Leistungsbedarf der Pumpe

Der Leistungsbedarf oder die Leistungsaufnahme der Pumpe wird darum ebenfalls wie die hydraulische Förderleistung der Pumpe in einem Diagramm dargestellt.
  • Es zeigt sich die Abhängigkeit der Antriebsleistung der Pumpe vom Förderstrom.
  • Bei vielen Pumpentypen ist bei max. Förderstrom auch der max. Leistungsbedarf der Pumpe erreicht.
Für diesen Punkt wird der Antriebsmotor der Pumpe ausgelegt, wenn die Pumpe über den gesamten Kennlinienverlauf betrieben wird. Kleinere Pumpen (z.B. Heizungsumwälzpumpen) werden in der Regel mit Motoren bestückt, die den Betrieb über den gesamten Kennlinienverlauf zulassen. Dadurch wird die Typenzahl verringert, und infolge hiervon ist eine einfachere Lagerhaltung für Ersatzteile gewährleistet. Bei größeren Pumpen werden meist mehrere Motoroptionen angeboten, so dass entsprechend der Betriebsbedingungen der passende Antrieb gewählt werden kann. Liegt der errechnete Betriebspunkt für eine Pumpe z. B. im vorderen Bereich der Kennlinie, so kann der Antriebsmotor entsprechend dem zugehörigen Leistungsbedarf kleiner ausgewählt werden. In diesem Fall besteht jedoch die Gefahr einer Motorüberlastung, wenn der tatsächliche Betriebspunkt bei größerem Förderstrom liegt als errechnet (Rohrnetzkennlinie ist flacher). Da in der Praxis immer mit einer Verlagerung des Betriebspunktes zu rechnen ist, sollte der Antriebsmotor einer Trockenläuferpumpe ca. 5 — 20% größer ausgelegt werden als der Leistungsbedarf es erfordert. Für die Betriebskostenberechnung einer Pumpe muss grundsätzlich unterschieden werden zwischen dem mechanischem Leistungsbedarf der Pumpe P2 [kW] (Wellenleistung oder Kupplungsleistung) und der elektrischen Leistungsaufnahme des Antriebsmotors P1 [kW]. Letztere Angabe ist Grundlage der Betriebskostenberechnung. Falls nur der Leistungsbedarf P2 angegeben ist, kann dieser durch Division durch den Motorwirkungsgrad in die Leistungsaufnahme P1 überführt werden. Die elektrische Leistungsaufnahme P1 [kW] wird angegeben, wenn Pumpe und Antriebsmotor eine in sich gekapselte Einheit bilden wie bei den sog. Nassläuferpumpen. Hier ist es sogar üblich, auf dem Typenschild der Pumpen beide Werte P1 und P2 anzugeben. Für Aggregate, wo Pumpe und Motor über Kupplung oder starre Wellenverbindung gekoppelt sind, also bei den Trockenläuferpumpen, wird die erforderliche Wellenleistung P2 [kW] angegeben. Das ist bei diesen Pumpenbauformen schon deshalb erforderlich, da die unterschiedlichsten Motorausführungen – angefangen beim IEC-Normmotor bis zum Spezialmotor – mit ihren verschiedenen Leistungsaufnahmen und Wirkungsgraden an die Pumpe angebaut werden.

Kavitation

Diese entstehen, wenn der statische Druck in der Flüssigkeit unter dem zur jeweiligen Temperatur gehörigen Dampfdruck sinkt. Steigt dann wieder der statische Druck über den Dampfdruck in Strömungsrichtung gesehen, kommt es zu einer schlagartigen Kondensation der Dampfblasen. Kavitation kann zu vorzeitigem Materialverschleiß sowie zu Geräuschemission führen. Daher soll Kavitation weitestgehend vermieden werden.

Haltedruckhöhe

Allgemein erkennbar ist die starke Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl. Bei unveränderter Bauform entspricht: Hohe Drehzahl -> Hohe Haltedruckhöhe Niedrige Drehzahl -> Niedrige Haltedruckhöhe Um etwaige Unsicherheiten bei der Auslegung des Betriebspunktes zu berücksichtigen, sind diese Werte bei der Auswahl der Pumpe mit einem Sicherheitszuschlag von 0,5 m zu erhöhen. Für die Haltedruckhöhe HH ist per Definition messtechnisch festgelegt, dass bei der Haltedruckhöhe HH eine Mindestkavitation zulässig ist, die:
  • Die Förderhöhe der Pumpe im Nennpunkt um 3 % reduziert
  • Keine die Funktion und Lebensdauer beeinträchtigende Werkstoffzerstörungen auftreten lässt.
Durch die zulässige Kavitation können immer noch Kavitationsgeräusche auftreten, die zum Teil als störend empfunden werden. Zur Beseitigung der Restkavitation ist es erforderlich, die errechnete Mindestzulaufhöhe mit einem Zuschlag von rd. + 1 bis + 5 m zu versehen. Dieser Zuschlag ist abhängig von der Drehzahl und vom Betriebspunkt der Pumpe.

Förderstrom

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

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

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

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.