Kreiselpumpen vs. Schraubenspindel-Pumpen

Abwechslung garantiert: Betreiber von Raffinerien, Chemieparks und Chemieanlagen müssen die unterschiedlichsten Flüssigkeiten verarbeiten. Und für diese Prozesse wünschen sie sich verständlicherweise eine möglichst geringe Bandbreite an Pumpenvariationen. Als sogenannte Chemienormpumpen kamen bislang ausschließlich Kreiselpumpen zum Einsatz. Mit der Schraubenspindel-Pumpe L3NX mit geometrischen Abmessungen gemäß DIN EN ISO 2858 gibt es nun eine energieeffiziente Alternative. Entwickelt wurde die Pumpe von Leistritz in enger Zusammenarbeit mit einem namhaften Chemiekonzern mit Hauptsitz in Nordrhein-Westfalen. Bei der Pumpe handelt es sich um ein neuartiges Konzept, das auf einer dreispindeligen Schraubenspindel-Pumpenbaureihe basiert. Sie ermöglicht erstmals einen einfachen Austausch von Pumpen verschiedener Wirkprinzipien – sowohl für den Ersatz von Pumpen in bestehenden Anlagen als auch bei der Neuprojektierung.

Vorteile Schraubenspindel-Pumpe
Aufgrund ihres Verdränger-Wirkprinzips bieten Schraubenspindel-Pumpen verschiedene Vorteile: So ist ihre Kennlinie nahezu drucksteif. Beispiel: Erhöht der Anwender den Förderdruck, reduziert sich der Fördervolumenstrom nur geringfügig. Überdies ist es möglich, bei jeder beliebigen Drehzahl innerhalb des zulässigen Betriebsbereiches den notwendigen Förderdruck zu generieren. Schraubenspindel-Pumpen erzeugen selbst keinen Druck. Sie überwinden lediglich den Anlagenwiderstand, womit sie im konkreten Fall der Chemienormpumpe unabhängig von der Drehzahl den maximal zulässigen Differenzdruck von 16 bar bereitstellen können. Da die bei Kreiselpumpen übliche Drosselregelung des Förderstroms bei Verdrängerpumpen nicht zur Anwendung kommt, ist die Anlage hier mittels eines Rohrleitungsventils abgesichert. Zum Absichern der Pumpe selbst verfügt das System des Herstellers serienmäßig über ein einstellbares, internes Druckbegrenzungsventil. Ein weiterer Vorteil: Der Differenzdruck im zulässigen Betriebsbereich ist unabhängig von der Viskosität des Fördermediums.

Das Funktionsprinzip
Die Pumpe gehört zur Kategorie der Verdrängerpumpen und ist selbstansaugend. Sie ist aufgrund ihrer sehr engen Dichtspalte hoch effizient. Die Spindelprofile der zentrisch angeordneten Antriebsspindel bilden mit den zwei flankierenden Nebenspindeln abgeschlossene Kammern, die das Fördergut schonend ohne Quetschungen in axialer Richtung fördern.

Der Fluss- und Druckverlauf der Schraubenspindel-Pumpe.

Hoher Wirkungsgrad
Verglichen mit dem Wirkungsgrad von Kreiselpumpen lassen sich mit den Schraubenspindel-Pumpen vor allem im Bereich kleiner spezifischer Drehzahlen < 20 min-1 beachtliche Steigerungen erzielen. Der aufgrund der engen Dichtspalte ohnehin hohe volumetrische Wirkungsgrad wird bei der Förderung von höher viskosen Fluiden weiter erhöht. Auf diese Weise erreichen die Pumpen beispielsweise schon beim Betrieb mit einem sechspoligen Motor am 50-Hz-Netz (also einer Drehzahl von 950 min-1) bei einer Viskosität von 100 mm²/s Werte von deutlich über 90 %. Gerade im Anfahrzustand liegt das Fördergut oft bei relativ niedrigen Temperaturen und somit hohen Viskositäten vor. Kommen Kreiselpumpen zum Einsatz, müssen Betreiber anfangs geringere Förderleistungen in Kauf nehmen. Hier hat die Schraubenspindel-Pumpe aufgrund ihres volumetrischen Wirksystems Vorteile: Sowohl schwankende Viskositäten als auch variierende Drücke in der Anlage beeinflussen den Volumenstrom nur geringfügig. Kommt ein Frequenzumrichter zum Einsatz, ist es möglich, den Förderstrom durch Anpassen der Drehzahl punktgenau einzustellen, da Drehzahl und Förderstrom in einem linearen Verhältnis zueinander stehen. Wie in der Grafik zu erkennen ist, zeichnet sich der Vorteil der Schraubenverdränger deutlich ab: Ist der Wirkungsgrad bei der Förderung wasserähnlicher Flüssigkeiten/Fluide noch relativ gleich, lässt sich mit der Schraubenspindel-Pumpe schon ab einer Viskosität von 20 mm²/s eine Effizienzsteigerung um etwa 35 % erreichen. Beim Fördern von Fluiden ab 100 mm²/s benötigt die vergleichbare Kreiselpumpe dreimal mehr Energie, womit ihr Einsatz in der Praxis schnell unwirtschaftlich wird.

Gegenüberstellung der Wirkungsgrad-Verläufe.

Viskosität und Beheizung
Effizienz spielt auch beim Beheizen eine große Rolle. Läuft die Anlage in diskontinuierlichem Betrieb, ändert sich die Viskosität des Förderguts. Um Kreiselpumpen angemessen betreiben zu können, muss das zu verpumpende Fluid eine Viskosität, die bei max. 300 mm²/s liegt, aufweisen. Die Betreiber sind also in vielen Fällen gezwungen, das Fördergut durch thermische Einwirkung auf die entsprechende Viskosität zu bringen. In der Regel beheizen sie hierzu das ganze System inklusive der Rohrleitungen. Solch aufwendige Beheizungsanlagen und die damit verbundenen hohen Energiekosten lassen sich mit der Lösung des Herstellers deutlich minimieren. Sie ist in der Lage, unter Beibehaltung des hohen Wirkungsgradniveaus eine maximale Viskosität bis 5.000 mm²/s (oder mehr – ist im Einzelfall zu prüfen) zu fördern. Durch ihren Einsatz können Betreiber das Beheizen der Verrohrung auf ein Minimum reduzieren oder sogar komplett entfallen lassen.

Regelbarkeit in der Praxis
Eine positive Eigenschaft von Kreiselpumpen ist deren Regelbarkeit über ein Drosselventil. So lässt sich der gewünschte Volumenstrom durch Druckveränderung in der Anlage mit einfachen Mitteln anpassen. Durch diese Art der Regelung läuft die Kreiselpumpe allerdings nicht mehr am optimalen Betriebspunkt, was zu Lasten der Effizienz geht. Das Drosseln ist bei Verdrängerpumpen nicht zur Volumenstromregelung geeignet, da deren Fördervolumen nur unwesentlich vom Anlagengegendruck abhängt. Der Einbau eines Bypass ist ebenfalls mit Energieverlusten verbunden. Aus energetischer Sicht ist daher generell der Betrieb von Pumpen mit einem Frequenzumrichter die effizienteste Lösung. Um einen Betriebspunkt bei Kreiselpumpen anzupassen, wird in der Regel die Laufradgröße angepasst. Durch eine Verkleinerung des Laufraddurchmessers nimmt allerdings die Zentrifugalkraft ab, was zu Lasten des Wirkungsgrades geht. Anders bei der Schraubenspindel-Variante: Sie deckt mit drei Pumpenbaugrößen bis zu 14 Baugrößen von Chemienormpumpen ab. Hierzu  passt der Hersteller lediglich die Steigung an. Da eine Steigungsänderung keinen Einfluss auf die Größe der Spaltmaße hat, bleibt das hohe Wirkungsgradniveau erhalten.

TA-luftdichte Lösung
Die Pumpen der Baureihe sind mit nur drei statischen Dichtungen ausgestattet, um die Leckagegefahr zu reduzieren. Aufgrund der O-Ringe und der magnetgekuppelten Wellenabdichtung erfüllt sie dennoch die Anforderungen der TA-Luft – sie ist also „technisch hermetisch dicht“. Bei Bedarf ist aber auch eine Ausführung mit Gleitringdichtung möglich. Die Pumpe hat ein axial hydraulisch ausgeglichenes Spindelpaket und benötigt daher anders als Kreiselpumpen keine Sonderlagerung. Der hydraulische Schub­ausgleich erfolgt über wellenbundähnliche Ausgleichskolben. Die im Druckraum angeordneten Ausgleichskolben dichten gegen das sie umschließende Gehäuse ab und gleichen den axialen Schub aus. Um den Anforderungen an eine Chemienormpumpe auch aus materialtechnischer Sicht zu genügen, fertigt der Hersteller alle produktberührten, metallischen Bauteile der Neuentwicklung vollständig aus Edelstahl. Dies ist bisher einmalig bei dreispindeligen Schraubenpumpen, die als gleitgelagerte Maschinen hohe Ansprüche sowohl an die Werkstoffpaarungen als auch an die Fertigungstoleranzen stellen. Ein großes Plus des Konzepts sind außerdem die kompakten Bauteile: Vormontierte, geprüfte Einschubeinheiten kann das Personal mit geringem Arbeitsaufwand direkt vor Ort austauschen, ohne die Pumpen aus der Anlage entnehmen und in ein Service-Center oder eine Werkstatt transportieren zu müssen. Dieser vereinfachte Serviceschritt ermöglicht eine schnellere Wiederinbetriebnahme. So haben verringerte Stillstandzeiten zu Wartungs- oder Servicezwecken direkten Einfluss auf das Ergebnis des Betreibers. _{^{1608ct908, 1609ct906}}

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