Kreiselpumpen und Pumpensysteme

Thomas Merkle

Kreiselpumpen und Pumpensysteme

Betrieb, Instandhaltung und Schadensvermeidung

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ISBN 978-3-8169-3507-0 (Print)

ISBN 978-3-8169-0005-4 (ePub)

Inhalt

  Vorwort

 1. Einführung1.1. Grundlagen1.1.1. Hydraulische Grundlagen1.1.2. Elektrotechnische Grundlagen1.1.3. Hinweise zu Auswahl und Dimensionierung1.1.4. Bauformen von Kreiselpumpen1.1.5 Abdichtungsarten Motor – Hydraulik1.1.6 Abwasserpumpen1.1.7. Elektrische Antriebe1.1.8. Verschiedene Regelungsarten

 2. Verschleiß2.1. Ursachen und Auswirkungen von Verschleiß an Kreiselpumpen2.1.1. Fremdkörper im System2.1.2. Überlastung2.1.3. Förderung von Flüssigkeiten mit Feststoffen2.1.4. Förderung von harten Feststoffen2.1.5. Fehlerhafte Betriebsweise2.2. Verschleiß durch Abrasion2.2.1. Laufrad2.2.2. Spiralgehäuse2.2.3. Lager2.2.4. Rohrleitungen2.2.5. Abrasion und Korrosion2.3. Verschleiß durch Kavitation2.4. Verschleiß an Gleitringdichtungen2.4.1. Werkstoffbereiche2.4.2. Gleitwerkstoffe2.4.3. Vergleich der Werkstoffkenndaten2.4.4. Schäden an Gleitringdichtungen – Schadensfälle2.5. Störungen erkennen, bewerten und Tendenzen ableiten2.5.1. Ursachenanalyse und Bewertung2.5.2. abzuleitende Tendenzen2.5.3. Maßnahmen zur Störungsvermeidung2.5.4. Strömungssimulation2.6. Schadensbilder

  3. Messtechnische Erfassung von Störungen und Verschleiß 3.1. Schwingungsmessung 3.2. Temperaturmessung 3.3. Druckmessung 3.4. Drehzahlmessung 3.5. Strommessung 3.6. Schadensdiagnose durch Zustandsüberwachung und Schwingungsanalyse

 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß4.1. Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern4.1.1. Genaue Betriebspunktfestlegung4.1.2. Berücksichtigung von Strömungsverlusten4.1.3. Betriebspunktanpassung4.2. Ursachen für Kavitation4.2.1. Schäden infolge von Kavitation4.2.2. Kavitationsarten4.2.3. Kavitation und NPSH-Wert4.2.4. Kavitationsvermeidung4.3. Trockenlaufschutz4.3.1. Sperrkammersysteme4.3.2. Pump control4.4. Condition Monitoring Systeme (CMS)4.4.1. Fehlervermeidung4.4.2. Fehlererkennung4.4.3. Fehlermanagement4.4.4. Pump control 84.4.5. Pump monitoring4.4.6. Contracting4.5. Strömungsoptimierung4.5.1. Verluste an Pumpenbauteilen4.5.2. Verluste in Rohren, Elementen und Armaturen4.5.3. Optimierung durch Strömungssimulation4.5.4. Strömungs- und Verschleißsimulation

 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß5.1. Korrosionsschutz5.1.1. Verfahren der Oberflächenvorbereitung5.1.2. Klassifizierung der Korrosionsschutzschichten5.1.3. Materialauswahl5.1.4. Kunststoffbeschichtungen5.1.5. Korrosionsschutz bei Edelstahl5.1.6. andere Optionen5.1.7. Korrosionsschutz an Gleitringdichtungen5.2. Abrasionsschutz5.2.1. Verschleißanalyse5.2.2. Strömungsanalyse5.3. konstruktive Maßnahmen5.3.1. verschleißmindernde Einsätze5.3.2. Überwachung mittels Sensoren5.3.3. Gummierungen5.3.4. verschleißbeständige Gusseisenwerkstoffe5.4. Oberflächenvergütung5.4.1. Harte Schichten5.5. Sonderkonstruktionen5.5.1. Schneidradpumpe5.5.2. Pumpe mit Inducer

 6. Mobile und stationäre Schadensüberwachung6.1. Mobile Schadensüberwachung6.2. stationäre Zustandsüberwachung6.2.1 Aufbau der stationären Zustandsüberwachung6.3. praktische Beispiele der Schwingungsmessung6.3.1. Aufbau der Messtechnik6.3.2. Vermeidung von Messfehlern6.3.3. Analyse der Messsignale6.3.4. Schadensdiagnose mithilfe der Schwingungsanalyse

 7. Hinweise zu Planung und Konzeption von vorausschauender Instandhaltung7.1. Pumpenüberwachung7.2. Diagnose-Systeme7.3. Datentransfer7.3.1. Digitalisierung – Industrie 4.07.3.2 OPC-UA7.4. Fernwartung7.5. Diagnose und Wartung als Dienstleistung

 8. Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden und zustandsorientierten Instandhaltung8.1. Optimale Betriebspunkt-Anpassung8.2. Energie-Effizienz8.3. Lebenszykluskosten8.3.1. Anschaffungskosten8.3.2. Energiekosten8.3.3. Wartung und Reparatur8.3.4. Sonstige Kosten8.3.5. Software zur LCC-Berechnung8.3.6. Zusammenfassende Betrachtung der LCC8.4. Kostensteigerung und Materialverknappung8.4.1. Energiekosten-Steigerung8.4.2. Materialkosten8.4.3. Recycling – Materialrückgewinnung

  9. Literaturverzeichnis Bildnachweis

  10. Verwendete Formelzeichen und Einheiten

  Register

Vorwort

Kreiselpumpen werden zur Förderung von sehr unterschiedlichen Fluiden oder Flüssigkeiten eingesetzt. Neben der Förderung von reinen Flüssigkeiten werden sehr häufig auch Flüssigkeiten mit Feststoffbestandteilen transportiert. Abrasive Medien schleifen an Gehäusen und Laufrädern so stark, dass erhebliche Schäden an den Pumpenteilen auftreten.

Dies hat zur Folge, dass die Pumpen je nach Belastung und Zusammensetzung des zu fördernden Mediums und der darin enthaltenen Feststoffe nur eine geringe Standzeit aufweisen und daher unwirtschaftlich werden können. Eine falsche Betriebsweise von Pumpen kann zu Kavitation führen und ebenfalls starker Schäden verursachen.

In diesem Buch wird aufgezeigt, dass sich Schäden und Verschleiß beim Betrieb von Pumpen durch geeignete Maßnahmen reduzieren und teilweise vermeiden lassen. Konstruktive Maßnahmen, vorbeugende Instandhaltung, optimale Wartung und Reparatur von Anlagen, können sowohl die Lebensdauer verlängern als auch Kosten sparen. Der Einsatz von Drehzahlregelung, neuen Technologien zur Beschichtung und Herstellung der Pumpenbauteile kann die Wirtschaftlichkeit von Pumpenanlagen erheblich erhöhen.

Anhand von praktischen Beispielen werden Schadensmechanismen und Zusammenhänge aufgezeigt und bewertet. Es werden Hinweise zu Fehler-management, sowie Vorschläge für Maßnahmen zu Fehlervermeidung und Fehlererkennung gegeben.

Der spezifische Verschleiß, beispielsweise beim Pumpen von Flüssigkeiten mit Feststoffen oder „Spänen“ wird in Theorie und Praxis beschrieben. Pumpen die in der spanenden Metallbearbeitung, bei Werkzeugmaschinen und bei Anlagen zur Förderung von abrasiven Flüssigkeiten eingesetzt werden, unterliegen völlig anderen Betriebsbedingungen als bei der Förderung von reinen, sauberen Flüssigkeiten. Es wird erläutert, dass sich vorausschauende Instandhaltung in wirtschaftlich interessantem Rahmen bewältigen lässt.

Auf tiefergreifende, theoretische Herleitungen und Berechnungen wurde verzichtet, da hierüber bereits ausreichend Fachliteratur vorhanden ist.

Das Buch ist gedacht als Leitfaden, um Schäden minimieren oder vermeiden zu können. Auch als praxisnahe Hilfe für Planer, Anlagenbauer und Betreiber von Anlagen zur spanenden Metallbearbeitung, sowie für die Bereiche Instandhaltung, Wartung und Reparatur von Anlagen, bei denen Pumpen eingesetzt werden. Außerdem für Studierende der Fachbereiche Maschinenbau und Verfahrenstechnik. Die 4. Auflage wurde um das Kapitel Grundlagen ergänzt, mit den Themen Hydraulik, Elektrik, elektrische Antriebe und Regelungsarten.

1. Einführung

Kreiselpumpen sind aufgrund ihrer Robustheit sehr weit verbreitet. Sehr viele Förderaufgaben von sehr unterschiedlichen Flüssigkeiten können durch den Einsatz von Kreiselpumpen gelöst werden. Sie eignen sich sowohl für stationäre als auch für instationäre Strömungsverhältnisse. Auch der einfache Aufbau und der geringe Wartungsbedarf begünstigen ihre Anwendung. Dennoch können Kreiselpumpen bedingt durch Schäden auch zerstört werden. Schäden und Verschleiß an Pumpen können sehr unterschiedliche Ursachen haben. Langzeit-schäden treten oft erst nach Jahren auf. Die Art und Intensität der Belastung der Pumpe hat einen sehr entscheidenden Einfluss darauf. Kurzer, getakteter Betrieb, zyklischer oder Dauerbetrieb bestimmen die Lebensdauer der Pumpe. Schäden, die bereits kurz nach der Inbetriebnahme auftreten, lassen sehr häufig auf Planungs- oder Inbetriebnahme-Fehler schließen. Eine falsch ausgelegte Pumpe oder der Betrieb außerhalb des Betriebspunktes können sehr schnell zum Ausfall der Pumpe führen.

Bevor auf die speziellen Ursachen von Verschleiß näher eingegangen wird, sollen Grundlagen betreffende Themen wie Hydraulik, Dimensionierung, Bauformen, Elektrotechnik, elektrische Antriebe und Regelungsarten näher erläutert werden.

1.1. Grundlagen

Die Hauptkomponenten im System Kreiselpumpe sind: Spiralgehäuse, Laufrad, Welle, Motor, Druckdeckel, Gleitringdichtung, oder auch eine Magnetkupplung. Jede einzelne Komponente muss der Anwendung entsprechend angepasst sein. Auftretende Kräfte, das Strömungsverhalten, die Beschaffenheit und die Betriebs-temperatur des Fördermediums erfordern eine sehr genaue Betrachtung der jeweils vorliegenden Anwendung. Viele Probleme während des Betriebs der Pumpe sind auf eine falsche Einschätzung der Anwendung zurückzuführen.

1.1.1. Hydraulische Grundlagen

Die Funktion der Kreiselpumpe basiert auf den hydraulischen Gesetzmäßigkeiten. Die elektrische oder mechanische Energie des Antriebsaggregats wird in Druck- und Bewegungsenergie umgewandelt.

Druck

Kreiselpumpen bewegen eine Flüssigkeit bzw. ein Fluid. Sie erzeugen Druck und Geschwindigkeit. Die im Spiralgehäuse beschleunigte Flüssigkeit fließt im System von Punkt A nach Punkt B, bewirkt durch die von der Pumpe umgesetzte kinetische Energie.

Die Definition von Druck P ist Kraft (N) pro Flächeneinheit in m².

Als Einheit gilt Newton je Quadratmeter (N/m² = Pa = bar).

1 bar = 10⁵ N/m² = 10⁵ Pa

Der atmosphärische Druck ist die Kraft, die durch das Gewicht der Atmosphäre auf eine Fläche wirkt. Der Druck ist abhängig von der Höhe über dem Meeresspiegel.

Tabelle 1: Einfluss der topographischen Höhe auf Luftdruck und Siedetemperatur

Auf der Höhe des Meeresspiegels beträgt der absolute Druck ungefähr 1 bar = 10⁵ N/m². Je höher sich ein Ort über dem Meeresspiegel befindet, desto geringer ist der Luftdruck und die Siedetemperatur.

Zusammenhang zwischen Druck und Förderhöhe

In einer statischen Flüssigkeit ist die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten abhängig vom Höhenunterschied. Die Druckdifferenz wird berechnet, indem die jeweilige Höhe mit der Dichte multipliziert wird.

Im Folgenden sind die wichtigsten druckrelevanten Begriffe definiert:

Reibungsverluste

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.

ReynoldszahlReynoldszahl

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

Auslegung

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.

Druckverlustberechnung

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

DrehzahlregelungDrehzahlregelung

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

1.1.2. Elektrotechnische Grundlagen

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.

GleichstromGleichstrom

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.

WechselstromWechselstrom

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.