10. PROCESS-Pumpenforum Hier optimieren Pumpen-Fachleute ihren Wirkungsgrad

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Welche Kreisel- oder Verdrängerpumpe ist für die gegebene Förderaufgabe am besten geeignet? Und wie kann ich sicherstellen, dass die Pumpe ihren Job so effizient und zuverlässig wie möglich erledigt? Wer als Planer/Betreiber vor diesen Fragen steht, darf keinesfalls nur die Pumpe und das zu fördernde Medium im Blick haben. Das 10. PROCESS-Pumpenforum zeigte einmal mehr: Es gibt viele Stellschrauben auf dem Weg zur „perfekten“ Pumpe!

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Networking und Wissensaustausch sowie der Besuch der begleitenden Ausstellung zählen zu den Highlights des Pumpenforums, das auch in diesem Jahr wieder gemeinsam mit dem Schüttgutforum stattfand. Insgesamt 140 Teilnehmer fanden den Weg ins Vogel Convention Center Würzburg.
Networking und Wissensaustausch sowie der Besuch der begleitenden Ausstellung zählen zu den Highlights des Pumpenforums, das auch in diesem Jahr wieder gemeinsam mit dem Schüttgutforum stattfand. Insgesamt 140 Teilnehmer fanden den Weg ins Vogel Convention Center Würzburg.
(Bild: PROCESS)

Wer regelmäßig Tagungen besucht, kennt das leidige Problem: Bei vielen Referenten hat die Marketingabteilung noch rasch die aktuelle Unternehmenspräsentation eingefügt. Und penetrant steht das eigene Produkt im Mittelpunkt. Das ist beim PROCESS-Pumpenforum erfrischend anders: Auch in diesem Jahr ist es dem Moderator Dr. Friedrich-Wilhelm Hennecke und dem begleitenden Team der Vogel Business Media gelungen, Referenten zu gewinnen, die keine Werbung für das eigene Produkt machen, sondern die jeweilige Branche repräsentieren. Die Diskussionen im Anschluss an die Referate zeigten, dass die Teilnehmer eine solche Haltung schätzen!

Der Eröffnungsvortrag von Professor Eberhard Schlücker von der Universität Erlangen-Nürnberg widmete sich dem Thema „Die richtige Auswahl der Pumpe nach dem Medium“. Wie also kann man entscheiden, ob sich eine Pumpe grundsätzlich für ein Fördermedium eignet? Die erste Informationsquelle sind Checklisten zur Abfrage der Parameter des Mediums (Zusammensetzung, Viskosität, Druck und Temperatur) und der Pumpe (Bauart, Werkstoff, Kennlinien) sowie zur Klärung der gestellten Förderaufgabe. Doch das reicht keinesfalls, so Schlücker: „Wer eine Pumpe auslegen will, muss sich immer das komplette System anschauen – wer hier im Vorfeld patzt, legt den Grundstein für spätere Probleme im Betrieb.“

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Darüber hinaus ist noch wichtig zu prüfen, ob die gewählte Pumpe im optimalen Betriebspunkt arbeitet (jede Abweichung schadet der Pumpe!) und wie ihre Pulsationscharakteristik ist. Denn jede Pumpe, ob Kreiselpumpe oder Verdrängerpumpe, weist eine mehr oder weniger große Pulsation auf. Dies werde bei der Planung zu oft nicht berücksichtigt, so Schlücker. Was passiert? Es kommt zu Druckstößen, die unter Umständen die Pumpe zu Schwingungen anregen. Jede Frequenz kann dabei angeregt werden, auch die Eigenfrequenz der Anlage. Ergebnis könne sein, so Schlücker, dass eine derart schwingende Pumpe sich aus der Rohrleitung reiße. Ein sehr kleiner NPSH-Wert (das ist durchaus das Ziel mancher Planer) mag Auslöser solcher Pulsationen sein.

Beim Thema Wirkungsgrad weist Schlücker darauf hin: „Je kleiner die Pumpe baut, desto schlechter wird der Wirkungsgrad – das liegt u.a. an den Leckströmen, die sich bei kleineren Pumpen stärker auswirken.“ Auch die Viskosität beeinflusst den Wirkungsgrad einer Pumpe: Bei sehr geringer Viskosität verstärken sich die inneren Leckagen einer Verdrängerpumpe, der Wirkungsgrad nimmt ab. Mit zunehmender Viskosität nehmen zwar die innere Leckagen ab, jedoch wird die innere Reibung stärker. Deshalb gibt es für jede Verdrängerpumpe einen optimalen Punkt hinsichtlich Viskosität und Wirkungsgrad.

Die Möglichkeiten moderner Antriebstechnik

Vom hydraulischen Wirkungsgrad zum Motor-Wirkungsgrad: Das Trio Gerd Hufnagel, Fred Donabauer und Richard Rogall von ABB Automation referierte über Asynchron- und Synchronmotoren. Fakt ist: Die große Masse der als Pumpenantriebe eingesetzten Motoren sind Niederspannungs-Asynchron-Käfigläufermotoren. Mit den immer höher angesetzten Energieeffizienzanforderungen rücken Synchronreluktanzmotoren mit Frequenzumrichter stärker in den Blickpunkt.

Ein solcher Synchronreluktanzmotor kommt ohne Kurzschlusskäfige und ohne Permanentmagnete aus – aufgrund der kleineren Massenträgheit haben solche Motoren eine um 30 bis 50 Prozent höhere Dynamik und weisen eine deutlich höhere Energieeffizienz auf, bei sehr kompakter Bauweise.

Was das Trio ebenfalls thematisierte: Den Beschaffern von Anlagentechnik wie Generalplanern fehlen zunehmend ausreichende Engineering-Ressourcen, Pumpen werden deshalb oft nur zusammen mit dem Antrieb vergeben. Dem Pumpenlieferanten kommt damit eine Schlüsselstellung zu – die er aber mangels Kompetenz in der Antriebstechnik oft nicht erfüllen könne. ABB plädiert deshalb für strategische Partnerschaften zwischen Antriebsherstellern und Pumpenanbietern.

Kreiselpumpen: Die dominierende Spezies

Dr. Thomas Herbers von der Klaus Union „besang“ die universellen Einsatzmöglichkeiten von Kreiselpumpen. Es ist nun mal so, dass der überwiegende Teil aller in Betrieb befindlichen Pumpensysteme mit Kreiselpumpen ausgerüstet ist. Weltweit wird dieser Anteil auf ca. 73 Prozent geschätzt, branchenspezifisch (z.B. in der chemischen Industrie) kann der Anteil durchaus auch bei 85 bis 90 Prozent liegen.

Kein Wunder also, dass die Kreiselpumpe auch beim PROCESS-Pumpenforum leicht dominierte. Herbers Résumé: Kreiselpumpen sind aufgrund unterschiedlicher Hydrauliken und unterschiedlicher Dichtsysteme universell einsetzbar, ihre Leistung reicht von wenigen Watt (z.B. Heizungsumwälzpumpen) bis zu mehreren Megawatt (Kesselspeisepumpen, Pumpturbinen), und der Betreiber profitiert durch die umfangreiche Normung und Standardisierung.

Die Stunde der Verdrängerpumpen

Mit zunehmender Zähflüssigkeit und höheren Feststoffanteilen schlägt dann die Stunde der Verdrängerpumpen. Robert Kurz von Netzsch Pumpen & Systeme beschrieb in seinem Vortrag die Wirkprinzipien und Einsatzmöglichkeiten von rotierenden Verdrängerpumpen. Ein offenbar aus negativer Praxiserfahrung angebrachter Hinweis: Zwar seien Exzenterschneckenpumpen reversibel betreibbar, jedoch müsse der Anwender dann auf die Druckfestigkeit des Gehäuses achten – im allgemeinen erreiche die Pumpe höhere Drücke als ein Gehäuse aushalte. Generell limitierend sind höhere Temperaturen: Elastomere haben eine Grenze bei 150 bis 160 °C. Für Aufmerksamkeit sorgte ein gänzlich neuer Ansatz bei Drehkolbenpumpen: Durch Verwendung eines Zahnriemens entfällt das Getriebe zum Synchronisieren der beiden Wellen, und die Pumpe ist quasi wartungsfrei.

Christian Arnold von ProMinent konzentrierte sich auf oszillierende Verdrängerpumpen: Sie fördern stets Teilvolumina – dadurch ergeben sich auch die Haupteinsatzbereiche dieser Pumpen, das Dosieren und Mischen. Interessant sind diese zwei Entwicklungen: Mit der Vektor-Steuerung für Motorpumpen ist eine Einzelhubsteuerung möglich – das spart Energie: „Nur die tatsächlich benötigte Energie wird auch bereitgestellt“, verdeutlichte Arnold. Durch seine nur in einem Punkt zentrierten Kraftflüsse reduziert das Antriebskonzept Zentriplex deutlich den Materialaufwand.

Pumpen für Foodanwendungen

Rainer Pfeffer (Grundfos Hilge) und Manfred Thamm (Bayer Pharma) belegten mit den Besonderheiten bei Pumpen für Food- und Pharmaanwendungen ein kleines Schwerpunkt-Thema. Zusammengefasst ist beim Betrieb von Food&Beverage-Pumpen nicht nur auf die Kennlinie zu achten. Genauso wichtig sind Kenntnisse über das Produkt und die rheologischen Eigenschaften der zu fördernden Medien.

Pfeffer: „Damit das, was in die Pumpe eingebracht wird, mit gleicher Struktur und gleichen Inhaltsstoffen wieder auf der Druckseite herauskommt.“ Des Weiteren dürfen in Lebensmittelanwendungen nur Pumpen eingesetzt werden, die ein kompromissloses Hygienic Design mit entsprechend zugelassenen Werkstoffen vorweisen.

Pfeffer mahnt: „Bei der Forderung nach einer schonenden Förderung darf man nicht nur auf die Pumpe schauen, auch die Rohrleitungsführung ist entsprechend auszulegen.“ Und weiter: „Beim Hygienic Design reicht es nicht aus, dass die Pumpe hygienisch ist – die Anschlüsse müssen ebenfalls dem Hygienic Design genügen. Das gleiche gilt für die Gleitringdichtung und die verwendeten O-Ringe.“

Pumpen für Pharmaanwendungen

Noch einen Tick höher sind die Ansprüche an Pumpen für den Einsatz in der Pharmatechnik, wie Manfred Thamm verdeutlichte. Pharmazeutische Produkte müssen im Einklang mit rechtlichen Forderungen gefertigt werden; diese sind im Arzneimittelgesetz und der Betriebsverordnung für pharmazeutische Unternehmer mit den dazugehörigen GMP-Dokumenten niedergelegt. Thamm: „Eine wesentliche Erkenntnis aus den GMP-Regeln ist, dass die Qualität eines Arzneimittels erzeugt werden muss und nicht durch Kontrollen erreicht werden kann.“

Das erfordere ein definiertes Hygienic Design für Pumpen, insbesondere hinsichtlich der Werkstoffwahl, dem Pumpen-Design und der Einbaulage. Den Dichtungselementen komme ebenfalls hohe Bedeutung zu. Allerdings zeige die Praxis, so Thamm, dass in vielen Fällen die rückstandsfreie Reinigung einer Pumpe gar nicht möglich sei. Dann bleibe nur die Möglichkeit, die dem Produkt zugeordnete Pumpe vor der CIP-Reinigung auszubauen. Im Übrigen muss die Reinigung nicht nur zu einer sauberen Pumpe führen, dass ganze Prozedere muss bezahlbar bleiben (Wasser, Personal, Zeit).

Während elektropolierte Oberflächen im Lebensmittel- und auch Pharmabereich im Normalfall bevorzugt werden, gilt dies beim Transport von Mikroorganismen gerade nicht, wie Thamm hervorhob: Ist die Oberfläche zu glatt, haften Mikroorganismen um so besser, sind schlechter abreinigbar.

Bei Bayer Pharma sind rund 3500 Pumpen installiert, etwa 500 Aggregate stehen permanent in einem Pool zur Verfügung. Bei einem Pumpenausfall muss unmittelbar Ersatz bereitstehen: Jeder Produktionsausfall aufgrund einer schadhaften Pumpe würde dem Betrieb Verluste im sechs- bis siebenstelligen Euro-Bereich einfahren. Deshalb sind im Falle des Falles auch keine Kosten zu hoch, um Ersatzteile oder eine neue Pumpe zu besorgen – es kommt dann auch schon mal ein Hubschrauber zum Einsatz, wie zu hören war.

Nach dem Schaden: Analyse beugt Wiederholungen vor

In einer Pause zwischen den Vorträgen (mit der beste Teil solcher Veranstaltungen – zum Networking und Wissensaustausch!) durfte der Autor dieser Zeilen erstaunt zur Kenntnis nehmen, dass „branchenübergreifend etwa 50 Prozent der Pumpenschäden auf Trockenlauf zurückzuführen sind“ – also durch Bedienungsfehler entstehen.

Holger Döbert (er führt ein Sachverständigenbüro) präsentierte mit einprägsamen Bildern Beispiele vorzeitiger Pumpenschäden und diskutierte die vermutlich ursächlichen Gründe für Ausfälle. Auch für ihn gilt die zentraler Aussage: „Es kommt immer auf das System an, in der die Pumpe eingesetzt wird!“

Als klassische Schadensmechanismen führt er physikalische Effekte an: Also das Auskristallisieren bei gesättigten Lösungen (führt zu Problemen mit der GLRD), das Verkleben bei organischen Medien (führt zu Problemen bei den Gleitlagern) sowie das Sedimentieren unlöslicher Feststoffe.

Die Korrosion ist und bleibt eine der zentralen Ausfallursachen für Pumpensysteme: Problematisch sind generell aggressive Fördermedien und korrosive Verunreinigungen scheinbar harmloser Fördermedien. Chloridhaltige Medien führen zu Loch- und Spaltkorrosion, bei hochkonzentrierten Säuren ist mit Erosionskorrosion zu rechnen. Auch eine raue Betriebsweise ist zu vermeiden: Kurze Schaltzyklen, Betrieb über die ganze Kennlinie, fehlende Rückschlagklappen, Einbringen starker Vibrationen, grobe Handhabung durch ungeschultes Personal.

Durch richtige Wahl der Dichtung Schäden vermeiden

Wie man Schäden durch richtige Wahl der Dichtung vermeidet, das präsentierte Andreas Eiletz von EagleBurgmann – er referierte über den „Stand der Technik bei der Wellenabdichtung von Pumpen“. Seine zentrale Forderung: Der Betreiber muss wissen, was beim Fördern im Bereich der Dichtung passiert, insbesondere was im Dichtspalt los ist.

In jedem Fall stehen bei Abdichtungen die Anwendung und das abzudichtende Medium im Vordergrund. Daher erfolgt die Dichtungsauswahl immer zuerst nach dem Medium und dann nach dem konstruktiven Aufbau.

Eiletz empfiehlt den Einsatz von Cartridge-Dichtungen: Sie bieten als vormontierte Dichtung die größere funktionale Sicherheit, es sind (anders als bei Komponentendichtungen) keine Messfehler während der Montage zu befürchten, ein Eintrag von Schmutz oder Beschädigung der Gleitflächen während der Montage ist nicht möglich.

Auch beim so unscheinbaren O-Ring gilt: Für eine gute Dichtfunktion sind bestimmte Voraussetzungen zu erfüllen. Zu beachten sind die Nutgestaltung (ausreichende Verformung auch bei ungünstigsten Toleranzlagen, hohe Oberflächengüten, das Vermeiden scharfer Kanten, keine zu großen Spaltmaße), die O-Ring-Eigenschaften selbst (Einhalten der Maßtoleranzen, Werkstoffeigenschaften wie Beständigkeit und Druckverformungsresistenz, keine unzulässigen Oberflächenfehler) und selbstverständlich die korrekte Montage (keine Verunreinigungen auf den Dichtflächen, keine Verwechslung des Werkstoffes oder der Abmessung, O-Ring darf nicht über scharfe Kanten gezogen werden).

Erfahrungsorientiert wies Bernhard Richter vom gleichnamigen O-Ring Prüflabor auf die „Lieblingsfehler“ der Anwender hin und referierte über die zehn häufigsten Ausfallursachen von O-Ringen – Resultat einer Auswertung von über 500 durchgeführten Schadensanalysen. Spitzenreiter sind Mängel bei der konstruktiven Nutgestaltung (20,1 Prozent), Montagefehler (9,5 Prozent) und falsche Werkstoff- oder Rezepturwahl (8,8 Prozent). Richter: „Obwohl ein O-Ring im Cent-Bereich angesiedelt ist, will mancher Einkäufer dennoch Kosten einsparen; das rächt sich in aller Regel.“

Systemanalyse sichert den nachhaltigen Betrieb

Die Rentabilität einer Anlage wird primär durch deren Verfügbarkeit und den entstehenden Energiebedarf bestimmt. Erhöhte Energie- und Wartungskosten durch nicht-bestimmungsgemäßen Betrieb komplexer Komponenten beeinflussen die Lebenszykluskosten des Gesamtsystems nachhaltig, wie Dr. Falk Schäfer vom KSB Service berichtete.

Mit Hilfe von Systemanalysen können die Hauptkostentreiber in einer Anlage identifiziert werden. Grundlage hierfür ist der Einsatz mobiler Datenlogger-Messsysteme, die zeitgleich Prozess- und Schwingungsgrößen aufnehmen.

Dabei zeigt sich: Das durchschnittliche Energieeinsparpotenzial bei Pumpen mit starrem Antrieb liegt bei Systemen mit konstanter Last zwischen 5 und 20 Prozent, bei Systemen mit schwankender Last bei bis zu 50 Prozent und mehr. Der KSB Service hat bislang rund 50 Analysen durchgeführt, die Marktakzeptanz nehme erkennbar zu, wie Schäfer berichtete.

Fazit: Dr. Jörg Kempf, der stellvertretende Chefredakteur von PROCESS, brachte es am Ende der Veranstaltung auf den Punkt: „Wir haben nun alle unseren eigenen Wirkungsgrad etwas verbessert.“ Wohl wahr, wie mehrere Teilnehmer bestätigten: Sie zeigten sich beeindruckt von der Themenauswahl sowie der Qualität der Vorträge und Diskussionen.

Impressionen des 10. PROCESS-Pumpenforums finden Sie in unserer Bildergalerie.

Vorgemerkt: Das 11. PROCESS-Pumpenforum findet am 12./13. November 2013 wieder im VCC Würzburg statt.

* Der Autor ist freier Mitarbeiter bei PROCESS.

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