Packo Pumpenakademie

Der Betrieb einer Kreiselpumpe basiert auf den Zentrifugalkräften, die entstehen, wenn sich eine Flüssigkeit in einem Gehäuse mit hoher Geschwindigkeit dreht. Der Aufbau einer Kreiselpumpe bedeutet grundsätzlich immer, dass sich ein Laufrad in einem Pumpengehäuse dreht. Die Flüssigkeit im Laufrad wird von den Laufradschaufeln mitgeführt und dreht sich mit. Da eine Radialkraft auf die Flüssigkeit nach außen ausgeübt wird, ist der Druck an der Außenseite des Laufrads größer als in der Mitte.

Wenn die Flüssigkeit am Auslass der Pumpe abfließen kann, wird der im Pumpengehäuse freigesetzte Raum mit Flüssigkeit aus dem Laufrad gefüllt. Das Fluid im Laufrad bewegt sich von der Mitte nach außen und in der Mitte des Laufrads wird Platz freigesetzt, der von neu angesaugter Fluid aus dem Pumpeneinlass besetzt ist. Daher befindet sich der Einlass einer Kreiselpumpe immer in der Mittellinie des Laufrads.

Im Laufrad dreht sich die Flüssigkeit mit den Schaufeln mit hoher Geschwindigkeit. Es tritt somit rotierend um die Achse der Pumpe in das Pumpengehäuse ein. Wenn sich die Flüssigkeit vom Laufrad zur Außenseite des Pumpengehäuses bewegt, wird sie bei dieser Kreisbewegung sanft verlangsamt. Diese Verlangsamung sorgt für zusätzlichen Druck auf das Wasser, wodurch der Druck noch weiter erhöht wird. In der Wissenschaft heißt es, dass dynamischen in statischen Druck umgewandelt wird. Damit diese Bremsung einerseits so energieeffizient wie möglich erfolgt und andererseits die über den gesamten Umfang des Laufrads austretende Flüssigkeit gesammelt wird, vergrößert sich der Strömungsbereich im Pumpengehäuse zum Auslass hin . Wir sagen, dass das Pumpengehäuse eine Schneckenhausform hat.

Der Außendurchmesser des Laufrads bestimmt, welche Förderhöhe (Druck) eine Pumpe bei einer bestimmten Drehzahl erzeugt. Die Größe des Zuflusses des Laufrads (Einlass der Pumpe), die Höhe der Schaufeln und der Durchflussbereich des Pumpengehäuses sind aufeinander abgestimmt und bestimmen, bei welchem Durchfluss die Pumpe energieeffizient arbeitet. Beispielsweise ist eine Pumpe mit einem schmalen (flachen) Laufrad mit einem großen Durchmesser eine Pumpe, die hauptsächlich Druck mit einer kleinen Durchflussrate erzeugt, und eine Pumpe mit einer hohen Schaufel, deren Einlassdurchmesser im Verhältnis zum Außendurchmesser des Laufrads groß ist, ist eine Pumpe, die hauptsächlich bei mittlerem Druck viel Durchfluss liefert.

Die Pumpwirkung wird bei einer Drehkolbenpumpe durch die gegenläufige Drehung zweier Rotoren innerhalb eines Rotorgehäuses erzeugt. Die Rotoren sind auf Wellen montiert, deren Lauf durch Zahnräder synchron gehalten wird, so dass die Rotoren sich nicht berühren. Das Spiel zwischen den Rotoren untereinander, sowie dem Rotorgehäuse beträgt nur wenige hundertstel Millimeter, um die Effizienz so hoch wie möglich zu halten.
Beim Vorbeilaufen der Rotoren an der Einlassöffnung vergrößert sich der erzeugte Hohlraum, wodurch ein Druckabfall entsteht, der das Fördermedium in das Rotorgehäuse strömen lässt. Der Hohlraum rotiert um den Außendurchmesser des Rotorgehäuses und bewegt die Flüssigkeit vom Ein- zum Auslass. Beim Vorbeilaufen der Rotoren an der Auslassöffnung wird der Hohlraum zwischen den Rotoren komprimiert und die Flüssigkeit wird in den Auslass gedrückt.

Der Zweck einer Pumpe besteht darin, den Druck in der Flüssigkeit zu erhöhen. Die Flüssigkeit tritt mit niedrigem Druck in den Einlass der Pumpe ein. Während des Durchflusses des Laufrads wird der Druck durch die Zentrifugalkräfte erhöht. Während der Verlangsamung der Umfangsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Pumpengehäuse wird ein zusätzlicher Schub erzeugt, der den Druck weiter erhöht.

Nun ist es so, dass beim Eintritt in das Laufrad immer einige Verluste auftreten, teilweise weil die Flüssigkeit, die sich zu diesem Zeitpunkt noch nicht dreht, mit den Laufradschaufeln kollidiert, die sich selbst bereits mit hoher Geschwindigkeit drehen. Diese Verluste sorgen dafür, dass der Druck beim Eintritt in das Laufrad zunächst etwas abfällt und dann im Laufrad und weiter im Pumpengehäuse erhöht wird. Die Größe dieses Druckabfalls beim Eintritt in das Laufrad wird als NPSH-Wert (Net Positive Suction Head) bezeichnet. Der NPSH-Wert wird durch die Qualität des Pumpendesigns und auch durch den Betriebspunkt der Pumpe bestimmt. Je weniger Energieverluste beim Eintritt in das Laufrad auftreten, je niedriger der NPSH-Wert, desto besser wurde die Pumpe ausgelegt.

Diese Verluste beim Eintritt in das Laufrad sind vor allem hinsichtlich der Energieeffizienz nachteilig und verursachen einen geringen Wirkungsgradverlust der Pumpe. Darüber hinaus haben sie manchmal einen viel größeren Nachteil: Sie können Kavitation verursachen.

Das Zusammenspiel von Druck und Temperatur bestimmt, ob ein Medium flüssig ist oder kocht und zu Dampf wird. Wir alle wissen, dass Wasser bei Atmosphärendruck siedet, wenn wir es auf 100°C erhitzen. Andererseits können wir auch Wasser von z.B. 95°C in einem geschlossenen Raum zum Sieden bringen, wenn wir den Luftdruck über der Flüssigkeitsoberfläche senken, also ein Vakuum erzeugen. Der Mindestdruck, unter dem ein Medium gehalten werden muss, um es bei einer bestimmten Temperatur flüssig zu halten, wird als Dampfdruck dieser Flüssigkeit bei dieser Temperatur bezeichnet.

Wenn wir jetzt anfangen, dieses Wasser von 95 ° C zu pumpen, wissen wir bereits, dass beim Eintritt in das Laufrad ein Druckabfall auftritt. Wenn dieser Druckabfall groß ist (Pumpe mit hohem NPSH-Wert), kann es durchaus sein, dass der Druck am Einlass des Laufrads unter den Dampfdruck des Wassers fällt und das Wasser an diesem Punkt spontan kocht und somit zu Dampf wird. Wir sagen, die Pumpe kavitiert. Bei einer besser ausgelegten Pumpe mit einem niedrigeren NPSH-Wert ist der Druckabfall am Einlass geringer, der Druck fällt nie unter den Dampfdruck, das Wasser kocht nicht und diese besser ausgelegte Pumpe kavitiert nicht.

Kavitation ist ein Phänomen mit vielen nachteiligen Auswirkungen. Dieses spontane Sieden der Flüssigkeit am Einlass der Pumpe verursacht zunächst einmal Lärm und Vibrationen, aber das Schlimmste ist zweifellos, dass die Kapazität der Pumpe verloren geht. Im Einlauf des Laufrads bildet sich eine Dampfblase, die nur sehr schwer entweichen kann. Der Dampf ist leichter als die Flüssigkeit und wird durch die Zentrifugalkräfte immer wieder zum Zentrum der Pumpe zurückgedrückt, bis schließlich die Dampfblase den Durchfluss der Flüssigkeit behindert. Da mehr Raum im Laufrad mit dem leichteren Dampf gefüllt wird, verliert die Pumpe auch an Förderhöhe, da die Zentrifugalkräfte auf den leichten Dampf geringer sind als auf die schwerere Flüssigkeit.

Scherung ist der Geschwindigkeitsunterschied zwischen 2 Schichten in der Flüssigkeit. Der Grad der Scherung wird durch die Schergeschwindigkeit ausgedrückt, die den Geschwindigkeitsgradienten in der Flüssigkeit darstellt. Wenn 2 Flüssigkeitsschichten, die 1 m voneinander entfernt sind, einen Geschwindigkeitsunterschied von 1 m / s aufweisen, liegt zwischen diesen beiden Schichten eine Schergeschwindigkeit von 1 / s in der Flüssigkeit vor.

Sobald sich eine Flüssigkeit in Bewegung befindet, entsteht eine Scherung. Die Geschwindigkeit ist niemals für jedes Flüssigkeitströpfchen gleich, daher gibt es immer eine relative Bewegung eines Tröpfchens gegenüber dem anderen, wodurch Scherung erzeugt wird. Selbst bei einem sogenannten Pfropfenfluss bildet sich eine Scherung an der Wand, da diese Wand stationär ist oder sich schneller als die Flüssigkeit bewegt und somit die Flüssigkeit verlangsamt oder mitreißt.

In Pumpen gibt es bewegliche Teile sowie stationäre Gehäuse. In Anbetracht des geringen Abstands zwischen den beweglichen Teilen und dem Gehäuse entwickelt sich in der Flüssigkeit zwischen ihnen ein großer Geschwindigkeitsgradient oder eine hohe Schergeschwindigkeit. Die Strömung verursacht auch Scherungen in den Zu- und Abflussrohren, wenn auch eine geringere.

Scherung kann nicht vermieden werden und ist an sich kein Problem. Manchmal ist sogar ein hohes Maß an Scherung wünschenswert. In einer Pumpe mit hoher Scherung wird beispielsweise eine hohe Schergeschwindigkeit erzeugt, um Emulsionen oder Dispersionen zu bilden, oder im Allgemeinen, um Flüssigkeiten, die schwer ineinander zu lösen sind, mehr oder weniger stabil zu mischen.

Der Einfluss der Scherung auf die Mikrostruktur eines Fluids ist jedoch nicht immer positiv oder wünschenswert. Scherung kann beispielsweise auch empfindliche Flüssigkeiten beschädigen. Aufgrund der Scherbeanspruchung zwischen den Flüssigkeitsteilchen wirken sich viele komplexe Flüssigkeiten auch auf die Viskosität der Flüssigkeit aus.

Flüssigkeiten, deren Viskosität nicht von der Schergeschwindigkeit beeinflusst wird, werden als Newtonsche Flüssigkeiten bezeichnet. Sie sind typischerweise chemisch einfache Flüssigkeiten: Wasser, Öl, Zuckerlösungen, ...

Bei viel komplexeren Flüssigkeiten (Zubereitungen) nimmt die Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit ab. Diese Flüssigkeiten werden als thixotrop bezeichnet. Sobald die Schergeschwindigkeit abnimmt, steigt die Viskosität wieder an. Die Scherung zerstört die Flüssigkeitsstruktur nicht und verändert sie nicht dauerhaft. Dies bedeutet, dass eine thixotrope Flüssigkeit die höchste Viskosität in einem Tank hat, in dem sie ruht, also keine Scherung. Aufgrund der Scherung, die durch das Durchströmen eines Rohrs erzeugt wird, nimmt die Viskosität ab. In einer Pumpe, in der die Schergeschwindigkeit viel höher ist, ist die Viskosität am niedrigsten. Wenn die Flüssigkeit die Pumpe verlässt, erholt sich die Viskosität, wenn die Schergeschwindigkeit zurückfällt.

Bei einer kleinen Gruppe von Flüssigkeiten steigt die Viskosität tatsächlich mit einer höheren Schergeschwindigkeit an. Diese Flüssigkeiten werden Dilatanten genannt. Beispiele für dilatante Flüssigkeiten sind Honig und konzentrierte Stärkelösungen. Aufgrund ihres dilatanten Verhaltens sind diese Flüssigkeiten sehr schwer zu pumpen.

Der Einfluss der Schergeschwindigkeit auf die Viskosität dieser drei Arten von Flüssigkeiten ist nachstehend grafisch dargestellt:

Um die Zentrifugalkräfte zu erzeugen, muss sich das Laufrad einer Kreiselpumpe im Pumpengehäuse immer mit hoher Geschwindigkeit drehen, und das erfordert Energie. Die Energie, die der Motor dem Laufrad zuführt, kann in nutzbare Energie und Verluste unterteilt werden. Die nützliche Energie ist die, die von den Schaufeln verwendet wird, um die Flüssigkeit aus dem Stillstand in Bewegung zu setzen und sie mit dem Laufrad drehen zu lassen. (Ein Teilchen dieser Energie wird später verloren gehen, aber das werden wir hier nicht berücksichtigen). Zusätzlich zum Bewegen der Flüssigkeit wird Energie benötigt, um das Laufrad im flüssigkeitsgefüllten Pumpengehäuse selbstständig drehen zu lassen. Wenn Sie eine Scheibe unter Wasser drehen, entsteht Reibung zwischen der Scheibe und der Flüssigkeit. Die Wasserschicht, die der Scheibe am nächsten ist, rotiert, das Wasser an der Gehäusewand steht still. Es gibt also einen Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Wasserschichten, oder mit anderen Worten, die Wasserschichten gleiten übereinander. Genau dieses Gleiten erfordert Energie, die mit zunehmender Viskosität der Flüssigkeit zunimmt. Die Leistung, die der Motor der Pumpe liefern muss, um die Scherkräfte im Wasser zwischen dem Laufrad und dem Pumpengehäuse zu überwinden, kann als Totalverlust angesehen werden. Bei einer geringen Fördermenge tritt wenig neue Flüssigkeit in das Laufrad ein, die auf Drehzahl gebracht werden muss (nützliche Energie), aber die durch die Drehung des Laufrads verursachten Scherkräfte sind bereits vorhanden (Verluste). Daher ist bei einer geringen Fördermenge das nutzbare Energie / Verlust-Verhältnis oder der Wirkungsgrad der Pumpe gering. Mit zunehmender Fördermnege muss immer mehr Flüssigkeit auf Geschwindigkeit gebracht werden. Die notwendige Leistung steigt, aber die Scherkräfte bleiben nahezu gleich. Der nutzbare Teil der Energie steigt, während die Verluste nahezu gleich bleiben, wodurch der Wirkungsgrad der Pumpe erhöht wird.

Wenn eine Pumpe für eine höhere Förderhöhe ausgelegt werden soll, muss der Durchmesser des Laufrads größer sein: Die Förderhöhe ist proportional zum Quadrat des Durchmessers des Laufrads. Die Fläche des Laufrads nimmt ebenfalls quadratisch mit dem Durchmesser zu. Da jedoch einerseits die Scherkraft weiter von der Achse der Pumpe (Hebelarm) entfernt ist und andererseits die Geschwindigkeit (und damit die Scherkraft) größer ist, wirkt sich die Scherkraft auf den größeren Durchmesser aus. Dies führt dazu, dass die Verluste viel schneller als der Druck ansteigen und es unmöglich ist, eine Pumpe mit hohem Wirkungsgrad für eine hohe Förderhöhe bei niedriger Fördermenge zu konstruieren. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, werden mehrere kleinere Laufräder mit einer geringeren Förderhöhe (und besserem Wirkungsgrad) hintereinander angeordnet, wodurch eine mehrstufige Pumpe entsteht.

Die Pumpenkurve einer Kreiselpumpe gibt die Förderhöhe, die aufgenommene Leistung, den Wirkungsgrad und den NPSH abhängig von der Fördermenge bei einer festen Drehzahl an. Normalerweise wird die Pumpenkurve für Wasser oder sogar für eine Flüssigkeit mit einem spezifischen Gewicht von 1 kg / Liter und einer Viskosität von 1 Centipoise veröffentlicht.

Bei Kreiselpumpen gibt es eine Formel, um die Pumpenkurve von einer Drehzahl in eine andere umzuwandeln:

Die Fördermenge ist direkt proportional zur Drehzahl
Förderhöhe und NPSH sind quadratisch proportional zur Drehzahl
Die Leistungsaufnahme ist proportional zur Drehzahl in der dritten Potenz
Der Wirkungsgrad ist unabhängig von der Drehzahl

Eine Drehkolbenpumpe ist eine volumetrische Pumpe, daher sind der Förderstrom und die benötigte Leistung zunächst proportional zur Drehzahl. Bei hochviskosen Flüssigkeiten gilt dies ebenfalls und man kann einfach sagen, dass der Durchfluss und die Leistung linear mit der Drehzahl variieren. Die Fördermenge ist das sogenannte Hubvolumen der Pumpe multipliziert mit der Drehzahl der Pumpe. Das Hubvolumen einer Drehkolbenpumpe ist das Flüssigkeitsvolumen, das pro Umdrehung der Rotoren von der Saug- zur Druckseite der Pumpe bewegt wird.

Bei dünnflüssigen Flüssigkeiten kommt es jedoch zu Leckagen zwischen den Rotoren und zwischen den Rotoren und dem Rotorgehäuse, wodurch die Pumpe weniger Förderleistung erbringt. Bevor der Einfluss der Drehzahl auf die Pumpenkurve bei dünnflüssigen Flüssigkeiten erläutert wird, soll zunächst der Aufbau der Pumpenkurve am Beispiel von Wasser besprochen werden.

Pro Umdrehung fördert die Pumpe zunächst das Wasservolumen von der Ansaugung zur Presse. Unter dem Einfluss der Druckdifferenz über der Pumpe fließt jedoch ständig eine bestimmte Wassermenge von der Presse (wo ein höherer Druck herrscht) zur Ansaugung der Pumpe (wo ein niedrigerer Druck herrscht) zurück. Dieser Leckagestrom ist proportional zur Quadratwurzel der Druckdifferenz über der Pumpe. Bei einer kleinen Druckdifferenz über der Pumpe wird diese Leckage-Durchflussmenge also klein sein und höchstwahrscheinlich kleiner als die Durchflussmenge des Wassers, das die Pumpe durch ihre Rotation verdrängt (das höher erklärte Hubvolumen * Drehzahl). Die Pumpe pumpt netto immer noch Wasser von der Ansaugung zur Presse.

Wenn die Druckdifferenz über der Pumpe groß wird, kann die Leckrate das Volumen überschreiten, das die Pumpe durch die Rotation bewegt, und schließlich fließt Nettowasser von der Presse zum Ansaugen der Pumpe. In der folgenden Grafik ist dies bei einer Druckdifferenz von mehr als 7,5 bar der Fall.

Die Leckrate ist unabhängig von der Drehzahl. Wenn wir also die Geschwindigkeit erhöhen, dann wird:
- die Fördermenge, die wir durch die Rotation von der Ansaugung zur Presse übertragen, linear mit der Geschwindigkeit steigen
- die Leckagerate gleich bleiben
Da der Nettostrom, den die Pumpe fördert, die Differenz zwischen beiden ist, verschieben sich die Pumpenkurven mit zunehmender Drehzahl parallel nach oben.

Die Pumpenkennlinie zeigt die Förderhöhe als Funktion der Fördermenge: Sie gibt an, wie viel Förderhöhe die Pumpe bei einer festen Drehzahl für jede Fördermenge liefert. Normalerweise erwarten wir, dass diese Kurve kontinuierlich abfällt: Je größer die Fördermenge, desto weniger Förderhöhe hat die Pumpe. Eine solche kontinuierlich fallende Kennlinie wird auch als stabile Pumpenkennlinie bezeichnet. Wenn die Förderhöhe mit zunehmender Fördermenge schnell abnimmt (wie im Beispiel unten), spricht man von einer steilen Pumpenkurve.

Wenn die Förderhöhe in Abhängigkeit von der Fördermengenahezu konstant ist (wie im folgenden Beispiel), ist die Kurve flach.

Bei Kreiselpumpen, die bei geringer Fördermenge eine relativ hohe Förderhöhe liefern, kommt es manchmal vor, dass die Pumpenkennlinie leicht ansteigt: Bei höheren Fördermengen steigt die Förderhöhe leicht an. Eine solche Pumpkurve (wie im folgenden Beispiel) wird manchmal als instabile Kurve bezeichnet.

Der Begriff "instabile Kennlinie" ist etwas unglücklich gewählt, da er einen negativen Beigeschmack hat. Es ist nicht zwangsläufig so, dass eine Pumpe mit einer instabilen Kennlinie auch instabil arbeitet, im Gegenteil. Es ist äußerst selten, dass eine steigende Pumpenkennlinie für einen instabilen Betrieb verantwortlich ist.

Eine Pumpe arbeitet immer mit der Fördermenge, bei der sich die Pumpenkennlinie und die Widerstandskurve der Rohrleitungen schneiden. Solange dieser Schnittpunkt ziemlich scharf ist (wie in der folgenden Abbildung), ist er eindeutig und garantiert eine stabile Fördermenge.

Wenn die Pumpe verwendet wird, um die Flüssigkeit in einer sehr hohen statischen Höhe zu pumpen oder um die Flüssigkeit unter hohem Druck in ein Gefäß zu pumpen, beginnt die Widerstandskennlinie nicht bei Null, sondern auf der vertikalen Achse viel höher. Ein Beispiel für eine solche Situation sehen Sie in der folgenden Abbildung.

Selbst in diesem Beispiel arbeitet die Pumpe immer noch stabil, da es einen eindeutigen Schnittpunkt zwischen Pumpenkennlinie und Widerstandskennlinie gibt.

Nur in sehr Ausnahmefällen kommt es vor, dass die statische Förderhöhe des Systems fast der Förderhöhe der Pumpe entspricht. Der gesamte von der Pumpe benötigte Druck ist erforderlich, um eine statische Druckdifferenz zu überwinden. Die Komponente, die die Strömungsverluste in den Rohren darstellt, ist nahezu Null. Dies hat zur Folge, dass die Widerstandskennlinie sehr flach und nahezu parallel zur Pumpenkennlinie verläuft. Wenn die Pumpenkennlinie selbst ebenfalls flach ist oder leicht ansteigt, gibt es keinen scharfen Schnittpunkt zwischen Pumpenkennlinie und Widerstandskennlinie mehr und der gepumpte Durchfluss wird instabil. Eine solche Ausnahmesituation ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

In solchen Systemen ist es auch nicht möglich, die Fördermenge über eine Frequenzregelung zu regeln. Da die Pumpenkennlinie und die Widerstandskennlinie nahezu parallel sind, führt eine minimale Änderung der Drehzahl der Pumpe dazu, dass die Fördermenge vollständig verloren geht. Im folgenden Beispiel sehen Sie, dass bei einer Drehzahl um 2900 U / min der Schnittpunkt zwischen Pumpenkennlinie und Widerstandskennlinie nicht eindeutig festgelegt ist. Eine sehr kleine Änderung der Drehzahl der Pumpe führt dazu, dass die Fördermenge in alle Richtungen springt und das System unkontrollierbar wird.

Dieses (Kontroll-) Problem tritt im folgenden Beispiel mit einer steilen (stabilen) Kurve nicht auf.

Viele denken, dass sie die Fördermeng verdoppeln können, indem sie 2 identische Kreiselpumpen parallel schalten. Nichts ist weiter von der Wahrheit entfernt.

Wenn Sie mehr Fördermenge durch ein Rohrsystem oder eine Installation schieben möchten, benötigen Sie mehr Druck, um mehr Widerstand gegen diese Fördermenge zu überwinden. Und das nicht nur ein bisschen, denn der Widerstand (= erforderlicher Druck) ist typischerweise quadratisch proportional zur Fördermenge. (Doppelfluss benötigt 4 mal mehr Druck).

Da die Parallelisierung von Kreiselpumpen den Druck nicht erhöht, ist die Erhöhung des Durchflusses sehr begrenzt. Der Arbeitspunkt bewegt sich von Punkt 1 nach 3, was viel weniger ist als die Verdoppelung des Stroms.

Dies kann mehrere Ursachen haben.

Zunächst muss überprüft werden, ob die Pumpe ordnungsgemäß läuft, wie auf dem Typenschild und im Handbuch angegeben. Eine Kreiselpumpe, die sich falsch dreht, verbraucht viel Motorleistung, liefert aber fast keine Fördermenge. Darüber hinaus hängt die Kapazität der Pumpe auch von der Drehzahl der Pumpe ab. Für den Rest dieser Erklärung gehen wir davon aus, dass die Drehrichtung und die Geschwindigkeit korrekt sind.

Die Fördermenge, die eine Kreiselpumpe pumpt, ist immer ein Gleichgewicht zwischen dem, was die Pumpe leisten kann, und dem, was die an die Pumpe angeschlossenen Rohrleitungen leisten können. Der von einer Kreiselpumpe (bei fester Drehzahl) erzeugte Druck nimmt mit der Fördermenge leicht ab, ist aber im Großen und Ganzen ziemlich konstant. Um jedoch eine größere Fördermenge durch ein Rohrleitungssystem zu drücken, wird immer mehr Druck benötigt. Dieser notwendige Druck besteht zum Teil aus einem statischen Höhenunterschied (Sie möchten die Pumpe verwenden, um die Flüssigkeit von niedrig nach hoch zu pumpen) und zum Teil aus Rohrverlusten. Der statische Druckverlust ist unabhängig von der Fördermenge; bei Kreiselpumpen (die dünnflüssige Flüssigkeiten fördern) sind die Rohrleitungsverluste in der Regel quadratisch proportional zur Fördermenge. Um also doppelt so viel Durchfluss durch ein Rohrwerk zu pumpen, muss die Pumpe 4 mal so stark drücken, es wird 4 mal mehr Förderhöhe benötigt.

Wenn Pumpen einen geringeren Förderstrom liefern als erwartet und auf dem Typenschild der Pumpe angegeben, dann liefert die Pumpe in der Praxis meist den auf dem Typenschild angegebenen Druck, aber nicht den gewünschten Förderstrom. Die Ursache hierfür liegt nicht in der Pumpe, sondern in einer falschen Schätzung der Rohrverluste. Mit anderen Worten: Die Pumpe liefert den erwarteten Druck, aber die Rohrleitungen lassen bei diesem Druck weniger Fördermenge zu. Um den gewünschten Förderstrom durch die Rohrleitung zu pumpen, müsste die Pumpe stärker drücken, d.h. es ist mehr Druck erforderlich; mehr Druck als auf dem Typenschild der Pumpe angegeben. Mit anderen Worten: Die Pumpe liefert den erwarteten Druck, aber es wird mehr Druck benötigt, um die gewünschte Fördermenge durch die Rohrleitungen zu drücken.

Es gibt zwei mögliche Gründe, warum eine Pumpe nicht den angegebenen Druck liefert:

Entweder ist die gepumpte Flüssigkeit gasförmig. Aufgrund der Gasphase in der Flüssigkeit ist das durchschnittliche spezifische Gewicht ρ niedriger als das von Wasser und die Formel ρ * g * h erzeugt einen niedrigeren Druck. Bei höheren Gaskonzentrationen sammelt sich sogar eine Gasblase im Laufradauge und die Pumpe liefert noch weniger Druck.
Entweder kavitiert die Pumpe. Durch Kavitation wird auch eine Gasblase im Laufrad der Pumpe gesammelt.

Der Anschaffungspreis einer Pumpe ist oft der Hauptgrund für die Wahl der einen oder anderen Pumpe; die Effizienz der Pumpe wird oft vergessen oder unterbewertet. In vielen Fällen zahlen Sie jedoch jedes Jahr mehr als den Kaufpreis der Pumpe an Ihren Energielieferanten. Die nachstehende Tabelle zeigt den Vergleich zwischen der Anfangsinvestition und den jährlichen Energiekosten für Kreiselpumpen mit einer Förderhöhe von 4 bar. Das Diagramm zeigt den Vergleich für Pumpen mit unterschiedlichen Kapazitäten, sowohl für 40 Stunden als auch für 100 Betriebsstunden pro Woche.

Die Bedeutung des Energieverbrauchs an den Gesamtkosten über 5 Jahre ist in dieser Grafik dargestellt:

Eine Differenz von 10 % des Kaufpreises kann ein Entscheidungsträger sein. Ein hydraulischer Wirkungsgrad von 60% im Vergleich zu 63% bedeutet jedoch 5% mehr Energieverbrauch. Der Energieverbrauch ist das, was Sie jedes Jahr wieder für die Lebensdauer der Pumpe bezahlen müssen. Dieses Diagramm zeigt, dass Sie bereits in den ersten 2 Jahren den 10%igen Kaufpreiszuwachs an Ihren Energielieferanten zahlen werden. Ab dem 3. Jahr beginnt die Strafe und wird jedes Jahr wieder wiederholt.

Bei Kreiselpumpen wird der Druck durch Kreiselkräfte erzeugt. Diese werden selbst durch die schnelle Rotation der Flüssigkeit im Pumpengehäuse erzeugt. Kreiselpumpen benötigen daher Geschwindigkeit, um Druck zu erzeugen. Je höher der erforderliche Druck ist, desto größer ist die innere Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Pumpe.

Die Viskosität erzeugt Reibung in der Flüssigkeit, die sich zwischen dem Laufrad und dem Pumpengehäuse befindet. Diese Flüssigkeitsreibung bietet Widerstand gegen Kreiseln. Es wird also Kraft benötigt, um diese Reibung zu überwinden. Eine zunehmende Viskosität erhöht daher den Stromverbrauch der Pumpe. Dieser Anstieg ist bei hohen Geschwindigkeiten oder daher bei Pumpen, die einen hohen Druck liefern müssen, umso schneller. Der Einfluss der Viskosität auf die Leistung von Kreiselpumpen mit niedrigem Druck ist geringer. Daher ist eine Kreiselpumpe keine gute Wahl, um mit hochviskosen Flüssigkeiten hohe Drücke zu erzeugen.

Bei Drehkolbenpumpen und Schraubenspindelpumpen ist immer ein kleines Spiel zwischen den Rotoren und zwischen den Rotoren und dem Pumpengehäuse vorhanden. Um die Pumpe so effizient wie möglich zu gestalten, werden diese Abstände so gering wie möglich gehalten. Um jedoch zu verhindern, dass die Rotoren ineinander oder in das Pumpengehäuse laufen, sind sie immer vorhanden. Diese Abstände bilden eine offene Verbindung zwischen dem Auslass und dem Einlass der Pumpe. Bei dünnflüssigen, viskosen Flüssigkeiten tritt über diese Spalte zwischen den Rotoren und zwischen den Rotoren und dem Gehäuse eine interne Leckage auf: ein Teil der Flüssigkeit wird vom Pumpenauslass (wo ein höherer Druck herrscht) durch diesen engen Durchgang zurück zum Einlass (wo ein niedrigerer Druck herrscht) gedrückt. Diese interne Leckrate nimmt zu, wenn die Viskosität der gepumpten Flüssigkeit abnimmt. Daher sind Verdrängerpumpen bei niedrigviskosen Flüssigkeiten weniger effizient.

Es stellt sich nun die Frage, bis zu welcher Viskosität eine Kreiselpumpe die bessere Wahl ist und ab welcher Viskosität eine Verdrängerpumpe gewählt werden sollte. Die Antwort auf diese Frage lautet, dass sie nicht nur von der Viskosität abhängt, sondern auch von der erforderlichen Förderhöhe und der erforderlichen Fördermenge. Sie können also keinen festen Viskositätswert angeben, wenn es besser ist, von zentrifugal auf volumetrisch umzuschalten. Mit einer hohen Förderhöhe und einer kleinen Fördermenge ist das Schalten bei einer niedrigeren Viskosität besser, während man bei hoher Fördermenge mit geringer Förderhöhe länger bei einer Kreiselpumpe bleiben kann. Das folgende Beispiel sollte dies verdeutlichen.

Bei der Auswahl einer Pumpe für 5 m³/h - 4 bar Druck wird auch bei Wasser (Viskosität 1 cP) mit einer Drehkolbenpumpe weniger Leistung benötigt als mit einer Kreiselpumpe.

Bei der Auswahl einer Pumpe für 40 m³/h - 1 bar Druck benötigt eine Kreiselpumpe auch bei einer Viskosität von 1.000 cP noch weniger Leistung als eine Volumenpumpe.

Neben der erforderlichen Leistung spielen auch die Anschaffungs- und Wartungskosten eine Rolle bei der Wahl der Pumpentechnologie.

Die Bedeutung der Auswahl und des möglichst effizienten Betriebs von Getränke- und Brauereipumpen wird immer noch stark unterschätzt. Bei Neubauten werden oft zu große Pumpen (mit zu viele Reserve) oder die falsche Pumpentechnologie gewählt. Einmal im Einsatz, wird bei Änderungen der Produktionslinie, der erforderlichen Kapazität oder des Prozesses vergessen zu prüfen, ob die Pumpen noch für die neuen Bedingungen geeignet sind. Diese nicht optimale Pumpenauswahl oder -bedienung führt dazu, dass zu viel Energie verbraucht wird und empfindliche Flüssigkeiten (wie flüssige Hefe, Maische usw.) beschädigt werden oder zumindest ihre natürliche Struktur und Eigenschaften verändert werden.

Alles beginnt mit der Wahl der richtigen Pumpentechnologie. Die beiden häufigsten Irrtümer sind (1) die Annahme, dass empfindliche Flüssigkeiten immer mit der niedrigster möglichen Drehzahl gepumpt werden sollten, und (2) die Annahme, dass die Wahl zwischen einer Kreisel- oder einer Verdrängerpumpe nur auf der Grundlage der Viskosität getroffen wird, während Durchfluss und Förderhöhe ebenfalls einen Einfluss auf die Wahl der richtigen Pumpentechnologie haben.

Eine niedrigere Drehzahl bedeutet nicht immer eine niedrigere Geschwindigkeit.

Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass empfindliche Flüssigkeiten mit niedriger Geschwindigkeit gepumpt werden sollten. Bei einer Kreiselpumpe wird der Druck (Förderhöhe) durch Zentrifugalkräfte erzeugt. Die Größe dieser Fliehkräfte wird durch die Umfangsgeschwindigkeit des Laufradaußendurchmessers bestimmt, oder anders ausgedrückt durch das Produkt vom Drehzahl und Laufraddurchmesser. Geht man davon aus, dass die von der Pumpe zu fördernde Förderhöhe durch den Prozess bestimmt wird, so ist die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln festgelegt. Wenn eine Pumpe mit niedrigerer Drehzahl gewählt wird, muss sie zwangsläufig ein Laufrad mit größerem Durchmesser haben. Die geschwindigkeitsbedingten Scherkräfte und Kollisionen in der Flüssigkeit werden also durch die Wahl einer Pumpe mit geringerer Drehzahl nicht reduziert. Im Gegenteil, aufgrund der größeren Oberfläche des größeren Laufrads kommt es zu mehr Scherung und Produktschäden. Deshalb ist bei der Auswahl einer Kreiselpumpe die erforderliche Leistung einer kleineren, schneller laufenden Pumpe oft geringer, insbesondere bei etwas hochviskoseren Flüssigkeiten. Schäden an der Flüssigkeit entstehen genau dann, wenn die Pumpe zu viel Energie auf die Flüssigkeit überträgt. Aufgrund des Energieerhaltungssatzes wird diese überschüssige Energie durch allerlei Scherungen und Kollisionen (die die Flüssigkeit beschädigen) in Wärme umgewandelt, die oft später im Prozess abgeführt werden muss, was wiederum Geld kostet.

Aus demselben Grund schädigen Freistrompumpen mit zurückgezogenem Laufrad die Flüssigkeit stärker als eine klassische Kreiselpumpe. Bei der kontinuierlichen Rotation der Flüssigkeit vom Laufrad zum freien Raum vor dem Laufrad und zurück stößt die Flüssigkeit auf der Vorderseite der Schaufeln, verliert an Geschwindigkeit und wird beim Eintritt in das Laufrad abrupt wieder auf Geschwindigkeit gebracht. Dies erfordert zusätzliche Energie und beschädigt die Flüssigkeit. In der Praxis zeigt sich, dass Freistrompumpen mit zurückgezogenem Laufrad viel zu schnell eingesetzt werden, um Flüssigkeiten mit kleinen Feststoffpartikeln (z. B. Maische) zu fördern. Universitätsstudien haben gezeigt, dass der Einsatz klassischer Kreiselpumpen mit einem optimierten 3-dimensionalen Laufraddesign zu einem geringeren ß-Glucan Gehalt in der Maische und einer schnelleren Filtration führt. Auch beim Pumpen von Käsebruch treten mit einem zurückgezogenen Laufrad mehr Schäden auf als mit einem klassischen offenen oder geschlossenen Laufrad, gegebenenfalls mit einem etwas größeren Durchgang.

Typische starke Turbulenzen in einer Freistrompumpe, die zu Produktschäden führen

Die Bedeutung des Best Efficiency Point

Neben der Beachtung der erwähnten Entwurfselemente (Laufradgeometrie und Wahl der Drehzahl - Laufraddurchmesser) ist es vielleicht noch wichtiger, dafür zu sorgen, dass die Pumpe (annähernd) an ihrem besten Wirkungsgrad (im Best Effizienz Punkt BEP) arbeitet. Es macht keinen Sinn, eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von über 80 % zu kaufen und sie dann unter Prozessbedingungen einzusetzen, wo sie nur 40 % Wirkungsgrad erreicht. Der Grund, warum Pumpen in der Praxis nicht in ihrem BEP laufen, ist oft, dass sie mit zu viel Reserve ausgelegt werden. Das macht die Pumpe nicht nur zu groß und zu teuer (CapEx) für ihre Aufgabe, sondern führt auch dazu, dass sie während des Betriebs mehr Energie als nötig verbraucht (OpEx), Energie die die Flüssigkeit erwärmt, so dass im weiteren Verlauf der Anlage mehr Kühlung erforderlich ist (OpEx), und das Risiko von Produktschäden steigt.

Muss man noch wiederholen, dass man aus energetischer Sicht keinen größeren Fehler machen kann, als die Fördermenge über Ventile zu regeln? Zuerst lässt man die Pumpe zu viel Druck erzeugen, wofür sie zu viel Energie verbraucht (Kosten und Gefahr von Produktschäden), dann arbeitet sie bei eine Menge, der unter dem BEP liegt, und ein Stück weiter wird der Druck in einem Regelventil erstickt. Diese sehr konzentrierte Energieumwandlung von Druck in Wärme im Ventil verursacht zusätzliche Produktschäden. Durch die Einstellung der gewünschten Durchflussmenge über die Drehzahlregelung kann sichergestellt werden, dass die Pumpe in ihrem BEP läuft, nur die unbedingt notwendige Energie verbraucht wird und weniger Produktschäden auftreten. Die Leistungsaufnahme einer Kreiselpumpe ist proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit nur um 20 % reduziert werden muss, um die Hälfte des Stroms zu sparen!

Auswirkungen der Drehzahlregelung auf die aufgenommene Leistung

Die richtige Pumpentechnik

So wie die Leistungsaufnahme (der Wirkungsgrad der Pumpe) der wichtigste Parameter bei der Wahl zwischen verschiedenen Laufradtypen und -größen von Kreiselpumpen sein sollte, so sollte auch die Leistungsaufnahme bei der Wahl zwischen einer Kreiselpumpe und einer Verdrängerpumpe bewertet werden. In einer Kreiselpumpe wird die Drehzahl benötigt, um die Zentrifugalkräfte zu erzeugen. Je höher der erforderliche Druck, desto höher die Geschwindigkeit und damit die Scherkräfte. Bei einer Verdrängerpumpe ist die Fördermenge proportional zur Drehzahl. Die Scherkräfte sind daher strömungsbedingt. Bei der Wahl der Pumpentechnologie ist es wichtig, sich der völlig unterschiedlichen Ursachen für Energieverluste und folglich Produktschäden zwischen Kreisel- und Verdrängerpumpen bewusst zu sein. Deshalb kann zur Förderung einer kleine Menge bei hohem Druck eine Verdrängerpumpe die richtige Wahl sein, und zur Förderung eines sehr großen Volumenstroms der gleichen Flüssigkeit bei geringer Förderhöhe sollte unbedingt eine Kreiselpumpe gewählt werden.

Auch bei Verdrängerpumpen führt eine Pumpe mit niedrigerer Drehzahl nicht unbedingt zu einer geringeren Schädigung der Flüssigkeit. Um die gleiche Fördermenge mit einer niedrigeren Drehzahl zu fördern, ist eine größere Pumpe erforderlich. Auch hier ist der Unterschied in der Umfangsgeschwindigkeit des Außendurchmessers der Rotoren eher gering (wenn überhaupt). Dadurch wird in der Flüssigkeit, die in den Spalt zwischen den Rotoren und dem Gehäuse eintritt, immer noch die gleiche Scherkraft erzeugt. Da die Pumpe größer ist, tritt mehr Flüssigkeit in dieser Spalt ein und unterliegt dieser ungünstigen Scherung. Bei Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität weist eine größere Pumpe auch mehr interne Leckagen auf, was wiederum einen Effizienzverlust bedeutet und zu einem höheren Energieverbrauch und einem größeren Risiko von Produktschäden führt.

Energieeffizientere Pumpen machen sich selbst bezahlt

Das Risiko von Produktschäden, wenn die Pumpen nicht energieeffizient sind, wurde oben beschrieben und nachgewiesen. Darüber hinaus gewinnen die Energiekosten zunehmend an Bedeutung. Motoren mit hohem Wirkungsgrad (IE3 - IE4) sind zu Recht gesetzlich vorgeschrieben. Durch den Wechsel von IE2 zu IE3 und IE4 wird jedoch nur eine Energieeffizienzsteigerung von wenigen bis 5 % erreicht. Eine richtige Pumpenauswahl (richtige Pumpentechnologie, richtiger Laufradtyp und Einsatz der Pumpen in ihrem BEP) kann Energie in zweistelliger Prozenthöhe einsparen. Wussten Sie, dass eine Kreiselpumpe, die 40 Stunden pro Woche läuft, nach 1 bis 3 Jahren ihren eigenen Wert verbraucht? Kreiselpumpen, die 100 Stunden pro Woche laufen, verbrauchen einen Jahreswert an Energie, der höher ist als ihr eigener Wert. In der Praxis sehen wir Beispiele für Investitionen in energieeffizientere Pumpen, die sich innerhalb eines Jahres amortisieren.

Bei der Auswahl von Pumpen in der Getränke- und Brauindustrie sollte die Energieeffizienz der entscheidende Faktor sein. Indem immer die Pumpe mit dem höchsten Wirkungsgrad gewählt wird, wird automatisch die richtige Pumpentechnologie ausgewählt, Produktschäden werden minimiert und während der gesamten Lebensdauer der Pumpe wird Energie gespart. Der Erstkaufpreis der Pumpe macht in vielen Fällen weniger als 10 % der gesamten Lebenszykluskosten der Pumpe aus.