Diese Wirbelbildung bspw. am Kühlturmbeckenaustritt zur Pumpe hin kann man ja mit Vortexbrechern "verhindern" und damit das Luftansaugproblem zur Pumpe hin wenigstens bekämpfen. Ich frage mich, welche physikalische Gesetzmäßigkeit überhaupt dahintersteckt, dass diese Probleme entstehen. Ich denke mir das in etwa so:
- Je mehr die Pumpe wegsaugt, desto mehr muss oben in den Auslauf fließen.
- Je mehr oben in den Auslauf fließt, desto größer ist der Druckverlust an diesem Auslauf.
- Wenn jetzt der Füllstand im Kühlwasserbecken nicht "hoch genug" ist, kann es passieren, dass der Auslauf leergesaugt wird und nur noch über den jetzt höher steigenden Rand Wasser in diesen Auslauf gelangt. Sobald aber Luft in die Rohrleitung gelangt ist, wird sie bei genügend grosser Geschwindigkeit in der Leitung mitgerissen und verursacht die Probleme in der Pumpe.
Frage: Liege ich mit o.a. Betrachtung richtig? Kann jemand zu den physikalischen Gesetzmäßigkeiten etwas sagen? Wie ermittele ich, meinen erforderlichen Rohrleitungseinlauf, wenn ich bspw. 500m3/h Wasser pumpen will?
Jeglicher Hinweis oder auch ein Link ist herzlich willkommen.
Ja. Und es wird sogar im Auslauf immer exakt genau so viel Wasser fließen, wie die Pumpe absaugt.
Wen kümmert das?
Dann ist zu wenig Wasser im Kreislauf, das hat aber nichts mit irgendwelchen Druckverlusten zu tun. Wasser ist hinreichend inkompressibel.
Es klingt so, als ob das Problem der Strudel ist, der sich am Pumpeneinlauf bildet. Ja, den kann mit mit einem Drallbrecher oder wie das Ding heißen soll, weg bekommen.
Der Grund dafür ist wie bei der Badewanne: Der Drall am Auslauf ist der selbe Drall, wie er im Becken sowieso schon da ist. Drehimpulserhaltung sozusagen.
Ja, wenn Du es so betrachtest:-) Das Wasser steht aber in der Kühlturmwanne rund um den Ausfluß herum noch bspw. 30cm.
Das Problem bekäme man auch ohne Strudel und mit Vortexbrecher. Stell Dir vor, Du hast ein 4m*5m-grosses Wasserbecken. Dieses Becken sei gefüllt mit 30 cm Wasser und besitze unten einen Auslauf von 300mm Durchmesser mit nach unten zu einer Pumpe weggehender Rohrleitung. Von mir aus sitzt im Auslauf auch ein Vortexbrecher; ist aber meiner Ansicht nach für das prinzipielle "Problem" uninteressant. Jetzt fängt die Pumpe an zu pumpen, saugt also Wasser aus dem Becken und füllt dann Becken mit dem Wasser direkt wieder. So weit, so gut. Jetzt pumpe die Pumpe immer mehr und immer mehr. Irgendwann stellt sich das beschriebene Phänomen ein, dass das Wasser "nicht mehr richtig" in den Auslauf läuft; der Auslauf wird leergesogen, es wird Luft mitgerissen. Ich suche nach einer Methode, um vorhersagen zu können, ab welcher Belastung das Phänomen auftritt, um es zu verhindern.
Hmm, ich verstehe zwar die Frage, kenne aber die Antwort nicht. Ich wage dennoch mal selbst eine konstruktive (brainstorming) Frage zu stellen.
Kan das auftreten auch mit der Lageorientierung und den teils unsymetrischen Zuflußmengen aus div. Richtungen zusammen hängen?
Mir schweben da gerade 2 Bilder vor. Einmal hat man quasi eine kreisförmige Wanne und der Ablauf sietzt *exakt* im Mittelpunkt. Ein anderes mal haben wir den Ablauf nah an der Tangente. Im 2. Fall ist doch schon klar, das es zu keinem gleichmässig verteiltem Zufluß, aus allen Richtungen des Abflauf's, kommen kann. Es liegt ein labiles Gleichgewicht vor das durch irgendeine kleine Störung zu einer Drehbewegung (Strudel) führt. Die Drehbewegung des Strudels steht nahtürlich vektroriel der Schwerkraft entgegen und Luft wird eingesaugt. Der Strudeltrichetr wird vermutlich antisymetrisch sein.
Somit gehe ich davon aus, das die Berechnung wann das Problem auftritt schon sehr komplex ist. Bei einem zentriiertem Ablauf, müssten die Zulaufgeschwindikeiten aus allen Richtungen gleich sein und quadratisch zum Ablauf hin zu nehmen. Bei einem dezentriertem Ablauf verändert sich die Verteilung der am Radius ausgerichteten Zuflußgeschwindigkeiten sicher sehr stark. In meinem kleinem Hirnchem kreisen nun Wörter wie Kohäsionskräfte, Viskosität, Oberflächenspannung, Scherkräfte, Geschwindigkeit, (Dampfdruck?) herum - alles in allem interessant.
"Roland Damm" schrieb im Newsbeitrag news:4ad8f07e$0$7620$ snipped-for-privacy@newsspool1.arcor-online.net... ..
Hi, ja, aber man weiß irgendwann nicht mehr so genau, welche Art von Wasser. Wasserdampf?
Den Pumpenhersteller, den Rohrhersteller, den Hersteller von Drucksensoren und Filtern ev. In einem KKW hätte man Dich sicher nicht gern im Büro .-)
Leider ist hier das andere Extrem wichtig, Wasser verdampft leicht und bildet Gasblasen (Kavitation), was der Pumpe schaden kann, aber auch in Rohrsystemen enorme Belastungen bewirken kann. Schon so mancher Rohrplatzer wurde von solchen Kleinigkeiten ausgelöst.
Verringern. Ev. wäre ein eigener "Sumpf" mit Sammelkanälen anzuraten, so macht mans meist in größeren Rohrsystemen, in denen größere Flußgeschwindigkeiten auf langen Rohrstrecken gefahren werden, die entsprechende Eigendynamik haben, Stichwort "Resonanz".
Und genau wie in der Wanne kann es zum "Schlürfen" kommen, übrigens auch ohne Luft, wenn genug Energie im Wirbel steckt.
Die kinetische Energie entstammt natürlich dem Absinken Schwerpunkts des Volumenelements, also der potentiellen Energie des Wassers, aber die hängt natürlich auch von der Form des Beckenbodens ab: Am sinnvollsten sollte es doch wohl sein, daß der Boden trichterförmig nach unten verläuft.
Nehmen wir mal an, daß die Schichtdicke des strömenden Wassers bei einer rein radialen Strömung vom Rand zur Mitte hin konstant bleibt, dann ist die Geschwindigkeit umgekehrt proportional zum Radius die Energie wächst quadratisch mit der Geschwindigkeit, und mithin
H-h(r) = c / r^2
Der Boden sollte also entsprechend reziprok quadratisch nach innen hin abfallen, natürlich nur soweit, bis die Strömung die Geschwindigkeit erreicht hat, die dem Einlauf in die Pumpe entspricht. Jede Verwirbelung verschwendet dabei potentielle Energie, indem sie sie als kinetische Energie der Tangentialbewegung einsetzt.
Wegen der konstanten Schichtdicke (bei vernachlässigter Sinkgeschwindigkeit) entspricht die Oberfläche der Trichtereinlaufströmung dieser Bodenform. Man kann sich nun Gedanken darüber machen, wie sich die Form der Wasseroberfläche verändert, wenn der Boden stärker oder weniger stark zur Mitte hin abfällt, was natürlich Einfluß auch die Fließgeschwindigkeit hat.
Ganz allgemein läßt sich sagen: Das Becken sollte möglichst tief sein, weil die radiale Strömungsgeschwindigkeit um so geringer ist, je höher der sich radial kontrahierende Wasserzylinder ist. Es leuchtet auch unmittelbar ein, daß Luft nicht in beliebige Tiefen mitgerissen werden kann. Irgendwo gibt es dafür natürlich sinnvolle Grenzen des Aufwands.
Habe da auch meine Zweifel. Wenn überhaupt, dann greift dieses Argument erst in unmittelbarer Näher oder direkt im Abflussrohr, und das ist der fragliche Drops schon gelutscht.
Zu 'ner richtigen Lösung bin ich nicht gekommen. Ich komme nur eine ein komisches DGL-System, mit dem ich nichts so recht anfangen kann. Anders als bei Ralphs Ansatz bleibt ja hier der lokale Wasserstand eine Unbekannte.
Aber zu Lösung nach Augenmaß: Das ganze Becken muss ja kein Trichter sein, es reicht sicher auch schon, unmittelbar um den Auslauf einen Tricher zu bauen. Also vielleicht nicht das
30cm-Rohr in den flachen Boden münden lassen, sondern einen Trichter von 30cm Tiefe und 1m Durchmesser bauen. Das dürfte die Sache schon mal deutlich entschärfen.
Außerdem ist mir noch nicht ganz klar, dass wenn ich nun die DGL lösen könnte, welches eigentlich die Bedingung ist, dass keine Luft angesaugt wird.
Luft wird nicht angesaugt, wenn die Aufstiegsgeschwindigkeit von Luftblasen höher als die vertikale Geschwindigkeitskomponente der Wasserströmung ist. Blöderweise nimmt die Aufstiegsgeschwindigkeit mit dem Bläschendurchmesser ab.
Also ist die Bedingung, daß das Zuflußvolumen nicht das Fördervolumen unterschreitet: Die Pumpe darf nicht (teilweise) "trockenlaufen".
Und das sollte eigentlich ganz leicht zu bestimmen sein:
Die Ausfließgeschwindigkeit v am Pumpeneinlauf ist
v = SQRT(2*g*H)
Die Durchflußmenge ist maximal
d/dt V = A * v
und muß größer als die Förderleistung d/dt V_F sein, also
H > [(d/dt V_F)/A]^2 / (2*g)
oder auch (für die Trichterform)
A(h) > (d/dt V_F) / SQRT(2*g*(H-h))
Wenn der Beckenboden überall ein gutes Stück (50 cm) unter dieser Grenztrichterfläche liegt, dürfte man sich auf der sicheren Seite befinden; Es ist dabei dafür zu sorgen, daß der Wasserstand am Rand des Beckens die Höhe H nicht unterschreitet.
Genau genommen ist die Vertikalgeschwindigkeit nur in der unteren Spitze des Falltrichters an der Wasseroberfläche so hoch wie angegeben; etwas genauer könnte man dann noch annehmen, daß zum Ablaufrohrrand hin ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil vorliegt (viskose Strömung) und daraus dann die Durchflußmenge berechnen. Mit dem Radius R des Ablaufquerschnitts ist dann die maximale Durchflußmenge
d/dt V = A * v / 2 = A * SQRT(g*H/2)
Und damit läßt sich das Becken auch etwas anders dimensionieren:
| | |---___ ___---|--------- | ---__ __--- | ^ | --__ __-- | | | \ / ^ | H | \ / | W | | |_____________ \ / v_____________|______v__ | | o------->| A R
Das Wasser fließt vom Rand her mit vernachlässigbarer Vertikalgeschwindigkeit bis zum Rand des zentralen Ablauflochs und "kippt dort über den Rand". Der Wasserstand am Rand hat die Höhe W, die radiale Geschwindigkeit der Strömung bei R hängt von der Höhe h über dem Boden ab und beträgt
v_radial(h) = SQRT(2*g*(H-h))
Über den gesamten Kreiszylinder vom Boden bis zur Höhe W integriert beträgt die Zuflußmenge
Stell Dir einfach vor, der Einlauf der Pumpe führt über ein Saugrohr aus dem Becken nach oben. Dann muss dem Wasser noch potentielle Energie zugeführt werden.
Da es 'saugen' in physikalischem Sinne nicht gibt, muss dann der äußere Luftdruck wirken.
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