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Flüssigkeitsförderung mit Seitenkanalpumpen

Die Erde ist von einer Lufthülle umgeben, welche wetterbedingten Druckschwankungen unterliegt und in Meereshöhe einen Druck von durchschnittlich 1 bar (10 N/cm2) hat. Sämtliche Körper auf der Erdoberfläche und damit auch alle Flüssigkeiten sind diesem atmosphärischen Druck ausgesetzt.

Verringert man durch eine technische Vorrichtung diesen atmosphärischen Druck, so ist die entstehende Druckdifferenz in der Lage, eine Flüssigkeitssäule auf eine bestimmte Höhe ansteigen zu lassen. Diese Höhe wird in m Fl.S (Meter Flüssigkeitssäule) angegeben. Bezogen auf Wasser als Fördermedium mit einer Dichte von 1000 kg/m3 bedeutet dies, dass bei einem 100 % - igem Vakuum (was natürlich technisch nicht machbar ist) theoretisch die Höhe der Wassersäule 10 m betragen würde.

Gute selbstansaugende Seitenkanalpumpen erreichen eine Saughöhe von etwa 7 - 8 m, bedingt durch mechanische Verluste und Undichtigkeiten.

Funktionsprinzipien von Pumpen

Pumpen werden in zwei übergeordnete Arten eingeteilt:

  • nicht selbstansaugende Verdrängungspumpen (Beispiel Kreiselpumpe)
  • selbstansaugende hydraulische Pumpen (Beispiel Kolbenpumpe)

Pumpen nach dem Verdrängungsprinzip

Eine Pumpe dieser Bauart besteht aus einem Gehäuse, in welchem sich ein drehbar gelagertes Laufrad befindet, das von einem Elektromotor angetrieben wird. Das Gehäuse mit dem Laufrad muss jedoch, bevor die Pumpe betrieben werden soll, mit dem zu fördernden Medium gefüllt werden. Dies kann dadurch geschehen, dass die Pumpe geometrisch tiefer als der Flüssigkeitsspiegel des zu fördernden Mediums installiert wird. Dann würde die Flüssigkeit automatisch das Pumpengehäuse befüllen, auch bevor die Pumpe in Betrieb gesetzt wird.

Wenn die Pumpe, bedingt durch andere Kriterien, höher als der Flüssigkeitsspiegel gesetzt werden muss, ist vor Inbetriebnahme eine einmalige Befüllung der Pumpensaugseite mit dem zu fördernden Medium notwendig.

Bei laufender Pumpe wird das flüssige Medium durch die entstehenden Fliehkräfte gegen die Wand des Pumpengehäuses gedrückt und entweicht durch den Druckausgang der Pumpe.

Selbstansaugende hydraulische Pumpen

Eine selbstansaugende Pumpe ist bei laufendem Betrieb in der Lage, die Saugleitung ohne zusätzliche Maßnahmen bis zu einem gewissen Grad zu entlüften und damit die Förderung des flüssigen Mediums in Gang zu setzen. Selbstansaugende hydraulische Pumpen sind beispielsweise Kolbenpumpen. Jedoch ist auch hier die Saugfähigkeit durch zwangsläufig erforderliche Luftspalte zwischen Kolben und Zylinderwand begrenzt. Gerade bei längerem Stillstand einer Kolbenpumpe ist es daher ratsam, die Saugseite der Pumpe erst mit dem zu fördernde Medium zu befüllen. Die Flüssigkeit wirkt dann wie eine Art Dichtung zwischen Kolben und Zylinderwand. Die Saugfähigkeit wird dadurch erheblich gesteigert.

Besonderheiten der Seitenkanalpumpen

Ein mit Schaufeln ausgestattetes Laufrad lenkt das zu fördernde Medium durch Spalte und Öffnungen in einen Seitenkanal, der sich im Gehäuse befindet. Bei sich drehendem Laufrad passiert die Flüssigkeit mehrmals pro Umdrehung die Schaufeln des Laufrades und den Seitenkanal. Befindet sich die Flüssigkeit im Laufrad, muss sie zwangsläufig auch dessen Umfangsgeschwindigkeit annehmen. Wird die Flüssigkeit in den Seitenkanal gelenkt, verlangsamt sich deren Geschwindigkeit erheblich. Diese ständige Veränderung der Geschwindigkeit im Laufrad und im Seitenkanal verändert auch den Druck sowohl im Laufrad als auch im Seitenkanal.

Physikalische Hintergründe

In einem strömenden Medium setzt sich dessen Gesamtenergie aus Geschwindigkeitsenergie (kinetische Energie), Druckenergie und Lage- oder Höhenenergie zusammen. Die Summe dieser drei Teilenergien ist an jeder Stelle des strömenden Mediums konstant. Mathematisch wird dieses Naturgesetz in der Energiegleichung zusammengefasst:

W12/2 + g * h1 + P1/ρ = W22/2 + g * h2 + P2/ρ = konst.

In dieser Energiegleichung (auch Bernoulligleichung genannt) ist die

  • spezifische Geschwindigkeitsenergie = W2/2 (in Nm/kg)
  • spezifische Höhenenergie = g * h (in Nm/kg)
  • spezifische Druckenergie = P/ρ (in Nm/kg)

Rückschlüsse aus dieser Energiebetrachtung und Erkenntnisse für die Seitenkanalpumpe

Wenn die Geschwindigkeit des strömenden Mediums steigt, sinkt damit zugleich dessen Druck ab, wegen der Konstanz der Gesamtenergie.
Bei umlaufendem Laufrad hat das strömende Medium im Laufrad eine hohe Geschwindigkeit, weil es die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades annehmen muss. Im Seitenkanal fällt dagegen die Geschwindigkeit stark ab. Dies bedeutet, dass der Druck des strömenden Mediums im Laufrad geringer als im Seitenkanal ist, wegen der höheren Geschwindigkeit.

Wenn sich die Geschwindigkeit des strömenden Mediums verringert, steigt damit zugleich dessen Druck, ebenfalls wegen der Konstanz der Gesamtenergie.

Vorteile der Seitenkanalpumpe

Es sind große Förderhöhen erreichbar. Eine Förderung ist auch bei ungünstigen Bedingungen problemlos möglich. Die Seitenkanalpumpe eignet sich besonders bei leicht siedenden Stoffen, wie Flüssiggas, welche schon bei geringem Druck den Aggregatzustand von flüssig in gasförmig ändern.
Seitenkanalpumpen sind gegen das unangenehme Phänomen der Kavitation unempfindlich.

Fazit

Der Effekt der Geschwindigkeitsveränderung des strömenden Mediums beim Übergang vom Laufrad in den Seitenkanal kann durch Reihenschaltung noch gesteigert werden. Die Anordnung von mehreren Laufrädern mit nachgeschalteten Seitenkanälen verbessert die positiven Eigenschaften von Seitenkanalpumpen.

Seitenkanalpumpen sind für große Förderhöhen geeignet, wegen des höheren Druckes in den Seitenkanälen.

Seitenkanalpumpen werden vorzugsweise zum Fördern von leicht siedenden Medien, wie Flüssiggasen eingesetzt. Deren Aggregatszustandsänderungen von flüssig in gasförmig und umgekehrt bereiten Seitenkanalpumpen keine Probleme.