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Kavitation kann in unterschiedlichen Pumpensystemen auftreten, diese beschädigen und ihre Lebensdauer verkürzen. Auch teure Wartungsarbeiten bis hin zum kompletten Austausch von Systemkomponenten sind mögliche Folgen. Durch die ineffizienten Pumpen kann Kavitation für Wasserver- und -entsorger zu einer kostspieligen Herausforderung werden. In der Getränke- und Milchindustrie kommt ein zusätzliches Problem hinzu. Neben den mechanischen Schäden an den Pumpensystemen kann Kavitation auch die Qualität der gepumpten Flüssigkeiten beeinträchtigen, indem die Fettkügelchen von Milch zerstört oder große Chargen Bier wegen zu großer Schaumbildung verworfen werden müssen. Dies ist ein weiterer beträchtlicher Kostenfaktor.
Kavitation bei Pumpen
Dieses Problem tritt typischerweise immer dann auf, wenn eine Flüssigkeit von einem Punkt zum anderen gepumpt wird und die Kreiselpumpe einen niedrigen Ansaugdruck hat. Der Druckabfall auf der Einlassseite kann durch Leckagen, geschlossene Ventile, einen niedrigen Systemdruck, meistens aber durch einen niedrigen Füllstand in einem Tank (Behälter) verursacht werden, der die Flüssigkeit in die Pumpanlage einspeist.
Wenn sich das Laufrad einer Kreiselpumpe dreht, entsteht auf der Vorderseite der Schaufeln ein hoher Druck, während auf ihrer Rückseite ein niedriger Druck herrscht. Werden auf eine Flüssigkeit Kräfte ausgeübt, sodass es zu schnellen Druckveränderungen kommt, können sich kleine Dampfblasen bilden. Erreichen diese einen Bereich mit hohem Druck, implodieren sie mit bis zu 20 000 bar, verflüssigen sich wieder und lösen Stoßwellen aus. Diese Implosion verursacht eine Oberflächenerosion, wenn die Stoßwellen auf das Laufrad oder Gehäuse der Pumpe treffen. Die Implosionen erzeugen das charakteristische Kavitationsgeräusch. Das Geräusch ähnelt einem Knistern oder Knacken, so als ob Kies durch die Rohrleitungen geleitet würde.
Die Gesamtheit der Implosionen beeinträchtigt die Pumpenleistung. Neben dem Pumpenlaufrad und -gehäuse werden auch andere Komponenten des Pumpensystems beeinträchtigt. Verschleiß und Materialermüdung sind die Folge. Gewöhnlich halbiert sich die Lebensdauer einer Pumpe infolge von Kavitationsschäden. Es kann aber auch vorkommen, dass die Pumpe innerhalb weniger Minuten zerstört wird.
Offene Pumpensysteme
In offenen Pumpensystemen, wie sie beispielsweise in der Trinkwasserverteilung oder Abwasseraufbereitung sowie beim Transport von Flüssigkeiten wie Milch oder Getränken eingesetzt werden, tritt Kavitation dann auf, wenn der Ansaugdruck unter eine bestimmte Haltedruckhöhe (Net Positive Suction Head, NPSH) der Kreiselpumpen sinkt. Die Haltedruckhöhe gibt den Druck an, dem eine Förderflüssigkeit an der Ansaugseite einer Kreiselpumpe ausgesetzt ist. Der Ansaugdruck der Pumpe fällt mit sinkendem Füllstand des Zulaufbehälters. Sinkt der Druck unter den spezifischen NPSH-Wert der Pumpe, steigt das Kavitationsrisiko. Der NPSH-Wert hängt vom Flüssigkeitsstrom ab. Wird die Pumpendrehzahl reduziert, mindert dies den Durchfluss und die Saughöhe bzw. den von der Pumpe erzeugten Druck. Solche Druckveränderungen, die mit Kavitation einhergehen, lassen sich zum Beispiel mithilfe separater Sensoren, wie etwa Differenzdruckumformern, überwachen.
Wesentlich kostengünstiger sind moderne Frequenzumrichter, die bereits eine integrierte Funktion zur Kavitationserkennung besitzen. Die Kavitationserkennung reduziert die Pumpendrehzahl oder stoppt die Pumpe beim Auftreten von Kavitation.
Der ACQ580 von ABB etwa ist ein Frequenzumrichter speziell für die Wasser- und Abwasserwirtschaft. Die Geräte verfügen neben dem Kavitationsschutz über eine breite Palette integrierter Pumpenfunktionen, um einen sicheren Wasserfluss zu gewährleisten.
Integrierte Antikavitationssoftware
Die Kavitationsschutzfunktion des Frequenzumrichters kommt ganz ohne Sensoren im Rohrsystem aus. Sie basiert auf Messungen und Algorithmen der Software des ACQ580, die bei Aktivierung in Echtzeit laufen.
Die spezielle Antikavitationssoftware des Frequenzumrichters nutzt Algorithmen, um das Drehmoment und die Motordrehzahl der Pumpe zu messen. Sie untersucht das System auf spezielle Muster, die auf die Entstehung von Kavitation hindeuten. Die Messungen werden direkt an der Motorwelle vorgenommen. Dadurch entstehen keine Latenzzeiten und das System reagiert unmittelbar. Wird Kavitation detektiert, passt die Software des ACQ580 automatisch die Motordrehzahl an, um auf die Druckveränderung zu reagieren. Erkennt sie während des Pumpvorgangs keine Kavitation mehr, geht die Pumpe wieder in den Normalbetrieb.
Der Algorithmus der Software erkennt Kavitation, indem der Frequenzumrichter das tatsächliche Drehmoment der Motorwelle mit dem nominalen Drehmoment vergleicht. Tritt Kavitation auf, beginnt die Drehmomentkurve zu steigen. Die Software reagiert darauf, indem sie den Drehzahlsollwert senkt. Anschließend wird die Drehgeschwindigkeit des Motors gedrosselt.
Der Algorithmus kann an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden. Häufig ist der Frequenzumrichter so konfiguriert, dass er die Drehgeschwindigkeit des Pumpenmotors drosselt, sobald Kavitation auftritt, den Motor jedoch abschaltet, wenn die Kavitation länger als eine festgelegte Zeit andauert. Es gibt aber auch Anwendungen, bei denen gewünscht ist, dass der Motor unmittelbar nach Erkennen der Kavitation abgeschaltet wird.
Mit dem Frequenzumrichter ACQ580 von ABB kann folglich die Kavitation in Echtzeit dort unterbunden werden, wo sie auftritt. Durch die Integration der Antikavitationssoftware in den Frequenzumrichter sind keine zusätzlichen Bauteile wie Sensoren oder SPSen erforderlich. Die Anwender müssen lediglich die Betriebsparameter der Software ihren Bedürfnissen entsprechend konfigurieren.
ABB AG, Ladenburg
Autor: Boris Vaihinger
Branchenmanager Wasser und Abwasser, Business
Development,
ABB Motion Deutschland
