Drosselregelung und DrehzahlregelungDrosseln heißtEnergie vernichten.
Einer der unscheinbarsten Energieverschwender in der Industrie ist ein Drosselventil. Eine Pumpe oder ein Ventilator soll weniger fördern, der schnelle Weg ist, eine Klappe zuzudrehen. Die Maschine drückt dann weiter mit voller Kraft gegen den Widerstand, und die überschüssige Energie wird in Wärme umgesetzt. Im Fachbuch heißt das nüchtern Verlustregelung.
- Drosseln verschiebt den Betriebspunkt, ohne Leistung einzusparen
- Der Leistungsbedarf fällt mit der dritten Potenz der Drehzahl
- 20 % weniger Drehzahl sparen rund die Hälfte der Leistung
- Der Kubikansatz gilt nur ohne statische Förderhöhe — siehe Abschnitt 04
Aus der Reihe A, Strömungsmaschinen. Verwandt: Insight 04, weil die überdimensionierte Pumpe der häufigste Grund dafür ist, dass überhaupt gedrosselt werden muss.
Gas geben und gleichzeitig bremsen.
Eine Kreiselpumpe hat keine feste Fördermenge. Sie stellt sich dort ein, wo ihre Kennlinie die Kennlinie der Anlage schneidet. Wer drosselt, verändert nicht die Pumpe, sondern die Anlage: Das teilweise geschlossene Ventil macht die Anlagenkennlinie steiler, der Schnittpunkt wandert nach links, der Förderstrom sinkt.
Die Pumpe arbeitet dabei weiter gegen die volle Höhe ihrer eigenen Kennlinie. Die Differenz zwischen dem, was sie aufbaut, und dem, was die Anlage tatsächlich braucht, fällt im Ventil ab und wird dort in Wärme umgesetzt. Sie ist vollständig verloren, und sie wird jede Betriebsstunde neu bezahlt.
Pverlust = ρ · g · Q · ΔH
- ΔH
- Förderhöhe, die im Drosselorgan abfällt
- Q
- Förderstrom, der weiterhin durch die Drossel geht
- ρ · g
- Dichte mal Fallbeschleunigung des Mediums
Die Formel sagt das Unangenehme deutlich: Der Verlust wächst mit dem Förderstrom, der trotz Drosselung noch fließt. Es wird also nicht das Ungenutzte bezahlt, sondern das Genutzte gleich mit.
Zwei Wege zum selben Förderstrom.
Beide Wege führen von 130 auf 80 Einheiten Förderstrom. Der eine legt Widerstand davor, der andere dreht die Maschine langsamer. Der Unterschied ist der senkrechte Abstand zwischen den beiden Betriebspunkten.
B2 und B3 liefern denselben Förderstrom. B2 kostet die volle Förderhöhe der Pumpe, B3 nur die, welche die Anlage wirklich braucht. Die Fläche dazwischen ist keine Reserve, sondern Wärme im Ventil.
Die Affinitätsgesetze der Strömungsmaschinen.
Für geometrisch ähnliche Betriebspunkte einer Maschine mit unverändertem Laufraddurchmesser gilt:
Q₂/Q₁ = n₂/n₁ H₂/H₁ = (n₂/n₁)² P₂/P₁ = (n₂/n₁)³
- Q
- Förderstrom, linear mit der Drehzahl
- H
- Förderhöhe, quadratisch
- P
- Leistungsbedarf, mit der dritten Potenz
Werte für die reine Hydraulik. Wirkungsgrade von Motor und Umrichter sind nicht enthalten und mindern die Ersparnis, siehe Abschnitt 04.
Wo der Kubikansatz nicht mehr gilt.
Die dritte Potenz ist ein starkes Argument und wird deshalb häufig ungeprüft übernommen. Sie gilt streng nur für eine Anlagenkennlinie, die eine reine Reibungsparabel durch den Nullpunkt ist. Vier Einschränkungen gehören in jede Wirtschaftlichkeitsrechnung.
Was die Ersparnis kleiner macht
- Statische Förderhöhe. Muss die Pumpe zusätzlich eine geodätische Höhe überwinden, folgt der Betriebspunkt nicht der Affinitätsparabel. Für denselben Förderstrom ist mehr Drehzahl nötig, die Ersparnis fällt kleiner aus.
- Wirkungsgrad des Antriebs. Motor und Frequenzumrichter arbeiten bei starker Teillast schlechter als im Nennpunkt. Der hydraulische Gewinn wird elektrisch teilweise wieder abgegeben.
Was die Absenkung begrenzt
- Mindestmenge. Unterhalb eines Förderstroms wird die Pumpe unruhig, es entsteht Rückströmung am Laufradeintritt.
- NPSH, Schmierung, Eigenfrequenzen. Kleiner Förderstrom, Gleitlager und der Drehzahlbereich des Strangs setzen harte Untergrenzen.
- Betriebsstunden. Eine Maschine, die dauerhaft im Auslegungspunkt läuft, wird nie gedrosselt und spart durch Drehzahlregelung nichts.
Widerstand davorsetzen statt die Quelle kleiner machen.
Mich hat dieses Bild über die Pumpe hinaus begleitet. Vieles im Engineering läuft wie die Drossel: Wir lösen ein Problem, indem wir Widerstand davorsetzen, statt es an der Quelle kleiner zu machen. Das funktioniert. Es kostet nur dauerhaft, hier sogar messbar in Kilowattstunden.
- Zu viele Fehler in der Doku? Eine zusätzliche Prüfschleife davor. Der Fehler entsteht weiter.
- Zu viele Rückfragen an die Konstruktion? Ein Ticketsystem davor. Die Frage bleibt dieselbe.
- Zu viele Varianten? Ein Freigabegremium davor. Die Variante entsteht trotzdem.
- Jede dieser Maßnahmen wirkt. Und jede kostet danach in jeder Stunde weiter.
Der Unterschied zwischen Drossel und Drehzahl ist nicht Aufwand gegen Bequemlichkeit, sondern einmalige Klarheit gegen dauerhafte Reibung. Was das in einer Konstruktionsabteilung ausmacht, steht in Prüfbericht 01.
Was aus der Praxis regelmäßig gefragt wird.
Gilt die dritte Potenz der Drehzahl immer?
Nein. Der Kubikansatz gilt streng nur, wenn die Anlagenkennlinie eine reine Reibungsparabel durch den Nullpunkt ist. Muss die Pumpe zusätzlich eine geodätische Höhe überwinden, folgt der Betriebspunkt nicht mehr der Affinitätsparabel: Für denselben Förderstrom ist eine höhere Drehzahl nötig, und die Ersparnis fällt kleiner aus. Je größer der statische Anteil, desto schwächer der Effekt.
Wann lohnt sich ein Frequenzumrichter?
Der Nutzen hängt an drei Größen: an der Antriebsleistung, an den Betriebsstunden und daran, wie weit der Förderstrom tatsächlich schwankt. Eine Maschine, die dauerhaft im Auslegungspunkt läuft, spart durch Drehzahlregelung nichts, weil sie nie gedrosselt wird. Der Hebel entsteht dort, wo über viele Stunden gegen ein teilweise geschlossenes Ventil gefördert wird.
Ist ein Bypass besser als eine Drossel?
Energetisch in der Regel nicht. Beim Bypass fördert die Pumpe weiter den vollen Strom, und ein Teil davon läuft im Kreis zurück. Die Pumpe bleibt damit nahe ihrem Bestpunkt, was mechanisch günstig ist, aber die im Kreis geführte Leistung ist ebenso verloren wie die im Drosselventil. Sinnvoll ist der Bypass dort, wo er die Mindestmenge sichert, nicht als Regelverfahren.
Wie weit darf die Drehzahl abgesenkt werden?
Begrenzend sind meist nicht die Affinitätsgesetze, sondern der Betrieb: die Mindestmenge der Pumpe, das erforderliche NPSH bei kleinem Förderstrom, die Schmierung von Gleitlagern, Eigenfrequenzen des Strangs und bei eigenbelüfteten Motoren die Kühlung. Diese Grenzen gehören vor der Auslegung geklärt, nicht danach. Zum Zusammenhang mit dem Saugverhalten siehe Insight 01.
Warum ist die Drossel trotzdem so verbreitet?
Weil sie im Moment der Entscheidung billiger und schneller ist. Ein Ventil kostet einen Bruchteil eines Umrichters und braucht keine Abstimmung mit der Elektrotechnik. Die Kosten der Drosselung fallen erst später an, verteilt über Jahre und in einem anderen Budget als dem, aus dem das Ventil bezahlt wurde.
Woher der Zusammenhang stammt.
- [1] Wesche, W.: Radiale Kreiselpumpen. Springer/VDI, 2012, Kapitel 5.1. Regelung von Kreiselpumpen, Drosselregelung als Verlustregelung, Verschiebung des Betriebspunkts durch Veränderung der Anlagenkennlinie.
- [2] Affinitätsgesetze der Strömungsmaschinen. Förderstrom linear, Förderhöhe quadratisch, Leistungsbedarf mit der dritten Potenz der Drehzahl. Die Werte in Abschnitt 03 sind daraus unmittelbar gerechnet: 0,9³ = 0,729 · 0,8³ = 0,512 · 0,7³ = 0,343 · 0,5³ = 0,125.
- [3] Rechenbeispiel zu Bild 1. Pumpenkennlinie mit einer Nullförderhöhe 25 % über der Förderhöhe im Auslegungspunkt, Anlagenkennlinie als reine Reibungsparabel durch den Nullpunkt. Unter diesen Annahmen fällt der Betriebspunkt bei 80 % Drehzahl genau auf die Anlagenkennlinie.
- [4] Eigene Einordnung aus der Engineering-Praxis. Abschnitt 05 ist Übertragung, nicht Strömungsmechanik, und als solche gekennzeichnet.
Lösen Sie an der Quelle oder drosseln Sie?
Dieses Blatt verkauft nichts. Wenn die Übertragung aber etwas getroffen hat: 30 Minuten, keine Präsentation. Wir schauen uns an, welche Schleife in Ihrer Entwicklung dauerhaft Widerstand erzeugt.
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