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- Herausgeber: expert verlag GmbH
- Kategorie: Fachliteratur
- Sprache: Deutsch
Hier erhalten Planer, Anlagenbauer und Betreiber wichtige Informationen zum Betrieb von Kreiselpumpen und darüber, wie sich Schäden an Pumpen und Pumpensystemen minimieren oder vermeiden lassen. Das Buch vermittelt Hinweise und Vorschläge für Maßnahmen zu Fehlervermeidung, Fehlererkennung (Überwachung) und Fehlermanagement. Anhand von praktischen Beispielen werden Schadensmechanismen und Zusammenhänge aufgezeigt und bewertet. Der Autor zeigt auch, dass eine vorausschauende Instandhaltung in wirtschaftlich interessantem Rahmen möglich ist.
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Veröffentlichungsjahr: 2020
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Thomas Merkle
Kreiselpumpen und Pumpensysteme
Betrieb, Instandhaltung und Schadensvermeidung
expert verlag
© 2020 · expert verlagDischingerweg 5 · D-72070 Tübingen
Alle Informationen in diesem Buch wurden mit großer Sorgfalt erstellt. Fehler können dennoch nicht völlig ausgeschlossen werden. Weder Verlag noch Autoren oder Herausgeber übernehmen deshalb eine Gewährleistung für die Korrektheit des Inhaltes und haften nicht für fehlerhafte Angaben und deren Folgen.
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ISBN 978-3-8169-3507-0 (Print)ISBN 978-3-8169-0005-4 (ePub)
Inhalt
Vorwort
Kreiselpumpen werden zur Förderung von sehr unterschiedlichen Fluiden oder Flüssigkeiten eingesetzt. Neben der Förderung von reinen Flüssigkeiten werden sehr häufig auch Flüssigkeiten mit Feststoffbestandteilen transportiert. Abrasive Medien schleifen an Gehäusen und Laufrädern so stark, dass erhebliche Schäden an den Pumpenteilen auftreten.
Dies hat zur Folge, dass die Pumpen je nach Belastung und Zusammensetzung des zu fördernden Mediums und der darin enthaltenen Feststoffe nur eine geringe Standzeit aufweisen und daher unwirtschaftlich werden können. Eine falsche Betriebsweise von Pumpen kann zu Kavitation führen und ebenfalls starker Schäden verursachen.
In diesem Buch wird aufgezeigt, dass sich Schäden und Verschleiß beim Betrieb von Pumpen durch geeignete Maßnahmen reduzieren und teilweise vermeiden lassen. Konstruktive Maßnahmen, vorbeugende Instandhaltung, optimale Wartung und Reparatur von Anlagen, können sowohl die Lebensdauer verlängern als auch Kosten sparen. Der Einsatz von Drehzahlregelung, neuen Technologien zur Beschichtung und Herstellung der Pumpenbauteile kann die Wirtschaftlichkeit von Pumpenanlagen erheblich erhöhen.
Anhand von praktischen Beispielen werden Schadensmechanismen und Zusammenhänge aufgezeigt und bewertet. Es werden Hinweise zu Fehler-management, sowie Vorschläge für Maßnahmen zu Fehlervermeidung und Fehlererkennung gegeben.
Der spezifische Verschleiß, beispielsweise beim Pumpen von Flüssigkeiten mit Feststoffen oder „Spänen“ wird in Theorie und Praxis beschrieben. Pumpen die in der spanenden Metallbearbeitung, bei Werkzeugmaschinen und bei Anlagen zur Förderung von abrasiven Flüssigkeiten eingesetzt werden, unterliegen völlig anderen Betriebsbedingungen als bei der Förderung von reinen, sauberen Flüssigkeiten. Es wird erläutert, dass sich vorausschauende Instandhaltung in wirtschaftlich interessantem Rahmen bewältigen lässt.
Auf tiefergreifende, theoretische Herleitungen und Berechnungen wurde verzichtet, da hierüber bereits ausreichend Fachliteratur vorhanden ist.
Das Buch ist gedacht als Leitfaden, um Schäden minimieren oder vermeiden zu können. Auch als praxisnahe Hilfe für Planer, Anlagenbauer und Betreiber von Anlagen zur spanenden Metallbearbeitung, sowie für die Bereiche Instandhaltung, Wartung und Reparatur von Anlagen, bei denen Pumpen eingesetzt werden. Außerdem für Studierende der Fachbereiche Maschinenbau und Verfahrenstechnik. Die 4. Auflage wurde um das Kapitel Grundlagen ergänzt, mit den Themen Hydraulik, Elektrik, elektrische Antriebe und Regelungsarten.
Tübingen, April 2020
Thomas Merkle
1.Einführung
Kreiselpumpen sind aufgrund ihrer Robustheit sehr weit verbreitet. Sehr viele Förderaufgaben von sehr unterschiedlichen Flüssigkeiten können durch den Einsatz von Kreiselpumpen gelöst werden. Sie eignen sich sowohl für stationäre als auch für instationäre Strömungsverhältnisse. Auch der einfache Aufbau und der geringe Wartungsbedarf begünstigen ihre Anwendung. Dennoch können Kreiselpumpen bedingt durch Schäden auch zerstört werden. Schäden und Verschleiß an Pumpen können sehr unterschiedliche Ursachen haben. Langzeit-schäden treten oft erst nach Jahren auf. Die Art und Intensität der Belastung der Pumpe hat einen sehr entscheidenden Einfluss darauf. Kurzer, getakteter Betrieb, zyklischer oder Dauerbetrieb bestimmen die Lebensdauer der Pumpe. Schäden, die bereits kurz nach der Inbetriebnahme auftreten, lassen sehr häufig auf Planungs- oder Inbetriebnahme-Fehler schließen. Eine falsch ausgelegte Pumpe oder der Betrieb außerhalb des Betriebspunktes können sehr schnell zum Ausfall der Pumpe führen.
Bevor auf die speziellen Ursachen von Verschleiß näher eingegangen wird, sollen Grundlagen betreffende Themen wie Hydraulik, Dimensionierung, Bauformen, Elektrotechnik, elektrische Antriebe und Regelungsarten näher erläutert werden.
1.1.Grundlagen
Die Hauptkomponenten im System Kreiselpumpe sind: Spiralgehäuse, Laufrad, Welle, Motor, Druckdeckel, Gleitringdichtung, oder auch eine Magnetkupplung. Jede einzelne Komponente muss der Anwendung entsprechend angepasst sein. Auftretende Kräfte, das Strömungsverhalten, die Beschaffenheit und die Betriebs-temperatur des Fördermediums erfordern eine sehr genaue Betrachtung der jeweils vorliegenden Anwendung. Viele Probleme während des Betriebs der Pumpe sind auf eine falsche Einschätzung der Anwendung zurückzuführen.
1.1.3.Hinweise zu Auswahl und Dimensionierung
Jede Pumpenanlage funktioniert so gut und störungsfrei, je präziser die Planungsaufgaben erledigt wurden und die Bauausführung erfolgte. Ein großer Teil von Störungen sind auf Planungs- und Dimensionierungsfehler zurückzuführen (s.a. VDMA-Studien).
Vor allem Kosten lassen sich durch eine präzise Planung und exakte Bauausführung sparen. Folgekosten, die erst nach einiger Zeit entstehen, lassen sich durch geeignete Maßnahmen vermeiden. Dazu gehören insbesondere:
Genauen Betriebspunkt festlegen (Anlagenkennlinie, Pumpenkennlinie)
Strömungsverluste berücksichtigen
Sauganforderungen prüfen (Saugleitung, ob selbstansaugend)
Betriebspunkt-Anpassung (Drehzahl-Regelung, FU)
Viskosität berücksichtigen (Wasser, Öl, andere Flüssigkeiten)
Außerdem müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:
Die Aufstellung der Pumpe (Bodenfundament, Sockel, etc.)
Saug- und Druckleitung (Durchmesser, Länge)
Die Art der Pumpe muss ausgesucht werden in Bezug auf: Viskosität, Dichte, Temperatur, Systemdruck, Materialanforderungen, etc.
Die richtige Pumpengröße muss abgestimmt sein auf: Förderstrom, Druck, Drehzahl, Ansaugbedingungen und Art des Fördermediums
Grundlegende, zu beachtende Eigenschaften der Fördermedien sind:
Viskosität (Reibungsverluste)
Korrosivität (Korrosion)
Abrasivität (Abrieb)
Temperatur (Kavitation)
Dichte
chemisches Reaktionsverhalten (Dichtungsmaterial)
Aufstellung/Verrohrung
Die Pumpe sollte mit möglichst kurzen Rohrleitungen im System an den Behälter oder an das Objekt, aus der die Flüssigkeit gepumpt werden soll, montiert werden. Es sollten möglichst wenig Ventile und Bögen verwendet werden, um den Druck-verlust in der Rohrleitung zu minimieren. Die Pumpen müssen auf einem festen Fundament fixiert sein und vor der Inbetriebnahme exakt ausgerichtet werden. Die Verrohrung und die Rohranschlüsse, müssen ausreichend groß dimensioniert werden und dem Förderstrom angepasst werden. Kleine Rohrabmessungen sind zwar preisgünstiger, bringen jedoch Strömungsverluste und die Gefahr der Kavitation beim Betrieb der Pumpe. Die Saugleitung soll eine Stufe größer als die Druckleitung sein. Beispielsweise: Druckleitung 2“, folglich Saugleitung 2 ½ “.
Angeschlossene Rohrleitungen müssen spannungsfrei montiert werden, so dass keine Kräfte auf die Stutzen der Pumpe wirken. Temperaturbedingte Ausdehnungen des Rohrleitungssystems sollten durch Kompensatoren ausgeglichen werden. Steht die Pumpe fest auf einer Bodenplatte, muss gewährleistet sein, dass das Rohrsystem Spannungen und Ausdehnungen auffangen kann (z. B. über Bogen oder Kompensator).
Saugleitung
Bei normalsaugenden Kreiselpumpen darf keine Luft in die Pumpe gelangen. Dies würde die Leistung beeinträchtigen, im Extremfall würde die Pumpe nicht mehr fördern. Um Störungen wie beispielsweise Turbulenzen zu vermeiden, sollte die Saugleitung eine gerade Einlaufstrecke beinhalten, die mindestens fünf Mal so lang ist wie der Durchmesser des Einlaufstutzens.
Druckleitung
Die Förderhöhe ergibt sich aus den Reibungswiderständen der in der Druckleitung eingebauten Komponenten wie Ventile, Wärmetauscher, Filter, etc., der Rohrleitung und der geodätischen Höhendifferenz. Auch der Förderstrom wird beeinflusst.
1.1.5Abdichtungsarten Motor – Hydraulik
Je nach Anforderung seitens der Anwendung werden zur Abdichtung der Pumpenhydraulik gegen den Antriebsmotor die dynamisch dichtende Gleitring-dichtung oder statisch dichtende MagnetkupplungenMagnetkupplungen und Spaltrohrmotoren eingesetzt.
Gleitringdichtung
Die Gleitringdichtung ist eine dynamische, kostengünstige Komponente, ist aber nicht zu 100 % dicht, sondern hat eine minimale Leckage. Deshalb ist sie nicht für die Lebensmittelbranche und nur bedingt für Pumpen in der Chemiebranche geeignet. Da die Gleitringdichtung noch in einem späteren Kapitel genauer beschrieben wird, soll hier nicht näher auf diese Dichtungsart eingegangen werden.
Magnetkupplungspumpen
Diese Abdichtungsart zwischen Motor und Pumpenhydraulik findet vor allem bei Chemiepumpen und Lebensmittelpumpen ihren Einsatz. Die Hauptkomponenten sind Innenrotor, Außenrotor, Spalttopf und Lager (radial und axial). Die Motorwelle ist mit dem Außenmagnetrotor verbunden und überträgt berührungslos die Magnetkräfte auf den Innenmagnetrotor. Der Außenrotor ist auf der Innenseite, der Innenrotor auf der Außenseite mit Dauermagneten bestückt. Die beiden Rotoren sind getrennt durch einen Spalttopf. Dieser Spalttopf ist das dichtende Element, er dichtet das Fördermedium gegen die Umgebung ab. Die Gleitlager werden durch das Fördermedium geschmiert. Diese Kupplungsart ist hermetisch dicht, ohne Leckage. Es lassen sich durchaus Anwendungen realisieren, bei denen Drücke von 25 bar und Temperaturen von 250 °C auftreten.
Bild 3: Magnetkupplung [12]
Bild 4: Pumpe mit Magnetkupplung [43]
SpaltrohrmotorpumpenSpaltrohrmotorpumpen
Bei dieser Kreiselpumpenart bilden Motor und Pumpe eine integrierte Einheit. Die Pumpe ist in Blockbauweise konzipiert, d.h. auf der durchgehenden Motorwelle ist das Laufrad montiert. Das Spaltrohr dient als Dichtungselement, weshalb keine dynamische Dichtung notwendig ist.
Die Motorwicklung (feststehender Stator) befindet sich zwischen Motorgehäuse (Rahmen) und Spaltrohr. Dadurch ergibt sich eine doppelte Dichtigkeit: Motormantel + Spaltrohr. Das feststehende Spaltrohr umschließt den Rotor und dichtet die Rotorkammer nach außen ab. Das Fördermedium zirkuliert direkt in der Rotorkammer, kühlt dabei den Motor und schmiert die Gleitlager. Zur Kühlung des Motors ist kein Lüfter notwendig, so dass die Pumpe sehr geräuscharm arbeitet. Die doppelte Dichtigkeit minimiert die Gefahr von Leckagen. Deshalb kommt dieser Pumpentyp bei Chemiepumpen, bei explosiven, brennbaren und giftigen Flüssigkeiten zum Einsatz.
Bild 5: Pumpe mit Spaltrohrmotor [44]
1.1.6Abwasserpumpen
Kreiselpumpen, die Flüssigkeiten mit Feststoffbestandteilen fördern müssen, haben je nach Belastung und Zusammensetzung des zu fördernden Mediums und der darin enthaltenen Feststoffe eine geringere Standzeit. Sie können schnell unwirtschaftlich werden. Die Förderung von Wasser mit Feststoffen, die zudem hart sind, bewirken schädigende Abrasion an den Pumpenkomponenten. Eine Reduzierung der Durchflussgeschwindigkeit wirkt sich dabei verschleißmindernd aus (V=2-3 m/s).
Bei Feststoffen mit hohem Feststoffanteil empfiehlt es sich, spezielle Freistrom-pumpen mit offenem Laufrad einzusetzen. Die Feststoffe führen nicht wie beim geschlossenen Laufrad zu Verstopfung, sondern werden im Spiralgehäuse durch die zu fördernde Flüssigkeit mitgerissen und über den Druckstutzen wieder aus dem Pumpengehäuse heraus transportiert. Für Förderprozesse, bei denen langfaserige Feststoffe gepumpt werden müssen, eignen sich Pumpen, die mit einem Schneid-werk ausgerüstet sind.
