Pumpensysteme: Energiekosten im Griff

Christiane Scheller

Ausschlaggebend für ein energieeffizientes System ist die Auswahl der passenden Pumpe – das Herz fast jeder Anlage. Sie pumpt das Medium zuverlässig zum Verbraucher, teilweise über größere Strecken. Auf diesem Weg können allerdings an vielen Stellen Verluste auftreten, die zu einem erhöhten Energieverbrauch führen. Ein gutes Beispiel hierfür sind ungenau dimensionierte Rohrleitungsinstallationen. „In der Praxis stoßen wir häufig auf Systeme mit zu engen Rohrleitungsquerschnitten, Querschnittssprüngen, scharf abknickende Rohrkrümmer, T-Stücke oder zu klein dimensionierten Filter“, beschreibt Thomas King, Vertriebsleiter der Pumpenfabrik Ernst Scherzinger, die Situation. „So haben wir schon Rohrleitungsinstallationen gesehen, die unnötigerweise 15 bar zusätzlichen Differenzdruck erzeugt haben, obwohl nur 5 bar notwendig gewesen wären. Dadurch wurden 200 Prozent mehr Antriebsleistung als notwendig abverlangt“, erklärt King weiter. Aufgrund dieser Tatsachen wird die Pumpe stärker belastet und die Lebensdauer sinkt.

„Gewisse Reibungsverluste müssen auch bei optimaler Auslegung trotzdem in Kauf genommen werden – denn das entspricht ganz einfach den Gesetzen der Natur“, so King. Die Höhe des Wirkungsgrades kann dennoch beeinflusst werden – und zwar durch das richtige Pumpenkonzept und die optimale Auslegung. Aufgrund von mangelnder Produkt- und Systemberatung wählen viele Anwender überdimensionierte Pumpen. Denn häufig gilt immer noch das Motto: „Sicher ist sicher“. „Diese Vorsichtsmaßnahme ist aber oftmals gar nicht notwendig“, behauptet King. „Wir bieten unseren Kunden eine intensive Produktberatung und beschäftigen uns mit ihren Systemanforderungen. Das Resultat ist eine maßgeschneiderte, energieeffiziente Zahnradpumpenlösung.“

Aber wieso können gerade Zahnradpumpen so energieeffizient sein? Zur Beantwortung dieser Frage muss das Konstruktionsprinzip genauer betrachtet werden. Die Zahnradpumpe basiert auf dem Prinzip der Flüssigkeitsverdrängung: Flüssigkeit wird proportional zum geometrischen Verdrängungsvolumen gefördert. Der volumetrische Wirkungsgrad liegt somit nahe bei 100 %. Alle möglichen Reibflächen sind im Verhältnis zum Förderstrom sehr klein. Das hat zur Konsequenz, dass Reibungsverluste stark minimiert werden. Die Zahnradpumpe eignet sich bestens für die Förderung von partikelfreien Medien – und zeigt hier bei optimaler Pumpenauslegung Gesamtwirkungsgrade von bis zu 70 %. Dagegen erreicht zum Beispiel das am häufigsten eingesetzten Pumpenprinzip – die Kreiselpumpe – maximal 30 % Gesamtwirkungsgrad. Noch nachteiliger stellt sich deren Wirkungsgrad bei Veränderungen des Arbeitspunktes dar. Meist wird hier durch einfaches Reduzieren des Ausgangsquerschnitts die Fördermenge verringert. Dabei kann der Gesamtwirkungsgrad leicht bis auf zwei Prozent sinken. Hinzu kommt die deutlich schlechtere Regelbarkeit von Kreiselpumpen im Vergleich zu Zahnradpumpen.

Ähnlich schlechte Gesamtwirkungsgrade weisen andere Pumpenkonzepte wie die Druckluftmembranpumpen auf. Bedingt durch die aufwendige Erzeugung und Verteilung von Druckluft entstehen Kosten in Höhe von rund 1 Cent/m3 Luft. Das entspricht auch der Menge an Flüssigkeit, die z. B. gegen 6 bar verdrängt werden kann. Im Vergleich dazu: Die Förderung bei gleichen hydraulischen Randbedingungen mit einer elektrisch betriebenen Zahnradpumpe liegt bei ca. 0,02 Cent. Beim Einsatz mehrerer Pumpen kommen so leicht mehrere Tausend Euro pro Jahr zusammen.

Häufig werden zur Durchflussmengenbegrenzung bei Zahnradpumpen Druckregelventile eingesetzt. Wenn eine Ventilregelung benötigt wird, sollte die übergeströmte Menge möglichst gering bleiben, sodass keine unnötige Erwärmung der Flüssigkeit – und damit schlussendlich auch kein unnötiger Energieverbrauch – entsteht. Der optimale Öffnungsdruck muss anlagenspezifisch ermittelt werden. Die optimale Einstellung der Druckbegrenzungsventile und die korrekte Auswahl des Antriebes können „bei einer Antriebsleistung von 1,1 kW eine Einsparung von bis zu 350 W Antriebsleistung pro Pumpeneinheit ermöglichen“, so King. „Durchschnittlich sind es immer noch rund 150 W. Bei einer täglichen Betriebszeit von 16 Stunden über 220 Tagen, können so jährlich pro Pumpe 528 kWh eingespart werden“, schildert King weiter. Hochgerechnet auf 5000 Pumpen – die Scherzinger in dieser Größe jährlich verbaut – entspricht dies 2,64 GWh.

Die Antriebsauslegung spielt bei der Energieeffizienz ebenfalls eine wichtige Rolle. Bei der Drehzahlregelung muss beachtet werden, dass die Pumpe im optimalen Betriebspunkt läuft – ansonsten entsteht hier weiterer unnötiger Energieverlust. Scherzinger achtet bei der Auswahl der Antriebe, die größer als 1,1 kW sind, auf die Verwendung von sehr energieeffizienten Antrieben der EFF2-Klasse. „Leider findet allzu häufig eine Überdimensionierung von Antrieben statt. Werden die Kunden richtig beraten, ist diese Vorsichtsmaßnahme überflüssig“, stellt King fest. Die Drehzahlregelung findet über Frequenzumrichter oder Verstellgetriebe statt, die es jeweils ermöglichen, Pumpe und Antrieb optimal aufeinander abzustimmen. Zusätzlich stehen auch EC-Motoren bei der Antriebsauslegung zur Wahl.

Zu Beginn wurde bereits erwähnt, dass Zahnradpumpen bedingt durch ihr Kons-truktionsprinzip sehr gute Wirkungsgrade erzielen können. Zusammen tragen sehr viele konstruktive Details zu der eigentlichen Energieeffizienz von Zahnradpumpen bei. Dies beginnt bei den namengebenden und funktionsbestimmenden Elementen: den Zahnrädern als Verdrängerkörper. Abhängig von der zu fördernden Flüssigkeit werden geradeverzahnte oder schrägverzahnte Zahnräder eingesetzt. Zusätzlich müssen die Zuführ- und Ausströmkanäle darauf abgestimmt werden – nur so können optimale Wirkungsgrade erreicht werden.

Scherzinger legt einen hohen Wert auf die optimale Auslegung der Lager- und Gleitpaarungen. Zur Vermeidung von erhöhtem Verschleiß und Reibung müssen Gleitlager im Arbeitspunkt immer im hydrodynamischen Bereich arbeiten. Gleichzeitig muss die interne Flüssigkeitszirkulation durch die Lager auf geringstem Niveau gehalten werden, um eine niedrige Verlustleistung zu erzielen. Auch niedrigviskose Medien sind kein Hindernis – hier werden Kugel- oder Rollenlager eingesetzt. Je nach Anwendung können auch Lagerwerkstoffe mit gleitoptimierten Beschichtungen eingesetzt werden. Des Weiteren werden Grafit- und PTFE-gefüllte Lagerwerkstoffe verwendet.

Die Auswahl der geeigneten Wellendichtung kann sich stark auf die Drehmomentaufnahme der Pumpe – und damit auf die Leistungsaufnahme – auswirken. Radialwellendichtringe sind mit optimaler Vorspannung auszuwählen. Bei doppelt wirkenden Gleitringdichtungen gilt es zu beachten, dass kein zu hoher Durchgangswiderstand aufgebaut wird. Zusätzlich ist speziell bei der Auslegung von Magnetkupplungen eine genaue Vorgehensweise essenziell. Die Magnete sind maximal auf das nötige Drehmoment auszulegen. Gleichfalls müssen die Magnetfelder durch konstruktive Maßnahmen gezielt geleitet werden. Auch das Material der Spalttöpfe spielt eine wichtige Rolle: Hier können nur Werkstoffe zum Einsatz kommen, die wenig bis gar nicht elektrisch leitende Eigenschaften besitzen.

Fluchtungsfehler zwischen Pumpen- und Motorenwelle sind möglichst zu verhindern. Diese lassen sich im täglichen Aufbau allerdings nicht ganz vermeiden. So ist viel Augenmerk auf die Wahl der geeigneten Kupplung zu legen. Diese sollte möglichst wenig Walkenergie aufnehmen und Fluchtungsfehler trotzdem optimal ausgleichen.

Online-Info www.cav.de/1009459