Auslegung und Betrieb von Kreiselpumpen, Teil I

Schäden vermeiden

von Dipl.-Ing. Thomas Merkle

Für den wirtschaftlichen und störungsfreien Betrieb von ­Kreiselpumpen ist eine sehr gute Planung und Auslegung ­notwendig. ­Das Seminar „Auslegung und Betrieb von Kreiselpumpen“ an der Technischen Akademie Esslingen vermittelte wichtige Hinweise, wie Schäden minimiert und vermieden werden können. In zwei Teilbeiträgen werden die wichtigsten Ergebnisse vorgestellt.

Eine genaue Kenntnis zum Anlagenbetrieb und Vorliegen des Anlagenschemas erleichtert die Auswahl der Pumpe sehr. Vor allem Kosten lassen sich durch eine präzise Planung und exakte Bauausführung sparen. Wichtige Auslegungskriterien sind:

// Genauen Betriebspunkt festlegen ­(Anlagen- kennlinie, Pumpenkennlinie)

// Strömungsverluste berücksichtigen

// Sauganforderungen prüfen ­(Saugleitung, ob selbstansaugend)

// Betriebspunktanpassung (Drehzahl­regelung, Frequenzumrichter)

// Viskosität berücksichtigen (Wasser, Öl, andere Flüssigkeiten)

Sind die Kennwerte definiert und erfasst, lassen sich weitere Schritte mit verschiedener Software realisieren. Die Missachtung der Grundgesetze der Hydraulik, oft auch aus Kostengründen, führt zwangsweise zu Schädigungen in der Pumpe und im System. Vorausschauende Instandhaltung und gegebenenfalls der Einsatz eines Monitoringsys­tems sollten eingeplant werden. Die Strömungsoptimierung der Anlage schützt in jedem Fall langfristig vor Verschleiß.

Genaue Betriebspunktfestlegung

Pumpenauswahlprogramme ermöglichen die Bestimmung der Pumpe, die auf die entsprechende Anwendung zugeschnittene ist. Förderstrom, Fördermenge, Laufraddurchmesser, Motorart und Motorgröße und Einsatz eines Frequenzumrichters sind bestimmende Kriterien. Ist die Anlagenkenn­linie nicht bekannt, muss durch Druckverlustberechnung des Rohrleitungssystems mit den verschiedenen Einbauten die Charakteristik ermittelt werden. Zur Vorauswahl der Pumpengröße wird das Kennfeld herangezogen. Es sollte vermieden werden, die Pumpe an der Grenze ihres Kennfeldes zu betreiben. Eines der wichtigsten Auswahlkriterien zur Auswahl und Bestimmung der Pumpengröße ist die Q-H-Kennlinie. Die notwendige Förderhöhe H und der gewünschte Durchsatz bzw. Volumenstrom Q bilden die Basis für die genaue Auswahl der Pumpe. Weitere Angaben zur Förderaufgabe der Pumpe sind zusätzlich erforderlich. Temperaturbeständigkeit, Daten zu pH-Wert, Viskosität, Korrosivität sind ebenfalls dringend notwendig, um Schäden vorzubeugen. Muss die Pumpe selbstansaugend sein, ist dies ebenfalls ein wichtiges Kriterium.

Betriebspunkt und Anlagenkennlinie

Die Anlagenkennlinie ergibt sich aus einem statischen und einem dynamischen Teil. Der statische Teil setzt sich aus der geodätischen Höhe und dem Druckverlust der Anlage zusammen. Der dynamische Teil berücksichtigt die Strömungsverluste zwischen Ein- und Austritt der Anlage, die sich mit steigendem Förderstrom erhöhen. Zur Minimierung der Strömungsverluste empfiehlt sich eine Strömungsgeschwindigkeit von v= 2 bis 3 m/s. Die Rohrleitungsdurchmesser sind entsprechend auszuwählen. Der Betriebspunkt stellt sich in Abhängigkeit von Drosselkurve und Anlagenkennlinie automatisch auf den Schnittpunkt dieser beiden Linien ein.

Die Förderhöhe der Anlage ergibt sich aus:

H_Anlage = H_stat + H_geo + H_dyn + H_v
H_stat = statischer Druck
H_geo = geodätische Höhe
H_dyn = dynamische Druckverlust
H_v = Anlagenverluste

Zur Erhöhung der Fördermenge können Pumpen im Parallelbetrieb laufen. Soll der Förderdruck erhöht werden, lassen sich Pumpen in Reihe schalten. Verschiedene Softwareprogramme zur Pumpenauswahl sind am Markt verfügbar. Abb. 1 stellt eine kurze Beschreibung dar.

Voraussetzung für die exakte Pumpenauswahl ist, dass das Einsatzgebiet, die Anlagenkennlinie, die genauen Betriebsparameter sowie der voraussichtliche Pumpentyp bekannt sind. Mithilfe der Auswahlprogramme können dann relativ schnell die Daten der passenden Pumpe ermittelt werden.

Das Diagramm (Abb. 2) zeigt die Ergebnisse einer Beispielrechnung nach Eingabe der Betriebsparameter. Die gewünschte Förderhöhe beträgt 30?m (3,0bar) bei einem Volumenstrom von 75m³/h. Die Optimierung wird hier durch Anpassung des Laufraddurchmessers erreicht. Das Laufrad wird auf einen Durchmesser von 184,3mm abgedreht. Der Wirkungsgrad im Betriebspunkt beträgt hier 58% bei einer Leistungsaufnahme des Motors von 9,86kW.

Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter

Eine sehr effektive Maßnahme, v.a. auch zur Kosten- und Energieeinsparung, bietet sich durch Drehzahlregelung der Pumpen an. Durch langsames Anlaufen wird der Motor geschont, sodass es nicht zu Überspannungsproblemen kommt (Rampenschaltung). Durch den Einsatz eines Frequenzumrichters, der die Drehzahl dem Bedarf anpasst, können der Stromverbrauch und damit auch die Kosten proportional der Volumenstromreduzierung eingespart werden. Durch Erhöhung der Frequenz (z.B. von 50Hz auf 60Hz) ändern sich folgende Förderdaten (siehe Tabelle):

// Drehzahl (3000 1/min = 3600 1/min) [ x 1,2]

// Fördermenge (Q₂ = Q₁ x 1,2)

// Förderhöhe (H₂ = H₁ x 1,2²)

// Förderleistung (P₂ = P₁ x 1,2³)

Maßnahmen zur Störungsvermeidung

Durch langjährige Erfahrungen mit Schäden an Pumpen ist es möglich, nach genauer Analyse des Schadens Rückschlüsse auf die Ursachen der Schädigung zu ziehen. Das Lernen aus den Schadensbildern kann durch vorausschauende Instandhaltung schon im Vorfeld des sich anbahnenden Schadens zu einer Schadensvermeidung führen. Ergeben sich aufgrund der Überwachung des Betriebs der Pumpen Erkenntnisse, die einen wiederkehrenden Schaden prognostizieren lassen, sind konstruktive Änderungen die am nächsten liegende Maßnahme. Sind verschleißfördernde Betriebszustände wie das Fördern von feststoffbehafteten Medien wie beispielsweise Kühlemulsion, die mit Metallspänen oder Schleifstaub verunreinigt ist, zu befürchten, kann der zu erwartende Schaden mithilfe einer Strömungs- und Verschleißsimulation vorausberechnet werden. Oberflächenbeschichtungen bieten als Option eine verschleißmindernde Veredlung der Bauteile.

Strömungssimulation

Um die Strömung des zu fördernden Mediums in Laufrad und Spiralgehäuse genauer analysieren zu können, kann durch entsprechende Software der Strömungsverlauf berechnet werden. Zur Berechnung werden die Geometriedaten der Pumpe mit der Software aufbereitet und als Vorbereitung für die Berechnung der Strömung anschließend vernetzt (Gitternetz). Durch die Simulation unterschiedlicher Betriebszustände lässt sich ein Schadensbild erstellen. In Versuchen hat sich gezeigt, dass die Schadensbilder mit den Ergebnissen der Strömungssimulation sehr gut übereinstimmen (Abb. 3 und 4).
Basierend auf den Simulationsergebnissen lassen sich konstruktive Maßnahmen oder Bauteilveränderungen ableiten.

Lesen Sie in der nächsten Ausgabe Teil II: Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden, zustandsorientierten Instandhaltung

Bild: © www.123rf.com | texelart; panthermedia | Krisdog