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Basiswissen Kreiselpumpe

Was sind Kreiselpumpen und für welche Anwendungen werden sie verwendet?

| Autor: Wolfgang Ernhofer, Matthias Back

Kreiselpumpen sind Strömungsmaschinen, die das Prinzip der Fliehkraft nutzen. Durch Rotation des Impellers sinkt der Druck im Zentrum und steigt am Rand des Pumpenrads.
Kreiselpumpen sind Strömungsmaschinen, die das Prinzip der Fliehkraft nutzen. Durch Rotation des Impellers sinkt der Druck im Zentrum und steigt am Rand des Pumpenrads. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Bei Kreiselpumpen – auch Zentrifugalpumpen genannt – handelt es sich um Strömungspumpen. Sie finden breite Anwendung in vielen Bereichen der Wirtschaft sowie im privaten Bereich. Im Folgenden erörtert der Artikel wichtige Informationen über das allgemeine Funktionsprinzip, die vielfältigen Bauarten und die Anwendungsmöglichkeiten von Kreiselpumpen.

Kreiselpumpen nutzen die Strömungseigenschaften von Flüssigkeiten zur Beförderung des fluiden Mediums aus. Es handelt sich also um sogenannte Strömungsmaschinen. Vor Beginn der Förderung muss die Pumpe vollständig mit Fluid gefüllt sein, da Gaseinschlüsse den Pumpvorgang durch die sogenannte Kavitation stören. Im Gegensatz zur Verdrängerpumpe kann hier die Flüssigkeit bei Stillstand der Pumpe jedoch auch rückwärts fließen.

Strömungspumpen basieren auf der Energieübertragung vom Pumpenrad auf die jeweiligen Fluide. Allerdings hat das fluide Medium auch großen Einfluss auf die Einsatzmöglichkeiten von Kreiselpumpen. Denn wenn besonders abrasive Flüssigkeiten mit vielen Feststoffteilchen oder gefährliche Schlämme gefördert werden sollen, eignen sich oft eher Membranpumpen, die eine Form von Verdrängerpumpen darstellen. Aufgrund der abrasiven Eigenschaften dieser Fluide kann es bei Kreiselpumpen zum vorzeitigen Verschleiß kommen.

Vielfach gibt es aber auch Innovationen im Bereich der Pumpenentwicklung, welche die Vorteile beider Pumpentypen miteinander kombinieren. So existieren unter anderem Kreiselpumpentypen, welche hinsichtlich Funktionsprinzip und Bauart zwischen Verdrängerpumpen und Strömungspumpen stehen. Dabei handelt es sich hauptsächlich um selbstsaugende Kreiselpumpen, die störende Gase aus dem Fluid selbstständig absaugen können. Zu den Kreiselpumpen gehören unter anderem Radialpumpen, Diagonalpumpen (Semiaxialpumpen), Axialpumpen, Peripheralradpumpen und Seitenkanalpumpen.

Allgemeines Funktionsprinzip von Kreiselpumpen

Die Kreisel- oder Strömungspumpen funktionieren nach dem Prinzip strömender Flüssigkeiten. Innerhalb der Flüssigkeit dreht sich das Laufrad und erzeugt ähnlich wie ein Löffel beim Rühren von Wasser in einem Glas einen sinkenden Druck zum Zentrum hin, wobei der Druck radial zum Laufrad steigt. Dabei kann sich das Medium parallel (axial), senkrecht (radial) oder diagonal zur Drehachse des Laufrades bewegen. Die Bewegungsrichtung des Mediums wird dabei durch die Form und Bauart des Laufrades bestimmt.

Eine reine Strömungspumpe funktioniert nur bei vollständiger Füllung mit Flüssigkeit, wobei das Medium immer wieder nachfließt. Dabei handelt es sich meist um eine normal saugende Kreiselpumpe. Die Gasanteile können bei dieser Pumpenart nicht selbstständig entfernt werden. Dadurch besteht die Gefahr, dass die Luft- und Gaseinschlüsse zur sogenannten Kavitation führen, also zur Zusammenlagerung der Dampf- oder Luftblasen. Die Gase sammeln sich dann im Zentrum und behindern so den Förderstrom. Dabei kann der Förderstrom sogar ganz unterbrochen werden. Ständige Kavitation fördert außerdem den Verschleiß des Laufrades und des Pumpengehäuses. Daher müssen Strömungspumpen mitsamt der Saugleitung immer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein. In Kombination mit einer Verdrängerpumpe kann die Strömungspumpe jedoch auch als selbstsaugende Kreiselpumpe fungieren. Bei diesem Pumpentyp werden eingeschlossene Gase selbsttätig abgesaugt.

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Einteilung nach Typen, Bauarten und Anwendungen

Die Einteilung der Kreiselpumpen erfolgt nach mehreren Kriterien. Dabei spielen Laufradform, Antrieb, Gehäuseaufbau, Stufenzahl und das zu befördernde Medium eine Rolle. Für jede Komponente der Pumpe gibt es wiederum verschiedene Bauarten, die in ihrer Kombination die Kreiselpumpenvielfalt bestimmen.

Jeder Kreiselpumpentyp ist wiederum nur für bestimmte Anwendungen geeignet. Dabei müssen vorher unter anderem einige Fragen geklärt werden. Zu diesen Fragen zählt die Art des zu fördernden Mediums, die Höhe der angestrebten Fördermenge, die Möglichkeit des Transportes von Flüssigkeiten mit Feststoffteilchen oder die Haltbarkeit des Materials gegenüber aggressiven Chemikalien. Anhand dieser Kriterien muss nun der geeignete Pumpentyp ausgewählt werden.

Einteilung nach Typen

Axialpumpen

Bei den Axialkreiselpumpen wird das Medium parallel zur Pumpenwelle gefördert. Sie bestehen aus einem rohrförmigen Pumpengehäuse, in welchem ein Propeller ähnliches Laufrad rotiert. Aufgrund dieser Bauart wird dieser Pumpentyp auch als Propellerpumpe bezeichnet. Über einen Rohrbogen wird die Flüssigkeit durch den Pumpenläufer spiralförmig transportiert. Diese Pumpen kommen hauptsächlich in Wasserwerken, in der Landwirtschaft oder in Schwimmbädern zur Anwendung.

Radialpumpen

Radialkreiselpumpen besitzen einen radialen Pumpenausgang. Der Flüssigkeitsaustritt findet also senkrecht zur Achse des Laufrades statt. Die Bauart des Laufrades verursacht eine höhere Zentrifugalkraft und erzeugt dadurch auch einen hohen Förderdruck. Allerdings sinkt der Volumenstrom gleichzeitig. Diese Pumpenart ist für die Förderung von dickflüssigen Medien besonders geeignet und findet daher größtenteils in der Erdöl verarbeitenden Industrie zum Erdöltransport Anwendung.

Diagonalpumpen

Die Diagonalkreiselpumpe fördert das fluide Medium schräg zur Laufradachse. Durch Anpassung der Bauweise der Laufräder kann sie das gesamte Spektrum zwischen axialer und radialer Förderung des Fluids abdecken.

Seitenkanalpumpen

Dieser Pumpentyp besteht aus einer Kombination von Verdränger- und Strömungspumpe. In der Vorstufe besitzt diese Pumpe ein spiralförmiges Schaufelrad. Die nachfolgende Stufe ist mit einem sternförmigen Pumpenrad ausgestattet. Dadurch bildet sich ein Flüssigkeitsring mit selbstansaugenden Eigenschaften. Bei vollständiger Füllung der Seitenkanäle wird die Flüssigkeit spiralförmig in das außen liegende Druckrohr gefördert. Bei dieser Pumpe kann unbeschadet Gas mitgefördert werden, weil dieses selbstständig abgesaugt wird. Allerdings besteht bei kleinsten Fördergrößen der höchste Kraftbedarf. Es dürfen auch keine abrasiven Bestandteile in der Flüssigkeit vorhanden sein, um die Pumpe vor Verschleiß zu schützen.

Peripheralradpumpe

Die Peripheralradpumpe arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip wie die Seitenkanalpumpe. Hier wird das flüssige Medium mithilfe eines Ansaugstutzens in einen ringförmigen Kanal gesaugt. Dort dreht sich ein Pumpenkreisel mit geraden Schaufeln. Damit wird die zu befördernde Flüssigkeit in Rotation versetzt. Das Medium fließt unter Druck durch den Ringkanal und verlässt diesen über einen Ablaufstutzen. Besondere Bedeutung besitzt die Peripheralradpumpe zur Beförderung kleiner Fördermengen bei hohen Drücken. Sie findet unter anderem Anwendung zur Beförderung von Kühlmitteln in Kälteanlagen oder zum Transport von Schneidölen in Werkzeugmaschinen.

Einteilung nach Bauarten

Die Bauart von Kreiselpumpen ist entscheidend für ihre Anwendungsmöglichkeiten und die optimale Förderleistung. Bestimmend für die Bauart ist das Laufrad, das Pumpengehäuse, der Pumpenantrieb und die Wellendichtung. Durch Bauart und Auslegung werden auch die wichtigsten Parameter der Kreiselpumpe beeinflusst. Zu diesen Parametern zählen unter anderem Förderhöhe, Fördermenge, Wirkungsgrad, Drehzahl, Haltedruckhöhe und Kupplungsleistung. Durch Hintereinanderschaltung von Kreiselpumpen kann dessen Förderdruck erhöht werden, während durch ihre Parallelschaltung die Fördermengen steigen.

Die Aufgabe des Laufrades besteht in der Übertragung der Bewegungsenergie auf das Medium. So beeinflusst die Effektivität der Energieübertragung auch die Förderleistung der Pumpe. Außerdem ist die Bauart des Laufrades auch für die Transportform des Mediums verantwortlich. Sie entscheidet also darüber, ob das Fluid axial, radial oder diagonal zur Laufradachse gefördert wird. Des Weiteren können Laufräder offen, halb offen oder geschlossen sein. Geschlossene Laufräder besitzen eine Deckscheibe, mit welcher die Laufradschaufeln miteinander verbunden sind. Auch das Vorhandensein und die Größe von Feststoffteilchen haben Auswirkungen auf die Auswahl des Laufrades. So entscheidet unter anderem die Art und Form des Laufrades darüber, ob die Pumpe für die Abwasserentsorgung oder gar für einen Feststofftransport verwendet werden kann.

Das Pumpengehäuse ist durch die Zu- und Abführung des Mediums charakterisiert. Die Konstruktion von Gehäuse und Laufrad beeinflusst den Wirkungsgrad der Pumpenleistung.

Die Welle überträgt die mechanische Energie vom Antrieb zum Laufrad. Dabei muss die Welle gegen das Gehäuse abgedichtet werden. Das stellt besonders bei aggressiven Flüssigkeiten eine große Herausforderung dar. Als Wellenabdichtungen kommen neben den ältesten Formen der Wellenabdichtung wie der Stopfbuchse, der Radialwellendichtring oder der Gleitrichtdichtung auch solche moderne Formen wie Labyrinthdichtung oder Magnetkupplung infrage. Auch hier entscheiden der Anwendungsbereich und das Medium über die geeignete Wellenabdichtung.

Lese-Tipp der Redaktion Wasser ist einer der wichtigsten Ressourcen für die deutsche Prozessindustrie. Das PROCESS Spezial Wasser/Abwasser blickt in die Zukunft der Branche und beschäftigt sich besonders mit der Wiederverwendung und Aufbereitung, Aspekten der Digitalisierung im Wasser-/Abwasser-Handling und innovativen Technologien und Lösungen.

Der Pumpenantrieb erfolgt bei kleineren und mittleren Anwendungen über Elektromotoren. In Kraftwerken werden Dampfturbinen und in speziellen Fällen auch Gas- oder Wasserturbinen als Pumpenantrieb verwendet.

Anwendungsbeispiele für Kreiselpumpen

Kreiselpumpen kommen unter anderem in der Wasserversorgung, im Abwasserbereich, in der chemischen Verfahrenstechnik, bei der Erdölaufbereitung sowie im Lebensmittel- oder Pharmaziebereich zum Einsatz. Neben der Anwendung als Industriekreiselpumpen stellen sie ebenfalls auch unverzichtbare Helfer im Hausbereich dar.

Die Einsatzgebiete von Kreiselpumpen umfassen unter anderem das folgende Spektrum:

  • Druckerhöhung in fluiden Medien
  • Einsatz in Druckerhöhungsanlagen
  • Förderung großer Mengen von aggressiven Medien
  • Einsatz im Bereich des Hauses
  • Einsatz als Umwälzpumpen in Heizungs- und Klimaanlagen
  • Förderung von aggressiven und explosiblen Medien
  • Einsatz in Bau- und Landwirtschaft zur Entwässerung und Beregnung
  • Einsatz in der pharmazeutischen und chemischen Industrie
  • Einsatz in Kühlkreisläufen
  • Umpumpen von Flüssigkeiten aus Behältern und Tanks
  • Abpumpen von Flüssigkeiten aus Behältern und Tanks
  • Einsatz für schwierige Förderaufgaben

Hochdruckkreiselpumpen

Hochdruckkreiselpumpen dienen zur Druckerhöhung. Es können Förderdrücke von mehr als 60 bar erreicht werden. Diese Pumpen werden unter anderem in Wasserwerken, Beregnungsanlagen oder Druckerhöhungsanlagen eingesetzt.

Blockkreiselpumpen

Blockkreiselpumpen besitzen einen modularen Aufbau. Dabei ist der Pumpenantrieb mit dem Pumpensystem auf einer horizontalen Unterkonstruktion zusammengebaut. Die Reihenschaltung der Kreiselpumpen erzeugt eine Druckerhöhung, die individuell gestaltet werden kann. Die Konstruktion der Blockkreiselpumpen kann daher an die speziellen Bedingungen in Wasseraufbereitungsanlagen oder Druckerhöhungsanlagen angepasst werden.

Chemiekreiselpumpen

In der chemischen Industrie müssen häufig aggressive und korrosive Flüssigkeiten gefördert werden. Das stellt auch besondere Anforderungen an Kreiselpumpen. Um auf die Wellenabdichtung verzichten zu können, werden hier meist berührungslose Magnetkraftkupplungen eingesetzt. Ansonsten kommen dabei Kreiselpumpen mit sehr unterschiedlicher Bauweise zur Anwendung, die auch wieder den speziellen Erfordernissen entsprechen müssen.

Hauswasserkreiselpumpen

Hauswasserkreiselpumpen eignen sich als Brunnenpumpen oder als Pumpen in Beregnungsanlagen für Gartenanlagen und in vielen weiteren Bereichen des Hauses. Auch ein Anschluss ans Hauswassernetz als Druckerhöhungspumpe ist möglich. Unter diesem Pumpentyp gibt es sowohl selbstsaugende als auch normal saugende Kreiselpumpen.

Inlinekreiselpumpen

Inlinekreiselpumpen dienen als Umwälzpumpen in Heizwerken, Klimaanlagen oder Kältemaschinen. Ihre Bauform ist vertikal. Außerdem können sie Fördermengen bis zu 900 Kubikmeter pro Stunde bei einem Druck bis zu 16 bar erreichen.

Magnetkreiselpumpen

Magnetkreiselpumpen zeichnen sich durch eine berührungsfreie Magnetkraftübertragung zum Pumpenrad aus. Sie werden in der chemischen Industrie zur Förderung von aggressiven und entzündlichen Chemikalien eingesetzt. Aufgrund ihrer Bauweise sind diese Pumpen vor Korrosion geschützt.

Selbstansaugende Kreiselpumpen

Selbstansaugende Kreiselpumpen werden häufig zur Entwässerung im Bauwesen oder in Beregnungsanlagen für die Landwirtschaft verwendet. In diesen Bereichen ist es notwendig, dass die Pumpe immer wieder selbstständig entlüftet werden kann. Außerdem müssen diese Pumpen vorher nicht mit Flüssigkeit gefüllt sein, bevor sie arbeiten. Sie sind also sofort einsatzfähig.

Minikreiselpumpen

Auch für kleine Fördermengen in der Chemie und Pharmazie gibt es entsprechende Kreiselpumpen. Dabei handelt es sich um sogenannte Minikreiselpumpen, die unter anderem in der chemischen Prozesstechnik geeignet sind, kleinere Mengen an Säuren zu fördern. Voraussetzung ist auch hier die Magnetkraftübertragung der Energie vom Pumpenantrieb auf das Pumpenrad, weil mit aggressiven Medien gearbeitet wird. Das Pumpengehäuse ist hermetisch abgeschlossen, um einen vorzeitigen Verschleiß zu verhindern. Minikreiselpumpen stellen außerdem eine gute Alternative zu Schlauchpumpen dar, die in diesem Bereich oft eingesetzt werden. Im Gegensatz zu diesen sind sie in der Lage, in der Pharmazie pulsationsfrei zu dosieren.

Kleinkreiselpumpen

Kleinkreiselpumpen fördern kleine Mengen von Fluiden bei sehr hohen Drücken. Sie finden Anwendung in der Prozesswasserdosierung, als Laborpumpen oder als Tauchpumpen im Garten. Des Weiteren sind sie für die Kühlmittelförderung in Werkzeugmaschinen verantwortlich.

Tauchkreiselpumpen

Oft ist es notwendig, verschiedene Fluide aus Containern oder Tanks schnell umzupumpen. Für diesen Zweck eignen sich sogenannte Tauchkreiselpumpen sehr gut. Diese können sogar fest am Tank installiert sein. Bei diesen Pumpen ist das Laufrad offen. Das ermöglicht es ihnen, auch stark verschmutzte Medien zu fördern. Des Weiteren sind Tauchpumpen zur Förderung von stark viskösen Fluiden bei einer Temperatur bis zu 95 Grad Celsius in der Lage.

Vertikalkreiselpumpen

Vertikalkreiselpumpen werden zur Absaugung von Flüssigkeiten aus Behältern verwendet. Die Pumpen zeichnen sich durch einen vertikalen Aufbau aus, wobei der Pumpenantrieb über die gemeinsame Welle mit dem Pumpenrad vertikal verbunden ist. Dadurch ist es möglich, das Pumpenrad mit Gehäuse in das Medium einzutauchen, um das Fluid aus dem Behälter nach oben zu pumpen.

Spezialkreiselpumpen

Spezialkreiselpumpen sind Kreiselpumpen für spezielle Anwendungen. So gibt es Einsatzgebiete, wo herkömmliche Strömungspumpen versagen, weil sie entweder nicht robust genug sind oder weil andere Hinderungsgründe vorliegen. Spezialkreiselpumpen sind in der Lage, bis zu 350 Grad heiße Fluide zu fördern. Beispielsweise werden diese Pumpen häufig in der Fernwärmeversorgung eingesetzt. Aber auch für komplexe Anwendungen in der Verfahrenstechnik können diese Pumpen verwendet werden.

Fazit

Kreiselpumpen finden in allen Bereichen Einsatzmöglichkeiten, wo strömende Flüssigkeiten transportiert werden müssen. In einigen Fällen können sie auch Verdrängerpumpen ersetzen. Selbstabsaugende Kreiselpumpen stellen sogar eine Kombination von Verdrängerpumpen und Strömungspumpen dar.

Ergänzende Informationen finden Sie auf der Website des VDMA Fachverbands Pumpen+Systeme, sowie bei diversen Fachveranstaltungen:

VDI-Seminar – Optimierung von Pumpensystemen

PROCESS-Pumpen-Forum

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