Untersuchungen von aktiven Pulsationsdämpfern für ...stroemungsakustik.de/old.mv.fh-duesseldorf.de/d... · Aus der reibungsfreien stationären Gleichung von Bernoulli, wurde nun

Untersuchungen von

aktiven Pulsationsdämpfern

für Druckluft-Membranpumpen

Diplomarbeit

am Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik

Studiengang Konstruktionstechnik

der Fachhochschule Düsseldorf

in Zusammenarbeit mit der

Crane Process Flow Technologies GmbH Düsseldorf

Simon Schmidt

Erstprüfer: Prof. Dr.-Ing. F. Kameier

Fachhochschule Düsseldorf

Zweitprüfer: Dr.-Ing. J. Timmler

Crane Process Flow

Technologies GmbH Düsseldorf

Düsseldorf, Oktober 2005

Inhaltsverzeichnis 2

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................1

Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................4

Tabellenverzeichnis .........................................................................................................6

Abkürzungsverzeichnis ...................................................................................................7

1 Einleitung ..............................................................................................................8

2 Instationäre Strömung .........................................................................................9

3 Prüfeinrichtungen...............................................................................................12

3.1 Vorüberlegungen zum Prüfstand ..........................................................................12

3.2 Funktion und Eigenschaften von Druckluft-Membranpumpen............................12

3.3 Pulsationsdämpfer ................................................................................................15 3.3.1 Passiver Pulsationsdämpfer..................................................................................15 3.3.2 Aktiver Pulsationsdämpfer ...................................................................................16

3.4 Messgeräte ............................................................................................................17 3.4.1 Druckmessung ......................................................................................................17 3.4.2 Funktionsbeschreibung des piezoresistiven Druckmessumformer ......................18 3.4.3 Durchflussmessung...............................................................................................18 3.4.4 Funktionsbeschreibung des magnetisch-induktiven Durchflussmesser ...............20

3.5 Prüfstand ...............................................................................................................20 3.5.1 Prüfstand für gedrosselten Durchfluss..................................................................22 3.5.2 Prüfstanderweiterung für die Messreihe „Rohrleitung“ .......................................23 3.5.3 Prüfstanderweiterung für die Messreihe „Höhendifferenz“ .................................25

4 Messung und Auswertung .................................................................................27

4.1 Erklärung der Interpretation der Messergebnisse (ohne Pulsationsdämpfer).......27

4.2 Erklärung der Interpretation der Messergebnisse (mit Pulsationsdämpfer).........30

4.3 Messreihenplanung und Ergebnisse der Berechnungen.......................................34 4.3.1 Messreihenvergleich von „Höhendifferenz“, „Rohrleitung“ und „Drossel“

ohne Pulsationsdämpfer bei 7 bar Antriebsluftdruck. ..........................................40 4.3.2 Vergleich der Messreihen „Drossel“ ohne Pulsationsdämpfer bei einem

Arbeitsluftdruck der Pumpe von 3, 5 und 7 bar. ..................................................44 4.3.3 Vergleich der Messreihen „Rohrleitung“, „Höhendifferenz“ und „Drossel“

ohne, mit und mit optimiertem Pulsationsdämpfer bei einem Antriebsluftdruck der Pumpe von 7 bar. ..............................................................47

Inhaltsverzeichnis 3

5 Eindimensionale Abschätzung der instationären Drücke im Leitungssystem mit Druckluft-Membranpumpe und Pulsationsdämpfer. ...55

5.1 Berechnung von Lambda nach Colebrook-Withe. ...............................................55

5.2 Eindimensionale Abschätzung des Druckes der Druckluft-Membranpumpe. .....57

6 Vorschläge für weitere Untersuchungen..........................................................60

7 Zusammenfassung ..............................................................................................61

Literaturverzeichnis ......................................................................................................62

Erklärung .......................................................................................................................63

Abbildungsverzeichnis 4

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Pumpzyklus, Vorgang A ...........................................................................13 Abbildung 2: Pumpzyklus, Vorgang B............................................................................13 Abbildung 3: Pumpzyklus, Vorgang C............................................................................14 Abbildung 4: Pumpzyklus, Vorgang D ...........................................................................14 Abbildung 5: Schematisch dargestellter Pulsationsdämpfer ohne Trennmembrane. ......15 Abbildung 6: Schematische Darstellung eines Pulsationsdämpfers mit

Trennmembrane. ..................................................................................................16 Abbildung 7:Schnitt eines aktiven Pulsationsdämpfers. .................................................17 Abbildung 8: Piezoresistiver Druckmessumformer, Firma Jumo Typ 4AP-30. .............17 Abbildung 9: Magnetisch-induktiver Durchflussmesser, Firma Krohne Typ IFC 090

K Baugröße DN 10. .............................................................................................18 Abbildung 10: Prozentuale Fehler des Durchflussmessers (Firmenangaben). ................18 Abbildung 11: Diagramm, Prozentualer Fehler des Durchflussmessers. ........................19 Abbildung 12: Aufbau für die Kalibrierung des Durchflussmessers...............................19 Abbildung 13: Prinzipskizze des magnetisch- induktiven Durchflussmessers. ...............20 Abbildung 14: Anordnung der Druckumformer an den Pumpen. ...................................21 Abbildung 15: Umrüststellen des Durchflussmessers. ....................................................21 Abbildung 16: Prüfstandaufbau für gedrosselten Durchfluss..........................................22 Abbildung 17: Flussbild der Messreihe „Drossel“. .........................................................23 Abbildung 18: Prüfstanderweiterung der Messreihe „Rohrleitung“. ..............................24 Abbildung 19: Flussbild der Messreihe „Rohrleitung“. ..................................................24 Abbildung 20: Prüfstanderweiterung der Messreihe „Höhenmessung“. .........................25 Abbildung 21: Flussbild der Messreihe „Höhendifferenz“. ............................................26 Abbildung 22: Zeitverlauf des Druckes an der Druckseite der Pumpe ohne

Pulsationsdämpfer (Nr.12). ..................................................................................27 Abbildung 23: Zeitverlauf des saugseitigen Druckes der Pumpe ohne

Pulsationsdämpfer (Nr.12). ..................................................................................28 Abbildung 24: Zeitverlauf des Volumens troms [m3/h], Konfiguration ohne

Pulsationsdämpfer(Nr.12). ...................................................................................29 Abbildung 25: Zeitverlauf des Druckes an der Druckseite der Pumpe mit

Pulsationsdämpfer (Nr.15). ..................................................................................30 Abbildung 26: Zeitverlauf des saugseitigen Druckes der Pumpe mit

Pulsationsdämpfer (Nr.15). ..................................................................................31 Abbildung 27: Zeitverlauf des Volumenstrom [m3/h], Konfiguration mit

Pulsationsdämpfer (Nr.15). ..................................................................................32 Abbildung 28: Zeitverlauf des Luftdrucks von der Pumpe mit Pulsationsdämpfer

(Nr.15)..................................................................................................................33 Abbildung 29: Zeitlicher Verlauf des Volumenstroms [m3/h], Konfiguration ohne

Pulsationsdämpfer bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.3). .........................................40

Abbildungsverzeichnis 5

Abbildung 30: Zeitlicher Verlauf des Gegendrucks an der Druckseite der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.3)..................................41

Abbildung 31: Volumenstrom bei 7 bar Arbeitsluftdruck an der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer (Nr.12). ..................................................................................41

Abbildung 32: Zeitverlauf des Druckes an der Druckseite der Pumpe, ohne Pulsationsdämpfer und bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.12). ................................42

Abbildung 33: Zeitverlauf des Volumenstroms bei der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer mit 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.21). .......................................42

Abbildung 34: Zeitverlauf des Gegendruckes an der Druckseite der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.21). .......................................43

Abbildung 35: Zeitverlauf des Volumenstroms von der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer bei 3 bar Antriebsluftdruck (Nr.1). .......................................44

Abbildung 36: Druckseitig gemessener Zeitverlauf des Gegendruckes an der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer bei 3 bar Arbeitsluftdruck (Nr.1)..................................44

Abbildung 37: Darstellung des Zeitverlaufs vom Volumenstrom, Konfiguration ohne Pulsationsdämpfer bei 5 bar Arbeitsluftdruck (Nr.2)..................................45

Abbildung 38: Darstellung des Zeitverlaufs vom Gegendruck an der Druckseite der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer, bei 5 bar Arbeitsluftdruck (Nr.2).....................45

Abbildung 39: Zeitlich dargestellter Volumenstrom, Konfiguration ohne Pulsationsdämpfer bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.3). .........................................46

Abbildung 40: Zeitverlauf des Gegendruckes, Druckseite der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer, bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.3). ........................................46

Abbildung 41: Zeitverlauf des Volumenstroms bei der Pumpe mit Pulsationsdämpfer (Nr.6). ....................................................................................47

Abbildung 42: Zeitlich dargestellter Volumenstrom, Konfiguration mit Optimierung des Pulsationsdämpfers (Nr.9)........................................................48

Abbildung 43: Zeitverlauf von der Druckseite an der Pumpe mit Pulsationsdämpfer (Nr.6)....................................................................................................................48

Abbildung 44: Zeitverlauf des Gegendruckes an der Pumpe mit optimiertem Pulsationsdämpfer (Nr.9). ....................................................................................49

Abbildung 45: Zeitlicher Verlauf des Volumenstroms an der Pumpe mit Pulsationsdämpfer (Nr.15). ..................................................................................49

Abbildung 46: Zeitlich dargestellter Volumenstrom, Konfiguration mit Optimierung des Pulsationsdämpfers (Nr.18)......................................................50

Abbildung 47: Zeitverlauf des Druckes an der Druckseite der Pumpe mit Pulsationsdämpfer (Nr.15). ..................................................................................50

Abbildung 48: Zeitverlauf des Gegendruckes an der Pumpe mit optimiertem Pulsationsdämpfer(Nr.18). ...................................................................................51

Abbildung 49: Zeitverlauf des Volumenstroms, Konfiguration mit Pulsationsdämpfer (Nr.24). ..................................................................................51

Abbildung 50: Darstellung des Zeitverlaufs vom Volumenstrom, Konfiguration mit Optimierung des Pulsationsdämpfers (Nr.27)......................................................52

Abbildung 51: Darstellung des Zeitverlaufs vom Gegendruck, Versuchsaufbau mit Pulsationsdämpfer (Nr.24). ..................................................................................53

Abbildung 52: Zeitverlauf des Gegendruckes, Konfiguration mit Optimierung des Pulsationsdämpfers (Nr.27). ................................................................................53

Tabellenverzeichnis 6

Abbildung 53: Rohrreibungszahl für Rohre als Funktion der Reynoldszahl und der relativen Rauhigkeit nach Moody. .......................................................................55

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Übersicht der Messreihen für die Versuchsdurchführung..............................36 Tabelle 2: Ergebnisse der Berechnung, bei 3 bar Arbeitsluft. .........................................37 Tabelle 3: Ergebnisse der Berechnung, bei 5 bar Arbeitsluft. .........................................38 Tabelle 4: Ergebnisse der Berechnung, bei 7 bar Arbeitsluft. .........................................39

Abkürzungsverzeichnis 7

Abkürzungsverzeichnis

DMP Druckluft-Membranpumpe

PD Pulsationsdämpfer

Opti. Optimierung

Arbeitsl. Arbeitsluft (Druckluft)

Mess. Nr. Nummer der Messung

rel. Schwankung relative Schwankung

1 Einleitung 8

1 Einleitung

Druckluftbetriebene Membranpumpen finden durch ihre schonende Förderung von flüs-sigen wie auch pastösen Fördermedien in den verschiedensten Bereichen der Industrie ihren Einsatz (z.B. Farb- und Lackindustrie, Abwasserindus trie, Chemische Industrie). Sie sind trockenlaufsicher und bleiben bei geschlossener druckseitiger Rohrleitung, durch den sich aufbauenden Gegendruck, ohne Schädigung stehen. Des Weiteren liegen die Vorteile dieses Pumpentyps in der Bauweise, da das Fördermedium keiner Scherbe-anspruchung ausgesetzt wird und auch nicht mit Schmiermittel in Kontakt kommt.

Gegenstand dieser Diplomarbeit sind die Konstruktion und der Aufbau eines Prüfstan-des für Druckluft-Membranpumpen zur Untersuchung von Pulsationsdämpfer. Der Prüfstand soll es ermöglichen, verschiedene Betriebszustände zu fahren, um Optimie-rungsmöglichkeiten des Pulsationsdämpfers bezüglich der Ansteuerung von der Arbeits-luft zu überprüfen. Da der Pulsationsdämpfer mit derselben Zuleitung wie die Druck-luft-Membranpumpe angesteuert wird, liegt es nahe, die beiden Module einzeln anzu-steuern, um durch Variieren des Druckes am Pulsationsdämpfer eine Optimierung her-vorzurufen. An diesem Prüfstand werden Testmessungen der montierten Messtechnik und im weiteren Verlauf experimentelle Untersuchungen hinsichtlich einer Optimierung des Pulsationsdämpfers durchgeführt.

2 Instationäre Strömung 9

2 Instationäre Strömung

Ändert sich die örtliche Strömungsgeschwindigkeit mit der Zeit, so handelt es sich um instationäre Strömung. Verwendet man die Gleichung von Bernoulli der reibungsfreien, stationären Strömung wird diese mit einem Beschleunigungsglied erweitert.

Bernoulli-Gleichung für die stationäre Strömung.

22

22

11

21 *

2*

2zg

pczg

pc++=++

ρρ

Beschleunigungsglied für die Erweiterung zur instationären Strömung.

dstcs

s

*2

1

∫ ∂∂

Bernoulli-Gleichung für die reibungsfreie instationäre Strömung.

dstc

zgpc

zgpc s

s

**2

*2

2

1

22

22

11

21 ∫ ∂

∂+++=++

ρρ

mit:

c = AV&

V& = Volumenstrom

A = Querschnittsfläche

z = Höhe

p = Druck

c = Geschwindigkeit

s = Strecke

t = Zeit


Aus der reibungsfreien stationären Gleichung von Bernoulli, wurde nun eine reibungs-freie instationäre Strömung. Des weiteren sollten die Druckverluste, die durch Rohrrei-bung und Einbauten entstehen, berücksichtigt werden. Dieses wird durch Einfügen eines Verlustterms gewährleistet.

Verlustterm für die Erweiterung zur reibungsbehafteten instationären Strömung.

22

22

∗∗

+∗=∆

DcLcpv λζ

ρ

Verlust durch Einbauten.

2

2c∗ζ

Verlust durch Rohrreibung.

2

2

∗∗

∗D

cLλ

mit:

ζ = Widerstandsbeiwert (dimensionslose Kennzahl, Tabellenwert)

λ = Rohrreibungszahl (dimensionslose Kennzahl, Tabellen- Diagrammwert)

L = Länge

D = Durchmesser


Da zwischen Ein- und Austritt Energie durch eine Strömungsmaschine (Druckluft-Membranpumpe) zugeführt wird, ist auf der Eintrittsseite eine Druckenergie zu ergän-zen.

Druckenergie der Strömungsmaschine

ρ

pp∆

mit:

pp∆ = Druckdifferenz

Unter Berücksichtigung der zuvor genannten Einflüsse findet die erweiterte Bernoulli-Gleichung in folgender Form ihren Einsatz.

⇒∗

∗∗+∗+

∂∂

+++=∆

+++ ∫ 22**

2*

2

22

22

22

11

21

2

1D

cLcds

tc

zgpcp

zgpc s

s

p λζρρρ

⇒

++∂

∂∂

+++=∆

+++ ∫ 2****

2*

2

2

22

22

11

21

2

2

CDL

stc

zgpcp

zgpc s

s

p λζρρρ

ρρρρ

vp pds

dtdc

zgpcp

zgpc ∆

++++=∆

+++ **2

*2 2

222

11

21 ⇒

Anhand der folgenden umgestellten Form der erweiterten Bernoulli-Gleichung lassen sich die einzelnen einflussnehmenden Termen erkennen.

( )ρρρ

vp pds

tc

zzgppccp ∆

+∆∆

+−+−

+−

=∆

**2 12

1221

22

3 Prüfeinrichtungen 12

3 Prüfeinrichtungen

3.1 Vorüberlegungen zum Prüfstand

Bei der Planung des Prüfstandes steht die Mobilität der gesamten Anordnung im Vor-dergrund. Um die vorgenannten konstruktiven Bedingungen des Prüfstandes zu erfüllen, wurde der Prüfstand auf einem rollbahren Tisch montiert. Des weiteren wurde für alle saug- und druckseitigen Anschlüsse die Nennweite DN 25 gewählt, damit der Prüfstand als Grundeinheit für verschiedene Prüfsituationen einfach erweiterbar ist.

3.2 Funktion und Eigenschaften von Druckluft-Membranpumpen

Die im Rahmen der Untersuchung verwendeten druckluftgetriebenen Membranpumpen sind oszillierende Verdrängerpumpen. Diese gehören zu der Gruppe der Hubkolben-pumpen. Der Kolben wird aber durch eine aus Gummi bestehende Membran vertreten, wobei jeweils eine Membrane die zwei gegenüberliegenden Pumpenkammern vollstän-dig vom Antrieb trennt.

Die beiden Membranen sind durch eine Kolbenstange miteinander verbunden, so dass bei einem Hub, in der einen Pumpenkammer das Fördermedium angesaugt und bei der gegenüberliegenden Pumpenkammer nach außen gedrückt wird. Dabei wird das För-dermedium unterhalb der Pumpenkammer in das Gehäuse angesaugt und oberhalb der Pumpenkammer nach außen gedrückt. Der Prozess wird durch Druckluft bewirkt und durch ein 5/2-Wege-Ventil gesteuert, das durch die Endlage der Membran umgescha ltet wird. Die expandierte Luft wird über einen Schalldämpfer ins Freie geführt. Kugelvent i-le (4 Stück) sorgen für eine rückstromfreie Förderung von der Saugseite zur Druckseite.

Durch großzügige Dimensionierung der Förderkanäle wird das Fördermedium schonend gefördert und keiner Scherbelastung ausgesetzt.

Die vier untenstehenden Zeichnungen beschreiben den Ablauf eines kompletten Pump-zyklus bestehend aus einem Saug- und Druckhub einer leeren und gefüllten Druckluft-membranpumpe.


Vorgang A:

Durch das Füllen der rechten Luftkammer wird die rechte Membrane nach außen ge-schoben. Dadurch zieht die Kolbenstange die linke Membrane in die Ausgangsstellung. Die Ventilkugel (1) wird aus ihrer Lage angesaugt, das Medium fließt in die linke Pum-penkammer. Gleichzeitig wird die Ventilkugel durch den Unterdruck in ihrer Endstel-lung fixiert. Die linke Pumpenkammer füllt sich somit komplett mit dem Fördermedi-um.

Abbildung 1: Pumpzyklus, Vorgang A

Vorgang B:

Nach erfolgtem Umschalten des Steuerventils strömt Luft in die linke Luftkammer, die rechte Luftkammer wird entlüftet. Der Ansaugvorgang erfolgt jetzt (siehe Vorgang A) in der rechten Pumpenkammer: Medium wird angesaugt, Medium in der linken Pum-penkammer wird nach außen gedrückt. Die Ventilkugel (1) drückt nach unten, schließt und die Ventilkugel (2) öffnet den Weg für das Medium zum Druckausgang.

Abbildung 2: Pumpzyklus, Vorgang B


Vorgang C:

Der Vorgang “A“ des Ansaugens wiederholt sich mit dem Unterschied, dass sich bereits Medium in der rechten Pumpenkammer befindet. Durch das Umschalten des Steuerven-tils wird die rechte Luftkammer gefüllt, in der linken Pumpenkammer wird Medium angesaugt und in der rechten Pumpenkammer Medium verdrängt.

Abbildung 3: Pumpzyklus, Vorgang C

Vorgang D:

Dieser Ablauf wiederholt sich in umgekehrter Reihenfolge, wie unter Vorgang “C“ dar-gestellt. Linke Luftkammer füllt sich, Medium wird durch den Unterdruck in die rechte Pumpenkammer gesaugt, gleichzeitig wird der linken Pumpenkammer das Medium in die Druckle itung verdrängt.

Abbildung 4: Pumpzyklus, Vorgang D


3.3 Pulsationsdämpfer

Pulsationsdämpfer sind mit Gas (Umgebungsluft, Pressluft oder Stickstoff) gefüllte Be-hälter. Sie werden in die Rohrleitung der Förderanlage eingebaut. Dort speichern und entladen sie im Hubrhythmus der Pumpe einen Teil des Fördermediums. Dabei wird das Gaspolster abwechselnd komprimiert und entspannt. Saugseitig montiert sorgt ein Pul-sationsdämpfer für eine kontinuierlichere und kavitationsfreie Strömung des Förderme-diums. Druckseitig montiert glättet ein Pulsationsdämpfer die von oszillierenden Ver-drängerpumpen hervorgerufenen Einbrüche des Förderdrucks bzw. Förderstroms auf ein Minimum und sorgt somit auf der Druckseite für einen gleichmäßigeren Förderstrom.

3.3.1 Passiver Pulsationsdämpfer

Pulsationsdämpfer ohne Trennmembrane (Windkessel) beinhalten ein kompressibles Medium (Luft). Dieses Luftpolster befindet sich im Kessel oberhalb des Fördermedi-ums.

Bei dieser Bauart löst sich nach und nach die eingeschlossene Luft im Fördermedium. Dadurch muss der Behälter regelmäßig belüftet werden.

Abbildung 5: Schematisch dargestellter Pulsationsdämpfer ohne Trennmembrane.


Pulsationsdämpfer mit Trennmembran beinhalten ebenfalls ein kompressibles Medium, in diesem Fall aber ein Pressluft- oder Stickstoff-Polster. Die vom Druckpolster vorge-spannte Elastomer-Membrane trennt das Gas vom Fördermedium.

Abbildung 6: Schematische Darstellung eines Pulsationsdämpfers mit Trennmembrane.

Dieser Pulsationsdämpfer ist weitgehend wartungsfrei, da der Gasraum nur bei der Inbe-triebnahme gefüllt werden muss.

3.3.2 Aktiver Pulsationsdämpfer

Der im Rahmen der Untersuchung verwendete Pulsationsdämpfer ist ein aktiver Pulsa-tionsdämpfer. Die aktiven Pulsationsdämpfer eignen sich besonders gut für wechselnde Betriebszustände.

Das Fördermedium wird vom Druckpolster durch eine Membrane getrennt, die mit einer Kolbenstange verbunden ist. Die Kolbenstange ermöglicht durch integrierte Luftkanäle das Be- und Entlüften der Luftkammer. Diese Luftsteuerung wird durch die Membran-lage gesteuert.

Bei Druckanstieg des durchströmenden Fördermediums hebt sich die Membrane und komprimiert das Luftpolster in der Luftkammer (siehe Abbildung 7). Bei Absinken des Förderdruckes in der Rohrleitung wird die Membrane durch das Druckluftpolster nach unten gepresst und hält dadurch den Druck in der Rohrleitung nahezu konstant.

Wird der Druck in der Rohrleitung prozessbedingt erhöht oder gesenkt, passt sich der Druck in der Luftkammer durch eine interne Luftsteuerung automatisch an, in dem zu-sätzlich benötigter Luftdruck durch den Luftanschluss zugeführt wird oder überschüssi-ger Luftdruck über den Schalldämpfer entweicht.


Abbildung 7:Schnitt eines aktiven Pulsationsdämpfers.

3.4 Messgeräte

3.4.1 Druckmessung

Die Druckmessung und Einstellung der Arbeitsluft der beiden Druckluft-Membranpumpen geschieht an einer Aufbereitungseinheit, bestehend aus Filter, Ab-scheider, Druckreduzierventil und Manometer. Bei dem Pulsationsdämpfer erfolgt die-ses durch das installierte Druckreduzierventil mit integriertem Manometer. Alle anderen Druckmessungen werden mit piezoresistiven Druckmessumformer Typ 4AP-30 der Firma Jumo bewerkstelligt. Der Druckmessumformer hat eine Signalabweichung

< 0,5% von max. 25 bar. Daraus folgt eine absolute Abweichung von < 0,1bar.

Abbildung 8: Piezoresistiver Druckmessumformer, Firma Jumo Typ 4AP-30.

Membrane


3.4.2 Funktionsbeschreibung des piezoresistiven Druckmessumformer

Bei dem piezoresistiven Druckmessumformer wirkt der Druck des Messmediums auf eine Trennmembrane. Diese leitet den Druck über eine Flüssigkeit an die Silizium-membrane mit Widerstandsmessbrücke weiter. Die Widerstandsmessbrücke arbeitet nach dem piezoresistiven Effekt.

Durch den wirkenden Druck auf die Siliziummembrane wird die Messbrücke verstimmt und man erhält eine druckproportionale Ausgangsspannung (0-10V). Piezoresistive Druckmessumformer benötigen eine konstante Stromspeisung. Diese liefert ein Netzteil der Firma Voltkraft (Regulated DC Power Supply 24 V).

3.4.3 Durchflussmessung

Die Durchflussmessung des Fördermediums wurde mit dem magnetisch- induktiven Durchflussmesser, IFC 090 K Baugröße DN 10, der Firma Krohne durchgeführt. Der Durchflussmesser hat eine Messwertabweichung < 0,5% von max. 3,3m3/h. Daraus folgt eine absolute Abweichung von < 9,9l/h.

Abbildung 9: Magnetisch-induktiver Durchflussmesser, Firma Krohne Typ IFC 090 K Baugröße DN 10.

Abbildung 10: Prozentuale Fehler des Durchflussmessers (Firmenangaben).


F: max. Fehler in % V: Durchflussgeschwindigkeit in m/s

Abbildung 11: Diagramm, Prozentualer Fehler des Durchflussmessers.

Der in Abbildung 12 dargestellte Aufbau zeigt einen Vorschlag zur Kalibrierung eines Durchflussmessers. Der wesentliche Bestandteil des Aufbaus besteht aus Waage, Prüf-stand und Behältern.

Abbildung 12: Aufbau für die Kalibrierung des Durchflussmessers.

Grundlage des Vorgangs ist Masse pro Zeit. Der Durchflussmesser wird hierfür auf Ki-logramm pro Sekunde eingestellt. Die Waage wird samt Behälter auf Null justiert. Beim Befüllen ist darauf zu achten, dass der Schlauch nicht auf dem Behälter aufliegt und somit das Gewicht verfälscht. Die Zeit des Befüllens wird mit einer Uhr gemessen. Nun hat man Gewicht und Zeit des Füllvorgangs also Kg/s und kann diese mit der Anzeige des Durchflussmessers vergleichen.

Waage

Anzeige


3.4.4 Funktionsbeschreibung des magnetisch-induktiven Durchflussmesser

Der Durchflussmesser arbeitet nach dem magnetisch- induktiven Messprinzip. Dabei strömt die Flüssigkeit durch ein senkrecht zur Strömungsrichtung angelegtes Magne t-feld. In der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit wird aufgrund ihrer Bewegung eine Span-nung induziert, deren Amplitude proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit ist. Voraussetzung ist eine minimale Leitfähigkeit des Messmediums.

U = induzierte Spannung, B = Magnetfeld, V = mittlere Strömungsgeschwindigkeit, D = Rohrdurchmesser

Abbildung 13: Prinzipskizze des magnetisch- induktiven Durchflussmessers.

3.5 Prüfstand

Beim Aufbau des Prüfstandes wurde Wert auf die Variabilität der Prüfeinrichtung ge-legt. Die Grundeinheit besteht aus zwei Pumpenanordnungen mit dazugehöriger Mess-einrichtung. Damit Vergleiche hinsichtlich der Pumpe, der Pulsationsdämpfung und der optimierten Pulsationsdämpfung möglich sind, wurde eine Pumpe druckseitig mit einem Pulsationsdämpfer ausgestattet.

An dem Prüfstand wurden fünf Druckmessumformer montiert. Jeweils einer an der Saugseite, und an der Druckseite der Pumpe sowie einer in der Arbeitsluft der Pumpe mit dem Pulsationsdämpfer (siehe Abbildung 14).


Abbildung 14: Anordnung der Druckumformer an den Pumpen.

Der am Prüfstand montierte magnetisch- induktive Durchflussmesser besitzt eine flexib-le Leitung. Die an die flexible Leitung montierte Schlauchtülle ermöglicht ein schnelles Umrüsten (siehe Abbildung 15). Deswegen ist der Durchflussmesser ohne großen Mon-tageaufwand für verschiedene Pumpen einsetzbar.

Abbildung 15: Umrüststellen des Durchflussmessers.

Druckseite

Saugseite

Arbeitsluft

Umrüststellen

(Durchflussmesser)


3.5.1 Prüfstand für gedrosselten Durchfluss

Bei der Messreihe mit gedrosseltem Durchfluss wurde saugseitig an der Pumpe ein Schlauch mit der Nennweite DN 25 montiert. Damit der Schlauch ein freies Ansaugen des Fördermediums gewährleistet, wurde er dementsprechend im Auffangbehälter mit Gewichten justiert.

Das ausströmende Fördermedium wird mit einem baugleichen Schlauch in den Auf-fangbehälter geleitet (Abbildung 16).

Der Durchsatz des Fördermediums wird mit einem 3/8“ Kugelventil gedrosselt (siehe Abbildung 16).

Abbildung 16: Prüfstandaufbau für gedrosselten Durchfluss.

g

Drossel


Abbildung 17: Flussbild der Messreihe „Drossel“.

3.5.2 Prüfstanderweiterung für die Messreihe „Rohrleitung“

Bei der Prüfstanderweiterung für diese Messreihe wurde die Installation des saugseit i-gen Anschlusses beibehalten (siehe Kapitel 2.5.1 – 1. Absatz).

Die beiden Rohre mit der Nennweite DN 25 sind mit einer zweiteiligen Verschraubung und zwei Bögen miteinander verschraubt. Der Prüfstand ist mit einem Schlauch der Nennweite DN 25 mit der Rohrleitung verbunden (siehe Abbildung 18).

Das aus der Rohrleitung ausströmende Fördermedium wird mit einem baugleichen Schlauch in den Auffangbehälter geleitet (Abbildung 18).


Abbildung 18: Prüfstanderweiterung der Messreihe „Rohrleitung“.

Abbildung 19: Flussbild der Messreihe „Rohrleitung“.

Angesaugt

Auslass


3.5.3 Prüfstanderweiterung für die Messreihe „Höhendifferenz“

Bei dieser Messreihe besteht die Prüfstanderweiterung aus einer Steigleitung und einem H T-Rohr. Das aus dem Auslass strömende Fördermedium leitet das H T-Rohr in den Auffangbehälter zurück. Die Steigleitung besteht aus einem Rohr mit Nennweite DN 25, zwei Bögen und einem Schlauch mit Nennweite DN 25. Der Schlauch verbindet den Prüfstand mit der Steigleitung, die Bögen bilden den Auslass und leiten das Förderme-dium in das Fallrohr (siehe Abbildung 20).

Auch bei dieser Prüfstanderweiterung wurde die Installation des saugseitigen Anschlus-ses beibehalten (siehe Kapitel 2.5.1 – 1. Absatz).

Abbildung 20: Prüfstanderweiterung der Messreihe „Höhenmessung“.

Auslass

Steigleitung Fallrohr


Abbildung 21: Flussbild der Messreihe „Höhendifferenz“.

2.

1.

4 Messung und Auswertung 27

4 Messung und Auswertung

4.1 Erklärung der Interpretation der Messergebnisse (ohne Pulsationsdämpfer)

Das nachfolgende Messprotokoll Nr.12 (Abbildung 22, 23, 24) dient exemplarisch der Auswertung der Messungen ohne Pulsationsdämpfer.

Der Prüfstand ist, wie im Kapitel 2 beschrieben, mit zwei Druckluft-Membranpumpen ausgestattet, eine Druckluft-Membranpumpe mit und eine ohne Pulsationsdämpfer.

Der für Druckluft-Membranpumpen typische Pumpzyklus wird in den Messprotokollen der Messungen ohne Pulsationsdämpfer deutlich erkennbar. Das charakteristische des Pumpzyklus der Druckluft-Membranpumpen wird durch das Umschalten des 5/2-Wege-Ventils hervorgerufen. Beim Umschalten stehen die Membranen für einen kurzen Au-genblick, bevor sie ihre Bewegung in entgegengesetzter Richtung weiter führt. Durch den Richtungswechsel (siehe auch Kapitel 2.2) der Membrane kommt das Fördermedi-um in der Rohrleitung ins Stocken. Dabei entsteht der oszillierende Förderstrom. Dieses Verhalten wird in dem Messprotokoll bei den aufgezeichneten Kurven ersichtlich.

Druckseite der Pumpe

Abbildung 22: Zeitverlauf des Druckes an der Druckseite der Pumpe ohne Pulsations-dämpfer (Nr.12).

Die in Abbildung 22 dargestellte Kurve zeigt die Druckschwankungen im Förderstrom druckseitig der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer. Bei jedem Umschalten des 5/2-Wege-Ventils fällt der Druck im Fördermedium, aber bei jedem zweiten Umschalten weniger

Pumpzyklus

Umschalten des Ventils 1.

2.


als beim vorherigen Umschalten. Dieses kann durch die unterschiedlichen Einbauten in den beiden Pumpenkammern erklärt werden.

Saugseite der Pumpe

Abbildung 23: Zeitverlauf des saugseitigen Druckes der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer (Nr.12).

Der in Abbildung 23 dargestellte Druckverlauf zeigt das Ansaugverhalten der Druck-luft-Membranpumpe. Auch beim Ansaugen sind die durch das Umschalten hervorgeru-fenen Druckschwankungen unterschiedlich ausgeprägt.

Die erste Druckschwankung im Pumpzyklus steigt an und fällt dann wieder. Es entsteht ein kurzzeitiger Überdruck in der Saugleitung. In der Abbildung 22 ist an dieser Stelle im Diagramm zu erkennen, dass der Druck in der druckseitigen Leitung nahezu gegen Null geht. Das Medium wird also langsamer gefördert. Da der Förderstrom in der ge-samten Leitung aber noch in Bewegung ist, verursacht die Massenträgheit einen Anstieg des Druckes, der nahezu dem Druck auf der Druckseite entspricht. Die Förderung er-folgt somit durch die Trägheit der in der Leitung befindlichen Masse.

Das schnellere zweite Umschalten im Pumpzyklus führt zu einer sichtbaren Druckspitze und einer Unterdruckspitze siehe Abb.23. Dies wird ebenfalls durch die Massenträgheit hergerufen, die einerseits die Förderstrombewegung versucht aufrecht zuhalten (Druck-spitze) und anderseits muss die Wassersäule wieder beschleunigt werden (Unterdruck-spitze).

Pumpzyklus

Umschalten des Ventils

1. 2.


Im Diagramm Abbildung 24 ist der Durchfluss dargestellt. Im Gegensatz der beiden piezoresistiven Druckmessumformer wurde der magnetisch-induktive Durchflussmesser nicht unmittelbar an die Druckluft-Membranpumpe montiert (siehe Abbildung 14). Als Verbindung zwischen der Pumpe und dem Durchflussmesser dient ein flexibler Schlauch. Da ein Schlauch aber nicht starr wie eine Rohrleitung aus Metall ist, nimmt dieser den Druckimpuls auf und gibt ihn verzögert ab.

Die Bewegung des Schlauches verursacht eine Zeitverzögerung des betrachtenden Pumpzyklus auf der Zeitachse des Diagramms. Bei Außerachtlassen des zuvor genann-ten, würde der Pumpzyklus mit den zuvor betrachteten Abbildungen 22 und 23 nicht übereinstimmen und eine korrekte Deutung unmöglich machen.

Dieser Fehler kann durch eine feste Rohrleitung vermieden werden. Dabei sollte keine Zeitverzögerung mehr auftreten.

Durchfluss der Pumpe

Abbildung 24: Zeitverlauf des Volumenstroms [m3/h], Konfiguration ohne Pulsations-dämpfer(Nr.12).

Bei der Abbildung 24 Zeitverlauf des Volumenstroms, Konfiguration ohne Pulsations-dämpfer ist übereinstimmend mit den Druckschwankungen der vorherigen Diagrammen (Abbildung 22,23) der größere Einbruch von der Kurve im Messzyklus beim ersten Umschalten zu erkennen. Dementsprechend hat die Kurve beim zweiten Umschalten 5/2-Wege-Ventils auch den geringen Einbruch. Dadurch steigt die Kurve im Vergleich zu ersten Umschalten danach auch höher an.

verschobener Zyklus


1. 2.

Pumpzyklus


4.2 Erklärung der Interpretation der Messergebnisse (mit Pulsationsdämpfer)

Das nachfolgende Messprotokoll Nr.15 (Abbildung 25-27) dient exemplarisch für die Auswertung der Messungen mit Pulsationsdämpfer.

Der für Druckluft-Membranpumpen typische Pumpzyklus ist in den Messprotokollen der Messungen mit Pulsationsdämpfer noch erkennbar. Da der Pulsationsdämpfer aber den größten Teil der Druckschwankungen im Fördemedium herausnimmt (siehe auch Kapitel 3.3), zeigen die Kurven in den Diagrammen im Vergleich zu den vorherigen einen Unterschied. Auch das charakteristische des Pumpzyklus bei den Messungen mit Pulsationsdämpfer wird durch das Umschalten des 5/2-Wege-Ventils hervorgerufen. Durch den Richtungswechsel (siehe auch Kapitel 3.2) der Membrane fällt der Förder-strom in der Rohrleitung trotz des Pulsationsdämpfers kurzzeitig ab. Deswegen entsteht auch bei Förderung mit Pulsationsdämpfer ein oszillierender Förderstrom. Dieses Ver-halten wird in dem Messprotokoll aus den aufgezeichneten Kurven ersichtlich.

Druckseite der Pumpe

Abbildung 25: Zeitverlauf des Druckes an der Druckseite der Pumpe mit Pulsations-dämpfer (Nr.15).

Mit Pulsationsdämpfer sind die Druckschwankungen im Förderstrom überwiegend ge-ringer, welches der in Abbildung 25 dargestellte Druckverlauf zeigt. Bei jedem Rich-tungswechsel der Membrane fällt der Druck im Fördermedium und auch bei jedem zweiten Umschalten weniger als beim vorherigen Umschalten.

Pumpzyklus


1. 2.


Saugseite der Pumpe

Abbildung 26: Zeitverlauf des saugseitigen Druckes der Pumpe mit Pulsationsdämpfer (Nr.15).

Abbildung 26 zeigt das Ansaugverhalten der Druckluft-Membranpumpe mit Pulsations-dämpfer. Auch beim Ansaugen sind die durch das Umschalten hervorgerufenen Druck-schwankungen unterschiedlich ausgeprägt.

Bei der ersten Druckschwankung im Pumpzyklus steigt die Kurve steil an und fällt dann stufenweise ab. Es entsteht in der Saugleitung ein kurzzeitiger Überdruck. In der Abbil-dung 25 ist an dieser Stelle im Diagramm zu erkennen, dass druckseitig ein Einbruch im Druck entsteht. Daraus lässt sich schließen, dass es zum Rückstau kommt. Da der För-derstrom in der gesamten Leitung aber noch in Bewegung ist, behält er seine Massen-trägheit bei und verursacht somit den kurzzeitigen Überdruck. Die Förderung erfolgt somit durch die Trägheit der in der Leitung befindlichen Masse.

Abbildung.25 (Druckseite) zeigt an der zweiten Stelle im Pumpzyklus einen weicheren Druckabfall. Somit ist an dieser Stelle saugseitig die Druckschwankung nach dem Um-schalten deutlich geringer.

Pumpzyklus


1. 2.


Die in Abbildung 27 dargestellte Kurve zeigt die zeitliche Schwankung des Förder-stroms. Auch für den Aufbau bei den Messungen mit Pulsationsdämpfer dient ein fle-xibler Schlauch als Verbindung zwischen der Pumpe und dem Durchflussmesser (siehe Abbildung 15).

Aus den in Kapitel 4.1 genannten Gründen muss der hierbei zu betrachtende Pumpzyk-lus auf der Zeitachse des Diagramms zeitlich versetzt sein. Ist dies nicht der Fall, wird der zu betrachtende Messzyklus mit den vorherigen Abbildungen 25 und 26 nicht über-einstimmen und eine korrekte Deutung ausschließen.

Durchfluss der Pumpe

Abbildung 27: Zeitverlauf des Volumenstrom [m3 /h], Konfiguration mit Pulsations-dämpfer (Nr.15).

Bei dem in der Abbildung 27 dargestellten Zeitverlauf des Volumenstroms [m3/h], Kon-figuration mit Pulsationsdämpfer ist übereinstimmend mit den Druckschwankungen der vorherigen Diagramme (Abbildung 25,26) der größere Einbruch von der Kurve im Messzyklus beim ersten Umschalten zu erkennen. Dementsprechend hat die Kurve beim zweiten Umschalten des 5/2-Wege-Ventils auch den geringen Einbruch. Dieser Ein-bruch ist durch den Einsatz vom Pulsationsdämpfer geringer und die Kurve steigt im Vergleich zum ersten Umschalten auch höher an.

Messzyklus


1. 2.

Pumpzyklus


Arbeitsluft der Pumpe

Abbildung 28: Zeitverlauf des Luftdrucks von der Pumpe mit Pulsationsdämpfer (Nr.15).

Die Abbildung 28 zeigt den zeitlichen Verlauf des Drucks von der Arbeitsluft für die Druckluft-Membranpumpe mit Pulsationsdämpfer. Wie im Fördermedium ist auch der Anstieg vom Druck in der Arbeitsluft beim ersten Umschalten höher und fällt nach dem Umschalten stärker ab. Bei dem zweiten Umschaltvorgang steigt die Druckschwankung nicht so hoch und fällt nicht so stark ab.

Pumpzyklus


1. 2.


4.3 Messreihenplanung und Ergebnisse der Berechnungen

Druckluft-Membranpumpen werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt (z.B. Farb- und Lackindustrie, Abwasserindustrie, Chemische Industrie).Um dieses bei den Mes-sungen zu berücksichtigen, wurden unterschiedliche Versuche durchgeführt (siehe Tab.1 Übersicht der Messreihen für die Versuchsdurchführung).

Die Messreihen werden untereinander verglichen, damit die Effektivität von dem Pulsa-tionsdämpfer hinsichtlich der Einstellung der Arbeitsluft ersichtlich wird.

Für einen objektiven Vergleich der Messungen wurde „die relative Schwankung“ als ein Maß für die Pulsation eingeführt. Die relative Schwankung stellt die Standardabwei-chung dividiert durch den Gleichanteil dar.

?rel. = v

n

ivtv

q

qqn ∑

=

−1

2)( )(

1

mit:

?rel. = relative Schwankung

)( tvq = Durchfluss

vq = Gleichanteil Messdaten

? t Messdaten << ? t Pumpzyklus

Die relative Schwankung stellt den Effektivwert dar. Mathematisch gesehen ist der Ef-fektivwert das Integral über das Quadrat der sinusförmigen Druckschwankung im För-derstrom während einer Periodendauer. Wenn der maximale Ausschlag (peak) oder

auch Scheitelwert gesucht wird, muss der Effektivwert mit 2 multipliziert werden. Bei der absoluten Schwankung, also vom höchsten bis zum niedrigsten Ausschlag (peak to peak), wird der Sche itelwert mit zwei multipliziert.

Beispiel: Ausgehend von 1 m³/h und eine relative Schwankung 2 %.

1000 l/h ± 20 l/h 1 m³/h ± 0,02 m³/h

Bei der absoluten Schwankung (peak to peak)

1 m³/h ± 0,02 m³/h 1 m³/h ± 0,028 m³/h ?ppp von 0,056 m³/h


Der Druck der Arbeitsluft des Pulsationsdämpfers entspricht im normalen Betrieb der Arbeitsluft von der Pumpe, da beide Module über die gleiche Druckleitung angesteuert werden.

Bei allen drei Messreihen wurde die Arbeitsluft von der Druckluft-Membranpumpe auf jeweils 3 bar, 5 bar und 7 bar eingestellt. Bei dem Pulsationsdämpfer wurde die Arbeits-luft entsprechend der Messung auch auf jeweils 3 bar, 5 bar und 7 bar eingestellt. Ein-ziege Ausnahmen sind die Messungen, bei denen eine Optimierung von dem Pulsati-onsdämpfer durch einen anderen Druck der Arbeitsluft hervorgerufen werden soll. Hierbei wurde der Arbeitsdruck am Pulsationsdämpfer auf 2 bar, 4 bar und 5,5 bar ein-gestellt. Bei der Messreihe „Drossel“ wurde der Durchfluss auf 1 [m3/h], 1,5 [m3 /h] und 3 [m3/h] reduziert.


Tabelle 1: Übersicht der Messreihen für die Versuchsdurchführung

Nr. Prüfstand Messreihe Arbeitsl. DMP [bar] Arbeitsl.PD [bar] Durchfluss [m3/h]1 DMP Drossel 3 12 DMP Drossel 5 1,53 DMP Drossel 7 24 DMP + PD Drossel 3 3 15 DMP + PD Drossel 5 5 1,56 DMP + PD Drossel 7 7 27 DMP + PD Drossel 3 2 18 DMP + PD Drossel 5 4 1,59 DMP + PD Drossel 7 5,5 2

10 DMP Rohrleitung 311 DMP Rohrleitung 512 DMP Rohrleitung 713 DMP + PD Rohrleitung 3 314 DMP + PD Rohrleitung 5 515 DMP + PD Rohrleitung 7 716 DMP + PD Rohrleitung 3 217 DMP + PD Rohrleitung 5 418 DMP + PD Rohrleitung 7 5,519 DMP Höhendifferenz 320 DMP Höhendifferenz 521 DMP Höhendifferenz 722 DMP + PD Höhendifferenz 3 323 DMP + PD Höhendifferenz 5 524 DMP + PD Höhendifferenz 7 725 DMP + PD Höhendifferenz 3 226 DMP + PD Höhendifferenz 5 427 DMP + PD Höhendifferenz 7 5,5

DMP ?

PD ?

Arbeitsl. ?

Druckluft-MembranpumpePulsationsdämpfer

Arbeitsluft (Druckluft)Optimierung

Die Übersicht der Messreihen für die Versuchsdurchführung ist von 1 bis 27 durchnu-meriert. Anhand dieser Nummerierung lässt sich im Vergleich der einzelnen Messreihen jede Versuchsdurchführung wieder finden. Der Messreihenplan gibt Aufschluss über den Aufbau und die Einstellungen der Versuche.


Die Werte der Messungen von dem Durchfluss )( tvq und die Messprotokolle der Mes-

sungen finden sich im Anhang dieser Arbeit wieder. Nur die Ergebnisse der Berechnun-gen sind tabellarisch dargestellt.

Die nachfolgenden Tabellen zeigen die Ergebnisse des Gleichanteils vq (Mittelwert),

die relative Schwankung ?rel. und die absolute Schwankung (peak to peak) für die Mes-sungen mit 3 bar, 5bar und 7bar Arbeitsluft.

Tabelle 2: Ergebnisse der Berechnung, bei 3 bar Arbeitsluft.

Prüfstand Mess. Nr.Gleichanteil rel.Schwankung absolute Schwankung

in [m³/h] in % ± in % (p to p)Drossel 1 1,0 1,7 4,8Rohrleitung 10 2,1 3,0 8,5Höhendifferenz 19 1,9 4,3 12,0





DMP

DMP+PD

DMP+PD+Opti.

Bei 3 bar Arbeitsluft

0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,5

DMP DMP + PD DMP+PD+Opti.

rel.

Sch

wan

kun

g in

%

Drossel

Rohrleitung

Höhendifferenz









DMP

DMP+PD

DMP+PD+Opti.


0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0


rel.

Sch

wan

kun

g in

%

Drossel

Rohrleitung

Höhendifferenz









DMP

DMP+PD

DMP+PD+Opti.


0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0


rel.

Sch

wan

kun

g in

%

Drossel

Rohrleitung

Höhendifferenz


4.3.1 Messreihenvergleich von „Höhendifferenz“, „Rohrleitung“ und „Drossel“ ohne Pulsationsdämpfer bei 7 bar Antriebsluftdruck.

„Drossel“

Abbildung 29: Zeitlicher Verlauf des Volumenstroms [m3/h], Konfiguration ohne Pulsa-tionsdämpfer bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.3).

Bei der Abbildung 29 zeigt der zeitliche Verlauf des Volumenstroms einen lang gezo-gen Pumpenzyklus. Nur jeder zweite Einbruch des Volumenstroms weist ein deutliches Absenken auf. Bei dieser Messung wurde eine relative Schwankung von 4,61 % be-rechnet.


„Drossel“

Abbildung 30: Zeitlicher Verlauf des Gegendrucks an der Druckseite der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.3).

In der Abbildung 30, die den Zeitverlauf des Gegendruckes an der Druckseite der Pum-pe zeigt, ist dieser Effekt des gedrosselten Durchflusses auch zu erkennen. Der Druck ist hoch und die Unterdruckspitzen sinken nicht bis auf null ab. Die Zwischenräume der Unterdruckspitzen sind groß und relativ gleichmäßig. Dieses wird durch den geringeren Durchfluss hervorgerufen.

„Rohrleitung“

Abbildung 31: Volumenstrom bei 7 bar Arbeitsluftdruck an der Pumpe ohne Pulsati-onsdämpfer (Nr.12).

In dem Volumenstrom bei 7 bar Arbeitsluftdruck an der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer (Abbildung 31) würde man rein optisch im Vergleich zur Abbildung 28 eine größere relative Schwankung vermuten. Diese geschieht dadurch, dass der Volumenstrom in der Abbildung 29 glatter und lang gezogener wirkt. Bei der Betrachtung von den Ergebnis-sen der Berechnung stellt sich aber heraus, dass die relative Schwankung 4,54 % beträgt und somit um 0,07 % kleiner ist.


„Rohrleitung“

Abbildung 32: Zeitverlauf des Druckes an der Druckseite der Pumpe, ohne Pulsations-dämpfer und bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.12).

Abbildung 32 stellt den Druckverlauf an der Druckseite der Pumpe dar. Hier ist zu er-kennen, dass im Vergleich zur Abbildung 30 jede zweite Druckspitze bis fast gegen Null abfällt. Dieses hängt mit dem in der Rohrleitung frei strömenden Fördermedium zusammen. Dadurch kann sich die Massenträgheit im Fördermedium entfalten. Auch die Intervalle der Druckspit zen sind kleiner, sowie die dazugehörigen Zwischenräume. Dieses wird durch den im Vergleich zur Messung „Drossel“ größeren Durchfluss her-vorgerufen.

„Höhedifferenz“

Abbildung 33: Zeitverlauf des Volumenstroms bei der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer mit 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.21).

Im Zeitverlauf des Volumenstroms (Abbildung 33) bei der Pumpe ohne Pulsations-dämpfer ist ersichtlich, dass hier von den drei verglichenen Messreihen die größte rela-


tive Schwankung herrscht. Auch die Volumenstromeinbrüche sind deutlich tiefer. Die-ses wird auch bei der Be trachtung von den Ergebnissen der Berechnung klar. Denn die relative Schwankung ist mit 5,6 % größer als bei den beiden vorherigen Messungen. Das liegt im Vergleich zur Messung Nummer 3 an den nicht gedrosselten Förderstrom. Denn durch den gedrosselten Durchfluss und den dadurch höheren Gegendruck wirkt der zeitliche Verlauf des Volumenstroms in der Abbildung 29 glatter und lang gezoge-ner. Die Druckluft-Membranpumpe fördert im Unterschied zu den beiden Messungen (Nr.12, 21) das Medium langsamer.

„Höhendifferenz“

Abbildung 34: Zeitverlauf des Gegendruckes an der Druckseite der Pumpe ohne Pulsa-tionsdämpfer bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.21).

Die Abbildung 34 zeigt den Zeitverlauf des Gegendruckes an der Druckseite der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer. In dem hier dargestellten Zeitverlauf ist der Druck niedriger als in der Abbildungen 30. Des weiteren ähnelt dieser eher dem der Messreihe „Rohrlei-tung“, da bei diesen beiden das Fördermedium ungedrosselt ausströmt. Bei diesen bei-den Messungen wirkt die Massenträgheit des Mediums in der Rohrleitung. Dadurch fallen die Unterdruckspitzen von dem Zeitverlauf des Gegendruckes bis fast gegen Null ab.


4.3.2 Vergleich der Messreihen „Drossel“ ohne Pulsationsdämpfer bei einem Arbeitsluftdruck der Pumpe von 3, 5 und 7 bar.

„Drossel“

Abbildung 35: Zeitverlauf des Volumenstroms von der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer bei 3 bar Antriebsluftdruck (Nr.1).

Der in Abbildung 35 dargestellte Zeitverlauf des Volumenstroms von der Druckluft-Membranpumpe hat einen Gleichanteil von 1[m³/h] und eine relative Schwankung von 1,7 %. Das bedeutet, dass die Pumpe im unteren Arbeitsbereich und mit gedrosseltem Förderstrom relativ pulsationsarm fördert

„Drossel“

Abbildung 36: Druckseitig gemessener Zeitverlauf des Gegendruckes an der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer bei 3 bar Arbeitsluftdruck (Nr.1).

Der Verlauf des Gegendruckes an der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer bei 3 bar An-triebsluftdruck spiegelt das Vorgenannte wider. Denn auch hier sind die Druckeinbrü-


che relativ klein. Im Vergleich zu den nachfolgenden Zeitverläufen ist der Abstand zwi-schen den Einbrüchen groß. Daran lässt sich die durch den gedrosselten Zustand lang-sam laufende Druckluft-Membranpumpe erkennen.

„Drossel“

Abbildung 37: Darstellung des Zeitverlaufs vom Volumenstrom, Konfiguration ohne Pulsationsdämpfer bei 5 bar Arbeitsluftdruck (Nr.2).

In der Abbildung 37, Darstellung des Zeitverlaufs vom Volumenstrom ist jeder zweite Einbruch des Graphen tiefer als der vorherige. Dieses kann durch geringe Unterschiede der Einbauten in den beiden Pumpenkammern verursacht werden. Beim vorherigen Zeitverlauf des Volumenstroms bei 3 bar wird dieses nicht direkt ersichtlich.

„Drossel“

Abbildung 38: Darstellung des Zeitverlaufs vom Gegendruck an der Druckseite der Pumpe ohne Pulsationsdämpfer, bei 5 bar Arbeitsluftdruck (Nr.2).


Abbildung 38, die den Zeitverlaufs des Gegendruckes an der Druckseite der Druckluft-Membranpumpe darstellt, zeigt auch hier, dass jeder zweite Einbruch des Druckes im Fördermedium tiefer abfällt, als der vorherige Druckabfall. Dieses ist wahrscheinlich wegen der niedrigen Antriebsluft von 3 bar und des gedrosselten Förderstroms in der Abbildung 36 nicht zuerkennen.

„Drossel“

Abbildung 39: Zeitlich dargestellter Volumenstrom, Konfiguration ohne Pulsations-dämpfer bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.3).

Der in Abbildung 39 Zeitlich dargestellter Volumenstrom zeigt den durch die beiden Pumpenkammern hervorgerufenen unterschiedlichen Schwankungen im Förderstrom am deutlichsten. Denn im Vergleich zur Messung 1 und 2 herrscht hier mit 4,6 % die größte Pulsation. Deswegen lässt sich bei diesem Graphen der Einbruch, bei jedem zweiten Umschalten des 5/2-Wege-Ventils im Förderstrom gut erkennen.

„Drossel“

Abbildung 40: Zeitverlauf des Gegendruckes, Druckseite der Pumpe ohne Pulsations-dämpfer, bei 7 bar Arbeitsluftdruck (Nr.3).


Die Druckschwankungen im Zeitverlauf des Gegendruckes in der Abbildung 40 sind wesentlich größer als bei den Messungen 1 und 2. Das hängt mit dem höheren Antriebs-luftdruck von der Druckluft-Membranpumpe zusammen. Der höhere Antriebsluftdruck sorgt für eine größere Taktzahl, die Membrane bewegt sich schneller und somit wird ein höherer Fördervolumenstrom erzeugt. Der Einbruch durch das Umschalten des Steuer-ventils wird dadurch größer.

4.3.3 Vergleich der Messreihen „Rohrleitung“, „Höhendifferenz“ und „Drossel“ ohne, mit und mit optimiertem Pulsationsdämpfer bei einem Antriebsluftdruck der Pumpe von 7 bar.

„Drossel“

Abbildung 41: Zeitverlauf des Volumenstroms bei der Pumpe mit Pulsationsdämpfer (Nr.6).

Bei dem Zeitverlauf des Volumenstroms, Konfiguration mit Pulsationsdämpfer (Abbil-dung 41) ist eine deutliche Reduzierung der Pulsation im Volumenstrom ersichtlich. Die Einbrüche im Förderstrom sind im Vergleich zu der Messung ohne Pulsationsdämpfer (Abb. 39) wesentlich geringer. Die relative Schwankung ist mit 1,9 % über die Hälfte kleiner geworden.


„Drossel“

Abbildung 42: Zeitlich dargestellter Volumenstrom, Konfiguration mit Optimierung des Pulsationsdämpfers (Nr.9).

Im Zeitverlauf des Volumenstroms (Abbildung 42) bei der Pumpe mit Optimierung des Pulsationsdämpfers beträgt die relative Schwankung 2,2 %. Im Gegensatz zu der regulä-ren Ansteuerung des Pulsationsdämpfers (Abb. 41) ist hier beim zweiten Umscha lten des 5/2-Wege-Ventils ein geringerer Einbruch des Förderstroms zu erkennen.

„Drossel“

Abbildung 43: Zeitverlauf von der Druckseite an der Pumpe mit Pulsationsdämpfer (Nr.6).

In der Abbildung 43 sind die Unterdruckspitzen im Vergleich zur Abbildung 39 runder und sinken nicht bis auf null ab. Sie sind auch im Bereich des Anstiegs und des Sinkens weniger steil, wodurch die Druckschwankungen im Fördermedium sanfter sind. Die Unterdruckspitzen sind bei jedem zweiten Umschalten des Steuerventils ungefähr im Druckbereich des ersten Umschaltens. In den Zwischenräumen haben sich die kleineren Druckschwankungen geglättet.


„Drossel“

Abbildung 44: Zeitverlauf des Gegendruckes an der Pumpe mit optimiertem Pulsations-dämpfer (Nr.9).

In der Abbildung 44, die den Zeitverlauf druckseitig der Pumpe mit optimiertem Pulsa-tionsdämpfer zeigt, sind die Unterdruckspitzen bei jedem zweiten Umschalten des 5/2-Wege-Ventils kleiner. Die Steigung des An- und Abstiegs der Unterdruckspitzen ist geringer. Die Zwischenräume der Unterdruckspitzen weisen im Vergle ich zu der Abbil-dung 43 weniger Druckschwankungen auf.

„Rohrleitung“

Abbildung 45: Zeitlicher Verlauf des Volumenstroms an der Pumpe mit Pulsations-dämpfer (Nr.15).

Der Zeitverlauf des Volumenstroms an der Pumpe mit Pulsationsdämpfer (Abb.45) weist eine relative Schwankung von 3,5 % auf. Somit pulsiert hier der Förderstrom nicht so stark wie in der Abbildung 31 (Nr.12). Auch bei dem Versuchaufbau „Rohrlei-tung“ sorgt der Pulsationsdämpfer für sanftere Druckschwankungen im Fördermedium.


Ebenso wie bei der Messung „Drossel“(Nr.6) ist hier beim zweiten Umschalten des Steuerventils ein geringerer Einbruch im Förderstrom.

„Rohrleitung“

Abbildung 46: Zeitlich dargestellter Volumenstrom, Konfiguration mit Optimierung des Pulsationsdämpfers (Nr.18).

Im Zeitverlauf des Volumenstroms bei der Pumpe mit Optimierung des Pulsations-dämpfers (Abb. 46) ist eine Glättung der Kurve erzielt worden. Bei diesem Messzyklus ist im Vergleich zur Abbildung 44 beim zweiten Umschalten des 5/2-Wege-Ventils der Einbruch im Förderstrom kleiner. Auch die relative Schwankung von 3,3 % ist kle iner und deutet somit auf eine Verbesserung des Förderverhaltens der Pumpe hin.

„Rohrleitung“

Abbildung 47: Zeitverlauf des Druckes an der Druckseite der Pumpe mit Pulsations-dämpfer (Nr.15).

Die Abbildung 47 zeigt den Zeitverlauf des Gegendruckes an der Druckseite der Pumpe mit Pulsationsdämpfer. Im Gegensatz zur Abbildung 31 sinken die Unterdruckspitzen


hier nicht bis auf Null ab. Bei den Zwischenräumen haben sich die kleineren Druck-schwankungen geglättet. In der Konfiguration mit Pulsationsdämpfer sind die bei jedem zweiten Umschalten des Steuerventils kleineren Unterdruckspitzen abgerundet, wo-durch die Schwankung im Förderstrom nicht so abrupt ist. Auch die Neigung des Druckabfalls ist geringer als bei der Abbildung 32 (Nr.12).

„Rohrleitung“

Abbildung 48: Zeitverlauf des Gegendruckes an der Pumpe mit optimiertem Pulsations-dämpfer(Nr.18).

Im Druckverlauf an der Pumpe mit optimiertem Pulsationsdämpfer sind im Vergleich zur Abbildung 47 alle Druckspitzen abgerundet. Die Einbrüche von dem Verlauf des Gegendruckes sind deutlich kleiner geworden. Durch die veränderte Ansteuerung des Pulsationsdämpfers hat sich die Steigung von dem An- und Abstieg der Unterdruckspit-zen vorteilhaft verändert.


Abbildung 49: Zeitverlauf des Volumenstroms, Konfiguration mit Pulsationsdämpfer (Nr.24).


In Abbildung 49 ist ersichtlich, dass die Schwankungen im Förderstrom durch den Pul-sationsdämpfer geringer ausfallen. Die im Vergleich zur Abbildung.33 (Nr.21) bei je-dem zweiten Richtungswechsel der Membrane tief abfallenden Schwankungen sind hier geringer. Auch die Volumenstromeinbrüche beim vorherigen Umschalten sind deutlich kleiner geworden. Bei der Messung mit Pulsationsdämpfer liegt die berechnete relative Schwankung bei 4,2 %.


Abbildung 50: Darstellung des Zeitverlaufs vom Volumenstrom, Konfiguration mit Op-timierung des Pulsationsdämpfers (Nr.27).

Im Zeitverlauf des Volumenstroms, Konfiguration mit Optimierung des Pulsations-dämpfers (Abb. 50), ist übereinstimmend mit den vorherigen Diagrammen (Abb. 42,46) eine Verminderung der Volumenstromeinbrüche zu erkennen. Im Vergleich zur Abbil-dung.49 (Nr.24) ist der Zeitverlauf vom Volumenstrom mit der Optimierung glatter. Die Einbrüche sind nicht so stark und wirken durch ihre geringere Steigung lang gezogener. Dieses bestätigt auch der kleinere Zahlenwert von 3,9 % relative Schwankung.



Abbildung 51: Darstellung des Zeitverlaufs vom Gegendruck, Versuchsaufbau mit Pul-sationsdämpfer (Nr.24).

In dem Zeitverlauf des Gegendruckes, Versuchsaufbau mit Pulsationsdämpfer Abb. 50, fallen die Unterdruckspitzen im Vergleich zur Abbildung 34 nicht bis Null. Die Unter-druckspitzen sind bei jedem zweiten Umschalten des Steuerventils runder und kleiner. In den Zwischenräumen haben sich die kleineren Druckschwankungen geglättet. Und die Neigung der Kurve bei dem Druckabfall ist geringer als bei der Abbildung 34 (Nr.21).


Abbildung 52: Zeitverlauf des Gegendruckes, Konfiguration mit Optimierung des Pul-sationsdämpfers (Nr.27).

Mit der Optimierung des Pulsationsdämpfers sind die Druckschwankungen im Förder-strom wesendlich geringer, welches der in Abbildung 52 dargestellte Druckverlauf zeigt. Sie sind auch im Bereich des Anstiegs und des Sinkens weniger steil, wodurch die


Druckschwankungen im Fördermedium sanfter sind. Des weiterem sind die Druckspit-zen bei jedem Umschalten des 5/2-Wege-Ventils kleiner geworden.

5 Eindimensionale Abschätzung der instationären Drücke im Leitungssystem mit Druckluft-Membranpumpe und Pulsationsdämpfer. 55

5 Eindimensionale Abschätzung der instationären Drücke im Leitungssystem mit Druckluft-

Membranpumpe und Pulsationsdämpfer.

Grundlage für die Abschätzung der instationären Drücke im Leitungssystem ist die in Kapitel 2 vorgestellte Theorie. Hierzu wurde die Messung Nr.6 exemplarisch ausge-wählt. Der Aufbau wurde bereits im Kapitel 3.5 beschrieben.

5.1 Berechnung von Lambda nach Colebrook-Withe.

Die Grenze zwischen laminarer und turbulenter Strömung hängt nicht allein vom Vo-lumenstrom, sondern von einer dimensionslosen Kennzahl (Reynoldszahl) ab. Die Rey-noldszahl ist eine Kombination aus Volumenstrom, Rohrdurchmesser, und kinemati-scher Zähigkeit. Üblicherweise setzt man statt des Volumenstroms die mittlere Strö-mungsgeschwindigkeit ein.

Den Verlauf von Lambda für laminare und turbulente Strömungszustände zeigt das un-ten dargestellte Diagramm (Moody). Nach Moody lassen sich folgende Strömungsbe-reiche unterscheiden. Im laminaren Bereich ist Re < 2300, im laminar-turbulenten Ü-bergangsbereich ist 2300 < Re < 5000 und im turbulenten Bereich ist Re > 5000.

Für den gesamten turbulenten Bereich gilt das Übergangsgesetz von Colebrook-Withe: 2

27,0Re

51,2lg2

−

+

∗−=

Dε

λλ

Abbildung 53: Rohrreibungszahl für Rohre als Funktion der Reynoldszahl und der rela-tiven Rauhigkeit nach Moody.


Da Lambda im Übergangsgesetz von Colebrook-Withe in der rechten Seite der Formel als Unbekannte auftaucht, muss es durch eine iterative Berechnung herausgefunden werden. Dabei nähert man sich schrittweise in wiederholten Rechengängen der exakten Lösung.

Um eine Iteration in Excel durchzuführen wird ein Zirkelbezug durch den Befehl WENN eingeleitet. Wenn sich eine Formel direkt oder indirekt auf ihre eigene Zelle rückbezieht, wird dieses von Microsoft Excel als Zirkelbezug bezeichnet. Sofern die Standardeinstellungen für Iterationen nicht geändert werden, beendet Excel die Berech-nung nach 100 Iterationsschritten oder wenn sich alle Werte in dem Zirkelbezug zwi-schen zwei Iterationen um einen Betrag von weniger als 0,001 ändern, je nachdem, wel-cher Fall zuerst eintritt. Standardmäßig führt Microsoft Excel bei Formeln automatisch eine Neuberechnung durch, wenn sich die Werte der zugrunde liegenden Ze llen ändern.

Des weiteren „klickt“ man in der Menüleiste das Feld Extra/ Optionen/ Berechnung an. In dem Menüfenster Berechnung wird dann durch ein Häkchen die Iteration aktiviert.

d 0,025 mdc 0,01 mL 1 mcmittel 7,14 m/spSchätzwert/1000 550 N/m²p0/1000 100 N/m²t 1,4 s

0,69 1/sf 1,45Epsilon 1,50E-04 m Eisenrohr/galvanisierter Überzug (Rauhigkeit)

Nue 1,00E-06 m2/s Viskosität (20°C)Zeta 1,1 Widerstandsbeiwert/DruckverlustzahlLambda 0,045 Rohrreibungszahl (Moody)Epsilon/d 0,015 für MoodyRe=cmit.*d/? 178500 für Moody

c Re Lambda Iteration7,1691 179227,7 0,03258

((p_Schätzwert-(SIN( *t))+((SIN( *t+f ))^2)-(p_Schätzwert)+(p_0)-((Zeta+(Lambda_Moody*(L/d)))*((C_mittel^2)/2)))*2)^0,5

c*d/Nue(-2*LOG((2,51/(Re*(WENN(Lambda=0;0,045;Lambda))^0,5))+(0,27*Epsilon/d)))^-2


5.2 Eindimensionale Abschätzung des Druckes der Druckluft-Membranpumpe.

Bei dem Zeitverlauf von der Pumpe mit Pulsationsdämpfer (Messung Nr.6) ist der stati-sche Druck (PTheoretisch) als Funktion p = p(t) blau dargestellt. Da dieser Kurvenverlauf rechnerisch erstellt wurde, ist er regelmäßiger als der bei der Messung aufgezeichnete Verlauf. Diese Unregelmäßigkeit des Kurvenverlaufes hat mehrere Hintergründe. Zum ersten sind die Pumpe und der Pulsationsdämpfer kein Uhrwerk. Sie werden mit Druck-luft betrieben. Des weiteren sind die Membranen keine starren Bauteile, denn sie beste-hen aus Gummi. Wollte man den Kurvenverlauf regelmäßiger haben, wären lange Mit-telungen notwendig. Wie man aber in dem Zeitverlauf erkennen kann, erfüllt die Funk-tion zwischen Theorie und Praxis ihren Zweck. Denn mit dieser einfachen theoretischen Beschreibung lässt sich durch Austauschen einiger Parameter das Verhalten des Dru-ckes im Leitungssystem erkennen.


d 0,025 mdc 0,01 mL 1 mcmittel 7,14 m/spSchätzwert/1000 500 N/m²p0/1000 100 N/m²


Nue 1,00E-06 m2/s Viskosität (20°C)Zeta 1,1 Widerstandsbeiwert/DruckverlustzahlLambda 0,045 Rohrreibungszahl (Moody)Epsilon/d 0,015 für MoodyRe=cmit.*d/? 178500 für Moody

c Re Lambda Iteration7,169 179225,9 0,03258

((p_Schätzwert-(SIN( *t))+((SIN( *t+f ))^2)-(p_Schätzwert)+(p_0)-((Zeta+(Lambda_Moody*(L/d)))*((C_mittel^2)/2)))*2)^0,5


ptheoretisch= (p_0+(p_Schätzwert-(SIN( *t)*75)+((SIN( *t+f ))^2)*75)-((C_mittel^2)/2)-(Zeta+Lambda*(L/d))*(C_mittel^2)/2)*1000/10^5

Zeitverlauf an der Druckseite der Pumpe mit Pulsationsdämpfer (Messung Nr.6).

0

1

2

3

4

5

6

7

P_theoretisch

Bei der eindimensionalen Abschätzung der instationären Drücke im Leitungssystem wurden einmal der Durchmesser, die Leitungslänge und der Widerstandsbeiwert verän-dert. Dadurch, dass die Kurve eine Funktion von ppumpe = f(t) ist, verschiebt sie sich hin-sichtlich ihres Offsets. Aus diesem Hintergrund wird auch die Periodizität nicht beein-flusst.


d 0,025 mdgewählt 0,075 mdc 0,01 mL 1 mLgewählt 5,5 mcmittel 7,14 m/spSchätzwert/1000 500 N/m²p0/1000 100 N/m²


Nue 1,00E-06 m2/s Viskosität (20°C)Zeta 1,1 Widerstandsbeiwert/DruckverlustzahlZetagewählt 1,9Lambda 0,045 Rohrreibungszahl (Moody)Epsilon/d 0,015 für MoodyRe=cmit.*d/? 178500 für Moody

c Re Lambda Iteration c_2 Re_2 Lambda_27,169 179225,9 0,03258 10,610 795744,6 0,02361

((p_Schätzwert-(SIN( *t))+((SIN( *t+f))^2)-(p_Schätzwert)+(p_0)-((Zeta+(Lambda_Moody*(L/d)))*((C_mittel^2)/2)))*2)^0,5


pTheoretisch = (p_0+(p_Schätzwert-(SIN( * t )*75)+((SIN( *t+f))^2)*75)-((C_mittel^2)/2)-(Zeta+Lambda*(L/d))*(C_mittel^2)/2)*1000/10^5

instationäre Drücke im Leitungssystem

0

1

2

3

4

5

6

7

0 10 20 30 40

t [s]

p [b

ar]

theoretisch

d_gewählt

L_gewählt

Zeta_gewählt

6 Vorschläge für weitere Untersuchungen 60

6 Vorschläge für weitere Untersuchungen

Im Verlauf der Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass dieses Thema sehr interes-sant und noch nicht voll ausgeschöpft ist. Denn durch eine optimierte Ansteuerung der Druckluft für den Pulsationsdämpfer ist eine Verbesserung des Produkts kostengünstig zu erzielen, weil dafür keine Veränderung des Pulsationsdämpfers erforderlich ist. Das bedeutet, dass keine Mehrkosten durch Neuentwicklung, Veränderung der Produktion, der Fertigung und der Montage anfallen. Aus diesen Gründen folgen noch einige Vor-schläge für weitere Untersuchungen.

Es wäre möglich, eine Prüfstandsverbesserung zu erreichen. Dieses ließe sich realisie-ren, indem die Schlauchverbindung zwischen den Druckluft-Membranpumpen und dem Durchflussmesser durch eine starre Verbindung (Rohr) ersetzt wird. Das gleiche gilt auch für die Schlauchverbindung bei der Prüfstandserweiterung für die Messreihen „Höhendifferenz“ und „Rohrleitung“ zwischen dem Prüfstand und dem Rohr. Diese Gedanken reiften während der Ausarbeitung der Messergebnisse. Da die Anlieferung der dafür notwendigen Materialien und die Montage samt der neuen Versuchsdurchfüh-rung zu zeitaufwändig gewesen wären, finden sich die Vorschläge hier wieder. Wenn diese Änderungen durchgeführt sind, könnte überprüft werden, ob es sinnvoll ist, den Ein- und Auslass ebenfalls durch eine starre Leitung zu ersetzen.

Eine weitere Veränderung wäre bei der Durchmesserwahl der Leitung und des Durch-flussmessers möglich. Um die Kosten gering zu halten, wurde im Rahmen dieser Dip-lomarbeit, da es sich in dieser Weise um die ersten Messungen handelte, die Datenerfas-sung mit dem schon vorhandenen Durchflussmesser realisiert.

Für die Optimierung des Pulsationsdämpfers sollten hinsichtlich der Arbeitsluft andere Drücke ausprobiert werden. Ebenfalls sollte man, um eine Verminderung der Pulsation im Förderstrom zu erreichen, den nächst größeren Pulsationsdämpfer versuchsweise wählen. Der Versuchsaufbau „Drossel“ könnte kombiniert werden mit dem Ver-suchsaufbau „Rohrleitung“, so dass eine Drossel am Auslass der Rohrleitung montiert wird. Dadurch ließen sich die beiden dabei entstehenden Messreihen miteinander ver-gleichen. Da es sich in diesem Rahmen um die Entwicklung, dem Aufbau und um die ersten Messdaten handelte, sind diese Vorschläge für weitere Untersuchungen gedacht.

Eine Rohrleitung mit sehr großem Durchmesser kann bei weiteren Untersuchungen ver-nachlässigt werden, da die Strömungsgeschwindigkeit verkleinert wird. Dagegen kann eine Rohrleitung mit kleinem Durchmesser einen starken Einfluss von Reibung in der Leitung hervorrufen. Dadurch kommt der Effekt von der Drosselung vermischt mit ei-ner langen Leitung zustande.

7 Zusammenfassung 61

7 Zusammenfassung

Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde ein Prüfstand für Druckluft-Membranpumpen aufgebaut und in Betrieb genommen. Der Prüfstand ermöglicht es, Untersuchungen an aktiven Pulsationsdämpfern durchzuführen. Durch den Ver-suchsaufbau werden die fluid- und luftseitigen Drücke sowie der Volumenstrom erfasst.

Die Verarbeitung der elektrischen Messsignale erfolgt computerunterstützt mit Hilfe des Messwerterfassungsprogramms Next View lighte. Mit Hilfe dieses Messsystems ist eine Interpretation der Arbeitsweise von dem Pulsationsdämpfer gelungen.

Die Hauptaufgabe der Diplomarbeit bestand in der Untersuchung des aktiven Pulsati-onsdämpfers. Hierzu wurden die Messreihen „Drossel“, „Höhendifferenz“ und „Rohr-leitung“ durchgeführt. Ein Bestandteil war die Erprobung von Optimierungen des Pulsa-tionsdämpfers hinsichtlich der Antriebsluft.

Dabei zeigte sich, dass es durch eine Optimierung der Arbeitsluft gelungen ist, eine Verminderung von bis zu 3,2 % der absoluten Schwankung des Volumenstroms zu er-reichen.

Anhand des umgestellten instationären, eindimensionalen Ansatzes unter Vorgabe eines periodischen Druckverlaufs für Pumpe oder Pumpe und Pulsationsdämpfer wurden die einzelnen Einfluss nehmenden Terme für die relative Schwankung ersichtlich.

Bei den Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass die relative Schwankung des Vo-lumenstroms bei dem Versuchsaufbau „Höhendifferenz“ bis zu 1,3 % größer ausfiel als bei dem Versuchsaufbau „Rohrleitung“ und bei dem Versuchsaufbau „Rohrleitung“ wiederum bis zu 2,3 % höher als bei dem Versuchsaufbau „Drossel“.

Des weiteren ist im gedrosseltem Förderstrom erst ab 5bar Steuerluftdruck an der Druckluft-Membranpumpe eine sichtbare Pulsation zu erkennen.

Literaturverzeichnis 62

Literaturverzeichnis

Bohl, W., Technische Strömungslehre, Vogel-Verlag, 12. Aufl. 2002

Kameier, Skript Strömungsmaschinen, 1999

H. Schade, E. Kunze , Strömungslehre, W. de Gruyter , 2. Aufl. 1989

M. K. Juchheim, Produktinformation, Druckmessumformer Typ 4AP-30

Crane Process Flow Technologies GmbH, Produktinformation, Druckluft-Membranpumpen Bedienungsanleitung

Krohne, Produktinformation, Messumformer für magnetisch- induktive Durchflussmes-ser IFC 090 K

Dax, Gundelfinger, Häffner, Itschner, Kotsch, Staniczek, Tabellenbuch für Metall-technik, Verlag Handwerk und Technik,6. Aufl. 1994

Hoischen, Technisches Zeichen, Cornelsen Verlag, 27 Aufl. 1999

Crane Process Flow Technologies GmbH, Produktinformation, Druckluft-Membranpumpen

Allaos, Produktinformation, Pulsationsdämpfer

Böswirth, L., Technische Strömungslehre, Vieweg Verlag, 2. Aufl. 1995

Wagner, W., Strömung und Druckverlust, Vogel-Verlag, 5. Aufl. 2001

Erklärung 63

Erklärung

Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich die vorgelegte Diplomarbeit selbständig an-gefertigt und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel und ausschließlich die im Literaturverzeichnis angegebenen Schriften benutzt habe.

Ort, Datum Unterschrift

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Untersuchungen von aktiven Pulsationsdämpfern für ...stroemungsakustik.de/old.mv.fh-duesseldorf.de/d... · Aus der reibungsfreien stationären Gleichung von Bernoulli, wurde nun