Kreiselpumpen und Pumpensysteme. Thomas Merkle
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Sonderform PumpenturbinePumpenturbine
Die Pumpenturbine ist eine Sonderform der Kreiselpumpe. Wie der Name der Strömungsmaschine schon sagt, hat eine Pumpenturbine – oder auch Turbinen-pumpe genannt – 2 Funktionsweisen:
1 Angetrieben durch einen Elektro-Motor, wird die Pumpe zur Förderung einer Flüssigkeit eingesetzt. Funktion: Erhöhung von Druck und Geschwindigkeit des Fördermediums.
2 Die Pumpe wird in umgekehrter Richtung betrieben, also rückwärtslaufend, d.h. am eigentlichen Druckstutzen der Pumpe erhält sie Zulauf, beispielsweise aus einem Behälter oder Fallrohr. Funktion: die Pumpe wirkt als Turbine und erzeugt elektrischen Strom. Ein angeschlossener Asynchronmotor oder Synchronmotor kann hierbei als Generator betrieben werden. Strömungsbedingt kommt am besten ein halbaxiales Laufrad zum Einsatz (nq = 40-80).
Bild: Pumpenturbine
Bild 1: halbaxiales Laufrad
Durch ein Drosselventil wird Energie abgebaut und fließt als Verlust in die Energie-bilanz mit ein. Diese Aufgabe des Drosselventils kann von der Pumpenturbine übernommen werden. Der Druckabbau im Förderstrom wird von der Pumpenturbine in elektrischen Strom umgewandelt.
Anwendungsbeispiel
Im einem Wasserwerk wurden Pumpenturbinen (Stromgewinnungsanlagen) in den Zulauf des Zwischenbehälters und des Endbehälters (Hochbehälters) installiert. Es erfolgt keine Energieeinspeisung ins öffentliche Netz, da die erzeugte Energie zur Minderung des Eigenenergieverbrauchs bzw. zur Deckung der eigenen Dauerlast genutzt wird. Die Pumpenturbine wird über pneumatisch gesteuerte Klappen sowie ein vorgeschaltetes bestehendes Ringkolbenventil (RKV) vom Hochbehälter gesteuert und betrieben.
Standardmäßig erfolgt die Einspeisung aus dem Hochbehälter über die Pumpenturbine. Dazu wird die der Pumpenturbine vorgeschaltete Klappe geöffnet und danach das RKV aufgefahren. Bei Erreichen der Nenndrehzahl erfolgt die Anschaltung an das elektrische Netz. Bei Außerbetriebnahme der Pumpenturbine oder bei Störungen erfolgt die Einspeisung vom Hochbehälter über eine Umfahrungsleitung mit einer pneumatischen Klappe. Die Durchflussmengenregelung erfolgt dann über das vorgeschaltete RKV.
Pumpenturbinen haben zwar einen geringfügig schlechteren Wirkungsgrad als klassische Turbinen. Dafür sind sie aber erheblich kostengünstiger, robuster und wartungsfreundlicher.
Bild 2: Pumpenturbinen (Stromgewinnungsanlagen) in den Fall-Leitungen (Landeswasserversorgung BW) [28]
1.1.5 Abdichtungsarten Motor – Hydraulik
Je nach Anforderung seitens der Anwendung werden zur Abdichtung der Pumpenhydraulik gegen den Antriebsmotor die dynamisch dichtende Gleitring-dichtung oder statisch dichtende MagnetkupplungenMagnetkupplungen und Spaltrohrmotoren eingesetzt.
Gleitringdichtung
Die Gleitringdichtung ist eine dynamische, kostengünstige Komponente, ist aber nicht zu 100 % dicht, sondern hat eine minimale Leckage. Deshalb ist sie nicht für die Lebensmittelbranche und nur bedingt für Pumpen in der Chemiebranche geeignet. Da die Gleitringdichtung noch in einem späteren Kapitel genauer beschrieben wird, soll hier nicht näher auf diese Dichtungsart eingegangen werden.
Magnetkupplungspumpen
Diese Abdichtungsart zwischen Motor und Pumpenhydraulik findet vor allem bei Chemiepumpen und Lebensmittelpumpen ihren Einsatz. Die Hauptkomponenten sind Innenrotor, Außenrotor, Spalttopf und Lager (radial und axial). Die Motorwelle ist mit dem Außenmagnetrotor verbunden und überträgt berührungslos die Magnetkräfte auf den Innenmagnetrotor. Der Außenrotor ist auf der Innenseite, der Innenrotor auf der Außenseite mit Dauermagneten bestückt. Die beiden Rotoren sind getrennt durch einen Spalttopf. Dieser Spalttopf ist das dichtende Element, er dichtet das Fördermedium gegen die Umgebung ab. Die Gleitlager werden durch das Fördermedium geschmiert. Diese Kupplungsart ist hermetisch dicht, ohne Leckage. Es lassen sich durchaus Anwendungen realisieren, bei denen Drücke von 25 bar und Temperaturen von 250 °C auftreten.
Bild 3: Magnetkupplung [12]
Bild 4: Pumpe mit Magnetkupplung [43]
SpaltrohrmotorpumpenSpaltrohrmotorpumpen
Bei dieser Kreiselpumpenart bilden Motor und Pumpe eine integrierte Einheit. Die Pumpe ist in Blockbauweise konzipiert, d.h. auf der durchgehenden Motorwelle ist das Laufrad montiert. Das Spaltrohr dient als Dichtungselement, weshalb keine dynamische Dichtung notwendig ist.
Die Motorwicklung (feststehender Stator) befindet sich zwischen Motorgehäuse (Rahmen) und Spaltrohr. Dadurch ergibt sich eine doppelte Dichtigkeit: Motormantel + Spaltrohr. Das feststehende Spaltrohr umschließt den Rotor und dichtet die Rotorkammer nach außen ab. Das Fördermedium zirkuliert direkt in der Rotorkammer, kühlt dabei den Motor und schmiert die Gleitlager. Zur Kühlung des Motors ist kein Lüfter notwendig, so dass die Pumpe sehr geräuscharm arbeitet. Die doppelte Dichtigkeit minimiert die Gefahr von Leckagen. Deshalb kommt dieser Pumpentyp bei Chemiepumpen, bei explosiven, brennbaren und giftigen Flüssigkeiten zum Einsatz.
Bild 5: Pumpe mit Spaltrohrmotor [44]
1.1.6 Abwasserpumpen
Kreiselpumpen, die Flüssigkeiten mit Feststoffbestandteilen fördern müssen, haben je nach Belastung und Zusammensetzung des zu fördernden Mediums und der darin enthaltenen Feststoffe eine geringere Standzeit. Sie können schnell unwirtschaftlich werden. Die Förderung von Wasser mit Feststoffen, die zudem hart sind, bewirken schädigende Abrasion an den Pumpenkomponenten. Eine Reduzierung der Durchflussgeschwindigkeit wirkt sich dabei verschleißmindernd aus (V=2-3 m/s).
Bei Feststoffen mit hohem Feststoffanteil empfiehlt es sich, spezielle Freistrom-pumpen mit offenem Laufrad einzusetzen. Die Feststoffe führen nicht wie beim geschlossenen Laufrad zu Verstopfung, sondern werden im Spiralgehäuse durch die zu fördernde Flüssigkeit mitgerissen und über den Druckstutzen wieder aus dem Pumpengehäuse heraus transportiert. Für Förderprozesse, bei denen langfaserige Feststoffe gepumpt werden müssen, eignen sich Pumpen, die mit einem Schneid-werk ausgerüstet sind.
1.1.7. Elektrische Antriebe
Die wichtigsten elektrischen AntriebeElektrische Antriebe für Pumpen im industriellen Bereich sind Drehstrommotoren. Neben Wechselstrommotoren, die ihre Anwendung haupt-sächlich