Monat: November 2020

Förderstrom

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Der Sollförderstrom für die Auslegung einer Pumpe wird aus der Anwendung ermittelt, zum Beispiel für Heizungssysteme aus der Wärmebedarfsberechnung oder für Abwassersysteme aus statistischen Kenngrößen zur maximal zu erwarteten Abwassermenge. Für viele Anwendungen existieren hierzu nationale und internationale Normen.Die Kennlinien einer Kreiselpumpe (z.B. Förderhöhe, Leistungsaufnahme, Wirkungsgrad) werden in Abhängigkeit vom Förderstrom angegeben.

Förderhöhe

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Die Sollförderhöhe für die Auslegung der Pumpe setzt sich zusammen aus
  • der statischen Höhe (statisch = unabhängig vom Förderstrom)
    • Höhendifferenz zwischen saugseitigem und druckseitigem Flüssigkeitsniveau (geodätische Höhe)
    • Druckdifferenz zwischen druck- und saugseitigem Behälter (bei geschlossenen Behältern)
    • ggf. erforderlichem Austrittsdruck
  • der Verlusthöhe aus den Druckverlusten im Rohrleitungssystem in Abhängigkeit vom Förderstrom
Die von der Pumpe auf die Förderflüssigkeit übertragene nutzbare mechanische Arbeit, bezogen auf die Gewichtskraft, nennt man Förderhöhe H der Pumpe. Sie ist bei konstanter Drehzahl n und konstantem Förderstrom Q unabhängig von der Dichte der Förderflüssigkeit, jedoch abhängig von deren Viskosität.Sie kann durch die Druckdifferenz dividiert durch die Dichte des Fördermediums und die lokale Gravitationskonstante berechnet werden.Bei newtonschen Flüssigkeiten kann die Förderhöhe unabhängig vom Fördermedium für kinematische Viskositäten unter 20 mm²/s betrachtet werden. Aus diesem Grund ist es besonders geeignet, die Kennlinie von Kreiselpumpen darzustellen.Beim Pumpen von Wasser ist der Wert der Förderhöhe gleich dem Druck in Metern Wassersäule.

Betriebstemperatur

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Für die Auslegung der Pumpe sind insbesondere die maximale und die minimale Temperatur der Fördermediums von Bedeutung. Sie werden bei der Werkstoff- und Dichtungsauswahl und ggf. bei einer Medien-Werkstoff-Beständigkeitsprüfung berücksichtigt.Die Stoffwerte des Fördermediums (Dichte, Viskosität) ändern sich mit der Temperatur. Der Leistungsbedarf der Pumpe ist direkt proportional zur Dichte. Daher muss die Temperatur aus dem Betriebsbereich mit der maximalen Dichte berücksichtigt werden. Darüber hinaus muss bei viskosen Medien (ν > 10 mm²/s) der Verlauf der Pumpenkennlinien umgerechnet werden.

Betriebspunkt einer Kreiselpumpe

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Er gibt die Werte von Förderstrom Q und Förderhöhe H an, die sich beim stationären Betrieb mit der zu der Förderhöhenkennlinie der Pumpe gehörigen Drehzahl n einstellen.Unter dem gewünschten Betriebspunkt soll der Punkt der Anlagenkennlinie verstanden werden, für den entsprechend der Rohrleitungsberechnungen eine Pumpe gesucht ist. Ziel der Auswahl ist es (neben anderen Kriterien, wie z. B. maximaler Wirkungsgrad), die Abweichung zwischen dem gewünschten Betriebspunkt und dem (wirklichen) Betriebspunkt zu minimieren.Der Betriebspunkt der Anlage liegt immer im Schnittpunkt zwischen der Pumpen- und der augenblicklichen Anlagenkennlinie. Er wandert bei konstanter Drehzahl auf der Drosselkurve bei steigendem Rohrleitungswiderstand zu einem kleineren Volumenstrom. Der Betriebspunkt sollte in der Nähe des Wirkungsgradoptimums liegen.

Mindestzulaufdruck

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Für einen störungsfreien Betrieb benötigen Pumpen auf der Zulaufseite einen statischen Mindestdruck der auch allgemein als statische Mindest-Zulaufdruckhöhe bezeichnet wird.Beim Durchströmen der Pumpe verringert sich dieser saugseitig vorhandene Druck aufgrund der Geschwindigkeitsänderung des Fördermediums im Sauggehäuse und im Laufrad der Pumpe. Die kritische Stelle ist der Laufradeintritt. Wird der Druckabfall so hoch, dass der Dampfdruck der Flüssigkeit unterschritten wird, kommt es zur Dampfblasenbildung.Die weitere Durchströmung des Laufrades führt zu einem hydraulischen Druckaufbau im Laufrad. Die Dampfblasen fallen im Bereich höheren Druckes implosionsartig in sich zusammen, mit der Folge von Werkstoffzerstörungen an diesen Stellen. Dieser Vorgang, als Kavitation bezeichnet, ist akustisch durch prasselnde Geräusche erkennbar, die sich mit zunehmender Kavitation verstärken.Auch die Förderleistung wird beeinträchtigt, da die Pumpe nun ein Wasser-Gas-Gemisch fördert. Daher muss ein minimaler statischer Eingangsdruck an der Pumpensaugöffnung eingehalten werden, um Kavitation zu vermeiden.Die Höhe dieses erforderlichen Drucks ist abhängig von:
  • der Temperatur des Fördermediums
  • erforderliche statische Mindest-Zulaufdruckhöhe entsprechend dem Pumpenbetriebspunkt.
Die erforderliche Netto-Positivsaughöhe (HH oder NPSH erforderlich) bezieht sich spezifisch auf die Pumpe und wird von den Pumpenherstellern in der Regel als NPSH-Kurve im Leistungsdiagramm der Pumpe dargestellt.Im Allgemeinen besteht ein starker Zusammenhang mit der Pumpendrehzahl. Für konstante Pumpentypen gilt Folgendes:
  • Hohe Geschwindigkeit -> Hohe NPSH-Anforderungen
  • Niedrige Geschwindigkeit -> Niedriges NPSH Erforderlich
Es wird empfohlen, diese Werte um eine Sicherheitsmarge von 0,5 m (1,6 ft) anzuheben, um mögliche Abweichungen bei der Berechnung des Betriebspunktes während der Pumpenauswahl auszugleichen. Allgemeine Normen erlauben einen minimalen Kavitationsgrad bei der bestimmten NPSH-Anforderung:
  • reduziert die Förderhöhe am Betriebspunkt um 3% oder weniger
  • führt nicht zu einer wesentlichen Verschlechterung, Leistungsreduzierung oder Verkürzung der Lebensdauer
Solche akzeptablen Kavitationswerte können jedoch zu unzulässigem Lärm führen.Um eine optimale Leistung zu gewährleisten, ist es gängige Praxis, die NPSHavailable-Berechnung mit einer Sicherheitsmarge von ca. +1 bis +5 m (+3 bis +15 ft) zu berechnen, abhängig von Drehzahl und Betriebspunkt der Pumpe.