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Selbstansaugende Pumpen

Selbstansaugende Pumpen

Einer der wichtigsten Parameter einer Pumpe ist die Ansaughöhe. Nach dem Anhalten  der Pumpe fließt die Flüssigkeit üblicherweise aus der Ansaugrohrleitung heraus. In diesem Fall ist es so, dass die Pumpe nach dem Wiederanfahren auch den Luftpfropfen mitzubefördern hat, der in der Rohrleitung entstanden ist.  Für solche Zwecke werden selbstansaugende Pumpen genutzt, die imstande sind, Luftportionen durchzulassen und weiterzuarbeiten.

Es existieren zahlreiche Abarten von selbstansaugenden Pumpen, die sich sowohl durch die Anzahl der Laufräder als auch durch deren Typ und Werkstoff unterscheiden. Die selbstansaugenden Pumpen können für das Umpumpen nicht nur von Klarwasser, sondern auch von Erdöl, Abwasser und anderen Flüssigkeiten verwendet werden.

Die selbstansaugenden Pumpen kommen dann zum Einsatz, wenn eine oder mehrere folgender Bedingungen erfüllt sind:

  • die Selbstansaugbarkeit;
  • das Umpumpen von Fördermedien mit festen Einschlüssen;
  • das Umpumpen von hochabrasiven Fördermedien;
  • das Umpumpen von zähen Flüssigkeiten.

Selbstansaugende Pumpen gehören meistens zu einem der folgenden Typen:

  • Volumenpumpen;
  • Wirbelpumpen;
  • Flüssigkeitsringpumpen;
  • Zentrifugalpumpen;
  • Ejektorpumpen (mit Innen- oder Außenejektor).

Die Ansaugfähigkeit gestattet es, die Pumpe über dem Niveau der Förderflüssigkeit anzuordnen (Oberflächenpumpe), ohne dass es erforderlich ist, wie bei einer Semi-Tauchpumpe das Arbeitsorgan oder wie bei einer Tauchpumpe das gesamte Pumpenaggregat zusammen mit dem Motor im Volumen des Arbeitsmediums unterzubringen.

Die selbstsaugenden Wirbelpumpen dienen gewöhnlich zum Umpumpen von sauberen Medien ohne feste Einschlüsse und mit einer niedrigen Zähigkeit. Die einfache Konstruktion und Bedienungsfreundlichkeit gleichen deren relativ niedrige Förderleistung und Wirkungsgrad aus.

Die selbstansaugenden Flüssigkeitsringpumpen werden zum Umpumpen von schäumenden Flüssigkeiten sowie von Wasser, Heizöl und Dieselkraftstoff eingesetzt.  Beim Betrieb solcher Pumpen geht ein Teil der Arbeitsflüssigkeit unvermeidlich verloren, weil er zusammen mit dem Fördermedium fortgetragen wird.  

Als selbstansaugende Pumpen werden auch Wirbel- und Wasserringpumpen mit einem Seitenkanal eingesetzt. Solche Pumpen besetzen die Nische zwischen den Volumen- und den Zentrifugalpumpen und sind für das Umpumpen von Gas-Flüssigkeits-Gemischen bestimmt, die keine abrasiven Partikeln enthalten. Die selbstansaugenden Pumpen mit einem Seitenkanal weisen folgende Eigenschaften auf:

  • selbstansaugende Fähigkeit;
  • die Möglichkeit, Gas zu befördern, ohne dass der Flüssigkeitsstrom gestört wird;
  • keine Schäden beim Trockenlauf,
  • niedriger NPSH-Wert.

Die selbstansaugenden Kolbenpumpen haben eine stark begrenzte Ansaughöhe,  erfordern eine ständige Reinigung der Ventile bei der Ansaugung und Förderung sowie das Auswechseln von Kolbenringen beim Umpumpen eines verschmutzten Mediums. Sie kommen hauptsächlich auf Schiffen zur Anwendung.

Im Bereich der individuellen Wasserversorgung trifft man oft selbstansaugende Zentrifugalpumpen. Bezogen auf die zentrifugalen Pumpen bedeutet der Begriff „selbstansaugend“, dass sie imstande sind, ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch (einschließlich der Gasblasen) umzupumpen sowie in der ansaugenden Rohrleitung Niederdruck zu erzeugen, damit die Flüssigkeit hochgehoben wird und anschließend das innere Volumen füllt. Unten sind einige Besonderheiten dieser Pumpenart beschrieben.

Konstruktive Besonderheiten der selbstansaugenden Zentrifugalpumpen

  • Einfache Bauart und ein einziger beweglicher Teil – das Laufrad;
  • theoretische Möglichkeit, das Laufrad anzuschleifen;
  • leichter Zugang zum Laufrad für Sichtkontrolle;
  • die Anwendbarkeit bei Medien mit recht großen festen Einschlüssen;
  • die Möglichkeit, die selbstansaugende Pumpe außerhalb des Fördermedium-Volumens anzuordnen; dadurch wird die Bauart weniger kompliziert sowie technische Durchsicht und Instandhaltung wesentlich erleichtert. Durch die Möglichkeit einer laufenden Überwachung der Pumpe wird die Wahrscheinlichkeit schwerer Schadensfälle stark verringert.
  • Ziemlich lange Lebensdauer. Die voraussichtliche Betriebszeit der selbstansaugenden Pumpe, die regelmäßig ordnungsgemäß gewartet wird, beträgt mindestens 20 Jahre.
  • Selbstansaugende Pumpen sind lieferbar mit einer freien Welle. Zum Lieferumfang gehört ein Elektro-, Diesel- oder Benzinmotor bzw. eine Wasserturbine. Sie können auch in einer explosionsgeschützten Ausführung geliefert werden.

Anwendungsgebiete von selbstansaugenden Pumpen

Selbstansaugende Pumpen finden überall in ganz verschiedenen Bereichen Anwendung: angefangen von der chemischen Industrie und bis zur Wasserversorgung von Privathäusern. Sie werden zum Umpumpen von Flüssigkeit aus Abflussbrunnen, Tanks und unterirdischen Speichern eingesetzt.

Selbstansaugende Pumpen finden Anwendung in der Wärme- und Kältetechnik, in Wasserleitungen und der Kanalisation etc. Unter bestimmten Bedingungen kann eine selbstansaugende Pumpe auch für das Abpumpen von Luft aus der Ansauglinie genutzt werden. Die maximale Ansaugleistung der Pumpe ist maßgeblich für die zulässigen Abmessungen und Konfiguration der ansaugenden Rohrleitung.

Industrie

Die selbstansaugen Industriepumpen haben im Gegensatz zu den Haushaltspumpen in der Regel eine höhere Leistung und Zuverlässigkeit. Sie werden verwendet in verschiedenen Produktionsstätten und Erdölspeichern, zur Beseitigung verschütteter Chemikalien in den Chemiebetrieben sowie im Bergbau und Hüttenwesen, in der Zellstoff- und Papierindustrie, Erdöl- und Erdgasverarbeitung, Wasserversorgung und Abwasserentsorgung.

Umpumpen verschiedener Fördermedien:

  • saubere oder leicht verunreinigte, neutrale, saure oder alkalische Flüssigkeiten;
  • Flüssigkeiten, die Sand, Rost, Schlamm oder feste Partikeln im Schwebezustand enthalten;
  • saubere oder verunreinigte Ölprodukte mit niedriger Viskosität (Benzin, Heizöl, Dieselkraftstoff ohne Zusätze, Paraffin etc.);
  • Lösemittel;
  • Kalkmilch;
  • Aerosole und Schaum;
  • Ätznatronlauge etc.

Die selbstansaugenden Industriepumpen dienen zur Spülung und Abkühlung der Maschinenwerkzeuge und Schleifringe, zur Umwälzung von Flüssigkeiten beim Schneiden und Abhärten, zur Abscheidung von Rauch, zum Auswaschen von Treibstoffbehältern etc.

Bauwesen

Das Abpumpen von Hochwasser; das Umpumpen von Abwasser; Brandlöschung; Abscheidung gefährlicher Flüssigkeiten; Baggerarbeiten zum Abpumpen von Wasser aus Gruben, Kanälen oder Gewässern; Trockenlegung oder Senkung des Grundwasserpegels (zur effizienten Fundamentlegung während der Bauarbeiten); Wasserzuführung aus Bohrungen oder Kanälen; Waschung von Betonoberflächen. Die selbstansaugenden Pumpen finden auch Anwendung bei der Herstellung von Baustoffen sowie bei der Reparatur und Instandhaltung von Ver- und Entsorgungsleitungen.

Arbeiten auf See

Be- und Entladen von flüssigen Medien; Pump- und Trockenlegungsarbeiten; Umpumpen von Salz- oder Meereswasser; Brandlöschung; Wasserzufuhr für sanitäre Dienste etc.

Abfallentsorgung

Umpumpen von verschmutzten, warmen oder korrosiven Abwässern; Umpumpen von Wasser, das Sand, Schlamm oder feste Partikeln im Schwebezustand enthält; Dosierung von Ausgleichflüssigkeiten; Abpumpen von Schlamm.

Landwirtschaft

Oberirdische Bewässerung und Berieselung; Umpumpen und Zerstäuben von Gülle oder flüssigen Düngemitteln; Verteilung von Flüssigfutter für Tiere; Umpumpen von Presskuchen, Jungweinen und Fruchtsäften etc.

Konstruktion selbstansaugender Pumpen

Der übliche Aufbau von selbstansaugenden Pumpen:






Bei der üblichen Anordnung wird das Arbeitsorgan der Pumpe zusammen mit dem Elektromotor außerhalb des Volumens der umgepumpten Flüssigkeit über deren Oberfläche platziert. Direkt in die Flüssigkeit wird nur die Ansaugleitung eingetaucht. Sie endet mit einem Rücklaufventil, das erforderlich ist, um das Zurückfließen der Flüssigkeit in den natürlichen oder künstlichen Speicher zu verhindern. Die Druckleitung transportiert ihrerseits die Flüssigkeit von der Pumpe zum Kunden und kann ebenfalls mit einem Rückflussverhinderer ausgestattet sein.

Das Gehäuse der selbstansaugenden Pumpe kann aus Gusseisen, Bronze, rostfreiem Stahl und aus sonstigen Legierungen hergestellt werden. Die selbstansaugenden Haushaltspumpen für Wasser werden ebenfalls aus rostfreiem Stahl, Kupferlegierungen und Verbundkunststoffen angefertigt.

Funktionsprinzip

Die selbstansaugende Pumpe gestattet es, ohne eine zusätzliche externe Ansaugvorrichtung auszukommen. Da die Pumpe sich über dem Niveau der abgepumpten Flüssigkeit befindet, ist es notwendig, vor dem Wechsel zum Betriebsmodus das Fördermedium auf eine bestimmte Höhe zu erheben, welche die maximale Ansaughöhe nicht überschreiten darf. Gewöhnlich braucht man für das Anlassen der selbstansaugenden Pumpe keine vorherige Befüllung der Ansaugrohrleitung, jedoch eventuell vorherige Befüllung der Arbeitskammer. Das Vorhandensein eines Rücklaufventils an der Ansaugleitung macht eine wiederholte Befüllung der Pumpe vor dem Anlassen nicht mehr nötig. “Trockenes” Anlassen der Pumpe ist nicht erwünscht, da es zum Ausfall einzelner Bauteile oder der Pumpe insgesamt führen kann.

Luftentzug aus dem System

Selbstansaugende Pumpe erfordert nicht den Einbau einer Reihe von komplizierten Ventilen für die Luftabfuhr. Sobald das Gas-Flüssigkeits-Gemisch in das Arbeitsvolumen der Pumpe gerät, beginnt die Phasentrennung, bei der die Luft nach oben geleitet und über den Austrittsstutzen hinausgeführt wird, während das Wasser weiter in der Pumpe umgewälzt wird. Das dauert so lange, bis die Luft vollständig entfernt ist. Danach funktioniert die ansaugende Pumpe als gewöhnliche Pumpe weiter. Zusätzlich kann eine Luftverteilungskammer zum Abzug von Gaseinschlüssen aus dem System sowie eine Befüllungskammer genutzt werden, in der der Vorrat an Flüssigkeit aufbewahrt wird, der zum Anlassen des Ansaugprozesses in die Pumpe zu leiten ist.






Das Anlassen der selbstansaugenden Pumpe mit Eintritts- und Verteilungskammer sieht im Detail wie folgt aus. Die Bauart der Pumpe gestattet es, den Arbeitsbereich der Pumpe stets so zu füllen, dass das Laufrad vollständig durch das Fördermedium überflutet wird. Nach dem Einfüllen kann die Flüssigkeit das ihr zugewiesene Volumen unmöglich selbständig verlassen, wobei der Luftdruck vor und nach der Pumpe konstant bleibt.

Beim Anlassen der Pumpe wird das Volumen der vorher eingefüllten Flüssigkeit unter Einwirkung der Zentrifugalkräfte des Laufrades in die Verteilungskammer geleitet. Dadurch entsteht Unterdruck in der Ansaugrohrleitung, deshalb beginnt das Ansaugen von Luft. Die angesaugte Luft wird mit der vorher eingefüllten Flüssigkeit vermischt. Deswegen fängt das Rad damit an, das Gas-Luft-Gemisch zu fördern. Sobald das Gemisch in die Verteilungskammer gelangt, beginnt der Trennungsprozess: dabei entweicht die Luft Druckleitung, während die Flüssigkeit auf das Laufrad zurückfließt. Damit kommt es zur Verlagerung von Gas aus der Ansaugrohrleitung ohne reelle  Verlagerung der vorher eingefüllten Flüssigkeit.

Mit Verringerung des Luftanteils in der Ansaugrohrleitung fängt die geförderte Flüssigkeit an, sich in Richtung auf die Pumpe hinzubewegen, bis sie am Laufrad ankommt. Zu diesem Zeitpunkt ist bereits die gesamte Luft aus der Ansaugrohrleitung entfernt, so dass die Pumpe nunmehr als gewöhnliche Kreiselpumpe funktioniert. Nach demselben Prinzip werden auch vereinzelte Lufteinschlüsse befördert, die während des  Pumpenbetriebs bereits nach dem Erreichen der üblichen Betriebsweise entstehen können.

Kennzeichnende Besonderheiten selbstansaugender Pumpen

Die selbstansaugende Fähigkeit  kann bei verschiedenen Pumpentypen vorkommen, wobei jeder Typ bestimmte Besonderheiten aufweist, die nur ihm eigen sind. Nachfolgend eine Liste der Vor- und Nachteile von selbstansaugenden Kreiselpumpen, da sie besonders weit verbreitet sind.

Vorteile:

  • die Möglichkeit, verunreinigte Medien sowie Medien mit Gaseinschlüssen zu fördern,
  • hoher Wirkungsgrad,
  • Selbstbefüllung der Ansaugrohrleitung beim Anlassen der Pumpe,
  • nahtloser Übergang der Prozesse bei der Betriebsarten-Änderung,
  • einfache Bedienung und Wartung.

Nachteile:

  • begrenzte Ansaughöhe,
  • die Notwendigkeit der vorherigen Überflutung der Pumpe und entsprechender Kontrolle, um das Anlassen und den Betrieb „im Trockenen“ zu vermeiden.

Ansauglinie selbstansaugender Pumpen






Die maximale Förderhöhe beim Ansaugen beträgt gewöhnlich 7-8 m (hs). Dabei ist zu berücksichtigen, dass dieser Wert nicht allein die unmittelbare Höhe einschließt, auf die jeweils die Flüssigkeiten von der Oberfläche des geförderten Mediums bis zu der Pumpe gehoben werden, sondern auch den hydraulischen Widerstand, welcher von der Ansaugrohrleitung erzeugt wird (Reibungsverluste + Verluste bei den lokalen Widerständen).

Das Nenndurchmesser der Rohrleitung in der Ansauglinie darf nicht geringer sein als das Nenndurchmesser des Eintrittsstutzens der Pumpe. Die Gesamtlänge der Ansauglinie wird möglichst klein gehalten, um den summarischen Widerstand zu verringern, dessen Zunahme sich negativ auf die Ansaugleistung der Pumpe auswirkt.

Auch die Hermetisierung der Ansauglinie ist ein kritischer Faktor: die Lecks können eine Betriebsstörung der selbstansaugenden Pumpe verursachen, falls Luft in die Ansaugrohrleitung gerät, und letztlich zum Ausfall der Pumpe führen.

Auch die Konfiguration der Ansaugleitung spielt eine wichtige Rolle. Sie muss in der Pumpenrichtung ständig aufsteigend sein und darf keine Bereiche enthalten, wo sich Lufttaschen bilden können. Denn durch solche Luftaschen werden nicht nur die Ansaugbedingungen verschlechtert, sondern es fällt auch schwer, sie aus der Rohrleitung zu entfernen.






Oft werden an der Ansaugrohrleitung (speziell am Eintritt) zusätzliche Ausrüstungen eingebaut: z.B. ein Rücklaufventil und ein Filter. Der Rücklaufventil hindert das Fördermedium daran, aus der Ansaugrohrleitung zurückzufließen. Somit wird die Überflutung der Pumpe beim Wiedereinlassen sowie die Hebung der Flüssigkeit aus dem Entnahmespeicher bis zur Pumpe nicht nötig. Anstelle eines Rücklaufventils kann auch ein einfaches nichtrücklaufendes Ventil verwendet werden. Ein Filter kommt zur Anwendung, falls das Fördermedium durch verschiedene Beimengungen stark verschmutzt ist – etwa durch Schmutzstücke, Blätter, Papier, Holzspäne oder feinen Steinsplitt.






Eine gewöhnliche Pumpe kann unmöglich eine selbstansaugende Pumpe ersetzen. Wenn aber eine Alternative fehlt, kann eine einfache Pumpe doch als Ersatz dafür eingesetzt werden. In diesem Fall wird es jedoch erforderlich sein, vorher sowohl die Pumpe selbst als auch die gesamte Ansauglinie mit Flüssigkeit zu füllen, was öfters mit Schwierigkeiten verbunden ist. Beim Gelangen von Luft in die Ansaugrohrleitung könnte eine nichtselbstansaugende Pumpe kaputt gehen; außerdem wird man vor der Wiederaufnahme des Pumpenbetriebs die gesamte Prozedur der Befüllung von Ansaugleitung jedes Mal wiederholen müssen. In der Praxis führen derartige Notlösungen lediglich zu unnötigen Kosten und zur Beschädigung der Ausrüstungen. Deshalb wird es empfohlen, zur Wasserhebung aus der Tiefe ausschließlich selbstansaugende Pumpen einzusetzen, die dafür extra vorgesehen sind, sowie deren Parameter gemäß den berechneten Ansaugbedingungen auszuwählen.

Wichtige Hinweise für den Betrieb von selbstansaugenden Pumpen

  • Vor dem Anlassen der selbstansaugenden Pumpe ist die Prozedur der vorherigen Befüllung durchzuführen, um einen „Trockenstart zu vermeiden, der zum Pumpenausfall führen kann.
  • Der Gegendruck, der in der Druckrohrleitung wegen Ansammlung von Luftblasen entsteht, behindert das Passieren von Luft durch die Ansaugrohrleitung. Um solche Situationen an der Druckrohrleitung zu vermeiden, ist zwischen der Pumpe und dem Rücklaufventil ein Luftabscheidungsventil einzubauen, mit dessen Hilfe die Gaseinschlüsse aus dem System entfernt sein werden.
  • Bei den selbstansaugenden Pumpen ist Stirndichtung vorzuziehen. Bei der Stopfbuchsendichtung kann nämlich Luft hineingeraten: dies könnte die Befüllung erschweren sowie die Betriebseigenschaften verschlechtern.
  • Bei der Auswahl einer selbstansaugenden Pumpe ist stets die erforderliche Förderhöhe von Flüssigkeiten zu beachten: dazu müsste man die NPSH-Kurven (Haltedruckhöhe der Pumpe) auswerten.
  • Es ist äußerst wichtig, die Leckmöglichkeiten unter Kontrolle zu halten, weil dadurch die selbstansaugenden Eigenschaften der Pumpe sinken oder völlig verlorengehen können.
  • Bei den Berechnungen ist die kleinstmögliche Ansaughöhe und Länge der Ansaugrohrleitung und somit auch eine kürzere Befüllungszeit anzustreben. Eine übermäßig lange Befüllungszeit kann zur Verdunstung der Flüssigkeit in der Befüllungssektion führen, bevor die Befüllung abgeschlossen ist.
  • Beim Einsatz der Pumpe an verschmutzten Abschnitten wird der Einbau eines Siebfilters empfohlen, um die Ansammlung von festen Beimengungen in der Befüllungssektion zu verhindern.
  • Zum Vermeiden von Gegendruck in der Druckrohrleitung, der die Befüllung der selbstansaugenden Pumpe behindern kann, ist unbedingt der Einbau einer Befüllungs-Bypassleitung vorzusehen.