Kraftmaschinen_e - IMME 2000 ::: Industriemeister 2000
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Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Kraftmaschinen -wandeln mech. Energie der Lage (= potenzielle Energie ) Druckenergie Bewegungsenergie (=kinetische Energie ) Wkin= Wärmeenergie Chemischenergie Elektrischenergie In Mechanischenergie (ARBIT) um Arbeitsmaschinen Wandeln Kräfte in Produktionsleistung um . z.B. Fördermittel , Kräne , Aufzüge , Drehmaschinen , Pressen Einteilung nach Energiearten Wärmekraftmaschinen ( mit außer bzw. innere Verbrennung ) Hydraulische Kraftmaschinen Pneumatische El. Motoren Dampfkraftmaschinen Wärmeenergie des Dampfes wird in Mechanischearbeit umgewandelt a.)Dampfmaschine = Wärmekraftmaschine mit äußere Verbrennung Vorteile - hohes Drehmoment - Anfahren unter Volllast - Lange Lebensdauer ( klein Drehzahl) Nachteile - große pulsierende Massenströme ( Kolben , Steuerung ) - Abdampf mit Schmieröl - große Abmessungen und Gewichte - Frischdampfdruck war begrenzt durch Zylinder Ø Manfred Folberth 1 Wpot=G* h m * v2 2 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Sonderarten Duplex-Dampf-Pumpe -Dampfzylinder mit Pumpenkombiniert und gegenseitig gesteuert Anwendung :Kesselspeisewasserpumpe Dampfmotoren Vorteile : - höhere Drehzahl - geringeres Gewicht - kleinere Baugröße b.)Dampfturbinen als Antriebsmaschinen für : - Stromerzeuger im Kraftwerke ( Generatoren ) - Kreiselpumpen - Gebläse - Schiffe Dampf strömt mit hoher Geschwindigkeit von den Düsen auf die Laufschaufeln , durch die Gebogenen Schaufeln wird der Dampf zur Umlenkung gezwungen , und dabei gibt der Dampf Geschwindigkeitsenergie an den Laufschaufelkranz ab. Manfred Folberth 2 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Folge : Drehemoment – Drehezahl - Leistung Mehrstufige Turbine Dampf Feststehender Umlaufkranz Laufschaufelkranz 1 & 2 U Turbinenarten nach Form der Laufschaufelkränze Gleichdruckturbine U Der Druck vor und hinter dem Laufschaufelkranz ist gleich V1 = V2 d.h. Wärmegefälle wird ausschließlich in den Düsen in. Geschwindigkeitsenergie umgesetzt . P2 V2 P1 V1 Anwendung : für Hochdruckstufen Überdruckturbine ( Reaktionsturbine ) U V1 P1 V2 P2 Vor dem Laufschaufelkranz herrscht ein höheren Druck als Dahinter . d.h. Wärmegefälle wird auch in Laufschaufelkranz in Geschwindigkeit umgesetzt . P1 > P2 V2 > V1 Manfred Folberth 3 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Anwendung : für Mittel- und Niederdruckturbinen Turbinenarten nach Dampfrichtung a.) Axialturbinen: der Dampf strömt in Richtung der Wellenachse b.) Radialturbinen : der Dampf wird nähe der Turbinenwelle zugeführt und strömt Radial nach außen . Kondensationsturbinen Frischdampf wird bis zum Druck im Kondenstor entspannt ( Kondensatordruck ist abhängig von Kühlwassertemperatur) . 1Kg Dampf hat bei p =0,05 bar ein Volumen von 28190 Liter bei 32,9 C0 ( 95 % Vakuum) Anwendung : Turbinen zur Stromerzeugung Gegendruckturbine besteht aus mehreren Turbinen meist als Gleichdruck Turbine (gleicher Laufrad Ø ) als Überdruckturbine ausgelegt zunehmender Laufrad Ø Kesselspeisewasser Generator Regler Der Regler sorgt dafür das die Drehzahl (Fregwenz) bei Belastungsschwankungen gleich bleibt Möglichkeiten zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades einer Dampfanlage : - Überhitzung des Dampfes Erhöhung der Dampfeintrittstemperatur. in der Turbine . Reduzierung des Kondensatorsdruck ( mehr Kühlung ) Zwischenüberhitzung Wasserdruckerhöhung an der Kesselspeisewasserpumpe Speisewasservorwärmen mit Dampf Manfred Folberth 4 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK c.) Gasturbinen Seit 1938 als Triebwerk im Flugzeugen 1939 erste Gasturbine zur Stromerzeugung mit 4 MW , heute Leistung bis 150MW Offene Gasturbine Treibstoff : Heizöl, Brenngas, (möglichst schwefelfrei) -Gasturbinen mit Abgaswärmetauscher haben einen höheren Wirkungsgrad Vorteile - geringer Platzbedarf - leichtere Bedienbarkeit ( fernsteurbar ) - gegen häufiges Anfahren unempfindlich Nachteile - hoher Kraftstoffverbrauch - relativ Laut Verwendung : - Energieversorgung in Spitzenlastbereich - Industrie . Antrieb von Pumpen , Gebläse und Verdichter - Triebwerke für Flugzeuge d.) GUD-Kraftwerk Gas und Dampfkraftwerke GAS 140 MW Dampfturbine 140MW 0 650 C GAS 140 MW Manfred Folberth 5 = 470MW Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK e.) Wasserkraftmaschinen In Deutschland ca. 5000MW Stromerzeugung durch Wasserkraft Wasserkraftmaschinen nutzen die Lageenergie gesammelter Wassermassen. Druckenergie des Wassers Strömungsenergie (in Düsen ) Mech. Energie (im Laufrad ) El. Energie (Generator) Freistrahl Turbine (Pelton) Prinzip : Wasser strömt frei aus den Düsen und trifft tangential auf das Laufrad Reglung : durch sogenante „Düsennadel“ Düsennadel Verwendung : - Für größte Wasserfahlhöhen ( 2000m) - auch für Schmutzwasser geeignet da wenig Erosionsverschleiß Manfred Folberth 6 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Francis-Turbine Prinzip: - Wasser fließt über Schneckenförmiges Gehäuse am ganzen Umfang dem Laufrad zu - Wasserführung durch feststehende Stützschaufeln ( Traverse) und bewegliche Leitschaufeln . Reglung : durch bewegliche Leitschaufeln am Umfang des Laufrades . Verwendung : für mittlere Fallhöhe im Staukraftwerk Kaplan-Turbine Prinzip :- Wasser fließt wie bei der Francis-Turbine über feste Stützschaufeln und bewegliche Leitschaufeln dem Laufrad zu. - Laufrad ist als Flügelrad mit 5-7 verdrehbaren Flügelschaufeln ausgestattet. Reglung : über verstellbare Leitschaufeln Verwendung :- in Niedrigdruckanlagen bei Flusskraftwerke - auch bei stark Schwankenden Wassermengen geeignet (wegen der verdrehbarkeit der Flügel immer relativ guter Wirkungsgrad ) Manfred Folberth 7 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Wasserkraftanlagen -Flußkraftwerk: – Strom des Wassers wird ausgenutzt - Staukraftwek : - Staumauer - Speicherkraftwerk ( Pumpenspeicherkraft ) - Gezeitenkraftwerk : Ebbe und Flut Kavitation ( Holraumbildung ) An dem Radschaufelenende und im Saugrohr der Turbine bzw. Pumpe kann so starker Unterdruck entstehen Dass der Siedepunkt des Wassers unterschritten wird. FOLGE: es entstehen Dampfbläschen, welche an Stellen höheren Druckes Zusammenfallen FOLGE : Geräusche und Erschütterungen Leistung fällt ab ( Dampfbläschen verringern denn Querschnitt ) Wirkungsgrad wird schlechter Erosion und Korrosion führen zur Zerstörung der Bauteile (Laufradflügel bzw. Saugkanäle) Vermeiden von Kavitation - Höhenlage des Laufrades über Unterwasserspiegel verringern Konstruktive Maßnahmen Manfred Folberth 8 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Verbrennungsmotoren nach DIN Kolben-Wärmekraft-Maschinen mit inneren Verbrennung Das Arbeitsverfahren wird durch einen offenen rechtsläufigen Kreisprozess gekennzeichnet = Arbeitsspiel Zustandsänderung im Zylinder Arbeitsmedium Gas erfährt in Wärmekraftmaschinen und Verdichtern während des Arbeitsprozesses Zustandsänderungen , in dem Energie zugeführt wird oder entzogen wird Dabei können sein: Druck „P“ Temperatur „t“ Volumen „V“ ändern Zustandsänderung der Gase im Brennraum Isochore - Zustandsänderung: gleich Volumen betreffend [p] Volumen bleibt konstant bei Temperatur und Druckerhöhung T2 p2 p1 T1 Volumen [V] Die zugeführte Energie (=Wärmemenge) wird nur zur Erhöhung der inneren Energie des Gases benutzt. Äußere Arbeit = Null Isobare - Zustandsänderung: Druck betreffend Druck bleibt konstant! Temperatur steigt und fällt mit Volumen Qzu = Energiezufuhr [p] T1 T2 E1/2 V1 Äußere Arbeit = Manfred Folberth V2 E1/2 = p * (V2V1) [V] Fläche 9 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Isotherme - Zustandsänderung: Temperatur betreffend [p] Qzu Temperatur bleibt konstant! Druck und Volumen fällt. p2 p1 E1/2 [V] V1 V2 Die zugeführte Wärme wird in Expansionsarbeit E1/2 umgewandelt. Isentrope - Zustandsänderung: Energie betreffend [p] p1 T1 κ p*V = konstant κ = Kappa = Isentropenkonstante ( bei zweiatomigen Gasen κ=1,4) T2 p2 V1 V2 [V] Es wird keine Wärme zu oder abgeführt (d.h. Wärmezustandsenderungen geschieht in einem Wärme undurchlässigen Raum Beim Verdichten steigen Druck und Temperatur Bei Ausdehnen (=Expandieren) sinken Druck und Temperatur Manfred Folberth 10 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Polytrope - Zustandsänderung: viel anpassungsfähig Immer wenn die Wärmeübertragung nicht vernachlässigbar ist, wird die Zustandsänderung besser durch die Polytrope dargestellt. „κ”wird durch “ n” (Polytropenexponent) ersetzt. [n=1,2] [p] n p1 T1 Polytrope p*V = konstant d.h. während der Verdichtung bzw. der Expansion wird Wärme an die Umgebung abgegeben. (Isentrope) p2 T2 V1 V2 [V] Aufgabe 1 Otto - Motor M =145 Nm; n =4000 1/min GESUCHT: Nutzleistung des Motors in KW! P=Mxω LÖSUNG : P=Mx2xπxn P= 145 Nm 2 x 4000 1 60 s P = 60737,5 Nm/s = 60737,5 Watt P = 60,74 KW x 1,36 ≈ 82,6 PS Aufgabe 2 GESUCHT: a.) Innenleistung Pi b.) mech. Wirkungsgrad ηm c.) Thermischer Wirkungsgrad ηth d.) Gesamtwirkungsgrad η Motor 3 VH =1596 cm N = 6000 1/min pe = 10,28 bar ( Mitteldruck ) = 1028000 N/m2 Pe = 74 KW ( Nutzleistung ) Σ = 11:1 LÖSUNG VH p e n 0,001596m 3 1028000 N 6000 Nm a.) Pi = = s 2 m 2 60 s K Pi = 82034,4 Nm/s Pi =82,034 KW b.) ηmech = Pe 74 KW = Pi 82,034 KW ηmech = 0,90 = 90 % Manfred Folberth 11 Industriemeister IMGR00T c.) ηth = 1- 1 BETRIEBSTECHNIK statt n 1,4 wird n =1,2 als Polytropenexponent eingesetzt n 1 1 = 1 - 0, 2 11 1,2 -1 ηth = 0,38 = 38% d.) ηMotor = ηmech * ηth =0,9 *,38 = 0,342 = 34,2 % Diesel Motor von Rudolf Diesel 1897 erfunden von MAN Kennzeichen Selbstzündung des Brennstoffs durch Kompressionsdruck Merkmahle durch den hohen Verdichtungs- und Verbrennungsdruck bestimmt - Kräftigere Konstruktion - Lange Kolben (evtl. Kreutzkopfführungen ) - Kolbenböden mit Öl gekühlt ( bei Großdiesel mit Wasser ) Statt Vergaser Einspritzpumpe mit Düse a.) direkte Einspritzung ( bisher für mittlere und große Motoren ) b.) indirekte Einspritzung ( Vorkammer ) Folge : Leiser Lauf Wirkungsgrad Σ> Erhöhen ηotto =1- 1 1 φ= Isotropenexponent =1,4 Aggregate verbessern z.B. - elektrischer Wasserpumpenantrieb ( kühlt nur bei bedarf) - Lichtmaschine= Anlasser - Brennraumtemperatur erhöhen; d.h. Wärmegefälle wird größer ( Grenze: Werkstoff>>>> Keramik) - Leichtbau - Nockenwellenverdrehung während des Laufes Elektromotoren Allgemeine Eigenschaften: - einfacher Anschluss ans Netz - Leistung steht sofort bereit - für kleine und größere Leistung - relativ Wartungsarm - geräuscharm - keine Abgase - guter Wirkungsgrad Manfred Folberth 12 Fachkundebuch S. 416 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Funktionsprinzip - jede Stromdurchflossener Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben ( in Stromrichtung = rechtsdrehend) - wird dieser Leiter in ein zweites Magnetfeld gebracht, so überlagern sich die Magnetfelder. - Rechts vom Leiter = Magnetfeldverstärkung ( Addition der Linien ) - Links vom Leiter = Magnetfeldschwächung (Subtraktion der Linien ) Folge: Kraftwirkung nach Links Viele Leiter (Wicklungen) auf dem Läufer erzeugt größere Kraft am Umfang Es entsteht Drehmoment M= F × r - Läufer dreht sich - Mit Drehzahl entsteht Leistung P= M ×ω ( ω= 2 ×π ×n) Drehstrom-Motor Aufbau : Stator( Stander ) Rotor ( Läufer ) Aus dünnen Eisenblechen mit schlitz für Wicklungen Erzeugung des Drehfeldes Durch 3in Stator um 1200 versetzte Spulen die nacheinander von 3 Wechselströmen durchflossen werden. Drehfelddrehzahl „n“ Wird durch Netzfrequenz „f“ und die Anzahl der Polpaare „p“ bestimmt. n= f p Netzfrequenz „f“ in Hz = 1 s p = Anzahl der Polpaare Drehstrom- Asynchron- Motor Prinzip: Die Feldlinien des umlaufenden Drehfeldes schneiden die nach stillstehenden Wicklungsdrähte des Rotors . In diesen Wicklungen wird eine Spannung induziert (erzeugt). Folge: es fließt Strom in den Leiterschleifen des Rotors; das erzeugt Magnetfelder dreht den Rotor in Richtung des Ständermagnetfeldes. Rotordrehzahl < Drehzahlfeld Die Differenz zwischen Drehfeldzahl und Rotordrehzahl heißt Schlupf a.) Kurzschlussläufer -Läufer erhält Alu- Stäbe im Rotorblechpaket - Alu- Stäbe sind an beiden Enden mit Scheiben „Kurzgeschlossen“ Eigenschaften: - Einfacher Aufbau ( Rotor hat keinen Stromanschluss) - Wartungsarm, wenig störanfällig - Anzugsdrehmoment ca. Nenndrehmoment - Hoher Anlaufstrom ( Anlaufstrom soll < 60 A sein deshalb im Stern- Dreieck anfahren) - Drehzahl fällt bei Belastung wenig Anwendung - Hauptspindelantrieb bei Werkzeugmaschinen - Pumpen, Verdichter, Förderanlagen Anfahren mit Sanftstarter „Sinus“ regelt den Anlaufstrom langsamer hoch Vorteile von Sanftstarter : - Netz - Motor werden geschont - Angetriebene Last Manfred Folberth 13 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK b.) Schleifringläufer- Asynchrone- Motor - Enden der Rotorwicklungen sind mit Schleifringen verbunden Schleifringe sind mit Anlasswiderständen Verbunden Zweck - - Anlaufstrom begrenzen - Drehzahl verändern Anwendung - bei großem Anlaufdrehmoment - großen Pumpen ( Wasserwerk ) Drehstrom- synchron- Motoren d.h. der Läufer dreht mit gleicher Drehzahl wie Drehfeldzahl in Ständerwicklungen Ablauf: wie Asynchron- Motor aber: Läufer erhält über die Schleifringe Gleichstrom zugeführt dadurch wird beim Anfahren sofort einen Magnetfeld Eigenschaften - gleich bleibende Drehzahl bei Belastungsschwankungen - Drehzahlsteuerung möglich - bei Überlastung bleibt Läufer stehen - Benötigt Anfahrhilfe ( Kondensatoren ) Anwendungen - bei genauer Drehzahlregelung - z.B. Vorschubgetriebe bei Werkzeugmaschinen Gleichstrom- Motoren Prinzip - Leiterschleifen im Magnetfeld wird in Richtung der Feldlinien gedreht und bleibt dort stehen - Stromwender ( Kommutator ) dreht Stromrichtung um. Folge Rotor dreht sich Magnetfeld bei Kleinmotoren durch Dauermagnet. Fremdereger Magnetfeld bei großen Motoren Eigenschaften - Großer Drehzahlbereich bei hoher Leistung - Drehzahl bleibt bei Belastungsschwankungen Konstant Verwendung - Aufzüge u. Förderanlagen - Kleinmotoren Manfred Folberth 14 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Universal Motoren Sonderform der Gleichstrommotoren ( Reihenschluss- Motor, d.h. Läufer u. Stator sind in Reihe geschaltet ) Universal- Motoren mit Gleichstrom u. einphasigen Wechselstrom Getrieben werden. Anwendung - Haushalts u. Kleingeräte z.B. Handbohrmaschine, Staubsauger Achtung Wenn Abreißfunken am Stromwender ist Funkentstörung vorgeschrieben. Transformatoren Zweck - Transformatoren ändern Spannung u. Stromstärke Aufbau - Trafo besteht aus 2 Spulen mit gemeinsamem Kern ( aus Eisenblech ) Prinzip Wird an der Eingangswicklung ( Primärwicklung ) die Spannung U1 angelegt, entsteht im Eisenkern Magnetfluss, der in der Ausgangswicklung (Sekundärwicklung) eine Wechselspannung U2 induziert. Magnetischer Wechselfluss Eingangswicklung N1 Ausgangswicklung N2 Übersetzung Die Spannungen verhalten sich wie die Wicklungszahlen U 1 N1 U2 N2 Übersetzungsverhältnis i= U 1 N1 Ue N2 Die Stromstärken verhalten sich umgekehrt wie die Windungszahlen I1 N 2 I U oder 1 2 I 2 N1 I 2 U1 Leerlaufspannung Spannung an der Ausgangsseite, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist Kurzschlussspannung Ein Maß für die bei Belastung auftretende Spannungsänderung wird in % der Nennspannung angegeben. Trafos mit niedriger Kurzschlussspannung sind spannungssteif Trafos mit hoher Kurzschlussspannung sind spannungsweich ( bzw. Kurzschluss fest ) Manfred Folberth 15 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Drucklufterzeugung Kolbenverdichter Saugventil Druckventil Schädlicher Raum Kolbenverdichterprinzip ( idealer Verdichter) Isontrope oder Polytrope Schädlicher Raum Spalt zwischen Koben in OT und Zylinderkopf d.h. es bleibt bei Stellung des Kolbens im OT im sog. Schädlichem Raum „Vs“ verdichtetes Gas, das erst mal bei Bewegung des Kolbens nach UT expandieren Muss. Ansaugen beginnt erst, wenn Ausgangsdruck „p1“ erreicht ist. Dadurch wird tatsächliches angesaugtes Volumen Va kleiner als Vh Verringerung der geforderten Menge hängt ab von: a.) Druckverhältnis b.) Größe vom schädlichen Raum Der wirkliche Verdichter Druckverlust in Zuleitung und Saugleitung bewirken Ansaugdruck liegt um Λps unter P1 Ausschiebedruck liegt um Λps über P2 Manfred Folberth 16 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Beginn des Ansaugens bzw. des Ausschiebens : - Ventile müssen durch Druckdifferenz zuerst geöffnet werden >> Folge „Ausbuchtung“ bei A Beim wirklichen Verdichter sind: - Verdichtungslinie und Rückexpansion nicht „Isentrope“ sonder „Poytropen“ Isontropenexponent wird durch Polyntropenexponent ersetzt. Liefregrad V v 0.96 s Vh p 1 / 2 1 p1 Kolbenverdichter in der Praxis - Verdichter fördert gleichmäßig aber - Verbrauch schwankt Deshalb : Förderung der Gase in Vorratsbehälter Regelung: a.) bei Antrieb durch E-Motor Regler schaltet den E-Motor bei erreichen des eingestellten Druckes ab und bei Unterschreiten wieder ein ( Zweipunktregelung ) b.) bei Antrieb durch Verbrennungsmotor - Motor muss durchlaufen - Verdichter wird auf Leerlauf geschaltet (z.B. Einlassventil wird geöffnet blockiert ) Mehrstufige Verdichter a.) bei 1-stufigen Verdichter „ p2 “ relativ klein: 5 bis 8 bar p1 Gründe: - Temperatur steigt stark an ( > 1800C Zylinderschmieröl verbrennt) - Durch den schädlichen Raum Vs wird bei hohen Drücken die geförderte Menge immer kleiner, keine Förderung mehr stattfindet ( Nullförderung ) Grund: Rückexpansionslinie geht im Extremfall bis zum unteren Totpunkt (UT b.) mehrstufige Verdichter mit Zwischenkühlung p2 zwischen 3 und 5 bar je Stufe p1 - spezifisches Volumen wird kleiner deshalb muss Kolbendurchmesser bei gleichem Hub kleiner werden Manfred Folberth 17 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Hydraulische Arbeitsmaschinen = Pumpen nach Wirkungsweise: a.) Verdrängerpumpe Mittels eines Verdrängers wird eine Druckkraft auf die Förderflüssigkeit ausgeübt z.B. Kolbenpumpe, Flügelzellenpumpe. >>>>> hohe Drücke wenig Volumen b.) Strömungspumpe(=Kreiselpumpe) Kinetische Energie eines Schnelllaufenden Schaufelrades wird auf die Förderflüssigkeit übertragen z.B. Kreiselpumpe >>>>>> wenig Druck große Volumenmenge c.) Strahlpumpen Energieübertragung durch Impulsaustausch zwischen einem Schnellströmenden Medium und der Förderflüssigkeit >>>>> Injektorprinzip Dampfdüse Wasserzufluß Mischdüse Druckleitung Saughöhe einer Pumpe - hängt ab vom Druck auf dem Saugwasserspiegel Normalerweise >>> Luftdruck =1 bar ≈ 10m Wassersäule Praktische Saughöhe bei Luftdruck 6 bis 9 m ( d.h. Verluste müssen berücksichtigt werden ) Manfred Folberth 18 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Aufgabe Es soll Wasser aus Tiefe von 16m mit einer Pumpe gefördert werden . Wie kann man das Problem Lösen? Lösungen a.) Pumpe im Schacht tiefer setzen (z.B. 6m über Saugwasserspiegel ) b.) Druck auf Saugwasserspiegel erhöhen (z.B. Platte auf Schacht mit Druckluft beaufschlagen ) c.) Kreiselpumpe oder Kolbenpumpe mit Strahlpumpe kombinieren Kavitation = Hohlraumbildung Im Saugrohr und an den Radschaufelenden der Pumpen (auch Turbinen ) kann ein so starken unterdruck entstehen, dass der Siededruck des Wassers unterschritten wird. Es entstehen Dampfbläschen die an Stellen höheren Druckes schlagartig zusammen fallen. >> Folgen: - Geräusche und Erschütterungen - Die Leistung der Pumpe nimmt ab ( Dampfbläschen verursachen Querschnittsverengung ) - Wirkungsgrad wird schlechter - Erosion + Korrosion in den Holräume führt zur Zerstörung der Pumpe Vermeiden von Kavitation - Höhenlage des Laufrades über Saugwasserspiegel verringern - Konstruktive Maßnahmen an der Pumpe (z.B. Ansaugkanalform bzw. Laufräderform ändern ) - Saugleitungsquerschnitt vergrößern, und Druckleitung verkleinern ( evtl. Pumpenleistung herunterfahren ) Kreiselpumpen Mehrflutige Pumpe (mehrströmige) Pumpen werden durch geteilten Volumenstrom gleichzeitig (parallel) durchflossen. Vorteil: - Volumenstrom der Pumpen wird erhöht - Axialschub des Laufrades wird ausgeglichen Eine weitere Kenngröße für Kreiselpumpen ist die : - Spezifische Drehzahl nqN = n *V 1/ 2 H 3/ 4 n= Betriebsdrehzahl >>>>1/min V= Volumenstrom >>>>m3/s H= Förderhöhe >>>>m Pumpenkennfeld Betriebsverhalten einer Pumpe bei : - veränderlichen Volumenstrom - Förderhöhe ist für den Einsatz der Pumpe Wichtig : Pumpe wird vom Konstrukteur auf die Nenndaten - Volumenstrom VN - Nenn- Förderhöhe HN festgelegt Manfred Folberth 19 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Ermittlung der Drosselkurve : Volumenstrom am Austrittsstutzen wird gedrosselt Dann wird Volumenstrom und Förderhöhe =Druck gemessen Ermittelt man zu den einzelnen Messpunkten noch die Leistungsaufnahme und den Wirkungsgrad so erhält man drei wichtige Kennlinien: - Förderhöhe über Volumenstrom - Leistungsaufnahme über Volumenstrom - Wirkungsgrad über Volumenstrom bezogen auf Nenndaten. Betriebspunkt V=0 ( Drosselventil im Versuchsaufbau ganz geschlossen ) >>>> darf nur kurzzeitig gefahren werden . Grund: die gesamte aufgenommene Energie wird vollständig in Wärme umgesetzt Folge: Zerstörung der Pumpe Weicht der Betriebspunkt vom Auslegungspunkt ab, verschlechtert sich sofort der Wirkungsgrad. Reglung von V und H : > Pumpendrehzahl ändern Diagramm-Kennfeld zeigt Drosselkennlinien für verschiedene Drehzahlen Ablesebeispiel: Bei halber Pumpendrehzahl n/nN=0,5 hat die Pumpe halben Nennvolumenstrom V/VN =0,5 und ein Viertel der Nennförderhöhe H/HN Bei Pumpen mit : kleiner Leistung = Drosselreglung mittlerer Leistung = Drehzahländerung großer Leistung = Leitschaufelverstellung bzw. Flügelverdrehung (Kaplan-Pumpe) Verdrängerpumpen Unterscheidungsmerkmale a.)Bewegungsform - hin- und hergehende Bewegung ( oszillierend ) - drehende Bewegung des Verdrängers ( rotierend) b.)Gestaltung des Verdrängers Kolben, Zahnrad, Schraube, Rotor, Bei der Verdrängerpumpe wird statt der Förderhöhe der Pressdruck „p“ angegeben Spezifische Drehzahl wird wie bei Strömungspumpen: nqN = n *V 1/ 2 H 3/ 4 n= Betriebsdrehzahl >>>>1/min V= Volumenstrom >>>>m3/s H= Förderhöhe >>>>m Auswahlkriterien: - Eignung der Pumpe für das zu Fördermedium ( aggressiv, abrasiv, Viskosität) - Geräusche - Preis Manfred Folberth 20 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Berechnung des Volumenstromes a.) Kolbenpumpe V= d 2 * *h*n 4 V= Volumenstrom m3/s d= Durchmesser m h= Höhe m n= Drehezahl 1/s b.)Zahnradpumpe Volumenstrom für 2-rädige Paare V=2*A*b*z*n A= Zahnradfläche b= Breite des Zahnrades z= Zähnezahl n= Drehzahl >>>>>>>>> V=2*π*d*m*b*n Pumpenverhalten von Verdrängerpumpen - Volumenstromveränderung durch Drosselung an der Druckseite nicht möglich, Pumpe würde zerstört!!! Deshalb keine vollständig verschließbare Drosselorgane an der Druckseite einbauen. - Überdruckventil einbauen Reglung Baypaß-Regelung (Teilvolumenstrom wird an Druckseite entnommen u. im Saugbehälter zurück) Folge : hohe Betriebskosten, weil Pumpe ständig mit Nennleistung betrieben wird >>> Drehzahlreglung >>> Veränderung der Hubhöhe Ansaugverhalten Verdrängerpumpen sind selbstansaugend ( erzeugen eigenes Vakuum durch die Dichtheit der Elemente z.B. Kolbenzylinder ) Leistungsaufnahme p= p *V Watt p= in Pa N/m2 V= in m3 Manfred Folberth 21 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Instandhaltung Nach DIN 31051 = alle Maßnahmen zur Bewahrung und Wiederherstellung des Sollzustandes sowie zur Feststellung und Beurteilung des Istzustandes von technischen Mitteln eines Systems. - Der Gebrauchswert einer Anlage bzw. eines Systems wird durch den Abnützungsvorrat bestimmt. - Anlagen und Maschinen werden als Produktionsfaktor für die Abnützung gebaut. Ursachen für Frühausfällen - Konstruktionsmängel - Materialfehlern - Aggregatefehler - Montagefehler - Fertigungsfehler - Aufstellfehler - Transportfehler - Bedienerfehler - Falscher Einsatz (Umwelt) Schadensfolgekosten Stillsetzungskosten >>>> Kosten je Stillstand + Stillstandskosten >>>> Stillstandskosten je Stunde x Zeit + Wiederanlaufkosten >>>> kosten je Anlauf = direkte Folgekosten je Stillstand Ziele der Instandhaltung = Aufrechterhaltung der Bereitschaft von Maschinen und Anlagen . Strategische Ziele a.) - Höchste Sicherheit der Anlage : ohne Beachtung der Wirtschaftlichkeit wird gewartet, inspiziert, Teile getauscht z.B. Flugzeuge, Kernkraftwerke, Aufzüge, Kesselanlagen. Kontrolle: TÜV, DEKRA, Berufsgenossenschaft. b.) - Kostenoptimaler Betrieb einer Anlage gültig für Anlagen die auch bei mangelhafter Wartung keine Personen gefährden z.B. Automatisierte Anlagen ( verkapselt )Dreheautomaten…, Pumpen c.) – Hohe Sicherheit und Wirtschaftlichkeit Kombination aus Ziel a.) und Ziel b.) Anlage wird organisatorisch in zwei Teile geteilt: 1.) Sicherheitsteil ( wird gewartet, inspiziert, vorbeugend Teile getauscht) 2.) Rest der Anlage >>>> Kostenminimum z.B. Pkw In einem Betrieb soll die vorbeugende Instandhaltung eingeführt werden. Welche Schritte sind zu tun? a.) Ermittlung von Ursachen und Häufigkeit von Betriebsunterbrechungen b.) Planung der vorbeugende Instandhaltung nach den Erkenntnissen von a.) Manfred Folberth 22 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Tribologie ( Reibung ) = Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in Relativbewegung Tribologie beschäftigt sich mit: - Reibung - Schmierung - Verschleiß Die Gesamtheit aller Einflussfaktoren auf eine Tribologische Beanspruchung wird im: Tribologischen System definiert. Technische Grundlagen der Triobtechnik 1.) Die drei Phasen der Reibung Festkörperreibung Mischreibung Verschleiß Flüssigkeitsreibung 2.) Striebeck-Kurve gibt den Verlauf der Reibungsphasen eines geschmierten Maschinenelementes wider f = μ Reibung n = Drehzahl nü = Übergangsdrehzahl Beschreibung : - Drehezahl = Null V=0 Haftreibung hoch - mit zunehmender Drehezahl setzt sich Öl zwischen Welle und Lager : f wird kleiner (Mischreibung) - bei nü = Übergangsdrehezahl = Übergang von Mischreibung in Flüssigreibung = hydrodynamische Reibung - da Flüssigkeitsreibung geschwindigkeitsabhängig ist steigt die Reibungszahl „f“ bei weiterer Zunahme der Drehezahl „n“ wieder an - Folge >>>>> Erwärmung des Öles und der Bauteile - Betriebsdrehzahl sollte weit von Übergangsdrehzahl entfernt sein Vermeidung des Mischreibungsgebietes durch: Hydrostatische Schmierung ( mittels Ölpumpe wird Drucköl im Lager bzw. Maschinenbett gepumpt u. somit Lager bzw. Maschinenbett vor dem Lauf angehoben) - bei Wälzlager u. Zahnrädern baut sich beim Betrieb Ölfilm bzw. Fettfilm auf, der einem tragendem Ölfilm ergibt. Drücke bis 1000 bar >>> dadurch höhere Zähigkeit des Öls >>bessere Tragfähigkeit. Wichtige Kenngröße : 1.) Viskosität = Zähigkeit= innere Reibung einer Flüssigkeit a.) Dynamische Viskosität ( auch scheinbare Viskosität genant) b.) Kinematische Zähigkeit Viskositätsklassen - Einteilung erfolgt nach der Kinetischen Viskosität - Nennviskosität bezieht sich auf die Bezugstemperatur Von 40C0 Industrieschmieröle werden in 20VG (viscosity grade) Motorenöle nach SAE Werden in 10 Klassen eingeteilt Mehrbereichsöle: erfüllen bei tieferen Temperaturen die Forderungen der W-Klassen und bei 1000C die Viskosität ohne W z.B. SAE 10W-40 Grenztemperatur -250C Viskosität bei 1000C 12,5- 16.2 mm2/s Manfred Folberth 23 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Hydraulik-Öle HL- mit Wirkstoffen zum Korrosions- u. Alterungsschutz HLP mit Antiverschleißzusätzen ( bei Einsätzen über 200 bar) TBB. 337 Viskositäts- Temperatur- Verhalten tiefe Temperaturen >>> hohe Viskosität hohe Temperaturen >>> niedrige Viskosität Verschmutzung durch Gase durch Flüssigkeiten (z.B. Wasser, Kraftstoff) durch Feststoffe ( z.B. Staub, Abrieb) >>>> bewirken Verschleiß an Bauteile und Lebensdauerminderung Alterung durch Oxidation durch Additivabbau durch hohe Temperaturen >>>> wirken sich negativ auf die Schmierfähigkeit aus. Schmierfette = halbflüssige oder pastös- feste Schmierstoffe TBB 174 Einsatz - Schmierstoffbedarf gering - Wärmeableitung nicht erforderlich Schmierfette bestehen zu 80-90% aus Mineralöl bzw. synthetische Öle 10-20% Quellungsmitteln (Seife) Quellungsmittel verhalten sich wie ein Schwamm, der Öl erst bei einer gewissen Belastung abgibt. Konsistenz - Einteilung ( Erscheinungsform) = Zähigkeit = Walkpenetration NGLI-Klassen 000>>> sehr dünnflüssiges fließendes Fett 00 3>>> mittelfestes Fett 6>>> festes Fett K Beispiel: Schmierfett K3P-15 3 P Schmierfett für Lager Walkpenetration 220-250 obere Gebrauchstemp +1600C untere Gebrauchstemp. -150C TBB 174 Sonstige Schmierstoffe Feststoffe: - Grafit ( als Pulver oder Paste) - Molybdänsulfit Gebrauchstemperatur -1800C- 4500C - Polytetraflurethylen (PTFE) Pulverform und synthetischen Schmierstoffen als feste Schicht Mineralölemulsionen : als Kühlschmiermittel Manfred Folberth 24 Industriemeister IMGR00T BETRIEBSTECHNIK Fördertechnik Aufgabe : - Bewegen u. Lagern von Gütern - Befördern von Personen über begrenzten Strecken Fördertechnik Fördermittel ( innerbetrieblicher Transport ) Anwendungstechnik z.B. Materialflusstechnik Lagertechnik Fördermittel Unstetigförderer Hubförderer Stetigförderer Flurförderer Zweck von Fördermitteln : - Arbeitserleichterung - Schnelle Bereitstellung Waren, Gütern, Teile - Verbesserung von Arbeits- u. Materialfluss - Durchlaufzeiten in der Fertigung senken - Automatische Zuführung von Teile zur Montagelinie Ausmusterung von Seilen Begriff: Ablegereife a.) Kranseil : wenn der Ist-Durchmesser vom Nenndurchmesser 10% reduziert ist b.) Anschlagseil : wenn aufeine Messstrecke 6x d und mehr Drahtbrühe c.) Hebeband = 10% Manfred Folberth 25
