Sparpotenziale schon bei der Planung erkennen

Jens-Uwe Vogel

Stetig steigende Energiekosten erhöhen die Anforderungen an Pumpenhersteller, energieoptimierte Lösungen für den Fluidtransport bereitzustellen. Neben der hydraulischen Optimierung der Aggregate wurden in den letzten Jahren vor allem Neuentwicklungen im Bereich von hocheffizienten elektrischen Antrieben und leistungsfähigen Regelsystemen auf den Markt gebracht, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Oft unterschätzt wird dabei das Einsparpotenzial, das bereits in der Planungsphase in der Dimensionierung der Rohrleitung und der richtigen Bestimmung der Betriebspunktvorgabe für die Pumpe liegt.

Ein einfaches Rechenbeispiel soll helfen, das Einsparpotenzial zu verdeutlichen. Der Betriebspunkt einer Pumpe wird üblicherweise durch die erforderliche Fördermenge und den zugehörigen Druck, der in der Pumpenwelt meist als Förderhöhe angegeben wird, definiert. Für turbulente Strömungen Newtonscher Flüssigkeiten folgt der Zusammenhang zwischen Druckverlust und Fördermenge einer quadratischen Parabel. Unterstellt man ein geschlossenes Rohrleitungssystem, bei dem sich der statische Druck zu Null ergibt, gilt:

H ~ Q2

mit H = Förderhöhe und Q = Fördermenge. Der Leistungsbedarf einer Kreiselpumpe ist definiert als:

P1 = Q x H x r x g

hges

Dabei ist P1 die Leistungsaufnahme, r die Dichte des Fördermediums, g die Fallbeschleunigung und hges der Gesamtwirkungsgrad des Aggregats. Daraus ergibt sich nunmehr, dass eine Erhöhung des Volumenstroms sich mit der dritten Potenz auf die Erhöhung des Leistungsbedarfs auswirkt. Das heißt, wenn die Fördermenge mit 5 % überdimensioniert wurde, führt das bereits zu einer Steigung des Energiebedarfs um mehr als 15 % bei konstantem Wirkungsgrad. Bei einem um 10 % erhöhten Volumenstrom steigt der Energieverbrauch sogar um ein Drittel.

Umgekehrt ist der Einfluss des Volumenstromes auf die Erfüllung der Förderaufgabe sehr stark abhängig von der Anwendung. Bei einem Heizungssystem wird zum Beispiel selbst bei halbem Volumenstrom immer noch mehr als 80 % der Wärmeleistung erreicht. Demgegenüber kann eine zu klein dimensionierte Pumpe in der Abwasser- oder Prozesstechnik fatale Folgen haben.

Aus dieser Betrachtung ergibt sich für den Pumpenhersteller die Notwendigkeit, die Kunden bereits in der Planungsphase zu unterstützen,“um einen effektiven Einsatz der Aggregate zu gewährleisten. Die Unterstützung kann durch Wissenstransfer oder aktive Hilfe im Auslegungsprozess erfolgen. Darüber hinaus bieten viele Pumpenhersteller ihren Kunden auch Planungshilfen in Form von Softwareanwendungen an. Mit der flächendeckenden Bereitstellung von schnellen Internetzugängen geht die Tendenz in den letzten Jahren hier klar zu webbasierten Anwendungen. Die zentrale Aktualisierung auf dem Server und die Vermeidung von Installationen auf den lokalen Computern sind für Hersteller und Kunde gleichermaßen von Vorteil.

Während komplexe Rohrnetze eine aufwendige Berechnung erfordern, gibt es auch einige Anwendungsfälle in denen unverzweigte Rohrleitungen vorliegen. Speziell für die Auslegung dieser Systeme bieten viele Pumpenhersteller ihren Kunden im Zusammenhang mit ihrem Pumpenauswahlsystem einen kostenlosen Zugriff auf eine Berechnungssoftware.

Seit Mitte des Jahres bietet VSX – Vogel Software, ein Anbieter von Software- und Internetlösungen für die Pumpenindustrie, passend zur webbasierten Pumpenauswahl- und Vertriebssoftware Spaix V3 das webbasierte Rohrleitungsberechnungsprogramm Spaix PipeCalc als Standardsoftware für eben diese Zielgruppe. Neben dem Einsatz mit der hauseigenen Pumpenauswahlsoftware kann das Modul aber auch mit Programmen anderer Hersteller zum Einsatz kommen. Die Kalkulation erfolgt dabei in zwei Schritten: Zunächst muss die erforderliche Fördermenge bestimmt werden, um dann anschließend die Rohrleitung dimensionieren und den Druckverlust berechnen zu können.

Genauso vielfältig wie der Einsatz von Kreiselpumpen ist, sind auch die Regeln, nach denen die erforderliche Fördermenge berechnet wird. Für Heizungspumpen folgt der erforderliche Volumenstrom aus der Wärmebedarfsrechnung, während bei industriellen Anwendungen die Fördermenge von der jeweiligen Transportaufgabe und den Prozessparametern abhängt. In vielen Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel für die Trinkwasserbereitstellung oder die Abwasserentsorgung, stehen nationale oder internationale Normen für die Auslegung bereit. Letztere wurden auch in Spaix PipeCalc integriert.

Wenn der erforderliche Volumenstrom bekannt ist, kann die Rohrleitung dimensioniert und der Druckverlust berechnet werden. In Spaix PipeCalc kann das System dazu in mehrere Abschnitte aufgeteilt werden. Dabei wird auch die Parallelschaltung von mehreren Pumpen berücksichtigt.

Der Rohrleitungsverlust in geraden Rohren hängt von dem Rohrreibungsbeiwert, dem Querschnitt, der Rohrlänge sowie der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ab. In Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl folgt der Rohrreibungsbeiwert unterschiedlichen Gesetzmäßigkeiten, je nachdem ob es sich um eine laminare oder turbulente Strömung handelt. Der Druckverlust von Armaturen und Formstücken wird über den Verlustbeiwert ermittelt.

Die Bernoulli-Gleichung beschreibt die Gleichwertigkeit von geodätischer, statischer und dynamischer Energie. Demnach setzt sich die Gesamtförderhöhe neben den Druckverlusten noch aus der statischen Förderhöhe zusammen. Diese ergibt sich aus der geodätischen Höhendifferenz zwischen saug- und druckseitigem Flüssigkeitsniveau sowie der statischen Druckdifferenz. In geschlossenen Kreisläufen ist der statische Anteil Null. Die Gleichung lautet damit:

Dabei ist pa – pe die Druckdifferenz zwischen druck- und saugseitigem Behälter, za – ze die geodätische Höhe Hgeo, Hv(Q) der Druckverlust in Abhängigkeit von der Fördermenge und va und ve die Strömungsgeschwindigkeiten in saug- und druckseitigem Bezugsniveau.

Der Term va2-ve2/2g kann vernachlässigt werden, wenn die Bezugsquerschnitte auf Saug- und Druckseite hinreichend groß und somit die Strömungsgeschwindigkeiten sehr klein sind. In offenen Behältern entfällt zudem die Druckdifferenz, sodass sich die Gleichung hier vereinfacht zu:

Hges = Hgeo + Hv(Q)

Die Berechnungsergebnisse aus der Betriebspunktberechnung können direkt in die Pumpenauswahl übernommen werden. Dies ist besonders interessant bei einer Parallelschaltung von Pumpen, bei der verschiedene Betriebsmodi analysiert werden müssen.

Online-Info www.cav.de/0210401