Es ist wieder Zeit für die Vorbereitung, Teil 1

Apr 27, 2023

In meiner Kolumne vom Juni 2022 über Hochtemperaturpumpenanwendungen habe ich mehrmals festgestellt bzw. angedeutet, dass Wärme eine Eigenschaft des Materials ist. Ein aufmerksamer und sachkundiger Leser erinnerte diesen alten Ingenieur daran, dass Wärme technisch gesehen keine Eigenschaft ist, sondern lediglich Energie im Wandel. Wärme ist eine Prozess-/Wegfunktion. Meine jahrelange Erfahrung mit Dampfturbinen und den Dampftischen hätte mich daran erinnern sollen, also entschuldige mich bei Herrn Richard Mollier. Für diejenigen, die neugierig sind und mehr darüber erfahren möchten, schlagen Sie bitte die Definition von Wärme, Enthalpie und Entropie nach.

Ich werde häufig von Pumpenbenutzern gebeten, Probleme vor Ort zu lösen. In einem hohen Prozentsatz der Fälle liegt die Ursache auf der Saugseite der Pumpe. Ich habe zahlreiche Kolumnen zum Pumpensystem (Saugseite) über die positive Nettosaughöhe (NPSH), kritische Überflutung und andere häufig auftretende Probleme in der Praxis, einschließlich selbstansaugender Pumpen, geschrieben. Angeregt durch die jüngsten Probleme beschloss ich, mehr Zeit für die weitere Untersuchung von Selbstansaugproblemen aufzuwenden.

Grundiert

Was bedeutet es, wenn jemand sagt, die Pumpe sei vorgefüllt? Die einfache Definition lautet, dass sowohl die Pumpe als auch die zugehörige Saugleitung vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sind. Darüber hinaus befinden sich im Saugsystem keine nennenswerten Mengen an Luft, Dampf oder anderen Gasen, da diese Dämpfe und nicht kondensierbaren Gase durch den Ansaugvorgang entfernt wurden. Technisch gesehen gilt eine selbstansaugende Pumpe als „vorgefüllt“, jedoch nicht als vollständig vorgefüllt, wenn die Ansaugkammer voll ist, das Gehäuse und die Saugleitung jedoch nicht.

Eine Kreiselpumpe kann auf viele verschiedene Arten vorbereitet werden, und es gibt sowohl interne als auch externe Methoden, um diese Entwicklung zu bewerkstelligen. Diese Kolumne konzentriert sich auf selbstansaugende Pumpen, bei denen es sich um eine interne Methode handelt.

Nicht alle Pumpen sind gleich

Ich werde in der Kategorie der selbstansaugenden Pumpen nur auf Kreiselpumpen eingehen, aber zunächst möchte ich ein paar allgemeine Bemerkungen zu Verdrängerpumpen (PD) machen. Grundsätzlich sind alle Verdrängerpumpen konstruktionsbedingt selbstansaugend. Folglich sind Ansaugprobleme in dieser Welt nicht so häufig, außer wenn die Pumpe trocken betrieben wird. Bei PD-Pumpen kann es zwar zu Ansaugproblemen kommen, deren Ausmaß ist jedoch im Vergleich zu Problemen bei Kreiselpumpen unbedeutend.

Als vereinfachtes Beispiel: Bei einem PD-Pumpensystem ist der Druckunterschied zwischen der Saugquelle und der Pumpe stark genug, um mehrphasige Flüssigkeitskombinationen aus Luft, Dampf, Gasen und Flüssigkeit in der Saugleitung und durch die Pumpe zu bewegen. Die PD-Pumpe ist in der Lage, zweiphasige Flüssigkeiten zu fördern, während dies bei den meisten Kreiselpumpen nicht der Fall ist. Meine Aussage geht davon aus, dass das System ordnungsgemäß ausgelegt ist, die Saugleitung keine Lecks aufweist und die Pumpe in gutem Zustand ist.

Bei Zentrifugaleinheiten kann die Pumpe allein nicht die Energiemenge bewältigen, die erforderlich ist, um die gesamte Luft, den Dampf und die Gase entlang des Saugrohrs und durch die Pumpe zu bewegen.

Wie ich in früheren Kolumnen festgestellt habe, sind Kreiselpumpen keine Kompressoren. Eine vereinfachte Sicht auf dieses Problem besteht darin, dass Wasser etwa 800-mal dichter als Luft ist. Folglich müsste die Pumpe 800-mal härter und/oder länger arbeiten, um Luft statt Flüssigkeit zu bewegen. (Auf Meereshöhe ist Wasser bei 68 °F 784-mal dichter als Luft.)

Kreiselpumpen saugen die Flüssigkeit nicht in die Pumpe

Eine Saughöhe bedeutet einfach, dass der maximale Füllstand der zu pumpenden Flüssigkeit physisch unter der Mittellinie des Pumpenlaufrads liegt. Die meisten Kreiselpumpen können mit einer Saughöhe betrieben werden, wenn sie zuerst angesaugt werden.

Im Gegensatz zu urbanen Mythen und umgangssprachlichen Ausdrücken sind Kreiselpumpen nicht in der Lage, Flüssigkeiten aus einer tieferen Lage auf das Niveau der Pumpe zu „saugen“. Ich gebe zu, dass eine laufende Pumpe in der Nähe des Laufradauges einen kleinen Differenzdruck (vielleicht ein leichtes Vakuum?) erzeugt. In geringerem Maße sollten wir auch verstehen, dass Flüssigkeiten (im Vergleich zu Feststoffen) keine nennenswerte Zugfestigkeit besitzen; Daher kann das Laufrad die Flüssigkeit weder erfassen noch anziehen. Eine externe Energiequelle muss mit der Pumpe zusammenarbeiten, um die Flüssigkeit tatsächlich in die Pumpe zu drücken (nicht anzuheben oder anzusaugen). In einem offenen System wird die benötigte externe Energie typischerweise durch den umgebenden Atmosphärendruck bereitgestellt. Da wir auf den atmosphärischen Druck angewiesen sind, ist es wichtig zu verstehen, dass die verfügbare Energiemenge weder übermäßig reichlich noch konstant ist. Der Luftdruck ändert sich mit dem Luftdruck (Wetter) und, was noch wichtiger ist, mit der Höhe über dem Meeresspiegel. Es gibt seltene Fälle, in denen der Luftdruck höher als 14,7 Pfund pro Quadratzoll absolut (psia) ist, weil der Standort unter dem Meeresspiegel liegt (zwei berühmte Beispiele sind das Death Valley in Kalifornien und das Tote Meer an der Grenze zwischen Israel und Jordanien).

In einer perfekten Welt

Wenn es im Pumpensystem keine Reibungs- oder Dampfdruckeffekte gäbe, könnten wir Wasser theoretisch auf die Höhe des äquivalenten umgebenden Atmosphärendrucks heben. Auf Meereshöhe würde sich der atmosphärische Druck beispielsweise 14,7 psia (tatsächlich 14,696 lbs.-Kraft pro Quadratzoll) nähern. Umgerechnet in Fuß Kopf wären 14,7 psia ungefähr 34 Fuß (angenommen, Wasser hat ein spezifisches Gewicht von 1,0 und daher 14,7 x 2,31 = 33,957 Fuß ≈ 34).

Wir leben nicht in einer perfekten Welt und daher werden sich Reibung und Dampfdruck als negative Faktoren manifestieren, die den maximal erreichbaren Auftrieb weiter verringern. Selbst bei einer Kaltwasserpumpe, die sich auf Meereshöhe befindet, werden Sie wahrscheinlich ernsthafte Leistungsprobleme haben, wenn Ihr Systemhub mehr als 26 Fuß oder mehr beträgt.

Weitere Informationen und Einzelheiten zum maximalen Hub finden Sie in früheren Artikeln zu diesem Thema.

Vorbereitungszeit

Ich werde häufig gefragt, wie lange es dauern sollte, bis eine selbstansaugende Pumpe ansaugt. Meine sardonische, aber zutreffende Antwort ist, dass es darauf ankommt. Normalerweise erzähle ich den Leuten, dass die Vorbereitungszeit von vier bis fünf Minuten die Zeitspanne ist, in der man anfangen muss zu fragen: „Was ist los?“ Beachten Sie aber auch, dass einige Systeme aufgrund mildernder Faktoren wie Flüssigkeitstemperatur, Viskosität, geringfügig hoher statischer Auftrieb, verfügbarer NPSH (NPSHa), kritisches Eintauchen, Systemintegrität und allgemeiner mechanischer Zustand der Pumpe etwas länger dauern können. Es ist auch wichtig zu verstehen, dass es länger dauert, bis eine Pumpe das System ansaugt, wenn es anfangs mit Luft gefüllt war, statt mit Flüssigkeit. Hinweis: Das Pumpengehäuse war vorgefüllt, das Saugrohr jedoch nicht. Wenn Sie keinen anderen Ausgangspunkt für Ihre Schätzung haben, weiß ich, dass einige erfahrene Außendienstmitarbeiter eine Faustregel von 25 Sekunden pro Fuß Saugrohr als groben Richtwert verwenden werden. Pumpenhersteller, erfahrene Ingenieure und Best Practices der Branche raten Ihnen immer, die selbstansaugende Pumpe so nah wie möglich an der Saugquelle zu platzieren. Der Hauptgrund für die räumliche Nähe besteht darin, die Ansaugzeit zu verkürzen.

Die nächste Überlegung ist der Durchmesser des Saugrohrs. Für die meisten Pumpenanwendungen sollten Sie einen Rohrdurchmesser wählen, der mindestens eine Größe größer ist als die Saugleistung der Pumpe. Dieses Kriterium gilt nicht immer für Pumpen in einer Aufzugssituation, da das Ziel wiederum darin besteht, die Ansaugzeit zu verkürzen. Zugegebenermaßen können Reibungsfaktoren, NPSHa und Best-Practice-Designs/Axiome für maximale Saugleitungsgeschwindigkeit die größere Rohrgröße vorschreiben. Diese zusätzlichen Faktoren müssen von Fall zu Fall bewertet und mit der geschätzten Vorbereitungszeit für die Aufzugsanwendung verglichen werden. Ich bin zu 100 % davon überzeugt, dass die Größe des Saugrohrs niemals kleiner sein sollte als der Pumpensaugstutzen einer Pumpe. Durch die Minimierung sowohl der Länge als auch des Durchmessers der Saugleitung wird das Luftvolumen in der Leitung verringert. Je kleiner das Luftvolumen ist, desto weniger Zeit wird benötigt, um es während des Grundierungsvorgangs zu entfernen.

Das Saugrohr enthält ein gewisses Luftvolumen „x“, das entfernt werden muss, damit die Pumpe angesaugt wird und anschließend zufriedenstellend funktioniert. Wenn Sie an den Geometrieunterricht in der Oberschule zurückdenken, werden Sie sich daran erinnern, dass das Volumen eines Zylinders leicht zu berechnen ist. Das Volumen eines Zylinders ist gleich pi (π oder 3,14159) mal dem Quadrat des Radius mal der Höhe. In diesem Fall handelt es sich bei unserem Zylinder tatsächlich um ein Rohr, sodass die Höhe des Zylinders einfach zur Länge des Rohrs wird. Achten Sie darauf, den Innendurchmesser des Rohrs zu verwenden, um eine bessere Genauigkeit zu erzielen. Nutzen Sie die volle Länge – nicht nur den vertikalen Abstand (statischer Kopf) – und achten Sie sorgfältig auf Ihre Einheiten. Es ist ein einfacher und häufiger Fehler, den Radius in Zoll und die Länge in Fuß anzugeben.

Warten Sie nicht zu lange

(Beachten Sie, dass es sich bei diesem Abschnitt um einen gekürzten Auszug aus meiner Kolumne vom Oktober 2021 handelt.)

Was ist die große Sache mit der Vorbereitungszeit?

Erste Sorge: Die Schmierung der Gleitringdichtungsflächen ist für die Gesundheit der Dichtung und den insgesamt erfolgreichen Betrieb der Pumpe von größter Bedeutung. Wenn die Pumpe ohne Flüssigkeit (Schmierung) läuft, werden die Dichtflächen innerhalb einer Minute (schnell) zerstört. Wenn die Pumpe über eine Stopfbuchspackung verfügt, läuft die Packung trocken und wird ebenfalls schnell ausfallen. Unabhängig davon, ob Ihre Pumpe über eine Packung oder eine mechanische Dichtung verfügt: Wenn diese im Freien versagt, gelangt Luft in das System und die Pumpe kann nicht angesaugt werden.

Die meisten OEMs selbstansaugender Pumpen legen die Position der Dichtungskammer so fest, dass sie automatisch mit Produkt geflutet wird (Standardeinstellung) und/oder mit einer kompatiblen Flüssigkeit (z. B. Öl) gefüllt wird, um einen Trockenbetrieb während des Ansaugvorgangs auszuschließen. Beachten Sie jedoch, dass der Hersteller davon ausgeht, dass die Entwicklung der Grundierung nur eine kurze Zeitspanne dauern wird. Bei Selbstansaugern mit gepackten Stopfbuchsen ist es wichtig, während der Ansaugphase über eine externe Spülung oder eine alternative Schmiermethode zu verfügen. Fragen Sie den Hersteller nach dessen Ratschlägen. Einige Pumpen verfügen beispielsweise über eine Fetteinspritzöffnung an der Stopfbuchse, die nur während des Ansaugvorgangs verwendet wird.

Zweites Problem: Während des Ansaugvorgangs wird das Wasser im Ansaughohlraum (Gehäuse oder Nebenkammer) umgewälzt und vom Laufrad aufgewirbelt. Diese Scherwirkung fügt Wärme hinzu und erhöht die Flüssigkeitstemperatur ziemlich schnell.

Es ist schwierig, genau zu berechnen, wie schnell die Flüssigkeitstemperatur für Ihre spezifische Installation ansteigt, da viele Faktoren eine Rolle spielen. Wir wissen jedoch, dass die Summe aus PS und Geschwindigkeit wichtige Faktoren sind. Es ist wichtig zu beachten, dass Pumpen, die mit 3.550 Umdrehungen pro Minute (U/min) betrieben werden, die Flüssigkeit acht- bis zehnmal schneller erhitzen als bei 1.750 U/min.

Bei schnelleren Pumpen ist es nicht ungewöhnlich, dass sich die Flüssigkeit in der Gleitringdichtungskammer/Stopfbuchse mit einer Geschwindigkeit von 40 bis 50 Grad pro Minute erwärmt. Ein Teil dieser Wärme wird an die Umgebung abgegeben, aber der entscheidende Punkt ist, dass sich die Flüssigkeit ziemlich schnell erwärmt, wodurch sich auch der Dampfdruck ändert. Wenn sich die die Gleitringdichtung umgebende Flüssigkeit erwärmt, kann sie leicht zu Dampf verdampfen. Hinweis: Nicht alle Gleitringdichtungen unterliegen dieser beschriebenen Dichtungskammersituation und hängen vom Hersteller, Modell und Design ab.

Unterdessen steigen auch im Gehäuse/in der Ansaugkammer die Temperatur und der Dampfdruck schnell an. Folglich erhöht sich auch das Risiko bzw. die Wahrscheinlichkeit eines Verdampfens der Flüssigkeit in der Ansaugkammer. Das ultimative Ziel besteht darin, die Pumpe vor dem Flashen der Flüssigkeit vorzubereiten.

Berechnung der Ansaugzeit

Um die geschätzte Ansaugzeit für Ihr individuelles System zu berechnen, können Sie den Pumpenhersteller um Hilfe bitten.

Bevor Sie den OEM kontaktieren, müssen Sie zunächst die folgenden Informationen kennen:

In jedem offenen System, bei dem eine selbstansaugende Pumpe in einer Hebeanwendung verwendet wird, sind Dampfdruck, Reibung, statischer Auftrieb und Zeit nicht Ihre Freunde. Ihnen steht nicht unendlich viel positive Energie zur Verfügung, um sie zu bekämpfen.

Ihre einzigen Verbündeten bei der Suche nach einer ordnungsgemäß vorbereiteten Pumpe sind absoluter Druck und die Minimierung der Zeit für die Vorbereitung. Konzipieren Sie das System so, dass die Ansaugzeiten kurz sind, indem Sie die Pumpe in der Nähe der Quelle platzieren und das Saugrohr richtig dimensionieren.

In meiner nächsten Kolumne werde ich ein Beispiel für die Berechnung der Hauptsendezeit durchgehen und einige Tipps für ein störungsfreies System geben.

Lesen Sie hier Teil 2.

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.