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Wenn man mit Anwendern oder Herstellern spricht, gewinnt man häufig den Eindruck, dass die hydraulischen Eigenschaften einer Pumpe vollkommen nebensächlich wären. So wie die maximale Leistung eines PKW-Motors bestenfalls ein Indiz, aber nicht eine Messgröße für den Fahrspaß sein kann, kann auch ein Punkt auf einer Kennlinie nicht die Eigenschaften einer Pumpe beschreiben.

Mangelnder Sachverstand erleichtert Auswahl
Hersteller und Lieferanten sind häufig der Ansicht, dass in Ermangelung des notwendigen Sachverstandes der Kunden, diese die Pumpen ausschließlich nach rein wirtschaftlichen Gesichtspunkten auswählen würden. In den weitaus meisten Veröffentlichungen und Druckschriften werden deshalb insbesondere die Vorzüge einiger Konstruktionsdetails oder Ausführungen aus Sicht der Pumpenhersteller beschrieben.

Sicherlich sind Punkte wichtig, wie z.B. wie viele verschiedene Größen von Gleitringdichtungen ein Pumpenhersteller einsetzt. Ob der Einfluss auf die Kosten durch Beschränkung auf wenige Größen der Gleitringwellenabdichtung positiv ist, kommt auf die Anzahl und die Größen der eingesetzten Pumpen im Betrieb an und kann nicht pauschal beantwortet werden.

Eine Pumpe ist Mittel zum Zweck. Scheinbar erfüllen eine Vielzahl verschiedenster aber auch sehr ähnlicher Pumpen die gestellten Anforderungen. Den meisten Anwender sind nicht in der Lage, die für eine bestimmte Aufgabe günstigste Pumpe auszuwählen. Meist wird nach Herstellern d.h. Markennamen oder aber nach dem niedrigsten Anschaffungspreis ausgewählt.

Auslegung auf Betriebspunkt?
Pumpen werden häufig für ein Medium bei einem einzigen Betriebspunkt ausgelegt. Dies ist jedoch immer falsch! Unsinnigerweise verwenden einige Hersteller Computerprogramme, bei denen man einen Pumpentyp für einen bestimmten Betriebspunkt auswählen kann.

Es gibt keinen realen Anwendungsfall, bei dem die
· Produktdaten inkl. der Temperatur ebenso konstant wären, wie
· Zulaufhöhe,
· Fördervolumen und
· Förderdruck.
Je nach Erfahrung und Instinkt des Sachbearbeiters wird die für einen einzigen Betriebspunkt ausgewählte Pumpe mehr oder weniger den Anforderungen gerecht werden.

Pumpen sollten zum einen nach den Eigenschaften des zu fördernden Produktes und zum anderen nach den hydraulischen Anforderungen ausgewählt werden.

Über das zu fördernde Produkt sind deshalb folgende Daten wichtig:
· Wie empfindlich ist das Produkt gegenüber Scherkräften, bzw. sind Scherkräfte erwünscht? (Bsp. Ganze Früchte oder das Lösen von Trockenstoffen)
· Viskosität
· Dichte
· werden Gasanteile mitgefördert (Bsp. CIP Rücklaufpumpe, Entleeren von Tanks) ?
· Siedepunkt
· Temperatur
· Besondere Produkteigenschaften, wie z.B. abrasiv (z.B. Filterhilfsmittel, zu lösende Trockenstoffe), neigt zum Auskristallisieren (z.B. hohe Zuckerkonzentrationen), Nicht-Newton-Flüssigkeit (z.B. Xanthan), Explosiv (z.B. in Äthanol gelöstes Limonenöl)

Für die hydraulische Auslegung der Pumpe wäre die Anlagenkennlinie wichtig, die sich aber aus den meist während des Betriebes verändernden Parametern
· Volumenstrom,
· Druckdifferenz und
· Zulaufhöhe ebenfalls während des Betriebes stetig verändert.

Durch Kenntnis der Betriebsbedingungen und des Produktes kann ermittelt werden, in welchem Bereich der Kennlinie die Pumpe betrieben werden wird.

Zulaufhöhe und NPSH
Die Zulaufhöhe bzw. mangelnde Zulaufhöhe ist besonders wichtig bei der Auswahl einer Pumpe für die Förderung von siedenden Flüssigkeiten.

Vereinfacht ausgedrückt ist der NPSH-Wert der Unterdruck, den die Pumpe im Saugstutzen erzeugt. Wenn nun bei einer siedenden Flüssigkeit der NPSH-Wert größer ist, als die statische Flüssigkeitssäule am Saugstutzen, bilden sich durch den entstehenden Unterdruck und die damit verbundene Absenkung der Siedetemperatur, bei nahezu konstanter Temperatur des Fördermediums, Dampfblasen. Sowie in der Pumpe die Druckumsetzung erfolgt, kondensieren diese Dampfblasen schlagartig, d.h. die Dampfblasen implodieren oder einfach ausgedrückt, die Pumpe kavitiert.

Ein gewisses Maß an Kavitation, vor allem wenn sie nur selten auftritt, übersteht jede Pumpe. Die vom Hersteller angegebenen NPSH-Werte werden üblicherweise ermittelt, wenn bereits Kavitation auftritt, aber der Förderstrom durch die Kavitation nur um max. 5 % verringert wird. Bei starker Kavitation kann die Pumpe beschädigt oder zerstört werden. Je nach Bauart und Ausführung der Pumpe sind Pumpen mehr oder weniger empfindlich gegenüber Kavitation. Kreiselpumpen bei denen die Druckumsetzung möglichst gleichmäßig in der Nähe des Zentrums erfolgt und speziell Pumpen mit geschmiedeten Gehäusen oder Gehäusen aus Edelstahlfeinguss sind sehr robust und überstehen einen gewissen Grad an Kavitation dauerhaft. Durch den Einsatz geeigneter Inducer (Abb.6) kann der NPSH-Wert verringert werden.

Die Pumpe, die am häufigsten für Produkt oder CIP-Flüssigkeiten eingesetzt wird, ist die Kreiselpumpe in hygienischer Ausführung mit Gleitringwellenabdichtung und offenem Laufrad, entweder in tiefgezogener oder in massiver Bauweise. Gehäuse in Edelstahlfeinguss (Abb.1) oder in einer Schmiedeausführung sind aufwendiger in der Herstellung als tiefgezogene Blechgehäuse. Aber auch bei tiefgezogenen Blechgehäusen gibt es deutliche Unterschiede, nicht nur in der Materialstärke sondern auch in der weiteren Ausführung. Die Standardoberflächenqualitäten von Feingussgehäusen sind vollkommen ausreichend. Nachbearbeitete Oberflächen mit Rautiefen von unter 0,8 µm sind für den Einsatz in der Getränkeindustrie nicht notwendig.

Abb. 1 Ringgehäuse (links) und Spiralgehäuse (rechts)

Auslegung nach Kennlinien
Die Auslegung der Pumpe geschieht anhand der Kennlinie (Abb. 2). Zunächst fällt auf, dass die Förderhöhe bei Nullförderung (d.h. der Druck der erzeugt werden kann, wenn die Pumpe gegen ein geschlossenes Ventil, und somit mit dem Volumenstrom 0 fördert) geringfügig niedriger ist, als bei einem geringen Volumenstrom.

Abb. 2 Kennlinie

Die Pumpenkennlinien werden zwar real gemessen, aber dann normgerecht auf eine konstante Drehzahl berechnet. Ein Asynchronmotor dreht unter Belastung langsamer als im Leerlauf, d.h. bei Nullförderung und dem damit verbundenen, geringsten Leistungsbedarf, ist die reale Drehzahl höher, als beim maximalen Volumenstrom. Mit zunehmendem Volumenstrom steigen NPSH-Wert und Leistungsaufnahme an und die Förderhöhe fällt ab. Die reale Kennlinie ist wegen der Berechnung auf eine konstante Drehzahl steiler und die NPSH-Werte sind entsprechend höher. Wenn man eine Pumpe nach Kennlinie auslegt, hat man immer eine „Reserve“ in der Förderhöhe. Meist wird vom Planer bei der Auswahl der Pumpe noch eine zusätzliche Reserve in der Förderhöhe eingeplant. Insbesondere bei flachen Kennlinien muss bei Pumpen mit ungeregelter Drehzahl hiervor gewarnt werden.

Dies soll an einem Beispiel (Abb.3) erläutert werden:

Abb. 3

Es soll von einem Tank mit einer Füllhöhe von 5 m in einen identischen Tank umgepumpt werden. Zwischen den Tanks befindet sich ein Plattenwärmeübertrager mit einem Nenn-Druckverlust von 1,5 bar bei einem Volumenstrom von 40 m³/h. Wenn Tank 1 leer und Tank 2 voll ist, beträgt die Druckdifferenz 0,5 bar. Üblicherweise wird die notwendige Pumpe so ausgelegt, dass man alle bekannten Drücke bzw. Druckverluste addiert und einen Zuschlag für Leitungsverluste, Ventile etc. wählt. In diesem Beispiel würde man sicherlich 40 m³/h bei 3 bar anfragen und dann die Pumpe FP 3532 mit dem 155 mm Laufrad wählen, die nach Kennlinie 3,2 bar bei 40 m³/h fördert. Nach der vorliegenden Kennlinie wäre ein 5,5 kW Motor ausreichend.

Wenn nun der Prozess anläuft ist der Quelltank voll und der Zieltank leer, der Zuschlag für Rohrleitungen und Ventile war mit 1 bar vermutlich eher großzügig gewählt. Dies bedeutet, das beim Anfahren des Prozesses bei einem gewünschten Volumenstrom von 40 m³/h eine Förderhöhe von 1,5 bar vollkommen ausreichen würde. Die Pumpe in unserem Beispiel fördert nun wesentlich mehr. Durch den zunehmenden Volumenstrom, steigt natürlich der Druckverlust gemäß Anlagenkennlinie an, so dass 60 bis 70 m³/h gefördert würden und zwar bei einer Förderhöhe von etwa 2,5 bar. Der Leistungsbedarf würde nun 7 kW betragen. Am Ende des Umpumpens hat sich die Druckdifferenz durch die veränderten Flüssigkeitssäulen um 1 bar erhöht, da jedoch bei erhöhtem Druck der Volumenstrom abnimmt, verringert sich der Druckverlust im Plattenwärmeübertrager und in der Rohrleitung, so dass bei einer Druckdifferenz von 2,8 bar noch über 50 m³/h gefördert würden.

Normalerweise sind Wärmeübertrager nicht mit solchen Reserven ausgestattet, so dass der Volumenstrom eingeregelt werden muss. Maschinenbauer setzen hierfür bevorzugt Stellventile ein, die den Druck abbauen. Die Kosten für ein hygienisches Stellventil sind in diesem Leistungsbereich höher als für einen Frequenzumformer, mit dem über eine Drehzahleinstellung der Betriebsbereich gewählt werden könnte.

Es würde bei diesem Beispiel normalerweise das 155 mm Laufrad mit dem 7,5 kW Antrieb ausgesucht werden. Die Drehzahl wäre während des Betriebes reduziert, um den Förderstrom konstant zu halten. Ein 5,5 kW Antrieb könnte in Erwägung gezogen werden.

Geänderte Auswahl bei Frequenzumformerbetrieb
Üblicherweise werden Plattenwärmeübertrager mit erhöhtem Volumenstrom gereinigt, so dass ein 5,5 kW Motor in Verbindung mit dem 155 m Laufrad zu klein wäre. Frequenzumformer reduzieren bauartbedingt bei Frequenzen unterhalb der Netzfrequenz die Spannung. Daraus folgt, dass bei Frequenzen unterhalb der Netzfrequenz nicht die Nennleistung des Motors zur Verfügung steht. Wenn man nun statt des 155 mm Laufrades das 130 mm Laufrad wählte, würde während des normalen Betriebes die Drehzahl auf ein Niveau oberhalb der der Netzfrequenz entsprechenden Drehzahl angehoben.

Bei höherer Frequenz ist der Magnetismus höher und der Motor erhält durch die höhere Drehzahl des Lüfterrades eine bessere Kühlung. Der 5,5 kW Motor in Verbindung mit dem 130 mm Laufrad wäre vollkommen ausreichend für einen Volumenstrom von z.B. 55 m³/h bei einer Druckdifferenz von 2 bar. Die höhere Drehzahl hat nur einen sehr geringen Einfluss auf die Haltbarkeit von Gleitringdichtung und z. B. Motorlagerung. Man bedenke, dass in Ländern mit einer Netzfrequenz von 60 Hz alle ungeregelten Drehstrom-Antriebe mit einer um 20 % höheren Drehzahl betrieben werden, als in Ländern mit einem 50 Hz Netz ohne das ein signifikant höherer Verschleiß zu beobachten wäre.

Konstruktionsgrundlagen
Konstruktiv bestimmen vornehmlich
· die Tiefe des Gehäuses und die Größe der Stutzen bei einer Kreiselpumpe den Volumenstrom und
· die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades den Druck.
Bei zahlreichen Anwendungsfällen wird ein relativ hoher Druck bei geringem Volumenstrom benötigt. Die technische Lösung besteht hier üblicherweise entweder aus mehrstufigen Kreiselpumpen oder aber aus dem Einsatz einer großen einstufigen Kreiselpumpe. Beide Lösungen sind jedoch relativ teure Kompromisse. Die mehrstufige Kreiselpumpe ist durch die interne Umlenkung nicht besonders strömungsgünstig und meist auch schwieriger zu reinigen. Die große, einstufige Pumpe wird in einem ungünstigen Bereich der Kennlinie, mit entsprechend schlechtem Wirkungsgrad, betrieben.

Eine Pumpe Type FP2/32-125 (Abb. 4),

Abb. 4 Kennlinie FP2/32-132, Packo

die mit einem 140 mm Laufrad, einstufig, einen Volumenstrom von 3,5 m³/h und einen Druck von 9,8 bar (!) mit einem 3,0 kW Motor jedoch bei einer Drehzahl von 5250 min-1 liefert, war über 3000 Stunden ohne Wartung im Produktions-Einsatz. Bei einer ungeregelten Pumpe wäre für diesen Einsatz eine FP2/40-250 (Abb. 5) mit 250 mm Laufrad und 11 kW Motor zum Einsatz gekommen, eine Pumpe, die konstruktiv für Volumenströme von über 30 m³/h gedacht ist.

Abb. 5 Kennlinie FP2/40-250, Packo

Pulsation bei Kreiselpumpen?
Kreiselpumpen gelten als pulsationsfrei. Sie sind es aber nicht. Jedes Mal, wenn eine Laufradschaufel den Druckstutzen passiert, gibt es einen kleinen Druckstoß. Der Verfasser hat beobachtet, dass Pumpen mit Laufrädern mit einer ungeraden Anzahl von Schaufeln gleichmäßiger fördern als solche mit einer geraden Schaufelanzahl. Diese Beobachtung wurde von Fristam bestätigt. Es gibt für diese Beobachtung wissenschaftlich fundierte Erklärung, da es bis heute nicht untersucht wurde. Der Grund könnte im Zusammentreffen einiger Faktoren liegen, die evtl. nicht in ursächlichem Zusammenhang mit der durch 2 Teilbarkeit der Schaufelanzahl stehen. Die greifbarste Erklärung ist, dass wenn eine Schaufel den Druckstutzen passiert, die Druckwelle sich auch im Pumpengehäuse ausbreitet und dass das interne Schwingen unterschiedlich ist, ob sich, wie bei Laufrädern mit gerader Schaufelanzahl zu diesem Zeitpunkt nun eine Schaufel gegenüber dem Druckstutzen befindet oder dort wie bei ungeraden Schaufelanzahlen sich dort der Raum zwischen 2 Schaufeln befindet. Eine andere mögliche Erklärung ist: Die Drehmomententfaltung eines Drehstrommotors ist auch nicht vollkommen gleichmäßig. Und da das Drehfeld des Motors dem Anker voraus eilt, könnte durch die immer paarige Anzahl von Polen, der Anker zusammen mit der geraden Anzahl von Schaufeln einen Schwingkreis bilden.

Eine hohe Schaufelanzahl und eine hohe Drehzahl, d.h. eine hohe Pulsationsfrequenz glätten die Druckamplitude. Üblich sind Laufräder mit (3) 4 bis 7 (8) Schaufeln. Eine deutlich höhere Schaufelanzahl, würde wegen der fertigungstechnisch notwendigen minimalen Materialstärke der einzelnen Schaufeln, durch eine Verengung im Eintritt, das Saugvermögen der Pumpe reduzieren und durch eine erhöhte innere Reibung den Wirkungsgrad verringern.

Wenn Kreiselpumpen zum Mischen verwendet werden, beeinflusst die Pulsation das Dosierergebnis negativ, sofern die Steuerung die Pulsation nicht kompensieren kann. Ein simples Dämpfen des Messwertes ist nicht zu empfehlen, da hierunter ebenfalls die Genauigkeit leidet. Unter Umständen kann diese Pulsation auch schwere Messfehler verursachen. Einer der führenden internationalen Hersteller von Massedurchflussmessern benutzt eine Erregerfrequenz, die bei üblichen Kreiselpumpen und üblichen Drehzahlen von der Pulsationsfrequenz der Kreiselpumpe überlagert werden kann. Es kann dann zu Messfehlern im Bereich von 10 % kommen, die der Massedurchflussmesser nicht als fehlerhaft erkennt.

Produktschonende Eigenschaften
Es gibt sehr große Unterschiede bezüglich der produktschonenden Eigenschaften von Kreiselpumpen, prinzipiell gilt
· kleine Drehzahl mit entsprechend geringer Beschleunigung des Fördermediums,
· hohe Wirkungsgrade,
· gleichmäßige, möglichst zentrale Druckumsetzung
· kleine, jedoch nicht kleinste Spaltmaße sowie
· Spiralgehäuse (Abb. 1)
begünstigen eine schonende Förderung. Wirklich produktschonend sind Kreiselpumpen jedoch nicht. Schraubenzentrifugalpumpen sind wesentlich produktschonender, aber vornehmlich für große Volumenströme bei kleinen Druckdifferenzen einsetzbar.

Abb. 6

Pumpen für Sonderaufgaben
Insbesondere zur Lösung von Trockenstoffen während der Förderung können Shear Pumps eingesetzt werden, die sehr hohe Scherkräfte erzeugen.

Zur Förderung von hochviskosen Medien werden meist zwangsfördernde Pumpen eingesetzt.

Hier findet man auch noch Exzenterschneckenpumpen („Mohnopumpen“). Der aus einem Elastomer bestehende Stator ist ein Verschleißteil und der Abrieb gelangt ins Produkt. Deswegen wurden z.B. im Molkereibereich meist weiße Statormaterialien eingesetzt. Inzwischen werden diese Pumpen durch höherwertige Pumpen zunehmend verdrängt.

Drehkolben- oder Kreiskolbenpumpen (Abb. 7) fördern sehr produktschonend, sie können trockenselbstansaugend ausgeführt sein. Seit einigen Jahren gibt es auch Schraubenspindelpumpen in hygienischer Ausführung. Probleme mit der Wellenabdichtung zu Beginn der Markteinführung haben dem Ansehen geschadet. Ein großer Vorteil der Schraubenspindelpumpen ist der große, nutzbare Drehzahlbereich, so dass sie meist nicht im Bypass gecipt werden müssen.

Abb. 7

Membranpumpen haben Ein- und Auslassventile, die je nach Fördermedium verkleben oder verklemmen können, so dass die Pumpe dann nicht mehr fördert. Für Produktpumpen sollte eine Überwachung für die Unversehrtheit der Membrane zwingend vorgesehen werden. Membranpumpen lassen sich in großen Bereichen durch Hub- und Drehzahlveränderung verstellen. Pneumatisch angetriebene Membranpumpen haben relativ geringe Anschaffungskosten und können bei sehr geringen Betriebszeiten kostengünstig sein.

Strahlpumpen werden z.B. eingesetzt, um Trockenstoffe in eine Umwälzleitung einzusaugen oder um Gase in Flüssigkeiten zu lösen. Der Treibstahl kann flüssig oder gasförmig sein.

Kolbenpumpen und Zahnradpumpen werden meist als Dosierpumpen eingesetzt. Hygienisch einwandfreie Ausführungen sind sehr aufwendig und dementsprechend teuer.

Zusammenfassung:
Es wird ein Überblick über hygienische Pumpen gegeben. Auf Kreiselpumpen wird genauer eingegangen. Praktische Hinweise in Verbindung mit einem Beispiel veranschaulichen die Betrachtungen. Es wird festgestellt, das Kreiselpumpen nicht pulsationsfrei fördern und das bei einer drehzahlgeregelten Kreiselpumpe meist das kleinere zur Auswahl stehende Laufrad und Drehzahlen bei Frequenzen oberhalb der Netzfrequenz günstiger sind.

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