Schlagwort: Vermeidung von Kavitation

Saugbetrieb bei normalsaugenden Kreiselpumpen

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Das bedeutet, der örtliche Luftdruck pb ist höher als das Produkt aus Haltedruckhöhe HH und Dampfdruck und macht einen Zulaufdruck bei diesen Temperaturen überflüssig. Dieser Zusammenhang ist ursächlich auf die drastische Abnahme des Dampfdruckes bei kaltem Wasser zurückzuführen. Für die Praxis bedeutet das:Pumpen mit negativer Mindest-Zulaufhöhe Herf sind in der Lage, im Saugbetrieb (nicht selbstansaugend) zu arbeiten.Die Größe des Saugvermögens entspricht in etwa dem Wert der negativen Mindest-Zulaufhöhe abzüglich 1m Sicherheitsbereich.Da die üblicherweise in der Gebäudetechnik eingesetzten Pumpen in der Regel nicht selbst ansaugen, sind folgende Bedingungen zur Gewährleistung eines Saugbetriebes zu erfüllen:
  • Befüllung und Entlüftung der saugseitigen Rohrleitung einschließlich Pumpe vor Inbetriebnahme.
  • Verhinderung von Luftansaugung während des Pumpenbetriebes (bei Lufteinschlüssen Zusammenbruch der Saugfunktion).
  • Verhinderung des Leerlaufens der Saugleitung bei Stillstand der Pumpe durch Einsatz eines Fußventils (Gefahr von Undichtigkeit bei Verschmutzung).
Rückschlagklappen in der Druckleitung sind nicht ausreichend, da bei Pumpenstillstand Luft über die Wellenabdichtung (Gleitringdichtung bzw. Stopfbuchse) angesaugt werden kann.Allgemein ist die Saugfähigkeit von normal saugenden Pumpen auf Grund der Konstruktion auf einen Bereich max. 2 bis 4 m beschränkt. Für größere Saughöhen max. 8 bis 9 m und zur Selbstansaugung sind Spezialpumpen zu verwenden.

NPSH – Wert der Anlage

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NPSHavailable = NPSH Wert der Anlage pe = Druck im Eintrittsquerschnitt der Anlage pb = Luftdruck pD = Dampfdruck des Fördermediums vor dem Eintrittsquerschnitt der Pumpe ρ = Dichte des Fördermediums vor dem Eintrittsquerschnitt der Pumpe g = Örtliche Fallbeschleunigung ze = geodätische Höhendifferenz zwischen Eintrittsquerschnitt der Anlage und Bezugsniveau; das negative Vorzeichen gilt, wenn das Bezugniveau oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt Hv = Verlusthöhe, resultierend aus den Druckverlust der saugseitigen AnlageDer Bezugspunkt für den NPSH-Wert ist der Mittelpunkt des Laufrades, d.h. der Schnittpunkt der Pumpenwellenachse mit der zur ihr senkrechten Ebene durch die äußeren Punkte der Schaufeleintrittskante.Der Betriebspunkt einer Kreiselpumpe kann nur dann ein Dauerbetriebspunkt sein, wenn in diesem Punkt gilt:NPSHAnlage > NPSHPumpe + Sicherheitszuschlag

Ansaughöhe bei nicht selbstansaugenden Kreiselpumpen

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Das bedeutet, dass der lokale Luftdruck pb höher ist als die Summe aus positiver Netto-Saughöhe HH und Dampfdruck pv; der Eingangsdruck wird somit nicht mehr benötigt. Diese Wechselbeziehung basiert auf der drastischen Reduzierung des Dampfdrucks von Kaltwasser. In der Praxis bedeutet das:Pumpen, die mit einem negativen Mindesteingangsdruck Herf arbeiten, sind in der Lage, einen Saughub zu erzeugen (nicht selbstansaugend).Die Saugleistung ist ungefähr gleich dem Niveau des negativen minimalen Eingangsdrucks abzüglich 1m Sicherheitsfaktor.Da Pumpen, die in der Regel in Verbindung mit der Haustechnik eingesetzt werden, keine selbstansaugenden Eigenschaften aufweisen, müssen die folgenden Bedingungen für den Betrieb des Saughubs erfüllt sein:
  • Be- und Entlüftung der saugseitigen Verrohrung einschließlich der Pumpe vor der Inbetriebnahme.
  • Vermeidung von Lufteinschlüssen während des Pumpenbetriebs (Belüftung führt zum Ausfall der Saugfähigkeit).
  • Vermeidung der Entwässerung von saugseitigen Rohrleitungen am Pumpenstand durch Bereitstellung und Installation eines Fußventils. (Leckgefahr durch Schmutzpartikel)
Die Abhängigkeit von Rückschlagventilen in der Druckleitung ist nicht ausreichend, da die Luft über die Wellendichtung (Gleitringdichtung oder Stopfbuchsendichtung) am Pumpenstand mitgerissen werden kann.Die Saugfähigkeit von nicht selbstansaugenden Pumpen ist aufgrund ihrer Konstruktionsmerkmale im Allgemeinen auf den Bereich von max. 2 bis 4 m. Höhere Saughöhen (max. 8 bis 9 m) und selbstansaugender Betrieb erfordern den Einsatz von Spezialpumpen.

Selbstansaugende Kreiselpumpen

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Ohne zusätzlich externe Ansaugvorrichtungen wird die Pumpensaugleitung entlüftet.Kreiselpumpen ohne externe oder interne Ansaugvorrichtung können selbstsaugend seien, wenn die Pumpe vor dem eigentlichen Fördervorgang mit Wasser gefüllt ist. Bei diesen Pumpentypen verbleibt durch die Rückschlagklappe die Flüssigkeit nach dem Abschalten der Pumpe im Gehäuse.Die für die Selbstansaugung notwendige Konstruktion beeinträchtigt den Pumpenwirkungsgrad.

Kavitation

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Diese entstehen, wenn der statische Druck in der Flüssigkeit unter dem zur jeweiligen Temperatur gehörigen Dampfdruck sinkt. Steigt dann wieder der statische Druck über den Dampfdruck in Strömungsrichtung gesehen, kommt es zu einer schlagartigen Kondensation der Dampfblasen.Kavitation kann zu vorzeitigem Materialverschleiß sowie zu Geräuschemission führen. Daher soll Kavitation weitestgehend vermieden 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 HaltedruckhöheUm 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.

Mindestzulaufdruck

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Für einen störungsfreien Betrieb benötigen Pumpen auf der Zulaufseite einen statischen Mindestdruck der auch allgemein als statische Mindest-Zulaufdruckhöhe bezeichnet wird.Beim Durchströmen der Pumpe verringert sich dieser saugseitig vorhandene Druck aufgrund der Geschwindigkeitsänderung des Fördermediums im Sauggehäuse und im Laufrad der Pumpe. Die kritische Stelle ist der Laufradeintritt. Wird der Druckabfall so hoch, dass der Dampfdruck der Flüssigkeit unterschritten wird, kommt es zur Dampfblasenbildung.Die weitere Durchströmung des Laufrades führt zu einem hydraulischen Druckaufbau im Laufrad. Die Dampfblasen fallen im Bereich höheren Druckes implosionsartig in sich zusammen, mit der Folge von Werkstoffzerstörungen an diesen Stellen. Dieser Vorgang, als Kavitation bezeichnet, ist akustisch durch prasselnde Geräusche erkennbar, die sich mit zunehmender Kavitation verstärken.Auch die Förderleistung wird beeinträchtigt, da die Pumpe nun ein Wasser-Gas-Gemisch fördert. Daher muss ein minimaler statischer Eingangsdruck an der Pumpensaugöffnung eingehalten werden, um Kavitation zu vermeiden.Die Höhe dieses erforderlichen Drucks ist abhängig von:
  • der Temperatur des Fördermediums
  • erforderliche statische Mindest-Zulaufdruckhöhe entsprechend dem Pumpenbetriebspunkt.
Die erforderliche Netto-Positivsaughöhe (HH oder NPSH erforderlich) bezieht sich spezifisch auf die Pumpe und wird von den Pumpenherstellern in der Regel als NPSH-Kurve im Leistungsdiagramm der Pumpe dargestellt.Im Allgemeinen besteht ein starker Zusammenhang mit der Pumpendrehzahl. Für konstante Pumpentypen gilt Folgendes:
  • Hohe Geschwindigkeit -> Hohe NPSH-Anforderungen
  • Niedrige Geschwindigkeit -> Niedriges NPSH Erforderlich
Es wird empfohlen, diese Werte um eine Sicherheitsmarge von 0,5 m (1,6 ft) anzuheben, um mögliche Abweichungen bei der Berechnung des Betriebspunktes während der Pumpenauswahl auszugleichen. Allgemeine Normen erlauben einen minimalen Kavitationsgrad bei der bestimmten NPSH-Anforderung:
  • reduziert die Förderhöhe am Betriebspunkt um 3% oder weniger
  • führt nicht zu einer wesentlichen Verschlechterung, Leistungsreduzierung oder Verkürzung der Lebensdauer
Solche akzeptablen Kavitationswerte können jedoch zu unzulässigem Lärm führen.Um eine optimale Leistung zu gewährleisten, ist es gängige Praxis, die NPSHavailable-Berechnung mit einer Sicherheitsmarge von ca. +1 bis +5 m (+3 bis +15 ft) zu berechnen, abhängig von Drehzahl und Betriebspunkt der Pumpe.