Eine Einführung in die Kreiselpumpe, Teil 1

Aug 03, 2023

Das Thema der Februar-Ausgabe von Pumps & Systems lautet „Zurück zum Wesentlichen“. Die Kolumne dieses Monats wird diesem Beispiel folgen und einige Grundlagen von Kreiselpumpen beleuchten. Beachten Sie, dass Kreiselpumpen in die kinetische Klasse der rotodynamischen Pumpen fallen.

Ich gehe zunächst davon aus, dass der Leser eine grundlegende visuelle Vorstellung von einem Laufrad hat, das an einer Welle befestigt ist und vollständig in ein Gehäuse/eine Spirale eingebaut ist. Siehe Bild 1.

Die Pumpenwelle kann entweder die Antriebswelle selbst sein oder mit einem Antrieb gekoppelt sein. Der Antrieb ist typischerweise ein elektrischer Induktionsmotor, es könnte aber auch ein Motor, eine Dampfturbine oder eine von zahlreichen anderen Arten von Antriebsmaschinen sein.

Als erste Gesamtzusammenfassung erhöht das Laufrad das Energieniveau der Flüssigkeit, indem es die Geschwindigkeit erhöht. Sobald die Flüssigkeit das Laufrad verlässt, wandelt das Gehäuse die Geschwindigkeit in Druck um.

Eine Pumpe funktioniert tatsächlich nach grundlegenden wissenschaftlichen Prinzipien. Nach Ermessen des Bedieners dreht sich der Antrieb (mechanische Energie), wodurch sich auch die Pumpenwelle und das daran befestigte Laufrad drehen.

Das rotierende Laufrad überträgt eine kinetische Energie auf die umgebende Flüssigkeit, die eine Bewegung (Geschwindigkeit) in der Flüssigkeit initiiert. Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit nimmt während ihrer Bewegung durch das Laufrad vom Auge in der Mitte bis zu den Schaufelkanten am Außendurchmesser erheblich zu.

Es gibt eine einfache Formel zur Berechnung der vom Laufrad ausgeübten Flüssigkeitsgeschwindigkeit. Es ist eine einfache Funktion der Geschwindigkeit und des Durchmessers (siehe Gleichung 1). Beachten Sie den direkten Zusammenhang: Wenn die Geschwindigkeit des Laufrads zunimmt und/oder der Durchmesser des Laufrads zunimmt, nimmt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit zu und umgekehrt.

Als nächste Betrachtungsweise des in der Pumpe ablaufenden Prozesses: Das rotierende Laufrad (kinetische Energie) verleiht der Flüssigkeit eine Bewegung (Geschwindigkeit).

Wenn die Flüssigkeit die Laufradschaufelspitze verlässt und sich im Gehäuse verfängt (sammelt), wandelt das Gehäuse die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie (Förderhöhe) um. Vereinfacht ausgedrückt wird die Geschwindigkeitsenergie des Fluids im Gehäuse in Druckenergie umgewandelt. Druckenergie wird auch als Druckhöhe (H) definiert.

Um dieses Phänomen aus einer anderen technischen Perspektive zu betrachten, könnte man auch den ersten Hauptsatz zur Energieerhaltung verwenden. „Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden; sie kann nur in ihrer Form verändert werden.“

Zusätzlich und ergänzend aus der mechanischen Disziplin der Fluiddynamik kennen wir auch das Bernoulli-Prinzip, das in seiner einfachsten Form besagt, dass bei sinkender Geschwindigkeit der Druck zunimmt und umgekehrt. Dies ist wiederum auf die Energieeinsparung zurückzuführen.

Beachten Sie, dass eine Kreiselpumpe per se keinen Systemdruck, sondern vielmehr einen Durchfluss erzeugt. Der Druck, den wir am Auslassmesser messen, ist tatsächlich das Ergebnis des Systemwiderstands gegenüber dem erzeugten Durchfluss.

Wenn kein System mit dem Auslassflansch verbunden wäre, würde sich kein tatsächlicher Druck entwickeln (das „System“ ist die Summe verschiedener Höhen, Drücke, Rohre, Komponenten und Ventile).

Die einfachste Erklärung für die Verwendung von Förderhöhe anstelle von Druck zur Messung der Energie einer Kreiselpumpe ist, dass sich der Druck einer Pumpe ändert, wenn sich das Gewicht/spezifische Gewicht (SG) der Flüssigkeit ändert, die Förderhöhe jedoch nicht.

Folglich können Sie die Leistung einer Pumpe (vorausgesetzt, es handelt sich um eine Newtonsche Flüssigkeit) immer mit dem Begriff Förderhöhe beschreiben, unabhängig davon, ob es sich um einen schweren (schweflige Säure mit einem SG von 1,2 bis 1,5) oder einen leichten Kohlenwasserstoff (Benzin mit einem SG von 0,7) handelt.

Der Pumpenbetreiber misst den Zustand und die Leistung der Pumpe, indem er die Differenz der Manometerdrücke auf beiden Seiten der Pumpe überwacht.

Wenn alle Flüssigkeiten mit einem konstanten SG gleich wären, könnten die Einheiten zur Angabe des Pumpenauslassdrucks als Druck ausgedrückt werden, ohne dass es zu nachteiligen oder ungenauen Auswirkungen kommt. Da Flüssigkeiten jedoch unterschiedliche SGs haben, müssen wir den Begriff „Kopf“ verwenden.

Beachten Sie, dass sich der SG mit jedem Grad Temperaturänderung ändert, selbst wenn wir nur Wasser pumpen würden. Beachten und unterscheiden Sie, dass der Kopf ein Energieniveau und der Druck einfach eine Kraft ist.

Eine bestimmte Pumpe wird in einer bestimmten Zeiteinheit vorhersehbar Flüssigkeit mit einer bestimmten Gewichts-/Dichteeinheit bewegen. Wir stellen es uns als Gallonen pro Minute oder Kubikmeter pro Stunde vor. Zum Beispiel: Wasser, die universelle Flüssigkeit, hat ein Gewicht von 8,345 Pfund pro Gallone und einen SG von 1,0 bei Standardtemperatur. Andere Möglichkeiten, diese Dichte/Masse/Gewicht anzugeben, sind 1,0 Gramm pro Kubikzentimeter oder 62,425 Pfund pro Kubikfuß.

Hinweis zur technischen Korrektheit: Diese Schwerkräfte, Massen und Gewichte basieren alle auf einer Flüssigkeitstemperatur von 39,2 F, und wir runden einen kleinen Betrag ab, um Temperaturen bis und um 68 oder 70 F abzudecken.

Die tatsächlichen Werte der Wassereigenschaften bei verschiedenen Temperaturen finden Sie im „Cameron Hydraulic Data Book“ oder in anderen technischen Referenzen. Darin heißt es: „Die Dichtedefinition bezieht sich ausschließlich auf die Masse. Gewicht und Masse sind auf Meereshöhe auf der Erde numerisch gleich.“

Bei der Fehlersuche in einem Pumpensystem ist es am besten, das System in drei verschiedene Systeme zu unterteilen und zu betrachten: die Saugseite, die Pumpe selbst und die Auslassseite. Aus meiner Erfahrung glaube ich, dass 90 Prozent der Pumpenprobleme auf der Saugseite liegen. Es wird davon ausgegangen, dass das System korrekt entworfen und konstruiert wurde. Sobald die Pumpe ausreichend mit Flüssigkeit versorgt ist, übernimmt sie von dort aus den Prozess. Leistungsprobleme werden typischerweise durch unzureichende Saugenergie, unzureichende verfügbare Netto-Positiv-Saughöhe (NPSHa), Lufteinschlüsse oder Vergrößerungen der Laufabstände über die Auslegung hinaus verursacht.

An dem Punkt, an dem die Systemkurve die Pumpenkurve schneidet, arbeitet die Pumpe auf oder nahe ihrer Leistungskurve, sofern ein Betrieb an diesem Punkt möglich ist.

Als allgemeine Richtlinie gilt: Lassen Sie eine Pumpe niemals trocken laufen und betreiben Sie sie niemals mit geschlossenem Saugventil. Betreiben Sie das Gerät bei geschlossenem Auslassventil nicht länger als die zum Öffnen des Ventils erforderliche Zeit (einige Sekunden bis vielleicht eine Minute). Betreiben Sie die Pumpe so nahe am besten Effizienzpunkt (BEP), wie es das System- und Prozessdesign zulässt. Wenn der Betrieb den BEP-Bereich verlässt, entwickelt die Pumpe einen hohen Radialschub, der sich in einer Verringerung der Lebensdauer der Gleitringdichtung und des Lagers niederschlägt.

Lesen und verstehen Sie die Gebrauchs- und Bedienungsanleitung. Wie bei jedem anderen Maschinenteil (oder Anlagenteil) wird auch die Pumpe ihre Leistung erbringen, wenn Sie sie richtig pflegen.

Jim Elsey ist ein Maschinenbauingenieur, der sich seit 43 Jahren auf die Entwicklung und Anwendung rotierender Geräte für das Militär und mehrere große Erstausrüster in den meisten Industriemärkten der Welt konzentriert. Elsey ist aktives Mitglied der American Society of Mechanical Engineers, der National Association of Corrosion Engineers und der American Society for Metals. Er ist General Manager von Summit Pump Inc. und Geschäftsführer von MaDDog Pump Consultants LLC. Elsey kann unter [email protected] erreicht werden.