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Pumpen müssen laufen, klar. Doch Kreiselpumpen sind keine Inseln: Da die Aggregate als Strömungsmaschinen selbstverständlich ein Kennfeld besitzen, kann der gewünschte Förderstrom nur im Zusammenspiel mit dem Anlagenbau erreicht werden. Wir zeigen Ihnen, worauf Sie bei Auswahl und Auslegung von Kreiselpumpen achten müssen.

Gibt es in der Technik überhaupt eine Entwicklung, die nur Vorteile bietet? Ist es nicht eher so, dass oft Nachteile mit in Kauf genommen werden müssen und es abzuwägen gilt, ob die Summe der Vorteile die Summe der Nachteile überwiegt? Anwender und insbesondere Planungsfirmen werden sich bei der Projektierung von Anlagen mit Kreiselpumpen immer wieder mit Fragen konfrontiert sehen:

Bei Umbauten oder Erweiterungen bestehender Anlagen wird oft auf das bereits eingesetzte Pumpenfabrikat vom Betreiber zurückgegriffen. Bei neuen Projekten jedoch sind in vielen Fällen mehrere Fabrikate freigegeben. Das gibt einerseits den mit der Planung beauftragten Unternehmen mehr Flexibilität bei der endgültigen Festlegung des Pumpenherstellers, andererseits ist der Aufwand höher bei der Auswertung aller Informationen.

Die Pumpe mit dem Dreh: Was sind Kreiselpumpen und wo werden sie verwendet?

Für die Beschaffung von Pumpen werden Spezifikationen erstellt, Angebote mehrerer Hersteller eingeholt und verglichen. Spätestens jetzt ist es an der Zeit, Informationen aus Pumpenkennlinien näher auszuwerten, denn in fast allen Kreiselpumpenkennlinien werden als Funktion der Pumpentype und Pumpengröße sowie der Drehzahl (n) und des Förderstromes (Q) folgende Kenngrößen grafisch dargestellt:

Die Mehrzahl der Kreiselpumpenkennlinien basieren auf Messergebnissen in den Prüffeldern der Hersteller, wobei – mit wenigen Ausnahmen – Kaltwasser bei ca. 15 °C als Prüfmedium verwendet wird. Damit hat sich in der Pumpentechnik der Begriff der «Wasserdaten» eingebürgert.

Die Kenngrößen bei Kreiselpumpen werden vor allem durch die Formgebung der drei Bauteile Laufrad, Spiralgehäuse und Gehäusedeckel bestimmt und in ihrer Summe als hydraulische Daten" der Pumpe bezeichnet. Es ist üblich, mit diesen drei Hydraulikteilen (allgemein als «Hydraulik» bezeichnet) unterschiedliche Ausführungen bzw. Bauarten durch konstruktive Adaptionen zu verwirklichen, so z.B. Pumpen mit Lagerträger, Blockpumpen, Pumpen mit Wellendichtung, Dauermagnetkupplung oder Spaltrohrmotor.

Die Hydrauliken bleiben dabei immer die gleichen, nur mechanische Anbauteile ändern sich. Man findet in vielen Pumpenkennlinien mehrere aufgeführte Baureihen, für die die vorliegenden Kennlinien gelten; man spricht dann oftmals von sogenannten "Kennlinienfamilien".

Herzschrittmacher für die Anlage – Hier sind die Top-Kreiselpumpen

Mit Ausnahme des NPSHr werden die Messungen i.d.R. in nicht drucküberlagerten Rohrleitungssystemen durchgeführt und die zu prüfende Pumpe ist normalerweise mit einer einfachwirkenden Gleitringdichtung als Wellendichtung ausgerüstet. Die Verlustleistungen heutiger Gleitringdichtungen unter solchen Prüfbedingungen sind derart gering, dass zur Ermittlung der rein hydraulischen Kenndaten Messergebnisse nur noch selten um diese Verluste korrigiert werden.

Die Mehrzahl der veröffentlichten Kennlinien enthalten bereits die Verlustleistung der Gleitringdichtung. Ein Beispiel für die Darstellung der typischen hydraulischen Daten einer Kreiselpumpe mit einfachwirkender Gleitringdichtung für einen vorgegebenen Betriebspunkt wird im untenstehenden Bild gezeigt. Der auftragsbezogene Laufrad-Abdrehdurchmesser wird durch dickere Linien hervorgehoben.

Kennlinien einer Kreiselpumpe mit einfachwirkender Gleitringdichtung (Bild: Peter Biebel/VCG)

Die rot gepunkteten Linien im Q-H-Kennfeld zeigen folgende Förderströme an:

Links = 0,2 ⋅ Qopt, wobei Qopt = Förderstrom im Punkt besten Wirkungsgrades

Bei der Förderung gefährlicher Medien (heiß, brennbar, toxisch) haben sich neben Pumpen mit mehrfachwirkenden Dichtsystemen auch Kreiselpumpen entweder mit Dauermagnetkupplungen (MAK) oder Spaltrohrmotoren (SRM) seit vielen Jahren bewährt.

Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem Fachbuch "Kreiselpumpen im Anlagenbau". Hier finden Sie nicht nur Tipps und Insights zur Pumpenauslegung und typische Fallstricke, sondern auch Betriebswissen und Engineering-Knowhow.

Magnetgekuppelte Aggregate kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn Pumpen mit Normabmessungen gefordert sind, denn sie können als Pumpe mit Lagerträger ausgeführt werden. Spaltrohrmotorpumpen sind immer Aggregate in Blockbauweise und erfüllen nicht marktgängige Forderungen nach Normabmessungen. Lediglich die Gehäusemaße entsprechen i.d.R. ISO 2858 oder EN 733. Dafür können Spaltrohrmotorpumpen aber für wesentlich höhere Drücke ausgelegt werden als magnetgekuppelte Pumpen, obwohl die Spaltrohre nur in etwa halb so dick sind wie Spalttöpfe.

Im Gegensatz zu Magnetkupplungspumpen besitzen Spaltrohrmotorpumpe nämlich keine rotierenden Außenrotoren. Diesen Vorteil macht man sich zunutze, indem sich das Spaltrohr auf der Ständerwicklung des Elektromotors abstützt. Somit können auch Drücke jenseits von 500 bar durchaus realisiert werden. Der Spalttopf der Magnetpumpe hingegen ist einseitig eingespannt und kann sich nicht abstützen. Er muss vor Beschädigungen durch den rotierenden Innen- und Außenrotor geschützt werden, um Zerstörungen zu vermeiden. Sein Einsatzbereich geht daher nur bis etwa 64 bar.

In jeder Spaltrohr- oder Magnetkupplungspumpe entstehen bei Betrieb Verluste. Diese werden zum einen hervorgerufen durch Wirbelströme, die immer dann entstehen, wenn elektrische oder magnetische Feldlinien einen beweglichen, elektrisch leitenden Gegenstand durchdringen. Durch Reibung der Flüssigkeit an rotierenden Bauteilen entstehen aber zusätzlich noch Viskositätsverluste und auch die Verluste innerhalb der Gleitlager dürfen nicht vernachlässigt werden, wobei diese vom Schmierzustand (Mischreibung oder Flüssigkeitsreibung) anhängig sind. In der Praxis unterscheidet man also zwischen Wirbelstromverlusten (Pv,W), Viskositätsverlusten (Pv,V) und Gleitlagerverlusten (Pv,GL).

Gleitlagerverluste sind in der Regel in den Viskositätsverlustberechnungen enthalten. Das Ziel ist es, alle Verluste möglichst gering zu halten, denn sie können durch unterschiedliche Maßnahmen beeinflusst werden. Werden Spalttöpfe einer MAK mit metallischen Werkstoffen verwendet, entstehen je nach Legierung mehr oder weniger hohe Wirbelströme. Kommen elektrisch nichtleitende Spalttopfwerkstoffe zum Einsatz (Keramik, Kunststoff), entstehen auch keine Wirbelströme. Eine Magnetkupplung mit kleinerem Spalttopfdurchmesser hat geringere Wirbelstrom- und Viskositätsverluste als mit größerem Spalttopf.

Wie Kreiselpumpen-Betreiber durch richtige Pumpenwahl und -konfiguration Ärger sparen

Die Kraftübertragung einer Dauermagnetkupplungen ist abhängig von den Faktoren:

Die gängigsten Magnetwerkstoffe sind Neodymium-Eisen-Bor (NdFeB), Samarium-Kobalt (SmCo) und Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo). Eine MAK gleicher Konstruktion kann sowohl mit NdFeB- als auch SmCo-Magneten bestückt werden, jedoch nicht mit AlNiCo-Magneten, weil die Magnetfelder der am Markt erhältlichen Magnetblöcke anders strukturiert sind als bei SmCo- oder NdFeB-Magneten. Der größte Vorteil von AlNiCo-Magneten liegt in den niedrigeren Energieverlusten bei hohen Temperaturen gegenüber allen sonstigen Magnetwerkstoffen. Da sie aber im Pumpenbau eher seltener zur Anwendung kommen, werden sie auch in den nachfolgenden Betrachtungen nicht berücksichtigt.

Bis ca. 120 °C bieten sich Magnete in NdFeB an, weil sie bei gleicher Temperatur und gleichen Abmessungen je nach Legierungen um ca. 20…25 % höhere Drehmomente übertragen können als SmCo-Magnete. Bis ca. 350 ° C werden heute Magnetkupplungen mit Samarium-Kobalt-Magneten – hier insbesondere in der Zusammensetzung Sm2Co17 – eingesetzt, einem weit verbreiteten Magnetwerkstoff im modernen Pumpenbau.

Die in der Tabelle angegebenen Drehmomente sind ungefähre Werte, abhängig vom Luftspalt (= Abstand zwischen den Magnetoberflächen) und der Remanenz. Der Luftspalt unterliegt zulässigen Fertigungstoleranzen, die Remanenz unterliegt herstellungsbedingten Schwankungen bis zu 10 %.

Wie eingangs erwähnt, erfolgt die Projektierung von Kreiselpumpen mit Magnetkupplungen auf Basis der gleichen Kennlinien, wie sie für Pumpen mit Wellendichtungen gemessen wurden. Im Auslegungspunkt (= Betriebspunkt) werden dann Zuschläge für die Verlustleistungen (Pv) hinzuaddiert und damit der Gesamtleistungsbedarf (P) ermittelt. Weniger oft wird dabei der korrigierte Gesamtverlauf von Wirkungsgrad und Leistungsbedarf gegenüber den Wasserwerten dargestellt, so wie im Bild gezeigt.

Übertragbare Drehmomente von Magnetkupplungen mit Sm2Co17-Magneten bei 20 °C (Bild: Peter Biebel/VCG)

In diesem Beispiel wurden Sm2Co17-Magnete mit einem Spalttopf in 2.4160 gewählt. Der Gesamtverlust der MAK beträgt 0,48 kW (gerundet auf 2 Kommastellen) und setzt sich zusammen aus Pv,W mit 0,42 kW und Pv,V mit 0,05 kW. Der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe reduziert sich damit von 59,5 % auf 54,9 % Prozentpunkte (ca. 10 % Einbuße).

Wirbelstrom-Verlustmomente von Magnetkupplungen mit Sm2Co17-Magneten bei 20 °C. Die unteren Linien gelten für Spalttopfwerkstoff 2.4610, die oberen Linien für Spalttopfwerkstoff 1.4571. (Bild: Peter Biebel/VCG)

Ändern sich Verfahrensdaten, greifen zu prüfende Faktoren ineinander, die in den folgenden Bildern gezeigt sind. Mit computergestützten Projektierungen der jeweiligen Positionen vereinfachen sich daher Überprüfung oder Neuauslegung enorm, da alle geänderten Parameter mit wenigen Eingaben und Mausklicks abgerufen werden können.

Viskositätsverluste als Funktion der Viskosität. In der Bezeichnung der Kennlinien gibt die erste Zahl den Spalttopfdurchmesser in mm an und die zweite Zahl nach dem Schrägstrich die Magnetlänge in mm. (Bild: Peter Biebel/VCG)

Diese Abbildung zeigt, dass bei Verwendung eines keramischen Spalttopfes (Zirkonoxid), aber ansonsten baugleicher Magnetkupplung, die Wirbelstromverluste eliminiert sind und somit der Gesamtwirkungsgrad fast wieder der gleiche ist wie bei Verwendung einer einfachwirkenden Gleitringdichtung.

Was aber in jedem Fall bleibt sind Viskositätsverluste, die gelegentlich bei Planungen nicht immer genügend berücksichtigt werden. Dies mag damit zusammenhängen, dass Kreiselpumpen in der Regel zur Förderung niedrigviskoser Medien eingesetzt werden, kann aber unangenehme Folgen haben, wie am nachfolgenden Beispiel verdeutlicht. Angenommen, eine Wärmeträger-Kreiselpumpe wird eingesetzt zur Umwälzung von Wärmeträgeröl in einer Industriebäckerei.

Die Förderdaten sind die gleichen wie die im Bild weiter oben. Die Betriebstemperatur liegt bei 300 ° C und um Geruchsbelästigungen zu vermeiden, die durch betriebsbedingte Leckagen an Gleitringdichtungen entstehen können (Lebensmittelbetrieb!), wird eine Dauermagnetkupplung verwendet. Es ergeben sich damit die gezeigten Kennlinien und ein Motor mit 5,5 kW Antriebsleistung wäre ausreichend.

Als visuelle Hilfe ist zusätzlich die Anlagenkennlinie gezeigt. In einem Wärmeträgersystem wird der Wärmeträger ständig im Kreislauf umgewälzt. Im Erhitzer nimmt er die Wärme auf und gibt diese im Verbraucher ab. In derart geschlossenen Systemen gibt es daher keinen geodätischen Höhenanteil. Da bei 300 °C die Viskositätsverluste der MAK mit 0,5 mm²/s derart gering sind, werden sie in Bild 19.18 mit 0 kW ausgewiesen (eine Frage der Kommastellen).

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Damit keine Gefahr des Überhitzens bei ruhendem Wärmeträgermedium besteht, dürfen Erhitzer erst eingeschaltet werden, nachdem die Umwälzpumpe in Betrieb ist (siehe VDI 3033, 4.6). Somit muss die Pumpe also auch die kalte Flüssigkeit fördern (Kaltstart). Flüssigkeiten ändern aber ihre Eigenschaften als Funktion der Temperatur und für das gewählte Beispiel gilt:

Ein Anstieg der Dichte und der Viskosität führt aber nicht nur in der Pumpenhydraulik zu Werten, die von den Wasserdaten abweichen, auch die Druckverluste im gesamten Rohrleitungssystem steigen an, die Anlagenkennlinie wird steiler. Problematisch erweist sich dabei die Ermittlung der tatsächlichen Anlagenkennlinie für das viskose Fluid.

Kennlinien einer magnetgekuppelten Kreiselpumpe mit metallischem Spalttopf. Dargestellt ist der Verlauf des korrigierten Wirkungsgrades und Leistungsbedarfs. (Bild: Peter Biebel/VCG)

Ist es noch einfach, Druckverluste in geraden Rohleitungsstücken bei höherer Viskosität zu berechnen, wird es jedoch schwieriger, diese für Einbauten und Armaturen zu ermitteln, weil oft keine Widerstandsbeiwerte (z) für erhöhte Viskositäten vorliegen. In der Thermalöltechnik hat sich daher für die Auslegung einer Kreiselpumpe die Faustformel bewährt, dass pro 1 mm²/s Viskositätsanstieg sich der Volumenstrom in einem Rohrleitungssystem um ca. 0,4% bei unveränderter Druckschieberstellung reduziert.

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Dies gilt allerdings nur für eine kinematische Viskosität bis ca. 100 mm²/s. Darüber hinaus sollte genau gerechnet werden. Wendet man diese Faustformel auf den hier vorliegenden Fall an, gilt:

Kennlinien einer Kreiselpumpe mit Magnetkupplung und Darstellung der Anlagenkennlinie (Bild: Peter Biebel/VCG)

Den Betriebspunkt bei Kaltstart erhält man als Schnittpunkt der viskositätskorrigierten Laufrad-Abdrehkennlinie mit der viskositätskorrigierten Anlagenkennlinie. Jetzt sind die Viskositätsverluste höher als die Wirbelstromverluste. Aber nicht nur das. In diesem Zustand ist auch der rein hydraulische Leistungsbedarf schon höher als die installierte Motorleistung. Ein automatischer Kaltstart dieser Pumpe ohne weitere, regelungstechnische Maßnahmen ist somit nicht durchführbar, ohne den Motor zu überlasten.

Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem Fachbuch "Kreiselpumpen im Anlagenbau". Hier finden Sie nicht nur Tipps und Insights zur Pumpenauslegung und typische Fallstricke, sondern auch Betriebswissen und Engineering-Knowhow.

Eine Möglichkeit wäre, den Förderstrom der Anlage mittels druckseitiger Armatur auf ca. 13 m³/h zu reduzieren. Damit ist zwar der Motor nicht mehr überlastet, doch ist das keine praktikable Lösung für alle Anwendungen. In z.B. industriellen Backanlagen werden Erhitzer vielfach samstags am späten Vormittag abgeschaltet und erst sonntags abends wieder zugeschaltet. Dabei hängt es vor allem von der Qualität der Isolierung der Bauteile ab, wie hoch der Wärmeverlust über diesen Zeitraum ist und auf welche Temperatur der Wärmeträger abkühlt.

Im schlimmsten Fall müsste ein Bäcker jeden Sonntagabend die Pumpe auf diese Art in Betrieb nehmen. Seine Kompetenz liegt aber im Backen, nicht im Anfahren von Pumpen. Es bietet sich daher eine Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter (FU) in diesem Beispiel viel eher an.

Reduziert man die Drehzahl auf etwa 2650 min–1, wird wieder der Punkt erreicht, bei dem der Gesamtleistungsbedarf der Pumpe den Leistungsbedarf des Motors nicht übersteigt. Dies deshalb, weil sich Leistungsparameter von Motoren und Kreiselpumpen im Verhältnis zu den Drehzahlen ändern wie folgt:

Drehzahlgeregelte Pumpen können ohne Änderung der druckseitigen Armatur in Betrieb genommen werden, ohne dass die Gefahr einer Desynchronisation der Magnetkupplung und eine Überlastung des Motors besteht. Alternativ zur Drehzahlregelung wird gerne die Stern-Dreieck-Schaltung des Antriebsmotors als kostengünstigere Anfahrhilfe für eine Magnetpumpe gewählt.

Auch wenn es gängige Praxis sein mag, ist diese Methode dennoch nicht empfehlenswert. Die Umschaltung von Stern auf Dreieck kann bei einem Motor zwischen 0,5…1,5 Sekunden dauern. Hat zu diesem Zeitpunkt die Pumpe bereits ein Drehmoment erreicht, das so hoch ist wie das Drehmoment des Motors bei Sternschaltung, wird der Innenrotor der Pumpe für diesen kurzen Zeitraum nicht weiter beschleunigt.

Erfolgt genau jetzt die Umschaltung von Stern auf Dreieck, steigt das Drehmoment des Motors schlagartig an und kann dabei zum Desynchronisieren (Abreißen) der Magnetkupplung führen, da das Trägheitsmoment der nicht mehr weiter beschleunigten Masse des Innenrotors der schlagartigen Beschleunigung des Außenrotors entgegenwirkt.

Weitere Vorteile der computergestützten Projektierung von Kreiselpumpen sind zum Beispiel:

Diese Richtlinie wurde erlassen zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte. Ihre Durchführung wird geregelt durch die Verordnung (EU) Nr. 547/201 im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Wasserpumpen. Alle Pumpen, die in den Geltungsbereich dieser Verordnung fallen und innerhalb der EU in Verkehr gebracht werden, müssen seit dem 1. Januar 2015 vorgegebene Mindestwirkungsgrade erfüllen. Diese Wirkungsgrade beziehen sich aber nicht nur auf den Bestpunkt (Qopt), sondern auch auf das Teillastgebiet (0,75 · Qopt) und auf das Überlastgebiet (1,1 · Qopt). In Bild 19.22 ist ein solches Beispiel gezeigt.

Entsprechend der Bauart, der Drehzahl und der spezifischen Drehzahl (nq) der Pumpe werden für jede eingepflegte Hydraulik die tatsächlich vorhandenen und die vorgeschriebenen Wirkungsgrade ermittelt, ausgewiesen und verglichen. Wird die Richtlinie nicht erfüllt, erscheinen entsprechende Warnhinweise.

Bei der Planung von schlüsselfertigen Großanlagen werden Projektingenieure nicht selten damit konfrontiert, bis zu hundert Pumpen auslegen zu müssen. Mit einer Software, die die Möglichkeit bietet, die vielfältigen Variablen auf einfache Art und Weise grafisch darzustellen, kann man sich sehr schnell einen Überblick verschaffen, welcher Hersteller mit welchem Produkt die meisten Auslegungskriterien – betrachtet über alle Pumpenpositionen – am besten erfüllt. Aber auch für Betreiber, die Normpumpen bevorraten, kann die Überlagerung von Kennlinien dann vorteilhaft werden, wenn eine ausgefallene Pumpe in Notfallsituationen schnell ersetzt werden muss, um den Betrieb weiterhin aufrechterhalten zu können. Normpumpen, beispielsweise solche nach EN 733 oder ISO 2858, haben den Vorteil, dass ihre äußeren Maße zwar identisch sind und somit die Pumpe eines anderen Herstellers in den Platz der ausgefallenen Pumpe eingebaut werden kann. Da aber jeder Hersteller eine eigene Hydraulik entwickelt hat, wird der erforderliche Betriebspunkt selten mit dem gleichen Laufraddurchmesser erreicht. Mit einer Software, die Darstellungen erlaubt, lässt sich der erforderliche Abdrehdurchmesser der Ersatzpumpe durch Überlagerung der Kennlinien sehr schnell ermitteln.

Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem Fachbuch "Kreiselpumpen im Anlagenbau". Hier finden Sie nicht nur Tipps und Insights zur Pumpenauslegung und typische Fallstricke, sondern auch Betriebswissen und Engineering-Knowhow.

* Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem Fachbuch "Kreiselpumpen im Anlagenbau"

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