Vorgehensweise zur Bestimmung der Anlagenkennlinie

Zuletzt geändert am 06.06.2009 um 20:24

Bei der Planung einer Kreiselpumpenanlage fließen eine Menge wichtiger Faktoren und Berechnungen ein, damit ein Störungsfreier Betrieb überhaupt möglich ist. Daher benötigt der Pumpenhersteller vom Betreiber im Vorfeld einige wichtige Anlagendaten um die Pumpen den vorhandenen Gegebenheiten anzupassen. Welche Angaben in dieses Prozedere mit einfließen, wird in diesem und den nachfolgenden Kapiteln erläutert. Dabei beschränke ich mich nur auf die Mindestanforderungen. Tiefergreifende Berechnungen und Angaben, die unter Umständen mit in die Auslegung einer Kreiselpumpenanlage mit einfließen, bleiben hier unbeachtet. Wer sich tiefer mit der Berechnung und Auslegung von Pumpen beschäftigen möchte, dem empfehle ich Bücher, die sich eingehend mit diesem Thema auseinander setzen.

Im Folgenden werden alle Angaben und Berechnungen aufgeführt, die im Vorfeld bestimmt werden müssen. Die Ergebnisse fließen später bei der Auslegung der Kreiselpumpenanlage mit ein.

- Bestimmung von Fördermenge (Q) und Förderhöhe (H)

Die Angaben über Fördermenge (welche Menge will ich fördern), Förderhöhe (wie hoch will ich fördern) und Förderdruck werden vom Betreiber ermittelt bzw. vorgegeben und bilden die Grundlage zur Auslegung einer Pumpe.

• Der Förderstrom Q ist der von der Pumpe durch ihren Austrittsquerschnitt (Druckstutzen) geförderte nutzbare Volumenstrom (Flüssigkeitsvolumen pro Zeiteinheit). Die gebräuchlichen Einheiten für den Förderstrom sind m³/s, m³/h und l/s. Für die Auslegung einer Pumpe muß der Förderstrom möglichst genau bestimmt werden.
• Die Förderhöhe H einer Pumpe ist die von der Pumpe auf die Förderflüssigkeit übertragene, nutzbare mechanische Arbeit, bezogen auf die Gewichtskraft der geförderten Flüssigkeit bei der örtlichen Fallbeschleunigung. Sie ist proportional dem Quadrat der Drehzahl des Laufrades und unabhängig von der Dichte der Förderflüssigkeit. Das bedeutet, das eine Kreiselpumpe eine Flüssigkeit, unabhängig von ihrer Dichte auf die gleiche Förderhöhe fördert.
• Hohe Dichten erhöhen den Förderdruck (DeltaP) und damit den Enddruck der Pumpe. Der Enddruck ist die Summe aus Förderdruck und Zulaufdruck und ist durch die Gehäusefestigkeit begrenzt.

- Bestimmung der Saug- bzw. Zulaufverhältnisse (Statischer Anteil der Anlagendaten)

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, eine Flüssigkeit von A nach B zu fördern. Dabei kommt es in erster Linie darauf an, woher die Pumpe ihre Flüssigkeit bezieht bzw. ihr zugeführt wird und wohin sie die Flüssigkeit fördern soll. Dabei unterscheidet man zwischen zwei grundlegenden Konstruktionsarten.

Der Saugbetrieb

Bei dieser Betriebsart muß sich die Pumpe die zu fördernde Flüssigkeit über einen tiefer gelegenen Behälter selber ansaugen.

• Der Höhenunterschied vom anzusaugenden Flüssigkeitsspiegel bis Mitte Pumpensaugstutzen nennt man die geodätische Saughöhe Hsgeo. 
• Der gesamt Höhenunterschied von saug- und druckseitigem Flüssigkeitsspiegel nennt man die geodätische Förderhöhe Hgeo
• Die Drucksteigerung von Mitte Pumpenansaugstutzen bis druckseitigem Flüssigkeitsspielgel bezeichnet man als geodätische Druckhöhe Hdgeo. 

1. Offener Druckbehälter mit Rohrmündung unter dem Flüssigkeitsspiegel
2. Geschlossener Druckbehälter mit freiem Auslauf aus dem Rohr
3. Geschlossener Druckbehälter mit Rohrmündung unter dem Flüssigkeitsspiegel
4. Geschlossener Saugbehälter
5. Offener Saugbehälter

Der Zulaufbetrieb

Bei dieser Betriebsart wird der Pumpe die Flüssigkeit über einen höher gelegenen Behälter zugeführt. 

• Der Höhenunterschied des zulaufenden Flüssigkeitsspiegels und Mitte Pumpensaugmund nennt man die geodätische Zulaufhöhe Hzgeo. 
• Der gesamt Höhenunterschied von saug- und druckseitigem Flüssigkeitsspiegel nennt man die geodätische Förderhöhe Hgeo.
•  die Drucksteigerung von Mitte Pumpenansaugstutzen bis druckseitigem Flüssigkeitsspielgel bezeichnet man als geodätische Druckhöhe Hdgeo. 

1. Offener Druckbehälter mit Rohrmündung unter dem Flüssigkeitsspiegel
2. Geschlossener Druckbehälter mit freiem Auslauf aus dem Rohr
3. Geschlossener Druckbehälter mit Rohrmündung unter dem Flüssigkeitsspiegel
4. Geschlossener Zulaufbehälter
5. Offener Zulaufbehälter

Für jede Kombination aus den oben aufgeführten Kriterien ergeben sich andere Berechnungsgrundlagen, die beachtet werden müssen. Hier auf jede einzeln einzugehen würde aber den Rahmen dieses Projektes sprengen. Wichtig ist, das durch Berechnung von Saug- bzw. Zulaufverhältnissen die Förderhöhe der Anlage und damit der NPSH-Wert der Anlage bestimmt wird, die für die spätere Pumpenauslegung eine wichtige Rolle spielt. 

- Druckverluste bzw. Strömungswiderstände (Dynamischer Anteil der Anlagendaten)

Der statische Anteil der Anlagendaten bildet in Zusammenhang mit den dynamischen Anteilen der Anlagendaten die sogenannte Anlagenkennlinie.
Die dynamischen Anlagendaten bilden die Druckhöhenverluste oder auch Strömungswiderstände genannt, die in der Rohrleitung, in Formstücken, Armaturen usw. auftreten. Auch die Strömungsart muß berücksichtig werden, ob es sich um eine lineare oder aber um eine Turbolente Störmung handelt. Diese Höhenverluste müssen durch Berechnungen ermittelt werden und fließen in die Anlagenkennlinie mit ein. Da die Berechnungen der diversen Verluste sehr komplex ausfallen kann, beschränke ich mich hier nur auf die Tatsache, das diese Berechnungen für einen störungfreien Betrieb einer Kreiselpumpenanlage in jedem Fall erforderlich sind.

- Die Anlagenkennlinie (statischer Anteil und dynamischer Anteil)

Das Zusammenwirken der statischen Anteile (Förderhöhe) Hgeo und der dynamischen Anteile (Verlusthöhe) Hv bildet die sogenannte Anlagenkennlinie (Fördehöhe der Anlage) Ha in den geschlossenen Rohrleitungen und Armaturen.
Die statische Förderhöhe Hgeo ist gegeben durch den Höhenunterschied zwischen Saug- und Druckwasserspiegel und dem Druckunterschied zwischen Saug- und Druckbehälter. Die Verlußthöhe Hv ändert sich annähernd quadratisch mit dem Förderstrom. Die Anlagenkennlinie liefert die für jeden Förderstrom von der Pumpe zu überwindende Widerstandshöhe. Der Schnittpunkt von Anlagenkennlinie und Drosselkurve spiegelt den aktuellen Betriebspunkt der Pumpe dar.
Aus diesem Diagramm läst sich jetzt gut das Zusammenspiel zwischen Anlagenkennlinie und Drosselkurve erkennen. Verringert sich z.B. der Förderstrom Q steigt die Förderhöhe der Pumpe und umgekehert. Die Kreiselpumpe verändert ihren Betriebspunkt automatisch mit Änderung der Anlagenkennlinie bzw. der Drosselkurve.

Damit eine Kreiselpumpe jedoch im Einklang mit der Anlagenkennlinie arbeiten kann, muß diese natürlich den Gegenheiten angepasst werden. Das bedeutet das die Pumpe auch mittels Kennlinie bestimmt werden muß. Mann nennt diese Kennlinie folglich Pumpekennlinie (im Diagramm als Drosselkurve bezeichnet). Das Zusammenspiel von  Anlagenkennlinie und Pumpenkennlinie bildet schließlich den Betriebspunkt der Pumpe.

- Bestimmung des NPSH-Wertes (Förderhöhe der Anlage)

Der für Pumpen und Pumpenanlagen wichtige Begriff (NPSH) stammt aus der USA und steht für "Net Positive Suction Head". Der NPSH-Wert der Anlage ist vom Förderhöhenverlust, einschließlich der Verluste in Armaturen und Apparaten, in der Saugleitung der Anlage abhängig und muss in jedem Falle durch Berechnung überprüft werden. Falls die Ergebnisse aus anlagebedingten Gründen schwanken, sind zu den Auslegungswerten auch die Minimal- und Maximalwerte anzugeben. Unter Einbeziehung von...

• Druck im Eintrittsquerschnitt der Anlage [bar]
• Druck im Austrittsquerschnitt der Anlage [bar]
• Dampfdruck des Fördermediums Mitte Pumpensaugstutzen [bar]
• Luftdruck am Aufstellungsort der Pumpe [bar]
• Verlust an Förderhöhe der Saugleitung, vom Eintrittsquerschnitt der Anlage bis zum Eintrittsquerschnitt der Pumpe [m]
• geodätische Saughöhe (negativ, wenn Zulaufhöhe vorliegt) [m]
• Dichte des Fördermediums [kg/m²]
• Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt [m/s]

...errechnet sich der NPSH-Wert der Anlage, der in Meter [m] angegeben wird.

Der NPSH- Wert der Anlage ist die vorhandene Druckdifferenz zwischen dem Gesamtdruck in der Mitte des Pumpensaugstutzens und dem Verdampfungsdruck (auch Sättigungsdruck genannt), gemessen als Druckhöhendifferenz in m. Er ist gewissermaßen ein Maß für die Verdampfungsgefahr an dieser Stelle und wird nur durch die Daten der Anlage und der Förderflüssigkeit bestimmt

Um einen störungsfreien Betrieb der Pumpe aufrechtzuerhalten und in der Praxis zu sichern, muss folgende Bedingung erfüllt sein:

NPSH_Anlage > NPSH_Pumpe

Zusätzlich dazu wird aus Sicherheitsgründen und um Schwankungen in den Betriebsverhältnissen auszugleichen ein Sicherheitszuschlag von 0,5m berücksichtig, soweit dies nicht durch besondere Normen oder Vorschriften festgelegt ist.

NPSH_Anlage > NPSH_Pumpe + 0,5m

- Anmerkung: NPSH in Verbindung mit Kavitation

Der Grund, warum ein Betreiber den NPSH-Wert der Anlage angeben sollte ist der, damit ein kavitationsfreier Betrieb einer Pumpe gewährleistet werden kann. Was der Begriff "Kavitation" bedeutet wird hier erklärt:

Als Kavitation bezeichnet man die Bildung von Dampfblasen (Hohlräumen) aufgrund einer örtlichen Absenkung des statischen Druckes unter den Verdampfungsdruck der Förderflüssigkeit und den implosionsartigen Zusammenfall dieser Dampfblasen an Stellen höheren Druckes. Bei diesem Vorgang entstehen Druckwellen mit hohen Druckspitzen. Befinden sich die Dampfblasen in der Nähe oder direkt an einer festen Wand, z.B. den Laufradschaufeln, so entsteht bei der Implosion ein Flüssigkeitsstrahl ("Microjet") der mit hoher Geschwindigkeit auf die Wand bzw. Laufradschaufel auftrifft und diese durch die schlagartige Druckbelastung hoch beansprucht. Dies erklärt die kraterförmigen Materialabtragungen bei voll ausgebildeter Kavitation.

Die Ursache von Kavitation sind insbesondere bei Kreiselpumpen die örtlichen Druckabsenkungen im Schaufelkanaleintritt des Laufrades, die unvermeidlich mit der Umströmung der Schaufeleintrittskanten und der Energieübertragung von den Laufradschaufeln auf die Förderflüssigkeit verbunden sind. Kavitation kann aber auch an anderen Stellen der Pumpe, an denen der Druck örtlich absinkt wie z.B. an den Eintrittskanten von Leitradschaufeln, Gehäusezungen, Spaltringen usw. auftreten. Weitere Ursachen sind entweder das Ansteigen der Temperatur der Förderflüssigkeit, das Absinken des Druckes auf der Eintrittsseite der Pumpe, die Vergrößerung der geodätischen Saughöhe oder die Verkleinerung der Zulaufhöhe. Die Anzeichen von Kavitation in der Reihenfolge nach dem Grad der Kavitation sind:

• Bildung von einzelnen Dampfblasen und Blasenfeldern welche man nur bei stroboskopischer Betrachtung des Laufradeintritts in speziellen, dem Pumpenoriginal nachgebauten Blasensichtmaschinen beobachtet und bewertet werden.
• Abfall der Förderhöhe gegenüber dem kavitationsfreien Betrieb bei gleichem Förderstrom.
• Abfall des Wirkungsgrades gegenüber kavitationsfreiem Betrieb
• Geräusche oder Geräuschveränderung gegenüber kavitationsfreiem Betrieb. Infolge des Zusammenbrechens der Dampfblasen entsteht ein prasselndes Geräusch wie von Kieselsteinen in einer Betonmischmaschine.
• Laufunruhe, festzustellen durch eine Änderung des Schwingungsverhaltens der Pumpe gegenüber kavitationsfreiem Betrieb.
• Kavitationsverschleiß (Materialabtrag) an Pumpeninnenteilen. Die Materialanfressungen weisen eine löchrige, schwammige Struktur auf.
• Förderhöhenabriss. Die Förderhöhe der Pumpe reißt völlig ab, da die Kavitationsblasen die Schaufelkanäle des Laufrades blockieren und keine Energie mehr auf die zu fördernde Flüssigkeit übertragen werden kann.

- Normen

Für den Fall, dass ein Betreiber besondere Normen und Anforderungsgrade zu beachten hat, ist dies in der Anfrage mit anzugeben.

Die oben aufgeführten Angaben sollten wenigstens von dem Betreiber angegeben werden. Des weiteren ist es oft erforderlich anzugeben, aus welchen Werkstoffen die flüssigkeitsberührenden Teile bestehen müssen. Außerdem ist die Wahl der Wellenabdichtung (Zopfpackung, Gleitringdichtung oder dichtungsloser Bauweise wie Magnetpumpen und Spaltrohrmotorpumpen ) ein weiteres Kriterium welches berücksichtigt werden sollte. Genauso wie Angaben über Zubehörteile (Kupplung, Grundplatte, Motor, Überwachungseinrichtungen usw.). Die meisten Pumpenhersteller verfügen über eine Art "Fragekatalog" , in dem alle Aspekte aufgeführt sind, die berücksichtigt werden sollten.