Pumpe

Dieser Artikel behandelt die Maschine Pumpe; andere Bedeutungen unter Pumpe (Begriffsklärung).

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Ehemalige Kolbenpumpe eines Wasserwerkes

Ehemalige Pumpe einer Wasserstation

Schaltsymbol einer Pumpe

Schematische Darstellung eines Schöpfwerks und einer Kolbenpumpe

Eine handbetriebene Kolbenpumpe zum Fördern von Grundwasser

Dosierpumpe für Kraftstoffdosierung

Historische Wasserpumpe in Kaster

Erdölpipeline-Pumpe, eine von vier Druckpumpen in einer Pumpstation einer 390 km langen Pipeline

Pumpen sind Arbeitsmaschinen, mit denen Flüssigkeiten (inkompressible Fluide) gefördert werden. Dazu zählen auch Flüssigkeits-Feststoff-Gemische, Pasten und Flüssigkeiten mit geringem Gasanteil. Dafür wird die Antriebsarbeit in die Bewegungsenergie des Mediums umgewandelt. Pumpen gehören demnach zu den Fluidenergiemaschinen.

Abgrenzung

Als Pumpen werden ausschließlich Geräte zum Transport inkompressibler Fluide bezeichnet. Strömungsmaschinen für kompressible Medien wie Gase oder Dämpfe sind Verdichter oder Gebläse.

Wenn Gase und Dämpfe sowie Gas-Flüssigkeits-Gemische gefördert werden und wenn deren Druckerhöhung durch Kompression wesentliches Ziel ist, so bezeichnet man die Einrichtung als Verdichter. Fahrradluftpumpen sind in diesem Sinne keine Pumpen, sondern Kolbenverdichter.

Wenn kompressible Medien gefördert werden, ohne dass es zu einer nennenswerten Drucksteigerung kommt, und das Hauptziel eine Erhöhung der dynamischen Energie ist, so ist die korrekte Bezeichnung Gebläse.

Einrichtungen, die einem Fluid eine Energieerhöhung durch Aufwendung mechanischer Arbeit verleihen, bei denen das Medium jedoch ohne zusätzliche Führung zu- und abströmen kann, sind in diesem Sinne keine Pumpen. Hierzu zählen:

• Propeller (Flugzeug und Schiff)
• Rührwerke
• Stand- und Deckenventilatoren

Maschinen, die dazu dienen, in einem Behälter ein Vakuum zu erzeugen, nennt man zwar Vakuumpumpen, von ihrer Funktion her sind es aber auch Verdichter.

Einteilung der Pumpen

Pumpen werden nach ihrem Funktionsprinzip in zwei wesentliche Hauptgruppen unterteilt: Bei beiden Gruppen wird im Folgenden der Einfachheit halber von Pumpen gesprochen.

Verdrängerpumpen

Bei Verdrängerpumpen wird das Medium durch in sich geschlossene Volumina gefördert, eine Verhinderung des Zurückströmens wird durch Ventile oder Klappen, andere Medien oder ihre Gestalt durch Schwerkraft erreicht. Außer durch konstruktionsbedingte Undichtigkeiten kann das Medium auch im Stillstand die Pumpe nicht in umgekehrter Richtung durchströmen. Verdrängerpumpen sind in der Regel selbstansaugend, das bedeutet, dass auch für Flüssigkeiten konstruierte Pumpen für einen zumeist begrenzten Zeitraum Gase fördern können und so einen zum Ansaugen hinreichenden Unterdruck aufbauen können.

Die maximale Ansaughöhe (geodätische Saughöhe) ist begrenzt durch das erreichbare Vakuum, den örtlichen Luftdruck, die Dichte des Mediums und die zu überwindenden Strömungswiderstände. Verdrängermaschinen sollten auf der Druckseite nicht abgesperrt werden, sofern nicht geeignete Maßnahmen durch Rutschkupplungen, Überdruck- und Bypassventile und ähnlichem getroffen wurden, um eine Beschädigung der Pumpe, des Antriebs oder der Leitungen bis zur Absperrstelle zu verhindern.

Man unterscheidet zusätzlich noch zwischen Konstantpumpen und Verstellpumpen. Konstantpumpen verdrängen bei jeder Umdrehung immer das gleiche Volumen. Bei Verstellpumpen hingegen kann das Verdrängungsvolumen eingestellt werden.

Zu diesen gehören:

• Blasebalg (Balgpumpen oder Balgenpumpen)
• Membranpumpen
• Rotationskolbenpumpen
  • Drehkolbenpumpen
  • Drehschieberpumpen
  • Kreiskolbenpumpen
  • Zahnradpumpen
• Exzenterschneckenpumpen
• Förderschnecken (Archimedische Schraube)
• Hydraulischer Widder
• Impellerpumpe
• Kettenpumpen
• Kolbenpumpen
  • Axialkolbenpumpen (z. B. Ausführung „Schrägscheibe“ oder „Schrägachse“)
  • Hubkolbenpumpen (z. B. Dickstoffpumpen, Kraftstoff-Dosierpumpen, Einspritzpumpe)
  • pneumohydraulischer Druckübersetzer (auch Druckmultiplikator genannt)
  • Radialkolbenpumpen
• Ringkolbenpumpen
• Schlauchpumpen (auch Peristaltikpumpen genannt)
• Schöpfwerke, im einfachsten Fall ein Eimer im Brunnen.
• Schraubenspindelpumpen (auch Schraubenpumpen, Wendelkolbenpumpe oder Schraubenverdichter genannt)
• Sinuspumpen
• Zahnriemenpumpen

und viele Sonderkonstruktionen, sowie in Tieren und im Menschen das Herz.

Strömungspumpen

Bei Strömungsmaschinen wird die Energieübertragung ausschließlich durch strömungsmechanische Vorgänge bewirkt. Das Medium durchströmt die Maschine frei ohne Klappen und Ventile. Im Stillstand könnte das Medium die Pumpe rückwärts durchströmen. Daher müssen je nach Anwendung Schieber, Ventile oder Rückschlagklappen eingesetzt werden. Strömungspumpen sind nicht selbst-ansaugend, daher müssen die Saugleitungen stets mit Flüssigkeit gefüllt sein, bzw. ein hinreichend großes Flüssigkeitsvolumen vor dem eigentlichen Laufrad-Einlass vorhanden sein. Die maximale Saughöhe wird auch hier durch den örtlichen Luftdruck und auftretende Strömungswiderstände begrenzt. Strömungspumpen sollten im Betrieb auf der Saugseite nicht gedrosselt werden, da hier die Gefahr einer Zerstörung der Schaufeln durch Kavitation entsteht.

Strömungspumpen werden auch als Kreiselpumpe bezeichnet. Sie lassen sich in die folgenden Bauformen gliedern:

• Axialpumpe
• Diagonalpumpe
• Radialpumpe

Weitere Konstruktionen

Pferdekopfpumpe zur Ölförderung bei Landau

Eine Sonderstellung nehmen die Strahlpumpen ein. Bei ihnen wird das zu fördernde Medium durch einen Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsstrahl beschleunigt. Sie nutzen zwar strömungsdynamische Vorgänge, werden aber dennoch zumeist zu den Verdrängerpumpen gerechnet.

Diese sind beispielsweise:

• Wasserstrahlpumpe (verwendet Wasser zur Förderung von Luft oder Wasser)
• Dampfstrahlpumpe (verwendet Gas zur Förderung von Luft oder Wasser)

Weitere Förderprinzipien sind:

• Mammutpumpe (verwendet Luft zur Förderung von Wasser)
• Blasenpumpe (Förderung durch aufsteigende Gasblase als Kolben)
• Stoßheber (Hydraulischer Widder) (verwendet Wasser zur Förderung von Wasser)
• Pferdekopfpumpe (Tiefpumpe)

Darüber hinaus gibt es weitere, zum Teil exotische Konstruktionen, welche elektromagnetische oder andere physikalische Eigenschaften des Fördermediums zur Energieübertragung nutzen.

Beispiele hierfür:

• Ionengetterpumpe (siehe auch Sorptionspumpe im Artikel Vakuumpumpe)
• Titan-Sublimationspumpe
• Turbomolekularpumpe
• Elektrochemische Gaspumpe

Anwendungen

• Absaugpumpe
• Abwasserpumpe
• Barostat in der Neurogastroenterologie
• Blutpumpe (neben dem Herzen gibt es auch künstliche Ausführungen)
• Bohrmaschinenpumpe (für geringe Mengen Wasser, Wein)
• Dosierpumpe (Benzin, Diesel)
• Einspritzpumpe (Benzin, Diesel)
• Fasspumpe
• Feuerlöschpumpe
• Güllepumpe
• Hydraulikpumpe
• Kraftstoffpumpe
• Lenzpumpe
• Luftpumpe
• Mikropumpe
• Ölpumpe
• Säurepumpe
• Schmutzwasserpumpe
• Spülpumpe
• Tandempumpe
• Vakuumpumpe
• Wasserpumpe
• Kühlwasserpumpe
• Kesselspeisepumpe
• Umwälzpumpe (Umwälzpumpen allg.: Pumpen in Kreisläufen)
• Pipelinepumpe

NPSH-Wert

NPSH (Haltedruckhöhe) ist ein aus den USA stammender Begriff (Net Positive Suction Head) und bedeutet – frei übersetzt – etwa Mindestzulaufhöhe über Sättigungsdruck. Nach DIN EN ISO 12723 lautet der entsprechende deutsche Ausdruck Haltedruckhöhe. NPSH wird in Meter (m) angegeben.

Haltedruckhöhe und NPSH-Wert sind wegen unterschiedlicher Bezugspunkte nicht gleichwertig.

So wird bei NPSH der Druckunterschied zwischen Dampfdruck und dem Druck am Saugstutzeneingang der Pumpe, bei der Haltedruckhöhe der Dampfdruck mit dem Druck am Laufradeingang verglichen.

Es wird zwischen Haltedruckhöhe der Pumpe (NPSH_R [required] oder NPSH_erf.) und Haltedruckhöhe der Anlage (NPSH_A [available] oder NPSH_vorh.) unterschieden.

Erforderlicher NPSH (Haltedruckhöhe der Pumpe)

Die Haltedruckhöhe der Pumpe oder NPSH_erf. entspricht dem Gesamtdruckabfall vom Saugstutzen (Liefergrenze) der Pumpe bis zum Laufradeintritt (Druckerhöhungszone im Laufrad) und kennzeichnet die Saugfähigkeit der Pumpe.

Beispiel: NPSH_erf. = 2 m bedeutet, dass die Druckverluste vom Pumpenansaugstutzen bis zum Laufradeintritt (inkl. Beschleunigungsverluste) einer Druckhöhe ($ {\frac {p}{\rho \cdot g}} $) von 2 m entsprechen.

Wird die Haltedruckhöhe der Pumpe (NPSH_erf.) während des Betriebes unterschritten, kommt es zu einer örtlichen Unterschreitung des Verdampfungsdruckes der Förderflüssigkeit und somit zur Kavitation (Dampfbildung mit nachfolgender schlagartiger Kondensation in der Druckerhöhungszone der Pumpe). Die Kavitation kann einen Abfall der Förderleistung und des Wirkungsgrades, unruhigen Lauf und Beschädigung der Pumpeninnenteile durch Materialabtrag (sog. Abrasion) bewirken.

Die Haltedruckhöhe der Pumpe ist unabhängig von der Temperatur der Förderflüssigkeit. Sie ändert sich jedoch bei jeder Pumpe mit Förderstrom und Drehzahl. NPSH_erf. wird vom Pumpenhersteller meist entweder für einen bestimmten Betriebspunkt der Pumpe als Zahlenwert genannt oder im Zusammenhang mit einer Leistungskennlinie in Form einer Kurve dargestellt

Vorhandener NPSH (Haltedruckhöhe der Anlage)

Der vorhandene NPSH-Wert fasst alle auf den Druck am Saugstutzen der Pumpe Einfluss nehmenden Einzeldaten der Pumpenanlage, wie Dichte, Temperatur und Dampfdruck des Fördermediums, Druckverluste in der Saugleitung, Druck im Ansaugbehälter und geodätische Saug- bzw. Zulaufhöhe für einen bestimmten Förderstrom in einem einzigen Zahlenwert zusammen.

Beispiel: NPSH_vorh. = 4 m sagt aus, dass die Förderflüssigkeit am Saugstutzen der Pumpe gemessen noch positiv 4 m vom Verdampfungsdruck pD entfernt liegt.

Für den Druck am Saugstutzen gilt (betrachtet wird nur die Saugseite):

$ {\frac {p_{\mathrm {Stutzen} }}{\rho \cdot g}}={\frac {p_{\mathrm {D} }}{\rho \cdot g}}+\mathrm {NPSH} _{\mathrm {vorh.} }\, $

Es kommt zur Dampfbildung und somit zur Kavitation, wenn der Dampfdruck $ p_{D} $ gleich dem Druck p am Saugstutzen wird, d.h., wenn NPSH_vorh. $ \to $ 0 geht.

Da die Haltedruckhöhe der Pumpe (NPSH_erf.) nicht unterschritten werden darf, muss also der Wert für NPSH_vorh.. mindestens gleich groß sein, besser etwas größer sein als derjenige der Pumpe.

$ \mathrm {NPSH} _{\mathrm {vorh.} }\geq \mathrm {NPSH} _{\mathrm {erf} } $

Gegebenenfalls muss der Ansaugbehälter höher oder die Pumpe tiefer aufgestellt, die Nennweite der Ansaugleitung größer dimensioniert oder der Druck im Ansaugbehälter erhöht werden.

Pumpenindustrie

Die größten Pumpenhersteller der Welt sind (Umsätze: Flüssigpumpen^[1]):

Einzelnachweise

Literatur

• Hellmuth Schulz: Die Pumpen: Arbeitsweise, Berechnung, Konstruktion. 13., neubearb. Aufl., Springer, Berlin 1977, ISBN 3-540-08098-8
• Pumpen. G. Vetter (Hrsg.). 2. Ausg., Vulkan-Verlag, Essen 1992, ISBN 3-8027-2696-0

Weblinks

Commons: Pumpe – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien