Parallelbetrieb von KreiselpumpenZwei Pumpen liefern nichtdie doppelte Menge.
Wenn eine Anlage mehr Durchsatz braucht, ist der schnelle Reflex, eine zweite baugleiche Pumpe danebenzustellen. Doppelte Maschine, doppelte Leistung. In der Praxis kommt je nach Anlage zwischen 8 und 47 Prozent mehr heraus, nie das Doppelte. Der Grund liegt nicht in der Pumpe, sondern in der Anlage.
- Die gemeinsame Kennlinie entsteht durch Addition der Förderströme bei gleicher Förderhöhe
- Der neue Betriebspunkt liegt höher, deshalb liefert jede Pumpe weniger als allein
- Wie viel Zuwachs herauskommt, entscheidet die Anlagenkennlinie
- Je flacher die Anlagenkennlinie, desto mehr bringt die zweite Pumpe
Aus der Reihe A, Strömungsmaschinen. Verwandt: Insight 01, weil jede Pumpe nach dem Zuschalten näher an die Rückströmung am Laufradeintritt rückt.
Die zweite Pumpe drückt gegen einen Widerstand, den sie selbst erzeugt.
Die gemeinsame Kennlinie zweier parallel geschalteter Pumpen entsteht, indem man bei jeder Förderhöhe die Förderströme addiert. Bei gleicher Förderhöhe ist der gemeinsame Strom also tatsächlich doppelt so groß. Nur stellt sich diese Förderhöhe nicht ein.
Der Betriebspunkt liegt dort, wo die gemeinsame Kennlinie die Anlagenkennlinie schneidet. Und die Anlagenkennlinie steigt: Je mehr Volumen fließt, desto größer der Reibungswiderstand in Rohren, Krümmern und Armaturen, und zwar quadratisch. Der Schnittpunkt wandert deshalb nach oben. Bei höherer Förderhöhe liefert jede einzelne Pumpe weniger als zuvor allein.
HAnlage = Hstat + b · Q²
- Hstat
- geodätische Höhe und Druckdifferenz, unabhängig vom Förderstrom
- b · Q²
- Reibungsanteil, wächst quadratisch mit dem Förderstrom
In dieser Gleichung steckt die ganze Antwort. Der statische Anteil kostet immer gleich viel, der Reibungsanteil bestraft jeden zusätzlichen Kubikmeter. Eine Anlage mit großem Reibungsanteil hat eine steile Kennlinie und wehrt sich gegen mehr Durchsatz. Eine Anlage, die vor allem Höhe überwindet, hat eine flache Kennlinie und lässt den Zuwachs durch.
Dieselben zwei Pumpen, zwei Anlagen, zwei Ergebnisse.
Beide Anlagen fahren mit einer Pumpe denselben Betriebspunkt B1. Nach dem Zuschalten der zweiten Pumpe trennen sich die Wege, weil die eine Anlage ihren Widerstand aus Reibung bezieht und die andere aus Höhe.
Beide Anlagen starten im selben Punkt und enden weit auseinander. Wer den Zuwachs abschätzen will, muss also nicht die Pumpe kennen, sondern die Anlagenkennlinie.
Was die zweite Pumpe tatsächlich bringt.
Gerechnet für zwei gleiche Pumpen an derselben Anlage, deren Nullförderhöhe 25 Prozent über der Förderhöhe im Einzelbetriebspunkt liegt. Variiert wird nur der statische Anteil der Anlagenkennlinie. Die letzte Spalte ist die unangenehme: Sie zeigt, wie viel jede einzelne Pumpe nach dem Zuschalten noch fördert, gemessen an ihrem vorherigen Einzelbetrieb.
Die Zahlen gelten für dieses Rechenbeispiel. Die Größenordnung und vor allem die Richtung sind übertragbar: Je steiler die Anlagenkennlinie, desto weniger bringt die zweite Pumpe.
Was mit jeder einzelnen Pumpe passiert.
Der Zuwachs ist die eine Frage. Die zweite ist, wo die Maschinen danach arbeiten. Beide rücken nach links auf ihre Kennlinie, und der Teillastbereich einer Kreiselpumpe ist kein neutraler Ort.
Was im Teillastbetrieb passiert
- Am Laufradeintritt entsteht Rückströmung, die Anströmung stimmt nicht mehr
- Der Wirkungsgrad fällt, zwei Maschinen verbrauchen zusammen mehr, als der Zuwachs rechtfertigt
- Das erforderliche NPSH verhält sich im Teillastbereich nicht mehr gutartig, siehe Insight 01
- Schwingungen und Geräusch nehmen zu, die Standzeit sinkt
Was vor dem Zuschalten geklärt gehört
- Liegt der neue Betriebspunkt je Pumpe noch über der Mindestmenge?
- Haben beide Pumpen dieselbe Nullförderhöhe? Sonst liefert die schwächere nichts mehr
- Ist ein Rückschlagorgan je Strang vorhanden, damit nicht rückwärts gefördert wird?
- Wäre ein Eingriff in die Anlage billiger als eine zweite Maschine?
Mehr Kapazität hilft nur, wenn nicht das System der Engpass ist.
Mich hat dieses Bild lange über die Pumpe hinaus begleitet. In Entwicklungsabteilungen läuft es genauso: Wird es eng, kommt der Ruf nach mehr Leuten. Zwei zusätzliche Konstrukteure, doppelte Kapazität, denkt man. Und dann versickert die neue Kapazität im selben System aus Suchen, Abstimmen und Rückfragen, das schon die vorhandene gebremst hat.
- Die steile Kennlinie der Organisation: jede zusätzliche Person erzeugt zusätzliche Abstimmung.
- Der statische Anteil: die Arbeit, die unabhängig von der Kopfzahl anfällt, hier wächst der Ertrag mit.
- Der neue Betriebspunkt: alle arbeiten weiter links, jeder Einzelne weniger produktiv als vorher.
- Der billigere Weg: den Widerstand senken, nicht die Leistung erhöhen.
Mehr Kapazität erhöht den Output nur, wenn nicht das System der Engpass ist. Sonst zahlt man doppelt und bekommt einen Bruchteil. Was das konkret heißt, steht in Prüfbericht 01.
Was aus der Praxis regelmäßig gefragt wird.
Wie viel mehr fördern zwei gleiche Pumpen parallel?
Das hängt an der Anlage, nicht an der Pumpe. Bei einer Anlagenkennlinie aus reiner Rohrreibung liegt der Zuwachs im Rechenbeispiel dieses Blatts bei rund 8 Prozent. Muss die Anlage überwiegend eine geodätische Höhe überwinden, steigt er auf über 40 Prozent. Der doppelte Förderstrom wird in keinem realen Fall erreicht.
Warum liefert die zweite Pumpe nicht einfach dasselbe wie die erste?
Weil der Widerstand der Anlage mit dem Volumenstrom überproportional wächst. Fließt mehr, steigt die erforderliche Förderhöhe, und der gemeinsame Betriebspunkt rückt auf der Pumpenkennlinie nach oben. Bei höherer Förderhöhe liefert jede einzelne Pumpe weniger als zuvor allein. Die zweite Pumpe drückt gegen einen Widerstand, den sie selbst mit erzeugt.
Ist Parallelbetrieb für die Pumpen schädlich?
Er kann es sein. Nach dem Zuschalten arbeitet jede Pumpe bei kleinerem eigenen Förderstrom, also weiter links von ihrem Bestpunkt. Im Rechenbeispiel sind das je nach Anlagenkennlinie noch 54 bis 73 Prozent des vorherigen Einzelbetriebs. Dort drohen Unterschreiten der Mindestmenge, Rückströmung am Laufradeintritt, Schwingungen und Kavitationsschäden.
Was ist bei ungleichen Pumpen im Parallelbetrieb zu beachten?
Maßgeblich ist die Nullförderhöhe. Eine Pumpe mit deutlich niedrigerer Nullförderhöhe liefert nichts mehr, sobald die gemeinsame Förderhöhe diesen Wert übersteigt. Sie läuft dann gegen ein geschlossenes Rückschlagorgan, erwärmt das eingeschlossene Medium und verschleißt, ohne zum Förderstrom beizutragen.
Wann ist Parallelbetrieb trotzdem die richtige Lösung?
Wenn nicht mehr Menge, sondern Verfügbarkeit oder Regelbarkeit das Ziel ist. Zwei Pumpen erlauben Wartung im laufenden Betrieb, decken einen breiten Lastbereich mit gutem Wirkungsgrad ab und geben eine Reserve für den Ausfall. Als Weg zu deutlich mehr Durchsatz ist die zweite Pumpe dagegen fast immer die teurere Lösung gegenüber einem Eingriff in die Anlage.
Woher der Zusammenhang stammt.
- [1] Wesche, W.: Radiale Kreiselpumpen. Springer/VDI, 2012, Kapitel 5.1.3. Parallelschaltung von Kreiselpumpen, Bildung der gemeinsamen Kennlinie durch Addition der Förderströme bei gleicher Förderhöhe, Lage des gemeinsamen Betriebspunkts.
- [2] Gülich, J. F.: Kreiselpumpen. Springer, Kapitel 11. Zusammenwirken von Pumpe und Anlage, Anlagenkennlinie mit statischem und Reibungsanteil, Verhalten im Teillastbereich.
- [3] Rechenbeispiel zu Bild 1 und Abschnitt 03. Pumpenkennlinie mit einer Nullförderhöhe 25 % über der Förderhöhe im Einzelbetriebspunkt, gemeinsame Kennlinie durch Verdopplung des Förderstroms bei gleicher Höhe, Anlagenkennlinie mit variiertem statischem Anteil bei gleichem Einzelbetriebspunkt.
- [4] Eigene Einordnung aus der Engineering-Praxis. Abschnitt 05 ist Übertragung, nicht Strömungsmechanik, und als solche gekennzeichnet.
Lösen Sie den Engpass oder stellen Sie eine zweite Pumpe daneben?
Dieses Blatt verkauft nichts. Wenn die Übertragung aber etwas getroffen hat: 30 Minuten, keine Präsentation. Wir schauen uns an, woran die Kapazität in Ihrer Entwicklung tatsächlich hängt.
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