Rezirkulation in Pumpen verstehen
Definition: Was ist Rezirkulation?
Umluft Es handelt sich um eine Strömungsinstabilität, die in Kreiselpumpen und Ventilatoren auftritt, wenn die Fördermenge deutlich unterhalb des Auslegungspunktes (optimaler Wirkungsgrad oder BEP) liegt. Bei geringen Fördermengen kehrt sich die Strömungsrichtung teilweise um, strömt vom Auslassbereich zurück zum Saugbereich und erzeugt so instabile Rezirkulationsmuster am Laufradein- oder -auslass. Dieses Phänomen führt zu niederfrequenten Schwingungen. Vibration Pulsationen (typischerweise 0,2-0,8-fache Drehzahl), Lärm, Effizienzverlust und können durch zyklische Belastung schwere mechanische Schäden verursachen., Kavitation, und Heizung.
Rezirkulation zählt zu den schädlichsten Betriebszuständen für Pumpen, da die instabilen hydraulischen Kräfte enorm sein und zu Lagerschäden, Dichtungsschäden, Wellenermüdung und in schweren Fällen sogar zum Ausfall des Laufrads führen können. Das Verständnis und die Vermeidung von Rezirkulation sind daher entscheidend für die Zuverlässigkeit der Pumpe.
Arten der Rezirkulation
1. Saugrezirkulation
Tritt am Laufradeinlass (Saugseite) auf:
- Mechanismus: Bei geringem Durchfluss weist die in das Laufradauge eintretende Flüssigkeit einen falschen Strömungswinkel auf.
- Trennung: Die Strömung löst sich von den Saugflächen der Schaufeln ab.
- Rückfluss: Abgetrennte Flüssigkeit strömt rückwärts aus dem Laufradauge heraus.
- Beginn: Typischerweise bei 60-70% BEP-Durchfluss
- Standort: Konzentriert in der Nähe der Laufradabdeckungen
2. Abflussrezirkulation
Tritt am Laufradauslass (Auslass) auf:
- Mechanismus: Die unter hohem Druck stehende Ausstoßflüssigkeit strömt rückwärts in den Umfang des Laufrads.
- Weg: Durch Spielräume (Verschleißringe, Seitenspalte)
- Mischen: Die rezirkulierte Strömung vermischt sich mit der Hauptströmung und erzeugt Turbulenzen.
- Beginn: Typischerweise bei einem BEP-Durchfluss von 40-60%
- Schwerwiegender: Im Allgemeinen schädlicher als Saugrezirkulation
3. Kombinierte Rezirkulation
- Sowohl Saug- als auch Druckrezirkulation sind gleichzeitig vorhanden
- Tritt bei sehr geringen Durchflussmengen auf (< 40% BEP)
- Stärkste Vibrationen und Schadenspotenzial
- Sollte durch minimalen Durchflussschutz vermieden werden
Vibrationssignatur
Charakteristisches Muster
- Frequenz: Untersynchron, typischerweise 0,2-0,8-fache Betriebsgeschwindigkeit
- Beispiel: Pumpe mit 1750 U/min, die Pulsationen von 10-20 Hz zeigt
- Amplitude: Kann das 2- bis 5-fache der normalen Betriebsschwingung betragen.
- Instabil: Frequenz und Amplitude variieren, sie sind nicht konstant.
- Zufallskomponente: Breitbandzunahme durch Turbulenzen
Flussabhängigkeit
- Hoher Durchfluss: Keine Rezirkulation, geringe Vibration
- Mäßiger Durchfluss (80-100% BEP): Minimale Rezirkulation, akzeptable Vibration
- Niedriger Durchfluss (50-70% BEP): Die Saugrezirkulation beginnt, die Vibration nimmt zu
- Sehr geringer Durchfluss (< 50% BEP): Starke Rezirkulation, sehr hohe Vibrationen
- Abschaltung: Maximale Rezirkulation, maximale Vibration und Schadensrate
Zusätzliche Indikatoren
- Hoch axiale Schwingung Komponente
- Lärmzunahme (Dröhnen oder Grollen)
- Leistungsverlust (Förderhöhe und Durchfluss unterhalb der Kurve)
- Temperaturanstieg durch hydraulische Verluste
Folgen und Schäden
Sofortige Auswirkungen
- Starke Vibrationen: Kann innerhalb von Minuten die Alarmgrenzen überschreiten.
- Lärm: Lautes, turbulentes Geräusch
- Effizienzverlust: Hoher Stromverbrauch im Verhältnis zum gelieferten Durchfluss
- Heizung: Hydraulische Verluste werden in Wärme umgewandelt
Mechanischer Schaden
- Lagerausfall: Hohe zyklische Belastungen beschleunigen den Lagerverschleiß
- Siegelschaden: Vibrationen und Druckpulsationen beschädigen Dichtungen
- Wellenermüdung: Wechselnde Biegespannungen durch hydraulische Kräfte
- Laufradschaden: Schaufelermüdungsrisse durch zyklische Belastung
Hydraulikschäden
- Kavitation: Rezirkulationszonen, die anfällig für Kavitation sind
- Erosion: Hochgeschwindigkeits-Rezirkulationsströmungen erodieren Oberflächen
- Wirbelkavitation: Wirbel in Rezirkulationszonen kavitieren
Erkennung und Diagnose
Schwingungsanalyse
- Suchen Sie nach subsynchronen Komponenten (0,2-0,8×).
- Test bei verschiedenen Durchflussraten
- Ermitteln Sie die Durchflussrate, bei der die Pulsationen beginnen (Einsetzen der Rezirkulation).
- Vergleichen Sie mit den Vorhersagen der Pumpenkennlinie
Leistungstests
- Messen Sie die tatsächliche Druck-Durchfluss-Kennlinie
- Vergleich mit der Auslegungskurve
- Abweichungen bei niedrigem Durchfluss deuten auf Rezirkulation hin.
- Der Stromverbrauch ist höher als in der Kurve prognostiziert.
Akustische Überwachung
- Unverwechselbares, turbulentes, dröhnendes Geräusch
- Breitbandrauschen nimmt zu
- Am Pumpengehäuse hörbar und spürbar.
Prävention und Schadensbegrenzung
Betriebsstrategien
Mindestdurchflussschutz
- Automatische Mindestdurchfluss-Umwälzleitung installieren
- Ventil öffnet unterhalb des sicheren Mindestdurchflusses (typischerweise 60-70% BEP).
- Führt den Abfluss zurück zur Ansaugung oder zum Tank.
- Verhindert den Betrieb im Rezirkulationsbereich
Betriebspunktregelung
- Betrieb unterhalb des minimalen kontinuierlichen Durchflusses vermeiden.
- Verwenden Sie einen Drehzahlregler, um die Pumpe an den Bedarf anzupassen.
- Mehrere kleinere Pumpen anstelle einer einzelnen großen Pumpe (besserer Regelbereich)
- Stufenweiser Betrieb von Parallelpumpen
Designlösungen
- Induktor: Axiale Einlassstufe zur Stabilisierung des Saugstroms
- Niedrigdurchfluss-Laufräder: Spezielle Ausführungen für den Betrieb bei geringem Durchfluss
- Richtige Größe: Pumpe nicht überdimensionieren (dauerhafter Betrieb mit geringem Durchfluss vermeiden)
- Größerer Betriebsbereich: Wählen Sie Pumpen mit flachen Kennlinien, die Durchflussschwankungen tolerieren.
Systemdesign
- Auslegungssystem für den Pumpenbetrieb nahe dem Betriebspunkt
- Sorgen Sie für eine ausreichende NPSH-Marge, um Kavitation in Rezirkulationszonen zu reduzieren.
- Anordnung des Regelventils zur Minimierung der Saugdrosselung
- Bypass- oder Rezirkulationssysteme zur Sicherstellung eines Mindestdurchflusses
Industriestandards und Richtlinien
Mindestdurchfluss
- API 610: Legt den minimalen kontinuierlichen stabilen Durchfluss für Kreiselpumpen fest.
- Typische Werte: 60-70% BEP-Durchfluss für Radialpumpen, 70-80% für Mischströmung
- Thermische Betrachtung: Zudem wird die Begrenzung durch den Temperaturanstieg bei geringem Durchfluss verursacht.
Leistungstests
- Werkstests bestätigen den Rezirkulationsbeginn
- Feldleistungstests zur Bestätigung
- Akzeptanzkriterien für Vibrationen bei minimalem Durchfluss
Rezirkulation stellt eine der kritischsten Betriebszustände für Kreiselpumpen dar. Ihre charakteristische subsynchrone Schwingungssignatur, die hohen Pulsationsamplituden und das Potenzial für schnelle mechanische Schäden machen das Verständnis der Rezirkulationsbedingungen, die Implementierung eines Mindestdurchflussschutzes und die Vermeidung von dauerhaftem Niedrigdurchflussbetrieb unerlässlich für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Pumpe im industriellen Einsatz.
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