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Pumpenschutz hat seinen Preis

Eine technisch-wirtschaftliche Betrachtung
Pumpenschutz hat seinen Preis

Für die Gewährleistung des sicheren Betriebes von Pumpen ist es erforderlich, den Mindestförderstrom zu garantieren. Außerdem sind Überhitzungsschäden, Kavitation, Schwingungen, Überlastungen oder unerwünschte Rezirkulationen zu vermeiden. Das Softwarepaket Conval unterstützt hier die tägliche Arbeit von Anlagenplanern und Betriebsingenieuren.

Andreas Vogt

Eine Pumpe arbeitet instabil, wenn sie bei zu niedrigem Förderstrom über einen längeren Zeitraum betrieben wird. Der Planungsingenieur muß diese Problematik bereits bei der Instrumentierung und der Erstellung eines Rohrleitungs- und Instrumentierungsschemas berücksichtigen. Sinkt der Förderstrom verfahrensbedingt unter den vom Pumpenhersteller geforderten Mindeststrom, ist ein Schutzsystem zu installieren. In einem Fallbeispiel werden drei Lösungsmöglichkeiten verglichen, um eine wirtschaftliche Lösung herbeizuführen.
Drei technische Lösungsansätze
Die wesentlichen Einflußfaktoren sind die Mindestfördermenge der Pumpe, die Druckdifferenz, die Laufzeit der Pumpe pro Jahr sowie die Investitionskosten. Im nachfolgenden Beispiel erfolgt die Betrachtung einer Pumpe mit
Qmax = 100 m³/h Förderleistung,
Qmin = 30 m³/h Mindestfördermenge,
Dp = 15 bar und
Laufzeit/Jahr = 8760 h.
Eine einfache technische Lösung ist der fest eingebaute Umgang mit einer feststehenden Drosselblende zur Begrenzung der erforderlichen Mindestmenge.
Der Nachteil hierbei ist, daß die Mindestmengenförderung eine nicht unerhebliche Verlustleistung darstellt, da dieser Teilstrom häufig 30%, nicht selten 70% des Betriebspunktes einer Pumpe ausmacht und kontinuierlich anfällt. Bei der Pumpenauslegung muß dieser Mindestmengenförderstrom zum Nennförderstrom hinzuaddiert werden.
Bei dem Vorhalten einer Reservepumpe ist außerdem darauf zu achten, daß beim Umschalten der Bypassstrom so abgesichert wird, daß ein Rückströmen durch die abgestellte Pumpe verhindert wird (Abb. 1). Für diese Absicherung wird eine Lochscheibe mit Conval® dimensioniert. Zunächst erfolgt die Dimensionierung der Lochscheibe für 30 m³. Dabei erhält man eine Drosselöffnung von 17,928 mm. Anschließend wird eine Drosselöffnung von 18 mm gewählt, was einem Durchfluß von 30,24 m³ entspricht. Zu beachten ist hierbei, daß die Lochscheibe unter „Choked flow“-Bedingungen betrieben, d.h. stark beansprucht wird. Dies drückt sich auch in dem zu erwartenden Schallpegel von 91 dB(A) aus (Tabelle 1). Die reinen Investitionskosten für diese Lösung liegen sicherlich unter 1000 DM.
Andere Verhältnisse stellen sich ein, wenn statt der Lochscheibe eine Regelung installiert wird, die erst bei Unterschreitung der Mindestmenge öffnet. Die Instrumentierung mit einer Meßblende und einem Regelventil ist aufwendig, hat aber den Vorteil, daß die Mindestmenge nur im Bedarfsfall gefördert wird (Abb. 2).
Bei hohen Bypassraten ist das sorgsame Zu- und Abschalten des Mindestmengenstromes zu berücksichtigen, um den „hydraulischen Schock“ sowie die Druckschwankungen in empfindlichen Systemen zu vermeiden. Für diese Form der Absicherung sind eine Meßblende sowie ein Stellventil für die Regelung der Mindestmenge zu bestimmen.
Auch beim Stellventil sind besondere Aspekte zu beachten. Zum einen hat man im Auslegungspunkt „maximale Kavitation“, was die Standzeit des Ventils verkürzt, im Gegensatz zur Lochscheibe jedoch einen mehr als 10 dB(A) niedrigeren Schallpegel. Die Investitionskosten für eine solche Instrumentierung sind etwa mit 25 000 DM zu bewerten.
Ein anderer Lösungsweg ist der Einbau eines automatischen Kreislaufventils, das den Mindestförderstrom nur im Bedarfsfall regelt. Es handelt sich hierbei um die Kombination aus einem federbelasteten Rückschlagventil mit einem modulierenden Regelventil als Bypassregelung. Das Rückschlagventil arbeitet durchflußabhängig und regelt positionsabhängig eine Drosselblende. Der Bypass wird erst geöffnet, wenn die Durchflußmenge unter die empfohlene Mindestmenge der Pumpe sinkt. Eine vollständige Öffnung erfolgt erst, wenn der Förderstrom blockiert ist.
Diese Armatur muß vom Hersteller jedem einzelnen Bedarfsfall angepaßt werden und ist somit nicht beliebig austauschbar. Eine Auslegung durch den Anwender ist hier nicht nötig.
Im gezeigten Beispiel werden den Herstellern solcher automatischer Kreislaufventile die Pumpendaten unter Angabe des gewünschten Mindestmengenförderstromes übermittelt. Der Anwender erhält eine angepaßte Armatur. Die Investitionskosten liegen unter 10 000 DM.
Wirtschaftliche Betrachtung
Bei der wirtschaftlichen Betrachtung spielt beim Lösungsweg 1 die Energiebilanz eine besondere Rolle, da die 30 m³ nicht nur im Bedarfsfall, sondern ständig gefördert werden. Für diese Betrachtung wird zunächst die Verlustleistung bestimmt. Als Ergebnis ergibt sich, daß 17,859 kW für diese 30 m³ benötigt werden. Unter Berücksichtigung der Motorverlustleistung ergibt sich eine aufgenommene Motorleistung von ca. 20 bis 22 kW. Bei einer Laufzeit von 8760 h im Jahr und Kosten von 0,20 DM/kW entstehen bei einer Prozeßpumpe im Dauereinsatz Energiekosten in Höhe von 35 040 DM.
Im Gegensatz dazu zeichnen sich Beispiel 2 und 3 dadurch aus, daß die Pumpen und Antriebe nur für den Nennförderstrom ausgelegt zu werden brauchen, also ohne die Addition der Mindestmenge. Bei der Lösung mit dem Stellventil sind jedoch noch Maßnahmen zum Schutz des Ventils vor Kavitationsschäden einzubeziehen. Hierfür lassen sich mit Conval im Bedarfsfall beispielsweise eine Lochscheibe oder ein Silencer auslegen. Diese heben den Nachdruck hinter dem Ventil an und verhindern somit Kavitation. Neben dieser begrenzten wirtschaftlichen Betrachtung der Lösungsansätze gibt es natürlich noch weitere Kriterien, die die Entscheidung für eine der drei Varianten wesentlich beeinflussen können. Hierzu gehören beispielsweise, ob Feststoffanteile im Produkt vorhanden sind (technische Einflüsse) oder die Wartungskosten durch Kavitationsschäden. Mit den Berechnungsmodulen von Conval für die Auslegung von Stellventilen, Wirkdruckgebern, Pumpenmotorleistung und Lochscheiben läßt sich das beschriebene „Problem“ weitestgehend technisch und wirtschaftlich berechnen.
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