Auswahl einer HVAC-Pumpe

Apr 29, 2023

Es gibt verschiedene Arten von Pumpen, die für den Flüssigkeitstransport verwendet werden. In heutigen HVAC-Systemen wird jedoch am häufigsten die Kreiselpumpe verwendet. Zu den Kreiselpumpentypen gehören Spiral- oder Axialpumpen. Die Spirale nimmt Wasser vom Laufrad auf und gibt das Wasser senkrecht zur Welle ab. Eine Kreiselpumpe mit Diffusorgehäuse (Axialpumpe) fördert das Wasser parallel zur Pumpenwelle.

Kreiselpumpen sind in vielen Ausführungen erhältlich, darunter Umwälzpumpen, ein- und mehrstufige Pumpen mit Endansaugung, ein- und mehrstufige Split-Case-Pumpen und vertikale Inline-Pumpen.

Umwälzpumpen werden typischerweise in Systemen mit niedrigem Druck und geringer Kapazität eingesetzt. Die Größe dieses Systems liegt typischerweise unter 150 gpm und ist nicht für einen Betriebsdruck von mehr als 125 psig ausgelegt. Dieser Pumpentyp wird typischerweise direkt in das Rohrleitungssystem eingebaut und von diesem getragen und ist mit dem Motor entweder in vertikaler oder horizontaler Position erhältlich. Siehe Abbildung 1 für eine Standard-Umwälzpumpe.

Endansaugpumpen sind Einzelansaugpumpen und können entweder direkt oder flexibel gekoppelt sein. Bei einer Blockpumpe ist das Laufrad direkt auf der Motorwelle montiert. Bei einer Pumpe mit flexibler Endansaugung sind das Laufrad und die Motorwelle durch eine flexible Kupplung getrennt. Der Vorteil der Verwendung einer Blockpumpe besteht darin, dass die Ausrichtung der Motorwelle zum Laufrad festgelegt ist. Eine Pumpe mit flexibler Kupplung kann während der Wartung falsch ausgerichtet werden. Dies kann zu Problemen führen, wenn der Zusammenbau nicht ordnungsgemäß durch geschultes Personal erfolgt. Endansaugpumpen sind so konstruiert, dass das einströmende Wasser horizontal durch das Ende in die Pumpe gelangt. Das Wasser ändert dann seine Richtung und wird vertikal, senkrecht zum Sog, abgegeben. Typischerweise werden diese Pumpen auf einem festen Untergrund auf dem Boden installiert. Eine Endansaugpumpe kann in HLK-Systemen mit Kapazitäten von bis zu 4000 Gallonen pro Minute und einer Förderhöhe von 150 Fuß eingesetzt werden.

Der Vorteil der Verwendung einer Blockpumpe besteht darin, dass für die Installation weniger Platz im Anlagenraum benötigt wird. Einer der Nachteile der Verwendung einer Blockpumpe in einem HVAC-System ist der Motortyp. Typischerweise wird der Motor speziell auf den Wellentyp und die Dichtungen der Pumpe abgestimmt. Flexibel gekoppelte Pumpen verwenden typischerweise Standardmotoren. In Abbildung 2 ist eine typische Pumpe mit flexibler Endansaugung dargestellt.

Split-Case-Pumpen ähneln Endansaugpumpen darin, dass sie flexibel zwischen Motor und Pumpe gekoppelt sind. Die Baugruppe, einschließlich Motor und Pumpe, ist starr auf einer gemeinsamen Grundplatte montiert. Ansaug- und Auslass der Pumpe sind in horizontaler Richtung angeordnet und stehen senkrecht zur Welle.

Split-Case-Pumpen sind entweder mit einfacher oder doppelter Ansaugung erhältlich. Bei einer einfachsaugenden Pumpe gelangt das Wasser nur von einer Seite in das Laufrad. Bei doppelter Ansaugung gelangt die Flüssigkeit von beiden Seiten in das Laufrad. Durch die Verwendung von Doppelansaugung wird das Risiko eines hydraulischen Ungleichgewichts verringert. Die Reduzierung des hydraulischen Ungleichgewichts ist einer der Gründe, warum doppelsaugende Split-Case-Pumpen gegenüber einfachsaugenden Pumpen bevorzugt werden.

Split-Case-Modelle können für den mehrstufigen Betrieb auch mehrere Laufräder haben. Mehrere Laufräder sorgen für eine größere verfügbare Förderhöhe innerhalb einer einzigen Pumpe.

Split-Case-Pumpen sind als horizontale oder vertikale Split-Case-Pumpen erhältlich. Bei horizontalen Split-Case-Pumpen ist das Laufradgehäuse in der horizontalen Ebene geteilt. Bei vertikalen Split-Case-Pumpen ist das Laufradgehäuse in der vertikalen Ebene geteilt. Das geteilte Gehäuse ermöglicht den vollständigen Zugang zum Laufrad für Wartungszwecke.

Split-Case-Pumpen werden hauptsächlich in Brandschutzsystemen eingesetzt, werden aber auch in der HVAC-Industrie für Systeme mit großer Kapazität eingesetzt. Ihr Kapazitätsbereich reicht von bis zu 6500 gpm und einer Förderhöhe von 600 Fuß. Diese Pumpen sind auch mit erhöhtem Betriebsdruck bis zu 400 psig erhältlich. Abbildung 3 zeigt eine typische horizontale Split-Case-Pumpe.

Diese Pumpen haben typischerweise eine geringere Stellfläche innerhalb eines Anlagenraums und erfordern keine Trägheitsbasen. Im Allgemeinen werden Trägheitssockel installiert, um Vibrationen der rotierenden Teile in der Pumpe zu reduzieren. Die Druckleitungen sind in der horizontalen Ebene angeordnet. Vertikale Inline-Pumpen sind als Einzel- oder Doppelsauger erhältlich. Vertikale Inline-Pumpen sind direkt gekoppelt. Pumpe und Motor sind direkt am Pumpengehäuse montiert. Die Pumpe wird normalerweise durch das Rohrleitungssystem, in dem sie installiert ist, montiert und getragen. Bei vertikalen Inline-Pumpen mit größerer Kapazität kann die Pumpenbaugruppe mit einem Sockel für die Bodenmontage ausgestattet sein. Die Pumpe saugt und

Vertikale Inline-Pumpen haben eine Kapazität von bis zu 25.000 Gallonen pro Minute und eine Förderhöhe von 300 Fuß. Siehe Abbildung 4 für eine typische vertikale Inline-Pumpe.

Es gibt zwei Arten von Systemen, in denen Pumpen installiert werden können: Systeme mit geschlossenem Kreislauf und Systeme mit offenem Kreislauf. In der HVAC-Branche sind geschlossene Kreisläufe Systeme, bei denen die statische Höhe bei der Berechnung des Drucks nicht berücksichtigt wird. Kaltwasser- und Heizwarmwassersysteme sind typischerweise Systeme mit geschlossenem Kreislauf. Ein System mit offenem Kreislauf wird dadurch definiert, dass das System über ein Rohr verfügt, das zur Atmosphäre hin offen ist. Mit Kühltürmen verbundene Pumpsysteme gelten als Systeme mit offenem Kreislauf, da die Sprühdüsen oben am Turm zur Atmosphäre hin offen sind. Siehe Abbildung 5 für allgemeine Konfigurationen mit geschlossenem und offenem Regelkreis.

Bei der Auswahl einer Pumpe für Systeme mit geschlossenem Kreislauf müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, z. B. Druckverluste im Zusammenhang mit der gesamten horizontalen und vertikalen Länge der Rohrleitungen, den Rohrbögen und T-Stücken (Armaturen), den Ventilen im System und diversem Rohrleitungszubehör , die Gerätespulen, der aufrechtzuerhaltende Mindestsystemdruck und die erforderliche positive Nettosaughöhe (falls zutreffend).

Mit jeder Rohrgröße ist ein Druckabfall verbunden, der von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die Flüssigkeit zirkuliert. Auch mit den Armaturen ist ein bestimmter Druckabfall verbunden. Für jedes Ventil im System, wie Absperrventile, Rückschlagventile, Ausgleichsventile, Schmutzfänger usw., gibt es veröffentlichte Herstellerliteratur zum Druckabfall für die aufgeführte Größe und Durchflussrate. Für jedes Gerät im System, einschließlich Kühlschlangen, Heizschlangen und Kältemaschinen, gibt es außerdem Herstellerangaben zum Druckabfall bei einer bestimmten Durchflussrate. Tabelle 1 ist ein Beispiel dafür, wie die Druckverluste in einem geschlossenen Kreislaufsystem summiert werden.

Wie in Tabelle 1 gezeigt, entspricht ein Druckabfall für das System etwa 81 Fuß. Die erforderliche Pumpe für das in Tabelle 1 angegebene System müsste eine Förderhöhe von mindestens 81 Fuß bereitstellen, um die Flüssigkeit ordnungsgemäß im System zu verteilen.

Bei Systemen mit offenem Kreislauf muss zusätzlich zum Druckverlust, der mit einem System mit geschlossenem Kreislauf einhergeht, auch die statische Höhe berücksichtigt werden.

In Tabelle 2 haben wir die Luftbehandlungsausrüstung (Spulen) und den Systemdruck durch einen Kühlturm bzw. die statische Höhe ersetzt. Die statische Höhe des Systems ist der Höhenunterschied zwischen dem Einlass des Kühlturms und dem Auslass des Kühlturms.

Bei der Auswahl einer Pumpe für ein offenes System müssen auch die erforderliche positive Nettosaughöhe (NPSHr) und die verfügbare positive Nettosaughöhe (NPSHa) berücksichtigt werden. NPSH ist definiert als der Druck am Einlass der Pumpe. Wenn der Druck am Pumpeneinlass geringer ist als der Dampfdruck der Flüssigkeit bei der örtlichen Temperatur, siedet die Flüssigkeit am Laufrad und es entstehen Dampfblasen. Die Entstehung der Dampfblasen wird als Kavitation bezeichnet. Kavitation in einer Pumpe kann aufgrund von Erosion des Laufrads und Ermüdung der Wellenlager und Dichtungen zu einem vorzeitigen Ausfall führen.

Die Berechnung zur Bestimmung des NPSHa lautet:

NPSHa = Patm + Ps – Pvp – Pf

Patm: Atmosphärendruck (ft)

Ps: Statische Höhe des Wassers über dem Pumpenlaufrad (ft)

PvP: Dampfdruck von Wasser (ft)

Pf: Reibungsverluste in Rohrleitungen (ft)

Wie in Abbildung 6 dargestellt, entspricht der NPSHa 45,9 Fuß (34,2 Fuß + 15 Fuß – 1,3 Fuß – 2 Fuß = 45,9 Fuß).

Der NPSHr wird normalerweise vom Hersteller der im System verwendeten Pumpe bereitgestellt. Der NPSHa muss größer als der NPSHr sein, um Kavitation zu verhindern. Es wird empfohlen, beim NSPH einen Sicherheitsspielraum einzuhalten, um sicherzustellen, dass im System keine Kavitation auftritt. Ein typischer Sicherheitsspielraum beträgt 3 Fuß bei der Bestimmung des NPSH eines Systems. Wenn der NPSHa 45,9 Fuß beträgt, sollte eine Pumpe mit einem maximalen NPSHr von 40 Fuß verwendet werden.

In Pumpsystemen können verschiedene Konfigurationen verwendet werden. Pumpen können parallel, in Reihe und auch in einer Primär-/Sekundärpumpenkonfiguration angeordnet werden. Parallel installierte Pumpen werden verwendet, wenn bei gleichem Systemdruck zusätzlicher Durchfluss erforderlich ist und eine einzelne Pumpe die Systemanforderungen nicht erfüllen kann (siehe Abbildung 7). Pumpen, die in Reihenschaltung installiert sind, werden verwendet, wenn zusätzlicher Druck bei einer festgelegten maximalen Durchflussrate erforderlich ist und eine einzelne Pumpe nicht in der Lage ist, die Systemanforderungen zu erfüllen (siehe Abbildung 8).

Primär-/Sekundärpumpen werden verwendet, wenn der Volumenstrom zwischen der Ausrüstung und dem System variiert. Mit dem technologischen Fortschritt bei der Ausrüstung, die in Fluidsystemen verwendet wird, ist eine Verringerung des Einsatzes von Primär-/Sekundärsystemen zu beobachten.

Kaltwasser- und Heizwassersysteme wurden typischerweise als Primär-/Sekundärsysteme konzipiert. Der Grund für die Verwendung einer primären/sekundären Pumpenkonfiguration lag darin, dass die Kältemaschinen und Kessel jederzeit eine konstante Durchflussrate benötigen. Der Primärkreislauf hat 100 % der Betriebszeit einen konstanten Durchfluss. Der Sekundärkreislauf verwendet einen variablen Durchfluss. Die Pumpe läuft über den Frequenzumrichter (VFD) hoch und runter, um die Fördermenge an die Systemanforderungen anzupassen.

Durch den Einsatz von Zweiwegeventilen im System konnte die Durchflussrate an der Anlage reduziert werden, um sie an die Spulenlasten anzupassen. Der Druckanstieg im System durch das Schließen der Ventile sendet ein Signal zurück an die Pumpe, um den Durchfluss zu reduzieren. Dies wird durch den Einbau von Differenzdrucksensoren in das Rohrleitungssystem erreicht. Der Differenzdruck wird konstant gehalten. Beim Schließen der Ventile steigt der Systemdruck. Dies weist die Pumpe an, langsamer zu fahren und den Durchfluss zu reduzieren, um den konstanten Druck aufrechtzuerhalten.

Vor den technologischen Fortschritten des VFD wurden Kühl- und Heizwassersysteme mit Pumpen mit konstantem Durchfluss und Dreiwegeventilen betrieben. Das Dreiwegeventil ermöglichte es dem Wasser, entweder durch die Spule zu fließen oder über einen Bypass zurück in das System umgeleitet zu werden. Dieses System hatte 100 % der Zeit ein konstantes Volumen. Das bedeutet, dass die Pumpe unabhängig von den Lastanforderungen des Systems mit 100 % ihrer Auslegungskapazität lief. Ein System auf diese Weise zu betreiben ist eine enorme Energieverschwendung. Mit der Einführung von Frequenzumrichtern war es möglich, den Gebäudekreislauf lastkonsistent zu betreiben. Da die Belastung im Gebäude abnahm, konnte die Pumpe ihre Förderleistung reduzieren. Ein Beispiel für Primär-/Sekundärpumpen ist in Abbildung 9 dargestellt.

Bei der Auswahl einer Pumpe müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Sobald die HVAC-Lasten des Gebäudes ermittelt wurden, kann die Durchflussrate ermittelt werden. Anschließend sind die Druckverluste des Systems zu berechnen. Betrachten Sie das folgende Beispiel:

Für ein Gebäude soll ein Kaltwassersystem konzipiert werden. Das System umfasst einen luftgekühlten Kühler, Lüftungsgeräte und eine Rohrleitungsverteilung. Der maximale Wärmeverlust des Gebäudes wird mit 2.400 MBH berechnet, bei einem minimalen Wärmeverlust von 840 MBH. Dies wurde durch die HVAC-Belastungen des Gebäudes bestimmt. Bei Verwendung eines Deltas von 12 F für die Wassereintritts- und -austrittstemperaturen am Kühler ist eine maximale Durchflussrate von 400 gpm und eine minimale Durchflussrate von 140 gpm erforderlich. Das Verteilungssystem hat eine Gesamtlänge (TDL) von 350 Fuß an Rohrleitungen einschließlich Armaturen. Wie bereits erwähnt, müssen die Druckverluste berechnet werden. Eine Zusammenfassung der Druckverluste im System finden Sie in Tabelle 3.

Um die mit der Rohrleitung verbundenen Druckverluste zu berechnen, gilt als Faustregel, 2 bis 3 Fuß pro 100 Fuß Rohrleitung als Druckverlust zu verwenden und außerdem eine maximale Geschwindigkeit von 8 bis 10 Fuß/Sekunde (fps) einzuhalten. Bei zu hoher Geschwindigkeit kann es zur Erosion der Rohrleitungen kommen. In der obigen Berechnung wurden 2,5 Fuß pro 100 Fuß Rohrleitung für Druckverluste verwendet.

Basierend auf den obigen Berechnungen erfolgt die Pumpenauswahl bei einem Auslegungszustand von 400 gpm und einer dynamischen Gesamtförderhöhe (TDH) von 85 Fuß.

Da nun Fördermenge und Druckverlust des Systems bekannt sind, kann mit der Auswahl der Pumpen begonnen werden. An diesem Punkt des Auswahlprozesses ist eine Pumpenkurve erforderlich. Bevor wir die Herstellerkataloge hervorholen oder online recherchieren, müssen wir zunächst den besten Pumpentyp für diese Anwendung ermitteln. Dies wird durch die Durchsicht der Herstellerliteratur ermittelt, um den Betriebsbereich jedes Pumpentyps zu bestimmen. Umwälzpumpen werden typischerweise für Anwendungen mit geringem Durchfluss verwendet, daher wäre dieser Pumpentyp zu klein. Endansaugpumpen werden typischerweise für kleine bis mittelgroße Anlagen eingesetzt.

Da es sich bei diesem System um ein mittelgroßes System handelt, ist die Endansaugpumpe eine mögliche Option. Vertikale Inline-Pumpen werden typischerweise in kleinen bis großen Projekten eingesetzt, daher sind diese Pumpen eine weitere Option. Split-Case-Pumpen werden typischerweise für große Hydroniksysteme verwendet. Dieser Pumpentyp wäre zu groß, um die Anforderungen des oben beschriebenen Systems zu erfüllen.

Basierend auf den Pumpenanwendungen und Systemanforderungen können Endansaugpumpen und vertikale Inline-Pumpen innerhalb der Konstruktionsparameter betrieben werden.

Zur Auswahl der Pumpe stehen Online-Rechner der Hersteller zur Verfügung oder es kann auf den Katalog des Herstellers zurückgegriffen werden. Für das System im obigen Beispiel müssen wir prüfen, ob eine einzelne Pumpe sowohl die maximale als auch die minimale Durchflussrate erreichen kann. Dies wird durch Auftragen der Punkte auf Potentialpumpenkurven bestimmt. Wenn eine einzelne Pumpe nicht in der Lage ist, die maximalen und minimalen Durchflussraten zu erreichen, ist eine zweite Pumpe erforderlich und in einer Parallelkonfiguration zu verrohren (siehe Abbildung 7).

Wie in den Pumpenkurven in Abbildung 5 dargestellt, kann eine einzelne Pumpe verwendet werden, um die maximalen und minimalen Durchflussraten des Systems zu erreichen.

Wie in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt, ist die vertikale Inline-Pumpe keine gute Wahl, da der Betriebspunkt rechts vom besten Effizienzpunkt (BEP) liegt. Darüber hinaus liegt die Betriebseffizienz bei ca. 70 %. Die Endansaugpumpe scheint die bessere Wahl zu sein. Die Endansaugpumpe hat mit 76 % nicht nur einen höheren Betriebswirkungsgrad, sondern der Betriebspunkt liegt auch links vom BEP.

Bei der Auswahl der richtigen Pumpe müssen neben der Pumpenkennlinie und dem Wirkungsgrad noch weitere Faktoren berücksichtigt werden. Auch die Betriebskosten über die Lebensdauer des Systems sind ein entscheidender Faktor. Die oben dargestellte vertikale Reihenpumpe arbeitet bei Volllast mit 11,39 PS (Bremsleistung)/8,50 kW. Der Einfachheit halber können wir davon ausgehen, dass die vertikale Inline-Pumpe rund um die Uhr läuft und 74.400 kWh verbraucht werden. Wenn die Stromkosten 0,10 $/kWh betragen, entstehen dem Eigentümer jährliche Betriebskosten von 7440 $. Die oben dargestellte Endsaugpumpe leistet bei Volllast 10,71 PS/7,99 kW. Bei den gleichen Betriebsstunden wie bei der vertikalen Inline-Pumpe belaufen sich die Betriebskosten, die dem Eigentümer für die Endansaugpumpe entstehen, auf 7.000 US-Dollar pro Jahr. Für die Endansaugpumpe wird eine jährliche Betriebskosteneinsparung von 440 US-Dollar berechnet.

Wie man anhand der Betriebskosten erkennen kann, arbeitet die Endansaugpumpe nicht nur an einem geeigneteren Punkt der Pumpenkurve, sondern weist im Vergleich zur vertikalen Inline-Pumpe auch geringere Betriebskosten auf. Für eine realistische Betriebskostenanalyse sollten die Betriebsstunden der Pumpe anhand des Lastprofils der Anlage ermittelt werden, für die die Pumpe ausgewählt wird. Anstatt die Betriebskosten auf der Grundlage eines 24/7-Volllastbetriebs zu berechnen, sollten äquivalente Volllastbetriebsstunden in die Berechnungen einbezogen werden.

Mehrere Faktoren können einen Einfluss auf die Auswahl der besten Pumpe für ein Projekt haben. Die Fördermenge, die Druckverluste, der beste Wirkungsgrad im Vergleich zum Betriebspunkt und die Betriebskosten sind wichtige Faktoren bei der Auswahl einer Pumpe. Beginnen Sie mit der erforderlichen Durchflussrate, um zu bestimmen, welcher Pumpentyp für die Anwendung am besten geeignet ist, und verwenden Sie dann die Pumpenkurve und die Betriebskostenanalyse, um die Auswahl abzuschließen.

Amy Lasseigne ist stellvertretende Direktorin für Maschinenbau bei JBA Consulting Engineers. Ihr Fachgebiet ist die Planung mehrerer zentraler Anlagen mit einer Kapazität von 150 bis 20.000 Tonnen. In diesen zentralen Anlagen werden Casino-Resort-Einrichtungen im großen Maßstab sowie Bildungseinrichtungen und Bürogebäude im kleinen Maßstab betrieben.

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