Thomas Merkle - Kreiselpumpen und Pumpensysteme

Das Auftreten von Reibungsverlusten in Pumpsystemen beeinflusst die Auswahl einer Pumpe. Der Reibungsverlust ist proportional zur Länge der Leitung, dem Förderstrom, dem Rohrdurchmesser und der Viskosität. Verluste in den Komponenten, verursacht durch Strömungen im Rohrleitungssystem – laminare und turbulente Strömung – sind durch Kennwerte bestimmt. Bei turbulenter Strömung kommt es durch erhöhte Geschwindigkeit zu starken Vermischungen und Verwirbelungen.

Laminare und turbulente Strömung werden mit Hilfe der Reynoldszahl definiert. Diese dimensionslose Zahl Re ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit, dem Rohrdurchmesser und der kinematischen Viskosität. Sie ergibt sich durch die Berechnung:

Re = V ▪ DN / ν

Allgemeine Richtwerte:

Laminare Strömung, wenn Re < 2320

Turbulente Strömung, wenn Re ≥ 2320

Um eine Pumpe auszuwählen, bzw. auszulegen, ist es wichtig die Anlagen-Kennlinie zu ermitteln. Erst dann kann über die Pumpenkennlinie die richtige Pumpe gewählt werden. Die Kennlinie der Pumpe gibt Aufschluss über ihr Betriebsverhalten. Die Pumpenkennlinien sind definiert durch den Förderstrom Q (in m³/h) und die Förderhöhe H (in m) der Pumpe.

Die Förderhöhe einer Pumpe ist unabhängig von der Dichte (ρ) der Förderflüssigkeit, d.h. eine Kreiselpumpe fördert Flüssigkeiten unabhängig von der Dichte auf gleiche Förderhöhen. Die Dichte muss jedoch bei der Bestimmung des Leistungsbedarfs (P) der Pumpe berücksichtigt werden. Die Förderhöhe ist der umgerechnete Förderdruck (bar) in m Wassersäule.

Der DruckverlustDruckverlust bzw. der Druckabfall ergibt sich aus den Reibungsverlusten der Flüssigkeit oder des Fluids durch Reibung in Rohrleitungen, Formstücken und Armaturen. Der Druckverlust ist abhängig von der Geometrie des Systems, der Rauigkeit der Oberfläche, dem Volumenstrom und der Reynoldszahl. Zur Berechnung stehen zwischenzeitlich verschiedene Berechnungsprogramme, viele auch online zur Verfügung. Beispielsweise unter:

www.druckverlust.de/online-Rechner

www.lgrain

www.nussbaum.ch/de/druckverlustberechnung

Die exakte Anpassung der Pumpenleistung an den tatsächlichen Bedarf mittels Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter ist Stand der Technik. Alleine schon durch gesetzliche Vorgaben der Europäischen Union (EU) bezüglich der Energieeffizienz, ist die Optimierung des Energieverbrauchs beim Betrieb von Pumpen festgeschrieben. Neben teilweise hohen Energieeinsparpotentialen liegen verschiedene Vorteile auf der Hand:

optimale Leistungsanpassung

schonender Pumpenbetrieb

gleichmäßige Strömung, wenig Druckstöße

hoher Gesamtwirkungsgrad der Anlage

weniger störende Ein-/Ausschaltvorgänge

Der Betrieb von Maschinen mit elektrischen Antrieben ist sehr weit verbreitet und hat viele Vorteile. Die elektrische Energie ist die hochwertigste Energieform. Sie ist sauber, energieeffizient und in industrialisierten Ländern fast überall verfügbar. Sie lässt sich leicht transportieren, ist umwandelbar und speicherbar. Elektrische Antriebe lassen sich einfach regeln und verursachen relativ niedrige Geräusch-emissionen. Basierend auf diesen Vorteilen werden die meisten Pumpen mit Elektromotoren angetrieben. Elektromotoren sind elektromechanische Energie-wandler, die elektrischen Strom in Bewegungsenergie bzw. Rotationsenergie umwandeln. Die Drehbewegung bewirkt den Antrieb des Pumpenlaufrades über die Welle. Die Motoren sind geprägt durch folgende Einflussfaktoren: Strom, Spannung, elektromagnetisches Feld, mechanische Abmessungen, Drehmoment, Drehzahl, Kraft, Geschwindigkeit, Materialien, Verluste in Leitern und magnetischen Werkstoffen, sowie Kühlung. Die Basisparameter beim elektrischen Strom und ihre jeweiligen Einheiten sind:

Bei der Elektrizität unterscheidet man die 3 Stromarten: Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom. Wobei der Drehstrom aus einer Überlagerung von 3 Wechsel-strömen erzeugt wird.

Der Gleichstrom fließt immer in die gleiche Richtung und ändert seine Stärke nicht. Gleichstrom kann erzeugt werden in Gleichstromgeneratoren, wie z.B. in der Licht-maschine des Kraftfahrzeugs, (gespeichert in Batterien), Brennstoffzellen, und Photovoltaikmodulen (photoelektrische Solarzellen). Mit Wechselrichtern kann der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Bei vielen Anwendungen im Privatbereich wie Netzteilen, Ladegeräten, Akkus oder auch bei verschiedenen Leuchten wird Gleichstrom benötigt.

Hochspannungsleitungen führen Drehstrom und ermöglichen zwar eine einfache Spannungstransformation, jedoch treten bei der Übertragung von Gleichstrom über große Entfernungen weniger Verluste auf. Ein weiterer Vorteil des Gleichstroms ist, dass er gespeichert werden kann. Infolge der zunehmenden Verbreitung der Elektro-mobilität und der Speicherung von Solarstrom in Gebäuden wird Gleichstrom in Zukunft an Bedeutung gewinnen.

Der Wechselstrom ändert entsprechend seiner Erzeugung im Generator regelmäßig seine Bewegungsrichtung und seine Stärke. Durch die alternierende Spannung unterscheidet sich der Wechselstrom vom Gleichstrom. Der Abstand zwischen dem 0-Durchgang und der Amplitude (höchster Punkt) entspricht der Höhe der Spannung in Volt (V). Sie ist einmal positiv und einmal negativ gerichtet. Eine Schwingung (0 >< Plus-Amplitude >< 0 >< Minus-Amplitude>< 0) ist eine Periode. Die Anzahl der Perioden in einer Sekunde bezeichnet man als Frequenz. Frequenz wird in Hertz (Hz) angegeben. In Deutschland und Europa arbeitet das Stromnetz mit 50 Hz = 50 Perioden in einer Sekunde. In anderen Ländern u.a. in den USA und in einigen Staaten Südamerikas hat das Stromnetz 60 Hz.

Diagramm1: Sinuskurve bei Wechselstrom [1]

Die Stromnetze im Gebäudebereich führen 230 V Wechselstrom. Bei Maschinen oder Anlagen höherer Leistung, wird „Kraftstrom“ bzw. Drehstrom mit 400 V benötigt.

Beim Drehstrom werden drei Wechselströme überlagert. Dies erfolgt in drei gleichen Zeitabständen. Die Spannungskurven der drei Phasen sind in der Abbildung unten dargestellt (Diagramm 2). Der Drehstrom ist sozusagen ein dreiphasiger Wechsel-strom, der nacheinander in drei gleichen Zeitabständen aufgeteilt ist. Durch diese Besonderheit kann der Strom mit nur drei Stromleitern (Phasen L1, L2 und L3) transportiert werden. Im Niederspannungsnetz (örtliches Stromnetz) besteht noch ein vierter Stromleiter, der Null- oder Neutralleiter. Bei der Klemmung im Nieder-spannungsnetz von nur einer der drei Phasen (L1, L2, L3) mit dem Neutralleiter (N) kann man Wechselstrom entnehmen (230 Volt). Bei Klemmung von zwei Außenleitern (z.B. L1 zu L3) erhält man Drehstrom mit 400 Volt Spannung.

Diagramm 2: überlagerte Sinuskurven bei Drehstrom [1]