Grundprinciper för pumpteknik

Transkript

1 Grundprinciper för pumpteknik Pumpteori 2007/2008

2 I n n e h å l l Grundprinciper för pumpteknik 5 Historik pumpteknik 7 Vattenförsörjning 7 Pumpning av avloppsvatten 8 Värmeteknologi 9 Pumpsystem 12 Öppet pumpsystem 12 Slutet pumpsystem 13 Vatten - vårt transportmedel 15 Specifik värmelagringskapacitet 15 Volymökning och volymminskning 16 Vattnets kokegenskaper 17 Varmvattens utvidgning och säkring mot övertryck 18 Tryck 19 Kavitation 19 Utförande centrifugalpumpar 21 Självevakuerande och icke självevakuerande pumpar 21 Funktion centrifugalpumpar 22 Pumphjul 22 Pumpverkningsgrad 23 Centrifugalpumpars effektbehov 24 Pumpar med våt motor 25 Pumpar med torr motor 27 Tryckstegringspumpar 29 Kurvor 31 Pumpkurvor 31 Systemkurva 32 Driftpunkt 33 Anpassning av pump till värmebehov 35 Variationer i väder och klimat 35 Varvtalsomkoppling 36 Steglös varvtalsreglering 36 Olika reglersätt 37

3 I n n e h å l l Ungefärligt pumpval för standard värmesystem 41 Pumpens flödes 41 Pumpens uppfordringshöjd 41 Exempel på tillämpning 42 Resultat av ungefärligt pumpval 43 Programvara för dimensionering 43 Sammanfattning - hydraulik 45 Inställning av elektronisk reglerade cirkulationspumpar 45 Sammankoppling av flera pumpar Sammanfattning 50 Vet du att Historik pumpteknik 51 Vatten - vårt transportmedel 52 Konstruktionsegenskaper 53 Kurvor 54 Anpassning av pumpen till värmebehovet 55 Ungefärlig pumpberäkning 56 Sammankoppling av pumpar i serie 57 Måttenheter, utdrag för centrifugalpumpar 59

4

5 Grundprinciper för pumpteknik Alla människor behöver pumpar för att leva och för sin komfort. Pumparna sätter vattnet i rörelse, kallt eller varmt, rent och smutsigt. På ett miljövänligt sätt och med högsta effektivitet. Inom byggteknik spelar pumpar en mycket viktig roll. De används för olika funktioner. Den mest kända och förtrogna är värmecirkulationspumpen. På följande sidor ges den en central plats i kommentarerna. Dessutom används pumpar inom området vattenförsörjning och avloppshantering: I tryckstegringsanläggningar, som alltid installeras om det kommunala vattentrycket ej räcker till vid vattenförsörjning till en fastig het. Cirkulationspumpar för tappvarmvatten, vilka ombesörjer att varmt vatten alltid finns till hands vid varje tappställe. Pumpstationer för avloppsvatten, som krävs då avloppsvatten eller fekalier rinner ut under uppdämningsnivån. Pumpar i dammar eller akvarier. Pumpar för brandsläckningsändamål. Pumpar för kall- och kylvatten. Regnvattenuppsamlare för spolning av toaletter, för tvättmaskiner, rengöring och bevatt ning. Och mycket mer. Här får man ta hänsyn till att olika media har olika viskositet (t ex fekalier- eller vatten/glykolblandningar). Bestämda normer och riktlinjer gäller för varje land och då måste speciella pumpar och tekniker väljas ( t ex Ex-skydd, dricksvattenförordning). Innehållet i denna broschyr ska förmedla en kunskapsbas inom pumpteknik. Detta sker med enkla, förklarande meningar, med bilder och med exempel, en god bas för praktik. Urval och lämpligt användningsområde för pumpar kommer därigenom att bli en dagligen återkommande självklarhet. I kapitlet Vet Du detta? kan man kontrollera kunskaperna genom att svara på frågor med alternativa svar. Som en ytterligare möjlighet till kunskapsfördjupning, byggt på föreliggande Pump-ABC, erbjuder vi informationsmaterial. Här återfinns underlag för självstudier samt vårt seminarieprogram med praktikorienterad utbildning. Se kapitel Informationsmaterial sidan 59. Grundprinciper för pumpteknik 5

6

7 Historik pumpteknik Vattenförsörjning När man tänker på en pump, så är det första man kommer på att människan sedan urminnes tider letat efter en teknik för att lyfta vätskor, i synnerhet vatten, till en högre nivå. Detta tjänade både till att bevattna åkrar som att fylla upp skyddsgravar runt befästa städer och borgar. Illustration av Jacob Leupolds vattenhjul Den allra enklaste skopan är den mänskliga handen och två händer klarar mer än en! Våra förfäder kom snart underfund med att forma lerkärl till tråg. Första steget till uppfinningen av handkruset var taget. Flera sådana krus hängdes sedan på rad i ett hjul. Med hjälp av människokraft eller dragdjur satte man detta skopverk i rörelse och kunde lyfta vatten. Arkeologiska fynd visar på sådana skopverk både i Egypten och i Kina vid tiden runt år 1000 f.k. Nedanstående skiss visar en grafisk rekonstruktion av ett kinesiskt skopverk. Det är ett hjul med påmonterade lergodskärl, som häller ut vattnet vid sin högsta punkt. Illustration av ett kinesiskt skopverk. Arkimedes ( f.k), som väl är forntidens störste matematiker och vetenskapsman, beskriver ca år 250 f.k den efter honom namngivna Arkimedes Skruv. Genom att en spiral/snäcka vrids i ett rör lyfter man vatten uppåt. Visserligen återfördes alltid en del vatten, eftersom man ännu inte kände till någon bra tätning. Så uppstod ett förhållande mellan skruvens lutning och flödet. I drift kunde man välja mellan större flöde eller högre uppfordringshöjd. Ju brantare skruven placerades, desto högre uppfordrades vattnet i avtagande mängd. Illustration av Archimedes skruv Snäcka Vev Vatten lyfts uppåt Flödesriktning à En genial vidareutveckling hittar man år 1724, vår tideräkning, hos Jacob Leupold ( ), som byggde in böjda rör i ett hjul. Då hjulet roterade fördes vattnet automatiskt till hjulets mittaxel. Det strömmande vattnet är samtidigt drivkraften i denna lyftanläggning. Särskilt frapperande i denna konstruktion är utformningen av de böjda rören. De har en förbluffande likhet med utformningen av pumphjul i dagens centrifugalpumpar. Grundprinciper för pumpteknik Återigen blir man förbluffad över likheten i driftförhållandet hos dagens centrifugalpumpar. Den pumpkurva som vi senare skall beskriva har samma förhållande mellan tryckhöjd och flöde. Från olika historiska källor har man funnit att dessa skruvpumpar har arbetat med lutning på mellan 37 grader och 45 grader. De frambringade då tryckhöjder på mellan 2 och 6 m och maximalt flöde på 10 m 3 /h. Se kapitel Pumphjul sidan 22. 7

8 H I S T O R I K P U M P T E K N I K Pumpning av avloppsvatten Pumpning av avloppsvatten Om vattenförsörjning alltid varit det mest livsnödvändiga behovet för människan så har avloppshantering först på senare tid blivit det nästan alltför sent. Överallt där nybyggnation, byar och städer har växt upp skedde en nedsmutsning av ängsmark, vägar och gator med sopor, fekalier och avloppsvatten. Besvärande stank, sjukdomar och epidemier blev följden. Vattendrag smutsades ned och grundvattnet blev odrickbart. De första avloppskanalerna byggdes f.k. Under palatset Minos på Knossos (Kreta) har man funnit murade kanaler och rör av terrakotta, som samlade upp och förde bort regnvatten, bad- och avloppsvatten. I städerna byggde romarna avloppskanaler på och under gatorna den största och mest kända och fortfarande till vissa delar i gott skick är Cloaca Maxima i Rom. Härifrån ledde man vattnet till Tibern (även i Köln vid Rhen finns ännu idag rester från romartiden av underjordiska kanaler som man kan beträda.) Det första centrala avlopps- och reningssystemet i Tyskland var klart först 1856 i Hamburg. Ända fram till 90-talet bestod fortfarande många avloppsanläggningar från hushåll av uppsamlingsbrunnar och latringropar. Först efter lagstadgade beslut och regionala bestämmelser måste anslutning ske till offentligt avloppsnät. Idag är fastighetsavlopp nästan överallt anslutna till offentligt avloppssystem. Där detta inte är möjligt används lyft- eller tryckavloppssystem. Avlopp från industri och hushåll leds via vitt förgrenat avloppsnät till utjämningsmagasin, reningsverk och filterbassänger och renas därvid biologiskt eller kemiskt. Därefter återförs det behandlade vattnet till den naturliga vattencirkulationen. Då man under tidernas lopp inte gjort några framsteg inom området avloppsteknik så kunde avloppsvattnet ända fram till förra århundradet orenat tillföras bäckar, floder, sjöar och hav. Med industrialiseringen och de alltmer växande städerna blev en ordnad avloppshantering nödvändig. För detta används de mest skilda pumpar och pumpsystem, t ex: Lyftsystem Sänkpumpar Schaktpumpar (med och utan skärverk) Dräneringspumpar Omrörare 8 Med reservation för teknisk ändringar, WILO Sverige AB - juni-07

9 H I S T O R I K P U M P T E K N I K Värmeteknologi Hypocaust värmesystem I Tyskland har man från romartiden hittat rester av s k hypocaustenuppvärmningar. Detta var en tidig variant av golvvärme. Rökgaserna från en öppen eld leddes genom hålrum under golvet och värmde upp detta. Avledning skedde via värmekanal i vägg. Illustration av Hypocaustenuppvärmning från romartiden Värmekanal i vägg Yttervägg Innervägg Under senare århundraden, speciellt i slott och borgar, byggdes skorstenarna i öppna eldstäder inte helt lodrätt genom huset. De varma rökgaserna leddes i vindlingar förbi rummen detta var en första typ av centralvärme. Även systemsepareringar genom murade stenkammare i källare har hittats. I eldstaden värmde man friskluft, som sedan kunde ledas direkt in i bostadsutrymmena. Pannrum Spolränna för borttagning av aska Eldstad Stöttor för golv Ånguppvärmning Med ångmaskinens utbredning under andra hälften av 1800-talet utvecklades tekniken för uppvärmning med ånga. Den i ångmaskinen inte helt kondenserade ångan leddes via värmeväxlare till kontor och bostadsrum. En tanke var att driva en turbin med bl. a restenergi från ånguppvärmning. Självcirkulationssystem Nästa utvecklingssteg var självcirkulationssystem. Erfarenheten visar att för att nå en rumstemperatur av 20 C behöver vattnet endast uppnå en temperatur av 90 C, alltså till knappt under kokpunkten. I rörledningar med mycket stor diameter steg det heta vattnet uppåt. När det avgett (kylt ned) en del av sin värme, återgår vattnet till ångpannan p g a sin högre densitet. Självcirkulation med ångpanna, expansionskärl och värmeelement Grundprinciper för pumpteknik 9

10 H I S T O R I K P U M P T E K N I K Pumpning av avloppsvatten Schematisk bild på självcirkulationssystem Den första cirkulationspumpen Först efter uppfinningen av den första kapslade elmotorn som gjordes av Ing. Gottlieb Bauknecht kunde man använda en sådan motor för cirkulationsacceleratorer. En vän till Ing. Bauknecht Ing. Wilhelm Opländer, utvecklade en sådan konstruktion för vilken han fick patent De olika gravitationskrafterna påverkar vattnets lyftkraft- och matarkraftrörelse. Den tröga starten i en sådan tyngdkraftcirkulation ledde dock till överväganden om att bygga in s.k cirkulationsacceleratorer i värmeanläggningens rörledningar. Elmotorer var på den tiden olämpliga för start, eftersom de arbetade som öppna släpringade motorer. I ett vattentransporterande värmesystem kunde detta leda till svåra olycksfall. I en rörkrök byggde man in ett pumphjul i form av en propeller. Start skedde via en avtätad axel, som drivs av elmotorn. På den tiden talade man ännu inte om någon pump för sådan cirkulationsaccelerator. Detta begrepp slog igenom först senare. För, som tidigare beskrivits, förbinder man pumpar med att lyfta vatten. Denna cirkulationsaccelerator byggdes fram till ca 1955 och med hjälp av denna kunde värmevatten transporteras med ännu lägre temperatur. Idag finns en mångfald värmesystem där de mest moderna arbetar med mycket låga vattentemperaturer. Utan hjärtat i värmeanläggningen, alltså utan cirkulationspumpen, vore denna teknik inte möjlig. Första värmecirkulationspumpen, rörkrökspumpen, byggår 1929, HP typ DN 67/0,25 kw 10 Med reservation för teknisk ändringar, WILO Sverige AB - juni-07

11 H I S T O R I K P U M P T E K N I K Utveckling av värmesystem Grundprinciper för pumpteknik 11

12 Pumpsystem Öppet pumpsystem Öppet vattenuppfordringssystem Illustrationen till vänster visar vilka byggelement som ingår i ett uppfordringssystem som skall pumpa en vätska från en lägre befintlig tank till t ex en högre liggande behållare. Pumpen transporterar vattnet från den undre behållaren till erforderlig höjd. Därvid räcker det inte att beräkna pumpens uppfordringsmängd på geodetisk tryckhöjd. För på det sista tappstället, t ex en dusch på högsta våningen i ett hotell, måste det fortfarande finnas tillräckligt dynamiskt tryck. Hänsyn måste också tas till rörfriktionsförluster som uppstår i tryckledningen. Pumpens tryckhöjd = geodetisk tryckhöjd + dynamiskt tryck + rörledningsförluster. Pumpanläggning för pumpning av vatten till en högre nivå. För erforderliga servicearbeten måste varje ledningsavsnitt kunna stängas av med ventiler. Detta gäller särskilt vid reparation eller byte av pump där tryckledningen måste tappas på större vattenmängder. För att förhindra eventuellt överfyllnad måste man dessutom installera flottörventiler eller annan regleranordning vid djupt liggande tilloppscisterner och vattentorn. Jämför kapitel Anpassning av pump till värmebehovet, sidan 35. Vidare kan man bygga in en tryckvakt vid lämpligt ställe i tryckledningen. Tryckvakten slår ifrån pumpen när alla tappställen är stängda och vattenuttag inte längre sker. 12 Med reservation för teknisk ändringar, WILO Sverige AB - juni-07

13 P U M P S Y S T E M Slutet pumpsystem I illustrationen till höger framställs schematiskt de funktionella olikheter som en värmeanläggning har i motsats till ett vattenuppfordringssystem. Slutet värmesystem Medan det i ett vattenuppfordringssystem handlar om ett öppet system med fritt utlopp ( t ex tappställe av typ vattenkran) är värmeanläggningen i sig ett slutet system. Man förstår systemet ännu bättre om man tänker sig att värmeledningsvatten endast hålls i rörelse eller cirkulerar i rörledningarna. Värmeledningssystemet kan delas upp i följande installationsdelar: Värmekälla Värmetransport- och fördelningssystem Expansionskärl för tryckhållning och tryckreg lering Värmeförbrukare Regleranordning och Säkerhetsventil Med värmekälla menas här värmepanna med bl.a gas-, olja eller annat bränsle samt varmvattenvärmare. Här ingår även ackumulatorvärme med central vattenuppvärming, fjärrvärme samt värmepumpar. Värmetransport- och fördelningssystemet omfattar samtliga rörledningar, fördelar- och ackumulatorstationer och naturligtvis cirkulationspumpen. Pumpeffekten i en värmeanläggning beräknas endast för att övervinna samtliga motstånd i anläggningen. Någon hänsyn till byggnadens höjd tas inte ty vattet som trycks in genom pumpen i en framåtgående riktning skjuter tillbaka vatten i returledningen till värmepannan. Membranutjämningskärlet sörjer för balansen i vattenvolymen som ändras i värmeanläggningen, beroende på drifttemperatur, samtidigt som det garanterar en stabil tryckhållning. Värmeförbrukare är uppvärmningsytorna i de utrymmen som skall värmas upp. (radiatorer, konvektorelement, ytuppvärmning osv). Värmeenergi strömmar från punkter med högre temperatur till punkter med lägre temperatur och med högre hastighet ju större temperaturskillnaden är. Denna överföring sker genom tre skilda fysikaliska förlopp: Värmeledning Konvektion, d.v.s uppstigande luft Värmestrålning Utan en god reglering löser man idag inte längre några tekniska problem. På så sätt är det självklart att någon typ av regleranordning är installerad i varje värmeanläggning. Den enklaste varianten är termostatventil för konstanthållning av rumstemperaturen. Men även i värmepannor, i blandare och naturligtvis i pumpar finns sedan en tid högt utvecklade mekaniska, elektriska och elektroniska regulatorer. Cirkulationssystem t ex i en värmeanläggning Notera: Någon hänsyn till byggnadens höjd tas inte eftersom vattnet som trycks in genom pumpen i en framåtgående riktning skjuter tillbaka vatten i returledningen till värmepannan. Jämför kapitel Ungefärligt pumpval för standard uppvärmningssystem, sidan 41. Grundprinciper för pumpteknik 13

14

15 Vatten - vårt transportmedel Vid centraluppvärmning av värmevatten används vattnet för att transportera värme från tillverkare till förbrukare. De viktigaste egenskaperna hos vatten är: Värmeackumuleringsförmåga Volymökning vid såväl uppvärmning som avkylning Förändrad täthet vid volymökning och volym minskning Kokegenskaper vid yttre tryck Skiktning Dessa fysikaliska egenskaper kommer att beskrivas här nedan: Specifik värmelagringskapacitet Vattenförsörjning En viktig egenskap hos varje värmebärarmedium är dess förmåga att lagra värme. Om man sätter den i relation till massan och materialets temperaturskillnad talar man om specifik värmebärarkapacitet. Storheten för detta är c, och måttenheten är KJ/ (kg K) Specifik värmekapacitet är den värmemängd som man måste tillföra 1 kg av ämnet (t ex vatten), för att värma upp det 1 C. Omvänt avger ämnet vid avkylning samma energi. För vatten mellan 0 C och 100 C är genomsnittlig specifik värmekapacitet: c = 4,19 kj/(kg K) eller c = 1,16 Wh/(kg K) Tillförd eller avgiven värmemängd Q, mätt i J eller kj, är produkten av massan m, mätt i kg, specifik värmeakapacitet c samt Temperaturskillnaden DJ mätt i K. Detta är skillnaden mellan framlednings- och returtemperaturen i ett värmesystem. Q = m c DJ m = V r V = Vattenvolym i m 3 r = Densitet kg/m 3 Massan m är vattenvolymen V, mätt i m 3, multiplicerat med vattnets täthet r, i kg/m3. Därmed kan formeln även skrivas enligt nedan: Q = V r c (J v -J R ) Vattnets täthet ändrar sig sålunda med vattentemperaturen. För energiberäkningar kalkyleras förenklat med r = 1 kg/dm 3 mellan 4 C och 90 C. De fysikaliska begreppen energi, arbete och värmemängd är lika. För omräkning från Joule till andra tillåtna enheter gäller: 1 J = 1 Nm = 1 Ws eller 1 MJ = 0,278 kwh Notera: Specifik värmeackumuleringskapacitet är den värmemängd som man måste tillföra 1 kg av ämnet (t. ex vatten) för att värma ämnet till 1 C. Omvänt avger ämnet samma energi vid avkylning. J = Theta r = Rho Grundprinciper för pumpteknik 15

16 V A T T E N - V Å R T T R A N S P O R T M E D E L Volymökning och volymminskning Pumpning av avloppsvatten Samtliga ämnen på jorden expanderar vid uppvärmning och och drar sig samman vid avkylning. Det enda undantaget är vatten. Denna specifika egenskap kallas vattnets anomali. Vatten har sin största täthet vid +4 C närmare bestämt: 1 dm 3 = 1 = 1kg Vattens volymförändring Volume of 1 g water [ml] 1,0016 1,0012 Vatten utvidgas även när det kyls till en temperatur under + 4 C- Denna vattnets anomali är anledningen till att vattendrag och sjöar fryser till om vintern. Det är därför isflak flyter på vattnet så att de kan smälta av vårsolen. Detta skulle inte ske om isen sjönk till botten därför att den var tyngre. Detta utvidgningsbeteende kan emellertid bli farligt när människan använder vattnet. Bilmotorer och vattenrör t ex exploderar om de fryser. För att förhindra detta tillförs köldskyddsmedel till vatten. I värmeledningssystem används ofta glykol; läs tillverkarens uppgifter vad gäller mängden tillsatt glykol. Vattens volymförändring 1,0008 vid uppvärmning/avkylning. 1,0004 Max täthet vid +4 C: rmax = 1000 kg/m 3 1, T [C ] Om vattnet från denna temperaturpunkt antingen kyls ned eller värms upp så ökar volymen, d v s tätheten minskar, vattnet blir specifikt lättare. I en behållare med uppmätt bräddavlopp kan detta man se detta mycket väl. I behållaren, finns exakt 1000 cm 3 vatten med en temperatur av + 4 C. Om vattnet värms upp kommer det att rinna över brädden till mätglaset. Om vattnet värms till 90 C finns i mätglaset exakt 35,95 cm 3, vilket motsvarar 34,7 g i mätglaset. En vattenbehållare på 1000 cm 3 innehåller 1000 g vid +4 C cm 3 vatten vid 90 C= 965,3 gr 4 C 90 C 10 cm cm 3 = 1 l cm 3 = 1 l Mängd bräddvatten 35,95 cm 3 = 34,7 gr 10 cm När vatten hettas upp eller kyls ned blir densiteten lägre, d.v.s det blir specifikt lättare och volymen ökar 16 Med reservation för teknisk ändringar, WILO Sverige AB - juni-07

17 V A T T E N - V Å R T T R A N S P O R T M E D E L Vattnets kokegenskaper Om vatten värms upp till över 90 C så kokar det i ett öppet kärl vid 100 C. Om vattentemperaturen mäts under kokprocessen så förblir temperaturen konstant 100 C till sista droppen har förångats. Den konstanta värmetillförseln används alltså till en fullständig förångning av vattnet, d.v.s till att förändra aggregationstillståndet. Denna energi kallas också latent (gömd) värme. Om uppvärmningen fortsätter stiger temperaturen igen. Ändring av aggregationstillstånd vid temperaturökning Villkor för beskrivet förlopp är att ett normalt lufttryck (NN) på 101,3 kpa råder på vattenytan. Vid annat lufttryck förskjuts kokpunkten bort från 100 C. En upprepning av beskrivet försök på 3000 m höjd, t ex på ett högt berg, visar, att vattnet där kokar redan vid 90 C. Orsaken till detta beteende är att lufttrycket sjunker med högre höjd. Ju lägre lufttrycket är vid vattenytan, desto lägre kommer kokpunkten att vara. Omvänt sker en ökning av koktemperaturen när trycket på vattenytan ökar. Denna princip tilllämpas t ex i tryckkokare. Vidstående grafik tydliggör hur vattnets kokpunkt ändras i förhållande till trycket Vattnets kokpunkt som funktion av trycket Värmeledningssystem drivs medvetet med ett övertryck. Därför bildas inga ångblåsor vid kritiska drifttillstånd. Därmed förhindras även att luft kan tränga in i vattensystemet utifrån. Grundprinciper för pumpteknik 17

18 V A T T E N - V Å R T T R A N S P O R T M E D E L. Varmvattens utvidgning och säkring mot. övertryck Värmeledningssystem arbetar med en matningstemperatur av upp till 90 C. Normalt håller vattnet en temperatur av 15 C vid påfyllning och utvidgas sedan vid uppvärmning. Denna volymökning får inte medföra övertryck eller att vätskan försvinner. Illustration över uppvärmningssystem med inbyggd säkerhetsventil Hittills nämnda faktorer har inte tagit med i beräkningen att cirkulationspumpen ökar systemtrycket ännu mer. Samspelet maximal vattentemperatur, vald pump, storlek på membrantryckkärl och tillslag av säkerhetsventil måste beaktas mycket noga. Att välja komponenter i systemet slumpvis eller baserat på pris är aldrig ett bra alternativ. Kompensation för ändrad vattenvolym i värmeledningssystemet: När värmen är avstängd under sommaren återgår vattnet till sin tidigare volym. Därför måste en samlingstank med tillräcklig volym ombesörjas för expansionsvattnet. Äldre system har öppna, inbyggda expansionskärl. De är alltid placerade ovanför den högsta rörledningsdelen. När värmeledningstemperaturen stiger och får vattnet att expandera, stiger även vattennivån i detta kärl. Likaså sjunker den när värmeledningstemperaturen faller. Idag används membrantryckkärl (Exp) i värmeledningssystem Kom ihåg: När övertryck råder måste säkerhetsventilen öppna och stöta ut expansionsvattnet. Vid ökat systemtryck måste säkerställas att rörledningar och andra delar i systemet inte är utsatta för tryck över vad som är tillåtet. Därför föreskrives att alla värmeledningssystem utrustas med en säkerhetsventil. Vid övertryck måste säkerhetsventilen öppna och stöta ut expansionsvattnet som inte kan rymmas i membrantryckkärlet. I ett noggrant framtaget och underhållet system skall denna driftsituation emellertid inte uppstå. 18 Med reservation för teknisk ändringar, WILO Sverige AB - juni-07

19 V A T T E N - V Å R T T R A N S P O R T M E D E L Tryck Definiering av tryck Tryck är det uppmätta trycket i vätskor och gaser i trycktank eller rörledning i förhållande till atmosfären (Pa, mbar, bar). Totalt tryck består av statiskt och dynamiskt tryck. Utveckling av värmesystem Statiskt tryck Statiskt tryck råder när inget medium strömmar. Statiskt tryck = nivån ovanför respektive mätpunkt + inloppstrycket i membrantrycktanken. Dynamiskt tryck Dynamiskt tryck det tryck som vid ett förlustfritt system erfordras för att ge mediet dess strömningshastighet. Differentialtryck Tryck som alstras av centrifugalpumpen för att övervinna summan av allt motstånd i systemet. Det mäts mellan centrifugalpumpens sugsida och utloppssida. På grund av minskat pumptryck beroende på förluster i rörledningen, pannarmatur och förbrukare är drifttrycket olika på varje ställe i systemet. Driftstryck Tryck som råder eller kan uppstå vid drift av en anläggning i delar av anläggning Tillåtet driftstryck Av säkerhetsskäl fastställt högsta värde på driftstrycket. Kavitation. Kavitation definieras som implosion av ångblåsor (hålrum) till följd av lokalt uppkommet undertryck under ångbildningstrycket på pumpat medium vid inloppet till pumphjulet. Detta resulterar i minskad effekt (minskat flöde) samt medför ojämn gång, oljud och materialskada inuti pumpen. Genom expansion och sammanstörtning (implosion) av små luftblåsor i områden med högre tryck (t ex i ett extremt tillstånd vid pumphjulets inlopp) så medför mikroskopiska explosioner tryckstötar som skadar eller förstör hydrauliken. Första tecknen på detta är oljud från eller skada vid pumphjulsöppningen. Ett viktigt värde för en centrifugalpump är NPSH-värdet (minsta tillgängliga tryck på sugsidan.) Detta anger det minsta tryck vid pumpinloppet som erfordras för att pumpen skall arbeta utan kavitation, dvs det extra tryck som erfordras för att förhindra ångbildning i vätskan och behålla den i flytande form. Pumpfaktorer som påverkar NPSH-värdet är typen av pumphjul och pumpens varvtal. Miljöfaktorer som kan påverka är vätsketemperatur, vätsketäckning och atmosfäriskt tryck. Undvikande av kavitation För att undvika kavitation måste den pumpade vätskan tillföras centrifugalpumpen vid ett bestämt inloppstryck. Detta minsta erforderliga inloppstryck beror på temperatur och tryck i den pumpade vätskan. Andra sätt att förhindra kavitation: Ökning av det statiska trycket Sänkning av medietemperaturen (reducering av ångtrycket PD) Val av pump med lägre erforderligt tryck på sugsidan (NPSH). Grundprinciper för pumpteknik 19

20

21 Utförande centrifugalpumpar Inom VVC- och värme/klimatbranschen används centrifugalpumpar på de mest varierande områden. Pumparna särskiljer sig efter konstruktion och sättet att omvandla energi. Självevakuerande och icke självevakuerande pumpar En självevakuerande pump kan betingat tappa ur sugledningen, dvs evakuera luft. Pumpen kan behöva fyllas på flera gånger vid uppstart. En teoretisk max. sughöjd är m och varierar med lufttrycket (1013 hpa = normalt). Av tekniska skäl kan en sughöjd på max. 7-8 m uppnås. Detta värde innehåller inte bara höjdskillnaden från lägsta möjliga vattenyta till pumpens sugöppning, utan även motståndsförluster i anslutningsledningar, pump och armaturer. Vid framtagning av pump måste man observera att sughöjden hs får inkluderas i beräknad tryckhöjd, och föregås av ett minustecken. Pumpens sughöjd h s Placering av sugledning Sugledningen måste ha åtminstone samma nominella diameter som pumpens sugöppning, eller gärna en nominell diameter större. Sugledningen skall vara så kort som möjligt. Långa sugledningen skapar ökat friktionsmotstånd, vilket är till stor nackdel för sughöjden. Sugledningen skall placeras så att den alltid går stigande mot pumpen. Om slangmaterial används för sugledningen är spiralslang att föredra på grund av dess styrka och motståndskraft mot läckage. Det är absolut nödvändigt att förhindra läckage då pumpen annars kan skadas eller fungera dåligt. Vid sugdrift rekommenderas alltid en bottenventil för att förhindra att pump och sugledning går torrt. En bottenventil med sil skyddar även pump och nedströms system från grova föroreningar som löv, trä, stenar och insekter. Om det inte går att använda en bottenventil för sugdrift bör en backventil installeras framför pumpen (pumpens sugöppning). Sugdrift En icke självsugande pump har inte förmågan att evakuera luft från sugledningen. Vid användning av icke självsugande pumpar måste pump och sugledning alltid vara helt fyllda. Om luft kommer in i pumpen via otäta ställen såsom packbox eller slussventil eller genom en bottenventil i sugledningen som inte stänger måste pump och sugledning åter fyllas på. Installation med bottenventil eller backventil Grundprinciper för pumpteknik 21

22 U T F Ö R A N D E C E N T R I F U G A L P U M P A R Funktion centrifugalpumpar Snittritning på en pump med våt motor Pumpar är nödvändiga vid transport av vätskor för att övervinna flödesmotstånd som förekommer i rörsystemet. I pumpsystem med olika vätskenivåer innefattar detta också att övervinna geodetiska höjdskillnader Med sin konstruktion och det sätt på vilken den överför energi är centrifugalpumpen en hydraulisk vätskeströmningsmaskin. Även som det finns många olika typer, är en funktion gemensam för alla centrifugalpumpar; den att vätskan strömmar axiellt mot pumphjulet. En elektrisk motor driver pumpaxeln på vilken pumphjulet är monterat. Vattnet som kommer in i pumphjulet axiellt genom sugöppningen och axeltappen avleds av pumphjulsskovlarna till en radiell rörelse. Centrifugalkrafter som verkar på varje partikel av vätskan förmår både hastighet och tryck att öka när vattnet flödar genom skovelområdet. Det pumpade mediet kommer axiellt in i pumphjulet och böjer av radiellt När vätskan lämnar pumphjulet samlas det upp i spiralhuset. Flödeshastigheten minskar något genom konstruktionen på huset. Trycket ökar ytterligare genom omvandling av energi. En pump består av följande huvudkomponenter: Pumphus Motor Pumphjul Pumphjul Olika typer av pumphjul Pumphjul finns i en mångfald olika varianter och kan vara antingen slutna eller öppna. Pumphjulen i övervägande delen av dagens pumpar har tredimensionellt utförande vilket kombinerar fördelarna hos axiella hjul och radiella hjul. 22 Med reservation för teknisk ändringar, WILO Sverige AB - juni-07

23 U T F Ö R A N D E C E N T R I F U G A L P U M P A R Pumpverkningsgrad Verkningsgraden i varje maskin är förhållandet mellan dess uteffekt och ineffekt. Detta förhållande symboliseras med den grekiska bokstaven h (eta). Eftersom det inte finns någon förlustfri drift är h alltid mindre än 1 (100%). För en värmeledningspump är den totala verkningsgraden sammansatt av motorns verkningsgrad h M (elektrisk och mekanisk) samt den hydrauliska verkningsgraden h P. Om man multiplicerar dessa värden blir produkten den totala verkningsgradenh tot h tot =h M. h P Beroende på vilken av de många pumptyper och storlekar som undersöks kan verkningsgraden variera ganska mycket. För våta pumpar är verkningsgraden htot mellan 5% och 54% (högeffektiv pump); för torra pumpar ligger htot på mellan 30% och 80%. Även inom pumpens kurvområde skiftar aktuell verkningsgrad vid given tidpunkt med mellan noll och ett maximivärde. Även inom pumpens kurvområde skiftar aktuell verkningsgrad vid given tidpunkt med mellan noll och ett maximivärde. En pump arbetar aldrig vid en enskild definierad punkt. Vid beräkning måste därför hänsyn tas till att driftspunkten under värmeperioden befinner sig i mellersta tredjedelen av pumpkurvan. Sedan arbetar den inom området för bästa verkningsgrad. Pumpens verkningsgrad fastställs genom följande formel: h P = Q. H. r 367. P 2 h P = Pumpens verkningsgrad Q = Flöde H = Uppfordringshöjd P 2 = Avgiven effekt (vid pumpaxeln) 367 = Omräkniningskonstant r = Täthet på uppfordrat medium Verkningsgraden (eller effekten) hos en pump beror på dess konstruktion. Följande tabeller ger en överblick över verkningsgraden beroende på vald motoreffekt och pumpkonstruktion. (pump med våt/torr motor). Pumpkurva och verkningsgrad Verkningsgrad för standard våta pumpar (Ungefärliga värden) Pumpar med motoreffekt P 2 h tot Upp till 100 W ca 5% - 25% 100 till 500 W ca 20% - 40% 500 till 2500 W ca 30% - 50% Verkningsgrad för torra pumpar (Ungefärliga värden) Bästa totala verkningsgrad i en värmeledningspump finns i den centrala delen av pumpkurvan. I tillverkarens pumpkatalog är dessa punkter för bästa verkningsgrad speciellt utmärkta för varje pump. Pumpar med motoreffekt P 2 h tot Upp till 1,5 kw ca 30% - 65% 1,5 till 7,5 kw ca 35% - 75% 7,5 till 45 kw ca 40% - 80% Grundprinciper för pumpteknik 23