Umwälzpumpen

In Heißwasser- und Heizkesselanlagen findet der Wärmetransport durch die Umwälzung des Wassers sowohl auf der Erzeuger- als auch auf der Verbraucherseite statt. Hierzu werden fast ausschließlich Kreiselpumpen in verschiedenen Varianten eingesetzt.

Mindestmenge Q_min
Die Mindestmenge Q_min ist der minimal zulässige Förderstrom durch die Pumpe, um eine ausreichende Kühlung der Gleitringdichtung zu gewährleisten.

Die Mindestmenge ist abhängig von der Mediumstemperatur und liegt zwischen 10 % und 30 % des Nennvolumenstroms der Pumpe.

Maximal zulässiger Förderstrom Q_max
Der maximal zulässige Förderstrom darf nicht überschritten werden, um Kavitation in der Pumpe zu vermeiden. Der maximal zulässige Förderstrom der Pumpe ist abhängig vom NPSH-Wert.

NPSH-Wert
Die Bezeichnung NPSH ist die engl. Abkürzung für "Net Positive Suction Head" und eine wichtige Größe zur Beurteilung des Saugverhaltens einer Kreiselpumpe. Sie ermöglicht eine Aussage über die Sicherheit gegenüber Auswirkungen der Kavitation während des Betriebs.

Kavitation ist dabei ein Schadensmechanismus für die Pumpe und muss unbedingt in allen Betriebszuständen vermieden werden, um eine lange Lebensdauer zu erreichen.

Im Verlauf der Strömung durch das Laufrad einer Kreiselpumpe kommt es insbesondere am Schaufelkanaleintritt zunächst zu einer Absenkung des statischen Drucks gegenüber dem Wert vor dem Laufrad. Die Höhe der Druckabsenkung ist von der Drehzahl, Dichte, Geometrie des Laufradeintritts und Viskosität der Förderflüssigkeit sowie dem Betriebspunkt und Geschwindigkeitsprofil der Zuströmung abhängig.

Zur Vermeidung von Kavitation muss der Druck vor dem Laufrad in jedem Betriebszustand immer über dem Dampfdruck des Fördermediums liegen.

Der NPSH ist abhängig von der Fördermenge und der Temperatur. Je höher die Temperatur, desto geringer ist der NPSH.

Wichtig für die Praxis:
Der Vordruck am Saugstutzen der Pumpe muss immer größer als der NPSH-Wert der Pumpe sein.

Nassläuferpumpen

Zur Heizungswasserförderung bei Fördermengen im Bereich bis ca. 50 m³/h und Förderhöhen bis ca. 10 m, werden sogenannte Nassläuferpumpen eingesetzt. Die Medientemperatur darf bei dieser Pumpenkonstruktion maximal 110 °C betragen.

Der Elektromotor und die Kreiselpumpe bilden eine Einheit und sind dadurch hermetisch gegenüber der Umgebung gekapselt, sodass keine Gleitringdichtung zur Abdichtung des Pumpeninnendrucks gegenüber der Atmosphäre notwendig ist. Dadurch ist die Pumpe wartungsfrei. Der Elektromotor wird durch das Fördermedium gekühlt.

Aufbau einer Nassläuferpumpe
Bei darüber hinausgehenden Fördermengen, Förderhöhen oder Temperaturen werden Trockenläufer-Kreiselpumpen eingesetzt. Diese sind im Einsatz variabler und meist effizienter.

Trockenläuferpumpen

Bei einer Trockenläuferpumpe ist die medienberührte Pumpeneinheit vom Motor konstruktiv getrennt. Das Pumpenlaufrad ist über eine Welle und einer Kupplung mit dem Motor verbunden. Die Abdichtung der Pumpenwelle im medienberührten Teil erfolgt mit einer Gleitringdichtung.

Abhängig von dem benötigten Differenzdruck (= Förderhöhe) der Pumpe gibt es einstufige und mehrstufige Kreiselpumpen.

Für kleinere Leistungen werden Inline-Pumpen verwendet, bei denen Saug- und Druckstutzen in einer Linie liegen. Diese können direkt in die Rohrleitung eingebaut werden. Bei größeren Leistungen werden Blockpumpen verwendet. Der Druckstutzen liegt 90° versetzt zum Saugstutzen. Blockpumpen müssen auf dem Fundament ausnivelliert und fixiert werden.

Einstufige Spiralpumpe mit gegenüberliegenden Saug- und Druckstutzen in Inlinebauweise (Saug- und Druckstutzen gegenüberliegend mit dem gleichen Durchmesser). Die Pumpe ist mit einem lüftergekühlten Permanentmagnet-Synchronmotor ausgerüstet. Der Motorwirkungsgrad sollte der höchsten Energieeffizienzklasse IE5 entsprechen. Zur Drehzahlregelung verfügt der Motor über einen Frequenzumrichter und eine Drehzahlregelung, die im Klemmenkasten des Motors untergebracht sind. Die elektronische Drehzahlregelung ermöglicht eine kontinuierliche Anpassung der Motordrehzahl und damit der Pumpenleistung an den aktuellen Bedarf.

Vertikale, mehrstufige Kreiselpumpe mit gegenüberliegenden Saug- und Druckstutzen (Inline-Bauweise). Die medienberührten Bauteile der Pumpe sind aus Grauguss (Kopf- und Fußstück) und Edelstahl. Die Kraftübertragung erfolgt über eine starre, geteilte Kupplung. Die Pumpe ist mit einem 3-phasigen, lüftergekühlten Permanentmagnet-Synchronmotor ausgerüstet. Der Motorwirkungsgrad sollte der höchsten Energieeffizienzklasse IE5 entsprechen. Zur Drehzahlregelung verfügt der Motor über einen angebauten oder separat angebrachten Frequenzumrichter und eine Drehzahlregelung, die im Klemmenkasten des Motors untergebracht sind. Die elektronische Drehzahlregelung ermöglicht eine kontinuierliche Anpassung der Motordrehzahl und damit der Pumpenleistung an den aktuellen Bedarf.

Das für diese Pumpen am meisten verwendete System zur Fördermengenregelung ist der Einsatz eines Frequenzumformers, mit dem die Drehzahl der Pumpe variiert bzw. auf den entsprechenden Bedarf angepasst werden kann.

Hierbei sind entsprechend den hydraulischen Vorgaben und Verbraucheranforderungen folgende Regelungsarten verbreitet:

• Konstante oder proportionale, volumenstromangepasste Differenzdruckregelung mit Differenzdruckmessung über der Pumpe
• Konstante Differenzdruckregelung mit Differenzdruckmessung über dem oder mehreren Schlechtpunkten an den Verbrauchern

Bei Primärpumpen z.B. zur Pufferbeladung

• Differenztemperaturregelung

Kennlinie von Kreiselpumpen

Auslegungsdaten des Beispiels:

• Sollvolumenstrom Q = 25 m³/h
• Förderhöhe aus der Druckverlustberechnung H = 12 m
• Mediumstemperatur 60 °C

Die rot dargestellte Anlagenkennlinie beginnt in Umwälzsystemen im Nullpunkt und steigt quadratisch mit der Fördermenge an, da auch die zu überwindenden Druckverluste des Rohrleitungs- und Anlagensystems quadratisch mit dem Volumenstrom ansteigen. Der Betriebspunkt der Anlage ist dabei immer der Schnittpunkt der Anlagenkennlinie mit der Pumpenkennlinie; im Beispiel liegt dieser Punkt bei 87 %. Der Auslegungspunkt der Pumpenanlage soll dabei möglichst nahe am Punkt des optimalen Wirkungsgrades liegen. Dieser liegt im Bereich zwischen dem ersten und zweiten Drittel der maximalen Fördermenge.

Wichtig für die Praxis:
Für Heiz- und Heißwasseranwendungen sind die Pumpenkennlinien in Herstellerunterlagen immer auf das Fördermedium Wasser und eine bestimmte Mediumstemperatur bezogen.

• In Auswahlprogrammen kann die tatsächliche Betriebstemperatur eingegeben werden und die Dichte des Mediums wird automatisch berechnet
• Der Betriebspunkt ist immer der Schnittpunkt zwischen Anlagenkennlinie und Pumpenkennlinie
• Mit steigendem Druck kann die Pumpe weniger Volumen fördern, die elektrische Leistungsaufnahme wird reduziert
• Mit fallendem Druck nehmen die Fördermenge und die elektrische Leistungsaufnahme zu
• Der NPSH-Wert muss für jede Pumpe zur Verfügung gestellt werden, um Kavitation zu verhindern

Umwälzbetrieb im Heißwasser- oder Heizungssystem

Beim Umwälzbetrieb (z.B. in einer Heizungsanlage) entfallen die geodätischen Höhenunterschiede aufgrund des geschlossenen Kreislaufs. Sodass sich die Gleichung für die erforderliche Förderhöhe wie folgt vereinfacht:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{erf}}={\mathrm{H}}_{\mathrm{V}}$

H_v sind dann alle Rohrleitungswiderstände und die Widerstände aller eingebauten Komponenten wie z.B. Formstücke, Armaturen und Kessel oder Wärmetauscher im Förderkreis der Pumpe auf der Druck- und Saugseite.

Heißwasser oder Heizungsanlage

Die Dichte für Wasser nimmt mit zunehmender Temperatur leicht ab. Bei 10 barü zwischen 943,5 [kg/m³] für 120 °C und 907,7 [kg/m³] für 160 °C. In der Auslegung von Heißwasseranlagen kann jedoch ohne großen Fehler mit einer mittlerer Dichte von 926,5 [kg/m³] gerechnet werden.

Einfluss Aufstellhöhe
Um eine ausreichende Kühlung des Pumpenmotors zu gewährleisten, muss aufgrund der abnehmenden spezifischen Dichte der Kühlluft ab einer Aufstellhöhe von 1.000 m über NN mit einer Abnahme der Pumpenleistung gerechnet werden.

Auslöser für Pumpenschäden

• Kavitation
  Als Kavitation wird die Bildung und das Zusammenfallen von Dampfblasen in strömenden Flüssigkeiten bezeichnet. Die Dampfblasen bilden sich an Stellen, an denen der Druck unter den zur Mediumstemperatur gehörenden Dampfdruck sinkt.

  Bei Pumpen tritt die Kavitation immer im Einlaufbereich des Pumpenlaufrades auf, da hier durch die Summe der saugseitigen Widerstände der geringste Druck vorherrscht.

  
  

• Unterschreiten der Mindestmenge Q_min
  Bei Unterschreiten der Mindestmenge ist keine ausreichende Kühlung der Pumpe gesichert. Dies hat zur Folge, dass die Pumpe partiell überhitzt und Gleitringdichtungen undicht werden können.