Kreiselpumpen. Die Verbesserung und Weiterentwicklung ihres Prüfprozesses

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Formelzeichen und Indizes

1. Einleitung

2. Theoretische Grundlagen
2.1 Pumpentheorie
2.2 Berechnung der Förderhöhe
2.3 Berechnung der Leistung
2.4 Bestimmung der Wellenleistung PW über die elektrische Leistung Pel
2.5 Berechnung des Pumpenwirkungsgrads
2.6 Normierung der Prüfergebnisse
2.7 Berechnung des NPSHerf-Wertes der Pumpe

3. Beschreibung des vorhandenen Pumpenprüfstandes
3.1 Schematischer Aufbau des Prüfstandes
3.2 Manuelle Messmethode - aktueller Ist-Zustand-
3.3 Beispiel Auswertung - Messung Aufnahme manuell-
3.4 Mängel des aktuellen Prüfstandes

4. Erstellung des Lastenheftes
4.1 Definition Lastenheft und Pflichtenheft nach DIN 69901-01
4.2 Erstellen des Lastenheftes für das Prüfstand

5. Prüfung der Einsatz von Normen und Richtlinien an dem Prüfstand
5.1 Übersicht der geltenden Normen für das Prüfstand
5.2 Anwendung Maschinenrichtlinien für den Beispielprüfstand
5.3 Prüfung des Prüfstandes auf DIN und CE Konformität

6. Risiko und Gefährdungsbeurteilung

7. Varianten und technische Lösungsansätze
7.1 Variante 1 mit technischen Lösungsansätze
7.2 Variante 2 mit technischen Lösungsansätze
7.3 Variante 3 mit technischen Lösungsansätze
7.4 Erstellen einer Nutzwertanalyse für die ausgewählten Varianten
7.5 Prozessverbesserung durch Erreichung von Soziale Ziele und Umwelt Ziele
7.6 Prozesszuverlässigkeit und Prozessqualität
7.7 Ideale Prüfprozessablauf

8. Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungen/Tabellen

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formelzeichen und Indizes

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

In dieser Projektarbeit wird ein Prüfstand für Kreiselpumpen anhand des vorhandenen Prüfstandes beschrieben und die Verbesserungspotenziale aufgeführt. Hierbei soll der Prüfprozess verbessert und weiterentwickelt werden. Dabei wird der Prüfprozess bzw. der Prüfvorgang analysiert und die Entwicklungs- sowie die Verbesserungsmöglichkeiten des Prüfstands dargestellt. Um analytisch und strukturiert vorzugehen, wird eine IST-Analyse an dem vorhandenen Prüfstand durchgeführt. Aus der IST-Analyse werden die Weiterentwicklungspotenziale erklärt und dargestellt. Zusätzlich soll am Prüfstand überprüft werden, ob die vorgeschriebenen bzw. die aktuelle Norm DIN EN ISO 9906 eingehalten wird und die Anforderungen im Hinsicht auf CE-Konformität erfüllt sind.

Die Projektarbeit wird unter den folgenden drei Bewertungskriterien^[1] ausgeführt:

- Umweltkriterien: Ressourcenschonung sowie max. Reduzierung von Umwelteinflüssen.
- Soziale Kriterien: Gestaltung des Arbeitsplatzes unter Berücksichtigung von Arbeitsschutz und Ergonomie. Im Rahmen dieser Arbeit werden nur die Verbesserungsmöglichkeiten beschrieben.
- Technologische Kriterien: Verbesserung und Weiterentwicklung des Prüfprozesses und automatisierte Auswertung der Messergebnisse bezogen auf die Messerfassung und Optimierung von Rüstzeiten.

Durch die Darstellung des IST-Zustandes wird besonders auf die Anforderungen an die Prüftechnologien eingegangen. Nach den entsprechenden DIN Normen und der Richtlinien für die Arbeitsplatzgestaltung, so wie die Kreiselpumpen Abnahmeprüfungs-Norm und die CE-Konformität für die Anlage überprüft.

Unter der Berücksichtigung verschiedene technologische Varianten bzw. Gestaltungsmöglichkeiten wird eine Nutzwertanalyse durchgeführt. Weitere Vertiefungen und Umsetzung dieser Arbeit werden im Rahmen einer Masterarbeit durchgeführt.

2. Theoretische Grundlagen

Zum besseren Verständnis der folgenden Kapitel, insbesondere der Messabläufe und der daraus entstehenden Programmstrukturen, wird in diesem Abschnitt auf die Grundlagen der einzelnen Messgrößen näher eingegangen.

2.1 Pumpentheorie

Zur globalen Übersicht sind alle relevanten Pumpenkennlinien in einem Diagramm -siehe Abbildung 2.1- dargestellt. Die Werte der Förderhöhe H, des Leistungsbedarfs P, des Wirkungsgrades η und des NPSHerf -Wertes wurden bei einer konstanten Wellendrehzahl n und schrittweise verändertem Förderstrom aufgenommen.

Hieraus werden die Kausalitäten der einzelnen Messgrößen zum Volumenstrom deutlich erkennbar, welche den Messablauf und somit auch die spätere Automatisierung bestimmen.^[2]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.1: Kennlinien einer einstufigen Kreiselpumpe.(modifiziert)

Die einzelnen Kennlinien und deren Berechnungen werden im Folgenden näher betrachtet.

2.2 Berechnung der Förderhöhe

Im Allgemeinen wird zum besseren Verständnis die Förderhöhe H, die proportional zur spezifischen Förderarbeit Y ist, für die Darstellung in einer Kennlinie verwendet und kann daher als Energieeinheit verstanden werden.^[3]

Sie wird üblicherweise in Abhängigkeit des Volumenstromes H() dargestellt. Diese Kennlinie wird aufgrund der Drosselung am Ventil, über das man den Volumenstrom einstellt, auch „Drosselkurve“ genannt.

Die Förderhöhe H lässt sich aus der spezifischen Stutzenarbeit Y aus folgender Beziehung herleiten:^[4]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die spezifische Stutzenarbeit ist die massenbezogene Gesamtenergie zwischen Ein- und Austrittsstutzen mit:

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Hierbei beinhalten die einzelnen Terme:

- die statische spezifische Energie

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- die kinetische spezifische Energie

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- die potentielle spezifische Energie

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Die mittleren absoluten Geschwindigkeiten des Fluids lassen sich aus den Quotienten des Volumenstromes und den jeweiligen Rohrquerschnitten berechnen.

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Die einzelnen Parameter zur Berechnung der Terme 2.3 - 2.5 sind in Abbildung 2.2 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2: Messgrößen an einer Kreiselpumpe zur Bestimmung der Förderhöhe.^[5]

Da die Dichte , welche die Gleichung 2.3 enthält, temperaturabhängig ist, muss dies in die Berechnung mit aufgenommen werden. Am Pumpenprüfstand wird Wasser als Fördermedium verwendet. Daher findet die nachstehende Formel Gebrauch, die das Institut für Thermo- und Fluiddynamik an der Ruhr-Universität in Bochum in einem Forschungsbericht veröffentlicht hat. Da Wasser im flüssigen Aggregatzustand vereinfacht als inkompressibles Fluid behandelt werden kann, entspricht die Dichte ρW näherungsweise der Dichte ρ‘ der Siedelinie.^[6]

Demnach erhält man zur Berechnung der Dichte des Wassers ρW in Abhängigkeit der Temperatur T:

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Die Gleichung 2.7 hat ihre Gültigkeit im Bereich von:

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Auf den ersten Blick ist in der Gleichung 2.7 keine Temperatur enthalten. Diese verbirgt sich in der thermodynamischen Größe , die sich ergibt aus:

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Hierbei hat die Bezugskonstante der Temperatur Tc und die der Dichte ρc aus den Gleichungen 2.7 und 2.8 die Beträge:

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Die Koeffizienten b1 - b6 aus der Gleichung 2.7 lauten:

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Setzt man nacheinander die Gleichungen 2.2 – 2.6 in die Gleichung 2.1 ein, erhält man die Funktion H() zur Bestimmung der Förderhöhen-Volumenstrom–Kennlinie.

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Nach einigen Umformungen der Gleichung 2.9 ergibt sich die endgültige Form:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zur vollständigen Darstellung der Funktion müssten die Gleichungen 2.7 und 2.8 zur Berechnung der Dichte eingefügt werden. Dieses wurde aufgrund der besseren Übersicht nicht zusätzlich dargestellt.

Wie man an der Gleichung 2.10 gut erkennt, sind es vier Messgrößen, die Drücke vor und nach der Pumpe, die Temperatur T des Fluids und der Volumenstrom , aus denen sich die Förderhöhe bestimmen lässt. Die restlichen Parameter bleiben während des Messablaufs konstant, da sie durch den Messaufbau festgelegt sind.

2.3 Berechnung der Leistung

Der Leistungsbedarf einer Pumpe ist ein wesentliches Merkmal, das zum Vergleich und zur Charakteristik herangezogen wird. Er wird, wie die Förderhöhe, in Abhängigkeit zum Volumenstrom aufgetragen. Da die erforderliche Leistung an der Pumpenwelle anfällt, wird sie auch als Wellenleistung PW bezeichnet.

Es gibt zwei Methoden die Wellenleistung zu ermitteln. In dieser Arbeit wird nur die elektrische Leistung Pel erklärt. Später in der weiterführender Arbeit werden beide Methoden vorgestellt.

2.4 Bestimmung der Wellenleistung PW über die elektrische Leistung Pel

Die Wellenleistung PW entspricht der abgegebenen Leistung PM des Antriebsmotors, welche über die elektrische Leistungsaufnahme Pel und den Motorwirkungsgrad ηm berechnet wird:^[7]

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Der Motorwirkungsgrad ηm ist abhängig von der anliegenden Motorlast und muss deshalb den jeweiligen Lastzuständen angepasst werden. Hierfür sind im Datenblatt des Motors die Wirkungsgrade bei 2/4 -, 3/4-, 4/4- und 5/4- Last eingetragen. Um den Wirkungsgrad zwischen zwei Lastfällen zu erhalten, muss eine lineare Interpolation durchgeführt werden.

Für ηm ergibt sich somit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Wellenleistungen PW1 und Pw2 und die dazugehörigen Wirkungsgrade ηm1 und ηm2 in Gleichung 2.12 sind dem Datenblatt zu entnehmen, wobei für die lineare Interpolation folgendes beachtet werden muss:

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Die Wellenleistung PW und der Wirkungsgrad ηm sind voneinander abhängige Größen. Hieraus resultiert die Voraussetzung einer Iteration.

Zur eindeutigen Darstellung wird eine Beispielrechnung mit zwei Iterationsschritten durchgeführt:

Beispielrechnung:

Gegeben: Gesucht:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die gegebenen Werte werden von dem jeweiligen Motordatenblatt abgelesen.

Für die erste Berechnung der Wellenleistung PW wird der Nennwirkungsgrad ηm,nenn, der bei der Nennleistung gilt, verwendet. Mit der Gleichung 2.11 erhält man für PW:

Da PW zwischen den beiden Lastzuständen Pel2/4 und Pel3/4 liegt, werden sie und die dazugehörigen Wirkungsgrade ηm2/4 und ηm3/4 in die gesuchten Größen PW1, W2 und ηm1,m2 eingesetzt. Nach Berücksichtigung der Ungleichung 2.13 erhält man somit:

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Der Wirkungsgrad ηm kann nun mit der Gleichung 2.12 berechnet werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der neu berechnete Wirkungsgrad ηm wird daraufhin in die Gleichung 2.11 eingesetzt, um eine exaktere Wellenleistung zu erhalten:

Der erste Iterationsschritt ist beendet.

Mit der neuberechneten Wellenleistung wird im Anschluss ein neuer Wirkungsgrad ermittelt:

Dieser wird benutzt, um die Wellenleistung zu berechnen:

Der zweite Iterationsschritt ist beendet.

Je mehr Iterationsschritte durchgeführt werden, desto genauer wird die berechnete Wellenleistung.

In der Beispielrechnung haben sich schon nach zwei Schritten die ersten beiden Stellen nach dem Komma nicht mehr verändert. In der Regel reichen drei bis vier Iterationsschritte aus, um eine Genauigkeit zu erhalten.

In der Beispielrechnung wurde die elektrische Leistungsaufnahme des Drehstrommotors Pel als bekannt vorausgesetzt. Sie wird über die anliegenden Leiterströme IL1-3 und Leiterspannungen UL1-3 mit nachstehender Gleichung berechnet:^[8]

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In der Gleichung 2.14 sind UL und IL die Mittelwerte der jeweils drei Leiterwerte des Drehstromes. Der Leistungsfaktor cosφ berücksichtigt den Wirkleistungsanteil. Er ist, wie der Motorwirkungsgrad, lastabhängig und kann auch den Motordatenblättern entnommen werden. Analog zum Wirkungsgrad erfolgt die Berechnung zwischen zwei Lastzuständen über lineare Interpolation:

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Die Leistungsfaktoren cosφ1,2 gelten wiederum für die jeweiligen Lastzustände PW1,2. Entsprechend der Gleichung 2.12 muss die Ungleichung 2.13 eingehalten werden.

Bei der Berechnung der Wellenleistung PW muss die lineare Interpolation zur Berechnung des Leistungsfaktors cosφ in die Wirkungsgraditeration eingebunden werden. Der Berechnungsablauf der gesamten Iteration ist in Abbildung 2.3 dargestellt.

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Abb. 2.3: Iterationsschema zur Bestimmung der Wellenleistung PW.

Die im Datenblatt enthaltenen Wirkungsgrade ηm sowie die Leistungsfaktoren cosφ der Motoren gelten bei einem betriebswarmen Motor. Aus diesem Grund ist eine Vorlaufzeit von ca. einer halben Stunde nötig, um genaue Messungen der elektrischen Leistung und somit auch der Wellenleistung durchzuführen.

2.5 Berechnung des Pumpenwirkungsgrads

Der Wirkungsgrad η ist im Allgemeinen das Verhältnis zwischen der zugeführten zur abgegebenen Leistung:^[9]

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η muss somit aus Gründen der Energieerhaltung zwischen 0 und 1 liegen.

Der Pumpenwirkungsgrad setzt sich hierbei aus der zugeführten Wellenleistung PW und der an das Fluid abgegebenen Förderleistung Ph^[10] zusammen.

Hieraus ergibt sich η zu:

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Die Förderleistung ist die von der Pumpe an das geförderte Fluid abgegebene hydraulische Leistung:^[11]

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Da am Pumpenprüfstand Wasser als Fördermedium verwendet wird, ist in der Gleichung 2.23 die Dichte ρW eingetragen. Sie wird, wie bei der Berechnung der Förderhöhe, mit der Gleichung 2.7 ermittelt. Bei Änderung des Mediums muss die Dichte berücksichtigt werden.

Für die Berechnung der Wellenleistung werden die Gleichungen 2.11 oder 2.19 verwendet, die im Kapitel 2.1.2 hergeleitet werden.

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2.6 Normierung der Prüfergebnisse

Um einen direkten Vergleich der Prüfergebnisse zu erhalten, werden die ermittelten Werte der Förderhöhe und der Leistung auf eine spezifische Drehzahl nsp der Pumpenwelle umgerechnet. Die korrigierte Förderhöhe Hkorr, der korrigierte Volumenstrom korr und die korrigierte Leistung Pkorr werden über die nachstehenden Beziehungen berechnet:^[12]

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Die Wellenleistung PW ist die aufgenommene Leistung der Pumpe, welche Verluste durch z.B. Reibung beinhaltet. Diese wachsen aber nicht mit der dritten Potenz. Daher gilt die Gleichung 2.27 nur näherungsweise.

Die Umrechnungsgleichungen sind abgeleitet aus dem Newtonschen Ähnlichkeitsgesetz. Sie sind gültig für Flüssigkeiten mit geringer Dichte.

2.7 Berechnung des NPSHerf-Wertes der Pumpe

Die Abkürzung NPSH steht für den aus den USA stammenden Begriff "Net Positive Suction Head", der als „Netto-Energiehöhe“ im Eintrittsquerschnitt der Pumpe verstanden werden kann. Er setzt sich aus der Differenz der absoluten Energiehöhe und der Verdampfungsdruckhöhe zusammen.

Beim NPSH-Wert unterscheidet man zwischen dem anlagenspezifischen bzw. vorhandenen (NPSHvor) und dem pumpenspezifischen bzw. erforderlichen (NPSHerf) Wert.^[13]

Der vorhandene NPSH-Wert (NPSHvor) der Anlage gibt die tatsächliche Zulaufhöhe am Saugstutzen der Pumpe an. Er wird durch die Pumpenanlage beschrieben und ist bei Kreiselpumpen annähernd unabhängig von den Fördereigenschaften der Pumpe.

Der erforderliche NPSH-Wert (NPSHerf) gibt die notwendige Druckhöhe in m über dem Sättigungsdampfdruck des Fördermediums am Saugstutzen an, die benötigt wird, um ein kavitationsfreies pumpen zu gewährleisten.^[14]

Unter Kavitation versteht man die Bildung und den implosionsartigen Zusammenfall von Dampfblasen in Flüssigkeiten, was durch Druckschwankungen um den Sättigungsdampfdruck hervorgerufen wird. Findet die Implosion an Wandungen statt, kann sie zur Zerstörung des Wandgefüges führen.^[15]

Um einen einwandfreien Betrieb der Pumpe sicherzustellen, muss daher folgende Bedingung eingehalten werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der NPSHerf-Wert wird berechnet mit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hierbei setzt sich die absolute Energiehöhe Hts,abs am Eintrittsquerschnitt der Pumpe aus nachstehender Beziehung zusammen:

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Da am Pumpenprüfstand Wasser als Fördermedium Verwendung findet, ist dessen Dichte ρW in den Gleichungen 2.29 und 2.30 enthalten.

Setzt man die Gleichung 2.30 in die Gleichung 2.29 ein, erhält man für den NPSHerf-Wert folgende Berechnungsvorschrift:

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Der Höhenunterschied Dzs ist die Differenz zwischen der Mitte des Saugstutzen-eintrittquerschnitts und einer Bezugsebene, die durch einen für den NPSH-Wert festgelegten Punkt S verläuft.

Der Punkt S ist abhängig von der Form des Pumpenlaufrades und muss von den Herstellern angegeben werden. Zur Verdeutlichung ist Dzs in der Abbildung 2.4 bei verschiedenen Laufradstellungen dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.4: Höhenunterschied Δz bei unterschiedlichen Laufradstellungen.^[16]

Da am Pumpenprüfstand die Pumpenwelle horizontal ausgerichtet ist, wird Dzs= 0 und muss nicht weiter berücksichtigt werden.

Die Fließgeschwindigkeit am Saugstutzen cs der Flüssigkeit wird mit der Gleichung 2.6, welche in Kapitel 2.1 zur Förderhöhenberechnung Gebrauch fand, ermittelt.

Der Dampfduck pD ist, wie die Dichte ρ temperaturabhängig und wird bestimmt mit der nachstehenden Berechnungsgleichung, die ebenfalls das Institut für Thermo- und Fluiderddynamik an der Ruhruniversität in Bochum veröffentlicht hat:^[17]

[...]

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^[13] [1] Seite 70

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^[16] [1] Seite 106

^[17] [1] Seite 106-107