Grundlagen der Pumpentechnik

Hier sollen die Grundbegriffe der für die Aquaristik und die Teichtechnik relevanten Pumpenphysik erörtert werden
Pumpen in der Aquaristik
Dipl. Ing. (Versorgungstechnik) Dirk Prüter
COPYRIGHT ATK 1996

Da es bis heute einige Verständnisprobleme bezüglich des Einsatzes von Pumpen, der Verwendung bzw. der Verwendbarkeit dieser für den Aquarianer sowie den physikalischen bzw. hydraulischen Zusammenhängen gibt, möchten wir Ihnen heute die Unterschiede zwischen den verschiedenen, auf dem Markt erhältlichen Pumpentypen erklären, um Ihnen eine optimale Kundenberatung zu ermöglichen.

Die folgende Ausarbeitung soll Ihnen sowohl bei der direkten Kundenbetreuung als auch zur persönlichen Information bei der Auslegung von Pumpen für Aquarienanlagen dienen.

Im ersten Kapitel sollen die physikalischen Grundbegriffe erläutert werden und in den folgenden die verschiedenen Pumpentypen und deren Arbeitsweise mit ihren konstruktiv bedingten Vor- und Nachteilen.

Die Vervielfältigung und Verbreitung dieser Arbeit ist gestattet, sofern durch Vervielfältigung und Verbreitung einzelner Seiten kein, den Sinn der Gesamtarbeit verfälschender Eindruck entsteht.

Der Autor hat seine Diplomarbeit über Pumpen geschrieben, womit seine Sachkompetenz wohl ausreichend begründet ist

Jede Anregung oder Kritik bezüglich unserer Produkte oder dieser Arbeit trifft bei uns auf offene Ohren, da es zu unseren Prinzipien gehört, unsere Kunden optimal zu informieren und zu betreuen.

ATK     Aquarien  Technik  Klaes   wünscht Ihnen viel Vergnügen beim Studium dieser Lektüre.

Grundbegriffe und Einheiten

Hier sollen die Grundbegriffe der für die Aquaristik relevanten Pumpenphysik erörtert werden.

  1 .Motorarten, Drehfeld, Polzahl, Drehzahl, Konstruktionsmerkmale

  2. .Pumpenarten (hier nur Kreiselpumpen) 

  3.  Laufräder

  4.  Antriebsarten

  5 . Pumpenleistung

  6.  Pumpenleistung, installierte

  7.  Rohrleitungsverluste

  8.  Kavitation

  9.  Wasserdurchsatz

 10. Drosselkurve

 11. Arbeitspunkt

 12. Wirkungsgrad

1. Man unterscheidet SYNCHRON- und ASYNCHRON-Motoren – beides Induktionsmotoren 2-polige Synchronmotoren laufen Drehfeldsynchron, d.h. bei 50 Hz mit 3000 U/min  bei 60 Hz mit 3600 U/min alle Permanentmagnetläufer gehören zu den Synchronmotoren 2-polige Asynchronmotoren laufen nicht mit dem Drehfeld synchron, sondern etwas   langsamer  2-polige z.B. mit 2800 U/min bei 50 Hz oder  mit 3400 U/min bei 60 Hz. Die Drehzahldifferenz nennt man Schlupf; Permanentmagnetmotoren werden meistens als  Naßläufer ausgebildet, wobei der Anker im wasserdurchspülten Innenraum des Motors läuft, Asynchronmotoren hingegen, sind meistens luftgekühlte Trockenläufer.

Eine Sonderstellung nehmen hier die Spaltrohrmotoren ein, deren Anker zwar im wassergefüllten Motorinneren läuft, die aber keine Permanentmagnetmotoren sind sondern Asynchronmotoren.

2. Die Pumpenarten können sich auf sehr vielfältige Weise unterscheiden: u. a. durch die Gehäuseform und oder durch die Laufradkonstruktion.

In der Aquaristik findet man fast ausschließlich Ringkanalpumpen, die wohl auch für die unterschiedlichen Anwendungen die geeignetsten sind. Der Ringkanal oder Leitring umschließt das Laufrad ringförmig und axial, bis auf die Öffnung, die radial in den Druckstutzen mündet Pumpen für höhere Drücke weisen meistens tangentiale Druckstutzen auf, erfordern aber kompliziertere Laufräder.

3. Die Laufräder weisen physikalisch bedingte Vor- und Nachteile auf. Laufräder können beidseitig offene, einseitig oder beidseitig geschlossen sein und gerade oder gekrümmte Schaufeln aufweisen. Bei Pumpen mit Permanentmagnetläufern findet man meistens Laufräder mit geraden Schaufeln, die beidseitig offen sind, weil diese Motoren keine feststehende Drehrichtung (Vorzugsdrehrichtung) haben. Sie sind für relativ große Fördermengen bei gleichzeitig geringen Förderhöhen geeignet

Der hydraulische Wirkungsgrad gerader Schaufeln ist prinzipiell als schlecht zu bezeichnen, wobei sich dazu noch die hohen Spaltverluste addieren (Spalt zwischen den seitlich begrenzenden Gehäusewandungen und den Schaufeln).

Die Leistung dieses Pumpentyps ist durch die Trägheitsgesetze begrenzt, da der Permanentmagnetläufer mit dem Laufrad in nur zwanzig Millisekunden auf 3000 U/min beschleunigen muß.

Beidseitig geschlossen Laufräder mit gegen die Laufrichtung gekrümmten Schaufeln weisen die höchsten hydraulischen Wirkungsgrade auf, insbesondere, wenn die Schaufelenden in einem   möglichst flachen Winkel zum äußeren Umfange des Laufrades auslaufen.

Solche Laufräder erfordern eine bestimmte Laufrichtung, deshalb finden sie sich meistens in Pumpen mit Asynchronmotoren.

4. Bei den Antriebsarten der Pumpen unterscheidet man direkt angetriebene deren Laufrad auf der verlängerten Motorwelle sitzt und magnetisch gekuppelte, deren Motorwelle einen Satz Permanentmagneten trägt, der seinerseits einem zweiten Satz Permanentmagneten im Laufrad der Pumpe sein Drehmoment mitteilt.

Bei direkt angetriebenen Pumpen mit luftgekühltem Motor muß die Wellendurchführung zum Motor hin abgedichtet werden, dies erreicht man mit einer Gleitringdichtung. Gleitringdichtungen unterliegen einem Verschleiß und müssen daher regelmäßig ausgetauscht werden, geschieht dies zu spät, ist das Motorlager oder gar die Wicklung ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen. Außerdem verursachen Gleitringdichtungen Reibungsverluste, die mit abnehmender Pumpenleistung prozentual zunehmen.

Bei magnetisch gekuppelten Pumpen ist keine Wellenabdichtung erforderlich, da die Pumpenhermetisch verschlossen sind. Die Kraftübertragung erfolgt im übrigen synchron zum Motor und absolut verlustfrei, sofern die Spaltplatte oder der Spalttopf, der Motor und Wasser voneinander trennt, aus nicht leitendem Material besteht.  Metallisch leitende Materialien führen zu Wirbelstromverlusten.

5. Die Leistung einer Pumpe setzt sich aus verschiedenen Faktoren zusammen.

a) Abgabeleistung hydraulisch  darunter versteht man die Leistung, die die Pumpe unter den      Einsatzbedingungen erbringt (abgibt). Sie errechnet sich zu:  P2 = Q x H : 366,85

Q = Fördermenge in Liter / Stunde,  H = Förderhöhe in Meter,  P2 = Abgabeleistung in Watt

b) Aufnahmeleistung mechanisch  darunter versteht man die Leistung, die der Pumpe zugeführt werden muß, damit sie die Leistung unter den gegebenen Einsatzbedingungen abgeben kann. Sie ist um die Verlustleistung höher als die Abgabeleistung.

c) Abgabeleistung mechanisch (des Antriebsmotors  P2 )  darunter versteht man die mechanische Leistung, die der Antriebsmotor der Pumpe unter den gegebenen Einsatzbedingungen zur Verfügung        stellen muß. Die Angabe erfolgt in Kilowatt, bei Kleinmotoren in Watt  (P2).

d) Aufnahmeleistung elektrisch (des Antriebsmotors  P1 )  darunter versteht man die elektrische Leistung die dem Motor zugeführt werden muß, damit die Pumpe die unter a) errechnete Leistung abgeben kann. Sie ist um die Verlustleistung höher als die Abgabeleistung.

                Beispiel: für ein 600 l Aquarium soll eine Strömungspumpe 6000 l/h 1,5 m hoch fördern

                P2 = 6000 x 1,5 : 366,85

                P2 = 24,53 W                       Der Wirkungsgrad der Pumpe sei 50%

                                                               der des Motors sei 80%

                somit errechnet sich die Aufnahmeleistung der gesamten Anordnung aus Pumpe mit Antriebsmotor

                zu : 24,53 W : 0,5 = 49,07 W  =  Aufnahmeleistung der Pumpe 

                49,07 W : 0,8 = 61,33 W. = Aufnahmeleistung des Motors (mit Pumpe)

6. Die installierte Pumpenleistung  ist die Nennleistung der Pumpe  in Liter / Stunde (l/h). Sie sollte bei Seewasseraquarien  das 8 – 12- fache des Inhaltes betragen.

7. Rohrleitungsverluste sind die Verluste, die durch die Reibung des Wassers an der Innenwandung der Rohrleitung entstehen. In der Regel treten nennenswerte Rohrleitungsverluste nicht auf, wenn man die Querschnitte der Saug- und Druckleitungen nach den Angaben des Herstellers dimensioniert.

In Saugleitungen gelten Fließgeschwindigkeiten von  1,5 m/s –  in Druckleitungen von  5 m/s als unbedenklich.  Höhere Fließgeschwindigkeiten können Kavitation  (Saugleitung) oder Fließgeräusche  (Druckleitung)  verursachen  – immer aber führen sie zu Druckhöhenverlusten.

8. Kavitation  nennt man die Gasblasenbilding des Fördermediums in der Pumpe. Ein störungsfreier Betrieb der Pumpe ist nur möglich, solange innerhalb der Pumpe keine Dampfbildung (Kavitation) auftritt, d.h. solange an keiner Stelle der Strömung der Druck unter den, dem Flüssigkeitsdruck entsprechenden, Verdampfungsdruck sinkt.

Bei Unterschreitung des Verdampfungsdruckes verdampft das Wasser und es bilden sich Dampfblasen.   Diese werden dann in das Laufrad der Pumpe gerissen und implodieren durch die Druckerhöhung, was zur Geräuschbildung und Materialzerstörung führt.

Aus diesem Grund muß der Druck am Saugstutzen der Pumpe höher sein als der Dampfdruck des Wassers.

9. Unter Wasserdurchsatz versteht man z.B. bei einem Filter oder Aquarium die tatsächlich bewegte Wassermenge in Liter / Stunde  (l/h).

10. Die Drosselkurve oder Pumpenkennlinie, die durch Messung auf einem Prüfstand bestimmt wird, gibt die Beziehung zwischen Förderhöhe und Förderstrom bei konstanter Drehzahl an.

Das Charakteristische an der Pumpenkennlinie ist die gegenseitige Abhängigkeit des Förderstroms und der Förderhöhe. Jede Änderung der Förderhöhe hat immer auch eine Änderung des Förderstroms zur Folge.

11. Arbeitspunkt ist der Punkt auf der Drosselkurve, der bei der vorhandenen tatsächlichen Förderhöhe die Fördermenge einer Pumpe angibt. Dieser sollte im Bereich des höchsten Wirkungsgrades liegen, was bei der Auslegung der Pumpe für jeden Anwendungsfall bereits berücksichtigt werden muß.

12. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener Pumpenleistung (Förderstrom x Förderhöhe) zu aufgenommener Leistung (Antriebsleistung). Der Wirkungsgrad verändert sich über den Verlauf der Pumpenkennlinie.

Alllgemein befindet sich der Bereich des besten Pumpenwirkungsgrades im mittleren Drittel der Pumpenkennlinie.

Pumpenauslegungen im im ersten oder letzten Drittel der Pumpenkennlinie bedeuten immer:

Betrieb im schlechteren Bereich des Pumpenwirkungsgrades und sollten vermieden werden.

Er errechnet sich zu  n = P2 : P1.

Bei Trockenläuferpumpen (egal ob – direkt angetrieben oder – magnetisch gekuppelt) kommen eine Vielzahl von Antriebsmotoren zur Anwendung, die sehr unterschiedliche Wirkungsgrade haben, so das eine individuelle Ermittlung des Gesamtwirkungsgrades erforderlich ist.

Bei Naßläuferpumpen werden grundsätzlich Spezialmotoren eingesetzt die exakt auf die Pumpe abgestimmt sind. So liegt der Gesamtwirkungsgrad für jede Pumpe fest.

Trocken- und Naßläuferpumpen (Induktionsmotoren) steigern ihre Leistungsaufnahme kontinuierlich mit der Zunahme des Förderstromes. Siehe im Diagramm unten.

Bei Naßläuferpumpen mit Permanentmagnetläufer verhält sich die Leistungsaufnahme anders als bei Induktionsmotoren. Sie ändert sich über die gesamte Kennlinie so unwesentlich, daß man praktisch von gleich bleibender Leistungsaufnahme sprechen kann.

                Richtwerte für Wirkungsgrade bei kleinen Motorleistungen:

                                                                              Naßläuferpumpen              Trockenläuferpumpen     

                Motorwirkungsgrad                                  15 – 45 %                             75 – 80 %                       

                Pumpenwirkungsgrad                               40 – 65 %                             40 – 85 %                       

                Gesamtwirkungsgrsd                                  5 – 25 %                             30 – 65 %                       

                 Beispiel: gemessene Punkte der Drosselkurve / Kennlinie   MP 180108

                p1 : 10000 l x 6,0 m : 366,85 = 163,55 W : P1 = 474 W = 0,35 = 35%

                p2 :   8400 l x 7,0 m : 366,85 = 160,28 W : P1 = 444 W = 0,37 = 37%

                p3 :   7500 l x 7,5 m : 366,85 = 153,33 W : P1 = 395 W = 0,39 = 39%

                p4 :   6500 l x 8,0 m : 366,85 = 141,75 W : P1 = 380 W = 0,38 = 38%

                p5 :   4600 l x 9,0 m : 366,85 = 112,85 W : P1 = 322 W = 0,35 = 35%  

 

in Teichpumpen