Pumpen Know How vom Pumpenhersteller EDUR zur Pumpen-Projektierung
Pumpen Know How vom Pumpenhersteller EDUR zur Pumpen-Projektierung

Kavitation und Saugverhalten in Kreiselpumpen

Wenn in einer Kreiselpumpe der Dampfdruck des Fördermediums unterschritten wird, kommt es zur lokalen Verdampfung der Flüssigkeit. Dieser Prozess der Dampfblasenbildung ist als „Kavitation“ bekannt und stellt ein häufig zu beobachtendes Phänomen in Kreiselpumpenanlagen dar. 


Entstehung von Kavitation 

Dampfblasen entstehen hauptsächlich dort, wo der statische Druck aufgrund von Strömungsverlusten und einer Beschleunigung des Fördermediums stark abfällt. In Kreiselpumpen trifft dies insbesondere auf den Eintrittsbereich im Saugehäuse und den Diffusorkanal zwischen Leitschaufeln zu. Das Ausmaß der Kavitation wird dabei von unterschiedlichen Eigenschaften des Fördermediums beeinflusst. Dazu zählen beispielsweise die Anzahl an kleinen Partikeln, die als Kavitationskeime fungieren, gelöste und freie Gasanteile sowie andere thermodynamische Parameter. Hinzu kommt die Länge des Unterdruckgebietes und die Lage des Betriebspunktes in der Nähe des optimalen Wirkungsgrades, in Teillast oder Überlast.   

 

Auswirkungen durch Kavitation  

Kavitation bzw. die entstandenen Dampfblasen beeinflussen das Strömungsverhalten in Kreiselpumpen signifikant, da sie die freien Strömungsquerschnitte einengen. Infolgedessen kann die Energieübertragung der Schaufeln auf das Fluid nicht mehr in vollem Maße erfolgen, sodass die Förderhöhe und der Wirkungsgrad abfallen. Die Dampfblasen werden mit der Strömung transportiert und implodieren in stromabwärts gelegenen Bereichen höheren Druckes, wobei Druckspitzen von bis zu 100.000 bar entstehen können. Die Dampfblasen werden dabei zunächst in die Länge gezogen und von einem sog. Micro-Jet durchtrennt, der in Wandnähe auf die Oberflächen prallt und den Werkstoff mechanisch stark angreift.  

 Implosion von Dampfblasen mit Micro-Jet in Kreiselpumpen

Implosion von Dampfblasen mit Micro-Jet  

 

Die Folge sind Materialschädigungen in Form der sogenannten „Kavitationserosion“. Diese Beschädigungen zeigen sich nie am Ort des Entstehens der Kavitation, sondern in einer mehr oder weniger großen Entfernung, wo die Dampfblasen zerstört werden. Vorhandene Schutzschichten auf dem Werkstoff werden zerstört. Dadurch kann die Metalloberfläche ständig chemisch angegriffen werden. Auf diese Weise kann es selbst bei schwach ausgebildeter Kavitation zu erheblichen Materialabtragungen kommen. Dadurch wird der Werkstoff zernarbt, zerklüftet und zuweilen sogar schwammartig ausgehöhlt. 

Kavitationsschäden an einem Leitrad in einer Kreiselpumpe

Kavitationsschäden an einem Leitrad 

 

Darüber hinaus sind die mit Dampfblasen gefüllten Bereiche nicht von gleichmäßiger Größe und Form, sodass im Laufrad Unwuchten entstehen. Diese sind sowohl mechanischer Art infolge ungleicher Flüssigkeitsfüllung in den Schaufelkanälen als auch dynamischer Art aufgrund unterschiedlicher Druckverteilungen über den Umfang des Laufrades. Welle und Lagerungen werden starken pulsierenden Belastungen ausgesetzt. Bei geschlossenen Laufrädern kann der Achsschubausgleich teilweise oder sogar vollständig unwirksam werden und die daraus resultierende höhere Axialbelastung im Zusammenwirken mit den zuvor genannten Kräften die Lagerung innerhalb kurzer Zeit zerstören.  

 

Vermeidung von Kavitation / NPSH  

Für einen störungsfreien Betrieb der Pumpenanlage ohne Kavitation sind die Zulaufbedingungen zur Pumpe ausschlaggebend. Die sogenannte vorhandene Netto-Energiehöhe (engl. available net positive suction head = NPSHA) einer Anlage beschreibt die Differenz zwischen dem Totaldruck im Saugstutzen der Pumpe und dem Verdampfungsdruck des Fördermediums, gemessen als Druckhöhendifferenz in m. 

 

Gleichung 5.1

 

Der kleinste NPSH-Wert, bei der eine Pumpe mit gegebenen Arbeitsbedingungen (Drehzahl, Förderstrom, Förderhöhe, Fördermedium) dauerhaft und ohne auftretende Kavitation betrieben werden kann, wird erforderlicher NPSH-Wert (engl. required net positive suction head = NPSHR) genannt. Der NPSHR-Wert kann als eine benötigte Druckreserve am Saugstutzen verstanden werden, die sicherstellt, dass der Verdampfungsdruck beim Ein- und Durchströmen der Pumpe trotz der dort auftretenden Druckverluste nicht unterschritten wird. Da die Druckverluste vom Förderstrom abhängen, ist auch der NPSHR-Wert keine konstante Größe, sondern steigt mit zunehmendem Förderstrom an. Dieses Verhalten wird in NPSHR-Kennlinien erfasst.  

 

 

NPSHR-Kennlinie einer Kreiselpumpe

NPSHR-Kennlinie einer Kreiselpumpe 

 

Die Druckverluste in der Pumpe - und somit auch der NPSHR-Wert - werden durch die geometrische Ausgestaltung der hydraulischen Komponenten (Pumpeneinlauf, Laufrad, Leitvorrichtung) bestimmt.  

 

Für die Bestimmung des NPSHR-Wertes einer Pumpe wird der vorhandene anlagenbedingte NPSH-Wert (engl. available net positive suction head = NPSHA), also der Zulaufdruck, bei konstantem Förderstrom und konstanter Drehzahl verringert. Dabei ist entscheidend, welches Maß an Kavitation toleriert werden soll. Als Grenzwerte sind beispielsweise die Sichtbarkeit von Dampfblasen (NPSHi), ein definiertes Maß an Materialabtrag oder ein messbarer Prozentsatz x an Förderhöhenabfall (NPSHx) möglich. In der Praxis wird üblicherweise ein Förderhöhenabfall von 3% (NPSH3) gewählt, da dieser messtechnisch gut zu erfassen und technisch vertretbar ist. Die Abbildung verdeutlicht die unterschiedlichen Kavitationsausmaße, die zur Ermittlung des NPSHR-Wertes bei konstanter Drehzahl und Förderstrom herangezogen werden. 

 

Ermittlung des NPSHR-Wertes für unterschiedliche Kavitationskriterien in Kreiselpumpen

Ermittlung des NPSHR-Wertes für unterschiedliche Kavitationskriterien 

 

 

Der NPSHR-Wert einer Pumpe steht immer auch im Zusammenhang mit dem Fördermedium. Unterschiedliche Fördermedien besitzen unterschiedlich hohe Verdampfungsdrücke, sodass dementsprechend eine andere Druckhöhenabsenkung zur Bildung von Dampfblasenfeldern und einem Förderhöhenabfall führt. Deshalb ergeben sich für ein und dieselbe Pumpe je nach Fördermedium unterschiedliche NPSHR-Werte. Bei Fördermedien, deren thermodynamischer Zustand (Druck, Temperatur) näher am kritischen Punkt liegt, entsteht bei Unterschreiten des Dampfdruckes ein kleineres Gasvolumen, da die Dichte der flüssigen Phase näher an der Dichte der Gasphase liegt. In Folge dessen fallen die Intensität der Kavitation und die daraus resultierenden Folgen geringer aus: 

Der erforderliche NPSHR-Wert verringert sich mit steigender Temperatur des Fördermediums. Flüssige Kohlenwasserstoffe liegen bei Umgebungstemperatur deutlich näher an ihrem kritischen Punkt als kaltes Wasser und benötigen daher niedrige NPSHR-Werte.

Um letztendlich einen kavitationsfreien Betrieb einer Pumpe zu gewährleisten, ist anlagenseitig ein NPSHA bereitzustellen, das größer ist als der erforderliche NPSHR-Wert der Pumpe.

Gleichung 5.2

Wird dieses Kriterium nicht erfüllt, wird in der Pumpe der Dampfdruck unterschritten und es kommt zur Blasenbildung. Die Drosselkurve fällt dann entlang des entsprechenden „Abreißastes“ ab. In dem vorliegenden Beispiel kann der Betriebspunkt B nur mit dem größeren der beiden NPSHA-Werte erreicht werden. Damit Luftdruckschwankungen, Abweichungen von theoretisch ermittelten Werten, sowie Mess- und Bautoleranzen nicht ungeachtet bleiben, wird empfohlen, bei der Auswahl einer Kreiselpumpe einen Sicherheitszuschlag von 0,5m zu berücksichtigen.  

 

Abreißäste der Pumpenkennlinie bei NPSHA  

Abreißäste der Pumpenkennlinie bei NPSHA < NPSHR 

 

Saugfähigkeit einer Pumpe  

Die Saugfähigkeit einer Pumpe sagt aus, aus welcher Höhe die Pumpe das Fördermedium ansaugen kann, ohne dass dabei Kavitation auftritt. Bei einer Aufstellung einer Pumpe über dem Saugwasserspiegel, muss demnach bei waagerechter Welle und offenem Saugbehälter der Höhenunterschied zI größer sein als 

 

Gleichung 5.3

Ist der Saugbehälter geschlossen, sind Unter- und Überdrücke durch das entsprechende Vorzeichen von pI,e zu berücksichtigen sind. Es wird deutlich, dass die Höhe des atmosphärischen Luftdrucks eine erhebliche Auswirkung auf die Saugfähigkeit hat. Abgesehen von wetterbedingten Schwankungen von ± 5% um den ortsüblichen Mittelwert, verringert sich der Luftdruck mit zunehmender Höhenlage.  

 

Tabelle Luftdruck in unterschiedlichen Höhenlagen

Tabelle Luftdruck in unterschiedlichen Höhenlagen

  

 

Grundlagen zu Kreiselpumpen

Förderaufgabe von Kreiselpumpen

Auslegung von Kreiselpumpen

Betriebsverhalten von Kreiselpumpen

Kavitation in Kreiselpumpen

Wellenabdichtungen bei Kreiselpumpen

Elektromotoren als Pumpenantriebe

Automatisierungstechnik für Pumpenprozesse

Werkstoffe und Korrosionsverhalten

Ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit

Berechnungsbeispiele

Grundlagen zu Kreiselpumpen

Förderaufgabe von Kreiselpumpen

Auslegung von Kreiselpumpen

Betriebsverhalten von Kreiselpumpen

Kavitation in Kreiselpumpen

Wellenabdichtungen bei Kreiselpumpen

Elektromotoren als Pumpenantriebe

Automatisierungstechnik für Pumpenprozesse

Werkstoffe und Korrosionsverhalten

Ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit

Berechnungsbeispiele

© 2018 EDUR GmbH - IMPRESSUM DATENSCHUTZ