Warum auch smarte Pumpen Planer und Bediener brauchen

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Verdränger sind besonders effizient

Robert Kurz (Netzsch) ist von der Leistungsfähigkeit rotierender Verdrängerpumpen naturgemäß sehr überzeugt: „Auch wenn’s mal zäh kommt – Exzenter- und Drehkolbenpumpen schaffen das.“ Und er macht das nicht an theoretischen Erwägungen fest, sondern an einem Beispiel aus der Praxis.

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Aus der aktuellen Forschung: Von Druckwellen und modularen Pumpen

Als Wissenschaftler ist Professor Schlücker in nationalen wie internationalen Gremien und Arbeitskreisen vertreten. So konnte er auf dem Pumpen-Forum über interessante aktuelle Forschungsprojekte berichten.

Druckstöße und Druckpulsationen vermeiden

Beispielsweise über den temporären Arbeitskreis „Druckwellen“. Hier geht es um die Schwingungsanregung und Schädigungsinduzierung in chemischen und petrochemischen Rohrsystemen und daran angeschlossenen Apparaten.

Alle Pumpen und Kompressoren pulsieren und senden je nach Pumpen- oder Kompressoren-Typ mehr oder weniger starke Druckpulsationen und Schockwellen in die Anlage. Darüber hinaus sorgen Ventilschnellschlüsse, spontane Pumpenanfahrvorgänge, falsche Reihenschaltungen von Pumpen oder Phasenwechsel in Strömungen (Kondensation, Verdampfung, Kavitation) für ein ähnliches stoßbehaftetes oder schwingendes Verhalten. Die Folgen solcher Effekte sind Bauteilermüdung, Störungen von Sensoren, Geräuschbelästigungen, Verschleiß und Fehlfunktionen bei Dosierprozessen, Reaktionen und Mischvorgängen.

Damit sind Schwingungen eine der Hauptursachen für Störungen in fluidführenden Anlagen – Stichwort Resonanzkatastrophen (z.B. Ermüdungsbrüche). Druckstöße und Druckpulsationen sind Phänomene, die möglichst vermieden werden sollten. Dazu müssen ihre Ursachen und Wirkungen aber erst verstanden werden – das versuchen Fachleute im Arbeitskreis „Druckwellen“.

„Modulares Equipment für energieeffiziente chemische Produktion“

Interessant ist auch das Projekt „Modulares Equipment für energieeffiziente chemische Produktion“ – hier geht es darum, mit modularem Equipment Projektlaufzeiten zu reduzieren und gleichzeitig die Energieeffizienz in der chemischen Industrie zu verbessern. Das zentrale Ziel des Projektes ist es zu zeigen, dass ein modulbasierter Ansatz die Wiederverwendung von bereits in früheren Projekten entworfenen Anlagenblöcken ermöglicht. Es wird ein modulbasierter Planungsansatz entwickelt, der darauf abzielt, das am besten geeignete Equipment aus einer Datenbank auszuwählen und zu konfigurieren und nicht individuell zu entwerfen.

Der Ansatz wird beispielhaft mit Pumpen unterschiedlicher Bauart demonstriert. Es wird eine Überwachung entwickelt, die den dynamischen Betriebszustand der Pumpe beobachtet. Das System wird generisch für jede Art von Pumpe ausgelegt – beispielsweise sind die Anschlussmaße unabhängig vom Wirkprinzip der Pumpen, allein definiert durch den geförderten Volumenstrom. Dies ermöglicht eine schnelle Auswahl der energieeffizientesten Pumpe; auch der Austausch von Pumpen gegen effizientere Modelle wird erleichtert.

Die Ausgangslage: Der Kunde fördert Fremdschlamm mit einem Trockensubstanzanteil bis 32 % (pastös, nicht fließfähig) mit Kolbenpumpen in den Verbrennungsofen. Aufgrund der ungünstigen Rohrleitungsführung (baulich bedingt) kommt es immer wieder zu Beschädigungen an der 35 m langen Rohrleitung – jedes Jahr fallen Kosten in sechsstelliger Höhe an, zur Reparatur der Rohrleitungen sowie zur Wartung und technischen Überprüfung der Kolbenpumpen (Hydraulikaggregate lecken regelmäßig – ein Gefahrenpotenzial). Nach Einsatz einer Exzenterschneckenpumpe verzeichnet der Betreiber eine deutliche Reduzierung der Instandhaltungs- und Wartungskosten. Die Standzeit des Stators liegt bei immerhin 9600 Betriebsstunden. Den erschütternd geringen energetischen Wirkungsgrad erwähnte er eher kurz …

„Hidden Champion“ der Prozessindustrie?

Thomas Böckenbrink (Lewa) ist indes eher ein Fan der oszillierenden Verdrängerpumpe, konkret der Hochdruck-Prozessmembranpumpe. Ist sie in der Leistungsklasse bis 200 m³/h und bis 800 bar eine hocheffiziente Alternative zu Kreiselpumpen? Womöglich gar der „Hidden Champion“ der Prozessindustrie? Böckenbrink verweist auf diese Fakten: Prozessmembranpumpen haben einen Gesamtwirkungsgrad von 85 bis 93 % – auch in Teillast. Eine Chemienormpumpe hat im besten Fall einen Wirkungsgrad von 80 % (häufig sind es lediglich 40 bis 60 %). Und: Es kommt zu einer erheblichen Reduktion des Wirkungsgrades bei verändertem Betriebspunkt. Eine High-speed-Kreiselpumpe erreicht nur einen Wirkungsgrad von maximal 60 % – und je nach Betriebspunkt reduziert sich das schnell auf Werte zwischen 25 und 55 %.

Bei einer typischen Anwendung in der Chemie (Transport von Flüssiggas mit einem Förderstrom zwischen 5 und 20 m³/h und einem Betriebsdruck von 110 bar) errechnet Böckenbrink bei Energiekosten von 15 ct/kWh und 8000 h/a diese Daten:

Prozessmembranpumpe mit einem Leistungsbedarf von 68 kW: 81.600 €.

Mehrstufige Kreiselpumpe mit einem Leistungsbedarf von ca. 130 kW: 156.000 € (also jährlich 74.400 € mehr als die Prozessmembranpumpe).

High-speed-Kreiselpumpe mit einem Leistungsbedarf von ca. 150 kW: 180.000 € (also jährlich 98.400 € mehr als die Prozessmembranpumpe).

Natürlich ist die Prozessmembranpumpe teurer in der Investition. Aber bei derart hohen Einsparungen bei den Energiekosten scheint doch Luft nach oben zu bestehen.

Flexibel sind Prozessmembranpumpen auch, wie dieses klassische Debottleneck-Projekt zeigt: Bei einer Kresol-Anlage sollte der Wirkungsgrad erhöht werden. Die Lösung: Bei der Edukt-Hochdruckpumpe muss auf vorhandenem, begrenzten Raum die Leistung von 300 auf 500 bar erhöht werden. Die Realisierung: Schadraumoptimierung (FEM), strömungsoptimierter Pumpenkopf (CFD), optimierte Membranauslenkung, Spezial- Membraneinspannung für 500 bar, Konstruktion für Spezial- Hochdruckdichtungen (Betriebssicherheit).

Ein spannendes Highlight der Förderprozess-Foren 2016 –die Exkursion zur Staatlichen Feuerwehrschule in Würzburg:

Förderprozess-Foren 2016: Exkursion Staatliche Feuerwehrschule Würzburg

Ein Programm-Highlight des ersten Veranstaltungstages war die Exkursion zur Staatlichen Feuerwehrschule Würzburg, die seit 1949 durch qualifizierte Aus- und Fortbildung die Arbeit der bayerischen Feuerwehren vor Ort unterstützt.

Schulleiter und Brandoberrat Michael Bräuer ...

... gab den Teilnehmern zunächst einen kurzen Einblick in die Aufgaben und Tätigkeitsfelder der Feuerwehrschule.

Anschließend ging es gruppenweise auf Führung durch die neue Feuerwehr-Übungshalle, die erst kürzlich eingeweiht wurde. Die Halle hat 22 Millionen Euro gekostet und bietet mit einer Grundfläche von knapp einem Fußballplatz und mit 21 Metern Höhe überdachten Raum ...

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Auch Daniel Nägel (Feluwa) betonte den hohen energetischen Wirkungsgrad seiner Verdrängerlösung: Die Doppel-Schlauchmembranpumpe Ecotrans Multisafe mit Anbau-Kolbenkompressor und Bypass-Fördermengenregulierung setze Maßstäbe in Bezug auf Betriebssicherheit und Verfügbarkeit. Nur die Schlauchmembranen, die korrosions- und abrasionsbeständigen Ventile sowie die Sammelleitung kommen mit dem Medium in Kontakt. Die zylindrische Form der Membran begünstige das Fließverhalten und sorge für eine schonende Förderung von scherempfindlichen Medien. Die Standzeit lässt aufhorchen: MTBR >8000 h bei Drücken bis 16 bar, und das bei einem hohen energetischen und volumetrischen Gesamt-Wirkungsgrad.

Der Synchron-Reluktanzmotor – das neue Arbeitspferd?

Professor Peter Brosch (Hochschule Hannover) gab zum Abschluss Einblicke in die Technik des Reluktanzmotors – und wagte den Ausblick, dieser Motor werde sich zum neuen Arbeitspferd der Antriebstechnik entwickeln. Der nachvollziehbare Grund: Der Synchron-Reluktanzmotor (SRM) entwickelt bei drehzahlveränderbaren Antrieben einen besseren Wirkungsgrad als der Asynchronmotor. Zudem ist der Läufer des SR-Motors kostengünstiger und materialsparender, da er keine Aluminium- oder Kupfer-Wicklung trägt. Weil Läuferverluste fehlen, bleiben sowohl der Läufer als auch der Ständer ‚kalt‘, was zur Verlängerung der Lebensdauer bei Ständerwicklung und Lagern führt.

Fazit

Die Headline „Pumpen ohne Stress betreiben“ hat doppelte Bedeutung – ohne Stress für den Betreiber im Alltagsbetrieb (dazu ist neben der umsichtigen Auswahl der Bauart und der Werkstoffe vor allem der bestimmungsgemäße Betrieb der Pumpe von Bedeutung), aber auch ohne Stress für die Pumpe selbst (also vor allem auch hier der bestimmungsgemäße Betrieb). Die Teilnehmer des 14. Pumpen-Forums wissen jetzt mehr darüber, wie man eine Pumpe mit weniger Stress einsetzt.

Save the Date: Das 15. Pumpen-Forum findet im Rahmen der Förderprozess-Foren 2017 am 16./17. November 2017 wieder auf der Festung Marienberg in Würzburg statt.

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14. Pumpen-Forum 2016