NPSH

Schaltsymbol einer Pumpe

Ehemalige Kolbenpumpe eines Wasserwerkes

Schematische Darstellung eines Schöpfwerks und einer Kolbenpumpe

Eine handbetriebene Kolbenpumpe zum Fördern von Grundwasser

Dosierpumpe für Kraftstoffdosierung

Historische Wasserpumpe in Kaster

Pumpen sind Fluidenergiemaschinen, bei denen die dem Fluid (Flüssigkeiten, Gase sowie Mischungen daraus und mit Feststoffen) innewohnende Energie durch Aufbringung mechanischer Arbeit erhöht wird. Der Druck des Fluid-Mediums wird erhöht oder ihm wird Bewegungsenergie mitgegeben, oftmals zum Zweck einer Ortsveränderung.

Abgrenzung

Einrichtungen, die einem Fluid eine Energie-Erhöhung durch Aufwendung mechanischer Arbeit verleihen, bei denen das Medium jedoch ohne zusätzliche Führung zu- und abströmen kann, sind in diesem Sinne keine Pumpen. Hierzu zählen:

• Propeller (Flugzeug und Schiff)
• Rührwerke
• Stand- und Decken-Ventilatoren

Zur Abgrenzung der Pumpen gegen Verdichter und Gebläse siehe weiter unten.

Einteilung der Pumpen

Einteilung nach Kompressibilität des Mediums

Wenn im wesentlichen inkompressible Medien gefördert werden, wie Flüssigkeiten, Flüssigkeits-Feststoff-Gemische, Pasten, Flüssigkeiten mit geringem Gasanteil, oder Stoffe, bei denen die Druckerhöhung durch Kompression des Gases nicht Hauptziel der Einrichtung darstellt, spricht man von Pumpen im engeren Sinne. Fahrradluftpumpen sind in diesem Sinne z. B. keine Pumpen, sondern Kolben-Verdichter.

Wenn Gase und Dämpfe sowie Gas-Flüssigkeits-Gemische gefördert werden, und wenn deren Druckerhöhung durch Kompression wesentliches Ziel ist, so bezeichnet man die Einrichtung als Verdichter.

Wenn kompressible Medien gefördert werden, ohne dass es zu einer nennenswerten Drucksteigerung kommt, und das Hauptziel eine Erhöhung der dynamischen Energie ist, so ist die korrekte Bezeichnung Gebläse.

Einteilung nach Funktionsprinzip

Pumpen, Verdichter und Gebläse werden nach ihrem Funktionsprinzip in zwei wesentliche Hauptgruppen unterteilt: hierbei wird im Folgenden vereinfachend von Pumpen gesprochen.

Verdrängerpumpen

Bei Verdrängerpumpen wird das Medium durch in sich geschlossene Volumina gefördert, eine Verhinderung des Zurückströmens wird durch Ventile oder Klappen, andere Medien oder ihre Gestalt durch Schwerkraft erreicht. Außer durch konstruktionsbedingte Undichtigkeiten kann das Medium auch im Stillstand die Pumpe nicht in umgekehrter Richtung durchströmen. Verdrängerpumpen sind in der Regel selbstansaugend, das bedeutet, dass auch für Flüssigkeiten konstruierte Pumpen für einen zumeist begrenzten Zeitraum Gase fördern können und so ein zum Ansaugen hinreichendes Vakuum aufbauen können.

Die maximale Ansaughöhe (geodätische Saughöhe) ist begrenzt durch das erreichbare Vakuum, den örtlichen Luftdruck, die Dichte des Mediums und die zu überwindenden Strömungswiderstände. Verdrängermaschinen sollten auf der Druckseite nicht abgesperrt werden, sofern nicht geeignete Maßnahmen durch Rutschkupplungen, Überdruck- und Bypassventile und ähnlichem getroffen wurden, um eine Beschädigung der Pumpe, des Antriebs oder der Leitungen bis zur Absperrstelle zu verhindern.

Man unterscheidet zusätzlich noch zwischen Konstantpumpen und Verstellpumpen. Konstantpumpen verdrängen bei jeder Umdrehung immer das gleiche Volumen. Bei Verstellpumpen hingegen kann das Verdrängungsvolumen eingestellt werden.

Zu diesen gehören:

• Blasebalg (Balgpumpen oder Balgenpumpen)
• Membranpumpen
• Rotationskolbenpumpen
  • Drehkolbenpumpen
  • Drehschieberpumpen
  • Kreiskolbenpumpen
  • Zahnradpumpen
• Exzenterschneckenpumpen
• Förderschnecken (Archimedische Schraube)
• Hydraulischer Widder
• Impellerpumpe
• Kettenpumpen
• Kolbenpumpen
  • Axialkolbenpumpen (z.B. Ausführung "Schrägscheibe" oder "Schrägachse")
  • Hubkolbenpumpen (z.B. Kraftstoff-Dosierpumpen, Einspritzpumpe)
  • Radialkolbenpumpen
• Schlauchpumpen (auch Peristaltikpumpen genannt)
• Schöpfwerke, im einfachsten Fall ein Eimer im Brunnen.
• Schraubenspindelpumpen (auch Schraubenpumpen, Wendelkolbenpumpe oder Schraubenverdichter genannt)
• Sinuspumpen
• Zahnriemenpumpen

und viele Sonderkonstruktionen, sowie in Tieren und im Menschen das Herz.

Strömungspumpen

Bei Strömungsmaschinen wird die Energieübertragung ausschließlich durch strömungsmechanische Vorgänge bewirkt. Das Medium durchströmt die Maschine frei ohne Klappen und Ventile. Im Stillstand könnte das Medium die Pumpe rückwärts durchströmen. Daher müssen je nach Anwendung Schieber, Ventile oder Rückschlagklappen eingesetzt werden. Strömungspumpen sind nicht selbst-ansaugend, daher müssen die Saugleitungen stets mit Flüssigkeit gefüllt sein, bzw. ein hinreichend großes Flüssigkeitsvolumen vor dem eigentlichen Laufrad-Einlass vorhanden sein. Die maximale Saughöhe wird auch hier durch den örtlichen Luftdruck und auftretende Strömungswiderstände begrenzt. Strömungspumpen sollten im Betrieb auf der Saugseite nicht gedrosselt werden, da hier die Gefahr einer Zerstörung der Schaufeln durch Kavitation entsteht.

Strömungspumpen werden auch als Kreiselpumpe bezeichnet. Sie lassen sich in die folgenden Bauformen gliedern:

• Axialpumpe
• Diagonalpumpe
• Radialpumpe

Weitere Konstruktionen

Pferdekopfpumpe zur Ölförderung bei Landau

Eine Sonderstellung nehmen die Strahlpumpen ein. Bei ihnen wird das zu fördernde Medium durch einen Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsstrahl beschleunigt. Sie nutzen zwar strömungsdynamische Vorgänge, werden aber dennoch zumeist zu den Verdrängerpumpen gerechnet.

Diese sind beispielsweise:

• Wasserstrahlpumpe (verwendet Wasser zur Förderung von Luft oder Wasser)
• Dampfstrahlpumpe (verwendet Gas zur Förderung von Luft oder Wasser)

Weitere Förderprinzipien sind:

• Mammutpumpe (verwendet Luft zur Förderung von Wasser)
• Blasenpumpe (Förderung durch aufsteigende Gasblase als Kolben)
• Stoßheber (Hydraulischer Widder) (verwendet Wasser zur Förderung von Wasser)
• Pferdekopfpumpe (Tiefpumpe)

Darüber hinaus gibt es weitere, zum Teil exotische Konstruktionen, welche elektromagnetische oder andere physikalische Eigenschaften des Fördermediums zur Energieübertragung nutzen.

Beispiele hierfür:

• Ionengetterpumpe (siehe auch Sorptionspumpe im Artikel Vakuumpumpe)
• Titan-Sublimationspumpe
• Turbomolekularpumpe

Anwendungen

• Absaugpumpe
• Abwasserpumpe
• Barostat in der Neurogastroenterologie
• Blutpumpe (neben dem Herzen gibt es auch künstliche Ausführungen)
• Bohrmaschinenpumpe (für geringe Mengen Wasser, Wein)
• Dosierpumpe (Benzin, Diesel)
• Einspritzpumpe (Benzin, Diesel)
• Feuerlöschpumpe
• Güllepumpe
• Hydraulikpumpe
• Kraftstoffpumpe
• Lenzpumpe
• Luftpumpe
• Mikropumpe
• Ölpumpe
• Säurepumpe
• Schmutzwasserpumpe
• Tandempumpe
• Vakuumpumpe
• Wasserpumpe
• Kühlwasserpumpe
• Kesselspeisepumpe
• Umwälzpumpe (Umwälzpumpen allg.: Pumpen in Kreisläufen)

NPSH-Wert

NPSH (Haltedruckhöhe) ist ein aus den USA stammender Begriff (Net Positive Suction Head) und bedeutet – frei übersetzt – etwa „Mindestzulaufhöhe über Sättigungsdruck“. Nach DIN 24260 lautet der entsprechende deutsche Ausdruck „Haltedruckhöhe“. NPSH wird in Metern (m) angegeben.

Haltedruckhöhe und NPSH-Wert sind aber nicht das gleiche, weil sie unterschiedliche Bezugspunkte haben, so vergleicht man bei NPSH den Druckunterschied zwischen Dampfdruck und dem Druck am Saugstutzeneingang der Pumpe und bei der Haltedruckhöhe vergleicht man den Dampfdruck mit dem Druck am Laufradeingang. Beide Werte stehen im Grunde für dasselbe, können aber unterschiedlich sein!

Man unterscheidet „Haltedruckhöhe der Pumpe (NPSHR [required] oder NPSHerf.) und „Haltedruckhöhe der Anlage“ (NPSHA [available] oder NPSHvorh.)

NPSHerf. (Haltedruckhöhe der Pumpe)

Die Haltedruckhöhe der Pumpe oder NPSHerf. entspricht dem Gesamtdruckabfall vom Saugstutzen (Liefergrenze) der Pumpe bis zum Laufradeintritt (Druckerhöhungszone im Laufrad) und kennzeichnet die Saugfähigkeit der Pumpe.

Beispiel: NPSHerf. = 2 m bedeutet, dass die Druckverluste vom Pumpenansaugstutzen bis zum Laufradeintritt (inkl. Beschleunigungsverluste) 2 m betragen.

Wird die Haltedruckhöhe der Pumpe (NPSHerf.) während des Betriebes unterschritten, kommt es zu einer örtlichen Unterschreitung des Verdampfungsdruckes der Förderflüssigkeit und somit zur Kavitation (Dampfbildung mit nachfolgender schlagartiger Kondensation in der Druckerhöhungszone der Pumpe). Die Kavitation kann einen Abfall der Förderleistung und des Wirkungsgrades, unruhigen Lauf und Beschädigung der Pumpeninnenteile durch Materialabtrag bewirken.

Die Haltedruckhöhe der Pumpe ist unabhängig von der Temperatur der Förderflüssigkeit. Sie ändert sich jedoch bei jeder Pumpe mit Förderstrom und Drehzahl. NPSHerf. wird vom Pumpenhersteller meist entweder für einen bestimmten Betriebspunkt der Pumpe als Zahlenwert genannt oder im Zusammenhang mit einer Leistungskennlinie in Form einer Kurve dargestellt

NPSHvorh. (Haltedruckhöhe der Anlage)

Der vorhandene NPSH-Wert fasst alle auf den Druck am Saugstutzen der Pumpe Einfluss nehmenden Einzeldaten der Pumpenanlage, wie Dichte, Temperatur und Dampfdruck des Fördermediums, Druckverluste in der Saugleitung, Druck im Ansaugbehälter und geodätische Saug- bzw. Zulaufhöhe für einen bestimmten Förderstrom in einem einzigen Zahlenwert zusammen.

Beispiel: NPSHvorh. = 4 m sagt aus, dass die Förderflüssigkeit am Saugstutzen der Pumpe gemessen noch positiv 4 m vom Verdampfungsdruck pD entfernt liegt.

Für den Druck am Saugstutzen gilt (man betrachtet nur die Saugseite):

$p_{\mathrm{Stutzen}} = p_{\mathrm{D}} + \mathrm{NPSH}_{\mathrm{vorhanden}} [\mathrm{bar}]\,$

Es kommt zur Dampfbildung und somit zur Kavitation, wenn der Dampfdruck p_D gleich dem Druck p am Saugstutzen wird, d.h., wenn NPSHvorhanden. --> 0 geht.

Nachdem die Haltedruckhöhe der Pumpe (NPSHerf.) nicht unterschritten werden darf, muss also der Wert für NPSHvorhanden. mindestens gleich groß sein, besser etwas größer sein als derjenige der Pumpe.

$\mathrm{NPSH}_{\mathrm{vorhanden}} \geq \mathrm{NPSH}_{\mathrm{erf}}$

Gegebenenfalls muss der Ansaugbehälter höher oder die Pumpe tiefer aufgestellt, die Nennweite der Ansaugleitung größer dimensioniert oder der Druck im Ansaugbehälter erhöht werden.

Pumpenindustrie

Die größten Pumpenhersteller der Welt sind (Umsätze: Flüssigpumpen^[1]):

Konzern	Land (Hauptsitz)	Umsatz 2007, (Milliarden Euro)
Grundfos	Dänemark	2,061
ITT Fluid	USA	1,383
KSB Aktiengesellschaft	D	1,571
Flowserve	D	1,288
WILO SE	Deutschland	0,927
Sulzer Pumps	Schweiz	0,893
Weir	England	0,889
Ebara	Japan	0,816
Pentair	USA	0,683
Idex	USA	0,369
Herborner-Pumpen	Deutschland	K.A.
HOMA	Deutschland	K.A.
Aydin	Deutschland	k.A.

Einzelnachweis

1. ↑ Quelle: Die größten Pumpenhersteller der Welt, Die Rheinpfalz vom 23. April 2008, Seite Wirtschaft 1

Weblinks