Kreiselpumpen: Grundlagen, Aufbau, Betrieb und Einsatzgebiete

In der Industrie sind Kreiselpumpen die am häufigsten eingesetzten Pumpen. Sie fördern Flüssigkeiten durch Umwandlung von rotatorischer kinetischer Energie in hydrodynamische Energie des Flüssigkeitsstroms. Die Energie stammt meist von einem Elektromotor oder Verbrennungsmotor.

Dieser Artikel vermittelt Definition, Funktionen, Anwendungen, Bauteile, Klassifikationen, Typen, Geschichte, Schema und Funktionsweise von Kreiselpumpen. Dazu Vor- und Nachteile sowie Auswahlkriterien.

Was ist eine Kreiselpumpe?

Eine Kreiselpumpe ist eine hydraulische Maschine, die Flüssigkeit durch Übertragung von Rotationsenergie von einem oder mehreren angetriebenen Rotoren (Laufräder) fördert.

Kreiselpumpen sind eine Unterklasse der dynamischen, achsensymmetrischen, arbeitenden Turbomaschinen. Flüssigkeit tritt axial in das rotierende Laufrad ein und wird durch Zentrifugalkraft über den Umfang durch die Laufradschaufeln nach außen geschleudert. Die Wirkung des Laufrads erhöht Geschwindigkeit und Druck der Flüssigkeit und lenkt sie zum Auslass.

Das Pumpengehäuse verengt den Zulauf zum Laufrad, führt die Flüssigkeit hinein und bremst sie vor dem Auslass kontrolliert ab.

Die erste als Kreiselpumpe geltende Maschine (zum Schlammheben) erschien 1475 in einem Traktat eines italienischen Renaissance-Ingenieurs. Die echte Kreiselpumpe entstand Ende des 17. Jahrhunderts durch Denis Papin mit geraden Schaufeln. 1851 führte John Appold (britischer Erfinder) gekrümmte Schaufeln ein.

Kreiselpumpen eignen sich für hohe Fördermengen und niedrigviskose Flüssigkeiten (bis 0,1 cP). In der chemischen Industrie…

Anwendungen

In chemischen Anlagen sind 90 % der Pumpen Kreiselpumpen. Dennoch gibt es Anwendungen, für die Verdrängerpumpen vorzuziehen sind. Typische Einsatzbereiche:

1. Öl- und Energiesektor: Förderung von Rohöl, Schlamm, Schlamm; Raffinerien, Kraftwerke.
2. Brandschutz: Heizung, Lüftung, Kesselspeisung, Druckerhöhung, Sprinkleranlagen.
3. Abwasser, Landwirtschaft, Fertigung: Kläranlagen, kommunale Entwässerung, Gasverarbeitung, Bewässerung, Hochwasserschutz.
4. Pharma, Chemie, Lebensmittel: Lacke, Kohlenwasserstoffe, Petrochemie, Zuckerraffination, Lebensmittel- und Getränkeproduktion, Zellulose.
5. Verschiedene Industrien (Fertigung, Chemie, Pharma, Lebensmittel, Luftfahrt): Kryotechnik, Kältemittel.

Hauptbauteile

Laufrad (Impeller)

Rad mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln. Auf Welle montiert, angetrieben von externer Energiequelle. Überträgt Energie auf die Flüssigkeit, wodurch es rotiert. Ausführungen: offen, halbgeöffnet, geschlossen.

Gehäuse (Casing)

Leitet Flüssigkeit vom Saugstutzen zum Laufradauge (Eye). Bei doppelseitigem Laufrad zwei Saugstutzen. Unteres Ende in Flüssigkeit getaucht, mit Fußventil und Sieb. Drei gängige Gehäusearten: Spiralgehäuse (Volute), Wirbelgehäuse (Vortex), Gehäuse mit Leitschaufeln.

Druckleitung (Delivery Pipe)

Am Auslassstutzen angeschlossen, fördert Flüssigkeit auf erforderliche Höhe. Nahe Auslass ein Absperrventil zur Durchflussregelung.

Saugleitung mit Fußventil und Sieb

Mit Laufradeinlass verbunden, anderes Ende in Flüssigkeitsquelle. Fußventil (Rückschlagventil, öffnet nach oben) und Sieb (filtert Partikel, schützt vor Verstopfung).

Klassifikation und Typen

Nach Anzahl der Laufräder:

• Einstufig (Single-Stage)
• Zweistufig (Two-Stage)
• Mehrstufig (Multi-Stage)

Nach Gehäusetrennung:

• Axial geteilt (Axial Split)
• Radial geteilt (Radial Split)

Nach Laufradbauart:

• Einseitig saugend (Single Suction)
• Beidseitig saugend (Double Suction)

Nach Spiralgehäuse:

• Einfaches Spiralgehäuse (Single Volute)
• Doppeltes Spiralgehäuse (Double Volute)

Nach Lageranordnung:

• Ausgehängt (Overhung)
• Zwischenlagrig (Between Bearing)

Nach Wellenausrichtung:

• Horizontal
• Vertikal

Nach Normen:

• ANSI-Pumpe (American National Standards Institute)
• API-Pumpe (American Petroleum Institute)
• DIN-Pumpe (DIN 24256)
• ISO-Pumpe (ISO 2858, 5199)
• Kernkraftwerkspumpe (ASME)

Funktionsweise

Kreiselpumpen erzeugen Strömung oder heben Flüssigkeit von niedrigem auf hohes Niveau. Der Mechanismus ist einfach: Umwandlung von Rotationsenergie (meist vom Motor) in Flüssigkeitsbewegung.

Zwei Bauteile sind für die Energieumwandlung verantwortlich: Laufrad (rotierender Teil) und Gehäuse (luftdichter Kanal um das Laufrad).

Flüssigkeit tritt in das Gehäuse ein, trifft auf die Laufradschaufeln am Auge. Das Laufrad wirbelt sie tangential und radial nach außen, bis sie in den Diffusorteil des Gehäuses austritt. Dabei gewinnt die Flüssigkeit sowohl Druck als auch Geschwindigkeit.

Leistungsbeeinflussende Faktoren (Auswahlkriterien)

Viskosität des Fördermediums

Widerstand gegen Scherung bei Energiezufuhr. Kreiselpumpen eignen sich für niedrigviskose Flüssigkeiten, da die Pumpenwirkung hohe Schergeschwindigkeiten erzeugt.

NPSH (Net Positive Suction Head) und Kavitation

NPSH = Druck auf der Saugseite. Bestimmt, ob Druck hoch genug ist, um Kavitation zu vermeiden. Kavitation = Blasenbildung in Niederdruckzonen am Laufrad → Laufradschaden, Fördermengen-/Druckverlust. NPSH-verfügbar (NPSHA) muss > NPSH-erforderlich (NPSHR) sein.

Dampfdruck des Fördermediums

Druck bei gegebener Temperatur, bei dem Flüssigkeit verdampft. Muss bekannt sein, um Kavitation und Trockenlaufschäden (Lagerschaden bei verdampfter Flüssigkeit) zu vermeiden.

Betriebstemperatur und -druck

Hochtemperaturförderung erfordert spezielle Dichtungen, Dichtungen, Befestigungen. Hoher Druck erfordert druckfestes Gehäuse.

Spezifische Dichte und spezifisches Gewicht

Dichte = Masse/Volumen. Spezifisches Gewicht = Verhältnis Dichte Flüssigkeit / Dichte Wasser. Beeinflusst direkt die benötigte Antriebsleistung. Bei Flüssigkeiten ungleich Wasser 반드시 beachten.

Vor- und Nachteile

Vorteile

• Große Fördermengen – ideal für Wasser, Chemikalien, leichte Kraftstoffe
• Einfaches Design, wenige bewegliche Teile, keine Ventile/Kolben
• Kompakt – platzsparend, daher weit verbreitet

Nachteile

• Zu niedriger NPSH → Kavitation
• Laufradverschleiß, verstärkt durch Feststoffe
• Korrosion durch Flüssigkeitseigenschaften
• Niedrige Fördermenge → Überhitzung
• Leckage an der rotierenden Welle
• Muss mit Förderflüssigkeit gefüllt sein (Selbstansaugung fehlt) → Trockenlaufgefahr
• Nicht für hochviskose Flüssigkeiten
• Druckstöße (Surge)
• Bei sehr hohen Förderhöhen ungeeignet

Fazit

Kreiselpumpen sind bewährte, vielseitige Pumpen mit vielen Vorteilen, trotz gewisser Einschränkungen oft die beste Wahl. Sie arbeiten mit Gehäuse und Laufrad. Dieser Artikel hat Definition, Anwendungen, Bauteile, Klassifikation, Typen, Auswahlkriterien, Vor- und Nachteile behandelt.

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