Hydraulischer Modellversuch Lufteintrag: So lassen sich Gasblasen in Pumpsystemen vermeiden.

KSB startet umfassenden Modellversuch, um Möglichkeiten zur Verminderung von Lufteinträgen zu erforschen.

Einschlägige Vorschriften und Empfehlungen weisen darauf hin, dass Zuläufe in den Saugraum einer Pumpenanlage so zu gestalten sind, dass Lufteinträge in die Pumpen zu vermeiden sind. Und das aus gutem Grund: Lufteinträge oder auch andere ungelöste Gase in zu transportierenden Flüssigkeiten können zu erheblichen Strömungsbeeinträchtigungen bei einer Pumpe führen. Diese können die Kennlinie verändern und somit das Betriebsverhalten stören. In einem hydraulischen Modellversuch hat KSB die Möglichkeiten zur Verminderung von Lufteinträgen deshalb eingehend untersucht.

Das Versuchsmodell bestand aus einem Becken und einer Zulaufleitung auf der linken Seite über dem Wasserspiegel. Die Höhe des Zulaufs und der Abstand zur Pumpe konnten variiert werden. Zusätzlich verfügte das Versuchsmodell über eine variabel einsetzbare Prallwand, eine Balkonkonstruktion sowie eine Zuleitung zur Pumpe. Relevante Faktoren für den Modellversuch waren der Wasserstand im Becken, die Austrittsgeschwindigkeit und die Fallhöhe des Wassers. 

Der erste Versuchsdurchlauf erfolgte ohne Prallplatte bei geringer Fallhöhe. Bei einer Durchflussmenge von ca. 4 m³/h wurde die Luft in das Wasser eingetragen und verwirbelt. Größere Gasblasen bewegen sich rasch zur Oberfläche, kleinere Gasblasen wurden in Richtung Pumpenzuleitung mitgezogen. Dann wurde die Durchflussmenge auf ca. 8 m³/h erhöht. Infolgedessen wurde in dem Modellversuch ein größerer Lufteintrag in Richtung Pumpenzuleitung festgestellt. Auch größere Luftblasen in höherer Anzahl erreichten dabei die Zuleitung. Nach einer Erhöhung der Durchflussmenge auf 12 m³/h betraf der Lufteintrag die gesamte rechte Beckenseite. Eine große Menge Gasblasen wurde dabei in die Pumpenzuleitung eingetragen. 

Der zweite Versuchsdurchlauf erfolgte ohne Prallplatte bei großer Fallhöhe, bei einer Durchflussmenge von ca. 4 m³/h. Die Strahleindringtiefe war bei diesem Versuchsdurchlauf groß. Die Luft wurde tief in das Wasser eingetragen, verwirbelt und in Richtung Pumpenzuleitung bewegt. Mittlere und kleine Blasen gelangten dabei in die Pumpenzuleitung. Dann wurde die Durchflussmenge auf ca. 8 m³/h erhöht. Dabei zeigte sich: Je größer die Fallhöhe und die Austrittsgeschwindigkeit, desto größer der Lufteintrag. Dies hatte zur Folge, dass auch größere Gasblasen in die Pumpenzuleitung eingetragen wurden. Nach einer Erhöhung der Durchflussmenge auf ca. 12 m³/h traf der Eintragsstrahl sehr weit rechts in Becken, nahe der Pumpenzuleitung, und verwirbelt an der rechten Beckenwand. Die Eintragstiefe nahm dabei nicht weiter zu.

Verminderung der Lufteinträge unter Einsatz von Prallplatte und Balkonkonstruktion. 

Der dritte Versuchsdurchlauf erfolgte bei geringer Fallhöhe und unter Einsatz einer Prallplatte, die den Wasserstrahl bremste, bevor er in das Becken abfloss. Der Versuchsdurchlauf startete mit einer Durchflussmenge von ca. 4 m³/h. Die Lufteinträge wurden dabei tief in das Wasser verwirbelt und zu großen Teilen durch die Prallplatte zurückgehalten. Gasblasen stiegen hinter der Prallwand schnell an die Oberfläche. Nur wenige kleine Gasblasen erreichten die Pumpenleitung im rechten Teil des Beckens. 

Anschließend wurde die Durchflussmenge auf ca. 8 m³/h erhöht. Dabei zeigte sich, dass viele der Lufteinträge (fast die Hälfte) durch die Prallplatte zurückgehalten wurden oder direkt hinter ihr an die Oberfläche aufstiegen. Nur wenige, kleine Gasblasen erreichten in diesem Versuchsdurchlauf die Pumpenzuleitung. Nach einer Erhöhung der Durchflussmenge auf ca. 12 m³/h wurden die Lufteinträge umfangreicher und über das untere Ende der Prallplatte verwirbelt. Kleinere und mittlere Lufteinträge wurden in Richtung Austrittsöffnung mitbewegt und erreichten die Pumpe.

Für den vierten Versuchsdurchlauf wurde die Fallhöhe erhöht. Gestartet wurde mit einer Durchflussmenge von ca. 4 m³/h. Die Lufteinträge wurden dabei tief in das Wasser verwirbelt, aber größtenteils durch die Prallplatte zurückgehalten. Nur wenigste, kleinste Gasbläschen erreichten die Pumpe. Dann wurde die Durchflussmenge auf ca. 8 m³/h erhöht. Der Wasserstrahl traf dabei über den Wasserspiegel auf die Prallplatte. Das eintretende Wasser wurde senkrecht an der Prallplatte abgeleitet und mit den Lufteinträgen überwiegend im linken Teil des Beckens verwirbelt. Nur sehr geringe Mengen kleinerer Gaseinträge gelangten zur Pumpenzuleitung. Nach einer Erhöhung der Durchflussmenge auf ca. 12 m³/h prallte der Wasserstrahl bereits über dem Wasserspiegel von der Platte ab. Die Zahl kleinerer Lufteinträge, welche die Pumpenzuleitung erreichten, nahm dabei zu. 

Der fünfte Modellversuch erfolgte unter Einsatz der Prallplatte sowie einer Balkonkonstruktion bei geringer Fallhöhe. Der erste Durchlauf fand mit einer Durchflussmenge von ca. 4 m³/h statt. Hierbei zeigte sich, dass die Lufteinträge durch die Balkonkonstruktion auf der linken Seite der Prallplatte sofort wieder zurückgewirbelt wurden. Lufteinträge erreichten die Pumpenzuleitung dabei nicht. Nach einer Erhöhung der Durchflussmenge auf ca. 8 m³/h war das Ergebnis dasselbe: Auch die stärkeren Lufteinträge wurden durch den Balkon angefangen und blieben in der linken Beckenhälfte. Selbst bei einer Erhöhung der Durchflussmenge auf ca. 12 m³/h und der damit einhergehenden Steigerung der Lufteinträge änderte sich daran fast nicht. Nur sehr geringe Lufteinträge erreichten die Pumpe. 

Der sechste und letzte Versuchsdurchlauf erfolgte mit Prallplatte sowie Balkonkonstruktion bei großer Fallhöhe. Die Durchflussmenge betrug im ersten Versuchsdurchlauf ca. 4 m³/h. Dabei zeigte sich, dass die Lufteinträge zwar tief in das Wasser gelangten, durch die Prallplatte und die Balkonkonstruktion jedoch auf der linken Seite des Beckens zurückgehalten wurden. Bei einer Erhöhung auf eine Durchflussmenge von ca. 8 m³/h wurden die meisten Lufteinträge ebenfalls durch den Balkon abgefangen und verwirbelten im linken Teil des Beckens. Nur sehr geringe Mengen kleinerer Luftbläschen gelangten in den rechten Teil des Beckens mit der Pumpenzuleitung. Nach einer Erhöhung der Durchflussmenge auf ca. 12 m³/h wurden die Verwirbelungen durch den zurückgeworfenen Wasserstrahl stärker. Umfangreichere Lufteinträge blieben jedoch auch bei dieser Durchflussmenge dank des Balkons überwiegend auf der linken Seite des Beckens. 

Fazit des Modellversuchs „Lufteinträge“ 

Laufruhe und Leistung einer Pumpe können durch Lufteinträge negativ beeinflusst werden, wenn die Pumpe Luft ansaugt. In der Planung einer Pumpstation sollte daher der Eintrag von Luft oder auch anderen Gasen in das Medium unbedingt vermieden, bzw. minimiert werden. Lässt sich eine Höhendifferenz zwischen Rohrsohle und minimalem Wasserspiegel dabei nicht vermeiden, macht der hydraulische Modellversuch „Lufteinträge“ von KSB deutlich, dass sich durch Einsatz von Prallwänden und Balkonkonstruktionen Lufteinträge deutlich reduzieren lassen. 

Modellversuche bei KSB: Im Kleinen gedacht, im Großen gemacht! 

Grundsätzlich führt KSB immer dann Modelluntersuchungen an einem Objekt oder einem Vorgang durch, wenn technische oder wirtschaftliche Gründe gegen Messungen unter Originalbedingungen sprechen. Die experimentellen Untersuchungen ermöglichen es KSB, neue Potenziale zur Effizienzsteigerung in Pumpenanlagen aufzudecken.

Der hydraulische Modellversuch „Lufteinträge“ war nur einer von vielen Modellversuchen, die KSB durchgeführt hat. Erweitern Sie Ihr Fachwissen auch mit den Ergebnissen unserer weiteren hydraulischen Modellversuche zu Themen wie „Gaseinschlüsse“, „Bermenwinkel“ oder „Feststofftransport“.

Gut zu wissen: Bei der Planung, Durchführung und Auswertung aller Modellversuche sowie der Übertragung der Ergebnisse auf die originalgroße Maschine und/oder Original-Betriebsbedingungen werden die Ähnlichkeitsgesetze beachtet bzw. angewendet. Dazu gehören neben der Einhaltung der geometrischen Ähnlichkeit auch die Berücksichtigung von Längenänderungen durch elastische und thermische Verformungen, die Umrechnung der Versuchsergebnisse auf Basis der Modellgesetze, die Beachtung von Flüssigkeitseigenschaften und vieles mehr. 

Alles, damit aus einem Modellversuch am Ende eine konkrete Optimierung werden im täglichen Anlagenbetrieb kann!

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