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Pumpensoftware geht in die vierte Generation

Computergestützte Auslegung von Magnetkupplungspumpen
Pumpensoftware geht in die vierte Generation

Dichtungslose Pumpen sind überall dort gefragt, wo es auf leckagefreien Flüssigkeitstransport ankommt. Bei der Auslegung dieser Pumpen gilt es allerdings einige Besonderheiten zu berücksichtigen. Moderne Computerprogramme wie das Pumpenauslegungsprogramm Spaix 4 Pumps unterstützen den Anwender bei seiner Arbeit und helfen ihm dabei, Energie und Kosten einzusparen.

Der Autor: Jens-Uwe Vogel Geschäftsführer, VSX-Vogel Software

Bei den sogenannten dichtungslosen Pumpen wird die potenziell für eine Leckage anfällige Wellendichtung durch geeignete konstruktive Maßnahmen ersetzt. Eine mögliche technische Lösung stellt die Magnetkupplungspumpe dar. Hier erfolgt die Kraftübertragung zwischen dem Antrieb und der Pumpenwelle durch eine permanente magnetische Synchronkupplung. Durch die berührungslose Drehmomentenübertragung entfällt die dynamische Dichtung zwischen dem Produktraum, in dem sich das Fördergut befindet, und der Umgebung. Neben dem Vorteil, dass eine Kontamination der Umwelt vermieden wird, zeichnet sich diese Pumpenbauart durch veschleißarmen Betrieb und dadurch geringere Wartungskosten aus.
Für die korrekte Auswahl und Auslegung dieser Pumpen müssen allerdings einige Besonderheiten berücksichtigt werden. Dieses Know-how steckt bei den Herstellern oftmals in einigen wenigen Köpfen. Generationswechsel oder personelle Veränderungen sind dann oft der Anlass, dieses Wissen in eine dokumentierte und nachvollziehbare Form zu bringen. Das Pumpenauslegungssystem Spaix 4 von VSX-Vogel Software bietet die Chance, die Auslegung in einer strukturierten Form auf eine breitere Basis zu stellen. Die folgenden Abschnitte erläutern die Vorgehensweise.
Auswahl der Pumpe
Die Pumpe muss zunächst natürlich die Transportaufgabe erfüllen, für die sie vorgesehen ist. Hierunter fallen die generelle Eignung für das Anwendungsgebiet und das Fördermedium und die Erfüllung des Betriebspunktes. Die generelle Eignung der Pumpe für den Anwendungsfall kann datentechnisch so abgebildet werden, dass zunächst typische Einsatzgebiete in einer strukturierten Form in der Datenbank hinterlegt werden. Wichtig ist, dass entsprechend den Einsatzgebieten auch unterschiedliche Eingaben für die Auswahl der Pumpe erforderlich sein können. Den Einsatzgebieten werden die in Frage kommenden Pumpenbaureihen zugeordnet. Bei der Prüfung der Pumpe für den Betriebspunkt ist ebenfalls das Fördermedium zu berücksichtigen. Für die Vorhersage der Leistungsmerkmale von Kreiselpumpen bei der Förderung von hochviskosen Newtonschen Flüssigkeiten hat sich allgemein das Verfahren nach dem Hydraulic Institute durchgesetzt
(ANSI HI 9.6.7 bzw. ISO TR 17766). Darüber hinaus gibt es für Seitenkanalpumpen ein von Sihi veröffentlichtes Verfahren, für das es ebenfalls eine rechentechnische Umsetzung gibt.
Neben der technischen Eignung spielt die Wirtschaftlichkeit eine entscheidende Rolle. Man kann die Anforderungen an die Auswahl also vereinfacht so formulieren: Man finde aus allen technisch geeigneten Pumpen die mit den geringsten Lebenszykluskosten.
Die richtige Bewertung aller Kostenfaktoren, insbesondere derer die sich aus Verschleiß ergeben, sowie die Berücksichtigung von weiteren Faktoren, wie der Ausfallsicherheit, sind dabei Punkte, die das Wissen und die Erfahrung der Pumpeningenieure erfordern.
Dimensionierung der Komponenten
Der wesentliche Unterschied bei der Dimensionierung von Magnetkupplungspumpen im Vergleich zu herkömmlichen Bauarten ist die Auswahl der Magnetkupplung und des Pumpenantriebes. Die meisten Pumpenhersteller kombinieren dieselbe Hydraulik mit verschiedenen Magnetkupplungen, von denen je nach konkreten Anwendungsbedingungen die beste ausgewählt werden soll. Die für eine Hydraulik wählbaren Magnetkupplungen werden über eine Zuordnung in der Datenbank hinterlegt. Darüber hinaus muss geprüft werden, ob mit der Magnetkupplung das gewünschte Drehmoment mit der geforderten Sicherheit übertragen werden kann. Das geforderte Drehmoment hängt dabei wiederum über die Pumpenkennlinien vom Fördermedium ab. Andererseits hängt das übertragbare Drehmoment der Magnetkupplung von der Temperatur ab. Im Wesentlichen wird die Auslegung der Magnetkupplung in folgenden Schritten durchgeführt:
  • Überprüfung der Einsatzgrenzen und Ermittlung der relevanten Betriebsdaten
  • Überprüfung der Drehmomentensicherheit
  • Ermittlung des Leistungsverlustes
  • Überprüfung der Drehmomentes mit Berücksichtigung der Verlustleistung
  • Werkstoffauswahl für die Magnetkupplung
  • Motorauslegung
  • Nachrechnung der Magnetkupplung
  • Überprüfung der geforderten Sicherheit
Die Auswahl von Magnetkupplung und Motor ist ein iterativer Prozess, da sie gegenseitig voneinander abhängen. Das übertragbare Drehmoment kann in einem Drehmomenten-Temperatur-Diagramm für die Referenzdrehzahl erfasst werden. Den Einfluss von abweichenden Drehzahlen berücksichtigt der Faktor cn:
Tmag,x = T(q) cn
Dabei ist cn = (nx/nref)x1. Der Exponent x1 ist je Magnetkupplung individuell konfigurierbar.
Bei der Bestimmung des erforderlichen Drehmomentes sind am Markt verschiedene Ansätze üblich. Teilweise wird hier das Drehmoment im Ist-Betriebspunkt herangezogen, teilweise wird die Magnetkupplung auch gegen die Motornennleistung ausgelegt. Das gewünschte Verfahren lässt sich datenseitig konfigurieren.
Die vorhandene Sicherheit sav,p lässt sich aus der übertragbaren Leistung und der Wellenleistung der Pumpe plus der Verlustleistung der Magnetkupplung berechnen:
Die Sicherheit gegenüber der Motornennleistung ist dann definiert mit:
Die vorhandene Sicherheit soll nun größer oder gleich der datenseitig vorgegebenen erforderlichen Sicherheit liegen. Zur Bestimmung der erforderlichen Sicherheit sind wiederum verschiedene Ansätze möglich:
  • Berechnung nach VDMA-Arbeitsblatt 24278 mit K=5,5
  • Berechnung nach VDMA-Arbeitsblatt 24278 mit dem bei der Pumpe angegebenen Sicherheitsfaktor K
  • Verwendung des bei der Pumpe angegebenen Sicherheitsfaktors unter Berücksichtigung des Kippmomentes des Motors
  • Verwendung des bei der Magnetkupplung angegebenen Sicherheitsfaktors
Im Verfahren nach VDMA-Arbeitsblatt wird die erforderliche Sicherheit aus dem pumpen- und dem antriebsseitigen Trägheitsmoment berechnet. Dabei muss san,mot$sreq,mag sein.
Berechnung der Verlustleistung
Bei einer Magnetkupplung treten im Allgemeinen Leistungsverluste auf, die von der übertragenen Leistung, der Drehzahl, der Temperatur und der Viskosität des Fördermediums sowie der Werkstoffausführung der Magnetkupplung abhängen. Einzelne Pumpenhersteller haben hierfür Berechnungsmodelle entwickelt, die die einzelnen Einflussgrößen separieren, um eine effiziente Datenhaltung zu ermöglichen. Zunächst wird von einem konstanten Leistungsverlustanteil ausgegangen. Darüber hinaus gibt es einen variablen Anteil, der in Abhängigkeit von der übertragenen Leistung und der dynamischen Viskosität formuliert werden kann. Unter Berücksichtigung des Materialfaktors sowie des Drehzahleinflusses ist:
Pl,x = (P0 + Pl(P2) ? cmat) ? (nx/nref)x2
Verschiedene Hersteller haben bereits technische Lösungen vorgestellt, um durch eine besondere Konstruktion und Werkstoffauswahl des Spalttopfes die Wirbelstromverluste zu minimieren. Der Wirkungsgrad der Magnetkupplung kann damit durch eine optimale Werkstoffauswahl deutlich erhöht werden.
Neben dem Leistungsbedarf der Pumpe, der sich unter Berücksichtigung des Fördermediums aus den Pumpenkennlinien ergibt, muss die Verlustleistung der Magnetkupplung für die Dimensionierung des Motors berücksichtigt werden. Durch das unterschiedliche Trägheitsmoment des Motors sowie gegebenenfalls bei der Auslegung auf Motornennleistung ergibt sich rückwirkend ein Einfluss auf die berechnete Sicherheit der Magnetkupplung. Dies macht nach der Antriebsauswahl eine Nachrechnung der Magnetkupplung erforderlich und führt unter Umständen zu einer Iteration des Auslegungsprozesses.
Werkstoffwahl
Für die Wahl des geeigneten Werkstoffs kann datenseitig eine Medien-Werkstoff-Kompatibilität erfasst werden, die in Abhängigkeit von der Temperatur für häufige Fördermedien den Beständigkeitsbereich der einzelnen Materialien definiert. Das Auswahlprogramm kann mit dieser Information automatisch die beste Materialkombination für das vom Anwender angegebene Fördermedium und die Auslegungstemperatur ermitteln. Darüber hinaus können mit einem Druck-Temperatur-Diagramm die Festigkeitsinformationen für die Werkstoffe hinterlegt werden.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
Pumpensysteme haben einen Anteil von fast 20 % am weltweiten Bedarf an elektrischer Energie. Entsprechend groß ist das Einsparpotenzial. Um dieses möglichst gut auszuschöpfen, müssen die verschiedenen Optionen, Energie einzusparen, analysiert und bewertet werden. Betrachtet man die Ge-samtkosten für eine Pumpe hinsichtlich Anschaffung, Installation, Betrieb und Wartung sowie Entsorgung, stellt sich heraus, dass die laufenden Kosten in den meisten Fällen den größten Anteil ausmachen. Verschiedene Studien (Hydraulic Institute/Europump/U.S. Department of Energy’s Office of Industrial Technologies: Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems, Executive Summary., S. 1) haben gezeigt, dass 30 bis 50 % der von Pumpensystemen verbrauchten Energie allein durch den Austausch von Equip- ment oder Kontrollsystemen eingespart werden könnte.
Diese Werte veranschaulichen das Potenzial an Energie- und Kosteneinsparungen, das durch den Einsatz von optimierter Pumpentechnik erreicht werden kann. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Lebenszykluskostenanalyse ein essenzieller Bestandteil der Pumpenauswahl. Dabei geht es nicht nur um die Auswahl einer effizienten Pumpenhydraulik, sondern um eine ganzheitliche Betrachtung des Pumpensystems. Magnetkupplung, Werkstoffe und Antrieb sind wichtige Einflussgrößen auf den Wirkungsgrad von magnetgekuppelten Pumpen.
prozesstechnik-online.de/cav0913462

Version 4 zum Geburtstag

VSX wird 20

VSX-Vogel Software, der Hersteller der Pumpenauswahlsoftware Spaix, feiert in diesem Jahr sein 20-jähriges Bestehen. Das Unternehmen blickt auf eine außergewöhnliche Erfolgsgeschichte zurück.
Im Zeitalter des IT-Umbruchs Anfang der 1990er-Jahre stellten sich VSX-Geschäftsführer Hanns-Henrik und Jens-Uwe Vogel der Herausforderung, ein Programm zu entwickeln, das die langwierige Pumpensuche in Katalogen optimieren sollte. Auf Basis des damals brandneuen Betriebssystems Windows 3.0 und später 3.1 entstand allmählich ein Programm, das die Pumpenauslegung revolutionierte. Das kleine Start-up entwickelte sich rasch weiter und schon wenige Jahre später hatte sich das Team erheblich vergrößert. Die ursprüngliche Software ipsi wurde 1998 durch das Spaix-Programm abgelöst. Spaix ist heute bei vielen national wie international tätigen Pumpenherstellern im Einsatz. Mit viel Know-how wurde die Software über die Jahre immer weiter optimiert und an die veränderten Bedingungen im globalen Marktumfeld angepasst. Pünktlich zum Jubiläum steht die vierte Version Spaix 4 Pumps zur Verfügung.
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