Kavitation in Kreiselpumpen

Kavitation ist ein häufig in Anlagen und insbesondere in hydraulischen Maschinen wie Pumpen zu beobachtendes Phänomen, das auftritt, wenn der Druck im Kreislauf dem Dampfdruck des Fördermediums entspricht oder diesen unterschreitet.

DAS PHÄNOMEN DER KAVITATION

Kavitation ist eine augenblickliche, lokale Verdampfung der Flüssigkeit, die vor allem in jenen Bereichen auftritt, in denen der absolute Druck stark abfällt, auf die ein rasche Kondensation (Implosion) folgt.

Wenn die entstandenen Blasen schlagartig in sich zusammenfallen, entstehen Flüssigkeitsstrahlen, sog. Mikrojets, mit sehr hohem Druck, die zur Materialabtragung an den getroffenen mechanischen Teilen führen.

Die am stärksten betroffenen Bereiche sind die Berührungsflächen zwischen dem Medium und den Oberflächen der festen Pumpenteile (Laufrad und Gehäuse) oder die Bereiche, in denen das Medium mit kleinen schwebenden Feststoffen in Kontakt kommt, wobei Knallgeräusche und Schwingungen erzeugt werden.

In der Praxis impliziert Kavitation zahlreiche kumulative Schäden:

• Materialerosion an den mechanischen Teilen, die direkt mit dem Medium in Berührung kommen
• Verringerung des Wirkungsgrades aufgrund von Strudeln, die sich wegen der ungleichmäßigen Oberfläche bilden
• Übermäßige Schwingungen aufgrund der unausgewogenen Gewichtsverteilung und der hohen Drehgeschwindigkeit des Laufrades
• Verringerung der Lebensdauer der Pumpe/des Kreislaufs aufgrund vorzeitigen Verschleißes der mechanischen Komponenten (z. B. Lager, Dichtungen,…)
• Bruch

VERMEIDUNG VON KAVITATION

Dieses Phänomen ist auf das Vorliegen einiger der nachstehend genannten Bedingungen zurückzuführen:

• Hohe Förderhöhe
• Beträchtliche Druckverluste am Einlaufbereich der Pumpe
• Höhenunterschied zwischen Pumpe und freier Oberfläche (Freispiegel) des Mediums
• Hoher Dampfdruck des Mediums (der mit der Temperatur zunimmt)

Zur Verringerung des Kavitationsrisikos kann ein mathematisches Instrument herangezogen werden.

Wir beziehen uns auf den gewöhnlich in Metern ausgedrückten NPSH-Wert oder Net Positive Suction Head (Haltedruckhöhe oder Mindestzulaufhöhe über Sättigungsdruck).

Dabei sind zwei Dinge auseinanderzuhalten:

• NPSHa (available) ist die sogenannte vorhandene Netto-Energiehöhe (Haltedruckhöhe der Anlage) bzw. die Energiedifferenz des Fördermediums zwischen dem Totaldruck im Saugstutzen der Pumpe und der Energie des Verdampfungsdrucks

NPSHr (required) oder erforderlicher NPSH-Wert (Haltedruckhöhe der Pumpe) ist die Energie, die das Fördermedium entlang der Saugleitungen bis zum Erreichen des Pumpeninneren verliert (im Allgemeinen wird der NPSHr-Wert bereits vom Pumpenhersteller berechnet und zur Verfügung gestellt)

Wobei

• C_i Geschwindigkeit des Flusses in Abschnitt i
• P_i Druck des Mediums in Abschnitt i
• P_s Verdampfungsdruck des Mediums bei Prozesstemperatur
• W₁ relative Geschwindigkeit des Mediums am Laufradeingang
• Λ Verlustkoeffizient
• Δp_c Druckverluste entlang der Rohrleitungen während der Ansaugung

Kavitation wird vermieden, wenn NPSHa > NPSHr.

In der Anlagentechnik wird zur Vermeidung von Kavitation im Allgemeinen auch auf andere Kniffe zurückgegriffen:

• Verwendung seriell angeordneter Pumpen
• Positionierung der Pumpe in der Nähe des Ansaugbehälters und unter dem Flüssigkeitsspiegel
• Verringerung der Länge des Ansaugbereichs und daher der Druckverluste
• Verringerung der Laufradgeschwindigkeit und/oder der Fördermenge
• Betrieb bei mäßigen Temperaturen zur Senkung des Verdampfungsdrucks
• Verringerung der Einlaufgeschwindigkeit des Mediums in die Pumpe durch einen größeren Ansaugdurchmesser

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Es ist unbedingt erforderlich, dieses Phänomen und seine möglichen Auswirkungen auf verschiedene Geräte bereits in der Anlagenplanungsphase zu berücksichtigen.