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Die TCO im Visier

Faktoren zur Senkung der Total Cost of Ownership bei Chemiepumpen
Die TCO im Visier

Die Gesamtkosten einer Installation gewinnen auch im Maschinenbau an Bedeutung. Nicht nur die Investitionskosten, sondern auch die Life Cycle Costs, d. h. die Betriebskosten mit Energie-, Stillstands-, Wartungs- und Ersatzteilkosten, fließen als Total Cost of Ownership (TCO) in die Entscheidung für ein Aggregat ein. Je nach Fördermedium und Förderprozess sind unterschiedliche Pumpen und Förderprinzipien am besten geeignet, um die TCO zu minimieren.

Edwin Braun, Dipl. Ing. Wolfgang Leiber

Die Höhe und die Zusammensetzung der TCO bestimmen mehrere Faktoren. Die wesentlichen, auf die der Betreiber Einfluss nehmen kann, sind:
  • Einzelkomponenten innerhalb des Förderprozesses
  • Abstimmung der Pumpen auf das Fördermedium und dessen Viskosität
  • Optimierung auf die jeweiligen Anforderungen des Förderprozesses
  • Wahl des Pumpenantriebs
  • Sorgfältige Auslegung und Installation
Es kommt immer wieder vor, dass Komponenten zu groß dimensioniert werden und damit bereits die Anschaffung unnötig verteuern. Anderseits ist es sinnvoll, die größtmöglichen Antriebsdrehzahlen zu wählen, weil damit kleinere Pumpen möglich sind. Geringere Anschaffungskosten sind die erwünschte Folge. Antriebsmaschinen mit hohem Wirkungsgrad senken die Energiekosten. Schließlich sollten alle Komponenten so ausgewählt werden, dass sie nicht im Grenzbereich arbeiten. Dies minimiert die Wartungskosten. Das Gleiche gilt für Pumpen mit gleichmäßigem Druckverlauf. Entsprechend konstruierte Pumpen verlängern die Lebensdauer der Rohrleitungen, da sie nur geringe Pulsation einbringen. Besonders günstig sind hier Schraubenspindelpumpen, besonders ungünstig Außenzahnradpumpen.
Welche Gesamtkosten eine Pumpe verursacht, hängt stark davon ab, wie gut sie auf die Eigenschaften ihres Fördermediums abgestimmt ist. Dies beginnt bei den verwendeten Werkstoffen, die zu den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Fördermediums wie etwa dem pH-Wert und dem Dampfdruck passen müssen. Gasanteile, Feststoffe und abrasive Anteile spielen eine weitere Rolle. Auch aus Fließverhalten, Viskosität und Empfindlichkeit gegen Scherkräfte ergeben sich Anforderungen, die unterschiedliche Pumpentypen mit unterschiedlichen TCO lösen. Schließlich können Umwelt- und Arbeitsschutzvorschriften etwa die Verwendung magnetgekuppelter und damit leckagefreier Pumpen trotz höherer Anschaffungskosten als insgesamt kostengünstigere Lösung nahelegen. Einen entscheidenden Einfluss auf die Instandhaltungskosten verschiedener Pumpentypen hat die Viskosität. Bild 1 zeigt die empfohlenen Grenzen für vier Pumpentypen. Unterschreitet die Viskosität die typspezifischen Mindestwerte, steigen die Wartungskosten deutlich an. Das gleiche gilt, wenn die maximale Viskosität überschritten wird.
Optimierung auf Anforderung
Grundsätzlich lassen sich für jede Förderaufgabe zwei unterschiedliche Pumpentypen verwenden: Verdrängerpumpen und Strömungsmaschinen. Aus den spezifischen hydraulischen Eigenschaften dieser beiden Typen ergeben sich klare Empfehlungen, um die TCO möglichst gering zu halten. Wechselnde Förderhöhen erfordern eine Verdrängerpumpe. Diese behält ihren Wirkungsgrad über ein breites Band von Förderhöhen. Strömungspumpen wie etwa Kreiselpumpen haben einen guten Wirkungsgrad in einem relativ begrenzten Bereich von Förderhöhen. Wird dieser unterschritten, fällt der Wirkungsgrad schnell ab. Bei Überschreitung geht es sogar noch schneller und deutlicher.
Verdrängerpumpen sind meist auch dann kostengünstiger, wenn sich bei konstanter Fördermenge die Viskosität des Mediums ändert. Auch hier fällt der Wirkungsgrad von Strömungspumpen sehr schnell, wenn die Viskosität außerhalb des engen optimalen Bereichs liegt. In der Regel sind daher Verdrängerpumpen die richtige Wahl, wenn sich der Betriebsmodus und die Betriebsbedingungen (deutlich) ändern. Beispiele sind konstante Fördermenge bei unterschiedlichem Druck oder bei unterschiedlicher Förderhöhe. Einen Überblick über die Eigenschaften der verschiedenen Arten von Verdrängerpumpen gibt Bild 2.
Strömungsmaschinen arbeiten dagegen besonders kostengünstig, wenn die Betriebsbedingungen und die Fließeigenschaften des Mediums konstant bleiben und die Pumpe darauf exakt ausgelegt wird. Welche Strömungsmaschine im Einzelfall die optimale Lösung ist, zeigt das Bild 3. Bild 4 verdeutlicht, wie groß der bevorzugte Betriebsbereich einer Kreiselpumpe ist. Bei Fördermengen unter 70 % verschlechtert sich der Wirkungsgrad deutlich.
Die Abhängigkeit der Betriebskosten vom Wirkungsgradbestpunkt veranschaulicht Bild 5 für eine Kreiselpumpe. Hier wird deutlich, dass nicht nur der Wirkungsgrad selbst eine Rolle spielt. Zudem steigen bei Strömungsmaschinen die Kosten für Ersatzteile, Wartung und Stillstand, sobald die Fördermenge stärker variiert. Für Kreiselpumpen gilt daher, dass die Leitungsverluste für die optimale Auslegung richtig kalkuliert werden müssen. Fehler in der Berechnung schlagen sich später in einem ungünstigen Betrieb mit höheren Energie- und Wartungskosten nieder.
Weitere Möglichkeiten
Der richtige Antrieb für die Pumpe ist ebenfalls ein Schlüssel zur Erzielung günstiger TCO. Ist z. B. die Entscheidung gefallen, dass ein konstanter Förderstrom für einen einzigen Betriebspunkt ausreichend ist, sind die folgenden Überlegungen anzustellen: Je höher die Drehzahl, desto kleiner die Pumpe und damit die Anschaffungskosten. Im Einzelnen führt (natürlich) ein High-Efficiency-Motor aufgrund seines höheren Wirkungsgrads zu deutlich geringeren Energiekosten. Dies ist in der Regel besonders bei geringer Wellenleistung (unter ca. 50 %) deutlich. Der Wirkungsgradgewinn kann hier bis zu 8 % betragen. Sind mehrere Betriebspunkte abzudecken, gilt es abzuwägen, welche Art von Regelung der Pumpe am sinnvollsten ist. In solchen Fällen ist die Drehzahlregelung die energieeffizienteste Lösung.
Im Bereich der Installation lassen sich zwei Faktoren optimieren, die Art der Aufstellung und die Pumpenbauform. Kompakte Pumpen benötigen weniger Platz bei der Installation. Sobald Platzmangel herrscht oder Pumpen in bestehende Installationen eingebaut werden müssen, sparen kompakte Ausführungen Geld. In jedem Fall sind sie leichter und damit in der Regel auch schon in der Anschaffung günstiger.
Eine sinnvolle Auslegung muss unter dem Gesichtspunkt erfolgen, dass z.B. bei der Kreiselpumpe zuerst die richtige Laufradform gemäß der zu erfüllenden Anforderung und der spezifischen Drehzahl gewählt wird. Dann erst ist die weitere exakte Auslegung hinsichtlich der notwendigen geometrischen Dimension durchzuführen. Die Laufradform und die geometrische Dimension sind untrennbar mit der besten Abstimmung auf das Fördermedium und die Förderaufgabe verbunden. Welche Rolle der Laufraddurchmesser bei Kreiselpumpen in Abhängigkeit von Förderhöhe und Fördermenge für den Wirkungsgrad der Pumpe spielt, zeigt Bild 6. Mit einem optimal ausgelegten Laufrad lässt sich ein Wirkungsgrad von bis zu 85 % erreichen. Bereits geringfügig abweichende Laufraddurchmesser führen zu Einbußen im Wirkungsgrad von 10 % und mehr.
Das Zusammenspiel macht’s
Entscheidend für geringe Total Cost of Ownership ist, diese Faktoren in ihren Zusammenhängen und Wechselwirkungen zu betrachten. Pumpen, die gut auf das gesamte System und die gesamte Anlage abgestimmt sind, deren Werkstoffe die Eigenschaften der Fördermedien berücksichtigen und deren Förderprinzip zu den Betriebsbedingungen passt, werden kostensparend arbeiten. Die Allweiler AG unterstützt Betreiber zweifach bei der Optimierung der TCO: zum einen durch ein sehr breites Angebot unterschiedlicher Bauarten und Förderprinzipien und zum anderen durch die konsequente Ausrichtung an die TCO für jede Pumpe – von der Konstruktion über die Produktion bis hin zu Wartungs- und Servicekonzepten.
Achema: Halle 8.0, Stand R17-R19
Online-Info www.cav.de/0409465
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