| Forside | | Indhold | | Næste |

Maskinteknik

1. Pumpeteknik

Grundvandspumper

Grundvandspumper kan naturligt opdeles i to grupper:

1. Centrifugalpumper, der suger fra 0-8 m
2. Dykpumper, der er placeret under vandoverfladen i en brønd eller boring

1.1 Centrifugalpumper, der suger fra 0-8 m

Når vanddybden fra jordoverfladen til vandspejlet i brønden er fra 0-8 m, udnyttes det, at en centrifugalpumpe er normalsugende, hvilket betyder, at den er i stand til at skabe et vakuum i centrum af løberen, hvorefter atmosfæren trykker vand op til dette vakuum. Atmosfæretrykket er 1 atm. svarende til ca. 10 m ved havets overflade. Dette er grunden til, at disse pumper kan suge maks. 8 m (de resterende 2 m går til friktionstab).

Figur 1 viser en ettrins in-line centrifugalpumpe, der kan pumpe fra 1-300 m³/h fra en dybde af 6 m. Afgangstrykket for disse pumper er normalt ikke så stort, omkring 4-6 bar. De anvendes til markvanding, pumpning fra én beholder til en anden, i lavtryksudpumpningsanlæg samt køleanlæg.

Disse pumper er gennemprøvede kendte ettrins centrifugalpumper og udmærkede til ovennævnte formål, men er dog i dag afløst af flertrins centrifugalpumper eller dykpumper, fordi disse pumper kan suge eller pumpe fra større dybder.

Figur 2 viser en flertrins in-line centrifugalpumpe, der er i stand til at suge vand fra en dybde af ned til ca. 8 m.

Figur 1
Principtegning for en centrifugalpumpeinstallation
         

Figur 2
Centrifugalpumpe installeret i en tørbrønd ved et parcelhus

1.1.1 Centrifugalpumper, konstruktion og drift

Funktion

En centrifugalpumpe er en radialpumpe. Dette betyder, at væskens strømningsretning gennem pumpen er vinkelret på pumpeakslen i modsætning til ved en propelpumpe (aksialpumpe), hvor vandet flyder parallelt med akslen.

Når løberen i en centrifugalpumpe roterer, vil væsken pga. centrifugalkraften blive slynget udad, hvorved der opstår både et dynamisk og et statisk tryk i pumpehuset (se Figur 3).

Fænomenet er velkendt, fx når man rører i en kaffekop med en ske. Kaffen slynges ud, men da den ikke kan slippe væk som i en pumpe, stiger væsken op langs koppens væg. Væskens bevægelse repræsenterer det dynamiske tryk og løftet fra rotationen det statiske tryk (se Figur 4).

Væsken vil fra løberen blive slynget ind i diffusoren ved ettrinspumper og ind i ledeapparatet ved flertrinspumper (se Figur 5).

I ledeapparatet (diffusoren) ændres den dynamiske energi (hastighedsenergien) til statisk energi (trykenergi) (se Figur 6).

For pumper med ens ind- og udløbsdiameter vil væskens hastighed og dynamiske tryk før og efter pumpen således være uforandret. Derimod vil det statiske tryk være forøget. Hvor meget afhænger af antallet af trin (se Figur 7).

Figur 3
Skitse af væskens bevægelse i et pumpehus med løber
         

Figur 4
Væskebevægelse i en kaffekop
         

Figur 5
Væskens vej gennem en flertrins centrifugalpumpe
         

Figur 6
Ledeapparat i en flertrins centrifugalpumpe
         

Figur 7
Diagram over trykforhold i pumpen

Ledeapparatet, der som løberen består af skovle, har desuden den funktion at lede væsken fra én løber til den næste.

1.2 Pumpens løftehøjde, H

Den energi, som pumpen overfører til væsken, kan måles som differencen mellem pumpeindløb og -udløb. Denne størrelse kaldes pumpens løftehøjde (se Figur 8).

Formlen til udregning af løftehøjden ser således ud:

hvor er væskens massefylde og g er tyngdeaccelerationen.

Da den geometriske højde og vandhastigheden før og efter en in-line pumpe er ens, kommer den forenklede formel til at se således ud:

Hvis massefylden for rent koldt vand sættes til 1.000 kg/m³ og g til 10 m/s², fås

Nøjagtig udregning

Pumpens løftehøjde og dens afhængighed af volumenstrømmen findes eksperimentelt af pumpeproducenten og gives til kunden i form af en kapacitetskurve H (Q).

For de efterfølgende kurver gælder nedenstående retningslinier:

Figur 8
Pumpens løftehøjde (p2 - p1)
  

Beregning af løftehøjde
         

Figur 9a
Led (a) i formel til beregning af løftehøjde
         

Figur 9b
Led (b) i formel til beregning af løftehøjde
         

Figur 9c
Led (c) i formel til beregning af løftehøjde

Ved drift ved motorens henholdsvis laveste og højeste påtrykte spænding vil pumpeydelsen ved samme frekvens typisk variere +/- 0,5 til 1,0 m i et givet driftspunkt.

Kurvefelt 1 (Figur 10)

QH

QH-kurverne viser pumpeydelsen ved aktuelt omdrejningstal iht. standardmotorprogrammet for CR/CRN-rækken.

Figur 10
Datablad for en Grundfos CR 2

Kurvefelt 2 (Figur 10)

P2

Kurverne i dette felt er gennemsnitskurver for alle varianter, der er vist i kurvefelt 1. Effektkurven er en ettrinskurve, som viser pumpens optagne effekt pr. trin. Denne kurve kan benyttes til tilnærmede effektberegninger, når motorens virkningsgrad integreres.

Eta

Eta-kurven viser virkningsgraden for pumper, dvs. pumpe uden motor.

Kurvefelt 3 (Figur 10)

NPSH

Kurven er gennemsnitskurve for alle varianter, der er vist i kurvefelt 1. Ved dimensionering regnes der med et sikkerhedstillæg på mindst 0,5 m.

QH ved 2.900 rpm

Pumpeydelsen pr. trin ved fast omdrejningstal, 2.900 rpm (50 Hz).

Figur 11
Forklaring på effektbetegnelserne P₁, P₂, P₃ og P₄

Denne kurve kan benyttes til tilnærmede QH-beregninger ved andre omdrejningstal.

1.4 Strømforbrug

P₁

Motorens optagne effekt fra nettet (Figur 11)

Ved sammenbyggede motor-/pumpeenheder, som fx cirkulationspumper (vådløbere), JP-, KP- og CH-pumper, opgives denne værdi på typeskiltet.

P₁ kan også findes efter følgende formel:

hvor

P₂

Motorens afgivne akseleffekt (Figur 11)

I de tilfælde hvor motor og pumpe er separate enheder, fx i forbindelse med normmotorer og dykmotorer, opgives maksimalværdien på typeskiltet.

P₃

Pumpens optagne effekt (Figur 11)

Den aktuelle belastning af motoren fås af pumpens effektkurve. Her aflæses den nødvendige effekt pr. trin for en given vandmængde. Ved motor/pumpeenheder med fast akselforbindelse regnes denne værdi lig P₂.

P₄

Pumpens afgivne effekt til mediet (Figur 11)

Denne værdi kan også findes af følgende formel:

Nøjagtig:

I praksis:

(Fejlprocent ca. 3%)

1.5 Rørkarakteristik

1.5.1 Rørkarakteristik for lukket system

Lukket system

H= k • Q2 (se Figur 12)
k = konstant faktor (rørdimensionsafhængig)

1.5.2 Rørkarakteristik for åbent system

Åbent system

H = H₀ + k • Q² (se Figur 13)
H₀ = geometrisk højde
k = konstant faktor (rørdimensionsafhængig)

1.5.3 Sammenfatning

Der er i det foregående blevet anvendt en hel del formler og, om ikke vanskelige, så dog temmelig lange beregninger, som sætter os i stand til at finde anlægskarakteristikken.

Det er ikke pumpeproducentens opgave at udføre disse anlægsberegninger. Pumpeinstallatøren skal imidlertid forstå sammenhængen mellem anlæg og pumpe, således at han kan rådgive sin kunde, og til dette formål blev eksemplet vist.

Pumpeinstallatøren er i en langt sikrere situation end kunden, idet pumpekarakteristikken H (Q), som han er ansvarlig for, er testet eksperimentelt og ikke vil afvige særlig meget fra prospektets datablad. Usikkerhedsfaktorerne er langt større i forbindelse med beregningen af anlægskarakteristikken pga. den betydelige risiko, der er for at lave fejl ved tryktabsberegningen.

Hvis pumpeanlæggets driftspunkt afviger fra det planlagte, skal årsagen hertil i de fleste tilfælde findes i anlægskarakteristikken, som kunden er ansvarlig for.

Driftspunktet i et pumpeanlæg skal altid findes i skæringspunktet mellem anlægskarakteristik og karakteristikken for den installerede pumpe (se Figur 14).

Figur 12
Rørkarakteristik for et lukket system
         

Figur 13
Rørkarakteristik for et åbent system
         

Figur 14
Driftspunkt

1.6 Anlæggets løftehøjde, Ha

Hvis der skal transporteres en bestemt væskemængde Q fra punkt 1 til punkt 2 i et anlæg, er det nødvendigt at anvende en pumpe.

Eksempel (se Figur 15)

Den geometriske løftehøjde z₂ - z₁ skal overvindes.

Endvidere skal tryktabene H (f₁) og H (f₂) tages i betragtning. Den energi, som skal overføres til væsken, er anlæggets løftehøjde.

Figur 15
Eksempel på en pumpestation
         

Figur 16
Pumpeblad for en Grundfos CR 8

Forslag til pumpe: CR 8-50 (Figur 16).

Anlæggets løftehøjde består således af et statisk og et dynamisk element:

Statisk løftehøjde

Det statiske element er uafhængigt af kapaciteten:

Dynamiske løftehøjde

Det dynamiske element er afhængigt af kapaciteten:

Anlæggets løftehøjde skal ikke blot beregnes ved den nominelle kapacitet, men om muligt for hele driftsområder.

1.7 Pumper og kavitation

En stor del af de havarier, der opstår ved pumper, skyldes kavitation. Hos Grundfos har ca. 5% af de pumper, som fabrikkens serviceafdeling modtager retur, været udsat for kavitation, og oftest løses problemerne ikke ved at udskifte pumperne. Problemet ligger et helt andet sted.

Kavitation

Kavitation, eller dampdannelse om man vil, opstår som følge af en lokal underskridelse af damptrykket (kogepunktet), hvorved der opstår damplommer på det sted inde i pumpen, hvor der er det laveste tryk. Disse damplommer fortsætter gennem pumpens løber og kollapser, når trykket når op over damptrykket. Denne implosion vil kunne medføre støjgener, og i værste fald beskadigelse af pumpens løber.

Løsning på problemet

For at komme kavitationsproblemet til livs, bør det være fast rutine at kontrollere sugeforholdende, hver gang man udskifter/dimensionerer en pumpe eller bare ændrer på pumpes driftsforhold. For at forhindre kavitation, opstilles følgende formel til udregning af den maksimale sugehøjde:

H_maks = H_b - NPSH - H_f - H_d - H_s (se Figur 19)

H_maks angiver maks. sugehøjde for pumpen (m). Hvis resultatet bliver negativt, skal pumpen arbejde med tilløbstryk.

H_b angiver barometerstanden (atmosfæretryk (m)).

NPSH (se Figur 18) angiver trykfaldet fra sugestuds til det sted i pumpen, hvor det laveste tryk forekommer. Værdien er bestemmende for, om der forekommer kavitation inde i pumpen. NPSH står for Net Positive Suction Head eller "holdetryk" på dansk.

Denne værdi vil kunne findes på ethvert pumpedatablad.

Ved mindre cirkulationspumper angives der ingen NPSH-værdi, men derimod det krævede minimums tilløbstryk ved en given temperatur.

H_f angiver tryktabet i tilgangsledningen til pumpen. Denne værdi findes ved simple tryktabsberegninger.

H_d (se Figur 19) angiver væskens damptryk. Overskrider vandets temperatur 100°C, kan værdierne findes i en tabel for mættet vanddamp.

H_s angiver sikkerheden.

Ved fastlæggelse af denne størrelse skal mulige variationer i Hf, Hd og NPSH vurderes som følge af fx aflejringer i tilgangsledninger, ændret vandtemperatur eller varierende pumpekapacitet (ændret NPSH).

Figur 17
Kavitation på henholdsvis overside og underside af løber
         

Figur 18
NPSH-kurve for Grundfos CR 8
         

Figur 19
Mættede vanddampes tryk
         

Figur 20
Opstart
         

Figur 21
Opstilling til drift med Kavitation
         

Figur 22
Opstart a med halvt åben ventil
         

Figur 23
Opstart a med fuldt åben ventil
         

Figur 24
Opstart b

1.7.1 Videofilm om kavitation

Illustration af kogning ved lav temperatur

Lukket beholder med vand, tilsluttet vakuumpumpe.

Opstart (se Figur 20)

Vakuumpumpen startes, og der dannes et undertryk i den lukkede beholder på0,85 bar. Vandet begynder således at koge ved 27°C. Der ses dampbobler. Beholderen kan dog stadig berøres med de bare hænder. Det bemærkes i øvrigt, at en meget lille temperaturforøgelse vil få dampboblerne til at forsvinde. Dvs. at grænsen imellem om en pumpe kaviterer eller ej ofte, kan være meget fin.

Kavitation

Opstilling (se Figur 21)

Den tidligere anvendte beholder med vand er ligeledes tilsluttet et lukket kredsløb med en pumpe, som er forsynet med en ventil på både suge- og afgangssiden. Pumpens frontplade er udført i plexiglas, og ved belysning af løberen med et stroposkopisk lys vil man under drift være i stand til at se vandets bevægelse igennem en "stillestående" løber.

Opstart a (se Figur 22 og 23)

Ventilen på pumpens afgangsside lukkes, og pumpen starter. Ved åbning af ventilen vil modtrykket aftage, og pumpen begynder at kavitere. Dampbobler kan således iagttages på løberens skovle. Først ved indløbet og siden ved fuld åben ventil breder koncentrationen af dampbobler sig til at dække hele bagsiden af løberens skovle.

Anlægget sættes i drift uden kavitation. Ventilen på pumpens sugeside lukkes langsomt, og der ses dampbobler umiddelbart efter ventilen i det gennemsigtige plastikrør hen til pumpen. Disse bobler dannes som følge af det vakuum, som pumpen danner imellem ventil og pumpe. Dampboblerne kollapser ikke, før de når løberen, hvor trykket igen stiger.

Vibrationsanalyse

Til måling af vibrationer i pumpehus, motor og lejer påsættes det nødvendige elektroniske måleudstyr. Man vil således være i stand til at aflæse vibrationernes størrelse ved forskellige frekvenser. Hver frekvens kan herefter relateres til de enkelte mekaniske dele i pumpe og motor. Herved får man mulighed for at forberede specielt udsatte og/eller sårbare dele.

Opstart

Der observeres en markant forskel på vibrations- og lydniveauet ved drift med kavitation og uden kavitation. De kræfter, som kan opstå som følge af vibrationer, er målt til at være op til 200% større end normalt. Til sammenligning kan nævnes, at lejer normalt kun overdimensioneres med 10-15%.

1.8 Dykpumper

Ønskes der vand fra større dybde end 7-8 m, skal pumpen placeres under vandoverfladen og trykke vandet op til jordoverfladen.

Der anvendes 2 forskellige systemer:

Sidstnævnte type var meget almindelig, før den moderne dykmotor blev opfundet, men den bruges dog stadigvæk blandt andet i U-lande og i områder, hvor der ikke er strømforsyning.

Ved gennemgangen her vil vi kun beskæftige os med den førstnævnte type: Dykpumpe med dykmotor.

Pumpe og motor er en samlet enhed. Motoren er anbragt nederst, og indløbet i pumpen sidder ca. midt i enheden.

Figur 25 viser 4, 6, 8 og 10" rustfrie dykpumper, der pumper fra 0,5 til 300 m³/h .

De kan forsynes med et varierende antal løbere, og derfor tilpasses dybden og det tryk, der ønskes ved jordoverfladen.

Energiomsætning

Pumpen er en flertrins centrifugalpumpe, hvor hver løber sidder fastspændt til akslen. I ledeapparatet omsættes hastighedsenergien til statisk tryk, hvorved hastigheden sættes ned (Bernoullis lov). I den næste løber øges hastigheden igen, for derefter at blive omsat til trykenergi og så fremdeles.

Figur 25
Dykpumper med motor
         

Figur 26
Dykpumpe som snitmodel og hel model
         

1.8.1 Pumpens enkeltdele

Pumpeaksel

Der findes 2 forskellige akseltyper: splineaksel og cylindrisk aksel (se Figur 27).

En splineaksel letter montagen og demontagen, men bruges kun på små pumper dvs. ved kapaciteter på op til 7 m3/h og et tryk på ca. 30 bar.

Den cylindriske aksel er almindelig i alle størrelser dykpumper, og løberne sættes her fast med en klembøsning.

Løber

Der anvendes 2 forskellige løbere: radiale og halvaxiale løbere. Radiale løbere anvendes i små pumper op til ca. 20 m³/h og halvaxiale løbere inden for resten af kapacitetsområdet. Designet er bestemt af, at man ønsker en smal pumpe, der er i stand til at pumpe vand fra boringer med små diametre.

Figur 27
Pumpeaksler og løbere
         

Figur 28
Spaltetætning
         

Figur 29
Sekskantet leje
         

Figur 30
Kontraventil

Spaltetætninger

For at forhindre at vandet løber fra løberens trykside til sugesiden, monteres der en spaltetætning (se Figur 28) i hvert pumpekammer. Det er en meget vigtig del af pumpen, idet et slid her medfører en nedsættelse af pumpens ydelse. Derfor er der udviklet mange forskellige metoder til løsning af dette problem. Det bedste system, hvis der er sand i vandet, er gummi mod rustfrit stål, dvs. spaltetætning i gummi og løbere i rustfrit stål. Der skal desuden tages hensyn til, at det sand, som grundvandet kan indeholde, kan passere gennem pumpen uden at skade spalteringen og løberen.

Dette problem er løst ved at lave nogle "kanaler" i spaltetætningen, der er forbundet med løberens sugeside, således at løberen dræner disse kanaler, hvis der skulle komme sand i dem.

Figur 31
Snitmodel af dykmotor
         

Figur 32
Stregtegning af dykmotor

Lejer

Lejernes funktion (se Figur 29) er at optage de radiale kræfter fra akslen. Lejerne er af praktiske grunde vandsmurte. Også i lejerne opstår der problemer, hvis der er sand i grundvandet. Dette løses ved at fremstille lejet i gummi og med et sekskantet design, således at sandet kan passere uden at skade pumpeakslen eller lejet.

Der er et leje i hvert kammer, hvilket bl.a. betyder, at pumpen også kan monteres vandret.

Kontraventil

Det er almindeligt at indbygge en kontraventil (se Figur 30) i dykpumper for at forhindre vandet i at løbe tilbage i boringen, når pumpen standser.

Løber vandet tilbage i boringen, er der risiko for, at filteret i bunden af boringen bliver ødelagt af det tilbageløbende vand. Samtidig spares der strøm, hvis vandet, når det én gang er pumpet op, ikke ved hver start skal pumpes op igen.

Der er ingen akseltætning i dykpumpens pumpedel.

1.8.2 Dykmotoren

En dykmotor er en "våd motor", dvs. at der er vand mellem stator og rotor. Ved større typer (over 25 kW) er der også vand i statoren. Vandets funktion er at smøre lejerne og køle statoren og rotoren.

Radiallejerne er af keramik/hårdmetal, og tryklejet er af keramik/kul.

Dette system giver lejerne lang levetid, helt op til 10 år eller mere, hvis vandet er rent og fri for sand.

Figur 33
Dykpumpe i en boring
         

Figur 34
Installation af dykpumpe
         

Figur 35
Dykpumpeinstallation
         

For at der ikke skal løbe vand ind i eller ud af motoren, er der i toppen monteret en akseltætning. Der anvendes forskellige systemer til dette: mekanisk akseltætning (keramik/hårdmetal) eller simmerringe.

For at sikre effektiv køling af rotor og stator og smøring af lejerne kan rotoren forsynes med en lille intern løber (se Figur 31).

Dette bevirker, at medietemperaturen i standardudgaven kan være 40°C, hvis strømningshastigheden forbi motoren er mindst 0,1 m/sek. Der findes også standarddykmotorer, der kan tåle 60°C.

Statoren er udstøbt med sand og epoxy, hvilket udelukker statorfejl forårsaget af kondensvand og boringsvand i viklingerne.

Som noget nyt tilbyder flere motorfabrikanter en temperaturovervågning af motorviklingerne, fordi et almindeligt motorværn ikke er effektivt nok.

Motortemperatur

Der findes på markedet et system, der registrerer motortemperaturen og transmitterer (højfrekvens) et signal via det almindelige dykkabel til jordoverfladen, hvor det bliver omsat og vist digitalt under drift af pumpen. Der kan foretages en programmering, således at det er muligt at standse motoren ved en viklingstemperatur på fx 110°C.

Ved anvendelse af dykmotorer skal man være opmærksom på, at temperaturen omkring motoren er ca. 10 grader højere end omkring pumpen. Dette medfører en forøget risiko for korrosion på motoren. Derfor fremstiller nogle fabrikanter dykmotorer i bedre rustfri kvaliteter end W.nr. 1.4301, hvilket minimerer risikoen for korrosion betydeligt.

1.8.3 Installation

Pumpen anbringes under det dynamiske vandspejl, men altid over filteret for at sikre en effektiv køling af motoren.

Pumperne er designet således, at en 4" dykpumpe passer ned i en 4" boring, og en 6" ned i en 6" boring osv. Man skal imidlertid være opmærksom på, at en pumpe med mange trin godt kan være forsynet med en motor med en større diameter.

Figur 35 viser en dykpumpeinstallation på jordoverfladen. Hele pumpeinstallationen hænger i forerøret.

På billedet ses i øvrigt dykkabel, manometer til måling af pumpeafgangstryk, vandstandskontrol, hovedkontakt, reguleringsventil samt testhane.