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Pumpen

01. Was sind Pumpen und welche Arbeitsprinzipien sowie Bauarten werden unterschieden?

Pumpen sind Arbeitsmaschinen, bei denen die Energie des Fluids durch Aufbringen mechanischer Arbeit erhöht wird. (Fluidenergiemaschinen)

Arbeitsprinzipien von Flüssigkeitspumpen (ausgewählte Beispiele)
ArbeitsprinzipBauarten/BeispieleFörderungEinsatzbereich, Wirkungsgrad
1VerdrängerprinzipKolbenpumpen
  • einfach-wirkend
  • doppelt-wirkend
pulsierend bis schwach pulsierendFörderstrom von der Förderhöhe unabhängig.Förderstrom: klein bis mittel Drücke: klein bis sehr hoch
→ ca. 95 %
Zahnradpumpen→ ca. 92 %
Schraubenspindelpumpen
Kreiskolbenpumpen
2StrömungsprinzipKreiselpmpen
  • radiale
  • axiale
gleichförmig bis nahezu gleichförmigFörderstrom von der Förderhöhe abhängig.Universalpumpe bei dünnflüssigen Medien
→ ca. 70 – 90 %
Seitenkanalpumpenkleine Förderströme, große Förderhöhen
→ ca. 50 %
3AuftriebsprinzipMammutpumpenFörderung ist schonend
→ ca. 46 %
4ReibungsprinzipSchneckenpumpenbei zähen oder verschmutzten Medien
→ ca. 70 %
5StrahlprinzipStrahlpumpenzum Absaugen, Heben und Mischen
→ ca. 30 %

Hinweis

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Entsprechend dem Rahmenplan werden nur die gekennzeichneten Pumpen-Bauarten behandelt.

02. Was sind Kolbenpumpen?

Kolbenpumpen können entsprechend dem Verdrängungsprinzip für alle vorkommenden Drücke gebaut werden. Da mit dem Kolbenhub nur der Zylinderinhalt verdrängt werden kann, sind die erreichbaren Förderströme im Vergleich zu den Kreiselpumpen gering.

In der Industrie werden Kolbenpumpen daher in erster Linie als Einspritzpumpen für Kühlwasser, als Anhebepumpen oder als Dosierpumpen verwendet. Sie sind außerdem als Dickstoffpumpen zur Abwasser- und Schmutzwasserförderung geeignet.

03. Wie unterscheiden sich einfach- und doppelt-wirkende Kolbenpumpen?

Je nachdem, ob nur eine Kolbenseite abwechselnd saugt und drückt oder ob beide Kolbenseiten abwechselnd saugen und drücken, werden die Pumpen als einfach-wirkende oder als doppelt-wirkende Kolbenpumpen bezeichnet.

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04. Wie ist der Aufbau und die Wirkungsweise von einfach-wirkenden Kolbenpumpen?

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Beim Antrieb der Kolbenpumpe macht der Kolben eine hin- und hergehende Bewegung. Bewegt er sich nach rechts (Saughub), dann erzeugt er im Pumpenraum ein Vakuum. Durch dieses Vakuum wird das Saugventil geöffnet, und die Flüssigkeit strömt infolge des äußeren, atmosphärischen Luftdrucks durch die Saugleitung in den Pumpenraum ein. Während dieses Saughubes bleibt das Druckventil durch den in der Druckleitung herrschenden Überdruck geschlossen. Bewegt sich der Kolben nach links (Druckhub), übt er auf die Flüssigkeit einen Druck aus, das Saugventil schließt, und der Kolben verdrängt die Flüssigkeit über das sich öffnende Druckventil in der Druckleitung.

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Die Kolbenpumpe muss vor ihrer Inbetriebnahme mit Flüssigkeit gefüllt sein.

Sowohl das Ansaugen als auch das Fördern der Flüssigkeit erfolgt bei einer Kolbenpumpe nicht gleichmäßig. Erstens wird nur beim Saughub angesaugt bzw. beim Druckhub gefördert, und zweitens ist auch während dieser Hübe der Flüssigkeitsstrom nicht konstant, weil die Kolbengeschwindigkeit ungleichmäßig ist.

Deshalb wird sowohl ein Saug- als auch ein Druckwindkessel angeordnet, dessen Luftpolster diese Schwankungen möglichst ausgleichen.

Hinweis

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  • Zur Vermeidung von Schäden muss jede Kolbenpumpe wegen des Verdrängungsprinzips druckseitig mit einem Sicherheitsventil versehen sein.

  • Der Platzbedarf einer Kolbenpumpe ist im Allgemeinen größer als der einer Kreiselpumpe gleicher Leistung. Das gilt i. d. R. auch für den Anschaffungspreis und den Wartungsaufwand.

05. Wie ist der Aufbau und die Wirkungsweise von doppelt-wirkenden Kolbenpumpen?

Die Abbildung zeigt den Aufbau einer doppelt-wirkenden Kolbenpumpe mit Tauchkolben:

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Bewegt sich der Kolben nach rechts, dann wird im linken Pumpenteil angesaugt, im rechten dagegen gefördert. Geht der Kolben nach links, dann wird im rechten Pumpenteil angesaugt und im linken gefördert. Es wird also je Hub sowohl angesaugt als auch gefördert; die Pumpe ist demnach doppelt wirkend.

Die doppelt-wirkende Ausführung hat den Vorteil einer relativ gleichmäßigen Antriebsarbeit und Fördermenge beim Hin- und Rückgang des Kolbens sowie eines relativ gleichmäßigen Förderstroms durch die beiden Windkessel. Beide Pumpenseiten haben meist einen gemeinsamen Saugwindkessel. Die Druckwindkessel sind durch eine Leitung miteinander verbunden.

06. Welche Funktion hat die Doppelstopfbuchse?

Die Abdichtung des Kolbens erfolgt durch zwei Stopfbuchsen, die bei dieser Ausführung von außen gut zu überwachen bzw. nachzustellen sind. Nachteilig ist jedoch, dass das Kolbenstück zwischen den beiden Stopfbuchsen mit der Außenluft in Berührung kommt. Um bei längerem Stillstand Korrosion zu vermeiden, baut man oft um das außenliegende Kolbenstück ein offenes Wasserbad. Dieser Nachteil fällt bei der Doppelstopfbuchse weg (vgl. Abb. unten). Außerdem presst bei dieser Konstruktion nur eine Packung direkt am Kolben.

Abbildung einer Doppelstopfbuchse

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07. Wie ist der Aufbau und die Wirkungsweise von einfach-wirkenden Kolbenpumpen mit Windkesseln?

Das Fördermittel wird durch einen hin- und hergehenden Kolben vom Durchmesser D aus dem Zylinder verdrängt. Der Antrieb des Kolbens erfolgt mit einem Kurbeltriebwerk. Der Zylinder ist durch Saug- und Druckventile abgeschlossen. Durch den Flüssigkeitsstrom werden die Ventile selbstständig bewegt.

Während des Saughubs (Kolben bewegt sich von links nach rechts) bleibt das Druckventil durch den in der Druckleitung vorhandenen Überdruck geschlossen. Das Saugventil ist durch das beim Saughub im Zylinder entstehende Vakuum geöffnet. Die Flüssigkeit wird angesaugt und füllt den Zylinder.

Beim Druckhub (Kolben bewegt sich von rechts nach links) schließt das Saugventil durch den jetzt im Zylinder herrschenden Überdruck. Der Kolben verdrängt die Flüssigkeit über das sich öffnende Druckventil in den Druckwindkessel und in die Druckleitung.

Der Druckwindkessel hat die Aufgabe, die Flüssigkeitsbewegung auf der Druckseite weitgehend von der ungleichförmigen Kolbenbewegung unabhängig zu machen. Als Federungselement dient das im Windkessel gespeicherte Luftpolster. Je größer der Luftinhalt der Windkessel ist, umso gleichmäßiger ist der Förderstrom in der Saug- und Druckleitung und umso ruhiger ist der Gang der Pumpe.

Aufbau einer einfach-wirkenden Kolbenpunpe mit Windkesseln:

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08. Aus welchen Hauptbauteilen bestehen Kolbenpumpen?

  1. Der Saugteil besteht aus dem Saugkorb mit eingebautem Fußventil, der Saugleitung, dem Saugwindkessel und dem Saugventil.

  2. Der Pumpenteil setzt sich aus dem Pumpenarbeitsraum mit dem Kolben, der Kolbenstange und den Stopfbuchsen zusammen.

  3. Zum Förderteil gehören das Druckventil, der Druckwindkessel und die Druckleitung.

  4. Das Gestell besteht aus dem Rahmen mit der Kreuzkopföffnung, dem Antrieb und den Armaturen (Schmierung, Leckleitungen usw.).

09. In welche Bauarten lassen sich Kolbenpumpen einteilen?

Kolbenpumpen lassen sich nach folgenden Merkmalen einteilen:

Einteilung der Kolbenpumpen nach der …
WirkungsweiseArt des KolbensLage der KolbenachseAnzahl der KolbenArt des Antriebs
Saug- und Hubpumpen:
nur bei Kolbenaufwärtsbewegung saugend und drückend
Scheibenkolbenliegende Pumpen (horizontale –)EinkolbenpumpenHandpumpen
Einfach-wirkende Kolbenpumpen:
je Hub nur saugend oder drückend
Tauch- und Plungerkolbenstehende Pumpen (vertikale –)Zweikolbenpumpen (Zwillings-)Transmissionspumpen
Doppelt-wirkende Kolbenpumpen:
je Hub saugend und drückend
Stufenkolben Dreikolbenpumpen (Drillings-)Motorpumpen
Stufenkolbenpumpen:
saugseitig wie eine einfach-wirkende, druckseitig wie eine doppeltwirkende Pumpe
Ventilkolben Dampfpumpen

10. Wie wird die Leistung von Kolbenpumpen geregelt?

Die Förderstromregelung bei Kolbenpumpen erfolgt durch Veränderung der Antriebsdrehzahl und somit der Hubzahl bzw. durch Veränderung der Hublänge mittels Sonderkonstruktion. Eine vergleichbare Abhängigkeit der Förderhöhe vom Förderstrom (Q-H-Kennlinie) – wie bei der Kreiselpumpe – gibt es bei Kolbenpumpen nicht.

Die Kolbenpumpe liefert bei gleicher Drehzahl bei nicht kompressiblen Medien (z. B. Wasser) einen konstanten Förderstrom. Dabei passt sich die Förderhöhe dem Gegendruck der Anlage an.

11. Welche Pumpen gehören zu den rotierenden Verdrängerpumpen?

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12. Wie ist der Aufbau und die Wirkungsweise von Zahnradpumpen?

Bei Zahnradpumpen bilden ineinander greifende Zähne eines Zahnradpaares das Verdrängungselement und zugleich auch das Trennelement. Sie liefern einen gleichmäßigen Förderstrom.

Zahnradpumpen benötigen weder Ventile noch besondere Maßnahmen für einen Massenausgleich und arbeiten mit einem Minimum an Wartung betriebssicher und wirtschaftlich. Ihr Einsatz ist vielfältig, z. B. in Kraftwerken: Sie finden dort Anwendung als Schmieröl-, Heizöl-, Zündöl- und Hydraulikpumpen.

Von Zahnradpumpen werden im Allgemeinen Förderströme bis zu etwa 30 m3/h bei Förderdrücken von 1 bis 20 bar gefordert. Sonderausführungen lassen sich für Förderdrücke über 100 bar bei einem Förderstrom von etwa 2 m3/h mit einer Stufe bauen. Für diesen Bedarfsfall werden jedoch meist Schraubenspindelpumpen (vgl. S. 73) verwendet. In einem Gehäuse wird ein Zahnrad von außen angetrieben und greift durch Abwälzen gleichzeitig in ein zweites Zahnrad. Der Zufluss vom Saug- zum Druckraum erfolgt am äußeren Umfang über die aus Zahnlücken und zylindrischen Gehäuseteilen gebildeten Räume. Damit die Spaltverluste zwischen Druck- und Saugraum gering bleiben, sind möglichst enge Spalten zwischen Zahnspitzen bzw. Zahnradstirnseiten und Gehäuse anzustreben. Der Förderstrom nimmt bei ansteigendem Gegendruck durch Spaltverluste ab, je nach den Eigenschaften des Fördermediums.

Damit bei Störungen in der zu betreibenden Anlage keine Überlastung des Pumpenaggregates oder der anschließenden Rohrleitungen eintritt, vielfach aber auch zur Mengenregulierung, wird auf der Druckseite ein Überströmventil installiert. Die Wellenlagerungen werden mit Gleit- oder Wälzlager (meist Nadellager) ausgerüstet.

Das Förderprinzip der Zahnradpumpe ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt:

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Ist die Förderflüssigkeit zum Schmieren der Lager nicht geeignet, muss eine Pumpe mit Außenlagerung und Stopfbuchsen gewählt werden.

13. Wie ist der Aufbau und die Wirkungsweise von Schraubenspindelpumpen?

Ihre Anwendung findet diese Pumpenart z. B. zur Förderung von leichten und schweren Heizölen bei ölgefeuerten Kesselanlagen sowie für Hydraulikanlagen mit größeren Mengen und höheren Drücken. Zur Erreichung von hohen Drücken (bis 100 bar) werden zwei Pumpen hintereinander geschaltet, da für eine einzelne Pumpe die Radiallagerbelastung zu groß werden könnte.

Darstellung einer Schraubenspindelpumpe

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Die Schraubenspindelpumpe gehört zur Bauart der Verdrängerpumpen. Es werden Spindeln verwendet, die ein Gewinde tragen: Es müssen mindestens zwei Spindeln miteinander in Eingriff stehen, damit Saug- und Verdrängungswirkung möglich werden und die Förderflüssigkeit nicht in den Gewindegängen von der Druckseite zur Saugseite zurückströmen kann.

Die Hauptspindel wird angetrieben, die Nebenspindel wird bei Förderdrücken bis etwa 35 bar von der Hauptspindel mitgenommen, bei höheren Drücken durch ein Stirnradpaar angetrieben. Bei Drücken bis etwa 10 bar wird die Hauptspindel zweigängig, die Nebenspindel dreigängig ausgeführt, bei höheren Drücken sind beide Spindeln eingängig. Für größere Förderströme wird die Pumpe auch mit mehreren Spindeln gebaut, wobei die Nebenspindeln konzentrisch um die Hauptspindeln angeordnet sind.

Schraubenspindelpumpen arbeiten praktisch wartungsfrei. Das hydraulische Verhalten ist dem der Zahnradpumpe sehr ähnlich (vgl. Kennlinienverhalten).

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Schraubenspindelpumpen haben keine Ventile. Der Förderstrom ist gleichmäßig.

Die Spindeln laufen mit relativ hohe Drehzahlen (bis 2.950 U/min). Die Hauptspindel wird in der Regel direkt mit der Arbeitsmaschine gekuppelt. Bei der Förderung in einflutiger Richtung ist der gesamte Druckunterschied zwischen Druck- und Saugseite anzugleichen. Die Spindelstirnflächen auf der Saugseite können mit dem Pumpendruck beaufschlagt werden, damit eine dem Axialschub entgegen gesetzte Kraft entsteht. Ein automatischer Schubabgleich ist durch gegenflutig angeordnete Spindeln möglich. Die Wellenabdichtung erfolgt mit Stopfbuchsen oder einfach wirkenden Gleitringdichtungen.

Querschnitt durch eine Schraubenspindelpumpe in Dreispindelausführung

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14. Was sind Kreiselpumpen?

Kreiselpumpen sind Strömungsmaschinen zur Energieerhöhung mittels eines rotierenden Laufrades. Sie dienen der Förderung von Flüssigkeiten (z. B. Wasser), die durch Rohrleitungen fließen. Die Flüssigkeit, die in die Pumpe gelangt, wird vom rotierenden Pumpenrad mitgerissen und zunächst auf eine Kreisbahn gezwungen. Auf dieser Bahn treibt der durch Fliehkraft aufgebaute Druck die Flüssigkeit radial nach außen, wo sie durch den Ablauf abfließt.

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Die Arbeitsweise der Kreiselpumpe bezeichnet man als hydrodynamisches Förderprinzip.

Prinzipskizze einer Kreiselpumpe

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15. Was versteht man unter axialen bzw. radialen Kreiselpumpen?

Die zu fördernde Flüssigkeit kann bei Kreiselpumpen entweder hauptsächlich quer zur Achse des Antriebes bewegt werden (→ radiale Strömung) oder in Richtung der Achse (→ axiale Strömung; z. B. Propellerpumpen).

Bei entsprechender Gestaltung von Laufrad und Gehäuse können auch Flüssigkeiten mit Feststoffen gefördert werden (→ Abwasser). Eine Maßzahl der zulässigen Feststoffgröße ist der so genannte Kugeldurchgang, angegeben als Durchmesser einer zu fördernden Kugel.

16. Was versteht man unter der Kennlinie einer Kreiselpumpe?

Die Kennlinie einer Kreiselpumpe beschreibt den Zusammenhang zwischen Förderhöhe (Druck) und Fördermenge. Der größte Druck wird normalerweise bei Null erzeugt. Praktisch bedeutet das einen verschlossenen Ablauf. Zusammen mit der Kennlinie des angeschlossenen Rohres ergibt sich der Arbeitspunkt aus der Kombination von Pumpe und Rohr. Durch Hintereinanderschalten mehrerer Kreiselpumpen erhöht sich der Druck, durch Parallelschalten die Fördermenge.

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Ändert man die Drehzahl der Pumpen, verändert sich auch die Fördermenge sowie der Druck.

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Übliche Kreiselpumpen sind nicht selbstansaugend, dass heißt, sie müssen stets mit Medium gefüllt sein oder mittels einer zusätzlichen Pumpe entlüftet werden, bevor sie fördern können.

17. Was ist hinsichtlich der Wartung, Revision und Überholung von Kreiselpumpen zu beachten?

  • Einer regelmäßigen Wartung bedürfen hauptsächlich bei der Wellenabdichtung die Stopfbuchsen. Sie müssen so nachgezogen werden, dass im Betrieb etwas Leckwasser durchtreten kann. Bei Stopfbuchsbrillenkühlung ist die Kühlung zeitweilig abzustellen, um das Leckwasser der Stopfbuchse kontrollieren zu können. Lässt sich die Stopfbuchse nicht mehr nachziehen, ist ein weiterer Packungsring einzulegen bzw. neu zu verpacken. Rauchentwicklung bei frisch verpackten Stopfbuchsen ist auf zu strammes Anziehen der Stopfbuchsenbrille zurückzuführen.

  • Die Wartung der Lager umfasst im Wesentlichen die Kontrolle einwandfreier Schmierung und Kühlung: Es ist auf ausreichende Schmierung zu achten und je nach Lagerkonstruktion Fett oder Öl regelmäßig zu ergänzen. Etwa jährlich bei durchlaufendem Betrieb sind die Lager vom Schmiermittel vollkommen zu säubern, auszuwaschen und mit neuem Schmiermittel zu versehen. Bei wassergekühlten Ringschmierlagern sind die Wasserkanäle zu reinigen.

  • Kreiselpumpen sollen in Abständen von 10.000 bis 20.000 Betriebsstunden einer Revision unterzogen werden. Hierzu ist die Pumpe zu öffnen, zu säubern und gründlich zu untersuchen. Insbesondere sind der Verschleiß und das Spiel zwischen feststehenden und beweglichen Teilen zu kontrollieren und der feste Sitz der Laufräder auf der Welle zu überprüfen. Die im Bereich der Stopfbuchse vorhandenen Wellenschutzhülsen sind zu erneuern, falls sie eingelaufen sind.

  • Im Interesse der Betriebssicherheit empfiehlt es sich, bei Kreiselpumpen etwa folgende Ersatzteile auf Lager zu haben: Läufer, Leiträder, Wellenschutzhülsen, Kugellager bzw. Lagerbuchsen.

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Die Lagertemperatur bei Kreiselpumpen sollte maximal 70 °C nicht überschreiten.

18. Für welche Zwecke werden Kreiselpumpen eingesetzt?

  • Pumpen zur Wasser- und Abwasserförderung

  • Kondensatpumpen

  • Kühlwasserpumpen

  • Kesselspeisewasserpumpen in der Wärmeerzeugung

  • Umwälzpumpen für flüssige Medien

  • Säure- und Laugenpumpen.

19. Wie wird die Leistung von Kolbenpumpen berechnet?

Es gilt:

Druck:

$$p = \frac{F}{A}$$

Hubraum:

$$V = A * s$$

Fläche:

$$A = \frac{π}{4} * d^{2}$$

Volumenstrom:

$$V′ = V * n$$

Dabei ist:

AFläche [dm2]
sWeg [dm]
VVolumen [dm3]
nHubzahl [1: min]

Beispiel

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Beispiel 1:

Eine Pumpenanlage fördert in einer Stunde 10,8 m3 Wasser 40 m hoch.

  1. Wie groß ist die Hubleistung in kW?

  2. Wie groß muss die der Pumpenanlage zugeführte elektrische Leistung sein, wenn der Wirkungsgrad 70 % beträgt?

Gegeben:

t= 1 h = 3.600 s
h= 40 m
m= 10,8 m3 = 10.800 dm3
g= 9,81 N/kg

Gesucht:

Pab [in kW]

Pzu [in kW]

  1. $$P_{ab} = \frac{W}{t}$$

    $$W = F_{G} * h$$

    $$= m * g * h$$

    $$= 10.800 kg * 9,81 N/kg * 40 m = 4.\; 237.920 Nm$$

    $$⇒ P_{ab} = \frac{4.237.920 Nm}{3.600 s} = 1,2 kW$$

  2.  Pab = 1,2 kW70 %
    Pab = 1,71 kW100 %

Beispiel 2:

Wie groß muss die einer Pumpenanlage zugeführte elektrische Leistung sein, die in 10 Minuten 2,5 m3 Heizöl um 3,5 m anheben soll, wenn ihr Wirkungsgrad 50 % beträgt?

Gegeben:

T= 10 min = 600 s
v= 2,5 m3 = 2.500 dm3
h= 3,5 m
η= 50 %

Dichte von Heizöl = 0,83 kgdm3 (vgl. Tabellenbuch)

Gesucht:

Pzu [in kW]

$$P_{ab} = \frac{W}{t}$$

$$W = m * g * h$$

$$= 2.500 l * 0,83 * 9,81\; N/kg * 3,5 m = 71.245,125\; Nm$$

$$⇒ P_{ab} = \frac{71.245,125\; Nm}{600 s} = 118,74\; Nm/s$$

$$η = \frac{P_{ab}}{P_{zu}} = 50 \%$$

$$⇒ P_{zu} = P_{ab} * 2 = 118,74\; Nm/s * 2 = 237,48\; W = 0,24 kW$$