Niemand kann die richtige Pumpe auswählen, solange die Aufgabe nicht in Zahlen definiert ist. „Etwas Lösungsmittel in den Tagestank pumpen“ ist keine Spezifikation – eine Pumpenkurve hingegen schon. Bevor eine Zentrifugal- oder Wirbelpumpe ausgewählt werden kann, müssen drei Größen ermittelt werden: Wie hoch ist der für den Prozess erforderliche Durchfluss, welche Förderhöhe muss die Pumpe erzeugen, um diesen Durchfluss zu liefern, und wie hoch ist der verfügbare Ansaugdruck, damit die Pumpe nicht kavitiert? Sind diese drei Größen richtig ermittelt, ist die Auswahl unkompliziert. Wird die Förderhöhe falsch berechnet oder die Saugdruckprüfung übersprungen, erhält man am Ende eine Pumpe, die überhitzt, kavitiert oder den erforderlichen Durchfluss nie erreicht.
Hier wird die Berechnung Schritt für Schritt erläutert, so wie wir sie durchführen, wenn ein Kunde eine Anfrage an uns richtet – zuerst der Durchfluss, dann die dynamische Gesamtförderhöhe, anschließend der NPSH-Wert und schließlich die für den Motor erforderliche Leistung –, einschließlich der Formeln, eines vollständigen, zum Nachrechnen geeigneten Beispiels sowie der Auslegungsfehler, die die meisten Probleme verursachen. Die hier beschriebene Methode gilt für rotodynamische Pumpen (Kreisel- und Wirbelpumpen); Verdrängerpumpen werden auf einer anderen Grundlage dimensioniert, worauf am Ende hingewiesen wird.
Die drei Zahlen, die den Duty-Punkt bestimmen
Der Betriebspunkt einer Pumpe ist der Punkt, an dem sie betrieben werden muss, und um ihn genau zu bestimmen, sind drei Eingangsgrößen erforderlich:
● Durchfluss (Q) — das vom Prozess pro Zeiteinheit benötigte Volumen, in m³/h oder L/min (oder GPM).
● Gesamtfällhöhe (TDH oder H) — die Gesamtenergie, die die Pumpe aufbringen muss, um diesen Durchfluss zu bewegen, ausgedrückt als Flüssigkeitshöhe in Metern (oder Fuß).
● Verfügbare positive Nettoansaughöhe (NPSHa) — Wie hoch ist der absolute Druck am Pumpeneinlass über dem Dampfdruck der Flüssigkeit, der darüber entscheidet, ob die Pumpe kavitiert?
Durchfluss und Förderhöhe bestimmen gemeinsam den Punkt auf der Pumpenkennlinie. Der NPSHa-Wert wird mit dem erforderlichen NPSH-Wert der Pumpe abgeglichen, um sicherzustellen, dass die ausgewählte Pumpe an diesem Punkt tatsächlich ohne Kavitation läuft. Die Leistung ergibt sich aus Durchfluss und Förderhöhe und bestimmt die Motorauslegung. Gehen Sie in dieser Reihenfolge vor.
Durchflussrate: Beginnen Sie mit dem Prozess
Der Durchfluss wird in der Regel durch den Prozess bestimmt, nicht durch die Pumpe. Ein Wärmetauscherkreislauf benötigt eine bestimmte Umwälzrate, um die Wärme zu transportieren; eine Abfüllanlage muss einen Behälter innerhalb einer festgelegten Zeit befüllen; bei einem Umfüllvorgang muss ein Tankwagen innerhalb einer Schicht entleert werden. Ermitteln Sie die tatsächlich vom Prozess benötigte Durchflussrate und verwenden Sie dabei den Spitzenbedarf – nicht den Durchschnittswert –, falls sich beide unterscheiden. Ein Hinweis: Passen Sie den Durchfluss nicht „zur Sicherheit“ nach oben an. Ein überdimensionierter Durchflusswert erhöht die Förderhöhe, die Leistungsaufnahme und die Pumpengröße und führt dazu, dass die Pumpe im falschen Bereich ihrer Kennlinie betrieben wird. Dimensionieren Sie die Pumpe entsprechend dem tatsächlichen Bedarf und verwenden Sie einen Frequenzumrichter, wenn der Bedarf schwankt.
Gesamtfällhöhe: Die Zahl, die viele falsch verstehen
Die Berechnung der Gesamtförderhöhe ist der Punkt, an dem bei der Auslegung von Pumpen am häufigsten Fehler auftreten, da oft nur die statische Förderhöhe berücksichtigt und der Rest außer Acht gelassen wird. Das Gesamtbild setzt sich aus vier Teilen zusammen:
TDH = statischer Druck + Reibungsdruck + Druck + Geschwindigkeitsdruck
● Förderhöhe — der vertikale Höhenunterschied zwischen der Ansaug- und der Druckflüssigkeitsoberfläche. Das ist der Teil, an den sich die meisten Menschen erinnern.
● Reibungskopf — die Energie, die durch Reibung in den Saug- und Druckleitungen, Ventilen und Armaturen verloren geht. Er steigt mit dem Quadrat des Durchflusses, nimmt also in langen oder unterdimensionierten Leitungen schnell zu, und man entnimmt ihn Reibungsverlusttabellen oder berechnet ihn mit der Darcy-Weisbach- oder Hazen-Williams-Methode unter Berücksichtigung von Rohrdurchmesser, Länge und Formstücken.
● Förderhöhe — nur, wenn der Ansaug- oder Druckbehälter unter Druck steht oder im Unterdruck ist. Rechnen Sie die Druckdifferenz in eine Flüssigkeitshöhe um: Förderhöhe in Metern = Druck (kPa) ÷ (ρ × 9,81). Bei an beiden Enden offenen Behältern ist dieser Wert gleich Null.
● Geschwindigkeitskopf — die kinetische Energie der strömenden Flüssigkeit, V²/2g. Bei normalen Rohrgeschwindigkeiten ist sie gering und wird bei den meisten Auslegungsberechnungen nicht berücksichtigt.
Addiert man diese Werte, erhält man die Förderhöhe, die die Pumpe bei der erforderlichen Fördermenge erzeugen muss. Der größte Fehler bei der Dimensionierung ist die ausschließliche Berücksichtigung der statischen Förderhöhe: Eine Pumpe, die im folgenden Beispiel auf eine Förderhöhe von 16 m ausgelegt ist und dabei die 5 m Reibungsverlust außer Acht lässt, würde etwa 5 m an Förderhöhe zu wenig haben und niemals ihre Auslegungsfördermenge erreichen.
Ein durcharbeitetes Beispiel von Anfang bis Ende
Betrachten Sie eine reale Aufgabe: Fördern Sie 20 m³/h eines organischen Lösungsmittels mit einem spezifischen Gewicht von 0,87 und einem Dampfdruck von etwa 12 kPa bei 30 °C an einem Standort nahe dem Meeresspiegel (Atmosphärendruck 101 kPa). Der Spiegeltand des Ansaugbehälters liegt 2 m über der Pumpe (überflutete Ansaugung); der Spiegeltand des Druckbehälters liegt 18 m über der Pumpe; beide Behälter sind zur Atmosphäre hin offen. Die Reibung in der Saugleitung beträgt bei diesem Durchfluss 0,6 m und die Reibung in der Druckleitung 4,5 m. Hier ist die vollständige Berechnung:
| Anzahl | Wert | Wie |
| Erforderlicher Durchfluss (Q) | 20 m³/h | Prozessbedarf |
| Förderhöhe | 16 m | Auslassfläche 18 m – Ansaugfläche 2 m |
| Reibungsdruck (Ansaug- + Druckseite) | 5,1 Meter | 0,6 + 4,5, gemäß Reibungsdiagrammen |
| Förderhöhe | null Meter | Beide Tanks sind atmosphärisch |
| Gesamtfällhöhe (TDH) | Einundzwanzig Komma ein Meter | 16 + 5,1 |
| Druckhöhe (Ha) | 11,8 Meter | 101 kPa ÷ (870 × 9,81) |
| Ansaugstatik (Hz) | Zwei Meter | Überflutete Saugseite, Oberfläche oberhalb der Pumpe |
| Saugreibung (Hf) | 0,6 Meter | Nur Saugleitung |
| Dampfdruck (Hvp) | 1,4 Meter | 12 kPa ÷ (870 × 9,81) |
| Verfügbarer NPSH-Wert | 11,8 Meter | 11,8 + 2 − 0,6 − 1,4 |
| Erforderlicher NPSH-Wert (aus der Kurve) | 3,0 m | Hersteller, bei 20 m³/h |
| NPSH-Reserve | 8,8 Meter | 11,8 – 3,0 → sicher |
| Hydraulikleistung | 1,0 kW | 20 × 21,1 × 0,87 ÷ 367 |
| Wellenleistung (Wirkungsgrad 55 %) | 1,8 Kilowatt | 1,0 ÷ 0,55 |
| Motor (nächste größere Baugröße) | 2,2 kW | Wellenleistung plus Marge |
Der Betriebspunkt liegt bei 20 m³/h bei 21,1 m, die Ansaugung ist mit einer NPSH-Reserve von fast 9 m gesichert, und die Motorleistung beträgt 2,2 kW. In den folgenden Abschnitten werden die Ansaug- und Leistungsleitungen näher erläutert.
NPSH: Kommt es bei der Pumpe zur Kavitation?
Kavitation tritt auf, wenn der Druck am Pumpeneinlass unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt: Dabei bilden sich Dampfblasen, die im Inneren der Pumpe heftig zerplatzen, wodurch das Laufrad und die Lager erodieren und die gesamte Maschine in Schwingungen versetzt wird. Das Rückschlagventil dient dazu, dies zu verhindern. Der verfügbare NPSH-Wert gibt an, wie viel NPSH das System am Einlass bereitstellt, berechnet in absoluten Werten:
NPSHa = Ha + Hz – Hf – Hvp
Ha ist der Absolutdruck an der Flüssigkeitsoberfläche, ausgedrückt als Förderhöhe (Atmosphärendruck in der Höhe des Standorts); Hz ist die statische Saughöhe, positiv bei überfluteter Saugleitung und negativ bei Saughub; Hf ist die Reibung in der Saugleitung; und Hvp ist der Dampfdruck des Mediums, ausgedrückt als Förderhöhe. Zwei Punkte stellen viele vor ein Problem. NPSH wird immer in Absolutdruck berechnet, da der Dampfdruck eine absolute Eigenschaft ist und die Geschwindigkeitshöhe nicht berücksichtigt wird. Der erforderliche NPSH-Wert (NPSHr) ist die andere Hälfte – er ist eine Eigenschaft der Pumpe, die bei Betriebsdurchfluss aus der Herstellerkurve abgelesen wird, und er steigt mit zunehmendem Durchfluss an; daher sollte er immer beim maximalen Durchfluss und nicht beim Durchschnittswert überprüft werden.
Die Regel lautet, dass NPSHa den Wert von NPSHr deutlich übersteigen muss. Das Hydraulic Institute empfiehlt einen NPSHa-Wert von mindestens dem 1,5-Fachen von NPSHr oder NPSHr plus etwa 0,6 bis 1 m, je nachdem, welcher Wert größer ist. Heiße Flüssigkeiten nahe ihrem Siedepunkt und Standorte in großer Höhe schmälern den NPSHa-Wert schnell, und die Saughöhe verschlimmert die Situation noch – die praktische Saughöhe übersteigt selten 4 bis 5 m, obwohl der atmosphärische Druck theoretisch etwa 10 m Kaltwasser unterstützen könnte. Ist die Sicherheitsmarge gering, sollte man den Quellpegel anheben, die Saugleitung verkürzen und verbreitern oder die Flüssigkeit kühlen. Wir gehen in unserem Artikel näher auf die Saugseite und die Abhilfemaßnahmen ein. Verhinderung von Pumpenkavitation Seite.
Leistung und Motorgröße
Die Leistung ergibt sich aus Durchfluss und Förderhöhe. Die hydraulische Leistung – die an die Flüssigkeit abgegebene Nutzarbeit – beträgt:
Hydraulische Leistung (kW) = Q × H × SG ÷ 367, wobei Q in m³/h und H in Metern angegeben ist.
Das ist der theoretische Wert. Die Wellenleistung (bzw. die aufgenommene Leistung), die der Motor tatsächlich liefern muss, ist höher, da keine Pumpe einen Wirkungsgrad von 100 % hat: Wellenleistung = hydraulische Leistung ÷ Wirkungsgrad der Pumpe. Im Beispiel entsprechen 1,0 kW hydraulische Leistung bei einem Pumpenwirkungsgrad von 55 % etwa 1,8 kW an der Welle, sodass die nächstgrößere Motorgröße – 2,2 kW – eine sinnvolle Sicherheitsmarge bietet. Zwei Regeln sorgen dafür, dass dies realistisch bleibt. Wählen Sie die Motorgröße für den ungünstigsten Fall auf der Kennlinie aus, da die Leistungsaufnahme mit dem Durchfluss steigt; prüfen Sie daher den maximalen Durchfluss, den die Pumpe erreichen könnte, und nicht nur den Betriebspunkt. Und wählen Sie keinen zu großen Motor: Ein überdimensionierter Motor verschwendet in jeder Betriebsstunde Energie und ist ein klassisches Beispiel für falsche Sparsamkeit. Der Wirkungsgrad der Pumpe selbst ist nahe dem besten Wirkungsgradpunkt (BEP) am höchsten, was als Nächstes richtig eingestellt werden muss – siehe unseren Wirkungsgrad von industriellen Kreiselpumpen Leitfaden.
Häufige Fehler bei der Größenbestimmung
Die meisten Probleme bei der Größenbestimmung sind auf dieselben wenigen Abkürzungen zurückzuführen:
● Es wird ausschließlich der statische Druck verwendet. Das Vergessen des Reibungsdrucks ist ein klassischer Fehler, der dazu führt, dass die Pumpe ihren Auslegungsdurchfluss nicht erreicht.
● Den Durchfluss oder den Förderdruck „zur Sicherheit“ erhöhen. Willkürliche Sicherheitsfaktoren führen dazu, dass die Pumpe ihren besten Wirkungsgradpunkt verfehlt, Energie verschwendet und der Verschleiß beschleunigt wird. Eine Überdimensionierung ist die unsicherste Wahl, nicht die sicherste.
● Die NPSH-Prüfung wird übersprungen. Eine Pumpe, deren Durchfluss und Förderhöhe den Anforderungen entsprechen, kann dennoch Kavitationserscheinungen aufweisen, wenn die Saugseite nie überprüft wurde.
● Überprüfung von NPSH und Leistung ausschließlich am Betriebspunkt. Sowohl der NPSHr-Wert als auch die Leistungsaufnahme steigen mit zunehmendem Durchfluss an; überprüfen Sie diese daher bei maximalem Durchfluss.
● Die Saugleitung ist zu klein dimensioniert. Eine dünne Saugleitung sorgt genau dort für Reibungsverluste, wo der NPSH-Wert knapp bemessen ist.
● Weit entfernt vom BEP. Wählen Sie eine Pumpe, die bei der Betriebsdurchflussmenge zu etwa 80–110 % ihres besten Wirkungsgradpunkts läuft.
● Unter Vernachlässigung des spezifischen Gewichts und der Viskosität. Eine Flüssigkeit mit höherer Dichte benötigt bei gleicher Förderhöhe mehr Leistung, und eine viskose Flüssigkeit beeinflusst sowohl die Reibung als auch die Pumpenleistung.
Vom Einsatzort zur Pumpe
Wenn Sie Durchfluss, Förderhöhe und NPSHa kennen, können Sie die Pumpe auswählen. Die Lastkurve gibt Aufschluss über den Pumpentyp: Ein hoher Durchfluss bei mäßiger Förderhöhe eignet sich für eine Kreiselpumpe; eine hohe Förderhöhe bei geringem Durchfluss eignet sich für eine Wirbelpumpe (Regenerativturbinenpumpe), die in unserem Leitfaden zur Auswahl von industriellen Wirbelpumpen; Anwendungen, bei denen es auf absolute Dichtheit oder Korrosionsbeständigkeit ankommt, erfordern eine dichtungslose Bauweise, die in unserem Leitfaden zur Auswahl von Magnetkupplungspumpen. Die obigen Angaben beziehen sich auf rotodynamische Pumpen. Eine Verdrängerpumpe – eine Zahnrad- oder Flügelzellenpumpe für viskose oder präzise dosierte Anwendungen – wird anders dimensioniert: Ihr Durchfluss wird durch Verdrängungsvolumen und Drehzahl bestimmt und nicht durch eine Förderhöhen-Durchfluss-Kurve, und der Systemdruck entspricht dem Druck, gegen den die Pumpe arbeiten muss. Unsere Baureihe der Verdrängerpumpen und die Chemiepumpen-Baureihe diese Optionen behandeln und die vollständige Industriepumpenprogramm deckt den gesamten Bereich ab.
Teilen Sie uns den Duty-Punkt mit, und wir berechnen die Größe
Wenn Sie die Berechnung lieber überprüfen lassen möchten, anstatt sie von Grund auf neu durchführen zu lassen, senden Sie uns bitte den Durchfluss, die Saug- und Druckseitenaufstellung (Höhenangaben, Rohrdurchmesser und -längen, Armaturen), das Medium mit seinem spezifischen Gewicht, seinem Dampfdruck und seiner Temperatur sowie gegebenenfalls die Behälterdrücke. Unser Ingenieurteam liefert Ihnen daraufhin die dynamische Gesamtförderhöhe, die NPSH-Prüfung, die Leistungsaufnahme sowie eine für den Einsatzzweck geeignete Pumpe – ob dichtungslose Magnetkupplungspumpe, Wirbelpumpe, Kreiselpumpe oder Verdrängerpumpe.
Sprechen Sie mit unserem Team: Kontakt Aulank | WhatsApp: +86 13773157367 | E-Mail: info@aulankpump.com
Weiterführende Literatur: Leitfaden zur Auswahl von industriellen Wirbelpumpen · Leitfaden zur Auswahl von Magnetkupplungspumpen