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.

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.

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.

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