grundlagen der hydraulik schulung am 16.11 - hamburg.de · pr klimahaus klima- und gebäudetechnik...
TRANSCRIPT
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 1 von 30
Grundlagen der Hydraulik –
Schulung am 16.11.2012
Dipl.- Ing. Christoph Brandt
KLIMAhaus Klima- und Gebäudetechnik GmbH
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 2 von 30
Bedeutung des Themas Hydraulik
Sonstiges 2%
Straßenverkehr 24%
INDUSTRIE 42%
Landwirtschaft 2%
Wohnung 30%
Stromverbrauch in der EU
Andere 32%
PUMPEN 30%
Druckluft, Kälte
Kompressoren 24%
Ventilatoren 14%
Stromverbrauch in der Industrie
Die Industrie verbraucht mit Abstand am meisten
elektrische Energie.
Innerhalb der Industrie sind die Pumpen die größten
Energieverbraucher.
Stromverbrauch
Energieeffizienz - das zentrale Thema des 21. Jahrhunderts
Bildnachweis: KSB
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 3 von 30
Bedeutung des Themas Hydraulik
Bildnachweis: Imtech
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 4 von 30
Grundlagen zur Hydraulik - Energietransport
Größe:
Formel-
zeichenEinheit Berechnungsformel
Wärmeleistung
Massenstrom
Spez. WärmekapazitätWasser 20 °C; 4.190 J/(kg x K);
Ethylenglykol 40/60%; 20 °C; 3.560 J/(kg x K)
Fließgeschwindigkeit
Volumenstrom
Rohrquerschnitt
Dichte
Formeln zum Energietransport
cmQ...
Q W
)/( KkgJ C
vAVm...
m skg /
2
...
4
id
m
A
m
A
Vvv sm /
vAm
V
..
.
V hm /³
2
4idA
A ²m
V
mbzw
V
m.
.
³/ mkg
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 5 von 30
Grundlagen zur Hydraulik - Energietransport
Spez. Wärmekapazität von Wasser- / Ethylenglykolgemischen:
Bildnachweis: Tyfo
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 6 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz (geschl. System)
Größe:
Formel-
zeichenEinheit Berechnungsformel
Rohrreibung
(inkompressible Medien)
Rohrreibungszahl
(laminare Strömung)-
(laminare Strömung bei Rohrströmung
praktisch nicht relevant)
Reynolds-Zahl Re
≤ 2.320 laminar
≥ 2.320 turbulent
-
kinematische Viskosität Tabellenwert, z.B.
Rohrreibungszahl
(turbulente Strömung)-
div. Berechungsansätze,
besser: Colebrook-Diagramm
Rohrreibung
(vereinfachte Ermittlung)
Formeln zur Rohrnetzberechnung
Rvd
l
i
pR 2
2
eR
i
e
dvR
)/,( kdRf e
pR Pa lRpR
pR PamN ²/
eR
64
sm /² 610006,1:20 CWasser
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 7 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz
Moody-Colebrook-Diagramm
Moody-Diagramm: Reibungsbeiwerte für Rohrleitungsströmungen als Funktion der Reynoldszahl Re und relativen Rauheit ks/D
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 8 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz
Rohrreibungstabelle (Beispiel) Nahtloses Stahlrohr nach DIN 2448 (k = 0,045 mm, t = 60 °C)
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 9 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz
Rohrreibungstabelle (Beispiel) Nahtloses Stahlrohr nach DIN 2448 (k = 0,045 mm, t = 60 °C)
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 10 von 30
Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz
Größe:
Formel-
zeichenEinheit Berechnungsformel
Druckverlust durch
Einzelwiderstände
Einzelwiderstände - Addition aller Einzelwiderstände je TS
Druckverlust gesamt
Druckverlust über
kvs-Wert (Ventile)
bei bekanntem kvs-Wert
Druckverlust aus
geodätischer Höhe m(bei geschlossenen Systemen nicht relevant)
Formeln zur Rohrnetzberechnung
Pa
100]/³[
2
kvs
hmQpv
Z
pges
pv
pgeo
kPa
ZpRpges Pa
gh geopgeo
2
2vZ
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 11 von 30
Grundlagen zur Hydraulik - Rohrnetz
Druckverluste durch Einzelwiderstände
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 12 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Rohrnetz (geschlossen)
Entgegen des SI-Einheitenystems werden für Rohrnetz-
und Pumpenauslegung abweichende Formelzeichen
verwendet:
= Förderstrom in
= Förderhöhe in
...]³
;³
;;[h
m
s
m
s
l
h
lQ
H m
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 13 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Pumpen
Wirkungsgrad
zu
ab
P
PWirkungsgrad η =
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 14 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Pumpen
Wirkungsgrad – Kennfeld
Betrieb der Pumpe möglichst „in der Nähe“ des
Wirkungsgrad-Bestpunktes !
Pumpen-Wirkungsgrad
am Wirkungsgrad-
Bestpunkt:
71,8 %
Pumpenwirkungsgrad am
Betriebspunkt
41,5 %
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 15 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Parallelschaltung
Bildnachweis: KSB
einzelparallel QQ 2
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 16 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Energetische Optimierung
Affinitätsgesetze aus der
Ähnlichkeitsmechanik:
Lineare Zunahme/Abnahme
des Förderstroms bei linear
ansteigender/fallender Drehzahl
Quadratische Zunahme/Abnahme
der Förderhöhe bei linear
ansteigender/fallender Drehzahl
Kubische Zunahme/Abnahme
der Leistungsaufnahme bei linear
ansteigender/fallender Drehzahl
Für die Anlagenkennlinie gilt:
Nutzung der Einsparpotentiale setzt variable Fördermengen voraus!
3
1
2
3
1
2
12
Q
Q
n
nPP
Leistungsaufnahme
Q2 Q1 n2
n1
Förderstrom
80% Drehzahl heißt 80% Förderstrom,
50% Drehzahl heißt 50% Förderstrom.
2
1
2
2
1
2
12
Q
Q
n
nHHFörderhöhe
64% Förderhöhe,
25% Förderhöhe.
und nur 51 % Leistungsaufnahme,
bzw. 12,5% Leistungsaufnahme.
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 17 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Energetische Optimierung
Förd
erh
öhe H
m
Förderstrom Q m3/h
20
20
50
5 65
DN 50 DN 65 = ¼ HV
4~ dH4
2
dA;
A
Qc 2~ cH ;
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 18 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Kostenoptimierung
Bildnachweis: KSB
Dimensionierung von Rohrleitungen:
üblich: Richtwerte der Fließgeschwindigkeit als Ausgangsgröße zur Festlegung von D
besser: Kostenoptimierung von Investitions- und Energiekosten
- Investitionskosten für Rohre gemäß Ci,Rohr = k · D2
- Energiekosten (Ce) über Verlustbeiwerte der Einzelkomponenten
)()(~ tHtQC VeLCC
D2 D2opt
Preis der Rohrleitung
(ggf. inkl. Isolierung)
Energieaufwand
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 19 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen
Energieeinsparung
Umlenkschaltung
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 20 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen
Energieeinsparung
20 40 Q [%]
H [%]
160
140
120
100
80
60
40
20
0 60 80 100
20 40 Q [%]
PW [%]
120
100
80
60
40
20
0 60 80 100
Pumpenkennlinie
Anlagenkennlinie
(Volllast)
B1
Anlagenkennlinie
(Teillast)
B2 Eindrosseln
Förderhöhen-
überschuss
Förderhöhen-
bedarf
Leistungseinsparung
PW2
PW1
Drosselschaltung
Bildnachweis: KSB
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 21 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Drehzahlregelung
Leistungsanpassung P1: 5.0 kW bis 15 kW
Konstantdruckregelung
Bildnachweis: Grundfos
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 22 von 30
Energieeinsparung
Grundlagen zur Hydraulik – Drehzahlregelung
Proportionaldruckregelung Konstantdruckregelung Konstantkennlinie
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 23 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen
Merkmale:
konstanter Volumenstrom sekundär
keine Rücklaufanhebung
variabler Primärwasserstrom
kein Vordruck erforderlich
(druckloser Verteiler)
Beimischschaltung
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 24 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen
Merkmale:
konstanter Durchfluss im Primär- und
Sekundärkreis
Rücklauftemperaturanhebung
geeignet zur Temperaturmischung
kurze Reaktionszeit
konstantlaufende Hauptpumpe erforderlich
(druckbehafteter Verteiler)
Einspritzschaltung mit
3-Wege-Ventil
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 25 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Standardschaltungen
Merkmale:
variable Wassermenge primärseitig
geeignet für variable und konstante Wasser-
menge sekundärseitig
unterschiedliche Temperaturen primär-
und sekundärseitig möglich
Hauptpumpe erforderlich
(druckbehafteter Verteiler)
Ablaufschaltung oder
Einspritzschaltung mit
2-Wege-Ventil
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 26 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Abgleich
Bildnachweis: Recknagel
Druckverlauf Zweirohranlage Druckverlauf bei der
Tichelmannschen Rohrverlegung
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 27 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Abgleich
Bildnachweis: Danfoss
Statischer Strangabgleich
Voreinstellbares Thermostatventil Strangregulierventil
Bildnachweis: Oventrop
statischer Abgleich für Auslegungsfall,
im Teillastbetrieb wirkungslos
max. Druckdifferenz beachten (Geräusche)
kaum zusätzlicher Druckverlust
dp
mkv
.
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 28 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Abgleich
Statischer Abgleich
im Teillastbetrieb D
ru
ckverlu
st Dp
[m
bar]
0,5
100
Dru
ckverlu
st Dp
[m
bar]
0,5
100 Volumenstrom Q [l/h] 200
2
2)(NN Q
Q
H
H
KLIMAhaus Klima- und
Gebäudetechnik GmbH Grundlagen der Hydraulik
Folie Nr. 29 von 30
Grundlagen zur Hydraulik – Abgleich
Dynamischer Abgleich:
Bei Anlagen mit unterschiedlichen Verbrauchern bzw. großen Rohrnetzen sollte der
dynamische Abgleich gewählt werden
Abgleich begrenzt Differenzdruck an den
Verbrauchern
keine Geräuschbildung
Einmalige Einstellung, Umbauten
erfordern keine Nachregulierung
Höhere Differenzdrücke erforderlich
(große Unterschiede bei den
marktverfügbaren Ventilen)!
Bildnachweis: IKZ-Haustechnik