Pumpenkennlinie

Der Verlauf der Pumpenkennlinie ist gekrümmt und fällt im Diagramm von links nach rechts mit zunehmendem Förderstrom ab. Die Neigung der Kennlinie wird durch die Konstruktion der Pumpe und insbesondere auch durch die Bauform des Laufrades bestimmt. Das Charakteristische an der Pumpenkennlinie ist die gegenseitige Abhängigkeit des Förderstromes und der Förderhöhe. Jede Änderung der Förderhöhe hat stets auch eine Änderung des Förderstromes zur Folge. Großer Förderstrom -> geringe Förderhöhe Kleiner Förderstrom -> große Förderhöhe Obwohl ausschließlich das installierte Rohrleitungssystem auf Grund der Eigenwiderstände vorgibt, welcher Förderstrom bei gegebener Pumpenleistung gefördert wird, kann die betreffende Pumpe immer nur einen Betriebspunkt auf ihrer Kennlinie einnehmen. Dieser Betriebspunkt ist der Schnittpunkt der Pumpenkennlinie mit der jeweiligen Rohrnetzkennlinie. Neben der Q-H-Kennlinie sind bei Kreiselpumpen häufig folgende Kennlinien zu finden:
  • Leistung
    • Wellenleistung P2(Q)
    • Leistungsaufnahme P1(Q) (häufig bei Tauchmotorpumpen und Nassläuferpumpen)
  • Wirkungsgrad
    • Hydraulischer Wirkungsgrad ηhydr(Q)
    • Gesamtwirkungsgrad ηtot(Q) (häufig bei Tauchmotorpumpen und Nassläuferpumpen)
  • NPSH erforderlich NPSHreq(Q)
  • Drehzahl n(Q)
 

Kennlinienumrechnung für verschiedene Medien

Mit zunehmender Viskosität steigt jedoch der REYNOLDS-Zahl-Einfluss, so dass man in der Praxis davon ausgeht, dass diese Näherung ab einer kinematischen Viskosität von etwa 20 mm²/s ungenügend ist. Zur Korrektur wurden für die Umrechnung der aufgenommenen Kennlinien auf mittel- und hochviskose Medien empirisch Verfahren entwickelt, die in der praktischen Anwendung in älteren Versionen die aufwendige Auswertung von Diagrammen bedeuten, in den aktuellen Versionen jedoch durch entsprechende Formelsätze aufbereitet wurden. Weltweit am meisten verbreitet ist das Verfahren vom Hydraulic Institute (USA), welches als ANSI/HI 9.6.7 und ISO/TR 17766 standardisiert wurde. Praktisch wird die Umrechnung heute meist durch Computerprogramme wie dem Spaix PumpSelector vorgenommen. Die computertechnische Umsetzung dieses Verfahrens ermöglicht die Umrechnung von Kennlinien, wobei vom Anwender nur die gewünschten Förderdaten und das Fördermedium zu definieren sind. Eine spezielle Rolle bei der Umrechnung von Kennlinien spielt bei allen bekannten Verfahren der Auslegungspunkt der Pumpe. Folgende Bedingungen können für die Gültigkeit des Verfahrens angegeben werden:
  • Kreiselpumpen mit geschlossenen oder halboffenen Laufrädern
  • Kinematische Viskosität im Bereich zwischen 1 und 3000 mm²/s
  • Förderstrom im Bestbetriebspunkt zwischen 3 und 410 m³/h
  • Förderhöhe pro Stufe zwischen 6 und 130 m
  • Förderung unter normalen Betriebsbedingungen
  • Förderung von NEWTONschen Flüssigkeiten

Kennlinienumrechnung beim Laufradabdrehen

Näherungsweise gilt: Q = Förderstrom H = Förderhöhe D = Laufraddurchmesser r = Index für den reduzierten Laufraddurchmesser t = Index für den Bezugslaufraddurchmesser Aus dieser Beziehung lässt sich die Drosselkurve H(Q) grob bestimmen. Eine genauere Berechnung erfordert allerdings die Berücksichtigung von Kennfeldern, bei denen jeder Kennlinie ein Laufraddurchmesser zugeordnet ist. Über Interpolation der Umrechnung aus den Nachbarkennlinien wird der neue Kennlinienverlauf ermittelt. Zur vollen Ausnutzung der Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird empfohlen, ein Laufradkennfeld mit mindestens drei Kennlinien zu erfassen. Bei einer großen Abdrehdifferenz zwischen kleinstem und größtem Laufraddurchmesser sind einige (2..4) Zwischenkennlinien erforderlich. Ein alternatives Berechnungsverfahren wird in ISO 9906 beschrieben. Hierbei ist die Kenntnis des mittleren Laufraddurchmessers an der Eintrittskante D1 erforderlich. Entsprechend der Norm ist dieses Verfahren gültig für
    • Durchmesserreduzierung bis max. 5%
    • Typenzahl K ≤ 1,5
    • unveränderter Schaufelgeometrie (Austrittswinkel, Verjüngung, usw.) nach dem Abdrehen
D1 = Mittlerer Durchmesser an der Laufradeintrittskante Für Pumpen mit einer Typenzahl K ≤ 1,0 und einer maximalen Laufraddurchmesserreduzierung von 3% kann der Wirkungsgrad dabei als konstant betrachtet werden.

Berechnung der Anlagenkennlinie

Die notwendige Förderhöhe einer Pumpe in einer unverzweigten Rohrleitung erhält man aus der BERNOULLI-Gleichung für eindimensionale, stationäre Strömungen inkompressibler Medien: pin, pout = Drücke beim Ansaugen bzw. Ablassen der Flüssigkeitsstände ρ = Flüssigkeitsdichte g = Fallbeschleunigung (9,81 m/s²) Hgeo = statischer Höhenunterschied zwischen den Flüssigkeitsniveaus der saug- und druckseitigen Behälter Hl,tot = Gesamtrohrreibungsverlust zwischen Ein- und Austritt vin, vout = mittlere Strömungsgeschwindigkeiten in saug- bzw. druckseitigen Behältern Die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten in den saug- bzw. druckseitigen Behältern sind nach dem Kontinuitätsgesetz meist unbedeutend klein und können vernachlässigt werden, wenn die Tankflächen im Vergleich zu denen der Rohrleitungen relativ groß sind. In diesem Fall wird die obige Formel vereinfacht, zu: Der statische Teil der Anlagenkennlinie, d.h. der Teil, der nicht von der Strömungsgeschwindigkeit und damit dem Förderstrom abhängt, lautet: Für geschlossene Systeme ergibt sich dieser Wert zu null. Die Gesamtverlusthöhe setzt sich aus den Verlusten aller Komponenten der Saug- und Druckleitung zusammen. Sie ist bei genügend großen REYNOLDS-Zahlen dem Quadrat des Volumenstromes proportional. g = Fallbeschleunigung (9,81 m/s²) Hl,tot = Gesamtreibungsverlust zwischen Ein- und Austritt vi = mittlere Strömungsgeschwindigkeiten durch die Rohrquerschnittsfläche i Ai = charakteristische Rohrquerschnittsfläche ζi = Reibungsverlustbeiwert für Rohre, Formstücke usw. Q = Förderstom k = Proportionalitätsfaktor Unter den genannten Voraussetzungen kann man nun die Parabel der Anlagenkennlinie angeben: Der Proportionalitätsfaktor k wird aus dem gewünschten Betriebspunkt bestimmt. Der Schnittpunkt der Anlagenkennlinie mit der pumpenspezifischen Drosselkurve (Pumpenkennlinie) stellt den tatsächlichen Betriebspunkt dar.

Anlagenkennlinie

Die Anlagenkennlinie setzt sich aus einem statischen und einem dynamischen Anteil zusammen. HA = HA,0 + Hv(Q) Sie ist hauptsächlich durch die statische Höhendifferenz HGeo zwischen den Flüssigkeitsständen an Saug- und Drucktank sowie die Reibungsverluste Hv durch das gesamte Flüssigkeitsströmungssystem gekennzeichnet. Der statische Anteil HA,0 ist unabhängig von der Fließgeschwindigkeit (und somit vom Förderstrom). Er enthält den geodätischen Höhenunterschied sowie die Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckbehälter bzw. Ein- und Austrittspunkt des betrachteten Systems. Bei geschlossenen Kreisläufen (z.B. Heizungszirkulation) ist die statische Höhe immer Null. Der dynamische Anteil der Kennlinie beschreibt die Rohrleitungsverluste, die vom Förderstrom abhängen. Bei turbulenter Strömung von NEWTONschen Flüssigkeiten mit konstanten Verlustbeiwerten der Anlagenkomponenten ergibt sich die Kennlinie zu einer quadratischen Parabel. Wenn die statische Höhe und der Sollbetriebspunkt bekannt sind, kann man daraus die Anlagenkennlinien mit hinreichender Genauigkeit darstellen.

Saugbetrieb bei normalsaugenden Kreiselpumpen

Das bedeutet, der örtliche Luftdruck pb ist höher als das Produkt aus Haltedruckhöhe HH und Dampfdruck und macht einen Zulaufdruck bei diesen Temperaturen überflüssig. Dieser Zusammenhang ist ursächlich auf die drastische Abnahme des Dampfdruckes bei kaltem Wasser zurückzuführen. Für die Praxis bedeutet das: Pumpen mit negativer Mindest-Zulaufhöhe Herf sind in der Lage, im Saugbetrieb (nicht selbstansaugend) zu arbeiten. Die Größe des Saugvermögens entspricht in etwa dem Wert der negativen Mindest-Zulaufhöhe abzüglich 1m Sicherheitsbereich. Da die üblicherweise in der Gebäudetechnik eingesetzten Pumpen in der Regel nicht selbst ansaugen, sind folgende Bedingungen zur Gewährleistung eines Saugbetriebes zu erfüllen:
  • Befüllung und Entlüftung der saugseitigen Rohrleitung einschließlich Pumpe vor Inbetriebnahme.
  • Verhinderung von Luftansaugung während des Pumpenbetriebes (bei Lufteinschlüssen Zusammenbruch der Saugfunktion).
  • Verhinderung des Leerlaufens der Saugleitung bei Stillstand der Pumpe durch Einsatz eines Fußventils (Gefahr von Undichtigkeit bei Verschmutzung).
Rückschlagklappen in der Druckleitung sind nicht ausreichend, da bei Pumpenstillstand Luft über die Wellenabdichtung (Gleitringdichtung bzw. Stopfbuchse) angesaugt werden kann. Allgemein ist die Saugfähigkeit von normal saugenden Pumpen auf Grund der Konstruktion auf einen Bereich max. 2 bis 4 m beschränkt. Für größere Saughöhen max. 8 bis 9 m und zur Selbstansaugung sind Spezialpumpen zu verwenden.

Pumpenauswahl

Liegt der vorgegebene Betriebspunkt einer Heizungsanlage zwischen zwei Pumpenkennlinien, so wird empfohlen, die kleinere zu wählen. Die damit verbundene Reduzierung des Förderstromes hat im Heizungsanlagensystem keine nennenswerten Auswirkungen auf die effektive Heizleistung. Dagegen stehen die Vorteile wie reduziertes Geräuschverhalten, geringere Anschaffungskosten und verbesserte Wirtschaftlichkeit. In der Heizungstechnik ist eine Unterdimensionierung bezüglich des berechneten Volumenstromes von bis zu ca. 10% üblich. Zur Vermeidung von Kavitation (Dampfbildung innerhalb der Pumpe) muss im Pumpensaugstutzen stets ein ausreichender Überdruck (Zulaufhöhe) gegenüber dem Dampfdruck des Fördermittels herrschen. Für Nassläuferpumpen wird die Mindestzulaufhöhe als Maß für den erforderlichen Überdruck angegeben. Bei Trockenläufermotoren verwendet man im allgemeinen die NPSH Informationen.

NPSH – Wert der Anlage

NPSHavailable = NPSH Wert der Anlage pe = Druck im Eintrittsquerschnitt der Anlage pb = Luftdruck pD = Dampfdruck des Fördermediums vor dem Eintrittsquerschnitt der Pumpe ρ = Dichte des Fördermediums vor dem Eintrittsquerschnitt der Pumpe g = Örtliche Fallbeschleunigung ze = geodätische Höhendifferenz zwischen Eintrittsquerschnitt der Anlage und Bezugsniveau; das negative Vorzeichen gilt, wenn das Bezugniveau oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt Hv = Verlusthöhe, resultierend aus den Druckverlust der saugseitigen Anlage Der Bezugspunkt für den NPSH-Wert ist der Mittelpunkt des Laufrades, d.h. der Schnittpunkt der Pumpenwellenachse mit der zur ihr senkrechten Ebene durch die äußeren Punkte der Schaufeleintrittskante. Der Betriebspunkt einer Kreiselpumpe kann nur dann ein Dauerbetriebspunkt sein, wenn in diesem Punkt gilt: NPSHAnlage > NPSHPumpe + Sicherheitszuschlag

NPSH erforderlich

Die erforderliche NPSH ist der kleinste Wert der NPSH, bei dem ein bestimmtes Kavitationskriterium eingehalten wird (z. B. Kavitationsverschleiß, Dampfblasenausbreitung, Schwingung, Geräusch, Förderhöhenabfall). In Abhängigkeit des Volumenstromes Q ist NPSHerf eine Charakteristik der Kreiselpumpe und wird für viele Bauarten als Pumpenkennlinie NPSH(Q) angegeben. Bei niedrigem Volumenstrom ist der NPSH Wert annähernd konstant, während er mit hohen Volumenströmen steil ansteigt. Der NPSH Wert der Pumpe ändert sich mit der Drehzahl sowie dem Laufraddurchmesser. Für einige Pumpentypen kann der NPSH Wert optional durch eine Zusatzkonstruktion reduziert werden. Ein typisches Beispiel hierfür ist der Vorsatzläufer (Inducer), bei dem ein axiales Laufrad mit wenigen Schaufeln unmittelbar vor dem eigentlichen Laufrad der Kreiselpumpe angeordnet ist.