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Tauchpumpen und Semi-Tauchpumpen

Tauchpumpen

Allgemeine Beschreibung

Die Fortentwicklung von Pumpenausrüstungen hat zur Schaffung verschiedener Typen von Pumpenaggregaten geführt, die auf die Lösung bestimmter Aufgaben spezialisiert sind. Zu diesen Aufgaben gehört unter anderem die Notwendigkeit, das Wasser aus der Tiefe oder aus schwer zugänglichen Stellen abzupumpen. Die Flüssigkeit wird in der Regel über eine Rohrleitung an das Pumpenaggregat herangeführt. In einzelnen Fällen ist es jedoch möglich, die Pumpe direkt am umzupumpendem Medium aufzustellen, so dass man an den Ansaugteil der Rohrleitung verzichten kann.

Je nach gegenseitiger Lage des umgepumpten Mediums und der Pumpenteile unterscheidet man einen oberflächlichen, halbgetauchten und getauchten Typ.






Im ersteren Fall wird das Pumpenaggregat über der Oberfläche der umgepumpten Flüssigkeit angeordnet, während deren Entnahme über ein Fallrohr erfolgt. Solche  Pumpen benötigen keine extra Hermetisierung, sind leichter herzustellen und haben eine einfache Bauart. Die Benutzung einer Ansaugleitung ist jedoch mit einigen Problemen verbunden, was die Anwendung von Oberflächenpumpen stark einschränkt. Da für die Beförderung großer Flüssigkeitsmengen sinnvollerweise Kreiselpumpen eingesetzt werden, sind Maßnahmen zur Verhinderung von Kavitation vorzusehen. Bei der Kavitation handelt es sich um die Bildung von Luftbläschen in einem Flüssigkeitsstrom, was zur Beschädigung und dem Ausfall der Pumpe führen kann.  Beim Abpumpen aus geringer Tiefe bleibt kavitationsbedingter Verschleiß aus. Aber mit zunehmendem Abstand zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und dem Laufrad wird es spürbar. Somit entsteht die Notwendigkeit, entweder einen anderen Pumpentyp oder zusätzliche Baugruppen zu verwenden, was zur Verteuerung des Pumpenaggregats führt. Außerdem ist es in manchen Fällen erforderlich, dass die Pumpe mobil bleibt und schnell von einem Einsatzort zu einem anderen gebracht werden kann. Eine einfache Oberflächenpumpe wird nicht immer derartigen Anforderungen gerecht.

Im Rahmen dieser Klassifizierung sind die Tauchpumpen die Alternative zu den Oberflächenpumpen. Das Arbeitsorgan und der Motor so einer Pumpe sind in einem luftdichten Gehäuse untergebracht, das direkt in die abzupumpende Flüssigkeit eingetaucht werden kann. Damit wird dafür gesorgt, dass die Pumpe sich ständig unter der Einfüllungsebene befindet und die Länge des Einsaugstutzens gleich Null ist. Bei einer Tauchpumpe braucht man also keine extra Maßnahmen zum Vermeiden von Kavitation und Trockenlauf zu treffen. Als Folge ist die Tiefe, von der sich die Flüssigkeit abpumpen lässt, lediglich durch die Druckhöhe eingeschränkt, die von der Pumpe erzeugt werden kann. Dadurch ist es möglich, die Tauchpumpen dort einzusetzen, wo  die Oberflächenpumpen sich als unanwendbar oder als ineffizient erweisen.

Einteilung und Funktionsprinzip

Am vollständigsten ist die Einteilung von Tauchpumpen nach Anwendungsgebieten. In der Regel stellt jede Aufgabe strikte Anforderungen an die Bauart und die Möglichgkeiten von Pumpenausrüstungen, so dass die Pumpen jeder Gruppe bestimmte ähnliche Eigenschaften aufweisen. Man unterscheidet folgende Arten von Tauchpumpen:

  • Brunnenpumpen;
  • Drainagepumpen;
  • Fäkalienpumpen;
  • Bohrlochpumpen.

Die Brunnen-Tauchpumpen sind in der Regel am einfachsten gegenüber allen anderen Tauchpumpen. Das ist dadurch bedingt, dass sie ausschließlich für die Entnahme von sauberem Wasser ohne grobe Beimengungen bestimmt sind. Aus diesem Grund werden die Brunnenpumpen nicht bis zum Boden runtergelassen, sondern arbeiten in einem „schwebenden“ Zustand, um die Mitnahme von bodennahen Schlamm-Massen zu vermeiden. Sie werden eingesetzt, falls der Wasserpegel um 8 Meter tiefer als die Erdoberfläche liegt, so dass man keine Oberflächenpumpe mehr anwenden kann.  Die Maximaltiefe der Wasserschicht, bei der die Brunnenpumpen anwendbar sind, beträgt ca. 20 m.

Die Drainagepumpen sind im Gegensatz zu den Brunnenpumpen bereits dazu geeignet, verschmutzte Flüssigkeit mit festen Beimengungen (Schlamm, Sand etc.) zu befördern. Zu diesem Zweck können an der Pumpe spezielle Zerkleinerungsvorrichtungen und Siebe montiert werden, damit keine übermäßig großen festen Einschlüsse herein gelangen.

Die Fäkalienpumpen sind gegenüber den Drainagepumpen für härtere Einsatzbedingungen konzipiert und müssen imstande sein, zähflüssige Medien mit recht großen harten Einschlüssen zu befördern. Um die Arbeit mit stark verschmutzten Flüssigkeiten zu ermöglichen, können sie auch mit Zerkleinerungsvorrichtungen ausgestattet werden.

Die Bohrlochpumpen sind, wie der Name besagt, für das Abpumpen von Wasser aus Bohrlöchern bestimmt. Sie kommen also zur Anwendung, falls es notwendig ist, das Wasser aus großer Tiefe abzupumpen. Aus Rationalitätsgründen werden Bohrlöcher kleineren Durchmessers und großer Tiefe geteuft. Deswegen haben die Tiefbrunnenpumpen eine längliche Zylinderform und werden zum Vermeiden des Steckenbleibens im Bohrloch so ausgewählt, dass das Außendurchmesser der Pumpe jeweils um 1 bis 2 cm kleiner ist als das Bohrlochdurchmesser. Da das Niveau der Förderflüssigkeit viel niedriger liegen kann als die Erdoberfläche, müssen die Bochrlochpumpen einen hohen Förderdruck erzeugen und werden deshalb mehrstufig ausgeführt.

Es gibt zwei Arten von Bohrlochpumpen: mit und ohne Stangen. Die stangenlosen Pumpen sind typische Tauchpumpen, bei denen der Motor und die Laufräder im selben luftdichten Gehäuse miteingebaut sind. Bei den Stangen-Bohrlochpumpen befindet sich der Motor außerhalb des Gehäuses, während die Bewegung mittels mechanischer Verbindung – der Stange – an die Pumpe übertragen wird. Die Stangenpumpen kommen bei der Erdölförderung besonders oft zur Anwendung und fallen auf durch die  Schwengelböcke, welche die Bewegung an die Stange übertragen.

Nach dem Funktionsprinzip werden die Tauchpumpen in Kreiselpumpen (Zentrifugalpumpen), Schraubenpumpen (Spindelpumpen), Schwingungspumpen (Membranpumpen) und Wirbelpumpen eingeteilt. Die Verwendung des einen oder anderen Prinzips für die Beförderung von Flüssigkeit ist durch die Parameter bedingt, die sich aus der vor der Pumpe gestellten Aufgabe ergeben. Die Tauchpumpen behalten die Vor- und Nachteile jenes Pumpentyps, dessen Fördermechanismus sie verwenden. So sind die Schwingungspumpen ziemlich zuverlässig, zeichnen sich jedoch durch relativ niedrige Durchflussmenge und Förderdruckwerte aus. Die Schrauben- Tauchpumpen eignen sich für das Abpumpen von zähflüssigen und sensiblen Föderprodukten. Falls es notwendig ist, einen hohen Förderdruck bei großer Durchflussmenge zu erzeugen, wird eine mehrstufige Kreisel-Tauchpumpe eingesetzt.

Bauart

Eine kennzeichnende konstruktive Besonderheit aller Tauchpumpen besteht darin, dass das Arbeitsorgan und der Motor bei ihnen im selben Gehäuse untergebracht sind.  Da die Pumpe im Betriebszustand vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht wird, wird deren Gehäuse luftdicht ausgeführt, damit keine Flüssigkeit in den Motor gerät. Die Stromversorgung erfolgt mit Hilfe eines Kabels, das bereits an der Oberfläche ans Stromnetz angeschlossen wird. Der Förderstutzen der Tauchpumpe kann sowohl an ein starres Rohr über einen Flansch als auch an einen flexiblen Schlauch angeschlossen werden, falls die Flüssigkeit nicht aus einem horizontalen Brunnen abgepumpt wird oder die Eintauchtiefe sich ändert.






Darüber hinaus kann von der Außenseite ein Tragseil an der Tauchpumpe befestigt werden: es hält die Pumpe im Betriebszustand in der vorgegebenen Tiefe. Das Seil wird beim großen Gewicht des Pumpenaggregats benutzt, falls die Festigkeit des Starkstromkabels nicht ausreicht. Außerdem kann die Tauchpumpe mit einem Schwimmer versehen werden: das ist eine hohle Kunststoffkammer, die mittels einer speziellen Leine mit der Pumpe verbunden ist. Der Schwimmer signalisiert den Pegel und kann die Pumpe in Gang setzen, wenn der Wasserpegel sich erhöht und der aufschwimmende Schwimmer das Anspannen des Seils verursacht. Somit kann man eine Tauchpumpe so einstellen, dass das vorgegebene Wasserniveau gehalten wird, indem man das überschüssige Wasser abpumpt.

Die Flüssigkeits-Ansaugstelle kann bei den Tauchpumpen noch zusätzlich durch ein Schutzsieb abgedeckt werden, damit keine übermäßig großen harten Einschlüsse auf das Arbeitsorgan gelangen, weil sie Verklemmung oder Beschädigung der Pumpe verursachen können.

Der Innenaufbau der Tauchpumpe hängt von deren Typ ab. Als Beispiel kann man die am meisten verbreitete Variante einer zentrifugalen Tauchpumpe nehmen. Auf einer gemeinsamen lagergestützten Welle befindet sich der Rotor des Elektromotors sowie ist das Laufrad mittels einer Konsole befestigt. Die Welle ist abgedichtet auf dem Abschnitt zwischen dem Rad und dem Motor, um einen Kurzschluss durch das Geraten der Förderflüssigkeit in den Elektromotor zu vermeiden. Das Funktionsprinzip der Tauchpumpe unterscheidet sich gar nicht vom Funktionsprinzip einer gewöhnlichen  Pumpe desselben Typs.

Vor- und Nachteile

Zu den positiven Eigenschaften von Tauchpumpen zählt man:

  • die Möglichkeit, Flüssigkeiten aus großen Tiefen abzupumpen;
  • die Möglichkeit, Flüssigkeiten aus schwer zugänglichen Stellen  abzupumpen;
  • niedrige Lärmbelastung während des Betriebs;
  • zusätzliche Abkühlung durch die umgebende Flüssigkeit.

Die beiden ersten Punkte sind die ausschlaggebenden Vorteile von Tauchpumpen gegenüber allen anderen. Wegen der ganz besonderen Aufgaben, für die dieser Pumpentyp bestimmt ist, sind die anderen Pumpentypen dafür unanwendbar.   Das Abpumpen von Flüssigkeiten aus großen Tiefen mittels Oberflächenpumpen ist entweder unmöglich wegen nicht ausreichender eigener Ansaugkraft und der entstehenden Kavitation oder macht die Oberflächenpumpe übermäßig kompliziert und übermäßig teuer. Die Tauchpumpe besitzt in diesem Fall den maßgeblichen Vorteil, weil es viel leichter ist, einen hohen Förderdruck für das Hochpumpen der Flüssigkeit zu erzeugen, als eine hohe Ansaugkraft zu erreichen.

Man darf auch nicht außer Acht lassen, mit welcher Effizienz die Tauchpumpen Flüssigkeiten aus verschiedenen Gruben, Bohrlöchern, Kellern und ähnlichen Orten abzupumpen vermögen. Dank ihrer Bauart sind die Tauchpumpen mobil und können in beliebigen Tiefen arbeiten: die maximale Einsatztiefe hängt nur von der Förderdruckleistung der Pumpe und der Länge des Starkstromkabels ab. Die Anwendbarkeit selbst für stark verschmutzte Fördermedien ermöglicht den Einsatz von Tauchpumpen für das Abpumpen der Flüssigkeit aus der bodennaher Schicht verschiedener Becken und Behälter, wo sich große Mengen an Schlamm und anderen Sedimenten ansammeln können.

Der Einsatzmodus, bei dem das Pumpengehäuse sich unmittelbar im Flüssigkeitsvolumen befindet, sorgt für zusätzliche Vorteile und eine Verbesserung bestimmter Betriebsparameter der Pumpe. So werden die von der Pumpe erzeugten Schwingungen und somit auch der entstehende Lärm teilweise durch die Flüssigkeit absorbiert, so dass die Lärmbelastung durch die Pumpe insgesamt geringer wird. Es gibt eine einfache Gesetzmäßigkeit: je größer die Tiefe und das Wasservolumen, in dem die Pumpe untergebracht ist, desto mehr Lärm wird das Medium während des Betriebs absorbieren. Ein anderer Vorteil des Pumpenbetriebs im Flüssigkeitsvolumen ist zusätzliche Abkühlung der Pumpe. Das ist damit verbunden, dass die Intensität der Wärmeabgabe im System Pumpe/Wasser weit höher ist als im System Pumpe/Luft.

Aber die Ausrichtung der Pumpenausrüstungen an der Lösung ganz bestimmter beschränkter Aufgaben bringt unvermeidlich einige Nachteile mit sich. Durch den Einsatz neuartiger Technologien und Werkstoffe können manche dieser Nachteile können behoben und die negativen Auswirkungen der anderen Nachteile auf ein vertretbares Niveau gesenkt werden.

Anwendung

Die Tauchpumpen decken ein ziemlich großes Anwendungsgebiet ab, das sowohl die Wasserversorgung der Haushalte als auch den Bergbau umfasst. Die Brunnen-Tauchpumpen dienen gewöhnlich zur Wasserversorgung an den Orten ohne Anschluss an eine zentrale Wasserleitung, wobei das Wasser aus der Brunnentiefe entnommen wird. Falls es in geringer Tiefe keine wasserführenden Schichten gibt, jedoch die Möglichkeit besteht, artesisches Wasser aus einem Bohrloch zu entnehmen, werden spezielle Bohrlochpumpen eingesetzt. Deren kompliziertere Bauart ist durch die Notwendigkeit bedingt, Wasser aus großen Tiefen (über 100 m) zu entnehmen.

Die Brunnen- und Bohrlochpumpen finden Anwendung auch im Bergbau zum Abpumpen von Grundwasser aus Bohrlöchern und Bergwerksgruben. Außerdem können mit Hilfe von Bohrlochpumpen Seltenerdmetalle gewonnen werden. Dafür wird das Laugungsverfahren genutzt, bei dem die wertvollen Komponenten von Erzen mit Hilfe von Speziallösungen in löslichen Zustand überführt werden. Dann werden sie abgepumpt und das Zielmetall daraus hereingewonnen.

Die Drainage- und Fäkalienpumpen, die geeignet sind, Flüssigkeiten aus den Bodenschichten abzupumpen, wo die Konzentration verschiedenartiger harter Einschlüsse hoch ist, werden ebenfalls für die Lösung einer breiten Palette von Aufgaben verwendet. In den Haushalten wird mit deren Hilfe Wasser aus Schwimmbädern oder überfluteten Kellern abgepumpt; beim Einsatz von Pumpen mit Zerkleinerungsvorrichtung ist auch das Abpumpen von Wasser aus Abflussgruben und Gewässern möglich. Die Drainagepumpen werden für ähnliche Aufgaben während der Naturkatastrophen und Havarien eingesetzt, wenn die Entwässerung von überfluteten Räumen notwendig ist.

Die Fäkalienpumpen finden breite Anwendung auch im Bereich der Abwasserableitung und Kanalisation. Sie werden mit Erfolg sowohl im Kanalsystem eines Landhauses als auch in den Abwasserpumpwerken eingesetzt, wo die Durchflussraten weit höher sind. Einer der Vorteile von Drainage- und Fäkalienpumpen ist in diesem Fall auch die Möglichkeit, stark verschmutztes Wasser aus großer Tiefe abzupumpen.

Semi-Tauchpumpen

Allgemeine Beschreibung und Klassifizierung

Die Semi-Tauchpumpen sind ein sehr breit gefasster Begriff, der eine Vielzahl von Pumpentypen mit unterschiedlichen Ausführungen vereint. Hinsichtlich ihrer räumlichen Lage zählen die Semi-Tauchpumpen ebenfalls zu den Vertikalpumpen, weil die Laufradwelle speziell bei Kreiselpumpen vertikal angeordnet ist. Vom Funktionsprinzip her gibt es sowohl volumetrisch als auch dynamisch wirkende Pumpen, was mit der Möglichkeit zusammenhängt, verschiedene Arbeitsorgane zu nutzen: zentrifugale Räder, Schrauben etc.

Besonders umfassend ist die Klassifikation von Semi-Tauchpumpen nach Anwendungsgebieten, weil solche Aufgaben wie das Abpumpen von Flüssigkeiten oder das Entleeren von Becken überall anzutreffen sind: von der Nahrungsmittelindustrie bis hin zur Ölförderung. Die Semi-Tauchpumpen haben so breite Anwendbarkeit von den gewöhnlichen Oberflächenpumpen geerbt, deren Funktionsprinzip sie übernommen haben. So gibt es Semi-Tauchpumpen für Erdöl, Drainage, Chemie etc.

Bauart

Bei den Semi-Tauchpumpen gibt es einige Baugruppen, die allen Untertypen gemeinsam sind. Zu diesen Baugruppen zählen: Elektromotor, Arbeitsorgan und vertikales zylinderförmiges Gehäuse (Fallrohr). Der Motor und das Arbeitsorgan befinden sich an verschiedenen Enden des zylinderförmigen Gehäuses, das teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht wird. In solcher Lage gerät das Arbeitsorgan ins Volumen der abzupumpenden Flüssigkeit hinein, während der Elektromotor oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche bleibt. Innerhalb des Gehäuses befindet sich eine Welle: sie  überträgt die Drehbewegung vom Elektromotor zum Arbeitsorgan. Die Arbeitswelle ist durch eine flexible Kupplung mit der Abtriebswelle des Motors verbunden.






Als Arbeitsorgan dient jeweils ein Zentrifugal- oder Wirbelrad, eine Exzenterschraube oder ein Kolben. Somit kann das Funktionsprinzip einer Semi-Tauchpumpe sowohl volumetrisch als auch dynamisch sein. Dank solcher Vielfalt können diese Pumpen mit einer breiten Palette von Flüssigkeiten sowie bei verschiedensten Verschmutzungsgraden und Durchflussmengen arbeiten. Die Einsatzmöglichkeiten von Semi-Tauchpumpen hängen jeweils vom genutzten Typ des Arbeitsorgans ab.

Die Semi-Tauchpumpen werden gewöhnlich mit Hilfe einer extra Platte befestigt, sie mittels Bolzen an den Deckel des Beckens angeschraubt wird, aus dem die Flüssigkeit abzupumpen ist. Die Platte ist starr mit dem Pumpengehäuse verbunden. Bei kleineren Semi-Tauchpumpen (etwa bei Fasspumpen) kann man auf eine Befestigungsplatte verzichten.

Vorzüge und Vorteile

Als ein Zwischentyp zwischen den Tauch- und den Oberflächenpumpen vereinen die Semi-Tauchpumpen die Vorteile beider Typen, sind jedoch in den meisten Fällen nicht imstande, jene ganz besonderen Aufgaben zu erfüllen, für die die beiden erstgenannten Typen konzipiert worden sind. Zugleich aber können die Semi-Tauchpumpen dank dieser Zwischenstellung einige andere Aufgaben effizienter lösen.

Es werden folgende Vorteile gegenüber den Oberflächenpumpen genannt:

  • Sinnvolle Anordnung beim Abpumpen von Flüssigkeiten aus den Becken;
  • Kein langer Ansaugstutzen;
  • Ständiger Betrieb unter dem Befüllungsniveau.

Bei der Verwendung von Semi-Tauchpumpen ist es nicht nötig, einen langen Ansaugstutzen zu installieren, um die Flüssigkeit vom Boden des Beckens abpumpen zu können. Dadurch entfällt gleich das Kavitationsproblem sowie die Notwendigkeit, eine starke eigene Ansaugkraft mit der Pumpe zu erzeugen. Bei den Semi-Tauchpumpen mit Zentrifugalrädern kann man außerdem ohne zusätzliche Vakuumpumpen für die primäre Befüllung der Arbeitskammer auskommen, weil sich das Arbeitsorgan bereits mitten im Flüssigkeitsvolumen befindet und unter der Füllstandshöhe arbeitet.

Eine Semi-Tauchpumpe kann man als eine einfache Oberflächenpumpe betrachten, jedoch in einer Vertikalausführung sowie mit einem weit herausragenden Arbeitsorgan. Bei solcher Lage befindet sich ein Großteil der Pumpe in der Flüssigkeit, während über der Oberfläche nur ein vertikal angeordneter Elektromotor ragt, der viel weniger Platz in Anspruch nimmt. In manchen Fällen kann man dadurch den zugänglichen Raum einsparen, auch die Montage wird erleichtert.

Als Preis für diese Vorteile muss man etwas größere Metallintensität und eine kompliziertere Bauart der Semi-Tauchpumpen gegenüber den Oberflächenpumpen in Kauf nehmen.

Gegenüber den Tauchpumpen gibt es folgende Vorteile:

  • viel einfachere Bauart;
  • keine vollständige Hermetisierung der Pumpe ist nötig;
  • vereinfachte Wartung und Reparatur.

Da der besonders verwundbare Teil der Pumpe – der Elektromotor – sich über dem Flüssigkeitsniveau befindet, kann sowohl die vollständige Hermetisierung der Pumpe als auch eine dichte Anordnung der Einzelteile innerhalb des Gehäuses entfallen. Damit wird die Fertigung weit weniger kompliziert und der Preis der Pumpen niedriger. Die Überwasseranordnung des Motors vereinfacht dessen Reparatur und Wartung, weil es dazu nicht nötig ist, die ganze Pumpe herauszuholen. Bei der Reparatur des Arbeitsorgans ist das dennoch erforderlich.

Anwendung

Die Bauart und die kennzeichnenden Besonderheiten der Semi-Tauchpumpen sind maßgeblich für deren effizienten Anwendungsgebiete. Sie werden am häufigsten zum Abpumpen von Flüssigkeiten aus Becken und Behältern mit konstanter Tiefe sowie aus Fässen und Tanks genutzt. Beim Einsatz in relativ niedrigen Tiefen gelingt es, von den Vorteilen der Tauchpumpen zu profitieren, ohne die Bauart und die Wartung stark zu komplizieren.

Das Abpumpen von Flüssigkeiten aus großen Tanks und Becken erfolgt mittels Semi-Tauchpumpen, die mittels einer extra Platte starr befestigt werden, während für das Abpumpen von Flüssigkeiten aus kleineren Behältern kompaktere Fasspumpen genutzt werden, deren Befestigung viel einfacher bzw. gar nicht nötig ist.

Die Semi-Tauchpumpen werden überall eingesetzt, weil praktisch in allen Produktionsbranchen die Notwendigkeit besteht, Behälter zu entleeren, die für Lagerung oder Transport von flüssigen oder zähen Stoffen verwendet werden. Als Beispiele seien hier genannt: Erdölbranche, Chemie, Pharmazie, Nahrungsmittelwirtschaft, Wasserver- und entsorgung sowie die Verfahren zur Reinigung und Neutralisierung von Schadstoffen. Die Pumpen dieser Art finden auch Anwendung beim Transport von flüssigen und zähen Stoffen – z.B. zum Entleeren von Fässen und Kesselwagen.