Ist die variable Drehzahl eine magische Lösung für Pumpen? Teil 2 von 2

Jul 13, 2023

Anmerkung des Autors: In Teil 1 dieser Serie in der Mai-Ausgabe 2021 von Pumps & Systems habe ich fälschlicherweise angegeben, dass man sich bei Verwendung der Affinitätsgesetze die Änderungen auch als Faktor 4 für Förderhöhe und Faktor 8 für Leistung vorstellen kann . Diese Aussagen gelten nur, wenn die Geschwindigkeit verdoppelt (oder halbiert) wird. Die Online-Version wurde korrigiert und ist unter pumpenandsystems.com/author/jim-elsey zu finden.

Die Form (Geometrie) einer Pumpenkurve ist fast ausschließlich eine Funktion der physikalischen Form des Laufrads, der Änderung des Strömungspfadwinkels, des Durchmesserverhältnisses (insgesamt zum Auge), der Schaufelüberlappung, der Schaufelwinkel und der Anzahl der Schaufeln. Bei all diesen Dingen handelt es sich im Wesentlichen um die spezifische Drehzahl (Ns) des Laufrads.

Eine Pumpe arbeitet dort, wo ihre Leistungskurve die Systemkurve schneidet, oder umgekehrt gibt die Systemkurve vor, wo die Pumpe auf ihrer Kurve arbeitet. Pumpenkurven werden normalerweise (anhand ihrer Steigung/Form) entweder als „flach“ oder „ansteigend“ und manchmal auch als „steil ansteigend“ beschrieben.

Die flache Pumpenkurve führt typischerweise zu einer großen Änderung der Durchflussrate bei einer kleinen Änderung der Systemdruckhöhe, und eine steile (ansteigende) Pumpenkurvenform führt zu einer kleinen Änderung der Durchflussrate bei einer großen Änderung der Systemdruckhöhe. Diese oben genannten Eigenschaften werden, wenn sie mit der Systemkurve aufgetragen werden, entweder einen großen Vorteil darstellen oder Ihre Bemühungen zur Energieeinsparung verwässern.

Eine Systemkurve stellt alle Einschränkungen, die Summe der Höhenänderungen und die Gesamtreibung im System für den gesamten Bereich der Auslegungsdurchflussraten dar. Die Systemwiderstandskurve besteht aus vier Druckfaktoren: statischer Druckkopf, Druckkopf, Reibungskopf und Geschwindigkeitskopf. Aufgrund des winzigen Effekts können wir den Geschwindigkeitsdruck ausschließen.

Die statische Förderhöhe ist die vertikale Distanz, über die die Flüssigkeit von der Pumpe bewegt werden muss. Während es uns normalerweise um eine positive statische Förderhöhe geht, kann diese auch negativ sein (ja, beim Bergabpumpen) und diese Fälle können problematisch sein, da dadurch der Schnittpunkt der Systemreibungskurve mit der Pumpenkurve weiter nach rechts verschoben wird.

Die Druckhöhe ist der Druck, den die Pumpe überwinden muss, um die Flüssigkeit in einen Behälter wie einen Kessel oder Reaktor zu fördern. Der Druck in Pfund pro Quadratzoll (psi), der zur Überwindung des Strömungswiderstands erforderlich ist, wird einfach in Druckhöhe umgerechnet. Zu guter Letzt gibt es noch den Friktionskopf. Der Reibungsdruck ändert sich mit der Durchflussrate und variiert im Quadrat der Flüssigkeitsgeschwindigkeit (siehe Darcy-Weisbach-Formel). Oder einfacher ausgedrückt: Die Reibung nimmt mit steigenden Durchflussraten exponentiell zu.

Systemkurven sind in Wirklichkeit keine statischen Einheiten, auch wenn verschiedene Berechnungs- und Entwurfsverfahren Sie vielleicht glauben machen. Die Füllstände ändern sich je nach Prozess und Druck (falls zutreffend) und die Reibungskomponente ändert sich, wenn Steuerventile ihre Position ändern. Darüber hinaus werden die Systemkomponenten und Rohrleitungen mit zunehmendem Alter, Verschmutzung und Korrosion stärker verengt.

Die endgültige Form der Systemkurve hat großen Einfluss auf die Machbarkeit und Ihre Entscheidung, einen Frequenzumrichter (VFD) zu integrieren. Systemkurven werden normalerweise entweder als „von Reibung dominiert“ oder als „von statischer Förderhöhe dominiert“ klassifiziert, es sind jedoch auch Kombinationen aus beiden möglich.

VFDs funktionieren gut, wenn die Pumpenkurve eine ansteigende Form hat und die Systemkurve von Reibung dominiert wird. Je flacher die Systemkurve (dominiert durch statische Förderhöhe) und je flacher die Pumpenkurve, desto weniger effektiv ist das VFD-System. Je steiler die Pumpenkurve ist, desto höher ist in der Regel das Potenzial für Energieeinsparungen. Für die Genauigkeit ist jedoch eine Analyse erforderlich. Nur weil die Kurve flach ist, heißt das nicht, dass die Kapitalrendite nicht funktioniert.

Drei Hauptkategorien von Systemen, die für VFDs geeignet/anwendbar sein könnten, sind:

Wenn die Systemkurve von der Reibung dominiert wird, führt eine Reduzierung der Drehzahl dazu, dass die Betriebspunkte der Pumpe (die der Systemkurve folgen) der Steigung des Best Efficiency Point (BEP) der Pumpe folgen, da auch Leistung, Durchfluss und Förderhöhe abnehmen. Wenn die Kurve flach ist (statische Förderhöhe dominiert), verlässt die Pumpe schnell den BEP und den zulässigen Betriebsbereich (AOR), wenn die Drehzahl verringert wird. Sie können sich auch auf der linken Seite der Kurve dem minimalen kontinuierlichen stabilen Durchfluss (MCSF) nähern. Die Grenzen auf der rechten Kurvenseite werden im geringen Arbeitsbereich schnell angefahren.

Für alle Pro-VFD-Leute, die dies lesen: Bitte seien Sie sich darüber im Klaren, dass ich auf Ihrer Seite bin. Ich denke, VFDs sind wunderbare Lösungen – in den meisten Fällen. Aber es ist auch wichtig, dass Betreiber/Eigentümer verstehen, dass wie alles auf der Welt nichts perfekt ist. Ich empfehle allen Betreibern, Eigentümern und Benutzern, mit dem Anbieter zusammenzuarbeiten, um die aufgeführten Probleme zu vermeiden:

Diese Kolumne deckt nur einen kleinen Teil der Antriebe, Motoren, Pumpen, Systeme und Systemprozesssteuerungen für Anwendungen mit variabler Drehzahl und wirtschaftliche Bewertungen ab. Die Gerätehersteller werden eine wertvolle Quelle für zusätzliche und relevante Informationen sein. Ich empfehle Ihnen außerdem, die Richtlinien und Lehrmaterialien des Hydraulic Institute zu lesen.

Jim Elsey ist ein Maschinenbauingenieur mit mehr als 50 Jahren Design- und Betriebserfahrung, der sich hauptsächlich auf die Zuverlässigkeit rotierender Geräte in den meisten industriellen Anwendungen und Märkten weltweit konzentriert. Elsey ist GM von Summit Pumps und aktives Mitglied der American Society of Mechanical Engineers, der American Society of Metals, der National Association of Corrosion Engineers und der Naval Submarine League. Elsey ist außerdem Geschäftsführerin von MaDDog Pump Consultants LLC. Er kann unter [email protected] erreicht werden.