HTW Dresden(FH)

HTW Dresden
V-SM1
Lehrgebiet Strömungsmaschinen
Praktikum Kreiselpumpenprüfstand
1. Einführende Erläuterungen
Kreiselpumpen sind Arbeitsmaschinen zur Förderung von Flüssigkeiten, die aber
auch Gase und Feststoffe enthalten können. Sie führen dem Fördermedium nutzbare
Geschwindigkeits- und Druckenergie zu. Die erste Kreiselpumpe baute der
französische Physiker Denis Papin 1689.
An zwei einfachen Gartenpumpen sollen das Betriebsverhalten von einzelnen
Kreiselpumpen und das Betriebsverhalten zweier Pumpen bei Reihen- und
Parallelschaltung ermittelt und anschaulich dargestellt werden.
1.1.
Aufbau der Kreiselpumpe
Die Pumpenaggregate bestehen aus einem Elektromotor von 900 bzw. 800W
Maximalleistung und einer einstufigen Radialpumpe (Abströmrichtung ist radial), die
direkt mit dem Elektromotor gekoppelt ist (Blockausführung). Der Aufbau der
Pumpen ist aus Bild 1 sowie aus den Originalteilen einer zerlegten Pumpe ersichtlich.
Kritisch zu beachten ist die Abdichtung der Pumpenwelle, welche Ursache für den
Ausfall der zerlegten Pumpe war. Die Pumpen sind einfach gestaltet und werden als
Massenprodukt gefertigt. Die Bestimmung des Wirkungsgrades erfolgt aufgrund der
Blockausführung als Gesamtwirkungsgrad einschließlich Elektromotor.
Druckstutzen
Manometer
Motor
Tachogenerator
Saugstutzen
Induktiver
Druckaufnehmer
Bild 1: Anordnung einer Kreiselpumpe am Prüfstand
Vom Hersteller werden folgende Leistungsdaten angegeben:
Netzanschluss 230 V,~ 50 Hz;
maximale Förderhöhe 42 bzw. 45m;
Stromaufnahme 3,6 A;
maximaler Förderstrom
2,5 bzw.
Leistungsaufnahme 900 W bzw. 800W;
2,2 m³/h;
Nenndrehzahl
2800 min-1;
maximale Wassertemperatur 35 °C;
Ziel dieses Praktikums ist es, die Kennlinien der zwei Kreiselpumpen zu bestimmen.
Die dimensionsbehafteten Kennlinien von Kreiselpumpen werden über zwei
charakteristischen Größen aufgetragen. Dies sind der geförderte Volumenstrom und
die Förderhöhe. Der Prüfstand ist so aufgebaut, dass es möglich ist den
Volumenstrom direkt abzulesen und die Förderhöhe der Pumpe zu berechnen. Die
Messungen am Prüfstand erfolgen computergestützt.
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Ablauf:
Entsprechend der zu untersuchenden Schaltung:
Datei öffnen (Desktop)
Ventile am Versuchsstand öffnen bzw. schließen nach Anleitung
Ventil 3 dient zum Verstellen des Volumenstroms. Zu Beginn Ventil 3
schließen, so dass die Volumenstromanzeige (Versuchsstand) Null anzeigt.
4.
Leistungsmesser anschließen.
5.
Die zu untersuchende Pumpe1, Pumpe2 oder beide am Versuchstand
einschalten.
Die Pumpen brauchen 30 Sekunden bis sich die Werte richtig eingestellt
haben. Dann kann mit den Messungen begonnen werden.
6.
Labview starten.
1.
2.
3.
7.
Bild 1:
Die Elektrische Leistung am Versuchsstand(Leistungsmesser) ablesen und in
das Eingabefeld eintragen.
8.
Bild2: Eingabefeld für die elektrische Leistung
Durch das Betätigen des Schalters „ Messen“ werden Daten berechnet und in
einer Tabelle und Diagrammen aufgenommen.
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12.
Bild3: Schalter „Messen“
Volumenstrom am Ventil 3 erhöhen.
Schritte 7. bis 9. mehrmals (mind. 10 Stellungen) wiederholen bis Ventil 3
ganz offen ist.
Nachdem alle Werte aufgenommen sind, Excel über die Schaltfläche „Excel“
öffnen.
Es öffnet sich eine Mappe mit der Tabelle, die in Labview aufgenommen
worden ist. Die Excel-Mappe ist durch einen eigenen Namen abzuspeichern.
Programm in Labview durch die Schaltflächen „Stopp“ beenden.
Bild4: Stoppen durch Schalter auf Frontpanel
Bild5: Stoppen durch Schalter in der Menüleiste
Nächste Pumpenschaltung am Desktop aufrufen.
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Schwebekörperdurchflußmesser
Ventil6
p d2
p s2
Ventil3
Ventil2
Ventil5
Pumpe2
p s1
p d1
Anschluß für externe
Erweiterung
Ventil4
Ventil1
z2
Pumpe1
z1
p0
PrallPlatte
Induktiver
Durchflußmesser
Ansaugsiebventil
Pumpensumpf
Bild 2: Schaltung des Prüfstandes
1.2.
Messtechnik
Volumenstrom
Zur Messung des Volumenstromes kommt ein induktiver Durchflussmesser der Firma
TURBO-Werk Messtechnik GmbH vom Typ MG 711/H in Kunststoffausführung zum
Einsatz. Ein Messumformer vom Typ PC2-A versorgt den Durchflussmesser mit der
notwendigen Speisespannung. Das Prinzip der Messung beruht auf zwei in der
Rohrströmung befindlichen Zylindern zwischen denen ein Magnetfeld aufgebaut wird.
Durch dieses fließt das Wasser (elektrisch leitendes Fluid). Die vorhandenen Ionen
der Flüssigkeit schneiden die Feldlinien und erzeugen eine Induktionsspannung,
welche umgerechnet als Volumenstrom angezeigt wird.
Drucksensoren
Zur Bestimmung der Drücke werden induktive Druckaufnehmer der Firma VDO
Industriemesstechnik GmbH eingesetzt. Bei induktiven Druckmessern wird durch den
anliegenden Druck eine Membran gedehnt. Es resultiert ein Messhub, der einen
Weicheisenkern im Innern einer Spule bewegt. Die sich dadurch verändernde
Induktivität der Spule ist ein direktes Maß für den an der Membran anliegenden
Druck. Es kommen insgesamt 5 Druckaufnehmer zum Einsatz, jeweils zwei
Druckaufnehmer auf den Saug- und Druckseiten der beiden Pumpen sowie ein
Aufnehmer in der gemeinsamen Rückflussleitung. Die Druckaufnehmer werden von
digitalen Anzeigegeräten mit Spannung versorgt und geben ein Spannungssignal an
diese zurück. Diese Geräte verarbeiten das Signal und zeigen den Druck an.
Die Drehzahl
Unter der Drehzahl einer Pumpe versteht man die Drehzahl der Pumpenwelle bzw.
der Pumpenkupplung. Bei den eingesetzten Kreiselpumpenaggregaten ist der
Elektromotor direkt mit der Pumpe verbunden, das heißt die Drehzahl der
Pumpenwelle und des Elektromotors sind gleich. Kennlinien von Kreiselpumpen
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müssen immer für eine bestimmte Drehzahl ermittelt werden. Die Drehzahl der
Elektromotoren ist jedoch lastabhängig und ändert sich während der Messung. Es ist
ohne Drehzahlregelung nicht möglich, die Drehzahl während des Betriebes konstant
zu halten. Deshalb müssen zur Bestimmung der Pumpenkennlinien die Parameter
auf die Nenndrehzahl umgerechnet werden. Die Nenndrehzahl nN beträgt 2800min-1.
Die Drehzahlen der Pumpen werden über zwei Tachogeneratoren gemessen. Diese
sind direkt an den Motorwellen angeflanscht. Die Tachogeneratoren liefern eine
Wechselspannung, die sich proportional zur Drehzahl ändert. Die Drehzahl „n“
errechnet sich über folgende Beziehung:
n = U · 1735 / 15 [n in min-1; U in V]
2. Einzelschaltung der Pumpe 1 bzw. Pumpe 2
Bei der Einzelschaltung der Pumpen werden jeweils 10 Messwerte erfasst. Druck auf
Saug- und Druckseite der Pumpe, Drehzahl, Volumenstrom und Leistung.
2.1. Berechnung der Pumpenparameter
Um die Eigenschaften von Pumpen zu verdeutlichen und darzustellen, werden im
Allgemeinen die Förderhöhe, die Förderleistung und der Wirkungsgrad benötigt. Am
Kreiselpumpenprüfstand werden die verschiedenen Volumenströme durch
Drosselung am Ventil 3 in der druckseitigen Pumpenanlage eingestellt.
Die folgenden Berechnungen und Formeln orientieren sich an der rechentechnisch
gestützten Aufnahme und Auswertung der Messwerte. Die Formeln für die
Rechenergebnisse werden als Zahlenwertgleichungen dargestellt, so dass nur noch
die erfassten Messwerte eingesetzt werden müssen. Sämtliche Umrechnungen von
Einheiten sind bereits berücksichtigt.
Die Dichte „“ für Wasser mit einer Temperatur von 20 °C betrage 1000 kg/m³.
2.2. Die Förderhöhe einer Kreiselpumpe
Die Förderhöhe einer Kreiselpumpe ist ein Maß für die auf die Förderflüssigkeit
übertragene mechanische Arbeit. Sie kann als die Differenz der spezifischen Energie
zwischen Saug- und Druckstutzen der Pumpe, dividiert durch die Erdbeschleunigung
definiert werden.
Bei der Berechnung der Nutzförderhöhe Hn ist darauf zu achten, dass alle Anteile
richtig erfasst werden.
Bild 3: Kennlinie einer Kreiselpumpe (oben) und einer Rohrleitung (unten) mit dem
Arbeitspunkt
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Das sind:
Hp, berechnet aus der Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckstutzen,
Höhendifferenz z , zwischen den Druckmessstellen Saug- und Druckstutzen
(wird in der Berechnung nicht berücksichtigt)
Geschwindigkeitshöhe Hq, berechnet aus der Differenz der Geschwindigkeiten
im saug- bzw. druckseitigen Messquerschnitt.
Für die Nutzförderhöhe gilt:
pD  pS c2D  cS2
H n  H p  H q  z 

 z
g
2g
D – Druckstutzen
S – Saugstutzen
(1)
2.3. Die Leistung
Die theoretische Förderleistung „P“ ist die von der Pumpe auf den Förderstrom „Q“
(Volumenstrom  übertragene nutzbare Leistung. Sie wird aus den auf die
Nenndrehzahl umgerechneten Werten des Förderstromes und der Förderhöhe
berechnet
PKus = * g* *Hn
(2)
2.4. Der Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis aus isentroper Förderleistung und
Leistungsaufnahme des gesamten Aggregats.
P
 = Kus
(3)
PElktr.
3. Parallelschaltung der Pumpen 1 und 2
Sollen die Pumpen 1 und 2 parallel betrieben werden, müssen die Ventile 1, 2, 3, 4
und 6 geöffnet werden, das Ventil 5 muss geschlossen sein. Beide Pumpen fördern
dann in eine Druckleitung. Der Förderstrom der beiden Pumpen addiert sich,
während die Druckerhöhung und damit die Änderung der Förderhöhe „H“, im
Vergleich zur Einzelschaltung, gleich bleiben. Da beide Pumpen stabile
Drosselkurven und annähernd gleiche Nullförderhöhen besitzen, ist ein
Parallelbetrieb problemlos möglich.
Zur Ermittlung der Kennlinien für die Parallelschaltung werden die beiden Drücke auf
den Saugseiten der Pumpen, der Gesamtdruck, beide Drehzahlen, die
Gesamtleistungsaufnahme sowie der Gesamtvolumenstrom aufgenommen.
Da der Volumenstrom und die Leistung nur für beide Pumpen zusammen
aufgenommen werden können, werden bei der Berechnung der Parameter zur
Ermittlung der Kennlinien beide Pumpen als ein Aggregat betrachtet. Aus diesem
Grund werden aus den beiden Drücken auf der Saugseite, den beiden Drehzahlen
sowie den Höhenunterschieden zwischen Gesamtdruckaufnehmer und den
Druckaufnehmern auf beiden Saugseiten, Mittelwerte gebildet.
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4. Reihenschaltung der Pumpen 1 und 2
Bei der Reihenschaltung beider Pumpen müssen Ventil 1, 3, 5 und 6 geöffnet sowie
Ventil 2 und 4 geschlossen sein. Die Pumpe 1 saugt aus einer gemeinsamen Leitung
an und bringt den Förderstrom zur Saugseite der Pumpe 2, an der somit ein
Überdruck anliegt. Der Gesamtdruck, und damit die Förderhöhe, werden im
Verhältnis zur Einzelschaltung bei gleichem Förderstrom etwa verdoppelt, während
die Volumenströme etwa denen der Einzelschaltung entsprechen. Zur Ermittlung der
Kennlinien für die Reihenschaltung werden jeweils die Drücke auf der Ein- und
Austrittsseite
beider
Pumpen,
die
Drehzahlen
beider
Pumpen,
die
Gesamtleistungsaufnahme und der gesamte Volumenstrom aufgenommen. Beide
Pumpen werden wiederum als ein Aggregat betrachtet.
5. Aufgabenstellung
1. Zeichnen sie die aufgenommenen Kennlinien in ein Exceldiagramm (FörderhöheVolumenstrom (H-Q), Wirkungsgrad- Volumenstrom (-Q) und isentrope
Förderleistung- Volumenstrom PKus -Q). Erläutern und diskutieren Sie die
Diagramme.
2. Wie kann man mit diesen Daten die Auswahl einer Pumpe für eine
Aufgabenstellung vornehmen?
3. Welche Angaben einer Kreiselpumpe muss man unbedingt kennen, um sie für eine
Aufgabe einzusetzen?
4. Was ist Kavitation und wann spricht man von Kavitation an Kreiselpumpen?
5. Welche Medien werden mit Laufrädern gefördert die nur eine Schaufel besitzen?
6. Wie werden große Förderhöhen mit Kreiselpumpen erreicht?
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