Pumpe

Kreiselpumpen

Bei Kreiselpumpen wird die Flüssigkeit mithilfe der Zentrifugalkraft gefördert. Sie bestehen aus einem Laufrad in einem Pumpengehäuse, an dem Schaufeln befestigt sind. Das Fluid wird dabei vom Zentrum des Laufrads nach außen beschleunigt und Bewegungs- bzw. Druckenergie auf das Fluid übertragen. Im Gegensatz zu Kolbenpumpen fördern Kreiselpumpen das Fluid kontinuierlich. In Betrieb müssen außerdem keine Ventile geöffnet oder geschlossen werden. Allerdings können sie das Fluid nicht selbst ansaugen, sie müssen zur Inbetriebnahme gefüllt werden. Außerdem fließt bei Stillstand das Fluid zurück, das kann durch Einbau von Rückschlagventilen verhindert werden.^[2]

Sie lassen sich je nach Strömungsrichtung in die folgenden Bauformen gliedern:

• Axialpumpe
• Diagonalpumpe
• Radialpumpe

Verdrängerpumpen

Verdrängerpumpen werden in oszillierende Verdrängerpumpen und Umlaufkolbenpumpen unterschieden.

Oszillierende Verdrängerpumpen fördern Fluide durch das periodische Vergrößern und Verkleinern eines Arbeitsraums. Synchron dazu öffnen sich Druck- und Saugventile, sodass das Fluid zuerst angesaugt und dann durch Verdrängung gepumpt wird. Es entsteht ein pulsartiger Förderstrom, der bei Bedarf in einem weiteren Schritt (zum Beispiel in einem Windkessel) geglättet werden kann. Das klassische Beispiel dieses Pumpentyps ist die Hubkolbenpumpe, bei der ein Kolben in einem Zylinder erst Flüssigkeit ansaugt und diese danach wieder verdrängt, wodurch sie gefördert wird.^[1] Bei der Membranpumpe ist der Zylinder mit dem Kolben durch eine Kunststoffmembran vom Rest der Pumpe abgetrennt, deshalb wird sie vor allem für aggressive Förderstoffe verwendet.^[2]

In Umlaufkolbenpumpen fördern rotierende oder taumelnde Einbauten das Fluid vom Ansaugstutzen zum Druckstutzen. Eine einfache Variante dieser Pumpe ist die Zahnradpumpe, bei der zwei gegenläufig betriebene Zahnräder das Fluid fördern. Es können auch rotierende Einbauten (Rotationskolbenpumpen) oder Schrauben (Archimedische Schraube) verwendet werden.^[1]

Typen oszillierender Verdrängerpumpen:

• Membranpumpen
• Kolbenpumpen
  • Axialkolbenpumpen (z. B. Ausführung „Schrägscheibe“ oder „Schrägachse“)
  • Hubkolbenpumpen (z. B. Dickstoffpumpen, Kraftstoff-Dosierpumpen, Einspritzpumpe)
  • pneumohydraulischer Druckübersetzer (auch Druckmultiplikator genannt)
  • Radialkolbenpumpen

Typen von Umlaufkolbenpumpen:

• Rotationskolbenpumpen
  • Drehkolbenpumpen
  • Drehschieberpumpen
  • Kreiskolbenpumpen
  • Zahnradpumpen
  • Schlauchpumpen (auch Peristaltikpumpen genannt)
• Exzenterschneckenpumpen
• Förderschnecken (Archimedische Schraube)
• Impellerpumpe
• Kettenpumpen
• Schraubenspindelpumpen (auch Schraubenpumpen, Wendelkolbenpumpe oder Schraubenverdichter genannt)

Weitere Konstruktionen

Eine Sonderstellung nehmen die Strahlpumpen ein. Bei ihnen wird das zu fördernde Medium durch einen Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsstrahl beschleunigt. Sie nutzen zwar strömungsdynamische Vorgänge, werden aber dennoch zumeist zu den Verdrängerpumpen gerechnet.

Diese sind beispielsweise:

• Wasserstrahlpumpe (verwendet Wasser zur Förderung von Luft oder Wasser)
• Dampfstrahlpumpe (verwendet Gas zur Förderung von Luft oder Wasser)

Weitere Förderprinzipien sind:

• Mammutpumpe oder Blasenpumpe (Förderung durch aufsteigende Gasblase als Kolben)
• Stoßheber (Hydraulischer Widder) (verwendet Wasser zur Förderung von Wasser)
• Pferdekopfpumpe (Tiefpumpe)

Darüber hinaus gibt es weitere, zum Teil exotische Konstruktionen, welche elektromagnetische oder andere physikalische Eigenschaften des Fördermediums zur Energieübertragung nutzen.

Beispiele hierfür:

• Ionengetterpumpe (siehe auch Sorptionspumpe im Artikel Vakuumpumpe)
• Titan-Sublimationspumpe
• Turbomolekularpumpe
• Elektrochemische Gaspumpe

Erforderlicher NPSH (Haltedruckhöhe der Pumpe)

Die Haltedruckhöhe der Pumpe oder NPSH_erf. entspricht dem Gesamtdruckabfall vom Saugstutzen (Liefergrenze) der Pumpe bis zum Laufradeintritt (Druckerhöhungszone im Laufrad) und kennzeichnet die Saugfähigkeit der Pumpe.

Beispiel: NPSH_erf. = 2 m bedeutet, dass die Druckverluste vom Pumpenansaugstutzen bis zum Laufradeintritt (inkl. Beschleunigungsverluste) einer Druckhöhe ${\displaystyle p/(\rho \cdot g)}$ von 2 m Wassersäule entsprechen.

Wird die Haltedruckhöhe der Pumpe (NPSH_erf.) während des Betriebes unterschritten, kommt es zu einer örtlichen Unterschreitung des Verdampfungsdruckes der Förderflüssigkeit und somit zur Kavitation (Dampfbildung mit nachfolgender schlagartiger Kondensation in der Druckerhöhungszone der Pumpe). Die Kavitation kann einen Abfall der Förderleistung und des Wirkungsgrades, unruhigen Lauf und Beschädigung der Pumpeninnenteile durch Materialabtrag (sog. Abrasion) bewirken.

Die Haltedruckhöhe der Pumpe ist über den Sättigungsdampfdruck der Förderflüssigkeit abhängig von der Temperatur. Sie ändert sich jedoch bei jeder Pumpe mit Förderstrom und Drehzahl. NPSH_erf. wird vom Pumpenhersteller meist entweder für einen bestimmten Betriebspunkt der Pumpe als Zahlenwert genannt oder im Zusammenhang mit einer Leistungskennlinie in Form einer Kurve dargestellt.

Vorhandener NPSH (Haltedruckhöhe der Anlage)

Der vorhandene NPSH-Wert fasst alle auf den Druck am Saugstutzen der Pumpe Einfluss nehmenden Einzeldaten der Pumpenanlage, wie Dichte, Temperatur und Dampfdruck des Fördermediums, Druckverluste in der Saugleitung, Druck im Ansaugbehälter und geodätische Saug- bzw. Zulaufhöhe für einen bestimmten Förderstrom in einem einzigen Zahlenwert zusammen.

Beispiel: NPSH_vorh. = 4 m sagt aus, dass die Förderflüssigkeit am Saugstutzen der Pumpe gemessen noch positiv 4 m Wassersäule vom Verdampfungsdruck ${\displaystyle p_{D}}$ entfernt liegt.

Für den Druck am Saugstutzen gilt (betrachtet wird nur die Saugseite):

${\displaystyle {\frac {p_{\text{Stutzen}}}{\rho \cdot g}}={\frac {p_{\mathrm {D} }}{\rho \cdot g}}+\mathrm {NPSH} _{\text{vorh.}}}$

Es kommt zur Dampfbildung und somit zur Kavitation, wenn der Dampfdruck ${\displaystyle p_{D}}$ gleich dem Druck ${\displaystyle p}$ am Saugstutzen wird, d. h., wenn NPSH_vorh. ${\displaystyle \to }$ 0 geht.

Da die Haltedruckhöhe der Pumpe (NPSH_erf.) nicht unterschritten werden darf, muss also der Wert für NPSH_vorh. mindestens gleich groß sein, besser etwas größer sein als derjenige der Pumpe.

${\displaystyle \mathrm {NPSH} _{\text{vorh.}}\geq \mathrm {NPSH} _{\text{erf}}}$

Gegebenenfalls muss der Ansaugbehälter höher oder die Pumpe tiefer aufgestellt, die Nennweite der Ansaugleitung größer dimensioniert oder der Druck im Ansaugbehälter erhöht werden.^[3]