Auslegung von Rohrleitungen in Pumpensystemen - Initiative ...

Auslegung von
Rohrleitungen
in Pumpensystemen
Einführung zur Auslegung von Rohrleitungssystemen +
Strömungsgeschwingigkeit und Leistungsbedarf +
Wahl des Rohrleitungsdurchmessers

Einführung zur Auslegung von
Rohrleitungssystemen.
Die Frage, welche Kosten ein Pumpensystem über seine Lebensdauer
verursacht, hängt ganz wesentlich von einer anforderungsgerechten
technischen Auslegung ab. Am Anfang steht die Festlegung
des technischen Prozesses. Aus diesem leitet sich ein Bedarf
an verfahrenstechnischen Apparaten und Behältern ab. Durch
die geforderten Drücke und Volumenströme der Systemkomponenten
und die räumliche Aufstellung derselben ergibt sich eine
Förderaufgabe. Für die Feinplanung ist es nun sinnvoll, jeweils
Anlagenabschnitte zwischen zwei Apparaten oder Behältern als
Einzelsystem zu betrachten. Die dem System von außen aufgegebene
Transport- bzw. Druckerhöhungsaufgabe kann nun in verschiedenen
Varianten umgesetzt werden. Dabei sind ein Rohrleitungsdurchmesser
und eine Regelstrategie festzulegen. Beide zusammen
haben Einfl uss auf den Leistungsbedarf und die geeignete
Bauform der Pumpe.
Förderhöhe
Bei Pumpensystemen ist es üblich, anstelle von Drücken mit so
genannten „Druckhöhen“ zu rechnen. Die Förderhöhe einer Pumpe
kann im Gegensatz zum Förderdruck für eine Drehzahl und
einen Förderstrom unabhängig von der Dichte des Förderguts angegeben
werden. Der statische Druck und die kinetische Energie
der Flüssigkeit lassen sich nach folgenden Formeln in eine Druckhöhe
bzw. Geschwindigkeitshöhe umrechnen:
Druckhöhe [m]
Geschwindigkeitshöhe [m]
=
=
Druck [bar] * 100
Dichte [kg/I] * Fallbeschleunigung [m/s 2 ]
(Strömungsgeschwindigkeit [m/s] 2
2* Fallbeschleunigung [m/s 2 ]
Die Fallbeschleunigung (Erdanziehungskraft-Konstante) beträgt in
unseren Breitengraden etwa 9,81 m / s2 .
EnergieEffizienz lohnt sich
Die verfahrensbedingte Förderhöhe, die das Pumpensystem
erbringen muss, ergibt sich aus der Differenz der Druckhöhen, der
Geschwindigkeitshöhen und der geodätischen Höhen (Höhe über
N.N.) am Ein- und Austritt des Anlagenabschnittes.
H
=
p aus — p ein
ρ* g
2 2
U — Uein
aus
+ + (z — z )
aus ein
2* g
p = Druck, ρ = Dichte, g = Fallbeschleunigung, U = Strömungsgeschwindigkeit,
z = geodätische Höhe
Welche dieser Einfl ussgrößen am Wichtigsten ist, hängt ganz von
der Aufgabe des Pumpensystems ab. Soll ein unter Druck stehender
Dampfkessel gespeist werden, ist der erste Term der Formel entscheidend,
bei einer Feuerwehrpumpe die aus einem großen, offenen
Tank ansaugt und am Ende des Schlauchs einen möglichst langen
Strahl erzeugen soll, der mittlere und bei einer Pumpe, die ein
hochgelegenes Wasserreservoir befüllt, der letzte Term.
2

Strömungsgeschwindigkeit und
Leistungsbedarf.
Der zweite Aspekt der Förderaufgabe ist der Förderstrom, der meistens
in Kubikmetern pro Stunde angegeben wird. Die hydraulische
Leistung, die der betrachtete Anlagenabschnitt erbringen muss,
ergibt sich aus dem Produkt von Förderhöhe, Förderstrom, Dichte
und Fallbeschleunigung. Rechnet man mit den praxisüblichen Einheiten
kg/ l für die Dichte , m3 / h für den Förderstrom Q und m für
die Förderhöhe H, so ergibt sich die hydraulische Systemleistung
P in kW:
P
=
Der Rohrleitungsdurchmesser hat einen erheblichen Einfl uss auf
die späteren Energiekosten und sollte daher möglichst optimal
festgelegt werden. Je größer der Durchmesser, desto geringer die
Energiekosten. Er kann aber auch nicht beliebig groß gewählt werden,
da mit steigendem Durchmesser die Investitions- und Montagekosten,
die Verweilzeit des Produktes in der Rohrleitung und im
diskontinuierlichen Betrieb die Restmengen bei Rohrleitungsentleerung
oder Produktwechsel zunehmen. Einen ebenfalls nicht zu
vernachlässigen Einfl uss hat die Rohrrauhigkeit. Zur Minimierung
der Lebenszykluskosten sollten auf jeden Fall Vergleichsrechnungen
mit Rohren unterschiedlicher Qualitäten angestellt werden.
Ccip Cqu Cd
Cin Co Cs
Cic
Cm
ρ* Q* H
367
Wahl des Rohrleitungsdurchmessers.
Ce
EnergieEffizienz lohnt sich
Cenv
Die im realen Pumpensystem tatsächlich benötigte Leistung ist
immer größer als die theoretische hydraulische Leistung, da an verschiedenen
Stellen im System Energieverluste auftreten. So erzeugt
die Strömung in der Rohrleitung Reibungsverluste. Diese sind umso
größer, je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist. Wählt man
für einen gegebenen Förderstrom einen kleineren Rohrleitungsdurchmesser,
nehmen die Strömungsgeschwindigkeit damit auch
die Energieverluste zu. Und zwar erheblich: Sie steigen in etwa in
vierter Potenz mit dem Kehrwert des Durchmessers!
Ein gutes Hilfsmittel für die Abschätzung des Leistungsbedarfs und
die Ermittlung eines geeigneten Durchmessers sind Rohrreibungsdiagramme.
Diese fi ndet man in Standard-Tabellenwerken von
Fachverlagen, oder DVGW- bzw VDI-Richtlinien. Sie sind für unterschiedliche
Rauhigkeitsklassen und Fördergüter erhältlich. Aus
ihnen kann der Druckverlust als Funktion von Durchfl uss und Leitungsdurchmesser
unmittelbar abgelesen werden. Für Reibungsdiagramme
wird meistens die doppelt-logarithmische Darstellung
gewählt. Da der Druckverlust über einen weiten Strömungsbereich
im Quadrat zur Strömungsgeschwindigkeit bzw. in vierter Potenz
zum Durchmesser zunimmt, ergeben sich in dieser Darstellung
geradlinige Kurvenverläufe.
Um die Druckverluste der Armaturen einzubeziehen, werden diese
wie ein virtuelles Stück Rohrleitung betrachtet, welches den gleichen
Strömungswiderstand hat. Dafür müssen zunächst die äquivalenten
Längen ermittelt werden. Diese sind teilweise in Katalogen
zu fi nden, so dass auf diese Weise der Druckverlust eines ganzen
Rohrleitungssystems mit Hilfe von Reibungsdiagrammen ermittelt
werden kann.
3

Druckabfall in neuen Graugussrohren (Wasser 20°C)
Druckverlusthöhe [m pro 100 m Rohr]
100
50
20
10
5
2
1
0,5
0,2
0,1
0,05
0,02
0,01
0,5
15
Volumenstrom Q [m?/h]
Komplexere Rohrleitungssysteme sollten zunächst gedanklich in
ihre Bestandteile zerlegt werden, wie zum Beispiel gerade Rohrabschnitte
gleichen Durchmessers, Krümmer, Armaturen, Einbauten,
etc. Diese können dann rechnerisch wie Widerstände in elektrischen
Stromkreisen behandelt werden. Der Widerstand eines
Bauteils ist dann der Druckverlust geteilt durch das Quadrat des
Volumenstroms:
Widerstände als „Ersatzschaltbild für ein System mit parallelen Rohrleitungen“
Bei bestehenden Anlagen, die umgebaut oder für neue Betriebsbedingungen
optimiert werden sollen, kann experimentell eine
Widerstandskennlinie aufgenommen und der Netzwiderstand daraus
ermittelt werden. Für neue Planungen wird dieser aus in Literatur
und Katalogen erhältlichen Widerstandsbeiwerten berechnet.
In der Praxis werden bei der Berechnung von Rohrleitungssyste-
20
25
U = 0,4 m/s
R 1 R 2 R n
EnergieEffizienz lohnt sich
32
0,5
0,4
40
0,6
0,8
50
1,0
1,25
U = 5,0 m/s
34,0
3,5
2,5
2,0
1,5
65
80
100
125
150
175
200
250
Der Gesamtwiderstand in Reihe geschalteter Widerstände ergibt
sich aus der Summe der Einzelwiderstände, der von parallelen
Rohrleitungsabschnitten aus dem Kehrwert der Quadratwurzel der
Kehrwerte der Einzelwiderstände:
R
Rohrdurchmesser [mm]
300
350
400
1 2 5 10 2 5 10 1 2 5 10 2 2 5 10 3 2 5 10 4
=
1
√R ges
500
600
700
800
∆ ρ
Q 2
1
= +
√R 1
900
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1
√R 2
+
...
Strömungsgeschwindigkeit [m/s]
men auch oft zunächst die längenbezogenen Größen spezifi scher
Druckverlust p/ l und spezifi scher Widerstand R/ l ermittelt, um diese
später mit der entsprechenden Gesamtlänge einzelner gleichartiger
Rohrabschnitte zu multiplizieren.
1
√R n
4

Anlagenkennlinien
Die von der Pumpe aufzubringende Förderhöhe ergibt sich aus
dem verfahrensbedingten Anteil und den Verlusten im Rohrsystem.
Ersterer ist, wenn man von der Geschwindigkeitsdifferenz an den
Systemgrenzen absieht, statisch, also vom Förderstrom unabhängig.
Letzter nimmt in etwa mit dem Quadrat des Förderstroms zu.
Die Überlagerung von beiden lässt sich als Anlagenkennlinie
im Q/ H-Diagramm darstellen.
Anlagenkennlinien im Q/ H-Diagramm
Förderhöhe (Druck) H
Je kleiner der Rohrleitungsdurchmesser, desto steiler die Kennlinie.
Auch die Drosselung eines Ventils bewirkt, dass der Netzwiderstand
an dieser Stelle höher wird und die Anlagenkennlinie entsprechend
steiler. Den gleichen Effekt hat ein Filter, der sich nach und
nach zusetzt, nur eben viel langsamer. In allen drei Fällen nehmen
die Druckhöhenverluste in der Rohrleitung zu, während die statische,
an der Systemgrenze nutzbare Förderhöhe konstant bleibt.
Das heißt, die Anlage wird ineffi zienter.
Betriebspunkte und Regelstrategie
Damit das Fördermedium in der gewünschten Geschwindigkeit
durch die Rohrleitung fl ießen kann, muss eine Pumpe jeweils die
aus der Anlagenkennlinie ersichtliche, dazugehörige Förderhöhe
aufbringen. Der maximal benötigte Förderstrom und die entspre-
EnergieEffizienz lohnt sich
Förderströme Q
Zunehmender Widerstand
statischer Anteil
chende Förderhöhe defi nieren zusammen den Auslegungs-
Betriebspunkt. Beide sollten bei der Planung so exakt wie möglich
festgelegt werden. Übertriebene Sicherheitszuschläge sind nicht
sinnvoll. Neben dem Volllast-Betriebspunkt kann es je nach Prozessanforderungen
auch noch weitere Teillast-Betriebspunkte geben,
auf die das System auszulegen ist. Möglicherweise ist es sinnvoll,
mit mehreren parallelen oder in Reihe geschalteten Pumpen zu
arbeiten. Manche Regelstrategien beruhen auf einer Manipulation
der Anlagenkennlinie, wie zum Beispiel der Einsatz eines Regelventils.
Weitere Hinweise hierzu fi nden sich im Infoblatt „Auswahl
und Regelung von Pumpen und Pumpensystemen“. Da die Betriebspunkte
für die die Pumpe auszulegen ist, von der gewählten Regelstrategie
abhängen, ist es wichtig, diese vor Auswahl der Pumpe
festzulegen.
5

Kampagne „Energieeffi ziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffi ziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
Partner
Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffi zienz. Die Initiative Energie-
Effi zienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft
EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi).
Eine Initiative von
Sulzer Pumps
Sind Sie an der Kampagne „Energieeffi ziente Systeme in Industrie und Gewerbe“
interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
Die Kampagnenleitung erreichen Sie zum Beispiel per E-Mail unter:
info@system-energieeffi zienz.de
Oder Sie füllen auf der Internetseite www.system-energieeffi zienz.de
das Formular unter der Rubrik „Kontakt“ aus.
Impressum:
Informationsblätter zu
Pumpensystemen
Herausgeber:
Deutsche Energie-Agentur GmbH
(dena)
Energieeffi zienz im
Elektrizitätsbereich
Chausseestraße 128a, 10115 Berlin
Kontakt:
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 600
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 699
E-Mail: info@dena.de
Internet:
www.system-energieeffi zienz.de
www.dena.de