Wie Pumpen funktionieren

Pumpen sind dazu da, Flüssigkeiten zu fördern. Sie verfügen über einen Ein- und einen Auslass sowie einen Antrieb. Die meisten Pumpen fördern Flüssigkeit, indem sie den Druck erhöhen, das bedeutet am Einlass herrscht ein niedrigerer Druck als am Auslass. Was zwischen Ein- und Auslass passiert, hängt von der Bauart der Pumpe ab. Hier wird es etwas kompliziert, denn Pumpen lassen sich nach verschiedenen Kriterien – nicht nur ihrer Bauart – kategorisieren, wodurch ein und dieselbe Pumpe in unterschiedliche Kategorien fallen kann, je nach Betrachtungsweise. Oft werden Pumpen nach ihrer Wirkungsweise in zwei Gruppen eingeteilt: Verdränger- und Kreiselpumpen, letztere werden auch Strömungspumpen genannt. Neben diesen beiden Wirkungsweisen, unter die ein Großteil der Pumpen fallen, gibt es noch Spezialprinzipien wie Strahlpumpen (Ejektoren) oder elektromagnetische Pumpen. Außerdem können Pumpen nach ihrem Einsatzgebiet, ihrem Antrieb, weiteren konstruktiven Merkmalen, ihrem Verwendungszweck oder nach den verwendeten Werkstoffen klassifiziert werden.

Die beiden Hauptwirkungsweisen – Verdränger- und Kreiselpumpen – sind jeweils nach dem physikalischen Prinzip benannt, dass dem Fördern des Mediums zugrunde liegt. Unter den zwei Arbeitsprinzipien befinden sich verschiedene Pumpentypen, die ihre Vor- und Nachteile haben und sich darum für unterschiedliche Anwendungen eignen. Aber schauen wir uns zunächst die Hauptkategorien näher an.

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Grundlegende Wirkungsweisen von Pumpen

Verdrängerpumpen fördern ein Medium, indem sie ein definiertes Volumen einschließen und aktiv vom Saug- zum Druckraum transportieren, was durch Bauteile wie Kolben, Schrauben oder Schnecken geschehen kann. Das Fördervolumen pro Hub oder Umdrehung ist darum konstruktiv festgelegt und weitgehend unabhängig vom Systemdruck. Ein wesentliches Merkmal ist der nahezu konstante Volumenstrom, auch bei schwankendem Gegendruck, damit eignen sich Verdrängerpumpen besonders für Anwendungen in denen sehr genau dosiert werden muss und für hochviskose Medien.

Kreiselpumpen haben ein – oder mehrere – Laufräder, an denen die Flüssigkeit vorbeiströmt, wodurch eine Zentrifugalkraft erzeugt wird, die dem Medium kontinuierlich kinetische Energie zuführt. Wie viel Energie das ist, hängt davon ab, welchen Durchmesser das Laufrad hat, wie schnell es sich dreht und welche Dichte die Flüssigkeit hat. Demnach ist der Volumenstrom abhängig vom Systemwiderstand. Die Bauweise von Kreiselpumpen ermöglicht hohe Fördermengen und einen pulsationsfreien Durchfluss, weswegen sie sich besonders für große Volumenströme und niedrigviskose Medien eignen.

Am häufigsten werden Pumpen durch Elektromotoren angetrieben, es ist aber auch ein Antrieb durch Gasturbinen, Dampfturbinen, Wasserkraftmaschinen oder Dieselmotoren möglich.

Beispiele für Verdrängerpumpen

Kolben- und Plungerpumpen arbeiten mit einem linear bewegten Förderorgan, das das Medium in einem Zylinder ansaugt und verdrängt. Sie erreichen sehr hohe Drücke und werden häufig dort eingesetzt, wo präzise Dosierung oder Hochdruckförderung erforderlich ist, etwa in der Chemie-, Wasserstrahl- oder Verfahrenstechnik. Während Kolbenpumpen meist mit Dichtungen am Kolben arbeiten, ist bei Plungerpumpen der Plunger selbst abgedichtet, was sie besonders für hohe Drücke geeignet macht.

Membranpumpen trennen das Fördermedium vollständig vom Antrieb. Eine flexible Membran wird mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch bewegt und verdrängt das Medium. Durch diese Trennung eignen sich Membranpumpen besonders für aggressive, toxische oder abrasive Medien. Zudem verhindern sie Leckagen nach außen und werden häufig dort eingesetzt, wo hohe Sicherheitsanforderungen gelten.

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Drehkolbenpumpen arbeiten mit zwei oder mehr rotierenden Verdrängerkörpern, die das Medium schonend fördern. Die Förderung erfolgt nahezu pulsationsarm, da mehrere Kammern gleichzeitig arbeiten. Aufgrund dieser schonenden Arbeitsweise und der guten Reinigbarkeit werden Drehkolbenpumpen häufig in hygienischen Anwendungen eingesetzt, etwa in der Lebensmittel-, Pharma- oder Kosmetikindustrie.

Schraubenspindelpumpen fördern das Medium gleichmäßig und pulsationsarm entlang ineinandergreifender Spindeln. Diese Pumpen sind besonders geeignet für viskose Medien, Schmierstoffe oder Prozessflüssigkeiten mit konstantem Förderbedarf. Sie werden häufig in der Prozessindustrie und Energietechnik eingesetzt.

Peristaltische Pumpen fördern das Medium durch das periodische Quetschen eines Schlauchs. Das Medium kommt nur mit dem Schlauch in Kontakt. Diese Pumpen eignen sich für sterile, abrasive oder scherempfindliche Flüssigkeiten und ermöglichen einen besonders einfachen Produktwechsel.

Beispiele für Kreiselpumpen

Seitenkanalpumpen kombinieren Elemente der Kreisel- und Verdrängertechnik. Das Medium wird in einem ringförmigen Seitenkanal mehrfach beschleunigt. Sie erreichen hohe Ansaughöhen und eignen sich besonders für verdampfende Flüssigkeiten, gasbeladene Medien oder Zweiphasengemische.

Axialpumpen fördern das Medium entlang der Wellenachse. Sie erzeugen große Volumenströme bei vergleichsweise geringem Druck. Typische Einsatzgebiete sind Kühlwasserkreisläufe, Wasserwirtschaft oder Großanlagen mit hohem Durchsatzbedarf.

Sonderbauarten und Spezialprinzipien

Magnetgekuppelte Pumpen übertragen das Drehmoment kontaktlos über ein Magnetfeld. Dadurch entfällt die Wellenabdichtung. Sie sind hermetisch dicht und werden bevorzugt bei gefährlichen, umweltkritischen oder hochreinen Medien eingesetzt.

Jet- und Ejektorpumpen arbeiten ohne bewegliche Teile. Sie nutzen die Energie eines Treibstrahls, um ein weiteres Medium anzusaugen und zu fördern. Typische Anwendungen finden sich in Vakuumerzeugung, Mischprozessen oder in sicherheitskritischen Bereichen mit hoher Medienbelastung.