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