehzahl -> Niedrige Haltedruckhöhe Um etwaige Unsicherheiten bei der Auslegung des Betriebspunktes zu berücksichtigen, sind diese Werte bei der Auswahl der Pumpe mit einem Sicherheitszuschlag von 0,5 m zu erhöhen. Für die Haltedruckhöhe HH ist per Definition messtechnisch festgelegt, dass bei der Haltedruckhöhe HH eine Mindestkavitation zulässig ist, die:
  • Die Förderhöhe der Pumpe im Nennpunkt um 3 % reduziert
  • Keine die Funktion und Lebensdauer beeinträchtigende Werkstoffzerstörungen auftreten lässt.
Durch die zulässige Kavitation können immer noch Kavitationsgeräusche auftreten, die zum Teil als störend empfunden werden. Zur Beseitigung der Restkavitation ist es erforderlich, die errechnete Mindestzulaufhöhe mit einem Zuschlag von rd. + 1 bis + 5 m zu versehen. Dieser Zuschlag ist abhängig von der Drehzahl und vom Betriebspunkt der Pumpe.