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Technische Ratgeber

Was ist Pumpenkavitation? Das Problem, das Pumpen leise zerstört

Was ist Pumpenkavitation, wie berechnet man NPSHa? Dampfdruck, Höhenkorrektur, 3 durchgerechnete Beispiele, 8 Grundursachen und Checkliste.

PMIngenieurteam von Pomeka Mekanik26. August 202630 min Lesezeit
Was ist Pumpenkavitation? Das Problem, das Pumpen leise zerstört

Pumpenkavitation ist die Bildung von Dampfblasen im Wasser, wenn der örtliche Druck des Fördermediums am Pumpeneintritt unter den Dampfdruck bei der jeweiligen Temperatur fällt, und das schlagartige Zusammenfallen dieser Blasen auf der Laufradschaufel dort, wo der Druck wieder ansteigt. Jede in sich zusammenfallende Blase übt einen Mikrostoß auf die Metalloberfläche aus; die Folgen sind ein Kiesgeräusch, Volumenstromverlust und Auskolkungen am Laufrad.

Diese Definition klingt akademisch, doch in der Praxis ist ihre Entsprechung sehr konkret: Eine Pumpe läuft zwei Jahre problemlos, dann verstopft ein Sieb oder dem Kreis wird heißes Wasser zugeführt, und innerhalb von sechs Monaten ist das Laufrad Schrott. Das Heimtückische an der Kavitation ist, dass sie den Wirkungsgrad senkt, bevor es zum Ausfall kommt. Eine 0,5 mm tiefe Auskolkung am Schaufeleintritt erhöht den Energieverbrauch der Pumpe um 3–5 Prozent, löst aber keinerlei Alarm aus. Dieser Ratgeber belässt es nicht bei Geräusch und Symptomen; er schlüsselt die NPSHa-Berechnung Term für Term auf, liefert die Temperatur- und Höhenkorrekturen und führt die Zahl anhand von drei vollständig durchgerechneten Beispielen bis zum Ende. Zur allgemeinen Einführung in die Kavitation und zu den Symptomen vor Ort haben wir einen eigenen Beitrag. (Details: Was ist Pumpenkavitation und wie lässt sie sich vermeiden?)

In diesem Ratgeber finden Sie:

Was Sie in diesem Ratgeber erwartet

  • Wie sich die Kavitation am Laufradeintritt Schritt für Schritt entwickelt und warum sie genau dort beginnt
  • Die Antwort auf die Frage, wie sich NPSHa berechnet, mit der Vier-Term-Formel, Einheit für Einheit
  • Dampfdruck für Wasser von 20 °C, 60 °C, 80 °C und 95 °C in mWS
  • Einfluss der Höhenlage auf den NPSH: Korrektur des Atmosphärendrucks für 900 m und 1900 m
  • Berechnung des Druckverlusts in der Saugleitung: Reibung, Einzelwiderstände und der Preis eines verstopften Siebs
  • Drei vollständig durchgerechnete NPSHa-Beispiele: kalte Saugseite, 95 °C Speisung und ein Heißkreis in großer Höhe
  • Die 8 Grundursachen der Kavitation und ihre jeweils messbare Signatur
  • Woher der Sicherheitszuschlag NPSHa ≥ NPSHr + 0,5 m kommt und wann er nicht ausreicht
  • Die 5 häufigsten Fehler, eine Checkliste für die Inbetriebnahme und ein Abschnitt mit 10 häufig gestellten Fragen

01Was ist Pumpenkavitation und was geschieht am Laufradeintritt genau?

Die ingenieurtechnische Antwort auf die Frage, was Pumpenkavitation ist, besteht aus drei Sätzen. Das Wasser wird beim Eintritt vom Saugflansch in das Laufradauge beschleunigt; nach Bernoulli sinkt der statische Druck der beschleunigten Strömung. Fällt dieser Druck unter den Dampfdruck des Wassers bei der jeweiligen Temperatur, beginnt das Wasser zu sieden, und es entstehen Dampfblasen. Gelangen die Blasen entlang der Schaufel in den Bereich, in dem der Druck wieder ansteigt, fallen sie in weniger als einer Millisekunde in sich zusammen.

Der kritische Punkt ist die Schaufelvorderkante am Laufradeintritt. Die Strömung wird hier beschleunigt, und zugleich entsteht auf der Saugseite des Schaufelprofils ein örtlicher Unterdruckbereich. Selbst wenn der am Saugflansch der Pumpe gemessene Druck positiv ist, liegt der örtliche Druck an der Schaufelvorderkante um 1–3 mWS darunter. Die als NPSHr bezeichnete Größe stellt genau diesen inneren Verlust dar: die zusätzliche Energie, die die Geometrie der Pumpe selbst am Saugflansch verlangt, um ohne Kavitation zu arbeiten.

Das Zusammenfallen der Blasen ist thermodynamisch harmlos, mechanisch aber zerstörerisch. Die kugelförmige Blase verliert beim Kollabieren ihre Symmetrie und erzeugt einen auf die Metalloberfläche gerichteten Mikrojet. Die Geschwindigkeit dieses Jets wird in der Literatur in der Größenordnung von 100 m/s angegeben; beim Aufprall erzeugt er auf der Oberfläche eine sehr kurzzeitige, sehr hohe Spannung. Ein einzelner Kollaps bewirkt nichts; Tausende pro Sekunde über Monate hinterlassen in Gusseisen ein schwammartiges Gefüge, in Laufrädern aus Bronze und Edelstahl nadelstichartige Kavernen.

Kavitation ist keine Störung, sondern ein Betriebszustand. Auch im kavitierenden Zustand fördert die Pumpe Wasser; sie fördert nur weniger, nimmt mehr Strom auf und zehrt sich selbst auf. Deshalb muss sich die Diagnose auf Zahlen stützen, nicht auf Geräusche. (Details: Was ist eine Kreiselpumpe? Funktionsprinzip und Einsatzbereiche)

02Wie erkennt man Kavitation? Fünf Symptome und ihre messbaren Schwellenwerte

Die Antwort auf die Frage, wie man Kavitation erkennt, liegt nicht in einem einzelnen Symptom, sondern im gemeinsamen Lesen aller fünf. Eine kavitierende Pumpe erzeugt gleichzeitig Geräusche, ihr Volumenstrom sinkt, ihr Manometer schwankt, ihr Strom pendelt, und beim Ausbau zeigt sie Auskolkungen an der Eintrittskante des Laufrads. Liegt nur eines davon vor, ist nach einem anderen Problem zu suchen.

Das erste Symptom ist das Geräusch. Die Klage „Die Pumpe macht Kiesgeräusche“ ist die klassische Signatur der Kavitation: Aus dem Gehäuse kommt ein hartes, unregelmäßiges, körniges Geräusch, als würde Schotter hindurchlaufen. Es unterscheidet sich vom weichen Rauschen einer Luftblase. Der Schallpegel liegt typischerweise 5–10 dB(A) über dem der gleichen Pumpe im gesunden Zustand; eine Pumpe, die in 1 m Abstand mit 62 dB(A) läuft, kann bei Kavitation über 70 dB(A) steigen.

Das zweite Symptom ist der Abfall von Volumenstrom und Förderhöhe. Sobald die Kavitation einsetzt, nimmt Dampf einen Teil des Kanalquerschnitts ein, und die Pumpe fördert bei gleicher Drehzahl weniger. Die am Manometer abgelesene Förderhöhe sinkt 2–3 mWS unter die Katalogkennlinie; im fortgeschrittenen Stadium erreicht der Abfall 10–20 Prozent. Wie sich die Förderhöhe in mWS ablesen und mit der Kennlinie vergleichen lässt, erläutert ein eigener Beitrag zum Messverfahren. (Details: Was ist mWS bei Pumpen? Wie viel bar sind 10 mWS?)

Das dritte Symptom ist das Schwanken. Der Zeiger des Druckmanometers pendelt mit einer Amplitude von 0,3–0,8 bar mehrmals pro Sekunde. Das vierte Symptom ist das elektrische Gegenstück: Der mit einer Stromzange gemessene Motorstrom steht nicht auf einem festen Wert, sondern zittert mit einer Amplitude von 5–15 Prozent des Nennstroms. In Anlagen mit Frequenzumrichter lässt sich dieses Pendeln direkt am Display des Umrichters beobachten. (Details: Pumpe mit Frequenzumrichter: Was ist das? Spart sie wirklich Strom?)

Das fünfte Symptom zeigt sich beim Ausbau und bestätigt die Diagnose. An der Saugseite der Eintrittskante der Laufradschaufel, also auf der Seite der Schaufel, die nicht in Drehrichtung zeigt, befindet sich eine schwammartige oder nadelstichartig durchlöcherte Auskolkungszone. Liegt die Auskolkung dagegen am Schaufelaustritt oder im Spiralgehäuse, ist die Ursache nicht die klassische Saugkavitation, sondern Saugrezirkulation oder Schaufeldurchgangsstoß.

03Was ist NPSHa, was ist NPSHr? Was sagt der Unterschied zwischen beiden aus?

Der vorhandene NPSH-Wert (NPSHa) ist der Absolutwert der Haltedruckhöhe, die die Anlage der Pumpe am Saugflansch bietet, und ist ausschließlich eine Eigenschaft der Anlage. Der erforderliche NPSH-Wert (NPSHr) ist die Haltedruckhöhe, die die Pumpe für kavitationsfreien Betrieb verlangt, und ist ausschließlich eine Eigenschaft der Pumpe. Die Differenz zwischen NPSHa und NPSHr ist der Sicherheitszuschlag, der Ihnen bleibt; je näher sie an null rückt, desto größer wird das Kavitationsrisiko.

Sie müssen wissen, wie NPSHr in Katalogen definiert ist. In der üblichen Praxis ist NPSHr die Haltedruckhöhe an dem Punkt, an dem die Förderhöhe der Pumpe um 3 Prozent abfällt, und wird deshalb auch als NPSH3 geschrieben. Die praktische Bedeutung dieser Definition ist unbequem: Eine Pumpe, die beim NPSHr-Wert läuft, arbeitet nicht kavitationsfrei, sondern bereits so stark kavitierend, dass sie 3 Prozent Leistung einbüßt. Der Punkt, an dem die Blasenbildung erstmals beginnt, also der Kavitationsbeginn, liegt bei den meisten Geometrien beim 1,5–2-Fachen des NPSH3.

Deshalb gibt es den Sicherheitszuschlag. Die allgemein anerkannte Mindestregel lautet NPSHa ≥ NPSHr + 0,5 m. Diese 0,5 m sind die Untergrenze für eine gut ausgelegte Saugleitung mit sauberem kaltem Wasser und konstantem Volumenstrom. Bei Anlagen mit veränderlichem Volumenstrom, heißem Fördermedium oder kritischer Betriebskontinuität gilt es als anerkannt, den Zuschlag proportional anzusetzen: NPSHa ≥ 1,2–1,5 × NPSHr, bei kritischen Prozessen und Feuerlöschleitungen noch darüber. Quellen des Hydraulic Institute (HI) fassen dieses Verhältnis je nach Anwendungsart in einem Band von 1,1 bis 2,5.

Um die beiden Begriffe nicht zu verwechseln, hilft die Logik der Einheiten. Beide werden in Metern Wassersäule angegeben, und beide liegen auf der Absolutdruckskala; das heißt, der Atmosphärendruck steckt in der Rechnung, nicht außerhalb. Deshalb kann dieselbe Pumpe auf Meeresniveau problemlos laufen und in 1900 m Höhe kavitieren: Die Pumpe hat sich nicht verändert, der von der Anlage gebotene NPSHa ist um 2 mWS gesunken.

NPSHr hängt von drei Variablen ab: Volumenstrom, Drehzahl und Geometrie des Laufradeintritts. Mit steigendem Volumenstrom steigt NPSHr, und dieser Anstieg ist nicht linear; am rechten Ende der Kennlinie wird er steil. Da der Zusammenhang mit der Drehzahl in etwa quadratisch ist, sinkt der NPSHr einer Pumpe, die statt mit 2900 min⁻¹ mit 1450 min⁻¹ läuft, auf grob ein Viertel. Dieser eine Satz beschreibt den stärksten Hebel bei der Lösung von Kavitationsproblemen.

04Wie berechnet man NPSHa? Die vier Terme der Formel

Die Antwort auf die Frage, wie sich NPSHa berechnet, ist eine einzeilige Formel: NPSHa = (Patm − PDampf)/(ρg) ± Hz − Hf. Die Formel besteht aus vier Termen; drei stammen aus der Geometrie der Anlage und vom Fördermedium, einer aus dem berechneten Verlust. Das Ergebnis ergibt sich in Metern Wassersäule und wird direkt mit der NPSHr-Kennlinie im Katalog verglichen.

Der erste Term Patm/(ρg) ist das Wassersäulenäquivalent des absoluten Drucks, der auf die freie Oberfläche der Saugquelle wirkt. Bei einem offenen Behälter, Brunnen, Becken oder einem zur Atmosphäre offenen Entgasertank ist dieser Term der Atmosphärendruck: auf Meeresniveau und bei Wasser von 20 °C 10,33 mWS. In geschlossenen, unter Druck stehenden Systemen wird dagegen der Absolutdruck verwendet: Zum am Manometer abgelesenen Überdruck wird der Atmosphärendruck addiert. In einem geschlossenen Heizkreis mit 1,5 bar Überdruck ergibt der Term 15,3 + 10,33 = 25,63 mWS.

Der zweite Term PDampf/(ρg) ist das Wassersäulenäquivalent des Dampfdrucks des Wassers bei der jeweiligen Temperatur und wird stets abgezogen. Bei 20 °C ist er mit 0,24 mWS vernachlässigbar, bei 95 °C steigt er auf 8,97 mWS und verzehrt fast den gesamten ersten Term. Das ist die Erklärung in einem Satz, warum Kavitation in heißem Wasser so leicht einsetzt.

Der dritte Term Hz ist der statische Höhenunterschied, und sein Vorzeichen richtet sich nach der Geometrie. Liegt der Wasserspiegel oberhalb der Laufradachse der Pumpe, die Pumpe also im Zulaufbetrieb arbeitet, hat der Term ein positives Vorzeichen und vergrößert NPSHa. Liegt der Wasserspiegel unterhalb der Pumpenachse, es also um Saughöhe geht, hat der Term ein negatives Vorzeichen und verkleinert NPSHa. Gemessen wird stets zwischen der freien Wasseroberfläche und der Laufradachse, nicht entlang der Länge des Rohrverlaufs.

Der vierte Term Hf ist der gesamte Reibungs- und Einzelwiderstandsverlust der Saugleitung und wird immer abgezogen. Er umfasst die Reibung im Saugrohr, Bögen, Ventil, Rückschlagventil, Sieb, Reduzierstück und Einlaufverlust. Er ändert sich mit dem berechneten Volumenstrom; verdoppelt sich der Volumenstrom, vervierfacht sich Hf ungefähr. Eine NPSH-Berechnung ohne korrekt bestimmten Volumenstrom irrt bei diesem Term um das Zwei- bis Dreifache. (Details: Wie berechnet man den Pumpenvolumenstrom? m³/h, l/min und Druckberechnung)

Bei der Anwendung der Formel dürfen drei Regeln nicht verletzt werden. Erstens werden alle Terme mit derselben Dichte des Fördermediums in Meter umgerechnet; bei Wasser von 95 °C wird ρ = 962 kg/m³ verwendet, nicht 998. Zweitens wird Hz stets von der Laufradachse aus gemessen; bei horizontalen Pumpen ist die Wellenachse die Referenz, bei vertikalen mehrstufigen Pumpen die Achse des Laufrads der ersten Stufe. Drittens wird Hf unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen berechnet: bei verschmutztem Sieb, niedrigstem Behälterstand und höchstem Volumenstrom.

05Dampfdruck und Einfluss der Höhenlage auf den NPSH: zwei zwingende Korrekturen

Der Dampfdruck ist eine Größe, die mit der Wassertemperatur exponentiell ansteigt, und der sich am schnellsten ändernde Term der NPSHa-Berechnung. Zwischen 20 °C und 60 °C verlieren Sie etwa 1,8 mWS; zwischen 60 °C und 95 °C verlieren Sie noch einmal etwa 6,9 mWS. Gleiche Anlage, gleiche Pumpe, einzige Variable ist die Temperatur.

Die absoluten Werte des Dampfdrucks in Abhängigkeit von der Temperatur und ihre Entsprechungen in Metern Wassersäule, direkt für Berechnungen verwendbar, lauten:

  • 10 °C – 1,23 kPa – 0,13 mWS
  • 20 °C – 2,34 kPa – 0,24 mWS
  • 30 °C – 4,25 kPa – 0,43 mWS
  • 40 °C – 7,38 kPa – 0,76 mWS
  • 50 °C – 12,35 kPa – 1,28 mWS
  • 60 °C – 19,95 kPa – 2,07 mWS
  • 70 °C – 31,20 kPa – 3,25 mWS
  • 80 °C – 47,41 kPa – 4,97 mWS
  • 90 °C – 70,18 kPa – 7,41 mWS
  • 95 °C – 84,61 kPa – 8,97 mWS
  • 100 °C – 101,33 kPa – 10,78 mWS

Die letzte Zeile der Liste ist die lehrreichste. Bei 100 °C ist der Dampfdruck gleich dem Atmosphärendruck; bei einer Pumpe, die aus einem offenen Behälter Wasser von 100 °C ansaugt, heben sich der erste und der zweite Term auf, und für NPSHa bleibt nur die statische Höhe abzüglich des Verlusts. Deshalb werden Speisepumpen, die nahe am Siedepunkt arbeiten, stets unterhalb des Behälters mit der größtmöglichen Zulaufhöhe aufgestellt.

Die zweite Korrektur ist die Höhenlage. Der Atmosphärendruck nimmt mit der Höhe ab; in der praktischen Rechnung nimmt man je 100 m eine Abnahme von etwa 0,11–0,12 mWS an. Der Einfluss der Höhenlage auf den NPSH lässt sich in der Türkei nicht vernachlässigen, weil ein bedeutender Teil der Bevölkerung oberhalb von 800 m lebt.

  • 0 m (Istanbul, Izmir) – 101,3 kPa – 10,33 mWS
  • 300 m (Umgebung von Bursa) – 97,7 kPa – 9,97 mWS
  • 900 m (Ankara) – 91,0 kPa – 9,28 mWS
  • 1050 m (Konya) – 89,4 kPa – 9,12 mWS
  • 1650 m (Umgebung von Van) – 83,1 kPa – 8,48 mWS
  • 1900 m (Erzurum) – 80,6 kPa – 8,22 mWS

Aus der Tabelle folgt ein klares Urteil: Eine Anlage, die auf Meeresniveau 6,0 mWS NPSHa liefert, liefert bei gleicher Geometrie in Erzurum 3,9 mWS. Eine Pumpe mit einem NPSHr von 3,5 mWS arbeitet in Istanbul mit 2,5 m Zuschlag komfortabel, in Erzurum mit 0,4 m Zuschlag an der Grenze und gerät in Kavitation, sobald das Sieb nur ein wenig verschmutzt. Dass dieselbe Projektakte in verschiedenen Städten einfach kopiert wird, ist der Auswahlfehler, den unsere Teams vor Ort am häufigsten sehen.

06Berechnung des Druckverlusts in der Saugleitung Schritt für Schritt

Die Berechnung des Druckverlusts in der Saugleitung erfolgt in drei Stufen: Die Geschwindigkeit wird bestimmt, der Reibungsverlust berechnet, die Einzelwiderstände werden addiert. Das Ergebnis geht als Term Hf in die NPSHa-Formel ein. Als Strömungsgeschwindigkeit in der Saugleitung wird ein Band von 0,8–1,5 m/s angestrebt; in Saugleitungen über 2,0 m/s wachsen die Verluste rasch und zehren den NPSH-Zuschlag auf.

Der erste Schritt ist die Geschwindigkeit: v = Q / (3600 × A), wobei A = π × D² / 4. Bei einem Saugrohr DN80 beträgt der Innendurchmesser etwa 0,080 m und die Querschnittsfläche 0,00503 m². Bei einem Volumenstrom von 30 m³/h ergibt sich eine Geschwindigkeit von v = 30 / (3600 × 0,00503) = 1,66 m/s. Dieser Wert liegt am oberen Rand des Zielbands und ist akzeptabel.

Der zweite Schritt ist die Geschwindigkeitshöhe, und alle folgenden Verluste werden als deren Vielfaches ausgedrückt: hv = v² / (2g) = 1,66² / 19,62 = 0,141 m. Der dritte Schritt ist die Rohrreibung: hf = λ × (L/D) × hv. Bei glattem Stahlrohr wird λ mit etwa 0,020 angesetzt. Für ein 8 m langes DN80-Rohr ergibt sich hf = 0,020 × (8 / 0,080) × 0,141 = 0,28 m.

Der vierte Schritt sind die Einzelwiderstände: hm = ΣK × hv. Die in der Saugleitung typischerweise vorkommenden K-Beiwerte lauten:

  • Scharfkantiger Rohreinlauf – K ≈ 0,50
  • Saugglocke mit konischem Einlauf – K ≈ 0,20
  • 90°-Bogen (großer Radius) – K ≈ 0,30
  • 90°-Bogen (kleiner Radius) – K ≈ 0,75
  • Voll geöffnete Absperrklappe – K ≈ 0,30
  • Voll geöffneter Absperrschieber – K ≈ 0,15
  • Exzentrisches Reduzierstück – K ≈ 0,10–0,20
  • Y-Schmutzfänger (sauber) – K ≈ 1,5–2,0
  • Y-Schmutzfänger (verschmutzt) – K ≈ 10–20
  • Fußventil der Saugleitung (Foot Valve) – K ≈ 2,0–4,0

Im Beispielstrang gibt es den Einlauf mit 0,50, zwei Bögen mit großem Radius 2 × 0,30 = 0,60, die voll geöffnete Absperrklappe mit 0,30, den sauberen Schmutzfänger mit 1,50 und das exzentrische Reduzierstück mit 0,15; es ergibt sich ΣK = 3,05. Der Einzelverlust beträgt hm = 3,05 × 0,141 = 0,43 m. Insgesamt ergibt sich Hf = 0,28 + 0,43 = 0,71 m.

Das lehrreichste Ergebnis dieser Rechnung: Der größte Teil der Verluste stammt nicht von der Rohrlänge, sondern von den Armaturen. Von den 0,71 m entfallen 0,43 m, also 60 Prozent, auf Einzelwiderstände. Die Wahl von Ventil und Sieb auf der Saugseite ist deshalb eine hydraulische Entscheidung. (Details: Ventile & Armaturen)

Ein letzter Hinweis: Der Unterschied zwischen sauber und verschmutzt in der Zeile des Schmutzfängers ist der gefährlichste Posten der Rechnung. Steigt der K-Wert von 1,5 auf 20, springt der Verlust bei einer Geschwindigkeitshöhe von 0,141 m von 0,21 m auf 2,82 m. Das heißt, ein einziges ungewartetes Sieb nimmt NPSHa 2,6 mWS weg. Das ist bei den meisten Anlagen der gesamte Sicherheitszuschlag.

07Beispiel 1: Horizontale Pumpe mit Saugbetrieb aus offenem Behälter, 20 °C, Meeresniveau

Das erste Beispiel ist die häufigste Konfiguration: In einer Wohnanlage in Istanbul eine horizontale Pumpe, die aus einem unterirdischen Wasserbehälter ansaugt und deren Achse 3,0 m über dem minimalen Wasserstand des Behälters liegt. Der Volumenstrom beträgt 30 m³/h, die Wassertemperatur 20 °C, die Saugleitung ist die oben berechnete DN80-Leitung. Als Ergebnis ergibt sich NPSHa = 6,38 mWS, und die Pumpe läuft komfortabel.

Schritt für Schritt: Patm/(ρg) = 10,33 mWS, PDampf/(ρg) = 0,24 mWS, Hz = −3,00 m (Pumpe oberhalb des Wasserspiegels, es liegt eine Saughöhe vor), Hf = 0,71 m. In die Formel eingesetzt: NPSHa = 10,33 − 0,24 − 3,00 − 0,71 = 6,38 mWS.

Der NPSHr-Wert der Pumpe laut Katalog bei 30 m³/h sei 2,8 mWS. Der Sicherheitszuschlag beträgt 6,38 − 2,80 = 3,58 m; die Mindestanforderung von 0,5 m wird mehr als erfüllt, und auch beim proportionalen Kriterium liegt man mit NPSHa / NPSHr = 2,28 im komfortablen Bereich. In dieser Anlage ist keine Kavitation zu erwarten.

Ändern wir jetzt nur eine einzige Sache: Das Drosselventil in der Druckleitung wird vollständig geöffnet, und die Pumpe fördert, auf der Kennlinie nach rechts wandernd, 45 m³/h. Die Geschwindigkeit steigt auf v = 45 / (3600 × 0,00503) = 2,49 m/s, die Geschwindigkeitshöhe auf hv = 2,49² / 19,62 = 0,316 m. Die Reibung beträgt 0,020 × 100 × 0,316 = 0,63 m, der Einzelverlust 3,05 × 0,316 = 0,96 m, insgesamt Hf = 1,59 m.

Der neue NPSHa beträgt 10,33 − 0,24 − 3,00 − 1,59 = 5,50 mWS. Der NPSHr-Wert derselben Pumpe bei 45 m³/h liegt jedoch nicht bei 2,8, sondern typischerweise in der Größenordnung von 6,0–6,5 mWS; am rechten Ende der Kennlinie wird NPSHr steil. Da NPSHa 5,50 < NPSHr 6,20 + 0,50 = 6,70 ist, gerät die Pumpe in Kavitation.

Das klare Urteil aus diesem Beispiel lautet: Die Anlage hat sich überhaupt nicht verändert, kein Rohr wurde ausgebaut, kein Sieb ist verstopft. Die Pumpe hat lediglich begonnen, zu viel Volumenstrom zu fördern. Das ist die häufigste Grundursache der Kavitation, und ihre Quelle liegt nicht in der Montage, sondern in der Auswahlphase. Deshalb ist es bei der Pumpenauswahl entscheidend, den Betriebspunkt nahe am Punkt des besten Wirkungsgrads zu halten. (Details: Wie erfolgt die Pumpenauswahl? Ratgeber zur Berechnung von Volumenstrom und Förderhöhe)

08Beispiel 2: Kavitationsrisiko in heißem Wasser – Speisung aus offenem Entgaser mit 95 °C

Das zweite Beispiel zeigt das Kavitationsrisiko in heißem Wasser anhand von Zahlen. Eine Speisepumpe saugt Wasser von 95 °C aus einem zur Atmosphäre offenen Entgasertank an; der Wasserstand im Tank liegt 4,0 m über der Pumpenachse, die Saugleitung ist kurz und weit, Hf = 0,60 m, Standort auf Meeresniveau. Als Ergebnis ergibt sich NPSHa = 5,17 mWS, und der Zuschlag reicht gerade eben aus.

Schritt für Schritt: Die Dichte von Wasser bei 95 °C beträgt ρ = 962 kg/m³, folglich ρg = 9436 N/m³. Der Atmosphärenterm ergibt 101325 / 9436 = 10,74 mWS; man beachte, dass es nicht die 10,33 wie bei kaltem Wasser sind, weil derselbe Druck in einem leichteren Fluid einer längeren Säule entspricht. Der Dampfterm beträgt 84610 / 9436 = 8,97 mWS.

NPSHa = 10,74 − 8,97 + 4,00 − 0,60 = 5,17 mWS. Beträgt der NPSHr der Pumpe 3,0 mWS, ergeben sich ein Zuschlag von 2,17 m und ein Verhältnis von 1,72; für eine Anwendung mit heißem Fördermedium liegt das im akzeptablen unteren Band. Auffällig ist jedoch die Empfindlichkeit der Rechnung: Da sich Atmosphären- und Dampfterm weitgehend aufheben, stammen 77 Prozent von NPSHa aus einem einzigen Posten, der Zulaufhöhe von 4,0 m.

Erhitzen wir den Tank nun um weitere 5 °C. Bei 100 °C steigt der Dampfterm auf 10,78 mWS und wird dem Atmosphärenterm mit 10,78 mWS exakt gleich; beide heben sich auf. NPSHa sinkt auf 0 + 4,00 − 0,60 = 3,40 mWS. Die Bedingung NPSHr 3,0 + 0,5 = 3,50 ist nicht mehr erfüllt, und die Pumpe gerät in Kavitation. Ein Temperaturanstieg um fünf Grad hat ein Drittel von NPSHa ausgelöscht.

Die zweite Lehre derselben Rechnung liegt im Wert der statischen Höhe. Wäre der Tank in dieser Anlage statt 4,0 m nur 2,0 m hoch aufgestellt worden, ergäbe sich selbst bei 95 °C NPSHa = 10,74 − 8,97 + 2,00 − 0,60 = 3,17 mWS, und der Zuschlag fiele auf 0,17 m. Bei Anwendungen nahe am Siedepunkt ist die Tankhöhe keine architektonische Vorliebe, sondern eine hydraulische Notwendigkeit.

Bei Anwendungen mit heißem Fördermedium wird bei vertikalen mehrstufigen Pumpen wie Grundfos CR und Lowara e-SV die Achse des Laufrads der ersten Stufe als Referenz genommen; diese Achse liegt 100–250 mm über dem Pumpenfuß, und dieser Unterschied darf in der Berechnung der statischen Höhe nicht vergessen werden. Auch bei den Baureihen Wilo Helix VE und Ebara EVM wird die Referenz nach derselben Logik bestimmt. Bei Inline-Bauformen mit kurzem Gehäuse ist die Referenz dagegen unmittelbar die Wellenachse. (Details: Was ist eine Inline-Pumpe? Grundfos TPE und Wilo CronoLine Baureihen)

09Beispiel 3: Kreis mit 60 °C in 900 m Höhe und der Preis eines verstopften Siebs

Das dritte Beispiel zeigt das Zusammenwirken von Höhenlage, Temperatur und fehlender Wartung: in Ankara, in 900 m Höhe, eine Pumpe, die aus einem zur Atmosphäre offenen Ausgleichsgefäß Wasser von 60 °C ansaugt. Der Wasserstand im Behälter liegt 1,2 m über der Pumpenachse, der Volumenstrom beträgt 25 m³/h, die Saugleitung ist DN65 mit 6 m Länge. Bei sauberer Leitung ergibt sich NPSHa = 7,48 mWS; bei verstopftem Sieb sinkt er auf 3,35 mWS.

Zuerst die Geschwindigkeit: Innendurchmesser DN65 0,065 m, Fläche A = π × 0,065² / 4 = 0,00332 m². v = 25 / (3600 × 0,00332) = 2,09 m/s. Geschwindigkeitshöhe hv = 2,09² / 19,62 = 0,223 m. Diese Geschwindigkeit liegt über dem Zielband, und hier liegt der erste Keim des Fehlers: Wäre für die Saugleitung DN80 statt DN65 gewählt worden, wäre die Geschwindigkeit auf 1,38 m/s und die Geschwindigkeitshöhe auf 0,097 m gesunken.

Reibungsverlust mit λ = 0,021: hf = 0,021 × (6 / 0,065) × 0,223 = 0,43 m. Einzelwiderstände: Einlauf 0,50, zwei Bögen 0,60, Absperrklappe 0,30, sauberer Y-Schmutzfänger 1,50; ΣK = 2,90 und hm = 2,90 × 0,223 = 0,65 m. Insgesamt Hf = 0,43 + 0,65 = 1,08 m.

Höhenkorrektur: In 900 m Höhe beträgt der Atmosphärendruck 91,0 kPa. Bei Wasser von 60 °C ist ρ = 983 kg/m³, ρg = 9645 N/m³; Atmosphärenterm 91000 / 9645 = 9,43 mWS. Dampfterm 19950 / 9645 = 2,07 mWS. Statische Höhe +1,20 m.

NPSHa = 9,43 − 2,07 + 1,20 − 1,08 = 7,48 mWS. Beträgt der NPSHr der Pumpe bei 25 m³/h 4,8 mWS, ergeben sich ein Zuschlag von 2,68 m und ein Verhältnis von 1,56. Zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme ist die Anlage in Ordnung.

Nach achtzehn Monaten füllt sich der Siebkorb mit Sediment und Anlagenschlamm; der K-Wert steigt von 1,5 auf 20. Der zusätzliche Verlust beträgt (20 − 1,5) × 0,223 = 4,13 m, und insgesamt ergibt sich Hf = 5,21 m. Neuer NPSHa = 9,43 − 2,07 + 1,20 − 5,21 = 3,35 mWS. Da NPSHr 4,80 beträgt, arbeitet die Pumpe nun 1,45 m unterhalb der erforderlichen Haltedruckhöhe; starke Kavitation, Kiesgeräusche und Volumenstromverlust sind unvermeidlich.

Das klare Urteil dieses Beispiels ist die hydraulische Begründung der regelmäßigen Wartung. Die Reinigung des Siebs ist keine Putzarbeit, sondern ein Eingriff, der NPSHa um 4,1 mWS zurückgewinnt. Ein einfaches Differenzdruckmanometer auf der Saugseite warnt, sobald der Verlust 1,0 mWS übersteigt, und rettet das Laufrad. (Details: Pumpenwartung)

10Die 8 Grundursachen der Kavitation und ihre jeweilige numerische Signatur

Es gibt acht in der Praxis vorkommende Grundursachen der Kavitation, und jede hat eine durch Messung unterscheidbare Signatur. Ein Eingriff ohne Bestimmung der Ursache endet meist mit dem Austausch der Pumpe, und das Problem wiederholt sich an der neuen Pumpe unverändert. Die folgende Liste ist nach der Reihenfolge der Diagnose geordnet.

  • Hoher Druckverlust in der Saugleitung – Signatur: Sauggeschwindigkeit über 2,0 m/s, Rohrdurchmesser gleich oder kleiner als der Durchmesser der Druckleitung, mehr als 3 Bögen in der Leitung. Hf allein übersteigt 1,5 mWS.
  • Sieb oder Fußventil verstopft – Signatur: Das Saugmanometer zeigt 0,2–0,4 bar mehr Vakuum als normal, nach dem Ausbau befindet sich Sediment im Korb. Der Volumenstrom hat schrittweise abgenommen.
  • Hohe Temperatur des Fördermediums – Signatur: Wassertemperatur über 60 °C, das Problem beginnt in der Heizperiode und verschwindet in den Sommermonaten. Der Dampfdruckterm hat 2 mWS überschritten.
  • Zu große Saughöhe – Signatur: Die Pumpe steht 5–6 m über dem Wasserspiegel. Die theoretische Grenze liegt auf Meeresniveau und bei kaltem Wasser bei 10,33 m, die praktische Grenze überschreitet jedoch nicht 6–7 m.
  • Pumpe zu groß gewählt – Signatur: Der Betriebspunkt liegt am rechten Ende der Kennlinie, der Motorstrom liegt nahe am oder über dem Nennwert, das Geräusch verschwindet, wenn das Ventil auf der Druckseite gedrosselt wird.
  • Saugseitiges Ventil geschlossen oder halb geschlossen – Signatur: Das Saugmanometer zeigt extremes Vakuum, der Förderdruck ist niedrig, das Geräusch verschwindet sofort beim Öffnen des Ventils. Es ist die am schnellsten zu behebende Ursache.
  • Lufteintritt in die Saugleitung – Signatur: Das Geräusch ist rauschend und unregelmäßig, an der Wellendichtung oder der Flanschdichtung gibt es eine Leckage, und es nimmt mit sinkendem Behälterstand zu. Technisch handelt es sich um Scheinkavitation.
  • Niedriger Wasserstand im Behälter oder Brunnen – Signatur: Das Problem tritt zu bestimmten Tageszeiten auf, der Niveauschalter ist nicht wirksam. In Brunnen liegt der dynamische Wasserspiegel weit unter dem statischen.

Sechs dieser acht Ursachen hängen mit der Anlage zusammen, zwei mit der Auswahl. Bei anlagenbedingten Ursachen sind die Lösungskosten gering und die Wirkung schnell; bei auswahlbedingten erfordert die Lösung entweder eine Drehzahlreduzierung oder den Austausch der Pumpe. Bei Tauchpumpen folgen dieselben Symptome einer anderen Reihenfolge; Absinken des dynamischen Wasserspiegels und Verstopfung des Saugsiebs stehen an der Spitze. (Details: Tauchpumpe fördert kein Wasser: Die 10 häufigsten Störungen und ihre Lösung)

Der Lufteintritt in Punkt acht verdient eine eigene Überschrift, weil er für das Messgerät gleich aussieht, die Physik aber eine andere ist. Bei echter Kavitation entsteht die Blase aus dem Wasser selbst durch Verdampfung und schädigt beim Zusammenfallen das Metall. Beim Lufteintritt kommt die Blase von außen, fällt nicht zusammen, sondern wird nur zusammengedrückt und dehnt sich aus; sie macht Geräusche, senkt den Volumenstrom, kolkt das Laufrad aber nicht aus. Herrscht in der Saugleitung Unterdruck, saugt schon ein 0,2 mm großes Dichtungsleck pro Stunde Liter an Luft an.

11Was passiert, wenn die Pumpe zu groß gewählt wurde? Betrieb am rechten Ende der Kennlinie

Eine zu groß gewählte Pumpe schneidet die Widerstandskennlinie der Anlage mit ihrer eigenen Kennlinie rechts vom Punkt des besten Wirkungsgrads. An diesem Punkt sind der Volumenstrom hoch, die Förderhöhe niedrig und NPSHr am höchsten. Das ist die häufigste auswahlbedingte Ursache der Kavitation, und sie entsteht durch das Aufblähen des Sicherheitszuschlags im Projekt.

Der Mechanismus funktioniert so. Der Projektvolumenstrom wird mit 30 m³/h berechnet, 20 Prozent Zuschlag kommen darauf, aus dem Katalog wird ein Modell größer gewählt, und eingebaut wird eine Pumpe, die tatsächlich 45 m³/h fördert. Kann die Anlage diesen Volumenstrom durchlassen, fördert die Pumpe wirklich 45 m³/h. Da die Saugleitung jedoch für 30 m³/h dimensioniert wurde, steigen die Verluste auf etwa das 2,25-Fache. Gleichzeitig steigt auch NPSHr der Pumpe. Die beiden Kennlinien bewegen sich in entgegengesetzter Richtung, und der Zuschlag ist in wenigen Monaten aufgebraucht.

Der Betrieb am rechten Ende der Kennlinie hat neben der Kavitation drei weitere Kosten. Erstens die Motorlast: Bei Kreiselpumpen steigt die Leistungsaufnahme mit dem Volumenstrom, bei übermäßigem Volumenstrom bringt der Motor den Nennstrom an seine Grenze. Zweitens die Energie; der Wirkungsgrad sinkt, je weiter man sich vom Punkt des besten Wirkungsgrads entfernt, und der Jahresverbrauch kann um Tausende kWh steigen. Drittens die Lebensdauer von Lagern und Wellendichtung: Das Ungleichgewicht der Radialkräfte wächst fern vom Punkt des besten Wirkungsgrads. (Details: Warum verbraucht eine Pumpe so viel Strom? 8 Wege, den Energieverbrauch zu senken)

Das Gegenstück zur zu groß gewählten Pumpe ist das Ausweichen weit nach links auf der Kennlinie, und auch das ist nicht harmlos. In dem Bereich, in dem der Volumenstrom unter 25–30 Prozent des Punkts des besten Wirkungsgrads fällt, beginnt die Saugrezirkulation: Am Laufradeintritt entstehen Rückströmwirbel, und im Zentrum dieser Wirbel fällt der Druck ebenfalls unter den Dampfdruck. Das Ergebnis ist wieder Kavitation, doch die Auskolkung zeigt sich diesmal auf der Druckseite der Schaufel und im Bereich nahe der Laufradnabe.

Der richtige Bereich ist, den Volumenstrom zwischen 70 und 120 Prozent des Punkts des besten Wirkungsgrads zu halten. Bei Anlagen mit veränderlichem Volumenstrom ist dies mit konstanter Drehzahl nicht möglich; ein Frequenzumrichter wird zur Pflicht. Da NPSHr bei sinkender Drehzahl etwa mit dem Quadrat der Drehzahl abnimmt, bringt der Umrichter einen doppelten Gewinn, sowohl bei der Energie als auch bei der Kavitation.

12Wie schreitet der Laufradverschleiß voran? Pitting, Lebensdauer und Wirkungsgradverlust

Der Laufradverschleiß schreitet bei Kavitation in drei Phasen voran: matte Oberfläche, Nadelstiche und schwammartiges Gefüge. Der Vorgang hängt mit der Ermüdungsfestigkeit des Metalls zusammen; auch wenn ein einzelnes Zusammenfallen einer Blase die Streckgrenze nicht überschreitet, lösen Millionen von Wiederholungen Mikrorisse an der Oberfläche aus. Der kritische Punkt ist, dass der Fortschritt sich beschleunigt, sobald der Schaden sichtbar wird, weil die Kavernen neue Kavitationskeime erzeugen.

Die erste Phase entsteht in den ersten Wochen und ist mit bloßem Auge nicht zu erkennen; an der Saugseite der Schaufelvorderkante verschwindet der Glanz, die Oberfläche wird matt. In der zweiten Phase treten Nadelstiche mit 0,1–0,5 mm Durchmesser auf; diese Phase dauert bei starker Kavitation 3–6 Monate, bei leichter Kavitation 2–3 Jahre. In der dritten Phase verbinden sich die Löcher, ein Teil des Schaufelquerschnitts geht verloren, und das Material nimmt ein schwammartiges Aussehen an.

Der Werkstoff verändert die Lebensdauer deutlich. Bei gleicher Kavitationsintensität sieht die Reihenfolge der Beständigkeit in der Praxis so aus:

  • Graues Gusseisen – Geringste Beständigkeit; Graphitlamellen bilden Rissansätze, der Verschleiß schreitet schnell voran
  • Bronze (Zinnbronze) – Etwa 2–3-fache Beständigkeit von Gusseisen; verbreitet bei Druckerhöhungsanlagen und Klarwasserpumpen
  • Edelstahl AISI 304 – Über Bronze; Standard bei mehrstufigen Pumpen mit Blechlaufrädern
  • Edelstahl AISI 316 / 316L – Eine Stufe über 304; beständig gegen die Kombination aus Korrosion und Kavitation
  • Duplex-Edelstahl und Nickel-Aluminium-Bronze – Höchste Beständigkeit bei industriellen und Meerwasseranwendungen

Den Werkstoff aufzuwerten ist keine Lösung, sondern verschafft Zeit; die dauerhafte Lösung besteht stets darin, NPSHa zu erhöhen oder NPSHr zu senken. Der Wirkungsgradverlust beginnt vor dem Schaden. Die an der Schaufelvorderkante entstehende Dampfzone verfälscht den wirksamen Eintrittswinkel der Schaufel, und der hydraulische Wirkungsgrad sinkt. Im frühen Stadium sind 2–4 Prozent, im fortgeschrittenen Stadium 8–15 Prozent Wirkungsgradverlust zu beobachten. Bei einer 15-kW-Pumpe bedeuten 10 Prozent Wirkungsgradverlust bei 3000 Betriebsstunden im Jahr etwa 4500 kWh Mehrverbrauch. Kavitation schlägt sich leise auf der Rechnung nieder.

13Kavitation, Lufteintritt oder mechanisches Geräusch? Unterscheidungsverfahren

Drei Probleme erzeugen ähnliche Geräusche, lassen sich aber durch drei verschiedene Tests eindeutig trennen: den Drosseltest am Druckventil, die Messung des Saugvakuums und den Pumpenstopptest. Eine falsche Diagnose führt dazu, dass eine funktionierende Pumpe unnötig ausgebaut wird.

Der erste Test besteht darin, das Druckventil langsam zu drosseln. Nimmt das Geräusch durch die Drosselung deutlich ab oder verschwindet es, ist die Ursache Kavitation; weil der Volumenstrom gesunken ist, haben sowohl Hf als auch NPSHr abgenommen. Ändert sich das Geräusch nicht, ist die Ursache mechanisch. Nimmt das Geräusch durch die Drosselung zu, tritt die Möglichkeit einer Saugrezirkulation in den Vordergrund.

Der zweite Test ist die Druckmessung am Saugflansch. Zeigt das Vakuummeter 0,2 bar oder mehr Vakuum als der von Ihnen berechnete Wert, gibt es in der Saugleitung einen unerwarteten Widerstand; gesucht werden Sieb, geschlossenes Ventil oder eine zusammengefallene flexible Verbindung. Entspricht die Anzeige dem erwarteten Wert, das Geräusch besteht aber fort, liegt die Ursache nicht im Saugverlust; dann ist auf der Temperatur- oder Auswahlseite zu suchen.

Der dritte Test ist Stoppen und Beobachten. Steigt der Druck in der Saugleitung beim Abschalten der Pumpe langsam an, ist die Leitung dicht; kehrt er rasch auf den Atmosphärenwert zurück, tritt Luft ein. Ein einfacher Lecktest mit Seifenschaum auf der Wellendichtung zeigt den Lufteintritt bei Saugleitungen mit Unterdruck in wenigen Sekunden.

Mechanisch bedingte Geräusche sprechen auf keinen dieser drei Tests an und tragen eigene Signaturen: Lagergeräusche sind der Drehzahl proportional und kontinuierlich, Kupplungsfluchtungsfehler erzeugen Schwingungen mit der doppelten Drehzahlfrequenz, und Schwingungen eines lockeren Fußes sind mit der Hand spürbar und ändern sich, wenn die Gehäuseschelle festgezogen wird. Die ausführliche Unterscheidung der Geräuscharten bei Umwälzpumpen wird in einem eigenen Ratgeber behandelt. (Details: Umwälzpumpe macht Geräusche: Ursachen und Lösungen)

14Wie lässt sich Kavitation vermeiden? Prioritätenfolge der Lösungen

Die Antwort auf die Frage, wie sich Kavitation vermeiden lässt, besteht aus zwei Hebeln: Entweder wird NPSHa erhöht oder NPSHr gesenkt. Die Lösungen sind nach Kosten von niedrig nach hoch und nach Wirkung von schnell nach langsam geordnet; die ersten drei Punkte genügen bei den meisten Anlagen allein, und keiner erfordert den Austausch der Pumpe.

  • Saugseitiges Ventil vollständig öffnen, Sieb reinigen – Gewinn: 0,5–4,0 mWS. Dauer: 1 Stunde. Ein bedeutender Teil der Kavitationsfälle endet hier.
  • Volumenstrom durch Drosseln des Druckventils senken – Gewinn: 0,5–1,5 mWS Anstieg bei NPSHa, gleichzeitige Senkung bei NPSHr. Vorübergehende Lösung, verursacht Energieverschwendung.
  • Wasserstand im Behälter erhöhen oder Mindestniveauschalter nach oben setzen – Gewinn: so viel wie die Niveaudifferenz, typisch 0,5–2,0 mWS. Materialkosten nahezu null.
  • Temperatur des Fördermediums senken – Gewinn: 2,9 mWS bei Absenkung von 80 °C auf 60 °C. Wenn der Prozess es zulässt, der ertragreichste Posten.
  • Durchmesser des Saugrohrs eine Stufe größer wählen – Gewinn: Beim Wechsel von DN65 auf DN80 halbiert sich die Geschwindigkeitshöhe etwa, typisch 0,5–2,5 mWS. Reduzieren Sie auch die Anzahl der Bögen.
  • Bögen, Reduzierstücke und überflüssige Ventile in der Saugleitung reduzieren – Gewinn: für jeden entfernten Bogen mit kleinem Radius etwa 0,5 × Geschwindigkeitshöhe.
  • Drehzahl per Frequenzumrichter senken – Gewinn: NPSHr sinkt etwa mit dem Quadrat der Drehzahl; eine Drehzahlsenkung um 20 Prozent verringert NPSHr um etwa ein Drittel.
  • Pumpe tiefer setzen oder auf Zulaufbetrieb umstellen – Gewinn: eins zu eins so viel wie der Höhenunterschied. Erfordert einen baulichen Eingriff, die sicherste Lösung.
  • Auf einen Pumpentyp mit niedrigem NPSHr wechseln – Gewinn: je nach Modell und Baureihe 1,0–3,0 mWS. Bevorzugt werden mehrstufige Typen, deren erste Stufe auf niedrigen NPSHr ausgelegt ist.
  • Inducer (Vorsatzläufer) oder Boosterpumpe ergänzen – Gewinn: je nach Anwendung 1,5–4,0 mWS. Wird bei kritischen Prozessen und Anwendungen nahe am Siedepunkt eingesetzt.

Der in dieser Liste am häufigsten übersehene Punkt ist der fünfte. Dass das Saugrohr eine Stufe größer ist als das Druckrohr, ist keine Regel, sondern eine Notwendigkeit; ein großer Teil der Anlagen, in denen ein Saugrohr mit dem Durchmesser der Druckseite verlegt wird, arbeitet mit kritischem Zuschlag. Für die Auslegung der Saugleitung gibt es außerdem vier Regeln: Das exzentrische Reduzierstück wird so eingebaut, dass die Oberseite gerade ist, das Rohr steigt kontinuierlich zur Pumpe an, es bleibt kein Hochpunkt, an dem sich ein Luftsack bilden könnte, und zwischen Bogen und Saugflansch bleibt ein gerades Rohr von mindestens fünf Durchmessern Länge.

Der Vergleich zwischen richtiger und falscher Auslegung der Saugleitung sieht so aus:

  • Rohrdurchmesser – Falsch: gleiche DN wie die Druckseite. Richtig: mindestens eine Stufe größer, Geschwindigkeit 0,8–1,5 m/s
  • Reduzierstück – Falsch: konzentrisch, oben bildet sich ein Luftsack. Richtig: exzentrisch, gerade Seite oben
  • Anzahl der Bögen – Falsch: zwei Bögen unmittelbar vor dem Flansch. Richtig: höchstens zwei Bögen, der letzte 5 × DN vom Flansch entfernt
  • Rohrgefälle – Falsch: zur Pumpe hin fallend, mit einem Hochpunkt in der Mitte. Richtig: zur Pumpe hin kontinuierlich ansteigende Trassenführung ohne Hochpunkt
  • Sieb – Falsch: an unzugänglicher Stelle, ohne Manometer. Richtig: zugänglich, mit Differenzdruckanzeige, regelmäßig gereinigt
  • Ventiltyp – Falsch: Ventil zu Drosselzwecken auf der Saugseite. Richtig: ausschließlich vollständig geöffnetes Ventil zu Absperrzwecken
  • Tiefe der Saugöffnung – Falsch: nahe an der Wasseroberfläche, es bildet sich ein Wirbel. Richtig: mindestens 2–3 × DN unter dem Mindestwasserstand, mit Wirbelbrecherplatte
  • Messung – Falsch: keine Messstelle auf der Saugseite. Richtig: Vakuummeter oder Druckmessumformer am Saugflansch

Das Thema Wirbel im achten Punkt wird besonders bei Anlagen mit Behälter vernachlässigt. Nähert sich der Wasserstand der Saugöffnung, bildet sich an der Oberfläche ein Lufttrichter, und die Pumpe beginnt, direkt Luft anzusaugen. Dieses Luftansaugen erzeugt dasselbe Geräusch wie Kavitation; die Lösung ist, den Niveauschalter höher zu setzen und über der Saugöffnung eine Wirbelbrecherplatte anzubringen. Auch hinter Beschwerden über Dauerbetrieb bei Druckerhöhungsanlagen steckt häufig dasselbe Niveauproblem. (Details: Druckerhöhungsanlage läuft ständig und schaltet nicht ab: 10 mögliche Ursachen und Lösungen)

15NPSHr-Größenordnungen nach Pumpentyp: Welche Lösung passt zu wem?

Der NPSHr-Bedarf verschiedener Pumpentypen unterscheidet sich deutlich, und die Auswahl sollte in Kenntnis dieses Unterschieds erfolgen. Die folgenden Werte sind Größenordnungsangaben, die sich je nach Baureihe, Volumenstrom und Drehzahl ändern; die genaue Zahl wird stets der Katalogkennlinie des jeweiligen Modells entnommen. Allgemeine Regel: Mit steigender Drehzahl und wachsendem Volumenstrom steigt NPSHr.

  • Vertikale mehrstufige Inline-Pumpe (Grundfos CR, Lowara e-SV, Wilo Helix VE, Ebara EVM) – Typischer NPSHr im Band 1,0–4,0 mWS, die niedrigsten Werte bei Stufen mit geringem Volumenstrom
  • Horizontale einstufige Normpumpe (Grundfos NB/NK, horizontale Baureihen von Standart Pompa) – Typischer NPSHr 2,0–6,0 mWS, steigt bei großen Volumenströmen ins obere Band
  • Selbstansaugende Jetpumpe – Typischer NPSHr 2,5–5,0 mWS, die Toleranz bei der Saughöhe ist wegen der Fähigkeit zum Luftansaugen jedoch hoch
  • Tauchpumpe (Grundfos SP-Baureihe) – Da sie im Wasser arbeitet, ist NPSHa naturgemäß hoch; entscheidend sind der dynamische Wasserspiegel und die Sauberkeit des Saugsiebs
  • Umwälzpumpe (geschlossener Kreislauf) – NPSHr typisch 0,5–2,0 mWS; wird der Anlagendruck bei 1,0–1,5 bar gehalten, bleibt reichlich Zuschlag
  • Feuerlöschpumpe (im Geltungsbereich von EN 12845 / NFPA 20) – Zulaufbetrieb ist zwingend; Ansaugen aus Saughöhe wird grundsätzlich nicht akzeptiert

Die Urteile sind klar. Bei heißem Fördermedium, großer Höhenlage oder begrenzter statischer Höhe werden vertikale mehrstufige Typen gewählt, weil die Geometrie der ersten Stufe auf niedrigen NPSHr ausgelegt ist. Für den Transfer großer Mengen kalten Wassers genügt eine horizontale Normpumpe, doch die Saugleitung muss für unter 1,5 m/s dimensioniert werden. Bei Brunnen- und Tiefbehälteranwendungen ist es das richtige Urteil, statt sich mit der Saughöhe herumzuschlagen, auf einen Tauchtyp zu wechseln; Wasser zu schieben ist immer leichter, als es zu ziehen. Bei Feuerlöschleitungen ist der Zulaufbetrieb keine Wahl, sondern Vorgabe der Norm. (Details: Wie wählt man eine Feuerlöschpumpenanlage aus?)

Bei den Marken gilt: Bei allen von Pomeka Mekanik geführten Baureihen von Grundfos, Lowara, Wilo, Standart Pompa und Ebara werden die NPSHr-Kennlinien in den technischen Dokumenten zusammen mit der Volumenstromachse angegeben. Bei der Auswahl muss nicht nur der Wert im Betriebspunkt gelesen werden, sondern auch der Wert beim höchsten Volumenstrom, den die Anlage erreichen kann. Die Liste der von uns geführten Marken und die Produktgruppen finden Sie auf den entsprechenden Seiten. (Details: unsere Markenseite) Die gesamte Pumpenpalette ist auf der Produktseite zu finden. (Details: Pumpensysteme)

16Die 5 häufigsten Fehler

Die fünf in der Praxis immer wiederkehrenden Fehler bei der Kavitation konzentrieren sich auf bestimmte Punkte der Projekte und der Inbetriebnahme. Alle fünf lassen sich durch Berechnung vermeiden.

  • NPSHa nur für den Zeitpunkt der Inbetriebnahme berechnen – Eine Rechnung bei sauberem Sieb, vollem Behälter und Nennvolumenstrom ist das optimistischste Szenario. Die Rechnung muss unter den ungünstigsten Bedingungen wiederholt werden: Sieb verschmutzt, Stand minimal, Volumenstrom maximal.
  • Saugrohr mit demselben Durchmesser wie das Druckrohr verlegen – Ein DN65-Saugrohr an den DN65-Druckstutzen anzuschließen verdoppelt die Geschwindigkeitshöhe unnötig. Die Saugseite wird stets mindestens eine Stufe größer gewählt.
  • Den Sicherheitszuschlag auf den Volumenstrom aufschlagen und die Pumpe größer wählen – 20 Prozent Volumenstromzuschlag können NPSHr um 40–60 Prozent erhöhen. Der Zuschlag gehört nicht auf den Volumenstrom, sondern als NPSH-Zuschlag nach der Auswahl.
  • Den Dampfdruck bei 20 °C ansetzen – In einem Kreis mit 80 °C ist statt 0,24 der Wert 4,97 mWS zu verwenden. Dieser einzeilige Fehler lässt die Rechnung um 4,7 mWS optimistischer erscheinen und bringt die Pumpe direkt in Kavitation.
  • Die Höhenlage vernachlässigen – Ein für Meeresniveau erstelltes Projekt arbeitet in 1900 m Höhe mit 2,1 mWS zu wenig NPSHa. Bevor dieselbe Projektakte in einer anderen Stadt kopiert wird, wird der Atmosphärenterm korrigiert.

17Checkliste: vor der Inbetriebnahme und vor dem Anruf beim Service

Die folgende Liste dient zwei Zwecken: zur Überprüfung vor der Inbetriebnahme einer neuen Anlage und als erste Maßnahme, wenn in einer laufenden Anlage ein Kiesgeräusch zu hören ist. Die Reihenfolge geht von schnell nach langsam; die ersten fünf Punkte sind in fünfzehn Minuten erledigt.

  • Dass das saugseitige Ventil vollständig geöffnet ist, wurde am Ventilgehäuse visuell bestätigt
  • Der Korb des Y-Schmutzfängers wurde ausgebaut, gereinigt und in der richtigen Richtung wieder eingebaut
  • Der Wasserstand im Behälter oder Brunnen wurde gemessen; die Differenz zwischen Mindeststand und Pumpenachse wurde notiert
  • Die Temperatur des Fördermediums wurde gemessen und der entsprechende Dampfdruck aus der Liste abgelesen
  • Die Höhenlage der Anlage wurde bestimmt und der Atmosphärendruckterm korrigiert
  • Die Geschwindigkeitsberechnung der Saugleitung wurde durchgeführt; bestätigt, dass das Ergebnis im Band 0,8–1,5 m/s liegt
  • Der Gesamtverlust Hf der Saugleitung wurde berechnet; Reibung und Einzelwiderstand wurden getrennt notiert
  • NPSHa wurde mit der Formel berechnet und die vier Terme in getrennten Zeilen dargestellt
  • NPSHr im Betriebspunkt wurde dem Katalog entnommen; zusätzlich wurde auch der Wert beim möglichen höchsten Volumenstrom abgelesen
  • Die Bedingung NPSHa ≥ NPSHr + 0,5 m wurde geprüft; bei heißen oder kritischen Anwendungen wird NPSHa ≥ 1,3 × NPSHr verlangt
  • Am Saugflansch ist ein Vakuummeter oder Druckmessumformer montiert, und die Anzeige stimmt mit der Berechnung überein
  • Der Zeiger des Druckmanometers pendelt nicht mit einer Amplitude von mehr als 0,1 bar
  • Der Motorstrom wurde mit der Stromzange gemessen; er liegt unter dem Nennstrom und pendelt nicht
  • Die gerade Fläche des exzentrischen Reduzierstücks liegt oben, und in der Saugleitung gibt es keinen Hochpunkt, der einen Luftsack bildet
  • Die Saugöffnung liegt ausreichend tief unter dem Mindestwasserstand, und es sind Maßnahmen gegen Wirbel getroffen (Wirbelbrecher)
  • Ein Kalender für die regelmäßige Kontrolle des Siebdifferenzdrucks wurde festgelegt

Ergeben sich bei mehr als zehn Punkten dieser Liste negative Befunde, liegt das Problem nicht an einer einzelnen Komponente, sondern in der Auslegung der Saugleitung und lässt sich nicht durch punktuelle Eingriffe lösen. Zu Komponenten der Installationstechnik und Rohrleitungen können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Installationstechnik)

18Häufig gestellte Fragen

Wie lange dauert es, bis Kavitation eine Pumpe beschädigt?
Die Dauer hängt von der Intensität der Kavitation und dem Laufradwerkstoff ab. Bei starker Kavitation, bei der NPSHa 1–2 mWS unter NPSHr liegt, beginnt bei einem Laufrad aus Gusseisen eine sichtbare Auskolkung nach 3–6 Monaten. Bei leichter Kavitation, bei der der Zuschlag nahe null liegt, verlängert sich die Zeit auf 2–3 Jahre. Ein Edelstahllaufrad hält unter gleichen Bedingungen ein Mehrfaches aus, wird aber am Ende ebenfalls ausgekolkt.
Wie viele Meter muss die Differenz zwischen NPSHa und NPSHr mindestens betragen?
Bei gut ausgelegten Saugleitungen mit sauberem kaltem Wasser und konstantem Volumenstrom gilt als Mindestwert NPSHa ≥ NPSHr + 0,5 m. Bei heißem Fördermedium, veränderlichem Volumenstrom, großer Höhenlage oder kritischer Betriebskontinuität wird das proportionale Kriterium angewendet: NPSHa ≥ 1,2–1,5 × NPSHr. Bei Feuerlösch- und kritischen Prozessleitungen werden höhere Verhältnisse bevorzugt.
Ist der NPSHr-Wert im Katalog die sichere Betriebsgrenze?
Nein. Der NPSHr-Wert im Katalog bezeichnet den Punkt, an dem die Förderhöhe der Pumpe um 3 Prozent abfällt, und wird auch als NPSH3 geschrieben. Das heißt, bei diesem Wert kavitiert die Pumpe bereits leicht. Die Grenze, an der die Blasenbildung gar nicht erst beginnt, liegt bei den meisten Geometrien beim 1,5–2-Fachen dieses Werts. Der Sicherheitszuschlag wird genau deshalb angesetzt, um diese Differenz zu schließen.
Die Pumpe macht Kiesgeräusche, der Volumenstrom ist aber normal – kann es trotzdem Kavitation sein?
Ja, im frühen Stadium ist das möglich. Wenn die Kavitation einsetzt, zeigt sich zuerst das Geräusch, dann der Förderhöhenverlust. Dass der Volumenstrom normal erscheint, kann auch an einer eingeschränkten Messstelle liegen. Zur sicheren Unterscheidung wird das Druckventil langsam gedrosselt: Nimmt das Geräusch ab, handelt es sich um Kavitation; ändert es sich nicht, ist eine mechanische Quelle zu suchen.
Wie groß darf die Saughöhe höchstens sein?
Die theoretische Grenze beträgt auf Meeresniveau und bei Wasser von 20 °C 10,33 m, doch dieser Wert wird nie erreicht. Zieht man Dampfdruck, Verlust in der Saugleitung und den NPSHr-Bedarf der Pumpe ab, bleibt die praktische Grenze bei 6–7 m. Bei heißem Wasser und in großer Höhe sinkt diese Grenze bis auf 3–4 m.
Löst ein Frequenzumrichter die Kavitation?
In den meisten Fällen ja. Wird die Drehzahl gesenkt, sinkt NPSHr etwa mit dem Quadrat der Drehzahl; weil gleichzeitig der Volumenstrom sinkt, verringert sich auch der Verlust in der Saugleitung, und NPSHa steigt. Beide Effekte wirken in dieselbe Richtung. Ist die Quelle des Problems jedoch ein verstopftes Sieb oder ein geschlossenes Ventil, verdeckt der Umrichter lediglich das Symptom, ohne die Ursache zu beseitigen.
Hilft es, einen Erweiterungskonus in die Saugleitung einzubauen?
Ja, aber nur, wenn es der richtige Typ ist. Beim Übergang vom Saugrohr zum Pumpenflansch wird ein exzentrisches Reduzierstück verwendet und so eingebaut, dass die gerade Fläche oben liegt. Ein konzentrisches Reduzierstück bildet oben einen Luftsack, und die sich sammelnde Luft erzeugt dasselbe Geräusch wie Kavitation. Zwischen Reduzierstück und Flansch wird ein gerades Rohr von mindestens zwei Durchmessern Länge belassen.
Kann Kavitation in einem geschlossenen Heizkreis auftreten?
Sie kann auftreten, ist aber selten, weil der Anlagendruck NPSHa erhöht. Das Risiko entsteht unter drei Bedingungen: Absinken des Anlagendrucks unter 0,8 bar, Anstieg der Temperatur des Fördermediums über 90 °C und falsch eingestellter Vordruck des Ausdehnungsgefäßes. Wird der Druck in geschlossenen Kreisen im Band von 1,0–1,5 bar gehalten, ist das Problem weitgehend beseitigt.
Lässt sich ein kavitationsgeschädigtes Laufrad reparieren?
Bei leichten Auskolkungen ist eine Reparatur durch Auftragsschweißen und Schleifen möglich, das Ergebnis ist jedoch nicht dauerhaft; die reparierte Oberfläche gibt das ursprüngliche Profil nicht genau wieder, und der Wirkungsgrad bleibt etwas niedriger. Bei Schäden, die über die zweite Phase hinausgehen, ist der Laufradaustausch die richtige Entscheidung. In beiden Fällen erlebt das neue Laufrad dieselbe Zeitspanne erneut, wenn NPSHa nicht korrigiert wird.
Wie erkennt man Kavitation bei einer Brunnenpumpe?
Da es bei Tauchpumpen keine Saughöhe gibt, ist klassische Kavitation selten; das eigentliche Problem ist, dass sich der dynamische Wasserspiegel der Pumpensaugöffnung nähert. Das Symptom ist, dass die Pumpe zu bestimmten Zeiten das Geräusch ändert und der Volumenstrom schwankt. Die Brunnenergiebigkeit wird gemessen, der dynamische Wasserspiegel wird aufgezeichnet, und die Pumpe wird bei Bedarf tiefer eingebaut.

Bei einer Anlage mit Kavitationsverdacht ist die richtige Reihenfolge klar: erst messen, dann berechnen, zuletzt eingreifen. Das Ingenieurteam von Pomeka Mekanik erstellt die NPSHa-Berechnung für Ihre bestehende Anlage zusammen mit Messungen vor Ort und bewertet bei Bedarf eine Überarbeitung der Saugleitung gemeinsam mit der Pumpenauswahl. Teilen Sie uns Ihr Projekt mit, wir erstellen die Berechnung gemeinsam mit Ihnen. (Details: unsere Kontaktseite) Auch die Antworten auf weitere technische Fragen zum Thema können Sie sich ansehen. (Details: häufig gestellte Fragen)

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