Ich werde einen Kühlwasserkreislauf bauen, an dem 22 Verbraucher "hängen". Für den Auslegungsfall wurde angenommen (worst case für Design), dass 8 Verbraucher gleichzeitig Kühlwasser fragen. Ich möchte gerne 3 baugleiche parallel geschaltete Pumpen (zwei davon haben 100% Kapazität) installieren. Wie schütze ich diese Installation für den Fall, dass doch einmal deutlich mehr Verbraucher Kühlwasser fragen und daraufhin die Pumpe(n) aufgrund Überschreiten des Maximalflows durch Überstrom etc. rausfliegen würden?
Designflow: 300 m3/h bei ca. 30 m Förderhöhe? Dynamischer Anteil der Förderhöhe ca. 80%.
Mit einem Durchflußbegrenzer, also einen "passenden" Rohrabschnitt, der bei Überschreiten des Grenzflows in eine turbulente Strömung übergeht und dadurch einen starken Widerstandsprung aufweist? (Bitte auf der "Warmseite" anordnen.)
Wie sollte das im Detail aussehen? Turbulente Strömung habe ich überall (Kühlwasser mit 2-3 m/s); auch muss ich wohl jede Pumpe einzeln schützen, da es wohl nicht passieren darf, dass 250m3/h gefordert werden, alldieweil nur eine Pumpe läuft.
Passende Rohrabschnitte - Du brauchst "Durchflußbegrenzer". Der Widerstand (Differenzdruck/Volumenstrom) eines Rohrstücks ist bis zu einer kritischen Reynoldszahl (ca. 2320 bei Rohren) konstant und wird durch das Hagen-Poiseuillesche Gesetz beschrieben. Bei höheren Reynoldszahlen schlägt die Strömung in eine turbulente Strömung um, und ihr Widerstand nimmt stark zu. Ein passend dimensioniertes Rohrstück tut also genau das, was Du willst, zweckmäßiger sind allerdings in Rohre eingebaute Blenden, weil sie bereits bei kleinen Durchflüssen eine turbulente Strömung erzeugen.
Das ist aber gar nicht gut, dagegen solltest Du etwas tun. Bei dieser Geschwindigkeit muß eine Wasserströmung aber keineswegs turbulent sein.
Dann muß vor (bzw. hinter) jede Pumpe ein eigener Durchflußbegrenzer.
Wenn der überwiegende Anteil des Strömungswiderstands "dynamisch", also nicht durch den statischen Druck bedingt ist, dann gibt es eine entsprechende Abhängigkeit der Förderleistung vom Volumenstrom.
Reynolds ca. 700000; das sollte doch reichlich turbulent sein. Ich habe doch die gleiche Geschwindigkeit wie in einem kühlwassergekühlten Wärmetauscher, nur statt in einer 25mm Durchmesser-Leitung (turbulente Rohrströmung aufgrund WÜ erwünscht) strömt die Suppe durch einen Querschnitt von ca. 300mm. Das erhöht Reynolds noch mal um den Faktor
Entweder steh' ich jetzt auf'm Schlauch, oder der Montag hat bei Dir zugeschlagen:-)
Daß es in Deiner Anlage "turbulente" Abschnitte gibt, glaube ich Dir gerne. Aber bei gegebenen Massenstrom ist v_m*d^2 eine Konstante, während Re /propto v_m*d ist.
Also: c = v_m*d^2 = const. Re = a*v_m*d = a*c/d
Mit zunehmendem Rohrdurchmesser nimmt die Reynoldszahl also nicht zu, sondern ab.
Um auf Dein Problem zurückzukommen: Deine Pumpen werden eine maximalen Förderdruck haben - Du brauchst also ein Begrenzungselement, das im MaxFlow-Bereich einen entsprechend hohen Fließdruck benötigt, dann kann die Anlage machen, was sie will: aus der Pumpe kriegt sie keinen höheren Volumenstrom raus.
(Diese "Lösung" ist natürlich mit entsprechenden mechanischen Verlusten im Kreislauf verbunden - die entsprechende Leistung wird das Kühlwasser zusätzlich erwärmen. Aber diese rein mechanischen Begrenzer laufen dafür rein passiv und entsprechend sicher.)
Ich wollte mit meiner Beispielrechnung nur verdeutlichen, daß Kühlwasser immer im turbulenten Bereich hinsichtlich Reynoldszahlen strömt. Das Beispiel sollte zeigen, daß, wenn im Wärmetauscher bei ca. 2m/s turbulente Strömung herrscht, in der Kühlwasserrohrleitung, die deutlich dicker ist, bei 2m/s dann erst recht turbulente Strömung herrscht. Damit Kühlwasser laminar strömt, müssen die Geschwindigkeiten im cm/s statt m/s gemessen werden
Ja, aber welches "Teil" ist dafür geeignet. Ich könnte einfach eine Blende einbauen; nur macht diese mir auch den Wirkungsgrad der Pumpe kaputt. Und eine aktive Regelung mit pneumatische getriebener Klappe möchte ich zunächst vermeiden.
Siehe oben! Welche Teile nimmt man bei Kühlwasser (300m3/h)
Stimmt natürlich. Turbulente Strömung heißt auch nicht zwangsläufig "absolut hoher Widerstand", sondern die kritische Reynoldszahl kennzeichnet eben die Grenze zwischen viskositäts- und trägheitsbeherrschter Strömung.
Ein Begrenzer reduziert selbstverständlich den Wirkungsgrad - die Frage ist, ob Du das tolerieren kannst.
Also, berechnen mußt Du es schon selbst. Eine Lochblende wirkt im Prinzip so, daß der Durchfluß differenzdruckunabhängig konstant ist, also die Leistung (bzw. der Leistungsverlust) dann mit zunehmendem Differenzdruck zunimmt. Bei einem Rohrabschnitt mit ähnlichem Durchmesser wie die Lochblende(n) kommt dann bei niedrigen Durchflußmengen noch der längenproportionale und durchflußmengenproportionale Differenzdruckanteil aus der Viskosität (Hagen-Poiseuille) hinzu. Die Blende sollte sich eigentlich so dimensionieren lassen, daß sie im "Normalbereich" des Pumpendurchflusses nur einen vernachlässigbaren Druckverlust erzeugt, aber sobald der Volumenstrom durch die Pumpe einen kritischen Wert erreicht, diesen wirksam drosselt. Ob Dir das etwas nützt, mußt Du anhand der Pumpenkennlinie und der zulässigen Grenzwerte entscheiden.
Das andere Problem besteht darin, daß die Blende ja gerade Turbulenzen erzeugen soll, also selbst auch ziemlich stark durch Kavitation usw. beansprucht wird, sowie eine "Wirbelschleppe" hervorruft, deren Auswirkungen in nachgelagerten Strömungsabschnitten auch noch unerwünscht sein könnten. Daher wäre es ggf. nicht unbedingt klug, solcherart verwirbeltes Kühlwasser in die Pumpe einzusaugen.
Am Fri, 16 Sep 2005 15:44:28 +0200 schrieb Heiner Veelken:
Wieso sollte die Pumpe denn aus ihrer Kennlinie laufen? Wenn 8 Verbraucher gleichzeitig die Wassermenge für die Dimensionierung der Anlage und der Pumpe darstellen, dann können ruhig mehrere Verbraucher Leistung anfordern. Ich mutmasse mal, dass es eine Verteilleitung gibt und die Verbraucher grösstenteils parallel angeschlossen sind.
Fordert jetzt ein Verbraucher mehr Wasser an, so öffnet sich sein Regelorgan und in der Anlage strömt mehr Wasser. Dabei steigen aber auch die Druckverluste in den Rohrleitungen an. Allerdings verteilt sich das Wasser auf mehr Verbraucher, wobei die Druckverluste in den Verbrauchern sinken und pro Verbraucher weniger Medium zur Verfügung steht. Jetzt kommt es darauf an, wie das Netz aussieht. Hat das Netz sehr lange Rohrwege, so gleicht sich das u.U. fast wieder aus. Genau vorraussehen kann man das nur auf iterativem Weg. IMO sind die Auswirkungen auf die Kühlwasserpumpe jedoch gering.
Poste doch mal ein Fliessbild auf irgendeinem Webspace.
Solltest Du wirklich den Volumenstrom begrenzen wollen, dann kannst schau Dich mal bei
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um. Die dynamischen Begrenzer des Typs Frese Alpha (früher: FlowCon) sind für solche Anwendung immer die geeignete Wahl der Waffen. Wenn Du Bedenken hast, dann bau doch ein Passtück für den Volumenstromregler ein. Sollte es zu Problemen kommen, dann kannst Du ihn verhältnismässig schnell Nachrüsten.
Wenn der Extremfall eintritt, dass 22 Verbraucher gleichzeitig (alle hängen parallel am Vorlauf und parallel am Rücklauf) mal die Zweiwegestellventile öffnen, sprich Kühlwasser fragen, dann ist die Strecke so weit offen, dass die Kühlwasserpumpe nach rechts auf ihrer Kennlinie läuft und weit über ihren maximalen erlaubten Flow hinauswill. Es fehlt halt dann der Gegendruck. Daten der Pumpe bspw. 0 m3/h 40m Förderhöhe, 150 m3/h 36m Förderhöhe. Meines Erachtens kämpft diese Pumpe dann mit Kavitation, Überstrom, etc.
Anders erklärt (trifft nicht ganz den Sachverhalt): Im Auslegungsfalle pumpt die Pumpe gegen ein fiktives Kv von (8*30=240m3/h. Bei 300m3/h wäre das ein dp von ca.1,5 bar (bin gerade zu Hause und hoffe, dass ich in meiner Formel keinen Dreher habe:-)) Wenn 22 Verbraucher aufmachen, habe ich als Kv 22*30=660m3/h. Bei
300m3/h ergäbe das ein dp von 0,2 bar. Das wäre für die Pumpe zusätzlich zu den statischen Druckdifferenzen zu wenig. Sie würde, wie gesagt, auf der Kennlinie nach rechts laufen.....
Ich habe jetzt kurz aus dem Kopf gerechnet...aber das o.a. Szenario darf ich auf die Pumpeninstallation nicht loslassen. Möglichkeit wäre natürlich wie parallel mit Ralph schon kurz angerissen mit Blende zu arbeiten (leistungsmindernd) oder auf der Druckseite ein "Druckhalteventil" (ich nenn' das mal so) zu installieren.
Werde ich mir mal ansehen. Vielleicht ist das was für uns. Wenn wir Ammoniakpumpen einsetzen arbeiten wir auch manchmal mit Flowbegrenzern von Lederle Hermetic. Vielleicht arbeiten "Deine" ja ähnlich. "Meine" nehmen fast keine Kapazität weg, bis zu dem Punkt, an dem sie arbeiten sollen.
Am Mon, 19 Sep 2005 20:38:18 +0200 schrieb Heiner Veelken:
Mit Kavitation würde ich nicht rechnen. Überstrom könnte passieren. Die Frage ist, wieviel Anteil die Verbraucher am Gesamtdruckverlust des Netzes haben.
Ne, das is richtig 1,56 bar.
Klar. Wenn Du diesen Betriebspunkt des Netzes in das Kennlinienfeld einzeichnest und durch ihn eine neue Anlagenkennlinie zeichnest, dann siehst am Schnittpunkt der Pumpenkennlinie den neuen Betriebspunkt der Pumpe. Es wird mehr Medium gefördert und der Druck ist naturgemäss auch gestiegen. Was bei Deiner Betrachtung fehlt ist das Rohr. Da jetzt mehr Medium fliesst, sind auch die Verluste in den Rohren sehr viel höher als vorher. Wie gesagt, ich kenne Dein Netz nicht. Aber die Wahrheit liegt irgendwo zwischen dem neuen (22 Verbraucher) und dem alten Pumpenbetriebspunkt (8 Verbraucher) auf der Kennlinie der Pumpe.
Mir fehlt die Vorstellung, was es eine Pumpe stören sollte, wenn man sie ohne Gegendruck laufen lässt. Schlimmstenfalls dreht der Motor (wohl Wechselstrommotor) auf Nenndrehzahl hoch und dreht dann bei
3000U/min ohne Gegendruck, Leistung und Drehmoment einfach im Leerlauf. Das sollte jeder E-Motor abkönnen. Der Volumenstrom wird schlimmstenfalls durch den Strömungswiderstand in der Pumpe allein begrenzt. Zu heiß laufen kann sie auch nicht, da die Pumpe ja optimal gekühlt wird (sie kann ja zu heiß werden, wenn sie läuft und _kein_ Wasser gefördert wird, aber darum geht es ja nicht).
Ich hatte vor kurzem mit einem Ventilator - ähnliche Branche sozusagen :) - zu tun, der bei sehr kurzem Rohrsystem und ohne Gegendruck bzw. Drosselklappe statt dem Nennstrom von 20A bis auf 24-25A hochgelaufen ist. Der fragliche Ventilator ist offensichtlich auf seinen Betriebsbereich spezialisiert, ich kann mir vorstellen, das das bei Pumpen ähnlich sein kann.
Am Tue, 20 Sep 2005 20:01:21 +0200 schrieb Roland Damm:
Es gibt Pumpen deren Kennlinie nicht bis runter auf die Abzisse verläuft. Das ist nicht so, weil der Pumpenhersteller keine Tinte mehr hatte, sondern weil dort der Arbeitsbereich der Pumpe endet. Gerade bei grossen Pumpen ist der Motor häufig auf einen bestimmten Bereich abgestimmt. Läuft der Arbeitspunkt aus dem Kennlinienfeld, so wird die Leistungsaufnahme des Motors zu gross und die Pumpe steigt über ihren Motorschutz wegen Überstrom aus. Das ist bei grossen Anlagen schon mal möglich. Auch bei Mehrpumpenanlagen kann es passieren, dass bei dem Betrieb beider Pumpen die Anlagenkennlinie noch einen Punkt auf der Pumpenkennlinie trifft, im Teillastfall die Anlagenkennlinie jedoch an der Kennlinie einer einzelnen Pumpe quasi "unten vorbei" geht.
Am Fri, 16 Sep 2005 15:44:28 +0200 schrieb Heiner Veelken:
BTW:
Ich schreibe gerade meinen kleinen Rechenschieber neu, der mir in der Vergangenheit das Leben sehr vereinfacht hat. Er ist noch nicht ganz fertig, aber ich wüsste gerne, ob der fü andere Fachleute auch von Nutzen wäre. Das Programm "QuickDimensionWater" benötigt den MS .NET Framework, den es gratis be MS gibt.
Er kann mit beliebigen Rohrsortimenten, Formteilen, Ventilen und Medien betrieben werden.
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Schaut einfach mal rein und bitte keine Gnade was die Feedbacks angeht.
Kam heute per email zu mir rein. Möchte ich Euch nicht vorenthalten:
Zitat:
Eine weitere Möglichkeit für den Pumpenschutz wäre der Pumpenbetrieb über FU, dem du einen Maximalstrom vorgeben kannst. Ich schätze, dass du für deine Eckdaten eine Pumpenantriebsleistung von 45 - 55 kW brauchst und FU's dieser Grössenordnung kosten auch nicht die Welt. Obendrein kannst du die Anlage arbeitspunktbezogen steuern und damit sicherlich einiges an Energieeinsparung zu Tage bringen.
Zitatende.
Da werde ich mal drüber nachdenken. Was macht denn der FU oder die Pumpe, wenn gerade Volllast gefragt ist, die Pumpe 300m3/h gegen 30m pumpt, und dann irgendwelche Ventile aufgehen, sodaß der Gegendruck der Pumpe wegfällt. Der FU müsste dann die Pumpe dann ja soweit runterfahren, daß die neue Drehzahl wieder mit der neuen Kennlinie zusammenfällt, oder?
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