Februar 2010

Neben Trockenlauf ist die Kavitation einer Pumpe in der Praxis ein häufig beobachteter Fehler. Die Ursachen dafür sind vielfältig:
  • Wird eine Pumpe zu groß gewählt, führt eine hohe Strömungsgeschwindigkeit in der Saugleitung zu hohen Druckverlusten. In Folge wird der erforderliche NPSH-Wert unterschritten, es kommt zur Kavitation.
  • Überdimensionierung aufgrund von Sicherheitszuschlägen bei der Planung sollte genauso vermieden werden, wie der Einsatz zu großer Pumpen, um Fördervorgänge zu beschleunigen.
  • Auch der Einbau von Filtern und Schmutzfängern in die Saugleitung kann zum Unterschreiten der erforderlichen Saugförderhöhe führen. Außerdem sollten Filter regelmäßig gereinigt werden.
  • Durch den Einsatz von Überwachungsgeräten lassen sich Betriebszustände wie Überlast, Trockenlauf etc. sicher detektieren.


Praxis
Tipps für die Installation Fließgeschwindigkeiten:
  • Saugleitung: 1-2m/s
  • Druckleitung: 3m/s
  NPSH-Kurve der Pumpe beachten
Druckverlust in Saugleitungen möglichst gering halten:
  • kurze Saugleitungen verwenden
  • möglichst wenig Bögen, Abzweige etc.
  • keine Filter ohne Überwachung in Saugleitung
  • nur vakuumfeste Membranventile verbauen

Der Trockenlauf war und ist nach wie vor eine entscheidende Ausfallursache für Zentrifugalkreiselpumpen. Egal ob nach einer Tankwagenentleerung die Pumpe trocken läuft oder durch fehlerhafte Ventilstellung bzw. nicht fachgerechte Fahrweise einer Anlage, – die Schäden durch Trockenlauf sind beträchtlich. Dies trifft insbesondere auf magnetisch gekuppelte Kreiselpumpen zu. Durch die nicht vorhandene Wellendichtung zeichnen sich diese Pumpen einerseits durch langjährigen, verschleißfreien Betrieb aus. Andererseits führt ein Trockenlauf zu einem kapitalen Pumpenschaden, da die „im Nassen“ liegende Lagerung des Pumpenrades auf Schmierung und Kühlung durch das Fluid angewiesen ist.

Obwohl sich das Thema Trockenlauf bei magnetisch gekoppelten Kreiselpumpen heute lösen lässt (siehe Textkasten), kommt es auch vor, dass in Anlagen mit trockenlaufsicheren Pumpen diese ausfallen. Bei der Analyse der Ausfallursache zeigt sich, dass nicht Trockenlauf sondern andere Ursachen zum Ausfall der Pumpe geführt haben. Denn auch trockenlaufsichere Pumpen sind auf eine technisch sachgerechte hydraulische Auslegung der Anlage angewiesen, um ihren Dienst langjährig schadlos zu verrichten. Die Erfahrung zeigt, dass es hieran in den Betrieben und Anlagen oft mangelt und das kleine Einmaleins der Pumpen- und Anlagenauslegung nicht ausreichend Berücksichtigung findet.

Falsche Dimensionierung führt zur Kavitation

So hatte zum Beispiel ein Anwender aufgrund von Trockenlauf immer wieder Schäden an den Pumpen für die Tankzug-Entladung. Daraufhin setzte er eine trockenlaufsichere RM-TS Pumpe ein, die gleich etwas größer bestellt wurde, um die Entladezeit für den Tankzug von über einer Stunde auf unter 30 min zu reduzieren. Um den Tankzug mit 20 m³ Volumen in weniger als 30 Minuten zu entleeren, wurde eine Pumpe mit einer Förderleistung von 800 l/min eingebaut. Auf den ersten Blick eine gute Sache – bedeutet weniger Entladezeit doch gleich auch reduzierte Kosten. Allerdings hat man die Rechnung hier leider ohne die Physik gemacht: Die Pumpe fiel schnell durch laute Kavitationsgeräusche auf.

Bei der Überprüfung der hydraulischen Auslegung wurde sofort klar, worin das Problem bestand: LKW-Tankzüge werden durch Schläuche und Kupplungen an die ortsfesten Verrohrungen in der Anlage angeschlossen. Diese Schläuche haben eine Nennweite von ca. 70 bis 80mm. Bei einer Förderleistung von 800l/min stellt sich eine Strömungsgeschwindigkeit von über 3m/s ein. Diese hohe Strömungsgeschwindigkeit und die damit verbundenen hohen Druckverluste in der Saugleitung führt dazu, dass der erforderliche NPSH-Wert am Saugstutzen der Pumpen (hier 2mWs) nicht mehr gegeben ist und die Pumpe in Kavitation läuft. Die Kavitation war am prasselnden Laufgeräusch der Pumpe auch deutlich hörbar.
Da der Querschnitt der LKW-Schläuche systembedingt nicht vergrößert werden konnte, wurde das Laufrad der Pumpe im Durchmesser verkleinert und somit die Förderleistung auf 500 l/min verringert. Seitdem läuft die Anlage einwandfrei und ohne Schaden. Dieses ist ein typisches Beispiel für einen häufig anzutreffenden Fehler: der Einbau größerer, leistungsstärkerer Pumpenaggregate ohne Überprüfung und Anpassung der Rohrleitungen. Heraus kommen dann Installationen wie dem in Bild 2 auf Seite 45 dargestellten Beispiel: Die vorhandene Pumpe wurde gegen eine größere, leistungsstärkere ausgetauscht. Die Verrohrung wurde jedoch nicht entsprechend angepasst, man hat kurzerhand vor dem Saugstutzen der Pumpe die Verrohrung auf den erforderlichen Anschlussquerschnitt der Pumpe erweitert. Die Nachrechnung ergab, dass in der viel zu kleinen Saugleitung eine Strömungsgeschwindigkeit von 3,8m/s vorhanden war. Hinzu kam, dass die Länge der Saugleitung von 8m sowie diverse Krümmer und Abzweige den Druckverlust nochmals erhöhten, wodurch der erforderliche NPS-Wert bei Weitem nicht gegeben war und die Pumpe stark in Kavitation lief.

Risiko: Filter und Schmutzfänger in der Saugleitung

Ein weiterer oft beobachteter Fehler ist der Einbau von Filtern und Schmutzfängern in der Saugleitung einer Pumpe. An sich eine gut gemeinte Idee, man möchte die Pumpe vor Fremdkörpern und Verschmutzungen schützen und so die Lebensdauer des Aggregates erhöhen. Dies funktioniert auch sehr gut, solange der Filter sauber ist. Setzt sich der Filter jedoch mit der Zeit mit Verschmutzungen zu, steigt der Druckverlust. Dementsprechend sinkt wiederum der Vorlaufdruck am Einaufquerschnitt der Pumpe, der erforderliche NPSH-Wert ist nicht mehr gegeben und die Pumpe kavitiert. Besonders In-Line-Schmutzfänger oder Schrägsitzsiebe mit entsprechend kleiner Filterfläche setzten sich sehr schnell zu und bewirken einen hohen Druckverlust. Die gut gemeinte Idee wird letztendlich zur Falle und bewirkt das Gegenteil: Den Ausfall der Pumpe.

Daher ist bei Filter in der Saugleitung eine genaue und regelmäßige Überwachung der Verschmutzung bzw. des Druckverlustes äußerst wichtig. Leider ist für diese Überwachung immer weniger und teilweise nicht ausreichend qualifiziertes Personal vorhanden. Hier kann dann nur eine automatisierte Überwachung Abhilfe schaffen wie z.B. die elektronische Prozessüberwachung RPR-Control, die durch elektronische Leistungsmessung am Pumpenmotor den Betriebszustand der Pumpe erfasst und bei Auftreten von ungesunden Betriebsbedingungen wie Kavitation, Überlast, Trockenlauf, Heißlauf etc. die Pumpe abschaltet.

Unnötige Sicherheitszuschläge vermeiden

Oft werden Pumpen bei Neuplanung von Anlagen auch zu groß projektiert, da man die genauen Druckverluste noch nicht kennt und lieber auf „Nummer sicher“ gehen möchte. Daher wird der Druckverlust lieber etwas großzügiger ausgelegt, dann auf die nächst größere Pumpe aufgerundet und somit ein für den tatsächlichen Druckverlust viel zu leistungsstarkes Pumpenaggregat eingesetzt. Mit der Konsequenz, dass nicht nur unnötig Invest- und Energiekosten vergeudet werden, sondern dass die Pumpe aufgrund des tatsächlich geringen Druckverlustes in einem ganz anderen Betriebspunkt läuft und bei dem geringeren Gegendruck z.B. anstatt geplanten 20m³/h jetzt 30m³/h fördert. Da die saugseitige Verrohrung für diese größere Förderleistung aber nicht ausgelegt wurde, ergibt sich hier wiederum das Problem, dass der erforderliche NPSH-Wert am Saugstutzen der Pumpe nicht mehr gegeben ist. Die Pumpe wird auf Dauer geschädigt. Auch hier gilt: Größer ist nicht immer besser!

Fazit: Bei der Installation von Pumpen müssen zahlreiche Zusammenhänge beachtet werden. Viele verschiedene Einzelfaktoren können zu Schäden an den Pumpenaggregaten führen. Trockenlauf ist hiervon nur ein Faktor, der sich mit entsprechend konstruierten Pumpen lösen lässt. Andere Fehlerquellen sind durch eine korrekte hydraulische Auslegung der Installation zu vermeiden. Elektronische Prozess-Überwachungen können hierbei helfen, auftretende mangelhafte Betriebsbedingungen zu detektieren und die Pumpen so vor Schaden bewahren.

Technik
Trockenlaufsichere Magnetkupplungspumpe

Das Thema Trockenlauf bei magnetisch gekuppelten Kreiselpumpen lässt sich heute lösen. So gibt es mit der RM-TS beispielsweise eine magnetisch gekuppelte Kreiselpumpe, die absolut trockenlaufsicher ist. Durch eine spezielle Lagerung mit extrem niedrigen Reibkoeffizienten ist diese Pumpe auf Schmierung und Kühlung durch das Fluid nicht mehr angewiesen und kann praktisch unbegrenzt lange trocken laufen. Dies hat sich inzwischen in mehr als zwei Jahren Praxiserfahrung bestätigt.

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