Allgemeine Information zu Pumpen

Im Kostenfunktionsserver werden Pumpen wie folgt unterschieden:

		Fördermenge	-höhe	Einsatzgebiet
Heizungsumwälzpumpen	Nassläufer	gering	bis ~ 18 m	geschlossener Heizungskreislauf
Zirkulationspumpen	Nassläufer	gering	bis ~ 10 m	Brauchwasserversorgung Fernwärmesystem
Inline-/Blockpumpen	Trockenläufer	hoch	bis ~ 50 m	Frisch- und Kühlwasser Speisewasser Druckerhaltung Kondensat

Pumpen dienen dem Fördern von Flüssigkeiten oder Gasen über eine Höhendifferenz. Sie vergrößern dabei den Druck oder die Geschwindigkeit des zu fördernden Mediums.

Da Pumpen in vielfältigen Einsatzgebieten Anwendung finden können, gibt es eine große Anzahl verschiedener Ausführungstypen. Sie unterscheiden sich in Aufbau, Wirkungsweise, Aufstellungsart und der Konstruktion des Laufrades. So ist es möglich, für recht unterschiedliche Anforderungen - wie beispielsweise das Fördern großer Volumenströme, viskoser Flüssigkeiten oder Gase - eine geeignete Pumpe zu finden.

Im Rahmen des KF-Servers spielen im Wesentlichen die nicht selbstansaugenden Strömungspumpen (Kreiselpumpen) eine Rolle. Darum wird auf diese im Folgenden näher in Hinblick auf Bauart, Aufstellungsart sowie Regelungsart eingegangen.

Kreiselpumpen

Die am weitesten verbreitete Strömungspumpe ist die Kreiselpumpe (siehe Abb.1). Kreiselpumpen sind Strömungsmaschinen, die mechanische Arbeit durch ein angetriebenes Laufrad auf die zu fördernde Flüssigkeit übertragen. Die Energieübertragung ist beendet, sobald die Flüssigkeit die Laufradkanäle verlässt. Dabei werden Druck und Geschwindigkeit erhöht.

Kreiselpumpe mit Spiralgehäuse [1]

Generell gilt bei einer normal ansaugenden Pumpe, dass bei Saugbetrieb der Fördervorgang nur eingeleitet werden kann, wenn sowohl die Pumpe als auch deren Saugleitung mit Förderflüssigkeit gefüllt sind. Außerdem muss die Pumpe entlüftet, also frei von Gasblasen sein. Diese Kriterien müssen auch während des Betriebes gegeben sein, weil normal ansaugende Pumpen nur einen begrenzten Gasstrom innerhalb der Flüssigkeit mitzufördern vermögen. Die Grenze liegt bei Kreiselpumpen mit Radialrädern normaler Bauart bei Volumenanteilen des Gases von ca. 5-7%; bei Laufrädern in offener Ausführung, sprich Laufrädern ohne Deckscheibe, bis ca. 10%.

Die einzelnen Kreiselpumpen werden nach ihrer Aufstellungsart unterschieden. Dabei können je nach Platzangebot in einer Anlage verschiedene Bauformen einer Pumpe eingesetzt werden, die dabei aber das gleiche Wirkprinzip verfolgen. Dadurch wird je nach Einsatzbedingung ermöglicht, dass eine Pumpe beispielsweise unmittelbar an, oder sogar in einem Behälter montiert werden kann. Kreiselpumpen werden sowohl in Grundplattenbauweise als auch als Block-, Inline- oder Tauchpumpe angeboten.

Zunächst lassen sich die Pumpen grob in Nass- und Trockenläuferpumpen unterteilen. Der Unterschied liegt darin, dass der Antriebsmotor der Nassläuferpumpen über ein Spiralgehäuse an das Gehäuse des wasserführenden Systems angebracht wird. So übernimmt das Heizungswasser selbst die Aufgabe der Lagerschmierung. Nachteilig daran sind allerdings recht niedrige Wirkungsgrade, weshalb diese Bauweise eher für kleine Fördermengen verwendet wird. Anwendungsgebiete hierfür sind beispielsweise für Heizungsumwälzpumpen die geschlossenen Kreisläufe von Heizungsanlagen in Wohnhäusern sowie die Brauchwasserversorgung, bei der allerdings in der Regel Zirkulationspumpen eingesetzt werden. Beide Varianten sind auch in Fernwärmesystemen zu finden. Zur Förderung von Frisch- und Kühlwasser sowie großer Fördermengen werden dagegen Trockenläuferpumpen genutzt. Deren Motoren kommen nicht mit dem geförderten Wasser in Berührung, haben dadurch geringere Reibungsverluste und erreichen somit höhere Wirkungsgrade. Solche Pumpen finden sich im Wesentlichen als Block- sowie Inlinepumpen, wobei ein Einsatzgebiet beispielsweise die Förderung von Speise- oder Kühlwasser ist. Auch Druckhalte- sowie Kondensatpumpen sind in dieser Bauweise konstruiert.

Bei der Grundplattenbauweise werden Pumpe und Motor auf einer gemeinsamen Grundplatte befestigt und über eine Kupplung zueinander ausgerichtet. Die Vorteile sind eine freie Auswahl der Antriebsmaschine und der Antriebsart. Die Nachteile sind der hohe Platzbedarf und die genaue Ausrichtung von Pumpe und Motor. Bei der Blockbauweise hingegen werden die einzelnen Teile durch einen Flansch oder sogar direkt miteinander verbunden, um Platz zu sparen. Dadurch können aber nur bestimmte Antriebsgrößen verwendet werden. Eine Weiterentwicklung ist die Inlinepumpe, die direkt in eine gerade Rohrleitung integriert werden kann.

Auslegung von Pumpen

Bei der Auslegung von Pumpen muss zum einen die Kennlinie der Pumpe selbst, die sogenannte Drosselkurve, und zum anderen die Kennlinie der Anlage berücksichtigt werden. Der Schnittpunkt beider ist der Betriebspunkt der Pumpenanlage.

Der zugehörige Wirkungsgrad kann mit Hilfe von

bestimmt werden. Dabei beschreibt der Zählerterm die Arbeit, die benötigt wird, um die geförderte Menge um die Höhe H anzuheben, und der Nennerterm die aufgebrachte Motorleistung.

Drosselkurve und Anlagenkennlinie [2]

1. Anlagenkennlinie

Die Förderhöhe H_A (Förderhöhenbedarf) der Anlage ist die von der Pumpe aufzubringende Förderhöhe, um den Förderstrom in der Anlage aufrechtzuhaltend. Der Verlauf wird als Anlagen- oder Rohrkennlinie bezeichnet:

Hierin ist:

	der Druckhöhenunterschied zwischen Ein- und Austritt der Anlage
	die geodätische Förderhöhe, Höhendifferenz der Höhenlagen zwischen Ein- und Austritt der Anlage
	die Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen Ein- und Austritt der Anlage; hängt vom geförderten Volumenstrom ab ()
	Förderhöhenverlust in der Saug- bzw. Zulaufleitung der Anlage, vom Eintrittsquerschnitt Ad bis zum Eintrittsquerschnitt As der Pumpe, einschließlich Einlaufverluste und Verluste durch Formstücke, Armaturen, Apparate, Wandreibung usw.
	Förderhöhenverlust in der Druckleitung der Anlage, vom Austrittsquerschnitt Ad der Pumpe bis zum Austrittsquerschnitt Aa der Anlage, einschließlich Auslassverluste und Verluste durch Formstücke, Armaturen, Apparate, Wandreibung usw.

Die Anlagenkennlinie setzt sich aus einem vom Volumenstrom unabhängigen Teil, der sogenannten statischen Förderhöhe

und einem quadratisch mit dem Volumenstrom steigendem Teil, der sogenannten dynamischen Förderhöhe

zusammen. Es gilt also

Dabei nimmt allerdings die dynamische Förderhöhe nur einen Anteil von wenigen Prozentpunkten der gesamten Förderhöhe ein.

2. Pumpenkennlinie

Die Pumpenkennlinie zeigt den Zusammenhang zwischen dem geförderten Volumenstrom und der Förderhöhe und wird meist vom Anlagenhersteller auf einem Prüfstand ermittelt. Die nachstehende Abbildung zeigt die verschiedenen Kenngrößen einer Pumpe in Abhängigkeit des Volumenstroms.

Verschiedene Kenngrößen in Abhängigkeit des Volumenstroms

1. Förderhöhe

   

2. Wirkungsgrad

   

3. NPSH-Wert der Pumpe

   

   (dient der Beschreibung des Kavitationszustands einer Pumpe; Differenz zwischen dem im Saugstutzen herrschenden Totaldruck und dem Dampfdruck)

4. Leistungsaufnahme der Pumpe

   

Die Kennlinien werden bei konstanter Drehzahl n aufgenommen. Mit dem maximalen Wirkungsgrad η_max ist der Bestpunkt mit H_opt, P_opt, NPSH_opt, V_opt bestimmt. Der Nennbetriebspunkt sollte möglichst nahe beim Bestpunkt liegen.

Da die Drosselkurve mit Hilfe von experimentellen Messungen ermittelt wird, sollte ein numerisches Verfahren zur Darstellung einer Funktion zur Näherung der wirklichen Drosselkurve verwendet werden.

Regelung des Volumenstroms

Der Volumenstrom einer Anlage schwankt je nach Anforderung zwischen Teillast (TL), Nennlast (N) und Volllast (VL). Die Möglichkeiten einer Anpassung des Betriebspunktes sind:

• Veränderung der Anlagenkennlinie (z.B. durch Bypass- und Drosselregelung)
• Veränderung der Pumpenkennlinie (z.B. durch Drehzahlregelung)

Eine weitere Möglichkeit der Leistungsregelung besteht in einem wechselnden Betrieb mehrer Pumpen (z.B. Tag- und Nachtbetrieb). Im Rahmen des KF-Servers werden die Betriebskosten sehr konservativ abgeschätzt, da für die Leistungsaufnahme der maximale Wert der Pumpenkennlinie gewählt wird.

1. Drosselregelung

Drosselregelung (nach [1])

Bei der Drosselregelung wird mit einem Schieber die Verlusthöhe und damit verändert. Dabei ist der Schieber in Nennlast angedrosselt, bei Teillast geschlossen und bei Volllast geöffnet.

Die Anlagenkennlinie wird bei der Drosselung steiler, so dass sich der Betriebspunkt zu kleineren Fördermengen verschiebt. Die überschüssige Strömungsenergie, die im Schieber dissipiert, beträgt:

Da der Schieber bis auf den Betrieb bei Volllast immer angedrosselt ist, ergibt sich ein schlechter regelungstechnischer Wirkungsgrad zu

2. Bypassregelung

Bypassregelung (nach [2])

Bei einem Bypass, einer parallel zur Pumpe angeordneten Rückführleitung mit Schieber, wird ein Teil des Förderstroms auf der Druckseite der Pumpe entnommen und der Saugseite wieder zugeführt. Da der Schieber, wie bei der Drosselregelung, immer angedrosselt ist, ergibt sich auch hier ein schlechter regelungstechnischer Wirkungsgrad aus dem Nennvolumenstrom V_N und dem tatsächlich geförderten Volumenstrom V.

Die dissipierte Energie ergibt sich auf die gleiche Weise wie bei der Drosselregelung.

Aus diesem Grund kann die Berechnung der Teillastkurve für Bypass- und Drosselregelung auf die gleiche Weise erfolgen mit:

Sowohl die Drossel- als auch die Bypassregelung kann bei allen im Rahmen des KF-Servers betrachteten Pumpen Anwendung finden, die nicht elektronisch geregelt sind.

3. Drehzahlregelung

Drehzahlregelung (nach [2])

Durch die Änderung der Drehzahl der Pumpe ändert man ihre Kennlinie. Es gelten dann die Affinitätsgesetze wie folgt:

; ;

Ist die Drosselkennlinie für eine Nenndrehzahl bekannt, so lässt sie sich für eine andere Drehzahl umrechnen. Der Schnittpunkt dieser neuen Drosselkennlinie ergibt den neuen Betriebspunkt B. Die Drehzahlregelung passt den Förderstrom ohne Drosselverluste an veränderte Betriebsverhältnisse an.

Es gilt:

Eine elektronische Drehzahlregelung gibt es sowohl für Naß- als auch für Trockenläuferpumpen. Meistens wird sie bei einer Regelung von Pumpen mit geringerer Leistung angewendet, d.h. bei Heizungsumwälz- und Zirkulationspumpen.

Die Berechnung der Teillastkurve für eine Drehzahlregelung erfolgt über

4. Leitschaufelverstellung

Durch eine Verstellung des Schaufelwinkels ist ebenfalls eine Veränderung des Volumenstroms und somit des Wirkungsgrades zu erzielen. Diese Regelungsart spielt allerdings bei den im Rahmen des KF-Servers betrachteten Pumpen keine Rolle.

Literatur

[1]	Vorlesungsskript Pumpen; Prof. Dr.-Ing. K. Schwarzer; FH Aachen SS 2003
[2]	Vorlesungsskript Kreiselpumpen; Prof. Dr.-Ing. J. Thönnisen , FH Ulm WS 02
[3]	Pumpenkennfeld; Prof. Dr.-Ing. J. Thönnisen , FH Ulm WS 02