Kreiselpumpen und Pumpensysteme. Thomas Merkle
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Bild 9: Start-Stopp-Regelung
Regelung mit Bypass-Ventil
Durch ein Bypass-Ventil, das parallel zur Pumpenleitung installiert wird, fließt ein Teil der Strömung zurück in den Saugbereich. Ist nach einem Umbau einer Anlage beispielsweise die bereits vorhandene Pumpe zu groß, lässt sich durch den Bypass das Fördervolumen reduzieren. Diese Maßnahme ist zwar nicht sehr energieeffizient, bietet aber eine einfache und kostengünstige Lösung zur Anpassung der Pumpenleistung (Fördervolumen und Druck) an die umgebaute Anlage.
Bild 10: Regelung mit Bypass-Ventil
Regelung mit DrosselventilDrosselregelung
Das Drosselventil wird hierbei auf der Pumpen-Druckseite in Reihe zur Pumpe geschaltet. Dieses Ventil regelt sowohl die Fördermenge als auch den Förderdruck. Diese Maßnahme wird beim Umbau von Systemen angewandt, bei denen Pumpen mit hoher Förderhöhe eingebaut sind.
Bild 11: Regelung mit Drossel-Ventil
Regelung mittels Drehzahländerung des Motors
Dies ist die energieeffizienteste Pumpen-Regelung. Auf diese Regelungsart wird in Kap. 4.1.3.1 noch näher eingegangen, weshalb hier nur eine kurze Darstellung erfolgt. Bei der Drehzahl-Regelung geschieht die Einstellung des gewünschten Betriebspunktes entlang der Anlagenkennlinie. Da sich bei dieser stufenlosen Regelung über die Drehzahl von Pumpe/Motor, auch die zugeführte elektrische Leistung des Motors reduziert, ist dies eine sehr energiesparende Lösung. Bezogen auf einen langen Lebenszyklus der Pumpenanlage ist dies auch sehr kosteneffizient.
Diagramm 3: Regelung mittels DrehzahländerungDrehzahlregelung
2. Verschleiß
Bewegen sich Bauteile und entsteht dabei Reibung, treten Verschleißerscheinungen auf. Mechanische Belastungen und Strömungen von Flüssigkeiten können Material-abtrag und Schäden an Bauteilen bewirken.
2.1. Ursachen und Auswirkungen von Verschleiß an Kreiselpumpen
Sehr unterschiedliche Belastungen können Störungen, Verschleiß oder auch den Total-Ausfall einer Pumpe bewirken. Dies können Fremdkörper in Gehäuse, Laufrad oder Leitung sein, Überlastung, falsche Betriebsweise, die zu Kavitation führt, oder eine defekte Gleitringdichtung, die Leckage zur Folge hat.
Auch die Förderung von Flüssigkeiten mit Feststoffen, die zudem hart sind, bewirken schädigende Abrasion an den Pumpenkomponenten. Eine Reduzierung der Durch-flussgeschwindigkeit wirkt sich dabei verschleißmindernd aus. Die Förderung von speziellen Medien, die stark alkalisch sind, Kochsalzlösung, Säuren oder auch Meerwasser bewirken mehr oder minder Korrosionserscheinungen. Auch ungeplante Laständerungen ohne Leistungsanpassung haben negative Auswirkungen.
2.1.1. Fremdkörper im System
FeststoffpartikelFremdkörper wie Metall-Späne, Ablagerungen, Schleifpartikel (Sand, Korund, etc.) aber auch Komponenten wie Schrauben, Muttern oder abgebrochene Bohrer werden sehr oft mit der Flüssigkeit mitgefördert, können aber auch die Pumpe zerstören. Bei Feststoffen mit mehreren Millimetern Durchmesser empfiehlt es sich spezielle Freistrompumpen mit offenem Laufrad einzusetzen.
Für Förderprozesse, bei denen Späne mit einer Länge von mehreren Millimetern mitgepumpt werden müssen, gibt es bereits Pumpen, die mit einem Schneidwerk ausgerüstet sind. Die Späne werden bereits außerhalb, vor Eintritt in das eigentliche Pumpengehäuse, zerkleinert. Die kleingehackten Späne können dann durch das Pumpengehäuse angesaugt werden.
Die FeststoffpartikelFeststoffpartikel 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.
Bild 12: Freistrompumpe mit Sperrkammer
Bei Freistrompumpen werden die Feststoffe sozusagen am Pumpenlaufrad vorbei-geführt. Das Laufrad saugt an und schleudert das Fördermedium mit den Feststoffen über das Spiralgehäuse wieder heraus. Bei einem Feststoffanteil von mehr als 10 % kann es allerdings problematisch werden. Jedoch hängt dies von der Körnung oder der Größe der Feststoffe ab. Oftmals hilft nur eine empirische Ermittlung.
Bild 13: Strömungsfluss im Pumpengehäuse [45]
Ein längerfristiger Betrieb mit abrasiven Medien führt allerdings zu Verschleiß-erscheinungen.
Dabei entstehen schadhafte Stellen, je nach Feststoff-Art unterschiedlich stark sowohl an der Schaufel-Oberseite als auch an der Laufrad- und Schaufel-Umlaufseite.
Das Laufrad nach der Beschädigung auszuwechseln, ist noch die einfachste Möglichkeit. Bei größeren Schäden am Spiralgehäuse ist oft ein kompletter Austausch der Pumpe unumgänglich.
Vorbeugend empfiehlt es sich bei solchen Anwendungen, die Pumpenkomponenten durch Maßnahmen wie beispielsweise harte Beschichtungen zu schützen.
2.1.2. Überlastung
Die falsche AuslegungÜberlastung der Pumpe ist eine häufige Ausfallursache. Ein höherer Feststoffanteil als angenommen, oder eine andere Viskosität des Mediums – ölig statt wasserähnlich – führen zu Überlastung.
Auch Veränderungen am System, wie Rohrleitungsdurchmesser, zusätzliche Krümmer, Einbauten, Ventile, die nicht eine Anpassung der Pumpe nach sich ziehen, können Probleme verursachen. Bei selbstansaugenden Pumpen ist die maximale Saughöhe einzuhalten, um Kavitation zu vermeiden. Bei Betrieb mit Frequenz-umrichtern sind die zulässigen Grenzen zu beachten. Auch führt eine fehlende Rückschlagklappe bei einem getakteten Betrieb mit kurzen Laufzyklen der Pumpe, auf der Druckseite zu Schäden. Die schlagartige Drehrichtungsänderung führt zur Zerstörung des Laufradsitzes (Passfedernut o.ä.).
2.1.3. Förderung von Flüssigkeiten mit Feststoffen
Feststoffe werden sehr oft gepumpt. Vor allem in Kühlemulsionen bei Werkzeug-maschinen, Schleifschlamm, im Abwasserbereich, oder bei der Herstellung von Textilien, enthaltenen die Fördermedien bei bestimmten Prozessen beträchtliche Feststoffbestandteile.
Einen sehr hohen Einfluss auf das zeitliche und das quantitative Auftreten des Verschleißes haben folgende Parameter:
Drehzahl der Pumpen
Feststoffanteil in kg/l oder kg/m³ (%)
Kennzahl für Abrasivität
Durchfluss [m³/h]
Förderdruck [bar]
Härte der Feststoffpartikel (HV)Feststoffpartikel
Temperaturbeständigkeit
Schichtdicke (in μm)
Betriebs- oder Prozesstemperatur
Die Anforderungen an die Pumpe, die sich aus den zu fördernden Medien ergeben, können beispielhaft folgendermaßen definiert werden:
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Fördermedium:
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