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May 30, 2023

Das System ist der Boss (Teil 1 von 2 … Der einfache Teil)

Das Rohrleitungssystem teilt der Pumpe mit, wo sie auf ihrer Leistungskurve arbeiten soll. Das physikalische System kann geografisch durch eine Parabelkurve dargestellt werden und wird als Systemreibungskurve bezeichnet

Das Rohrleitungssystem teilt der Pumpe mit, wo sie auf ihrer Leistungskurve arbeiten soll. Das physikalische System kann geografisch durch eine Parabelkurve dargestellt werden und wird als Systemreibungskurve oder häufiger als Systemwiderstandskurve (SRC) bezeichnet.

Ich beginne meine Pumpenschulungen mit der Aussage, dass Pumpen dumm sind. Es ist das System, nicht die Pumpe, das bestimmt, wo die Pumpe auf ihrer Leistungskurve arbeitet – sofern die Pumpe an diesem Punkt überhaupt betriebsfähig ist.

Die Pumpe arbeitet dort, wo ihre Leistungskurve die Systemkurve schneidet. Wir wissen nicht immer, wo der Schnittpunkt liegt – und um die Sache noch komplizierter zu machen, kann er sich aufgrund einer Vielzahl von Variablen schnell ändern. Weitere Informationen finden Sie in meiner Kolumne vom August 2019: „Warum läuft Ihre Pumpe außerhalb der Kurve?“

Die Kenntnis der Form und Position der Systemkurve ist für die Lösung zahlreicher Feldprobleme von entscheidender Bedeutung. Wenn Sie für die Pumpenzuverlässigkeit verantwortlich sind und noch nie versucht haben, die Systemkurve für einen Ihrer Prozesse zu berechnen, kann diese Spalte als Anstoß für die Vorbereitung Ihrer Bildungsreise dienen.

Die Bestimmung des tatsächlichen Betriebspunkts der Pumpe (Förderhöhe und Durchfluss) ist ein entscheidender Schritt bei der Problemlösung. Wenn die Pumpe nicht abgenutzt ist und das System von vornherein ordnungsgemäß ausgelegt und betrieben wurde, können Sie durch einfaches Messen des Differenzdrucks (Förderhöhe) an der Pumpe (Förderhöhe minus Saughöhe = Gesamtförderhöhe) der Pumpenkurve nahe kommen , aber diese Informationen ergeben nur einen Punkt auf der Systemkurve.

In dieser zweiteiligen Kolumne untersuchen wir die drei Hauptfaktoren, die eine Systemkurve für eine einzelne Kreiselpumpe in einem offenen System mit gefluteter Ansaugung ausmachen. Ich werde diesen Monat die ersten beiden Faktoren (die einfachen) und nächsten Monat die Reibung (den schwierigen) behandeln.

In der Praxis stoße ich häufig auf Systeme, die zwar korrekt konzipiert waren, im Laufe der Zeit jedoch Änderungen am ursprünglichen Design vorgenommen wurden, ohne Rücksicht auf Zuverlässigkeit oder langfristige Betriebs-/Wartungskosten zu nehmen. Leider habe ich auch Systemdesigns erlebt, die von Anfang an zum Scheitern verurteilt waren. Wenn ich ein Pumpensystemproblem löse, verlange ich oft vom Eigentümer eine Kopie der Systemkurve. Es kommt jedoch selten vor, dass der Systembetreiber weiß, wie die Systemkurve aussieht und/oder wo sie sich befindet. Folglich verbringen wir die nächsten Stunden damit, „durch das System zu gehen“ und die Systemkurve zu entwickeln. Weitere Diskussionen zum Thema „Walking the System“ im nächsten Monat.

Einige Designer entwerfen zuerst das Rohrleitungssystem und wählen dann die Pumpe aus, während andere das Gegenteil tun. Eine kluge Entscheidung wäre, beides gleichzeitig zu tun. Der Projektentwurfsprozess bestimmt die grundlegenden Systemparameter und die Wirtschaftlichkeit (denken Sie an die optimale Rohrgröße). Bei Entscheidungen über die Lebensdauer des Systems sollten das erforderliche/gewünschte Maß an Zuverlässigkeit und die geschätzten Gesamtbetriebskosten berücksichtigt werden.

Die Systemkurve setzt sich aus drei Grundfaktoren zusammen: der statischen Förderhöhe (Elevationshöhe), der Druckhöhe und der Reibungshöhe (Druckabfall).

Einfach ausgedrückt definiert eine Systemkurve die Beziehung zwischen Gesamtdruckverlust und Durchflussrate.

Eine Systemförderhöhenkurve ist eine kartesische (grafischer Quadrant 1) Darstellung der Förderhöhe, die das System über den gesamten Bereich der Auslegungsdurchflussraten benötigt.

Die als Diagramm dargestellte Systemkurve stellt den funktionalen Zusammenhang zwischen der Fördermenge und der Gesamthöhenkombination aus Statik, Druck und Reibung dar.

In der herkömmlichen Praxis wird die Fördermenge (Q) der horizontalen X-Achse und die Förderhöhe (H) der vertikalen Y-Achse zugeordnet. Bei offenen Systemen ohne Rückfluss und gefluteter Ansaugung ist die Gesamtförderhöhe der Pumpe die Summe aller Reibungsverluste plus der statischen Förderhöhe und der Druckförderhöhe, bei einem System mit geschlossenem Kreislauf handelt es sich jedoch lediglich um die Reibungsverluste.

Technisch gesehen gibt es eine vierte Systemkurvenkomponente der Geschwindigkeitshöhe, die für diese „101“-Version der Systemkurvenberechnung ignoriert werden kann, da sie in einem ordnungsgemäß ausgelegten System normalerweise ein vernachlässigbarer Faktor ist.

Sie können die Systemkurve auf einem Blatt Millimeterpapier erstellen und dann die Pumpenkurve hinzufügen. Alternativ zeichne ich die Systemkurve einfach auf eine gedruckte Kopie der Pumpenkurve (überlagere sie). Die letztgenannte Methode kann etwas chaotisch sein, aber die Förderhöhen- und Durchflussachsen mit den zugewiesenen Werten sind bereits festgelegt.

Reflexion: Viele von Ihnen fragen sich vielleicht, was für eine altmodische Wahl ich Millimeterpapier gewählt habe, und ich gebe zu, dass Sie die Arbeit einfach in Excel (oder dem Arbeitsblatt Ihrer Wahl) erledigen möchten. Ich habe noch Blöcke mit technischem Millimeterpapier aus meiner College-Zeit (ca. 1969) übrig, zusätzlich zu einer Schachtel IBM Key Punch Compiler-Karten für meine Fortran-Projekte. Ich versuche, diese Dinge zu konsumieren, bevor ich vollständig in Rente gehe.

Der statische Druck wird manchmal auch als Höhendruck bezeichnet und ist unabhängig von der Durchflussrate. Dieser erste Faktor bei der Systemkurvenberechnung ist relativ einfach zu verschlüsseln und erfordert lediglich eine physikalische Messung. Kurz gesagt ist die statische Förderhöhe der Unterschied in der vertikalen Höhe (Höhenänderung) vom Flüssigkeitsoberflächenniveau der Saugquelle zum Flüssigkeitsoberflächenniveau des Auslasspunkts.

Eine andere Sichtweise ist, dass die gesamte statische Förderhöhe die Differenz zwischen der statischen Saughöhe und der statischen Förderhöhe in einem überfluteten System ist. Weitere Informationen finden Sie in Bild 1 und in den Kommentaren und Warnhinweisen unten.

Die statische Förderhöhe ist die Nettohöhenänderung, die die Pumpe überwinden muss. Im USCU-System (United States Customary Units) sind die Einheiten Fuß und im Internationalen Einheitensystem (SI) werden sie in Metern ausgedrückt.

Die statische Förderhöhe gilt nur für offene Systeme und deren Varianten. Beachten Sie, dass in einem geschlossenen Kreislaufsystem wie einem Hydroniksystem die statische Förderhöhe Null ist, da die Pumpe als Gesamtsystem betrachtet keine Höhe überwinden muss. Ein Teil des Systems drückt die Flüssigkeit nach oben, und auf der anderen Seite des Systems zieht sie die Schwerkraft nach unten, sodass eine Nettosumme von Null entsteht.

Eine „überflutete Saugseite“ bedeutet per Definition einfach, dass der Flüssigkeitsspiegel auf der Saugseite über der Mittellinie des Pumpenlaufrads liegt. Dies bedeutet nicht, dass eine ausreichende positive Nettosaughöhe (NPSHa) und/oder Überflutung vorhanden ist, wie viele Leute glauben.

Hinweis: Auf der Saugseite der Pumpe kann der Betrag der vertikalen Distanz (Höhe) der Flüssigkeit über der Mittellinie der Pumpe von der vertikalen Distanz abgezogen werden, die die Pumpe die Flüssigkeit auf der Auslassseite bewegen muss.

Wenn der Flüssigkeitsstand auf der Saugseite unterhalb der Mittellinie der Pumpe lag (was als Saughöhe angesehen wird), müsste der vertikale Abstand hinzugefügt werden, da dies Arbeit ist, die die Pumpe leisten muss.

Bei der Bestimmung der statischen Förderhöhe ist es uns egal, welche Form das Rohr oder der Behälter hat oder ob ein erheblicher horizontaler Abstand besteht. Dieser einfache Faktor ist lediglich der Höhenunterschied.

Die statische Förderhöhe (Gesamt-, Saug- oder Förderhöhe) wird ohne Durchfluss gemessen, d. h. unter statischen Bedingungen bei ausgeschalteter Pumpe.

Die Distanzkomponente (X-Achse) und die Länge des horizontalen Rohrs werden später im Reibungsfaktor erfasst. Im Moment geht es uns lediglich um die Wirkung der Schwerkraft auf die Flüssigkeit.

Auf der Druckseite der Pumpe müssen Sie die Höhe von der Mittellinie der Pumpe bis zum höchsten Punkt im System berücksichtigen. Wenn Sie in einen Tank/Behälter pumpen (wie in der Abbildung), ist die höchste Höhe normalerweise der Flüssigkeitsstand im Tank. Bei vielen Prozessen ist der Pumpenauslass jedoch über dem Tank offen, sodass der Rohrauslass den höchsten Punkt darstellt.

Vorsicht bei Minimal- und Maximalwerten: Bei der Messung erfassen Sie ein statisches Moment in einem dynamischen System. Betrachten Sie immer den schlimmsten Fall, d. h. „Befindet sich der Saugbehälter am niedrigsten oder höchsten Punkt?“ Fragen Sie dann erneut nach dem Füllstand oder Punkt des Entladetanks. Ja, aufgrund der Unterschiede in der statischen Förderhöhe und abhängig von der Systemdynamik könnten mehrere Systemkurven vorhanden sein, und darin liegt eines der zu erkennenden Probleme. Die meisten Systeme werden nicht vollständig durch eine einzeilige Systemdruckkurve definiert (gilt insbesondere bei der Betrachtung des Reibungsdrucks).

Technisch gesehen müssen wir von der Mittellinie des Laufrads als Bezugspunkt aus messen, und in vielen Fällen ist dies auch die Mittellinie der Pumpe. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Zum Beispiel eine vertikale Pumpe, einige Selbstansaugpumpen und/oder eine horizontale Pumpe mit geteiltem Gehäuse.

Manchmal und aus triftigen Gründen werden Pumpen verwendet, um Flüssigkeiten bergab zu pumpen. In diesem Fall ist die statische Förderhöhe tatsächlich ein negativer Wert (kartesischer Quadrant 4).

Nehmen wir für unser Beispiel an, dass die gesamte statische Fallhöhe 20 Fuß beträgt; Sie würden dann eine horizontale Linie mit einem Startpunkt auf der vertikalen Y-Achse bei einem Wert von 20 Fuß über das gesamte Diagramm zeichnen. Diese Linie ist nicht die Systemkurve an sich; es ist lediglich ein Bezugspunkt.

Der zweite Faktor bei der Berechnung der Systemkurve ist die Druckhöhe. Bei einem wirklich offenen System (freie und uneingeschränkte Entladung) gibt es keine Druckhöhe, sodass wir diesen Faktor ignorieren können und keine Maßnahmen erforderlich sind. Wenn in einem offenen Hybridsystem jedoch eine Druckhöhe vorhanden ist, wird der Druck in eine Druckhöhe umgewandelt und zur statischen Druckhöhe addiert. Um diese Aufgabe zu lösen, multiplizieren Sie einfach den Druck mit 2,31 und dividieren Sie ihn durch das spezifische Gewicht, um die Zahl zu erhalten. Meine persönliche und konservative Vorgehensweise besteht darin, der Zahl eine kleine zusätzliche Förderhöhe hinzuzufügen, da die Pumpe die Druckhöhe tatsächlich überwinden und nicht nur erfüllen muss.

Ähnlich wie bei der statischen Förderhöhe wird davon ausgegangen, dass sich die Druckhöhe nicht mit der Pumpendurchflussrate ändert. daher handelt es sich um eine Geradenfunktion. Darüber hinaus handelt es sich nicht um die Systemkurve, sondern um einen Referenzpunkt für den Anfangspunkt der Reibungskurve (Bild 2).

Gängige Beispiele für Druckhöhen wären ein Kesselspeisesystem, bei dem der Kessel einen internen Dampfdruck hat, der von der Pumpe überwunden werden muss, oder eine Kondensatpumpe, die den Druck eines Entgasers überwindet.

Die letzte und wichtigste Komponente für das kombinierte SRC ist die Reibungskurve.

Nächsten Monat werde ich das „Gehen durch das System“ erklären und auch erklären, wie man den Reibungsanteil berechnet, um die vollständige Systemkurve zu vervollständigen.

Vereinfacht ausgedrückt ist die Geschwindigkeitshöhe die Energie, die erforderlich ist, um die Flüssigkeit von Null oder einer niedrigen Geschwindigkeit (an der Saugseite der Pumpe) auf eine höhere Geschwindigkeit stromabwärts im System zu beschleunigen. Die Geschwindigkeitshöhe ist der kinetische Faktor in der Bernoulli-Gleichung (Energieerhaltungsprinzip für strömende Flüssigkeiten), der einen Faktor von drei in der Gesamthöhe ausmacht. Die Geschwindigkeitshöhe wird normalerweise berechnet, da sie nicht mit einer Standard-Manometerkonfiguration gemessen werden kann. Beachten Sie, dass die Geschwindigkeitshöhe in Systemen mit geschlossenem Regelkreis Null ist. Wenn Sie mehr erfahren möchten, lesen Sie bitte meine Kolumne vom April 2020 „Die drei Musketiere“.

Verweise

Cranes Technical Publication 410

Cameron Hydraulic Datenbuch

Technisches Datenbuch des Hydraulic Institute

Pumping Station Design 3. Auflage, Garr M. Jones et al

Jim Elsey ist ein Maschinenbauingenieur mit mehr als 50 Jahren Erfahrung im Bereich rotierender Ausrüstung für Industrie- und Schiffsanwendungen auf der ganzen Welt. Er ist technischer Berater für Summit Pump, Inc., aktives Mitglied der American Society of Mechanical Engineers, der National Association of Corrosion Engineers und der Naval Submarine League. Elsey ist außerdem Geschäftsführerin von MaDDog Pump Consulting LLC. Er kann unter [email protected] erreicht werden.