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Charakteristik einer Kreiselpumpe
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Kreiselpumpen sind Strömungsmaschinen zur Energieerhöhung in einem rotierenden Laufrad. Man spricht auch vom hydrodynamischen Förderprinzip.
Bei diesem Prinzip wird das Fördermedium mit Hilfe des Laufrades beschleunigt. Die daraus resultierende Geschwindigkeitserhöhung des Fördermediums wird im Druckstutzen der Kreiselpumpe in Förderhöhe umgesetzt. (Fig. 1)
Q/H-Kennlinie
Bei Kreiselpumpen ist die Förderhöhe H vom Förderstrom Q abhängig. Diese Abhängigkeit, man sagt auch das Betriebsverhalten der Pumpe, wird in Kennlinien dargestellt.
Auf dem Prüfstand wird die Pumpe bei konstanter Drehzahl „durchgefahren“ und die Werte Q und H für verschiedene Betriebspunkte ermittelt. Diese Messungen erfolgen ausschließlich mit Wasser, um verschiedene Pumpentypen miteinander vergleichen zu können. Diese Meßwerte – in ein Diagramm eingetragen und miteinander verbunden – ergeben die Q/H-Kennlinie.
Haben wir nun für eine Anlage die Fördermenge Q festgelegt und die Förderhöhe H berechnet, so erhalten wir den Anlagen-Betriebspunkt. Dieser liegt meist nicht auf der Q/H-Kennlinie der Pumpe. In Abhängigkeit von der geforderten Förderhöhe sucht sich die Kreiselpumpe ihren Betriebspunkt selbst auf der Kennlinie im Schnittpunkt von Anlagen und Pumpenkennlinie. Die Fördermenge steigt von Q1 auf Q2. (fig. 2)
Den gewünschten Betriebspunkt erreichen wir nur durch Anpassung der Pumpe an die vorgegebenen Betriebsbedingungen.
Dies kann durch folgende Maßnahmen erfolgen:
Drosselung des Förderstromes
Durch teilweises Schließen eines Drosselventils oder den Einbau einer Blende in die Druckleitung der Pumpe vergrößern sich die Rohrleitungsverluste. Die Anlagen-Kennlinie verschiebt sich.
Der Betriebspunkt B1 (Schnittpunkt zwischen Pumpenkennlinie und Anlagenkennlinie) wandert auf der Pumpenkennlinie nach B2. (fig. 3)
Hinweis: Drosseln verschlechtert den Gesamtwirkungsgrad.
Die Drosselregelung oder der Einbau einer Blende ist im Hinblick auf die Investitionskosten eine günstige Regelungsart. Bei größeren Antriebsleistungen sollte in jedem Fall eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung vorgenommen werden.
Blendenberechnung
Der bleibende Druckverlust in einer Blende kann vereinfacht berechnet werden:
ρ [kg/m3] | |
Dpv = ζ x ρ/2 x (v1)2 x 10-5 | v1 [m/s] |
pv [bar] |
(fig. 4)
Die ζ-Werte können aus der untenstehenden Tabelle entnommen werden.
Öffnungsverhältnis m = (d/D)2 | Widerstandzahl ζ |
0.05 | 800 |
0.1 | 250 |
0.2 | 50 |
0.3 | 20 |
0.4 | 4 |
Rechengang:
• Wert für d annehmen, aus Tabelle z ablesen, DpV berechnen.
• Weicht DpV vom erforderlichen Wert ab, neuen Wert für d annehmen und DpV erneut berechnen
Korrektur des Laufrad-Durchmessers
Eine Korrektur des Laufrad-Durchmessers wird vorteilhaft dort angewendet, wo eine dauernde Verringerung des Förderstromes bzw. der Förderhöhe erwünscht ist. Die Förderleistung der Pumpe wird, bei gleichbleibender Pumpendrehzahl, durch Verringern des Laufrad-Durchmessers an den gewünschten Betriebspunkt angepaßt.
Der Betriebspunkt verschiebt sich von B1 nach B2 , dem Schnittpunkt der neuen Pumpenkennlinie und der Anlagenkennlinie. (fig. 5)
Der erforderliche Laufraddurchmesser kann leicht mit folgenden Formeln näherungsweise berechnet werden:
N = Antriebsleistung | ||
Q1/Q2 » H1/H2 » (D1/D2)2 | N1/N2 » (D1/D2)3 | D = Laufrad-Durchmesser |
Q = Förderstrom | ||
H = Förderhöhe |
Hinweis: Der Wirkungsgrad der Pumpe verschlechtert sich um so mehr, je stärker korrigiert wird.
Regelung der Pumpendrehzahl
Durch Verändern der Pumpendrehzahl mit einem regelbaren Getriebe oder Frequenzumrichter können stufenlos eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebspunkte angefahren werden. Der Betriebspunkt verändert sich auf der Pumpenkennlinie von B1 in Richtung B2. (fig. 6)
Vom Gesamtwirkungsgrad her ist dies die günstigste Regelung des Förderstromes. Durch das Regelgetriebe oder den Frequenzumrichter entstehen allerdings zusätzliche Kosten, die in einer Wirtschaftlichkeitsberechnung zu bewerten sind.
Die Fördermenge ändert sich linear zur Drehzahl.
Die Förderhöhe ändert sich mit dem Quadrat der Drehzahl.
Die Antriebsleistung ändert sich mit der dritten Potenz der Drehzahl.
Pumpen parallel geschaltet
Bei der Parallelschaltung von Pumpen addieren sich die Förderströme bei der entsprechenden Förderhöhe. Dies gilt sowohl für Pumpen mit gleicher als auch für Pumpen mit ungleicher Q/H-Kennlinie. (fig. 7)
Pumpen hintereinander geschaltet
Eine mehrstufige Kreiselpumpe kann man sich als Reihenschaltung von einzelnen Pumpen vorstellen.
Zu beachten ist:
Eine stehende Pumpe stellt im Rohrleitungssystem einen erheblichen Widerstand dar. Bei der Reihenschaltung sind deshalb Bypass-Leitungen zu installieren.
Bei der Reihenschaltung von Kreiselpumpen addieren sich die Förderhöhen bei entsprechendem Förderstrom zu der gemeinsamen Pumpenkennlinie (- - -). (fig. 8)
Kavitation
Kavitation zeigt sich durch starke Geräuschentwicklung der Pumpe. Gleichzeitig geht die Pumpenleistung stark zurück.
Wie entsteht Kavitation bei Kreiselpumpen?
Der niedrigste Druck tritt direkt am Laufradeingang der Pumpe – dem Saugmund – auf. Hier kann durch örtliche Druckabsenkung Flüssigkeit verdampfen. Es entstehen winzig kleine Dampfblasen. Diese werden von der Flüssigkeit mitgerissen und zerfallen schlagartig, wenn sie wieder in Bereiche mit höherem Druck geraten. Dabei können Druckspitzen von bis zu 100.000 bar entstehen.
Wird die Pumpe nun längere Zeit unter Kaviatationsbedingungen betrieben, entsteht am Laufrad der Pumpe, am Pumpendeckel und -gehäuse starker Verschleiß. Die Oberfläche bekommt eine löchrige, narbenartige Struktur.
Wie vermeiden wir Kavitation?
Dampfdruck
Wir müssen dafür sorgen, daß an jeder Stelle in der Pumpe der Druck des Fördermediums über dessen Dampfdruck bei der jeweiligen Temperatur liegt. Der Dampfdruck wird aus Tabellen des entsprechenden Fördermediums entnommen.
Der NPSH-Wert der Anlage muß mindestens 0,5 m höher sein als der NPSH-Wert der Pumpe.
Für einen sicheren, kavitationsfreien Betrieb gilt:
NPSHAnlage + 0,5 m > NPSHPumpe
Der Dampfdruck des Fördermediums ist temperaturabhängig. Er steigt mit steigender Temperatur des Fördermediums.
Bei wechselnden Temperaturen des Fördermediums ist bei der Ermittlung des NPSH-Wertes der Anlage immer der höchste Wert des Dampfdruckes anzusetzen.