Was ist eine Kreiselpumpe? Funktionsprinzip und Einsatzbereiche

Die kürzeste Antwort auf die Frage, was eine Kreiselpumpe ist, lautet: Eine Kreiselpumpe ist eine Maschine, die dem Fördermedium über ein von einem Elektromotor angetriebenes Laufrad eine Zentrifugalbeschleunigung vermittelt und die dabei erzeugte Geschwindigkeit im Gehäuse in Druck umwandelt. Das Wasser tritt über den Saugstutzen in die Nabe des Laufrads ein, wird zwischen den Schaufeln nach außen geschleudert und erreicht am Laufradaustritt eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von 10–30 Metern pro Sekunde.

Die Funktionsweise einer Kreiselpumpe lässt sich in drei Schritten verfolgen. Im ersten Schritt entsteht in der Laufradnabe durch das nach außen geschleuderte Wasser ein Unterdruckbereich; das Wasser in der Saugleitung wird vom Atmosphärendruck oder von der statischen Höhe auf der Saugseite in diesen Bereich gedrückt. Im zweiten Schritt wird das Wasser zwischen den Schaufeln beschleunigt. Im dritten Schritt verzögert der sich erweiternde Querschnitt des Spiralgehäuses die Strömung, und die Geschwindigkeitsenergie wird in Druckenergie zurückgewandelt.

Alle drei Schritte laufen kontinuierlich und stoßfrei ab. Das ist die auffälligste Betriebseigenschaft der Kreiselpumpe: Der Ausgangsdruck ist konstant und schwingungsfrei und enthält keine Pulsation wie bei Verdrängerpumpen. Deshalb wird die Kreiselpumpenbauart bevorzugt in Messleitungen, die empfindlich auf Druckschwankungen reagieren, in geschlossenen Heizkreisläufen und in Sprinklernetzen eingesetzt.

Voraussetzung für den Betrieb ist, dass das Laufrad mit Wasser gefüllt ist. Eine klassische Kreiselpumpe kann keine Luft fördern, denn die Dichte von Luft beträgt nur etwa ein 830stel der Dichte von Wasser, und die bei gleicher Laufraddrehzahl erzeugte Druckdifferenz reicht nicht aus, um die Wassersäule in der Saugleitung anzuheben. Deshalb wird die Pumpe vor der Inbetriebnahme unbedingt mit Wasser gefüllt. Die gesamte Pumpenpalette finden Sie in unserer Produktgruppe. (Details: Pumpensysteme)

Die Frage, wozu das Spiralgehäuse dient, lässt sich in einem Satz beantworten: Geschwindigkeit in Druck umwandeln. Das Laufrad liefert nur Energie, es wählt die Energieform nicht aus. Die Energie des Wassers am Laufradaustritt besteht grob zur Hälfte aus Geschwindigkeitsenergie und zur Hälfte aus Druckenergie. Aufgabe des Gehäuses ist es, auch die verbleibende Geschwindigkeitsenergie in nutzbaren Druck umzuwandeln.

Das Spiralgehäuse ist ein spiralförmiger Kanal, der das Laufrad umschließt und dessen Querschnitt ab der Zunge (Gehäusezunge) schrittweise größer wird. Mit wachsendem Querschnitt sinkt die Geschwindigkeit nach der Kontinuitätsgleichung: Aus Q = A · v folgt, dass bei konstantem Volumenstrom eine Verdopplung der Fläche die Geschwindigkeit halbiert. Die Bernoulli-Gleichung wandelt diesen Geschwindigkeitsabfall in einen Druckanstieg um. Ein Zahlenbeispiel: Wird bei einer Pumpe mit einer Laufradaustrittsgeschwindigkeit von 18 m/s diese Geschwindigkeit auf 6 m/s verringert, entspricht das einem Druckgewinn von (18² − 6²) / (2 · 9,81) = (324 − 36) / 19,62 = 14,7 mWS.

Ein Gehäuse mit Diffusor erfüllt dieselbe Aufgabe mit anderer Geometrie. Um das Laufrad wird ein Diffusorring mit feststehenden Schaufeln angeordnet; der Kanal zwischen den Schaufeln erweitert sich und verzögert so die Strömung. Die Diffusorlösung ist der Standard bei mehrstufigen Vertikalpumpen, weil sie sich besser zum Übereinanderstapeln der Stufen eignet als das Spiralgehäuse und die radiale Lagerbelastung ausgleicht. Die Grundfos-Baureihe CR, die Lowara-Baureihe e-SV und die Wilo-Baureihe Helix sind verbreitete Beispiele für diese vertikale Stufenbauweise mit Diffusor.

Das Spiralgehäuse hat einen Nebeneffekt: Wird die Pumpe außerhalb des Bestpunkts betrieben, verliert die Druckverteilung um das Laufrad ihre Symmetrie, und auf die Welle wirkt eine radiale Querkraft. In Betrieben, in denen der Volumenstrom unter 40 Prozent des Bestpunkts fällt, verkürzt diese Kraft die Lagerlebensdauer deutlich. Doppelspiralgehäuse und Gehäuse mit Diffusor gleichen diese Querkraft weitgehend aus.

Die Euler-Pumpengleichung berechnet die Förderhöhe, die ein Kreiselpumpen-Laufrad theoretisch erzeugen kann, allein aus den Geschwindigkeitsdreiecken und ist die mathematische Zusammenfassung des Funktionsprinzips der Kreiselpumpe. Die für unendliche Schaufelzahl aufgestellte Form der Gleichung lautet: H theoretisch = (u2 · cu2 − u1 · cu1) / g. Dabei ist u die Umfangsgeschwindigkeit, cu die Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit und g die Erdbeschleunigung.

Bei Laufrädern mit radialem Eintritt wird der Eintrittsdrall als null angenommen, also cu1 = 0. Die Gleichung vereinfacht sich damit zu: H theoretisch = u2 · cu2 / g. Diese Vereinfachung besagt, dass die Förderhöhe nur von zwei Größen am Laufradaustritt abhängt: der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads und der tangentialen Geschwindigkeitskomponente des Wassers am Austritt.

Zahlenbeispiel: Der Laufradaußendurchmesser sei D2 = 180 mm, die Drehzahl n = 2900 U/min. Die Umfangsgeschwindigkeit ergibt sich zu u2 = π · D2 · n / 60 = 3,1416 · 0,180 · 2900 / 60 = 27,3 m/s. Die tangentiale Austrittskomponente cu2 beträgt je nach Schaufelaustrittswinkel bei typischen rückwärts gekrümmten Schaufeln etwa das 0,65-Fache von u2; angesetzt wird cu2 = 0,65 · 27,3 = 17,7 m/s. Daraus ergibt sich H theoretisch = 27,3 · 17,7 / 9,81 = 49,3 mWS.

Die tatsächliche Förderhöhe liegt unter diesem Wert. Der wegen der endlichen Schaufelzahl anzusetzende Minderleistungsfaktor liegt typischerweise zwischen 0,75 und 0,90, der hydraulische Wirkungsgrad im Bereich 0,80–0,90. Mit 0,85 Minderleistung und 0,88 hydraulischem Wirkungsgrad: 49,3 · 0,85 · 0,88 = 36,9 mWS. In dieser Größenordnung liegt die im Katalog ablesbare Förderhöhe bei geschlossenem Ventil. Das praktische Ergebnis der Gleichung lautet: Die Förderhöhe ändert sich mit dem Quadrat des Laufraddurchmessers und dem Quadrat der Drehzahl, der Volumenstrom dagegen linear mit Durchmesser und Drehzahl. Die Einheit der Förderhöhe und den Begriff mWS haben wir in einem eigenen Beitrag ausführlich behandelt. (Details: Was ist mWS bei Pumpen? Wie viel bar sind 10 mWS?)

Die spezifische Drehzahl ist ein dimensionslos gemachter Ähnlichkeitsparameter, der die Form eines Pumpenlaufrads auf eine einzige Zahl reduziert. In metrischer Form wird sie als nq = n · Q^0,5 / H^0,75 geschrieben; n in U/min, Q in m³/s, H in mWS je Stufe. Je niedriger die spezifische Drehzahl, desto radialer und schmaler ist das Laufrad, je höher, desto axialer und breiter.

Zahlenbeispiel: Bei einer Pumpe mit n = 2900 U/min, Q = 30 m³/h = 0,00833 m³/s und H = 40 mWS in einer Stufe ergibt sich nq = 2900 · 0,0913 / 15,9 = 16,6. Dieser Wert liegt im Bereich niedriger spezifischer Drehzahl und weist auf ein radiales Laufrad mit engen Kanälen und kleiner Austrittsbreite hin. Druckerhöhungsanlagen und Kesselspeisepumpen, die hohe Förderhöhen erzeugen, arbeiten in diesem Bereich.

• nq 10–30 – Schmales Radialrad, hohe Förderhöhe, niedriger Volumenstrom. Mehrstufige Vertikalpumpen, Druckerhöhungsanlagen, Kesselspeisung. Bester Wirkungsgrad in der Größenordnung von 60–75 Prozent
• nq 30–60 – Standard-Radialrad. Endsaugende Normpumpen, Umwälzung, Kühlgruppenkreise. Bester Wirkungsgrad 75–85 Prozent
• nq 60–130 – Halbaxiales (Mixed-Flow-)Laufrad. Entwässerung, Abwasser, Bewässerung. Betrieb mit Schwerpunkt auf dem Volumenstrom, bester Wirkungsgrad 78–86 Prozent
• nq 130–300 – Axiales (Propeller-)Laufrad. Sehr hoher Volumenstrom, 1–8 mWS Förderhöhe. Pumpstationen, Kühlwasserumwälzung
• Praxisurteil – Statt einen Punkt mit nq unter 20 in einer einzigen Stufe zu erzwingen, erhöhen Sie die Stufenzahl; der Wirkungsgrad verbessert sich um 10–15 Punkte

Der konkreteste Nutzen der spezifischen Drehzahl bei der Auswahl ist dieser: Sie sagt Ihnen schon vor dem Aufschlagen des Katalogs, ob es wirtschaftlich ist, Ihr Volumenstrom-Förderhöhen-Paar in einer einzigen Stufe abzudecken. Bei einer Anforderung mit nq unter 15 wachsen bei einer einstufigen Pumpe die Radseitenreibungsverluste, und der Wirkungsgrad fällt unter 50 Prozent. Wird derselbe Punkt mit einer fünfstufigen Vertikalpumpe mit 8 mWS je Stufe abgedeckt, steigt nq auf 37 und der Wirkungsgrad erreicht den Bereich von 78 Prozent.

Die Antwort auf die Frage, was eine mehrstufige Kreiselpumpe ist, ist einfach: eine Pumpe aus mehreren auf derselben Welle hintereinander angeordneten Laufrädern, von denen jedes den Austritt des vorhergehenden ansaugt. Die Gesamtförderhöhe ist die Summe der Stufen, der Volumenstrom bleibt dagegen gleich dem Volumenstrom einer einzelnen Stufe. Eine achtstufige Pumpe mit 7 mWS je Stufe fördert 56 mWS, ihr Volumenstrom ist aber derselbe wie bei der einstufigen.

• Einstufig – Förderhöhe typisch 8–60 mWS. Einfacher Aufbau, eine einzige Dichtung, kurze Wartungsdauer. Wirkungsgrad im Bereich nq 30–60 bei 75–85 Prozent
• Mehrstufig – Förderhöhe typisch 30–300 mWS. 2–25 Stufen. Im selben Punkt 10–20 Punkte höherer Wirkungsgrad als bei der einstufigen Pumpe, kleinerer Laufraddurchmesser, geringere Geräuschentwicklung
• Abmessungen – Die einstufige Horizontalpumpe ist breit und niedrig, die mehrstufige Vertikalpumpe schmal und hoch. Eine vertikale Stufeneinheit passt typischerweise auf eine Stellfläche von 0,25 m²
• Axialschub – Bei der einstufigen Pumpe gering, bei der mehrstufigen steigt er mit der Stufenzahl. Ab 10 Stufen sind eine Entlastungsscheibe oder ein Gegenlaufrad erforderlich
• Erste Inbetriebnahme – Bei der mehrstufigen Pumpe ist die Entlüftung kritisch; bleibt Luft zwischen den Stufen, fördert die Pumpe überhaupt nicht
• Welche Lösung passt zu wem – Jeder Punkt unter 40 mWS: einstufig; jeder Punkt über 40 mWS bei einem Volumenstrom unter 60 m³/h: mehrstufig vertikal

In der Praxis liegt die Trennlinie meist bei etwa 40–50 mWS. Bei der Druckerhöhungsanlage eines Mehrfamilienhauses mit 12 Geschossen lassen sich die erforderlichen 55–60 mWS mit einer einstufigen Pumpe nur mit 2900 U/min und großem Laufrad erreichen; derselbe Punkt wird mit einer drei- oder vierstufigen Vertikalpumpe sowohl leiser als auch um 8–12 Punkte effizienter abgedeckt. Den markenbezogenen Vergleich bei der Auswahl von Druckerhöhungsanlagen haben wir in einem eigenen Beitrag behandelt. (Details: Welche sind die besten Marken für Druckerhöhungsanlagen? Grundfos, Wilo, DAB, Lowara, Etna und Sumak im Vergleich)

Die Gehäusebauart bestimmt nicht die Hydraulik der Pumpe, sondern die Wirtschaftlichkeit von Montage und Wartung. Derselbe Volumenstrom-Förderhöhen-Punkt lässt sich mit vier verschiedenen Gehäusen abdecken; die Auswahl richtet sich nach dem verfügbaren Platz, der Rohrführung und dem Wartungszugang. Es gibt vier Hauptbauformen: endsaugend horizontal, doppelflutig horizontal, mehrstufig vertikal und Inline.

• Endsaugend horizontal (Normpumpe) – Saugstutzen axial, Druckstutzen radial und nach oben. Entspricht den Abmessungen nach EN 733 und ist herstellerunabhängig austauschbar. Die Baureihe NM von Standart Pompa und die Baureihe NB von Grundfos gehören zu dieser Klasse. Volumenstrom 5–500 m³/h, Förderhöhe 5–90 mWS
• Doppelflutig horizontal (Split Case) – Das Wasser tritt von beiden Seiten in das Laufrad ein, der Axialschub gleicht sich von selbst aus. Volumenstrom 100–3000 m³/h. Das Gehäuse ist in der horizontalen Ebene geteilt, das Laufrad lässt sich ausbauen, ohne die Rohrleitung zu demontieren
• Vertikal mehrstufig – Saug- und Druckstutzen auf derselben Achse und auf gleicher Höhe, kleinste Stellfläche. Die Baureihen CR von Grundfos, e-SV von Lowara und Helix von Wilo. Volumenstrom 1–120 m³/h, Förderhöhe 20–300 mWS
• Inline – Saug- und Druckstutzen liegen in einer Linie und einander gegenüber. Die Pumpe wird wie ein Zwischenstück in die Rohrleitung eingebaut und benötigt kein eigenes Fundament. Leistung 10–800 m³/h
• Wartungszugang – Bei endsaugenden und Inline-Pumpen mit Back-Pull-Out-Ausführung lassen sich Motor und Laufrad ausbauen, ohne das Gehäuse aus der Rohrleitung zu lösen. Allein dieses Merkmal halbiert die Wartungsdauer ungefähr

Inline-Gehäuse sind in Heizungs- und Kühlungsanlagen verbreitet, weil sie direkt in die Steigleitung eingebaut werden und kein Betonfundament benötigen. Diese Bauart haben wir in einem eigenen Beitrag ausführlich behandelt. (Details: Was ist eine Inline-Pumpe? Grundfos TPE und Wilo CronoLine Baureihen) Für Komponenten von Heizungsanlagen werfen Sie einen Blick auf unsere Produktgruppe. (Details: Heizung)

Bei der Wahl zwischen vertikal und horizontal ist meist nicht der Platz entscheidend, sondern die Saugbedingung. Der Saugstutzen einer vertikalen Stufenpumpe liegt 20–30 cm über dem Boden; liegt der Behälter tiefer als die Pumpe, entsteht eine Saughöhe, und die NPSH-Reserve schrumpft. Eine horizontale endsaugende Pumpe unter dem Behälter mit Nassaufstellung zu platzieren, ist daher oft die sicherere Lösung.

Die Antwort auf die Frage, was eine selbstansaugende Pumpe ist: eine Kreiselpumpe, die dank des in ihrem Gehäuse gehaltenen Wasservorrats die Luft in der Saugleitung mit Wasser vermischen und ausstoßen kann und sich so selbst befüllt. Eine normale Kreiselpumpe kann keine Luft fördern; die selbstansaugende Bauart erzeugt über einen Rezirkulationskanal um das Laufrad eine Mischung aus Luft und Wasser und entleert die Saugleitung in 2–4 Minuten.

Die praktische Grenze liegt bei etwa 7–8 Metern. Theoretisch trägt der Atmosphärendruck auf Meereshöhe eine Wassersäule von 10,33 mWS, doch Reibungsverlust, Temperatur und NPSH-Reserve senken diesen Wert. Für Wasser mit 20 °C gilt eine sichere Saughöhe von 6–7 Metern; bei Wasser mit 60 °C steigt der Dampfdruck auf 2,03 mWS, sodass diese Grenze auf 3–4 Meter sinkt. Bei jeder Anwendung mit einer Saughöhe über 8 Metern sollte statt einer selbstansaugenden Pumpe eine Tauchpumpe oder Nassaufstellung bevorzugt werden.

Tauchkreiselpumpen lösen dieses Problem von Grund auf: Die Pumpe steht im Wasser, es gibt keine Saughöhe, und NPSHa ist stets reichlich vorhanden. Brunnentauchpumpen werden für Brunnendurchmesser von 4 Zoll, 6 Zoll und 8 Zoll gefertigt und sind mehrstufig; mit bis zu 60 Stufen erzeugen sie Förderhöhen von über 400 mWS. Entwässerungs- und Abwassertauchpumpen sind dagegen einstufig, haben eine niedrige Förderhöhe und große freie Durchgänge. Die Auswahl von Tauchpumpen haben wir in einem eigenen Ratgeber Schritt für Schritt beschrieben. (Details: Wie wählt man eine Tauchpumpe aus? Ratgeber zur Pumpenauswahl nach Brunnentiefe)

Der betriebliche Nachteil der selbstansaugenden Bauart ist der Wirkungsgrad. Der Rezirkulationskanal erzeugt auch im Normalbetrieb Verluste; im selben Punkt arbeitet eine Standard-Kreiselpumpe mit 78 Prozent Wirkungsgrad, die selbstansaugende Bauart bleibt im Bereich von 55–65 Prozent. Deshalb ist die selbstansaugende Pumpe eine Lösung, die man nur wählen sollte, wenn es nicht anders geht.

Laufradtypen werden nach der Sauberkeit des zu fördernden Wassers und der Größe der enthaltenen Feststoffe gewählt. Es gibt vier Haupttypen: geschlossen, halboffen, offen und Vortex. In dieser Reihenfolge sinkt der Wirkungsgrad, während die Verstopfungsresistenz umgekehrt steigt. Die Auswahl ist ein bewusster Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Verstopfungsfreiheit.

• Geschlossenes Laufrad – Die Schaufeln sind zwischen zwei Scheiben geschlossen. Höchster Wirkungsgrad, typisch 80–88 Prozent. Klarwasser, Heizung, Kühlung, Druckerhöhungsanlagen, Kesselspeisung. Feststoffdurchgang 0–3 mm. Spaltringspiel 0,3–0,5 mm; überschreitet dieses Spiel 1 mm, sinkt der Wirkungsgrad um 5–8 Punkte
• Halboffenes Laufrad – Nur eine rückwärtige Scheibe, Schaufelenden frei. Wirkungsgrad 70–80 Prozent. Leicht verschmutztes Wasser, leicht faserige Medien, Lebensmittel und Prozess. Feststoffdurchgang 5–20 mm. Das Spiel zwischen Schaufelende und Gehäuse ist einstellbar
• Offenes Laufrad – Keine Scheibe, die Schaufeln sind an der Nabe befestigt. Wirkungsgrad 60–72 Prozent. Medien mit hohem Feststoff- und Faseranteil, Schlamm, Rückführung in der Abwasserbehandlung. Feststoffdurchgang 20–60 mm. Bei Verschleiß die am leichtesten instand zu setzende Bauart
• Vortex-Laufrad (Freistromrad) – Das Laufrad liegt außerhalb der Strömung und erzeugt im Gehäuse einen Wirbel. Wirkungsgrad 35–55 Prozent. Der Feststoff im Medium berührt das Laufrad selbst nicht. Feststoffdurchgang bis zum Gehäusedurchmesser, typisch 50–100 mm. Klärgrube, Schlamm, faserhaltiges Abwasser
• Einkanalrad – Ein einziger breiter Kanal, nicht verstopfend. Wirkungsgrad 60–70 Prozent. Förderung von häuslichem Abwasser. Feststoffdurchgang 50–100 mm. Wegen der unausgeglichenen Masse neigt es stark zu Schwingungen

Die klare Antwort auf die Frage, wann ein offenes Laufrad eingesetzt wird, lautet: Wenn im Fördermedium mit Feststoffteilen über 20 mm zu rechnen ist und das Medium nicht faserig ist, wird ein offenes Laufrad verwendet. Bei Fasern genügt das offene Laufrad nicht, dann wechselt man zum Vortex- oder Einkanalrad. Ein offenes Laufrad in sauberem Wasser einzusetzen, ist dagegen ein unnötiger Wirkungsgradverlust: Im selben Punkt bedeutet es gegenüber dem geschlossenen Laufrad etwa 15 Punkte weniger Wirkungsgrad, bei einer 4-kW-Pumpe und 2500 Betriebsstunden pro Jahr einen Mehrverbrauch von rund 1700 kWh/Jahr.

Der Spaltring ist das Teil, das den Wirkungsgrad des geschlossenen Laufrads aufrechterhält. Der enge Spalt zwischen Laufradeintritt und Gehäuse begrenzt die Rückströmung von der Druck- zur Saugseite. Verdoppelt sich dieser Spalt gegenüber dem Auslegungswert, verdoppelt sich der Leckvolumenstrom etwa, und der Gesamtwirkungsgrad sinkt um 5–8 Punkte. Es ist das erste Maß, das bei der regelmäßigen Wartung gemessen werden muss. Die Wartungspositionen haben wir in einem eigenen Beitrag zusammengestellt. (Details: Pumpenwartung)

Die Wellendichtung ist das Dichtelement, das den Wasseraustritt durch den Spalt zwischen rotierender Welle und feststehendem Gehäuse verhindert. Etwa die Hälfte der Ausfälle bei Kreiselpumpen beginnt an diesem Bauteil, weil hier der einzige dynamische Dichtungspunkt liegt. Es gibt drei Hauptlösungen: Gleitringdichtung, Gleitringdichtung mit geschweißtem Balg und klassische Stopfbuchse.

Die Gleitringdichtung beruht darauf, dass zwei ebene Flächen – eine dreht sich mit der Welle, eine steht fest im Gehäuse – durch Federdruck aneinandergepresst werden. Zwischen den Flächen bleibt ein Wasserfilm im Mikrometerbereich; dieser Film schmiert und kühlt zugleich. Im Normalbetrieb verdunstet die Leckage und ist mit bloßem Auge nicht sichtbar. Das Flächenmaterial ist in sauberem Wasser Kohle-Keramik, bei abrasiven Medien Siliziumkarbid-Siliziumkarbid. Die Temperaturgrenze hängt vom Elastomertyp ab: in der Größenordnung von 120 °C mit EPDM, 150 °C mit FKM und 200 °C mit PTFE.

Die Gleitringdichtung mit geschweißtem Balg verwendet statt der Feder einen dünnen Metallbalg. Das Fehlen von Feder und O-Ring bringt zwei Vorteile: Auf der Welle gleitet kein Teil, sodass sich Kalk und Ablagerungen nicht ansammeln und die Dichtung nicht festsetzen können; außerdem steigt die Temperaturbeständigkeit. Das ist der Standard bei Heißwasser- und Thermoöl-Anwendungen zwischen 180 und 400 °C. Der Nachteil ist, dass der Balg empfindlicher gegen Stöße und Trockenlauf ist.

Die Stopfbuchse besteht aus um die Welle gelegten Packungsringen aus Graphit oder PTFE, die von einer Stopfbuchsbrille zusammengepresst werden. Sie dichtet nicht vollständig, und das ist auch nicht gewollt: Zur Schmierung und Kühlung wird eine kontrollierte Leckage von 20–60 Tropfen pro Minute zugelassen. Bleibt die Leckage aus, verbrennt die Packung und die Wellenschutzhülse verschleißt. In Trinkwasserinstallationen ist sie heute fast vollständig durch die Gleitringdichtung ersetzt; bei Dampf, Chemikalien und abrasivem Schlamm wird sie wegen ihrer Reparierbarkeit weiterhin eingesetzt.

• Gleitringdichtung – Leckage nicht sichtbar. Temperaturgrenze 120–200 °C. Lebensdauer in sauberem Wasser 15000–25000 Stunden. Toleranz gegenüber Trockenlauf im Bereich von Sekunden
• Gleitringdichtung mit geschweißtem Balg – Leckage nicht sichtbar. Temperaturgrenze bis 400 °C. Setzt sich in kalkhaltigem und heißem Wasser nicht zu. Stoßempfindlich
• Stopfbuchse – Kontrollierte Leckage 20–60 Tropfen/min. Temperaturgrenze je nach Packungsart 100–250 °C. Vor Ort nachziehbar, Ringe lassen sich ergänzen
• Doppelte Gleitringdichtung – Der Raum zwischen den beiden Dichtungen wird mit Sperrflüssigkeit versorgt. Zwingend bei giftigen, flüchtigen oder Medien, die nicht austreten dürfen
• Auswahlurteil – Für sauberes Wasser und unter 110 °C: einfache Gleitringdichtung; für Heißwasser über 150 °C: Metallbalgdichtung; für abrasiven Schlamm: Stopfbuchse oder doppelte SiC-SiC-Dichtung

Die Pumpenkennlinie ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die von einer Pumpe bei einer bestimmten Drehzahl erzeugte Förderhöhe in Abhängigkeit vom Volumenstrom ändert. Die horizontale Achse ist der Volumenstrom (m³/h), die vertikale Achse die Förderhöhe (mWS). Im selben Diagramm finden sich meist drei weitere Kennlinien: Wirkungsgrad, NPSHr und Wellenleistung. Die richtige Auswahl erfolgt durch gemeinsames Lesen dieser vier Kennlinien.

Die H-Q-Kennlinie fällt von links nach rechts. Der Wert am linken Ende ist die Förderhöhe bei geschlossenem Ventil, das rechte Ende ist der größte Volumenstrom, den die Pumpe fördern kann. Die Steigung der Kennlinie hängt von der Bauart ab: Bei Pumpen mit steiler Kennlinie ändert eine große Volumenstromänderung den Druck nur wenig, deshalb wird bei Druckerhöhungsanlagen, die konstanten Druck verlangen, eine steile Kennlinie bevorzugt. Pumpen mit flacher Kennlinie bieten dagegen bei kleiner Druckänderung einen weiten Volumenstrombereich.

Der Betriebspunkt ist der Schnittpunkt von Pumpenkennlinie und Anlagenkennlinie. Die Anlagenkennlinie hat die Form H = Hstatisch + k · Q². Zahlenbeispiel: Bei einer Anlage mit 30 mWS statischer Höhe und 10 mWS Reibungsverlust bei 40 m³/h ist k = 10 / 40² = 0,00625. Bei 50 m³/h beträgt der Anlagenbedarf 30 + 0,00625 · 2500 = 45,6 mWS. Liefert die Pumpenkennlinie bei diesem Volumenstrom 45,6 mWS, liegt der Betriebspunkt genau dort. Die Volumenstromberechnung haben wir in einem eigenen Beitrag Schritt für Schritt gezeigt. (Details: Wie berechnet man den Pumpenvolumenstrom? m³/h, l/min und Druckberechnung)

Die Wirkungsgradkennlinie hat die Form einer umgekehrten Schale, und ihr Scheitelpunkt ist der Bestpunkt. Angestrebt wird, dass das Betriebsfenster zwischen 70 und 120 Prozent dieses Punktes bleibt. Bei Volumenströmen unter 40 Prozent nehmen radiale Lagerbelastung und interne Rückströmung zu; über 120 Prozent steigt NPSHr rasch an, und es entsteht ein Kavitationsrisiko. Die Leistungskennlinie steigt bei Radialrädern mit dem Volumenstrom an; das bedeutet, dass die bei geschlossenem Ventil aufgenommene Leistung am niedrigsten ist.

Die Wellenleistung wird mit folgender Beziehung berechnet: P (kW) = ρ · g · Q · H / (3600 · 1000 · η). Im Punkt 50 m³/h und 45,6 mWS bei 78 Prozent Wirkungsgrad: P = 1000 · 9,81 · 50 · 45,6 / (3600 · 1000 · 0,78) = 7,96 kW. Der Motor wird mit einem Sicherheitszuschlag von 10–15 Prozent über diesem Wert gewählt, also mit einer Baugröße, die 9,2 kW abdeckt; als Standard kommt ein 11-kW-Motor zum Einsatz.

Die Antwort auf die Frage, was NPSHr ist: Es ist die niedrigste Haltedruckhöhe (Net Positive Suction Head), die am Saugstutzen vorhanden sein muss, damit die Pumpe ohne Kavitation arbeiten kann; sie ist eine Eigenschaft der Pumpe selbst, wird vom Hersteller gemessen und als Kennlinie angegeben. NPSHa dagegen ist die Haltedruckhöhe, die die Anlage der Pumpe bietet, und ist eine Eigenschaft der Anlage. Die Bedingung für kavitationsfreien Betrieb ist, dass NPSHa mindestens 0,5–1,0 mWS größer ist als NPSHr.

NPSHa wird in folgenden Schritten berechnet: NPSHa = (Patm − PDampf) / (ρ · g) + Hstatisch − HReibung. Zahlenbeispiel: Auf Meereshöhe sei Patm = 10,33 mWS, der Dampfdruck für Wasser mit 40 °C 0,75 mWS, der Wasserstand im Behälter 1,5 m unter der Pumpenachse (d. h. Hstatisch = −1,5 mWS) und der Reibungsverlust der Saugleitung 0,6 mWS. Es ergibt sich NPSHa = 10,33 − 0,75 − 1,5 − 0,6 = 7,48 mWS.

Wird der NPSHr-Wert der Pumpe im gewählten Betriebspunkt im Katalog mit 3,2 mWS abgelesen, beträgt die Reserve 7,48 − 3,2 = 4,28 mWS und ist mehr als ausreichend. Steigt in derselben Anlage die Wassertemperatur auf 70 °C, steigt der Dampfdruck auf 3,20 mWS, und NPSHa sinkt auf 5,03 mWS; die Reserve fällt auf 1,83 mWS, ist aber weiterhin sicher. Steigt das Wasser auf 90 °C, beträgt der Dampfdruck 7,15 mWS, und NPSHa sinkt auf 1,08 mWS: Ab diesem Punkt ist Kavitation unvermeidlich.

Der Klang der Kavitation ähnelt dem Mahlen von Kieselsteinen; sie hinterlässt kraterförmige Vertiefungen an der Eintrittskante des Laufrads und führt zu einem Volumenstromabfall von 5–15 Prozent. Die Reihenfolge der Abhilfe lautet: Zuerst den Verlust der Saugleitung senken (eine Nennweite größer verringert den Verlust um etwa 60 Prozent), dann die Pumpe relativ zum Wasserstand tiefer setzen, dann durch Drehzahlsenkung NPSHr verringern. Die Kavitation haben wir in einem eigenen Beitrag in allen Aspekten behandelt. (Details: Was ist Pumpenkavitation? Das Problem, das Pumpen leise zerstört)

Der Unterschied zwischen Kreiselpumpe und Verdrängerpumpe ergibt sich aus der Art der Energieübertragung. Die Kreiselpumpe gibt dem Fördermedium Geschwindigkeit und wandelt diese in Druck um; der von ihr erzeugte Druck hat eine Obergrenze, die durch Laufradgeschwindigkeit und Mediumdichte vorgegeben ist. Die Verdrängerpumpe dagegen schiebt ein festes Volumen mechanisch weiter; für den von ihr erzeugten Druck gibt es theoretisch keine Obergrenze, die Grenze ist allein die Festigkeit des Werkstoffs.

• Beziehung Volumenstrom–Druck – Bei der Kreiselpumpe sinkt der Volumenstrom, wenn der Druck steigt. Bei der Verdrängerpumpe ist der Volumenstrom nahezu unabhängig vom Druck und bleibt konstant
• Verhalten bei geschlossenem Ventil – Bei der Kreiselpumpe ist der Druck auf den Wert bei geschlossenem Ventil begrenzt, typischerweise das 1,15–1,30-Fache des Betriebsdrucks. Bei der Verdrängerpumpe steigt der Druck bis zum Bersten, ein Sicherheitsventil ist zwingend
• Viskosität – Die Kreiselpumpe verliert oberhalb von 100–200 cSt rasch an Wirkungsgrad. Die Verdrängerpumpe arbeitet bis 100000 cSt, ihr Wirkungsgrad steigt mit der Viskosität, weil die interne Leckage abnimmt
• Förderart – Die Kreiselpumpe fördert kontinuierlich und pulsationsfrei. Die Verdrängerpumpe fördert stoßweise und benötigt einen Pulsationsdämpfer
• Selbstansaugung – Die Kreiselpumpe saugt nicht an und muss befüllt werden. Die Verdrängerpumpe ist in den meisten Bauarten selbstansaugend
• Wirkungsgradbereich – Kreiselpumpe 60–88 Prozent, aber nur in einem schmalen Volumenstromfenster. Verdrängerpumpe 70–90 Prozent, konstant über einen weiten Druckbereich
• Typische Verwendung – Kreiselpumpe: Wasser, Heizung, Brandschutz, Umwälzung, Wasseraufbereitung. Verdrängerpumpe: chemische Dosierung, Öl, Fett, Polymer, Schlamm

Die konkreteste Folge dieses Unterschieds vor Ort ist das Verfahren bei der Inbetriebnahme. Die Kreiselpumpe wird bei geschlossenem Druckventil gestartet, und das Ventil wird langsam geöffnet; so läuft der Motor mit der geringsten Stromaufnahme an. Die Verdrängerpumpe wird niemals bei geschlossenem Druckventil gestartet. Wer beide Pumpen mit demselben Reflex betreibt, riskiert bei der Verdrängerpumpe einen Gehäuseriss oder das Platzen einer Dichtung. Dosierpumpen sind das häufigste Beispiel dieser Familie und arbeiten in Wasseraufbereitungsanlagen neben Kreiselpumpen. (Details: Wasseraufbereitung)

Die Antwort auf die Frage, ob eine Kreiselpumpe bei geschlossenem Ventil läuft: Sie läuft kurzzeitig, aber nicht dauerhaft. Bei geschlossenem Ventil ist der Volumenstrom null, der Druck stellt sich auf den Wert bei geschlossenem Ventil ein, und die vom Motor aufgenommene Leistung ist am niedrigsten. Es besteht keine mechanische Gefahr; die Gefahr ist thermisch. Die gesamte der Pumpe zugeführte elektrische Energie erwärmt das Wasser im Gehäuse, weil keine Arbeit nach außen abgegeben wird.

Die Erwärmungsgeschwindigkeit wird mit folgender Beziehung berechnet: dT/dt = P / (m · c). Zahlenbeispiel: Die Wassermasse im Gehäuse sei 8 kg, die bei geschlossenem Ventil aufgenommene Wellenleistung 3 kW und die spezifische Wärmekapazität des Wassers 4,18 kJ/(kg·K). Dann ist dT/dt = 3 / (8 · 4,18) = 0,0897 K/s, also etwa 5,4 °C pro Minute. Wasser, das bei 20 °C beginnt, erreicht unter der Annahme, dass vom Gehäuse keine Wärme nach außen verloren geht, in etwa 15 Minuten den Siedepunkt. In der Realität verlängert sich diese Zeit, weil Gehäuse und Rohr Wärme verlieren, aber die Größenordnung stimmt.

Siedendes Wasser verdampft den Film zwischen den Flächen der Gleitringdichtung, die Dichtung läuft trocken und wird innerhalb von Sekunden beschädigt. Deshalb wird in Anlagen, in denen dauerhaft mit geschlossenem Ventil zu rechnen ist, eine von zwei Maßnahmen getroffen: Entweder wird von der Druckleitung zum Behälter eine Umwälzleitung (Bypass) mit kleinem Durchmesser gelegt, oder für die Pumpe wird ein Mindestvolumenstromschutz definiert. Als Mindestvolumenstrom werden typischerweise 10–15 Prozent des Bestpunkts gewählt.

Bei Systemen mit Frequenzumrichter erfolgt dieser Schutz elektronisch: Der Frequenzumrichter erkennt den Volumenstrom null daran, dass bei konstantem Druck die Frequenz sinkt, und stoppt die Pumpe. Die Versionen der Grundfos-Baureihe CR mit Frequenzumrichter und die Wilo-Baureihe Helix VE haben diese Funktion serienmäßig. Die Funktionsweise der Frequenzregelung haben wir in einem eigenen Beitrag erläutert. (Details: Pumpe mit Frequenzumrichter: Was ist das? Spart sie wirklich Strom?)

Die Kreiselpumpe ist die Standardlösung für nahezu jede Anwendung, bei der sauberes oder leicht verschmutztes Wasser gefördert wird. In der Gebäudetechnik gibt es fünf Hauptanwendungsbereiche: Druckerhöhung für Trinkwasser, Umwälzung für Heizung und Kühlung, Brandbekämpfung, Abwasser und Entwässerung sowie Wasseraufbereitung. Darüber hinaus kommen industrielle Prozesse, Bewässerung und Kühlturmkreisläufe hinzu.

• Druckerhöhungsanlage – Mehrstufige Vertikal- oder Horizontalpumpe, drehzahlgeregelt. Im Wohngebäude 2–15 m³/h und 30–70 mWS. Die Baureihen CR von Grundfos und e-SV von Lowara sind verbreitet
• Umwälzung für Heizung und Kühlung – Nassläufer-Inline-Pumpe oder Trockenläufer-Inline-Pumpe. Geschlossener Kreislauf, keine statische Höhe, Förderhöhe 2–14 mWS. Im Geltungsbereich von EN 16297 ist ein EEI unter 0,20 vorgeschrieben
• Brandschutz – Endsaugende oder Split-Case-Pumpe nach EN 12845 und NFPA 20. Gefordert wird, dass die Kennlinie bei geschlossenem Ventil 140 Prozent des Nenndrucks nicht überschreitet und bei 150 Prozent Volumenstrom 65 Prozent des Drucks liefert
• Abwasser und Entwässerung – Tauchpumpe mit Vortex-, Einkanal- oder offenem Laufrad. Feststoffdurchgang 50–100 mm. Im Pumpensumpf sind Doppelpumpe und Wechselbetrieb Standard
• Wasseraufbereitung – Edelstahlgehäuse mit chemischer Beständigkeit, für die Speisung von Umkehrosmose mehrstufige Hochdruckbauart. Bei der Filterrückspülung beträgt der Volumenstrom das 2–3-Fache des normalen Betriebs
• Industrie – Endsaugende Normpumpe mit Abmessungen nach EN 733. Die Baureihe 3M von Ebara und die Baureihe NM von Standart Pompa sind typische Beispiele dieser Gruppe

Der Brandschutz ist der einzige Bereich, in dem die Kennlinie der Kreiselpumpe direkt zu einer regulatorischen Anforderung wird. Bei Sprinkleranlagen wird die Form der Pumpenkennlinie durch die Norm begrenzt, um den Druck am entferntesten Sprinkler zu gewährleisten. Die Auswahl von Feuerlöschpumpenanlagen haben wir in einem eigenen Ratgeber behandelt. (Details: Wie wählt man eine Feuerlöschpumpenanlage aus?) Für unsere Produktgruppe Brandschutz besuchen Sie die entsprechende Seite. (Details: Brandschutz)

Gehäuse- und Laufradwerkstoff einer Kreiselpumpe werden nach der Chemie des Fördermediums und dem darin enthaltenen Feststoff bestimmt. Eine falsche Werkstoffwahl erscheint bei der Anfangsinvestition wie ein Gewinn, kommt aber innerhalb von zwei bis drei Jahren durch einen Gehäusewechsel zurück. Es werden vier Hauptwerkstoffklassen verwendet.

• Gusseisen (EN-GJL-250) – Klarwasser, Heizung, Kühlung. Bis 110 °C. Niedrigste Anfangsinvestition, in chlorhaltigem Wasser korrosionsanfällig
• Bronze und Messing – Meerwasser, warmes Trinkwasser, kalkhaltiges Wasser. Bis 140 °C. Beständig gegen Erosionskorrosion
• Edelstahl 304 (1.4301) – Trinkwasser, Druckerhöhungsanlagen, Lebensmittel. Chloridgrenze etwa 200 mg/L
• Edelstahl 316 (1.4401) – Chlorwasser, Schwimmbad, Chemie, Wasseraufbereitung. Chloridgrenze etwa 1000 mg/L. Der Molybdängehalt verleiht Beständigkeit gegen Lochkorrosion
• Duplex und Superduplex – Meerwasser-Umkehrosmose, aggressive Prozesse. Chloridgrenze über 20000 mg/L

Die Kostenpositionen lassen sich in drei Rubriken zusammenfassen. Erstens die Investitionsposition: Pumpengehäuse, Motor, Frequenzumrichter, Sockel, Schwingungsdämpfer, flexible Verbindung, Armatur und Manometergruppe. Zweitens die Energieposition: Etwa 75–85 Prozent der Gesamtbetriebskosten einer Pumpe über zehn Jahre entfallen auf den Stromverbrauch. Drittens die Wartungsposition: Dichtung, Wälzlager, Spaltring und Dichtungssätze samt Arbeitsleistung.

Das Gewicht der Energieposition muss man an einem Beispiel sehen. Läuft eine 7,5-kW-Pumpe 4000 Stunden pro Jahr bei durchschnittlich 70 Prozent Last, beträgt der Verbrauch 7,5 · 0,70 · 4000 = 21000 kWh/Jahr. Würde derselbe Punkt mit einer um 8 Punkte effizienteren Hydraulik abgedeckt, sänke der Verbrauch auf etwa 18800 kWh/Jahr; in zehn Jahren macht das 22000 kWh Unterschied. Den Stromverbrauch von Pumpen haben wir in einem eigenen Beitrag untersucht. (Details: Warum verbraucht eine Pumpe so viel Strom? 8 Wege, den Energieverbrauch zu senken)

Die Auswahl der Kreiselpumpe ist, nachdem Volumenstrom und Förderhöhe bestimmt sind, mit der Antwort auf fünf Fragen abgeschlossen: Wie sauber ist das Fördermedium, wie viele mWS Förderhöhe sind nötig, wie viel Platz ist vorhanden, wie sind die Saugbedingungen, und ist der Volumenstrom veränderlich oder konstant. Die folgenden Urteile beantworten diese fünf Fragen direkt.

• Klarwasser, unter 40 mWS, konstanter Volumenstrom – Endsaugende einstufige Horizontalpumpe mit Abmessungen nach EN 733 und geschlossenem Laufrad. Die Baureihen NM von Standart Pompa und NB von Grundfos
• Klarwasser, über 40 mWS, veränderlicher Volumenstrom – Mehrstufige Vertikalpumpe mit Frequenzumrichter. Die Baureihen CR von Grundfos, e-SV von Lowara und Helix von Wilo
• Geschlossener Heiz- und Kühlkreis, unter 14 mWS – Nassläufer- oder Trockenläufer-Inline-Pumpe, EEI unter 0,20
• Volumenstrom über 150 m³/h, Förderhöhe unter 60 mWS – Doppelflutige Split-Case-Pumpe. Axialschubausgleich und Wartungsfreundlichkeit sind ausschlaggebend
• Schmutzwasser, Feststoffe über 20 mm – Tauchpumpe mit offenem oder Vortex-Laufrad. Bei faserigen Feststoffen Einkanal- oder Vortex-Laufrad
• Saughöhe über 4 Meter – Statt eine selbstansaugende Bauart zu erzwingen, die Pumpe unter den Wasserspiegel setzen oder eine Tauchpumpe bevorzugen
• Warmwasser über 150 °C – Gleitringdichtung mit geschweißtem Metallbalg und Gehäuse aus Bronze oder Edelstahl

Die gemeinsame Logik dieser Urteile lautet: Die Pumpenauswahl ist die Übung, den Betriebspunkt an den Bestpunkt heranzuführen. Bleibt der Betriebspunkt der aus dem Katalog gewählten Pumpe im Bereich von 70–110 Prozent des Bestpunkts, ist die Auswahl richtig. Den Ratgeber, in dem wir die umfassende Auswahlmethode Schritt für Schritt beschreiben, finden Sie unter dem folgenden Link. (Details: Wie erfolgt die Pumpenauswahl? Ratgeber zur Berechnung von Volumenstrom und Förderhöhe) Die vollständige Liste der Marken, die wir führen, finden Sie auf der entsprechenden Seite. (Details: unsere Markenseite)