Thermalöl-Umwälzpumpe: Funktionsweise und Auswahlhilfe

Die Umwälzpumpe ist das Herzstück einer Thermoöl-Heizungsanlage. Sie fördert das heiße Öl durch den Kreislauf – von der Wärmequelle zu den Prozessanlagen und wieder zurück. Wenn die Pumpe stehen bleibt, kommt das Öl zum Stillstand, die Wärmeabgabe wird unterbrochen und die Prozesstemperatur sinkt.

In diesem Artikel wird erläutert, wie eine Thermoöl-Umwälzpumpe in einer Heizungsanlage funktioniert, wo sie installiert werden sollte, wie Sie die richtige Fördermenge und Förderhöhe für Ihre Anlage ermitteln, was bei einem Kaltstart geschieht und welche Fehler bei der Dimensionierung in der Praxis am häufigsten auftreten. Wenn Sie eine neue Thermoölanlage planen oder eine Umwälzpumpe in einer bestehenden Anlage austauschen, bietet Ihnen dieser Leitfaden die praktischen Grundlagen, um alles richtig zu machen.

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Welche Funktion hat eine Umwälzpumpe in einem Thermalöl-Heizsystem?

Eine Thermoöl-Umwälzpumpe sorgt für den erforderlichen Durchfluss und Druck, um das Wärmeträgeröl durch ein geschlossenes Heizsystem zu befördern. Die Pumpe selbst erwärmt das Öl nicht. Ihre Aufgabe besteht darin, das Öl mit konstanter Geschwindigkeit in Bewegung zu halten, damit die Wärme von der Quelle dorthin transportiert wird, wo sie benötigt wird – und anschließend zur Wiederaufheizung zurückgeführt wird.

Praktisch gesehen entscheidet die Umwälzpumpe darüber, ob Ihr System die richtige Wärmemenge an jedes einzelne Prozessgerät liefert. Ist der Durchfluss der Pumpe zu gering, erreicht das Gerät die Solltemperatur nicht. Reicht die Förderhöhe nicht aus, kann das Öl den Widerstand in den Rohrleitungen nicht überwinden, und der Durchfluss sinkt. Die Pumpe gibt das Tempo für den gesamten Wärmekreislauf vor.

Aus diesem Grund geht es bei der Auswahl einer Pumpe für ein Thermalölsystem nicht nur darum, ein Modell aus einem Katalog auszuwählen. Vielmehr muss man den Systemaufbau, die Gesamtwärmelast, den Rohrleitungswiderstand und die Eigenschaften des Öls bei verschiedenen Temperaturen kennen.

So funktioniert ein Thermoöl-Umwälzsystem

Der Kreislauf – Schritt für Schritt

Ein Thermoöl-Heizsystem ist ein geschlossener Kreislauf. Das Öl zirkuliert kontinuierlich auf demselben Weg:

Die Wärmequelle – ein Thermoölkessel, ein elektrischer Heizkörper oder ein befeuerter Heizkörper – erwärmt das Öl auf den Sollwert. Die Umwälzpumpe fördert das erwärmte Öl anschließend in den Vorlaufverteiler. Von dort wird das Öl zu den einzelnen Prozessverbrauchern geleitet: Formtemperaturregler, Reaktormäntel, Wärmetauscher, Trockenwalzen oder Heißpressen. An jedem Verbraucher gibt das Öl Wärme an den Prozess ab und seine Temperatur sinkt. Das abgekühlte Öl sammelt sich im Rücklaufverteiler und fließt durch die Rücklaufleitung zurück. Bevor es den Pumpeneinlass erreicht, durchläuft das Öl in der Regel einen Ausgleichsbehälter (der die Wärmeausdehnung ausgleicht und gelöstes Gas entfernt) und einen Filter (der Partikel auffängt, bevor sie in die Pumpe gelangen). Die Pumpe saugt dieses Rücklauföl an und fördert es zurück zum Erhitzer. Der Zyklus wiederholt sich kontinuierlich.

In den meisten Systemen liegt die Öltemperatur auf der Vorlaufseite bei 280–320 °C, während sie auf der Rücklaufseite um 20–50 °C niedriger ist. Die Pumpe arbeitet auf der Rücklaufseite, wo das Öl kühler ist.

Wichtige Systemkomponenten rund um die Pumpe

Mehrere Komponenten beeinflussen unmittelbar die Funktionsweise der Umwälzpumpe:

Ausgleichsbehälter — Befindet sich am höchsten Punkt des Systems. Er gleicht das Volumenausdehnungsvolumen aus, das entsteht, wenn sich das Öl erwärmt und ausdehnt, und ermöglicht es, dass sich gelöste Luft oder Gase vom Öl trennen. Dadurch wird die Pumpe vor dem Ansaugen von Dampf geschützt.

Filter / strainer — Wird auf der Saugseite oder in der Rücklaufleitung vor der Pumpe installiert. Er fängt Kohlenstoffrückstände, Metallpartikel und Schmutzpartikel auf, die andernfalls das Laufrad, die Lager oder die Gleitringdichtung beschädigen würden.

Sicherheitsventil — Schützt das System vor Überdruck. Wird in der Regel auf der Vorlaufseite in der Nähe des Heizkörpers installiert.

Temperatur- und Drucksensoren — Wird am Ein- und Auslass der Pumpe sowie am Heizgerät installiert, um den Systemzustand zu überwachen und Alarme auszulösen, wenn die Werte den zulässigen Bereich verlassen.

Wo soll die Umwälzpumpe installiert werden?

In den meisten Thermalölsystemen wird die Umwälzpumpe in die Rücklaufleitung eingebaut – hinter dem Ausgleichsbehälter und dem Filter und vor dem Einlass des Heizgeräts. Dies ist die Niedertemperaturseite des Kreislaufs.

Für diese Anordnung gibt es gute Gründe. Das aus den Prozessanlagen zurückfließende Öl ist kühler als das Zufuhröl, in der Regel um 20–50 °C. Eine niedrigere Öltemperatur bedeutet eine geringere thermische Belastung für die Dichtungen, Lager und Dichtungsringe der Pumpe. Außerdem ist das Öl dichter und verfügt über eine höhere Dampfdruckreserve, was das Kavitationsrisiko an der Pumpsaugseite verringert.

Der über der Pumpe angeordnete Ausgleichsbehälter sorgt für eine ausreichende statische Förderhöhe am Pumpeneinlass. Dadurch wird sichergestellt, dass an der Ansaugseite der Pumpe stets Öl zur Verfügung steht – eine Grundvoraussetzung für einen stabilen Betrieb und zur Vermeidung von Kavitation.

Beachten Sie bei der Installation der Pumpe folgende Punkte:

• Die Saugleitung sollte so kurz und gerade wie möglich sein. Lange Saugleitungen mit vielen Biegungen erhöhen den Reibungsverlust und verringern den an der Pumpe verfügbaren NPSH-Wert (Net Positive Suction Head).
• Vermeiden Sie Erhöhungen in der Saugleitung, in denen sich Lufttaschen bilden können. Luft in der Saugleitung führt zu zeitweiligen Durchflussverlusten und Kavitation.
• Das Pumpenfundament sollte stabil und waagerecht sein. Thermalölpumpen laufen im Dauerbetrieb, und jede Fehlausrichtung zwischen Pumpe und Motor verstärkt die Vibrationen und verkürzt die Lebensdauer der Lager.
• Halten Sie rund um die Pumpe ausreichend Freiraum für Inspektions- und Wartungsarbeiten frei – insbesondere für den Austausch der Gleitringdichtung bei Kreiselpumpenmodellen wie der WRY-H-Zentrifugal-Heißölpumpe mit Kupplung.

Kaltstartbedingungen – Was passiert, wenn das Öl kalt ist?

Das ist ein Punkt, den viele Ingenieure bei der Pumpenauswahl übersehen, was vor Ort zu echten Problemen führt.

Die Viskosität von Thermoöl ändert sich mit der Temperatur drastisch. Bei Betriebstemperatur – beispielsweise 280 °C – weist ein typisches Wärmeträgeröl eine sehr niedrige Viskosität auf, die etwa zwischen 0,5 und 1,0 cSt liegt. Bei Umgebungstemperatur – 20 °C oder 30 °C – kann dieselbe Ölsorte jedoch je nach Typ eine Viskosität von 20 bis 50 cSt oder mehr aufweisen. Manche Öle erreichen im kalten Zustand Werte über 100 cSt.

Das bedeutet, dass die Pumpe bei einem Kaltstart Öl fördern muss, das um ein Vielfaches zähflüssiger ist als das Öl, das sie im Normalbetrieb fördert. Die Folgen sind gravierend:

• Höherer Ansaugwiderstand — Kaltes, zähflüssiges Öl fließt nicht leicht in die Pumpe. Der verfügbare NPSH-Wert am Pumpeneinlass sinkt, wodurch sich das Kavitationsrisiko erhöht.
• Höhere Motorbelastung — Die Pumpe benötigt mehr Drehmoment, um dickflüssiges Öl zu fördern. Ist der Motor nur für den Betrieb mit heißem Öl ausgelegt, kann es bei einem Kaltstart zu einer Überlastabschaltung kommen.
• Reduzierter Durchfluss — Bei hoher Viskosität lässt die Pumpenleistung nach. Sowohl der tatsächliche Durchfluss als auch die Förderhöhe liegen unter den Katalogwerten (die auf Wasser oder Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität bei 20 °C basieren).

So gehen Sie vor:

• Verwenden Sie einen Frequenzumrichter (VFD), um die Pumpe mit niedriger Drehzahl anzulassen. Lassen Sie das kalte Öl langsam zirkulieren, bis die Heizung die Öltemperatur so weit erhöht hat, dass sich die Viskosität verringert. Steigern Sie dann die Drehzahl auf volle Leistung.
• Berücksichtigen Sie bei der Dimensionierung des Motors den erforderlichen Kaltstartdrehmomentbedarf – nicht nur den stationären Betriebspunkt.
• Prüfen Sie die Viskositäts-Temperatur-Daten des Ölherstellers und vergewissern Sie sich, dass der NPSH-Wert bei der zu erwartenden Kaltstarttemperatur ausreichend ist.

Wenn Ihr System nicht im Dauerbetrieb läuft, sondern häufige Start-Stopp-Zyklen durchläuft, gewinnt die Leistung bei Kaltstarts bei der Auswahl der Pumpe noch mehr an Bedeutung.

So wählen Sie die richtige Größe für eine Thermoöl-Umwälzpumpe

Ermittlung des erforderlichen Durchflusses

Der Durchfluss einer Thermoöl-Umwälzpumpe wird durch die Gesamtwärmelast des Systems und die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauföl bestimmt. Die Grundformel lautet:

Q = P / (ρ × Cp × ΔT)

Wo:

• Q = Volumenstrom (m³/h)
• P = Gesamtwärmeleistung / Wärmebelastung (kW)
• ρ = Dichte des Thermoöls bei Betriebstemperatur (kg/m³)
• Cp = spezifische Wärmekapazität des Öls (kJ/kg·°C)
• ΔT = Temperaturunterschied zwischen Vor- und Rücklauf (°C)

Beispiel: Wenn Ihre Anlage 200 kW Wärme liefert, die Öldichte bei Betriebstemperatur 780 kg/m³ beträgt, die spezifische Wärmekapazität 2,5 kJ/kg·°C beträgt und die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf 30 °C beträgt, dann gilt:

Q = 200 / (780 × 2,5 × 30 / 3600) ≈ 12,3 m³/h

Dadurch erhält man den minimalen Zirkulationsdurchfluss. In der Praxis wird ein kleiner Spielraum (10–15 %) hinzugerechnet, um Wärmeverluste in den Rohrleitungen und tatsächliche Schwankungen zu berücksichtigen.

Bestimmung der erforderlichen Förderhöhe

Die Förderhöhe ist der Druck, den die Pumpe erzeugen muss, um das Öl durch den gesamten Kreislauf zu befördern. Sie entspricht dem Gesamtwiderstand des Systems, der Folgendes umfasst:

• Reibungsverlust in geraden Rohren — Das hängt vom Rohrdurchmesser, der Rohrlänge, der Ölviskosität und der Strömungsgeschwindigkeit ab. Längere Leitungsstrecken und kleinere Rohre bedeuten mehr Reibung.
• Armaturen und Ventile — Jedes Rohrbogenstück, jedes T-Stück, jedes Ventil und jeder Reduzierstück erhöht den lokalen Widerstand. Diese Werte werden oft als äquivalente Rohrlängen angegeben.
• Druckabfall in Wärmetauschern und Anlagen — Jedes Prozessgerät hat seinen eigenen Innenwiderstand. Diese Angabe stammt vom Hersteller des Geräts.
• Höhenunterschied — Wenn das Öl zu Anlagen auf einer höheren Ebene gelangen muss, muss die statische Förderhöhe berücksichtigt werden.

Rechnet man all diese Werte zusammen, erhält man den gesamten erforderlichen Systemdruck. Ein wichtiger Hinweis: Da sich die Viskosität von Thermoöl von der von Wasser unterscheidet, unterscheiden sich auch die Reibungskoeffizienten. Verwenden Sie für die Berechnung den Viskositätswert bei Ihrer Betriebstemperatur und keine Annahmen, die auf Wasser basieren.

Überprüfung des Betriebspunkts anhand der Pumpenkennlinie

Jede Pumpe verfügt über eine Leistungskurve, die den Zusammenhang zwischen Fördermenge und Förderhöhe darstellt. Ihr System weist zudem eine Widerstandskurve auf, die mit steigender Fördermenge ansteigt. Der Schnittpunkt dieser beiden Kurven ist der tatsächliche Betriebspunkt der Pumpe.

Dieser Betriebspunkt sollte möglichst nahe am Punkt des höchsten Wirkungsgrads (BEP) der Pumpe liegen. Liegt der Betriebspunkt weit links vom BEP (geringer Durchfluss, hohe Förderhöhe), arbeitet die Pumpe ineffizient, erzeugt mehr Wärme und die Radialkräfte auf die Lager steigen. Liegt er weit rechts (hoher Durchfluss, geringe Förderhöhe), steigt die Kavitationsgefahr und der Motor kann überlastet werden.

Die genauen Leistungskurven und Parameter der Pumpen finden Sie auf den Produktseiten auf unserer Heißölpumpe Seite.

Häufige Fehler bei der Größenauswahl und wie man sie vermeidet

Wir stellen fest, dass bei der Dimensionierung von Thermoöl-Umwälzpumpen immer wieder dieselben Fehler gemacht werden. Die meisten davon lassen sich leicht vermeiden, wenn man weiß, worauf man achten muss.

Überdimensionierung mit zu großem Sicherheitsspielraum. Wenn man „nur zur Sicherheit“ sowohl beim Durchfluss als auch bei der Förderhöhe 30–50 % hinzurechnet, wird die Pumpe weit von ihrem Punkt mit optimalem Wirkungsgrad entfernt betrieben. Die Folge: höherer Energieverbrauch, mehr Lärm, stärkere Vibrationen, kürzere Lebensdauer von Lagern und Dichtungen sowie die Notwendigkeit eines Drosselventils, um den Durchfluss wieder zu senken – wodurch die Energie verschwendet wird, für die man die Pumpe gerade überdimensioniert hat. Eine Marge von 10–15 % beim Durchfluss ist angemessen. Bei der Förderhöhe sollten Sie sorgfältig berechnen und eine moderate Marge hinzufügen, die auf der tatsächlichen Unsicherheit basiert, nicht aus Gewohnheit.

Den Fokus auf den Durchfluss legen, aber den Druck außer Acht lassen. Manche Käufer wählen eine Pumpe allein aufgrund der Fördermenge aus, ohne zu prüfen, ob die Förderhöhe dem Systemwiderstand entspricht. Die Pumpe mag zwar Öl fördern, doch wenn die Förderhöhe zu gering ist, kann sie das Öl nicht mit der erforderlichen Geschwindigkeit durch alle Rohrleitungen und Anlagen drücken. Das System wird unterversorgt, und die Temperaturen bleiben hinter den Vorgaben zurück.

Die Kaltstartviskosität wird nicht berücksichtigt. Wie oben erläutert, kann eine Auswahl, die sich ausschließlich auf den Betriebszustand bei warmer Öl-Temperatur stützt und die Kaltstartsituation außer Acht lässt, zu einer Überlastung des Motors oder zu Kavitation beim Anlaufen führen. Überprüfen Sie stets die Viskosität des Öls bei der niedrigsten zu erwartenden Starttemperatur.

NPSH wird vernachlässigt. Wenn der verfügbare NPSH-Wert an der Pumpensaugseite unter dem von der Pumpe benötigten NPSH-Wert liegt, kommt es zu Kavitation. Dies führt zu Schäden am Laufrad, verursacht Geräusche und beeinträchtigt mit der Zeit die Leistung. Stellen Sie sicher, dass Ihre Anlagenkonfiguration – insbesondere die Höhe des Ausdehnungsgefäßes über der Pumpe und die Auslegung der Saugleitung – einen ausreichenden NPSH-Spielraum bietet.

Keine Vorkehrungen für eine zukünftige Erweiterung. Wenn Sie planen, den Kreislauf später um weitere Prozessanlagen zu erweitern, reicht die Leistung der Pumpe möglicherweise nicht aus, um die zusätzlichen Lasten zu bewältigen. Dies sollten Sie bei der anfänglichen Auswahl berücksichtigen. Ein Frequenzumrichter kann dabei helfen, variable Lasten zu bewältigen, ohne Energie zu verschwenden.

Zentrifugal- vs. Magnetantrieb für die Umwälzung

Bei Anwendungen mit Thermoölkreislauf kommen in den meisten Systemen Kreiselpumpen mit Gleitringdichtungen zum Einsatz. Die WRY-H-Serie ist ein gutes Beispiel – eine zweiteilige Kreiselpumpe mit luftgekühlten Lagern, die Thermoöl mit Temperaturen bis zu 350 °C fördert. Sie deckt einen breiten Durchfluss- und Förderhöhenbereich ab und ist wartungsfreundlich. Für Standard-Heizungsräume und Werksheizungsanlagen ist dies die praktische Standardwahl.

Für Systeme, in denen ein Austreten von Thermoöl nicht tolerierbar ist – chemische Prozesskreisläufe, TCU-Zirkulation in der Halbleiterindustrie, Reaktormantelbeheizung in an Reinräume angrenzenden Bereichen – bieten magnetgetriebene Pumpen einen leckagefreien Betrieb, da die Gleitringdichtung vollständig entfällt. Aulanks MDH-Magnetkupplungs-Wirbelpumpe ist für Wärmeträgerflüssigkeiten mit Temperaturen bis zu 400 °C ausgelegt und wird in diesen sicherheitskritischen Umwälzanwendungen eingesetzt.

Die Entscheidung hängt von Ihrer Toleranz gegenüber Leckagen, den Durchflussanforderungen des Systems und Ihrem Wartungskonzept ab. Einen ausführlicheren Vergleich, der auch Zahnradpumpenoptionen umfasst, finden Sie in unserem kommenden Artikel: Zentrifugal- oder Zahnrad-Heißölpumpe: Welcher Typ ist der richtige?

Sprechen Sie mit uns über Ihren Bedarf an Umwälzpumpen

Wenn Sie eine Thermoöl-Heizungsanlage zusammenstellen – oder eine bestehende Anlage warten –, teilen Sie uns bitte Ihre Systemparameter mit: Wärmebelastung, Betriebstemperatur, Rohrleitungsführung und etwaige Sonderanforderungen. Wir helfen Ihnen dabei, das richtige Modell und die richtige Konfiguration für Ihre Umwälzpumpe zu finden.

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