Buch lesen: «Kreiselpumpen und Pumpensysteme», Seite 3
1.1.8. Verschiedene Regelungsarten
Im Folgenden werden die verschiedenen RegelungsartenRegelungsarten dargestellt, die bei Pumpensystemen zum Einsatz kommen. Je nach Anwendungsbedarf sollte die sinnvollste Lösung ausgewählt werden. Eine Gesamtbetrachtung sollte über die Regelungsart entscheiden. Die Prioritäten können sein: einfach, oder energie-effizient, oder kostengünstig oder flexibel. Die Regelungsarten im Einzelnen:
Start / Stopp-Regelung, Bypass-RegelungBypass-Regelung, Drossel-Regelung.
Start-Stopp-Regelung
Diese Regelungsart bietet sich an für Systeme, mit einem variierenden Bedarf, beispielsweise wenn mehrere kleine Pumpen parallelgeschaltet werden. Dabei addieren sich die Durchflussmengen, die Drücke nicht. Lastabhängig werden einzelne Pumpen zu- oder abgeschaltet. Dies erfolgt durch eine einfache Ein-/Aus-Schaltung. Diese Pumpen-Regelung ist aufgrund ihrer Einfachheit weit verbreitet.
Bild 9: Start-Stopp-Regelung
Regelung mit Bypass-Ventil
Durch ein Bypass-Ventil, das parallel zur Pumpenleitung installiert wird, fließt ein Teil der Strömung zurück in den Saugbereich. Ist nach einem Umbau einer Anlage beispielsweise die bereits vorhandene Pumpe zu groß, lässt sich durch den Bypass das Fördervolumen reduzieren. Diese Maßnahme ist zwar nicht sehr energieeffizient, bietet aber eine einfache und kostengünstige Lösung zur Anpassung der Pumpenleistung (Fördervolumen und Druck) an die umgebaute Anlage.
Bild 10: Regelung mit Bypass-Ventil
Regelung mit DrosselventilDrosselregelung
Das Drosselventil wird hierbei auf der Pumpen-Druckseite in Reihe zur Pumpe geschaltet. Dieses Ventil regelt sowohl die Fördermenge als auch den Förderdruck. Diese Maßnahme wird beim Umbau von Systemen angewandt, bei denen Pumpen mit hoher Förderhöhe eingebaut sind.
Bild 11: Regelung mit Drossel-Ventil
Regelung mittels Drehzahländerung des Motors
Dies ist die energieeffizienteste Pumpen-Regelung. Auf diese Regelungsart wird in Kap. 4.1.3.1 noch näher eingegangen, weshalb hier nur eine kurze Darstellung erfolgt. Bei der Drehzahl-Regelung geschieht die Einstellung des gewünschten Betriebspunktes entlang der Anlagenkennlinie. Da sich bei dieser stufenlosen Regelung über die Drehzahl von Pumpe/Motor, auch die zugeführte elektrische Leistung des Motors reduziert, ist dies eine sehr energiesparende Lösung. Bezogen auf einen langen Lebenszyklus der Pumpenanlage ist dies auch sehr kosteneffizient.
Diagramm 3: Regelung mittels DrehzahländerungDrehzahlregelung
2. Verschleiß
Bewegen sich Bauteile und entsteht dabei Reibung, treten Verschleißerscheinungen auf. Mechanische Belastungen und Strömungen von Flüssigkeiten können Material-abtrag und Schäden an Bauteilen bewirken.
2.1. Ursachen und Auswirkungen von Verschleiß an Kreiselpumpen
Sehr unterschiedliche Belastungen können Störungen, Verschleiß oder auch den Total-Ausfall einer Pumpe bewirken. Dies können Fremdkörper in Gehäuse, Laufrad oder Leitung sein, Überlastung, falsche Betriebsweise, die zu Kavitation führt, oder eine defekte Gleitringdichtung, die Leckage zur Folge hat.
Auch die Förderung von Flüssigkeiten mit Feststoffen, die zudem hart sind, bewirken schädigende Abrasion an den Pumpenkomponenten. Eine Reduzierung der Durch-flussgeschwindigkeit wirkt sich dabei verschleißmindernd aus. Die Förderung von speziellen Medien, die stark alkalisch sind, Kochsalzlösung, Säuren oder auch Meerwasser bewirken mehr oder minder Korrosionserscheinungen. Auch ungeplante Laständerungen ohne Leistungsanpassung haben negative Auswirkungen.
2.1.1. Fremdkörper im System
FeststoffpartikelFremdkörper wie Metall-Späne, Ablagerungen, Schleifpartikel (Sand, Korund, etc.) aber auch Komponenten wie Schrauben, Muttern oder abgebrochene Bohrer werden sehr oft mit der Flüssigkeit mitgefördert, können aber auch die Pumpe zerstören. Bei Feststoffen mit mehreren Millimetern Durchmesser empfiehlt es sich spezielle Freistrompumpen mit offenem Laufrad einzusetzen.
Für Förderprozesse, bei denen Späne mit einer Länge von mehreren Millimetern mitgepumpt werden müssen, gibt es bereits Pumpen, die mit einem Schneidwerk ausgerüstet sind. Die Späne werden bereits außerhalb, vor Eintritt in das eigentliche Pumpengehäuse, zerkleinert. Die kleingehackten Späne können dann durch das Pumpengehäuse angesaugt werden.
Die FeststoffpartikelFeststoffpartikel 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.
Bild 12: Freistrompumpe mit Sperrkammer
Bei Freistrompumpen werden die Feststoffe sozusagen am Pumpenlaufrad vorbei-geführt. Das Laufrad saugt an und schleudert das Fördermedium mit den Feststoffen über das Spiralgehäuse wieder heraus. Bei einem Feststoffanteil von mehr als 10 % kann es allerdings problematisch werden. Jedoch hängt dies von der Körnung oder der Größe der Feststoffe ab. Oftmals hilft nur eine empirische Ermittlung.
Bild 13: Strömungsfluss im Pumpengehäuse [45]
Ein längerfristiger Betrieb mit abrasiven Medien führt allerdings zu Verschleiß-erscheinungen.
Dabei entstehen schadhafte Stellen, je nach Feststoff-Art unterschiedlich stark sowohl an der Schaufel-Oberseite als auch an der Laufrad- und Schaufel-Umlaufseite.
Das Laufrad nach der Beschädigung auszuwechseln, ist noch die einfachste Möglichkeit. Bei größeren Schäden am Spiralgehäuse ist oft ein kompletter Austausch der Pumpe unumgänglich.
Vorbeugend empfiehlt es sich bei solchen Anwendungen, die Pumpenkomponenten durch Maßnahmen wie beispielsweise harte Beschichtungen zu schützen.
2.1.2. Überlastung
Die falsche AuslegungÜberlastung der Pumpe ist eine häufige Ausfallursache. Ein höherer Feststoffanteil als angenommen, oder eine andere Viskosität des Mediums – ölig statt wasserähnlich – führen zu Überlastung.
Auch Veränderungen am System, wie Rohrleitungsdurchmesser, zusätzliche Krümmer, Einbauten, Ventile, die nicht eine Anpassung der Pumpe nach sich ziehen, können Probleme verursachen. Bei selbstansaugenden Pumpen ist die maximale Saughöhe einzuhalten, um Kavitation zu vermeiden. Bei Betrieb mit Frequenz-umrichtern sind die zulässigen Grenzen zu beachten. Auch führt eine fehlende Rückschlagklappe bei einem getakteten Betrieb mit kurzen Laufzyklen der Pumpe, auf der Druckseite zu Schäden. Die schlagartige Drehrichtungsänderung führt zur Zerstörung des Laufradsitzes (Passfedernut o.ä.).
2.1.3. Förderung von Flüssigkeiten mit Feststoffen
Feststoffe werden sehr oft gepumpt. Vor allem in Kühlemulsionen bei Werkzeug-maschinen, Schleifschlamm, im Abwasserbereich, oder bei der Herstellung von Textilien, enthaltenen die Fördermedien bei bestimmten Prozessen beträchtliche Feststoffbestandteile.
Einen sehr hohen Einfluss auf das zeitliche und das quantitative Auftreten des Verschleißes haben folgende Parameter:
Drehzahl der Pumpen
Feststoffanteil in kg/l oder kg/m³ (%)
Kennzahl für Abrasivität
Durchfluss [m³/h]
Förderdruck [bar]
Härte der Feststoffpartikel (HV)Feststoffpartikel
Temperaturbeständigkeit
Schichtdicke (in μm)
Betriebs- oder Prozesstemperatur
Die Anforderungen an die Pumpe, die sich aus den zu fördernden Medien ergeben, können beispielhaft folgendermaßen definiert werden:
| Fördermedium: | abrasive Medien, Wasser, Öl, Emulsion, kalte Waschlaugen bis ph 10, Lösemittel |
| Max. Temperatur in °C: | 120 °C |
| Minimale Temperatur in °C: | 5 °C |
| Art der Feststoffe: | Schmutz, Späne, Guss- und Schleifpartikel, Sand, Quarz, Glasabrieb |
Eine möglichst genaue Definition von Medium und Betriebszustand hilft, die Pumpe bzw. den Prozess optimal anzupassen.
2.1.4. Förderung von harten Feststoffen
Während sich weiche Feststoffe mit Freistrompumpen durchaus gut im Medium mit- fördern lassen, können harte oder sehr harte Feststoffe Probleme bereiten, ja zum Ausfall führen. Je nach Art und Konzentration der Feststoffe im Fördermedium muss entschieden werden, welche Maßnahme die beste Lösung bietet. Es gibt hier keine Ideallösung. Je nach Anwendung können unterschiedliche Maßnahmen wie Gummierung, Oberflächenvergütung wie „Aufhärten“ der Oberfläche, verschleiß-mindernde Einsätze aus Keramik, Kunststoffbeschichtungen oder Hartguss die Lösung bieten.
Während grobe Partikel hauptsächlich zu Verschleißerscheinungen an Laufrad und Spiralgehäuse führen, bewirken Schleifpartikel, Sand oder Glasabrieb Schädigungen an Lager, Welle oder Gleitringdichtungen.
Rohrleitungsdurchmesser und Durchflussgeschwindigkeit haben einen sehr großen Einfluss auf den Grad der Schädigung und die Länge der Standzeit. Je größer der Rohrleitungsdurchmesser und je geringer die Durchflussgeschwindigkeit, desto geringer ist der Schaden und umso höher die Standzeit.
2.1.5. Fehlerhafte Betriebsweise
Eine Betriebsweise, die nicht zu dem für die Anwendung notwendigen Betriebspunkt passt, kann sehr unterschiedliche Gründe haben. Eine falsche Auslegung kann im Extremfall zum Betrieb der Pumpe deutlich außerhalb des Betriebspunktes führen. Schädigende Schwingungen mit Lagerschaden als Folge oder Überlast und Zerstörung des Motors können die Folge sein. Sind aggressive Medien im Einsatz, kann das falsche Material zu Korrosion und Leckagen führen. Fördern Tauchpumpen im „Schlürfbetrieb“ aus einem Behälter, kann zu viel Luft zu Trockenlauf und Ausfall der Gleitringdichtung führen.
Eine falsche Verrohrung kann den Druckverlust unnötig erhöhen und ebenfalls zu Überlast führen. Ist der Feststoffanteil zu hoch, kann die Pumpe verstopfen, keine Förderleistung bringen und ausfallen. Kommt es zu Störungen mit der Pumpe, ist sehr oft nicht die Pumpe das Problem, sondern es liegt ein Systemfehler vor.
2.2. Verschleiß durch Abrasion
AbrasiverAbrasion VerschleißVerschleiß ist definiert als eine Art Mikrozerspanung, bei der es zum Materialabtrag an Bauteilen kommt. Das harte, abrasive Material im Fördermedium ist dabei härter als das Material der Pumpenbauteile.
Abrasive Medien befinden sich in vielen Flüssigkeiten, die von Pumpen gefördert werden. Je nach Feststoff wird die Standzeit der Pumpen durch Schäden an Laufrädern und Gehäusen erheblich reduziert, teilweise bis auf wenige Wochen. Unter den Aspekten von TCO (Total Cost of Ownership) und LCC (Life Cycle Cost) bedeutet dies eine drastische Erhöhung der Betriebskosten.
Im Betrieb von Werkzeugmaschinen werden die Kreiselpumpen sehr häufig zur Förderung von Kühlemulsionen und feststoffbeladenen, abrasiven Flüssigkeiten eingesetzt. Metallspäne, Schleifstaub und Korund scheuern an Gehäusen und Laufrädern so stark, dass die Pumpe nach kurzer Zeit ausfällt.
Beispiele aus der Praxis
In der Textilchemie bei der Textilreinigung finden sich abrasive Feststoffe im Abwasser, beispielsweise bei der Jeans-Veredelung.
In der Bautechnik wird beispielsweise das abrasive Gleitmittel „Bentonit“Bentonit eingesetzt. Bentonit ist ein Gesteinsgemisch aus verschiedenen Tonmaterialien (u.a. Quarz, Glimmer, Feldspat, etc.) und findet seine Anwendung bei Bauwerksabdichtungen im Deichbau und als Gleitmittel beim Vortrieb von Tunneln. Die abrasive Wirkung beim Pumpen von Flüssigkeiten mit Bentonit-Verunreinigungen ist beträchtlich.
Bild 14: Kreiselpumpe eingebaut in eine Anlage zum Fördern von Bentonit
In der Solarzellenfertigung werden beim Sägen von Silizium-Wafern zum Fördern der Schleifschlämme (Slurry)Slurry Tauchpumpen eingesetzt. Diese Schleifschlämme bestehen aus einem Gemisch aus Glykol und Silicium-Karbid als Schleifmittel. Aus den gegossenen Silizium-Blöcken werden die Wafer (dünne Silizium-Scheiben) mit einem Stahl-Draht gesägt. Das Schleifmittel Silizium-Karbid/Glykol, als Fördermedium, wird im 24 h Betrieb umgewälzt. Der Schleifmittelanteil beträgt ca. 20 Gewichts-%. Die ständige Umwälzung ist notwendig, da sonst das Schleifmittel hart wird.
Bild 15: Spiralgehäuse nach Versuch mit Schleifschlämme “Slurry“
Bei all diesen Anwendungen wird die Standzeit der Pumpen durch diesen abrasiven Verschleiß erheblich reduziert.
2.2.1. Laufrad
Der Materialabtrag am Laufrad findet an sehr unterschiedlichen Stellen statt. Strömungssimulationen zeigten sehr deutlich, dass die Schädigungen geschwindig-keitsabhängig sind. An Stellen höchster Geschwindigkeit findet die größte Abrasion statt. Des Weiteren findet an Stellen turbulenter Strömung ein erhöhter Materialabtrag statt.
Bild 16: geschädigtes Laufrad durch Abrasion
Sollen abrasive Medien gefördert werden, empfiehlt sich, Pumpen mit offenem Laufrad einzusetzen. Freistrom-Pumpen bei Feststoffen mit einer Partikelgröße von 3–5 mm, mit einem maximalen Feststoffanteil von 5–8 % können Pumpengehäuse und Laufrad noch von Verschleiß geschont bleiben.
Bei höherem Feststoffanteil kann dies zu Verstopfung führen bzw. werden so nach und nach die Laufrad-Schaufeln „abgeschliffen“.
Bild 17: Laufrad vor und nach der Schädigung – Materialabtrag durch Abrasion
2.2.2. Spiralgehäuse
Der meiste Materialabtrag findet an Kanten im Innern des Gehäuses statt. Beispielsweise an der Entleerungsbohrung oder der Bohrung an der Verschleißplatte. Außerdem findet bei Fördermedien mit Schleifpartikel eine ebenso gleichmäßige Schädigung im Innern des Spiralgehäuses statt.
Ein Phänomen, das auftreten kann ist die abrasive Oberflächengestaltung nach dem Prinzip der strömungsoptimierten Haifischhaut. Die Annahme, dass eine möglichst glatte Oberfläche den geringsten Widerstand besitzt, ist falsch. Durch die Längsrillen auf den Schuppen wird die Querströmung gesenkt und somit die Reibung reduziert. Dieses Prinzip wird schon in der Flugzeugindustrie erfolgreich angewendet.
Bild 18: “Haifischhautoberfläche“Haifischhautoberfläche im Pumpengehäuse
Findet der Verschleiß dermaßen gleichmäßig statt, kann die dadurch reduzierte Wanddicke durchaus standhalten, so dass die Standzeit der Pumpe akzeptabel sein kann. Strömungstechnisch bringt diese Oberfläche „Haifischhaut“ sogar eine Verlustminimierung, da diese Oberfläche eigentlich ideal ist. Ist die Wanddicke entsprechend hoch genug, kann diese Art von Verschleiß den Lebenszyklus der Pumpe nur unwesentlich verkürzen.
2.2.3. Lager
Eine Überbeanspruchung der Lagerung tritt ein, wenn die Radialkraft zu hoch ist. Wird die Pumpe mit einem deutlich höheren Förderstrom gefahren als vorgesehen, kommt es zur Durchbiegung der Welle mit darauffolgender Schädigung des Lagers. Auch durch stark abrasive Medien werden die Lager von Pumpe und Motor geschädigt, was nachfolgende Abbildungen dokumentieren.
An Kanten und Spalten wirkt vor allem Schleifschlamm sehr stark.
 |  |
Bild 19 und 20: Beschädigung der Drosselstrecke – Folge: Lagerschaden am Motor
Bei Wälzlagern führt Abrasiv-Verschleiß vor allem in Verbindung mit Korrosion ebenfalls zu Zerstörung. Als Folge kommt es zu verstärkter Mischreibung und Materialabtrag. Die Geräuschentwicklung nimmt kontinuierlich zu, gleichzeitig nimmt der Verschleiß an Käfig und Wälzkörper weiter zu, bis zur schlussendlichen Zerstörung des Lagers.
Mögliche Schutzmaßnahmen können sein: Schutzring für die Motor-Lagerung, Montage eines Verschleiß-Sensors mit Überwachungssystem, oder eines Motor-schutzschalters. Ein höherwertiger Motor wie er im Explosionsschutz-Bereich eingesetzt wird, könnte ebenfalls dienlich sein.
Häufig kommt es aber auch zum Ausfall des B-seitigen Kugellagers am Motor (Lager auf der Lüfterseite). Beispielsweise wenn eine Tauchpumpe in einen Behälter mit Entlackungs-Flüssigkeit eingebaut ist. Dieses Entlackungs-Medium ist 90°C heiß und greift alle Fette und Lacke an, ebenso Elastomere wie Viton oder Perbunan. Deshalb wurde auf Elastomere-Dichtungen verzichtet. Der Motor ist über dem Behälter senkrecht, mit der Welle nach unten eingebaut. Probleme gibt es am B-seitigen, oberen Kugellager. Die Umgebungsdämpfe sind so aggressiv, dass das ganze Fett im Kugellager schnell ausgewaschen wird (nach 2-3 Monaten Totalschaden).
Verschiedene Lösungsansätze, die solche Schäden verhindern sind:
Einbau von zwei Radialdichtungen in einer Kombination vor dem Kugellager.
Klemmenkasten und Stator werden mit Dichtmasse abgedichtet. (wie bei IP56)
Kugellager mit Vollkeramik. Die sind aber sehr teuer und die verwendeten Lagerringe aus Fluorit-Harz haben deutlich geringere Tragzahlen.
Direkt am Kugellager am Kugellager kann zusätzlich eine spezielle Stahl-scheiben-Dichtung eingebaut werden, die speziell für den Schutz von Kugellager vor Verschmutzungen und Flüssigkeiten entwickelt wurde. Diese Dichtung besteht aus speziell geformten Stahllamellen. Durch die Zentrifugalkraft werden Verschmutzungen, Dämpfe und Flüssigkeiten vom Kugellager ferngehalten.
2.2.4. Rohrleitungen
Mit ausreichend großen Rohrdurchmessern lassen sich sowohl Strömungsverluste als auch Schäden durch Abrasion vermindern. Sind die Rohrdurchmesser zu klein gewählt, oft aus Kostengründen, herrscht keine laminare stabile Strömung, sondern eine turbulente Strömung mit unregelmäßigen Querströmungen im Rohr. Sind Feststoffpartikel im Fördermedium, wirken diese auf die Rohrinnenwand wie bei einem Schleifprozess. Der stärkste Materialabtrag findet an Rohrverengungen, Umlenkungen oder auch T-Stücken statt. Die Feststoffpartikel prallen mit erhöhter Kraft auf die entsprechenden Stellen und spülen oder schleifen die Rohrleitung mehr oder weniger aus, bis die Rohrwand schlussendlich durchbricht. Bei dünnwandigen Rohren kann dies sehr schnell geschehen. Auf entsprechende Schutzmaßnahmen wird in Kapitel 4 eingegangen.
Letztendlich wird bei kleinen Rohrdurchmessern zwar an den Investitionskosten gespart, nicht aber an den Energiekosten. Der erhöhte Rohrreibungswiderstand, oftmals noch verstärkt durch eine hohe Rauigkeit im Rohr, bringt eine Erhöhung des Druckverlustes. Dies bedeutet mehr Pumpenleistung und mehr Energieverbrauch.
Eine Maßnahme zum schonenden Betrieb einer Anlage, zur Reduzierung von Verschleiß und auch zur Minimierung der Geräuschentwicklung, ist definitiv die Vergrößerung der Rohrleitungsdurchmesser.
Bild 21: durchgescheuerte Rohrbögen
Werden abrasive Medien gefördert, treten besonders an Rohrbögen entsprechende Schäden auf.
 |  |
Bild 22 und 23: richtig große Löcher in den Rohren
 |  |
Bild 24 und 25: Querschnitt eines Rohrbogens: die Wanddicke ist durch Verschleiß drastisch reduziert
Bei abrasiven Medien ist deshalb auf die Festigkeitseigenschaften besonders zu achten. Auch bei Einbauten wie Ventilen, Schiebern, Meßsensoren o.ä. sind entsprechende Schäden zu erwarten, falls die Materialien nicht hochwertig genug sind.
Der kostenlose Auszug ist beendet.
