Die richtige Auswahl der Pumpe nach dem Medium

Die richtige Auswahl der Pumpe nach dem Medium Prof. Dr.-Ing. Eberhard Schlücker Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik Drosselkennlinie...
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Die richtige Auswahl der Pumpe nach dem Medium Prof. Dr.-Ing. Eberhard Schlücker

Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik

Drosselkennlinien als erste Informationsquelle Gründe für die Formen der Drosselkennlinien

p

A) Die Krümmung der Kreiselpumpenkennlinie resultiert aus p(v2) und:

  c A V m2 2

B) Verdrängerpumpen hingegen gilt: H

Hth 

000737 0010 M

D

(V

hf

Hth 

Hydraulik

Strömungsverlust

v

=

hv

) K

Vn V

001126 0109

J

E

H

V

hv0

f(

0

1

Reale Schaufelzahl Hth

hv

Hn L

unendliche Schaufelzahl

B

)

G

) f( V

? Q

=f

H=

)

h f

H0th 

F

Hth = f (V

)

N

= f( V

Hth  - Hth

A C

h

p = 𝑓(𝑉𝐿,Maschine) C) Die Steigungen der Verdrängerpumpen-Kennlininen sind also eine Funktion der Leckströme und diese wiederum sind: 𝑉𝐿 = 𝑓(p, Typ, Geometrie, )

V

Was ist Viskosität /unterschiedliche viskose Verhalten Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit. Je zäher, desto mehr sind die Flüssigkeitsteilchen aneinander gebunden! 

𝐹

= 𝐴 = 







𝑑w

0 0X

𝑑𝑡 dw / dy





dw / dy



dw / dy

Dynamische Viskosität ([Ns/m2])

= 

dw / dy

dw / dy

dw / dy

Newton'sches Fluid

Strukturviskoses Fluid

Dilatantes Fluid

Wasser, Öle, niederviskose Zuckerlösungen

hochviskose Öle hochviskose Zuckerlösungen hochviskose ( Glukose) Kunststoffschmelzen

Suspensionen Stärke

Zahnpasta, Lacke, Creme, Schmierfette

. = dw / dy

 = K ( dw / dw )m

 = K ( dw / dw )m

= 0 + p . dw / dy

(Newton'scher Ansatz )

0 < m < 1, K = ( )

1 < m < , K = ( )

(Ostwald'sches Potenzgesetz)

(Ostwald'sches Potenzgesetz)

000569 0009

2

dw / dy

p

dw / dy

Kinematische Viskosität ([m2/s])



Bingham - Fluid

(Bingham'scher Ansatz)

Strömungsprofile (1) Strömungsprofile und Impulsaustausch

 Wand! v

Quelle: Schlichting

Newtonsche Flüssigkeit

Je größer die Deformation desto größer der Energiebedarf. Wand!  Max. Verschleiß v

3

Strukturviskose Flüssigkeit

Strömungsprofile (2) Strömungsprofile und Impulsaustausch  Wand!

v Dilatante Flüssigkeit  Wand! Max. Verschleiß

4

Thixotrope Flüssigkeit

v

Geschwindigkeitsmessungen im Rohrbogen Profilmessungen – Komponenten senkrecht zur Hauptströmungsrichtung • in der geraden Rohrstrecke: sehr geringe Geschwindigkeiten • hinter dem Rohrbogen: Ausbildung zweier entgegen rotierender Wirbel → Energieverlust

5

6

Strömung im Rohrbogen

Verschleiß

Wenig Verschleiß Starker Verschleiß

6

Strömungsquerschnitt Rohrbogenende

7

Couette Strömung - Geschwindigkeitsprofile

+ laminar

+ Laminar + p

Strukturviskos + p

Auch hier: Strukturviskos bewirkt größten Impulsaustausch und damit stärkeren Verschleiß! Problem: Die meisten Suspensionen zeigen strukturviskoses Verhalten.

Im Bereich großer Scherung: z.B. im Bereich der Interaktion der Zahnräder von ZP entstehen mit strukturviskosen Fluiden sehr große Relativgeschwindigkeiten – Verschleiß! 9

Nur Qualitativ!

Fördermedien

Viskosität

Flüssiggas

Viskos < 1 Pas

Hochviskos bis 10 Pas

Temperatur

-273° bis +10°C

-40°C+10°C

10° – 90°C

20°C150°C

>150°

Laugen

SUSP Fein/ grob/ weich

SUSP fein/ hart

SUSP grob/ hart

Ganze Früchte

Scherempfind -lich, chem. Reaktion

Bruchgefahr

Faserig, filigran

Aggressiv, Abrasiv

Empfindlich /Hygiene

10

Säuren

Zellen

Schlücker, Nov .2011

Hochviskos > 10 Pas

Stichfest

Pumpen für viskose Flüssigkeiten • Verdrängerpumpen VZ

A

E

d

D

e

SD

SS

11

Schlücker, Nov .2011

a)

VZ

b)

Alle Pumpen enthalten Scherspalte und erzeugen Quetscheffekte und/oder komplizierte Verdrängungsmechanismen oder Ventilschließvorgänge

Maximaler Wirkungsgrad  = PH /PS

Wirkungsgrade 1,0

Dyn. Viskosität 100 mPas

0,9

MPP

0,8 SP/3

0,7

EGP

IGP PP

0,6

MDP

PHP

PCP

0,5

HDP MPP MDP PP SP/X PCP ADP

LP

0,4 0,3

ADP ADP*

0,2

0,1

SP/5

SP/2

HDP

ADP* LP PHP EGP IGP

Pumpenwirkungsgrad von Verdrängerpumpen

Hydraulische Membranpumpe Mehrfach Plunger-Pumpe* Mechanische Membranpumpe Plunger-Pumpe** Schraubenspindelp., X = Spindel Exzenterschneckenpumpe Druckluft-Membranpumpe mit Elastomermembran Druckl. M.P. Incl. Kompressor Wirkungsgrad = 60 % Drehkolbenpumpe Schlauchpumpe außenverz. Zahnradpumpe (100 bar) innenverz. Zahnradpumpe

0 0,01

0,1

000108 0005

12

Schlücker, Nov .2011

0,2

0,5

1

2

5

10

20

50

100 200

500 1000 1200

Durchfluss Q [m3 /h]

1500

Wirkungsgrad

Viskositätseinfluss auf Wirkungsgrad

Schlauchpumpe

Oszillierende Verdrängerpumpe

EL

P3

P2

I

IL IF

Rotierende Verdrängerpumpe



P1



opt

000109 0005

P3 1

P2

P3*

P1 < P2 < P3 P2*

11 000110 0005

0

P1

p

10 2 10 3 10 4 10 5 106 Q Viskosität mPas

V 000737 0010

13

Schlücker, 20.10.2010

2

p

P1*

p,H

. V

Maximaler Förderdruck

Maximale Viskosität

[m³/h]

[bar]

[Pa s]

gr/ we

fe/ we

fe/ ab

Druckluftmembranpumpe

30

17

10

+

++

+

+

O

++

Exzenterschneckenpumpe

720

48

1000

++

++

+

+

O

Flügelzellenpumpe

200

25

2

+

+

--

O

Hydraulisch angetriebene Membranpumpe

400

1200

2000

+

++

++

Kolbenpumpe

400

3 000 (10 000)

1500

+

O

Kreiskolbenpumpe

660

25

100

++

Mechanisch angetriebene Membranpumpe

2

20

5

Schlauchpumpe

85

15

Motor-direktantrieb

Wirkungsgrad

+

+

+

-

++

O

--

/

--

+

+

+

+

+

-

+

+

n (y)

+

O

+

+

O

+ (++)

+

-

+

+

n

O

O

++

O

++

++

O

++

++

O

-

n

++

--

O

++

O

O

-

+ (++)

+

-

O

-

n

++

+

-

O

O

+

+

+

+

++

O

+

+

n

+

+

++

++

O

+

+

++

++

+ (++)

++

++

O

-

n

+

10

++

++

O

++

O

+

++

++

+

O

++

O

-

n

O

Schonende Förderung

Reiningungsfähigkeit

San

InvestitionsKosten

CIP SIP

Dosieren

Pulsation

Suspensionen mit Partikeleigenschaften

NPSH

? ?

Trockenlauf

?

Zuverlässigkeit*

Pumpen Typ

Zwei-Phasen Förderung Flüssig/Gas

Maximaler Förderstrom

Anwendungsschwerpunkte

?

Schraubenspindelpumpe mit treibendem Eingriff

1500

350

5

O

-

--

O

O

+

O

O

-

++

-

++

++

y

++

?

Schraubenspindelpumpe mit externem Antrieb

3400

350

500

+

+

O

++

O

O

+

O

--

++

+

++

+

y

+

Zahnradpumpe außenverzahnt mit treibendem Eingriff

340

400

200

O

-

--

O

+

+

O

O

-

+

-

+

+

y

+

Zahnradpumpe außenverzahnt mit externem Antrieb

340

400

1000

+

+

-

O

+

O

+

O

-

++

+

+

+

y

+

Zahnradpumpe innenverzahnt

100

15

1000

+

O

-

O

+

+

O

O

-

++

-

+

+

n (y)

+

14

Schlücker, 20.10.2010

Einsatzgrenzen und Anwendungsschwerpunkte kommerziell verfügbarer Verdrängerpumpen: ++ sehr gut; + gut; O In Sonderfällen geeignet; möglichst vermeiden, -- unbrauchbar; PH/PS = Hydraulische Leistung / Antriebsleistung; * Zuverlässigkeit basiert auf mittlerer Betriebsdauer ohne Wartung mit zulässigem Fluid und bei richtiger Behandlung, (....) Spezielle Lösungen. Abkürzungen: gr grob, we weich, ab abrasiv, fi fein; CIP/SIP Cleaning/Sterilization in Place; S  Sanitary  Reinigung durch Demontage; y  Ja, n  Nein.

Schraubenspindelpumpen Fördermechanismus: Kämmen! • Walzeneffekte! Fax drückt die Schrauben auseinander! • Massive Schereffekte! • Dichte Kammern! Schmierung bei treibendem Eingriff erforderlich! Bedingt partikeltolerant! • Kammervolumen konstant und • normalerweise kontrollierter Druckaufbau über Lspindel durch Leckströme!

p Fax 4

3

Einfluss steigender Viskosität:

15

7

• Steigende Gaskavitation! 2 • Fax nimmt zu! • Synchronisierte Typen - bis etwa 10 Pas. Sonst extreme Walkarbeit. 1 Immer weniger Druckaufbau 6 7 in der Schraube! • Erforderliche Schraubenlänge kürzer!

7

7 5

Exzenterschneckenpumpe Fördermechanismus: • Rotor und Stator haben unterschiedliche Steigung. Dadurch entstehen Kammern die nach vorne geschraubt werden. „Kissenform“! • Druckaufbau über Leckströme! • Gewisse Schmierung erforderlich!

Einfluss steigen-der Viskosität: p

Rotor pi pi-1

Particle

Deformation due pi Stator

16

• Kein Druckaufbau • Gaskavitation mögl. Immer weniger Kammern für den gleichen Druck. Ab etwa 5 Pas nur noch eine Stufe!? Problem: Statorstabilität! Abhilfe: gleiche Statorwanddicke! • Deutlich weniger Scherung als SSP! • Partikeltolerant.

Zahnradpumpen X

S1

S1

EGP

IGP

S3

Trochoidenpumpe

S4

1

Y

E b)

A

2

Schnitt: X-Y

S 4=Sp

a)

S2

Partikel werden eingequetscht oder schleifen

S1

Fördereigenschaften • Zähne schneiden die Lückenfüllung ab und transportieren diese auf die Druckseite um dort in der Interaktion mit dem anderen Zahnrad die Lücken leer zu quetschen. • Dies gelingt bei EGP nicht vollständig zur Druckseite hin. Quetschnuten! • Druckaufbau durch Leckströme! • Partikelintolerant. Nur über Härte! 17

000727 0010

c)

Einfluss steigender Viskosität: • Zunehmende massive Scherung • IGP besser als EGP wegen Gleitflächen. EGP braucht Quetschnuten. • EGP ist für höchste Viskositäten geeignet. Grund: Kraft- und Drehmoment optimal. • Aber: Nahezu die ganze Fördermenge wird stark geschert.

Drehkolbenpumpen d

a)

b)

Fördereigenschaften • Zähne schneiden die Lückenfüllung ab und transportieren diese auf die Druckseite um dort in der Interaktion mit dem andern Drehkolben die Lücken leer zu quetschen. • Dies muss nicht vollständig sein. • Keine Quetschnuten nötig! • Druckaufbau durch Leckströme! 18

dD

D

Partikel werden eingequetscht oder schleifen. Leckage steigt schnell an!

c)

Einfluss steigender Viskosität: • Zunehmende massive Scherung • Zunehmende große Kräfte und Drehmomente. Ab bestimmter Viskosität nicht mehr sinnvoll. • Rotoren werden zunehmend auseinandergebogen.

Flügelzellenpumpen VZ

A

E

d

D

e

SD

Nur geringe Viskosität SS

a)

Fördereigenschaften • Flügel schneiden die Lückenfüllung ab und transportieren diese mit Hilfe der Gehäusegeometrie auf der Druckseite zu halten. • Flügel müssen durch Fliehkraft oder Federkraft nach außen gedrückt werden! • Druckaufbau je nach Ausführung über Leckströme oder auch ohne Druckaufbau 19

VZ

b)

Einfluss steigender Viskosität: • Zunehmende massive Scherung • Zunehmende Kräfte auf die Flügel. • Ab bestimmter Viskosität können die Flügel selbst mit Federn nicht mehr gegen das Fluid nach außen gedrückt werden (Drehzahl?). Dann nicht mehr sinnvoll. Dies geschieht schon bei relativ geringen Viskositäten.

Peristaltische Schlauchpumpen 1

2

1

4

p

4

Rotor pi

p

2

1

3

Particle

Deformation due pi Stator

a)

4

Fördereigenschaften

b)

c)

Einfluss steigender Viskosität:

• Peristaltische Förderung . Schlauchrückfederung sorgt für das Ansaugen! • Zunehmende Kräfte beim • Nocken verdrängt über den Schlauch beim Eintauchen und auch Transport Fördereintritt Fördermedium…. (auf den Schlauch). • … und gibt dieses Volumen beim Austritt Überdruckwelle tritt gedämpft wieder frei! auf (oder gar nicht mehr!) • Kritische Stelle ist am Austritt des Nockens! • Bereits bei relativ geringen Dort entsteht durch die gleichzeitige Öffnung Viskositäten kann der Schlauch zur Druckseite eine Rückströmung mit nicht mehr zurückfedern und Überdruckwelle. Ansaugen! 20

SINUS-Pumpe Quelle MASO

Fördereigenschaften • SINUS-Scheibe ist Verdränger in Kombination mit einem Steuerschieber der als Blockade für den Weitertransport in der Pumpe wirkt. 21

Steuerschieber bewirkt Gleitverschleiß.

Einfluss steigender Viskosität: • Zunehmende Kräfte. Aber die Ausführung ist relativ robust. Schwachstelle: Steuerschieber.

Steuerkolbenpumpe Auslassvolumen

Fördereigenschaften • Ventillos! Verdrängungssteuerung durch Kolbenfenster und Kanäle • Problem: Kurzzeitige Überdeckung ohne Verbindungen zu den Kanälen!

Drehwinkel

t* Einlassvolumen

h

h

X

a)

AnsichtenX

1

2

b)

4 4

Auslassvolumen 1

3 Drehwinkel

t* Beginn DH

Ende DH

Beginn SH

Ende SH

Einlassvolumen

2

Einfluss steigender Viskosität: • Zunehmende Kräfte beim Eintauchen des Kolbens und bei Zu- und Abstrom. h

h X

22

a)

Kolben- und Kolbenmembranpumpe

X

000725 0010

Fördereigenschaften

Einfluss steigender Viskosität:

• Oszillierend! • Schwachstellen sind die Ventile • Bei hoher Viskosität Sonderausführung

• Zunehmende Kräfte, zunehmende Ventilnennweiten • Wenn Schließen des Ventils das Fluid nicht mehr zu Seite drücken kann, wird das Ventil erst zu Beginn des Druckhubes geschlossen. • Dann zwangsgesteuerte Ventile.

23

Hohe Viskosität und Partikel Werkstoffhärte ist verschleißbestimmend Dichtungsverschleiß, Bauteilverschleiß Hochviskoses Fluid mit Partikeln agiert wie eine Feile

SAR

Verschleißhochlage Partikelhärte < Bauteilhärte

Verschleißtieflage

? 24

Schlücker, 20.10.2010

HV-Bauteil

Hartmetall- , Keramikbauteile Kolben, Ventile, Zahnräder...

Hohe Viskosität und Partikel Wo sind Funktionsflächen?

Rotor 45°

Rotor

f(u) f(up) P 5:00

25

Schlücker, 20.10.2010

Zusammenfassung - Ranglisten Max. Viskosität Pumpentypen 1 Kolbenpumpe Sonderkonstruktion, Außenverzahnte Zahnradpumpe, Hydraulische Membranpumpe 2 SINUS-Pumpe mit Steuerschieber, Exzenterschneckenpumpe (n.n. verfügbar), Innenverzahnte Zahnradpumpe 3 Peristaltische Schlauchpumpe Schraubensp. Pumpe 26

Energieeffizienz

Schonend

Pumpentypen

Pumpentypen

1 Hydraulische Membranpumpe Kolbenpumpe Exzenterschneckenpumpe (n.n. verfügbar)

1 Exzenterschn. Pumpe Membranpumpe Kolbenpumpe

2 SINUS-Pumpe mit Steuerschieber

3 Zahnradpumpen Schraubensp. Pumpen

3 Innenverzahnte Zahnradpumpe Außenverzahnte Zahnradpumpe Drehkolbenp. 4 Peristaltische Schlauchpumpe Schraubensp. Pumpe

2 SINUS-Pumpe Schlauchpumpe

Verschleißbeispiele 25000

G-X 250 CrMo 15 3

G-X 300CrNiSi 9 5 2

GG-NiMo 7 7

> 10000 h

G-X 250 CrMo 15 3

Schleißwand

G-X 300 CrNiSi 9 5 2

Laufrad

> 15000 h

GG-25

GG-25

G-X 250 CrMo 15 3

0

> 7000 h

G-X 250 CrMo 15 3

Laufrad

G-X 300 CrNiSi 9 5 2

5000

GG-25

GG-NiMo 7 7

10000

G-X 250 CrMo 15 3

Laufrad Gehäuse

15000

G-X 250 CrMo 15 3

20000

GG-25 Gehäuse,Laufrad,Gehäusedeckel

Standzeit

Kalkmilch ist offensichtlich sehr abrasiv! Enthält Carbonate, Hydroxide und Oxide!

Gehäuse

> 23000 h h

Förderflüssigkeit Kalkmilch, Bauxitsuspension, Bauxitsuspension, Feststoffgehalt: Feststoffgehalt: Feststoffgehalt: 250 g/l Ca(OH)2+ 600 bis 700 g/l 600 bis 700 g/l 15 g/l Sand

AluminiumoxidAluminiumoxidsuspension suspension (Anmaischpumpe), (Weißschlamm), Feststoffgehalt: Feststoffgehalt: 300 bis 400 g/l 700 bis 800 g/l Al(OH)3

Bauxitschlamm, Feststoffgehalt: 280 g/l

Kanalrad-Kreiselpumpe ( Baugröße ) / Bauteil (KWP 65-315) Gehäuse Laufrad Gehäusedeckel Schleißwand

27

001259 0201

(KWP 100-400)

(KWP 150-500)

Gehäuse Gehäuse Laufrad Laufrad kpl. Gehäusekpl. Gehäusedeckel deckel Schleißwand Schleißwand

(KWP 150-315)

(KWP 150-315)

Gehäuse Laufrad Gehäusedeckel Schleißwand

Gehäuse Laufrad Gehäusedeckel Schleißwand

(KWP 100-400)

Gehäuse Laufrad kpl. Gehäusekpl. deckel Schleißwand

Werkstoffe 1,6 1,4

relativer Verschleißbetrag Wr

• Je härter desto verschleiß-fester! • Die verschlissenen Flächen zeigen fast immer eine gewisse Steigerung in der Härte. Der Grund dafür könnten Plastifizierungseffekte sein.

2

1,2 3 1,0 0,8

6

4

5

0,6 0,4 0,2 0 100

001257 0201 28

1

7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Austenitischer Stahl AISI 316 Austenitischer Stahl AISI 304 C - armer Stahl T1A, geglüht Ni Cr Mo - Stahl AISI 4340, perlitisch Martensitisch ausgehärter Stahl Almar 18 Ni Cr Mo - Stahl AISI 4340, normalisiert Manganhartstahl 12 Mn - 3,5 Ni Manganhartstahl 12 Mn - 1 Mo Manganhartstahl 12 Mn Manganhartstahl 12 Mn - 2 Mo, ausgehärtet Ni Cr Mo - Stahl AISI 4340, vergütet 26 Cr - 3,5 Mo - 3 C Aufschweißlegierung 26 - Cr - Gußeisen, 2,5 C 27 Cr - 5 Mo Gußeisen, 3,0 C 15 Cr - 3 Mo Gußeisen, 2,5 C 15 Cr - 3 Mo Gußeisen, 3,5 C Härte vor dem Versuch Härte der verschliss. Oberfläche

11

10

13

12

15 16

14 200

300

400

500

600

700

800 900 Brinell - Härte

1000

Werkstoffe 8 Feld 1 : Martensitisches weißes Gußeisen, Ni-Cr legiert

rel. Verschleißwiderstand WR

Feld 2 : Perlitisches weißes Gußeisen, unlegiert u. niedriglegiert Feld 3 : Stähle mit 0,15 - 0,5 % C, graue Gußeisen mit Lamellen bzw. Kugelgraphit

6

4

NiCr-legiertes martensitisches weißes Gußeisen perlitisches weißes Gußeisen X 200 Cr 12 GS-50 Cr 4 G-X 100 Cr 14 22 NiCr 14 X 50 CrMo 16 GG 2 C 25 GGG

2

1

3 Mindesthärte von Quartz

0 0 001260 0201 29

300

600

900 Vickers - Härte

40

20

001248 0201

30

80

60

0

Quarz-Wasser-Suspension 1:1 randschichtsonderbehandelt

sonderwärmebehandelt

lösungsgeglüht

G-X 8, Cr 14 vergütet

G-NiMo 16 Cr

G-X 6 CrNiMo 18 10

G-X 250 CrMo 15 3

G-X 170 CrMo 25 2, vergütet

GG-NiMo 7 7

G-X 170 CrMo 25 2, Gußzustand

G-X 220 Cr 18

G-X 30 CrNiMo 25 5

G-X 40 CrNi 27 4

GG-25

G-X 3 CrNiMoCu 24 6

G-X 6 CrNiMo 18 10

Abtragung

Werkstoffe 100

mm/a

G-X 3 CrNiMoCu 24 6

Zusammenfassung

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

Maximaler Wirkungsgrad  = PH /PS

STATEMENT: Ich habe hier aus meiner Erfahrung heraus argumentiert. Die optimale Pumpe für jeden Einsatzfall im Hinblick auf Energieeffizienz und schonendes Förderverhalten ist aber nicht leicht zu bestimmen. Hier liegt ein noch unbearbeitetes Forschungsfeld, das auch modifizierte Pumpentypen hervorbringen könnte. Außerdem bin ich überzeugt davon, dass die Wirkungsgrade der VP noch gesteigert werden könnte. 1,0

Dyn. Viskosität 100 mPas

0,9

MPP

0,8 SP/3

0,7

EGP

IGP PP

0,6

MDP

PHP

PCP

0,5

HDP MPP MDP PP SP/X PCP ADP

LP

0,4 0,3

ADP ADP*

0,2

0,1

SP/5

SP/2

HDP

ADP* LP PHP EGP IGP

Pumpenwirkungsgrad von Verdrängerpumpen

Hydraulische Membranpumpe Mehrfach Plunger-Pumpe* Mechanische Membranpumpe Plunger-Pumpe** Schraubenspindelp., X = Spindel Exzenterschneckenpumpe Druckluft-Membranpumpe mit Elastomermembran Druckl. M.P. Incl. Kompressor Wirkungsgrad = 60 % Drehkolbenpumpe Schlauchpumpe außenverz. Zahnradpumpe (100 bar) innenverz. Zahnradpumpe

0 0,01 000108 0005

31

0,1

0,2

0,5

1

2

5

10

20

50

100 200

500 1000 1200

Durchfluss Q [m3 /h]

1500