04101 Erfolgreiches Energiemanagement an Kreiselpumpen

Kongruente Ziele
Ein wachsender Wettbewerbs- und Kostendruck erzwingt in vielen Unternehmen die Einführung eines wirksamen Energiemanagements. Die Motivation der Industrie und Gewerbetreibenden liegt in diesem Zusammenhang weniger darin, einen Beitrag zum Gelingen der Energiewende zu leisten, als vielmehr in der direkten Notwendigkeit, Kosten zu sparen. Erfreulich ist, dass beide Zielsetzungen kongruent sind und oftmals beiläufig das Image des Unternehmens durch ein nachweislich nachhaltiges Handeln aufgewertet werden kann.

Zukunftssicherheit
Die Beschäftigung mit Energiemanagement (EnM) wird ihre Bedeutung in absehbarer Zeit nicht mehr verlieren. Selbst wenn die Energie – gewonnen aus Sonne und Wind – zukünftig nicht einmal mehr teurer würde, da diese Ressourcen unbegrenzt und kostenfrei zur Verfügung stehen, so hätte derjenige, der wenig Energie verbraucht, immer noch einen Vorteil, weil seine Generatoren kleiner sind, seine Kabel dünner und der Platzbedarf für die Anlagen geringer. Der immer intensiver werdende Wettbewerb und die erhöhte Transparenz in allen Bereichen werden stets denjenigen belohnen, dessen EnM besser arbeitet als das des anderen.

Es wird aber höchstwahrscheinlich so sein, dass Energie teurer wird. Fangen Sie also auf jeden Fall an, darüber nachzudenken, wie Sie Energie einsparen können. Der vorliegende Beitrag widmet sich zwar in erster Linie der Optimierung von Bestandsanlagen, Erfahrungen bei der Modernisierung von Altanlagen können aber vielfach auch bei der Neuplanung einfließen.

Im Folgenden lesen Sie in einfachen Worten das Mindeste, was Sie wissen sollten, um in das Energiemanagement von Kreiselpumpen einzusteigen. Ihr Wissen wird sich im Laufe der Zeit von selbst vermehren. Keinesfalls ist also dieser Grundlagenteil als vollständig anzusehen. Vieles ist stark vereinfacht dargestellt.

Wirkprinzip
Kreiselpumpen bestehen zumeist aus einem sogenannten Spiralgehäuse, in dem ein rotierendes Laufrad eine axial eintretende Flüssigkeit, das Fördermedium, durch die Fliehkraft radial beschleunigt. Die Flüssigkeit wird im spiralförmigen Gehäuse, das sich entlang des Laufradumfangs aufweitet, zum Druckstutzen geleitet. Durch den so entstehenden Druckunterschied zwischen saug- und druckseitigem Rohranschlussstutzen wird die Flüssigkeit im gesamten angeschlossenen Rohrsystem in Bewegung versetzt. Das ist das Ziel der Pumpenanwendung. Das Volumen pro Zeiteinheit nennt man dabei Förderstrom (Formelzeichen: Q, Einheit: m³/s oder m³/h). Als Maß für die verrichtete Arbeit der Kreiselpumpe wird die Förderhöhe (kurz H) angegeben. Sie wird in der Einheit Meter gemessen, weil man sie bezogen auf die Gewichtskraft des Fördermediums angibt. Dies hat den Vorteil, dass ihr Zahlenwert unabhängig von der Dichte des Mediums ist. Die Förderhöhe entspricht daher nicht immer – wie oft vereinfacht angenommen – dem manometrischen Druckunterschied zwischen Saug- und Druckstutzen, sondern beinhaltet auch den dynamischen Energieinhalt, also den Geschwindigkeitsunterschied.

Laufradformen
Das Gehäuse und die Form der Laufräder können stark unterschiedlich ausgeführt sein. Der zu erzeugende Druck, der freie Durchgang für mitgeförderte Feststoffanteile und viele andere Faktoren können eine Rolle spielen. Abbildung 2 zeigt einige Laufradformen als Beispiele.

Das Laufrad sitzt auf einer Welle. Diese wird durch einen der konstruktiv aufwendigsten Teile der Pumpe, die Wellendichtung, geführt und steht so für den Antrieb zur Verfügung. Die Welle wird über zwei Wälzlager im sog. Lagerträger oder – bei sog. Blockpumpen – direkt durch die Lager im Motor fixiert.

Betriebsverhalten
Das Betriebsverhalten einer Maschine mit diesem Konstruktionsprinzip lässt sich im Wesentlichen mit drei Diagrammen beschreiben:

Pumpenkennlinie
Warum die Verläufe immer in etwa so aussehen, wie in Abbildung 4 dargestellt, können Sie sich wie folgt plausibel machen: Wenn Sie eine Platte auf den Druckstutzen schrauben, wird der Förderstrom mit Sicherheit null und der Druck unter der Platte sehr groß sein. Lässt man die Flüssigkeit frei herauslaufen, wird der Förderstrom maximal, der Druck jedoch am geringsten sein.

Beide Extreme sind für die Pumpe äußerst ungünstige Zustände. Würde die Pumpe abgesperrt, würde die über die Welle eingebrachte Leistung einzig zur Erwärmung der Flüssigkeit in der Pumpe aufgewendet. Auf Dauer führte dies zu einer Zerstörung der Pumpe. Ließe man die Flüssigkeit frei strömen, würde der Leistungsbedarf der Pumpe ansteigen, bis der Motor an überhöhter Temperatur Schaden nimmt. Viele weitere negative Effekte wirken, und sie wirken schon, bevor diese Extreme wirklich erreicht sind.

Lebensdauer
Bemerkt sei also schon jetzt, dass der Wirkungsgrad abseits eines bestimmten Förderstrombereichs rund um das Optimum (Qopt) stark nachlässt und darum beim Betrieb von Pumpen stets darauf zu achten ist, dass der sich später in der Anlage ergebende Förderstrom immer im Bereich eines guten Wirkungsgrads liegen sollte. Wird dies sichergestellt, so ist auch die Lebensdauer der Kreiselpumpe am höchsten. Man nutzt also so das Verfügbarkeitspotenzial der Komponente maximal aus. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 5 dargestellt.

Dies wirkt sich nicht nur auf die Effizienz positiv aus, sondern erhöht auch ihre Lebensdauer. Man schlägt also sozusagen „zwei Fliegen mit einer Klappe”, wenn man dies sicherstellt. Mit diesen Vorkenntnissen sind Sie für alles Weitere fast ausreichend gerüstet. Zwei Dinge sollten Sie aber noch wissen:

Anpassen des Laufraddurchmessers
Durch eine Reduzierung des Laufraddurchmessers im selben Spiralgehäuse kann die Förderstrom-/Förderhöhen-Kennlinie (kurz Q/H-Kennlinie) – wie in Abbildung 6 dargestellt – beeinflusst werden. So kann die Pumpenleistung so nahe wie möglich an den Soll-Betriebspunkt angepasst werden.