Buch lesen: «Kreiselpumpen und Pumpensysteme», Seite 2

DrehstromDrehstrom

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]

In Deutschland und Europa hat Drehstrom ebenfalls eine Frequenz von 50 Hz, in anderen Ländern sind wie auch beim Wechselstrom 60 Hz verbreitet.

1.1.3. Hinweise zu Auswahl und Dimensionierung

Jede Pumpenanlage funktioniert so gut und störungsfrei, je präziser die Planungsaufgaben erledigt wurden und die Bauausführung erfolgte. Ein großer Teil von Störungen sind auf Planungs- und Dimensionierungsfehler zurückzuführen (s.a. VDMA-Studien).

Vor allem Kosten lassen sich durch eine präzise Planung und exakte Bauausführung sparen. Folgekosten, die erst nach einiger Zeit entstehen, lassen sich durch geeignete Maßnahmen vermeiden. Dazu gehören insbesondere:

 Genauen Betriebspunkt festlegen (Anlagenkennlinie, Pumpenkennlinie)

 Strömungsverluste berücksichtigen

 Sauganforderungen prüfen (Saugleitung, ob selbstansaugend)

 Betriebspunkt-Anpassung (Drehzahl-Regelung, FU)

 Viskosität berücksichtigen (Wasser, Öl, andere Flüssigkeiten)

Außerdem müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

 Die Aufstellung der Pumpe (Bodenfundament, Sockel, etc.)

 Saug- und Druckleitung (Durchmesser, Länge)

 Die Art der Pumpe muss ausgesucht werden in Bezug auf: Viskosität, Dichte, Temperatur, Systemdruck, Materialanforderungen, etc.

 Die richtige Pumpengröße muss abgestimmt sein auf: Förderstrom, Druck, Drehzahl, Ansaugbedingungen und Art des Fördermediums

Grundlegende, zu beachtende Eigenschaften der Fördermedien sind:

 Viskosität (Reibungsverluste)

 Korrosivität (Korrosion)

 Abrasivität (Abrieb)

 Temperatur (Kavitation)

 Dichte

 chemisches Reaktionsverhalten (Dichtungsmaterial)

Aufstellung/Verrohrung

Die Pumpe sollte mit möglichst kurzen Rohrleitungen im System an den Behälter oder an das Objekt, aus der die Flüssigkeit gepumpt werden soll, montiert werden. Es sollten möglichst wenig Ventile und Bögen verwendet werden, um den Druck-verlust in der Rohrleitung zu minimieren. Die Pumpen müssen auf einem festen Fundament fixiert sein und vor der Inbetriebnahme exakt ausgerichtet werden. Die Verrohrung und die Rohranschlüsse, müssen ausreichend groß dimensioniert werden und dem Förderstrom angepasst werden. Kleine Rohrabmessungen sind zwar preisgünstiger, bringen jedoch Strömungsverluste und die Gefahr der Kavitation beim Betrieb der Pumpe. Die Saugleitung soll eine Stufe größer als die Druckleitung sein. Beispielsweise: Druckleitung 2“, folglich Saugleitung 2 ½ “.

Angeschlossene Rohrleitungen müssen spannungsfrei montiert werden, so dass keine Kräfte auf die Stutzen der Pumpe wirken. Temperaturbedingte Ausdehnungen des Rohrleitungssystems sollten durch Kompensatoren ausgeglichen werden. Steht die Pumpe fest auf einer Bodenplatte, muss gewährleistet sein, dass das Rohrsystem Spannungen und Ausdehnungen auffangen kann (z. B. über Bogen oder Kompensator).

Saugleitung

Bei normalsaugenden Kreiselpumpen darf keine Luft in die Pumpe gelangen. Dies würde die Leistung beeinträchtigen, im Extremfall würde die Pumpe nicht mehr fördern. Um Störungen wie beispielsweise Turbulenzen zu vermeiden, sollte die Saugleitung eine gerade Einlaufstrecke beinhalten, die mindestens fünf Mal so lang ist wie der Durchmesser des Einlaufstutzens.

Druckleitung

Die Förderhöhe ergibt sich aus den Reibungswiderständen der in der Druckleitung eingebauten Komponenten wie Ventile, Wärmetauscher, Filter, etc., der Rohrleitung und der geodätischen Höhendifferenz. Auch der Förderstrom wird beeinflusst.

1.1.4. Bauformen von Kreiselpumpen
Aufstellungsart

Eine grundsätzliche Untergliederung ergibt sich nach der Aufstellungsart. Man unterscheidet trocken aufgestellte Pumpen, nass aufgestellte Behälterpumpen und Unterwasserpumpen. Trocken aufgestellte Pumpen werden in einer Anlage verbaut oder neben einer Anlage montiert. Bei Behälterpumpen befindet sich der hydraulische Teil im Behälter bzw. in der Flüssigkeit. Unterwasserpumpen sind komplett in der zu fördernden Flüssigkeit. Der Motor muss deshalb wasserdicht verkapselt sein.

Laufradformen

Je nach Anforderung bezüglich Förderdruck und Fördermenge werden verschiedene Laufräder eingesetzt. Dies sind: Radialrad, Halbaxialrad, Diagonalrad oder Axialrad.

Die spezifische DrehzahlDrehzahl n_q ergibt das Unterscheidungsmerkmal.

Die spezifische Drehzahl n_q = n ▪ Q^1/2 ▪ H^3/4

Wobei:

n	=	Drehzahl in 1/Min
Q	=	Fördermenge in m³/h
H	=	Förderhöhe in m

Es ergeben sich folgende Anwendungen bezüglich der spezifischen Drehzahl:

Radialrad:	nq	=	10-40, hoher Druck, geringe Menge
Halbaxialrad:	nq	=	40-80, mittlerer Druck, mittlere Menge
Diagonalrad:	nq	=	80-160, hoher Druck, große Menge
Axialrad:	nq	=	110-500, geringer Druck, große Menge

Sonderform PumpenturbinePumpenturbine

Die Pumpenturbine ist eine Sonderform der Kreiselpumpe. Wie der Name der Strömungsmaschine schon sagt, hat eine Pumpenturbine – oder auch Turbinen-pumpe genannt – 2 Funktionsweisen:

1 Angetrieben durch einen Elektro-Motor, wird die Pumpe zur Förderung einer Flüssigkeit eingesetzt. Funktion: Erhöhung von Druck und Geschwindigkeit des Fördermediums.

2 Die Pumpe wird in umgekehrter Richtung betrieben, also rückwärtslaufend, d.h. am eigentlichen Druckstutzen der Pumpe erhält sie Zulauf, beispielsweise aus einem Behälter oder Fallrohr. Funktion: die Pumpe wirkt als Turbine und erzeugt elektrischen Strom. Ein angeschlossener Asynchronmotor oder Synchronmotor kann hierbei als Generator betrieben werden. Strömungsbedingt kommt am besten ein halbaxiales Laufrad zum Einsatz (nq = 40-80).

Bild: Pumpenturbine

Bild 1: halbaxiales Laufrad

Durch ein Drosselventil wird Energie abgebaut und fließt als Verlust in die Energie-bilanz mit ein. Diese Aufgabe des Drosselventils kann von der Pumpenturbine übernommen werden. Der Druckabbau im Förderstrom wird von der Pumpenturbine in elektrischen Strom umgewandelt.

Anwendungsbeispiel

Im einem Wasserwerk wurden Pumpenturbinen (Stromgewinnungsanlagen) in den Zulauf des Zwischenbehälters und des Endbehälters (Hochbehälters) installiert. Es erfolgt keine Energieeinspeisung ins öffentliche Netz, da die erzeugte Energie zur Minderung des Eigenenergieverbrauchs bzw. zur Deckung der eigenen Dauerlast genutzt wird. Die Pumpenturbine wird über pneumatisch gesteuerte Klappen sowie ein vorgeschaltetes bestehendes Ringkolbenventil (RKV) vom Hochbehälter gesteuert und betrieben.

Standardmäßig erfolgt die Einspeisung aus dem Hochbehälter über die Pumpenturbine. Dazu wird die der Pumpenturbine vorgeschaltete Klappe geöffnet und danach das RKV aufgefahren. Bei Erreichen der Nenndrehzahl erfolgt die Anschaltung an das elektrische Netz. Bei Außerbetriebnahme der Pumpenturbine oder bei Störungen erfolgt die Einspeisung vom Hochbehälter über eine Umfahrungsleitung mit einer pneumatischen Klappe. Die Durchflussmengenregelung erfolgt dann über das vorgeschaltete RKV.

Pumpenturbinen haben zwar einen geringfügig schlechteren Wirkungsgrad als klassische Turbinen. Dafür sind sie aber erheblich kostengünstiger, robuster und wartungsfreundlicher.

Bild 2: Pumpenturbinen (Stromgewinnungsanlagen) in den Fall-Leitungen (Landeswasserversorgung BW) [28]

1.1.5 Abdichtungsarten Motor – Hydraulik

Je nach Anforderung seitens der Anwendung werden zur Abdichtung der Pumpenhydraulik gegen den Antriebsmotor die dynamisch dichtende Gleitring-dichtung oder statisch dichtende MagnetkupplungenMagnetkupplungen und Spaltrohrmotoren eingesetzt.

Gleitringdichtung

Die Gleitringdichtung ist eine dynamische, kostengünstige Komponente, ist aber nicht zu 100 % dicht, sondern hat eine minimale Leckage. Deshalb ist sie nicht für die Lebensmittelbranche und nur bedingt für Pumpen in der Chemiebranche geeignet. Da die Gleitringdichtung noch in einem späteren Kapitel genauer beschrieben wird, soll hier nicht näher auf diese Dichtungsart eingegangen werden.

Magnetkupplungspumpen

Diese Abdichtungsart zwischen Motor und Pumpenhydraulik findet vor allem bei Chemiepumpen und Lebensmittelpumpen ihren Einsatz. Die Hauptkomponenten sind Innenrotor, Außenrotor, Spalttopf und Lager (radial und axial). Die Motorwelle ist mit dem Außenmagnetrotor verbunden und überträgt berührungslos die Magnetkräfte auf den Innenmagnetrotor. Der Außenrotor ist auf der Innenseite, der Innenrotor auf der Außenseite mit Dauermagneten bestückt. Die beiden Rotoren sind getrennt durch einen Spalttopf. Dieser Spalttopf ist das dichtende Element, er dichtet das Fördermedium gegen die Umgebung ab. Die Gleitlager werden durch das Fördermedium geschmiert. Diese Kupplungsart ist hermetisch dicht, ohne Leckage. Es lassen sich durchaus Anwendungen realisieren, bei denen Drücke von 25 bar und Temperaturen von 250 °C auftreten.

Bild 3: Magnetkupplung [12]

Bild 4: Pumpe mit Magnetkupplung [43]

SpaltrohrmotorpumpenSpaltrohrmotorpumpen

Bei dieser Kreiselpumpenart bilden Motor und Pumpe eine integrierte Einheit. Die Pumpe ist in Blockbauweise konzipiert, d.h. auf der durchgehenden Motorwelle ist das Laufrad montiert. Das Spaltrohr dient als Dichtungselement, weshalb keine dynamische Dichtung notwendig ist.

Die Motorwicklung (feststehender Stator) befindet sich zwischen Motorgehäuse (Rahmen) und Spaltrohr. Dadurch ergibt sich eine doppelte Dichtigkeit: Motormantel + Spaltrohr. Das feststehende Spaltrohr umschließt den Rotor und dichtet die Rotorkammer nach außen ab. Das Fördermedium zirkuliert direkt in der Rotorkammer, kühlt dabei den Motor und schmiert die Gleitlager. Zur Kühlung des Motors ist kein Lüfter notwendig, so dass die Pumpe sehr geräuscharm arbeitet. Die doppelte Dichtigkeit minimiert die Gefahr von Leckagen. Deshalb kommt dieser Pumpentyp bei Chemiepumpen, bei explosiven, brennbaren und giftigen Flüssigkeiten zum Einsatz.

Bild 5: Pumpe mit Spaltrohrmotor [44]

1.1.6 Abwasserpumpen

Kreiselpumpen, die Flüssigkeiten mit Feststoffbestandteilen fördern müssen, haben je nach Belastung und Zusammensetzung des zu fördernden Mediums und der darin enthaltenen Feststoffe eine geringere Standzeit. Sie können schnell unwirtschaftlich werden. Die Förderung von Wasser mit Feststoffen, die zudem hart sind, bewirken schädigende Abrasion an den Pumpenkomponenten. Eine Reduzierung der Durchflussgeschwindigkeit wirkt sich dabei verschleißmindernd aus (V=2-3 m/s).

Bei Feststoffen mit hohem Feststoffanteil empfiehlt es sich, spezielle Freistrom-pumpen mit offenem Laufrad einzusetzen. Die Feststoffe führen nicht wie beim geschlossenen Laufrad zu Verstopfung, sondern werden im Spiralgehäuse durch die zu fördernde Flüssigkeit mitgerissen und über den Druckstutzen wieder aus dem Pumpengehäuse heraus transportiert. Für Förderprozesse, bei denen langfaserige Feststoffe gepumpt werden müssen, eignen sich Pumpen, die mit einem Schneid-werk ausgerüstet sind.

1.1.7. Elektrische Antriebe

Die wichtigsten elektrischen AntriebeElektrische Antriebe für Pumpen im industriellen Bereich sind Drehstrommotoren. Neben Wechselstrommotoren, die ihre Anwendung haupt-sächlich im Gebäudebereich finden, sind Gleichstrommotoren in Konsumgütern und in Kraftfahrzeugen weit verbreitet.

DrehstrommotorenMotoren

Drehstrommotoren sind aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit und Robustheit im industriellen Umfeld dominierend.

Asynchronmotoren

Bei diesem Motor-Typ läuft der Rotor dem Drehfeld nach (asynchron). Der Motor ist gekennzeichnet durch einen einfachen und robusten Aufbau, mit geringen Wartungs-anforderungen. Der Motor ist stoßlastfest und hoch überlastbar, Selbstanlauf ist bei voller Last möglich. Dieser Motortyp ist auch als Generator zu betreiben. Bis 4 kW wird er im Direktanlauf, ab 5,5 kW in Stern-Dreieck-Schaltung gestartet. Asynchronmotoren sind mit die kostengünstigsten Drehstrommotoren.

Synchronmotoren

Hierbei herrscht Synchronlauf von Drehfeld und Rotor vor. Seine Vorteile liegen im Schwachlastbereich, die Läuferverluste sind geringer als beim Asynchronmotor.

Kleinere Baugrößen (BG 80 anstatt BG 100) sind möglich, was bei vielen Anlagen konstruktive Vorteile bietet. Diese Motoren können auch als Generator betrieben werden. Sie haben einen höheren Wirkungsgrad, aber auch höhere Investitions-kosten als Asynchronmotoren zu verzeichnen.

Permanentmagnet-Synchronmotoren(PM)

Synchronmotor, bei dem die Magnetisierung durch Permanentmagnete erfolgt. Dieser Motor-Typ ist nicht selbststartend, es ist eine Steuerungselektronik (extern) notwendig. Seine Vorteile sind:

 höhere Effizienz im Teillastbereich im Vergleich zum Asynchronmotor

 internes Rotordesign, drehender Rotor befindet sich im Innern des Stators

 bis zu 2 Baugrößen kleiner als Asynchronmotor

Der Nachteil dieses Motortyps ist, dass die Materialien für Magnete, die seltenen Erden teuer und auch nicht leicht verfügbar sind. Das Hauptvorkommen der seltenen Erden liegt in China und in der Mongolei.

Reluktanzmotoren

Das Prinzip ist ein altbekannter Synchronmotor. Der Motor wurde schon im Jahre 1923 vorgestellt. In ihm sind keine Permanentmagnete verbaut. Die Rotorbleche aus Eisen werden über den Frequenzumrichter magnetisiert. In dem Motor wird das Prinzip der magnetischen Reluktanz genutzt, d.h. dem magnetischen Pendant zum elektrischen Widerstand.

Vergleichbarer Effekt: ein Eisenkern wird magnetisiert, wenn er durch einen Elektro-magnet angezogen wird. Der Motor besitzt eine höhere Effizienz im Teillastbereich im Vergleich zum Asynchronmotor und ist überlastbar, d.h. um ca. 10-20 % über der Nennlast, auch für eine längere Dauer.

Bild 6: Prinzip Reluktanzmotor, „Luft und Eisen“ [39]

Durch die spezielle Gestaltung der Rotorbleche besteht der Rotor sozusagen aus „Luft und Eisen“. Dadurch ergibt sich in der einen Richtung ein geringer magnetischer Widerstand und rechtwinklig dazu ein hoher magnetischer Widerstand. Sobald Spannung anliegt, kommt das Prinzip der magnetischen Reluktanz zum Tragen und der Rotor dreht sich.

Motor-Typen	Asynchron	Synchron	Reluktanz	Permanent-Magnet (PM)
Effizienz	+ (IE3)	++ (IE3/IE4)	+++ (IE4)	+++ (IE4)
Elektronik notwendig	--	xx	xxx	xxx
Selbststart	x	--	--	--
Permanent-Magnet notwendig	--	--	--	x
Preis	x	xx	xxx	xxxx

Tabelle 2: Vergleich der verschiedenen Drehstrom-Motor-Typen

Stern-Dreieck-SchaltungStern-Dreieck-Schaltung bei Drehstrommotoren

Im Anlauf beim Start des Motors erfolgt eine sehr hohe Stromaufnahme. Bei direkter Einschaltung liegt diese beim 5- bis 8- fachen Bemessungsstrom. Deshalb werden Drehstrommotoren nur bis 4 kW im Direktanlauf gestartet und ab 5,5 kW in Stern-Dreieck-Anlauf geschaltet.

Bild 7: Stern-Dreieck-Schaltung [19]

Der Motor wird im Stern gestartet und nach dem Hochlauf auf Dreieck umgeschaltet. Dadurch ist der Einschaltstrom nur ca. 1/3 so groß als wie beim Direktanlauf im Dreieck. Dies schützt den Motor vor Überlast und ermöglicht einen schonenden Betrieb.

Wechselstrommotoren

Wechselstrommotoren sind einphasig und werden mit Wechselstrom betrieben. Zum besseren bzw. verstärkten Anlaufverhalten wird ein Kondensator eingesetzt. Durch diesen Anlaufkondensator erhöht sich das Startdrehmoment. Diese Motoren werden dort eingesetzt, wo nur ein Einphasenstromnetz vorhanden ist. Anwendungen finden sich beim Antrieb von Maschinen, Werkzeugen, Ventilatoren, Kompressoren und Pumpen.

Bild 8: Wechselstrommotor mit Kondensator [27]

Gleichstrommotoren

Gleichstrommotoren sind sehr kostengünstig und in Konsumgütern weit verbreitet. Sie eignen sich für geringe Leistungen. Auch in Kraftfahrzeugen finden sich Gleichstrommotoren. Nachteilig ist ein schlechterer Wirkungsgrad als bei Drehstrom- und Wechselstrom-Motoren. Aufgrund ihrer guten Regelbarkeit und des guten Anlaufverhalten gewinnen sie aber wieder an Bedeutung, auch in industriellen Produktionsanlagen. Da auch Photovoltaikanlagen Gleichstrom liefern, entstehen keine Umwandlungsverluste bei der Einspeisung des Solarstroms ins betriebseigene Netz zum Direktverbrauch. Somit werden auch Pumpen mit Gleichstrommotoren für industrielle Produktionsanlagen an Bedeutung gewinnen.