Verfahrensingenieure bewerten den Pumpenauslassdruck, indem sie ihn in die Flüssigkeitsförderhöhe umrechnen und diese mit der gesamten erforderlichen Förderhöhe des Systems vergleichen. Für eine Flüssigkeit mit der Dichte ( \rho ) entspricht ein Auslassdruck (P) einer Druckhöhe von (h=P/(\rho g)). Die Pumpe ist nur dann geeignet, wenn ihre verfügbare Differenzförderhöhe bei der erforderlichen Durchflussrate die Summe aus statischer Förderhöhe, Behälterdruckdifferenz, Rohrreibung, Armaturen, Ventilen und anderen Systemverlusten übersteigt.

Eine Pumpe muss den gesamten Systemwiderstand überwinden, nicht nur die Höhendifferenz. Die Umrechnung von Druck in Förderhöhe bietet eine nützliche erste Überprüfung, aber die endgültige Auslegung erfordert die Pumpenkennlinie, den Betriebsdurchfluss, die Fluideigenschaften, die Saugbedingungen und alle hydraulischen Verluste.

Bestimmung der erforderlichen Systemförderhöhe

Berechnung der statischen Förderhöhe

Die statische Förderhöhe ist der vertikale Abstand, den die Flüssigkeit zwischen den Flüssigkeitsoberflächen von Quelle und Ziel überwinden muss. Für einen Höhenunterschied ( \Delta z ) zwischen Quelle und Ziel ergibt sich der entsprechende Druckbedarf wie folgt:

[ \Delta P_{\text{statisch}}=\rho g\Delta z ]

Für Wasser bei ca. (60^\circ\text{F}) mit einer Dichte von etwa (62,4\ \text{lb/ft}^3) gilt näherungsweise:

[ 1\ \text{psi} \approx 2,31\ \text{ft Wassersäule} ]

Daher liefert eine Pumpe, die unter vergleichbaren Wasserbedingungen (50,0\ \text{psig}) erzeugt:

[ h=\frac{50,0 \times 144}{62,4}\approx115,4\ \text{ft} ]

Wenn die erforderliche Förderhöhe (148\ \text{ft}) beträgt, reicht der Druck allein nicht aus, bevor der Rohrleitungswiderstand berücksichtigt wird.

Einbeziehung von Druckunterschieden an den Flüssigkeitsoberflächen

Die erforderliche Förderhöhe wird nicht immer allein durch die Höhe bestimmt. Wenn Quell- und Zielbehälter unter unterschiedlichen Drücken stehen, muss dieser Druckunterschied ebenfalls einbezogen werden:

[ H_{\text{statisch}}=\Delta z+ \frac{P_{\text{Ziel}}-P_{\text{Quelle}}}{\rho g} ]

Bei zwei offenen Tanks, die derselben Atmosphäre ausgesetzt sind, heben sich die Oberflächendruckterme auf. Bei einer Pumpe, die einen unter Druck stehenden Reaktor, Absorber oder Lagertank speist, kann der Zieldruck die erforderliche Pumpenförderhöhe erheblich erhöhen.

Verwendung des Differenzdrucks, nicht nur des Auslassdrucks

Eine Pumpe reagiert auf den Druckunterschied zwischen ihrer Auslass- und Saugseite:

[ \Delta P_{\text{Pumpe}}=P_{\text{Auslass}}-P_{\text{Saug}} ]

Ein Auslassdruckwert von (50\ \text{psig}) repräsentiert nicht unbedingt (50\ \text{psi}) an nutzbarem Pumpendruck. Der Saugdruck kann je nach Quellbehälter und Rohrleitungsanordnung positiv, atmosphärisch oder unteratmosphärisch sein.

Für die Pumpenauswahl arbeiten Ingenieure im Allgemeinen mit der Differenzförderhöhe oder der gesamten dynamischen Förderhöhe, anstatt den Auslassmanometerdruck als unabhängige Pumpenleistung zu betrachten.

Korrekte Umrechnung von Druck in Förderhöhe

Anwendung der Beziehung zwischen Druck und Förderhöhe

Die allgemeine Beziehung zwischen Druck und Flüssigkeitsförderhöhe lautet:

[ H=\frac{\Delta P}{\rho g} ]

In US-amerikanischen Einheiten, wenn der Druck in psi angegeben ist und das spezifische Gewicht verwendet wird:

[ H\ (\text{ft})=\frac{2,31\Delta P\ (\text{psi})}{SG} ]

In SI-Einheiten:

[ H\ (\text{m})=\frac{\Delta P\ (\text{Pa})}{\rho\ (\text{kg/m}^3)g} ]

Der gleiche Druck erzeugt bei einer dichteren Flüssigkeit eine geringere Förderhöhe und bei einer weniger dichten Flüssigkeit eine größere Förderhöhe.

Unterscheidung zwischen Manometer- und Absolutdruck

Verwenden Sie beim Pumpen von Flüssigkeiten zwischen Behältern Druckdifferenzen konsistent. Der Manometerdruck ist normalerweise praktisch, wenn sich beide Behälterdrücke auf dieselbe Atmosphäre beziehen, da sich der atmosphärische Druck bei der Differenzbildung aufhebt.

Der Absolutdruck wird bei der Bewertung von Vakuumbetrieb, Dampfdruck, Kavitationsrisiko, Gaskompression oder Behältern, die unter wesentlich unterschiedlichen Drücken arbeiten, unerlässlich:

[ P_{\text{absolut}}=P_{\text{Manometer}}+P_{\text{atmosphärisch}} ]

Eine Druckumrechnung, die Manometerdruck auf der einen Seite mit Absolutdruck auf der anderen Seite mischt, kann zu einer falschen Systemförderhöhe führen.

Berücksichtigung der Flüssigkeitsdichte unter Betriebsbedingungen

Technikumsanlagen in der Verfahrenstechnik verarbeiten möglicherweise Lösungsmittel, Sole, Polymere, biologische Flüssigkeiten oder temperaturempfindliche Flüssigkeiten anstelle von Wasser. Die Dichte sollte bei der tatsächlichen Betriebstemperatur und Zusammensetzung bewertet werden.

Die Viskosität beeinflusst ebenfalls die Pumpenleistung und die Rohrleitungsverluste. Eine Kreiselpumpe, die ihre Wasserkennlinie erfüllt, liefert mit einer viskosen Prozessflüssigkeit möglicherweise weniger Durchfluss oder Förderhöhe.

Einbeziehung von Reibungs- und lokalen Verlusten

Berechnung der Verluste in geraden Rohrleitungen

Rohrreibung entsteht durch die Flüssigkeitsbewegung durch gerade Rohrabschnitte. Der Verlust hängt von Durchflussrate, Rohrdurchmesser, Länge, Rauheit, Dichte und Viskosität ab.

Ingenieure berechnen diesen Verlust typischerweise unter Verwendung einer Reibungsfaktorbeziehung wie der Darcy-Weisbach-Gleichung:

[ h_f=f\frac{L}{D}\frac{v^2}{2g} ]

wobei (f) der Reibungsfaktor, (L) die Rohrlänge, (D) der Rohrdurchmesser und (v) die durchschnittliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist.

Einbeziehung von Ventilen, Armaturen und Ausrüstung

Bögen, T-Stücke, Reduzierstücke, Regelventile, Siebe, Wärmetauscher, Durchflussmesser und andere Komponenten erzeugen lokale Druckverluste. Diese werden oft durch Verlustbeiwerte dargestellt:

[ h_{\text{lokal}}=\sum K\frac{v^2}{2g} ]

Pilotanlagen können erhebliche lokale Verluste aufweisen, da sie oft kompakte Rohrleitungen, viele Armaturen, flexible Schläuche, temporäre Anschlüsse und Regelventile enthalten.

Bildung der gesamten dynamischen Förderhöhe

Die erforderliche Pumpenförderhöhe bei einer bestimmten Durchflussrate kann ausgedrückt werden als:

[ H_{\text{System}}= H_{\text{statisch}}+ H_{\text{Reibung}}+ H_{\text{lokal}}+ H_{\text{Ausrüstung}} ]

Äquivalent in Druckeinheiten:

[ \Delta P_{\text{erforderlich}}

\Delta P_{\text{statisch}} + \Delta P_{\text{Reibung}} + \Delta P_{\text{lokal}} + \Delta P_{\text{Ausrüstung}} ]

Da Reibungs- und lokale Verluste mit dem Durchfluss variieren, ist der Systembedarf kein einzelner fester Druck. Es handelt sich um eine Systemkennlinie, die die erforderliche Förderhöhe als Funktion der Durchflussrate darstellt.

Vergleich des Bedarfs mit der Pumpenkennlinie

Auswahl der Betriebsdurchflussrate

Die erforderliche Durchflussrate ergibt sich aus der Stoffbilanz des Prozesses, dem Ziel für die Verweilzeit, dem Zirkulationsbedarf, der Wärmetauscherleistung, der Rückflussrate oder der Betriebsspezifikation der Ausrüstung.

Eine Pumpe sollte bei dieser Durchflussrate bewertet werden, nicht nur bei ihrem Nullförderpunkt oder ihrem maximalen Förderhöhenzustand. Die Förderhöhe einer Kreiselpumpe nimmt im Allgemeinen mit steigendem Durchfluss ab, sodass die verfügbare Förderhöhe beim gewünschten Durchfluss weit unter der angegebenen maximalen Förderhöhe liegen kann.

Finden des Betriebspunktes

Der Pumpenbetriebspunkt liegt dort, wo die Pumpenkennlinie die Systemkennlinie schneidet. An diesem Punkt entspricht die verfügbare Förderhöhe der Pumpe dem hydraulischen Widerstand des angeschlossenen Systems.

Eine Pumpe ist akzeptabel, wenn dieser Betriebspunkt den erforderlichen Durchfluss mit angemessenem Spielraum liefert und innerhalb des bevorzugten Betriebsbereichs des Herstellers bleibt.

Überprüfung über den Nenndruck hinaus

Die Bewertung sollte Folgendes umfassen:

Pumpendifferenzförderhöhe beim Auslegungsdurchfluss
Drücke im Quell- und Zielbehälter
Statischer Höhenunterschied
Verluste in Rohren, Ventilen, Armaturen und Ausrüstung
Dichte und Viskosität der Flüssigkeit
Pumpenwirkungsgrad und Wellenleistung
Verfügbarer NPSH-Wert (Net Positive Suction Head)
Minimale und maximale erwartete Betriebsdurchflüsse
Materialverträglichkeit und Temperaturgrenzen

Ein nominaler Auslassdruckwert ist daher ein erster Screening-Wert, keine vollständige Basis für die Pumpenauslegung.

Verständnis der Kompromisse

Pumpen in Reihe erhöhen die Förderhöhe

Wenn eine Pumpe die erforderliche Förderhöhe nicht liefern kann, können Pumpen in Reihe geschaltet werden. Bei einer gegebenen Durchflussrate addieren sich die Förderhöhen der Pumpen annähernd, abhängig von den tatsächlichen Pumpenkennlinien und Betriebsbedingungen.

Diese Konfiguration eignet sich für hohe statische Förderhöhen oder hohen Systemwiderstand. Sie löst nicht automatisch Saugprobleme, Kavitation oder unzureichende Durchflusskapazität.

Pumpen parallel erhöhen den Durchfluss

Parallele Pumpen erhöhen primär den verfügbaren Durchfluss bei einer gegebenen Förderhöhe. Sie sind nützlich, wenn das System einen höheren Durchsatz oder mehr Flexibilität bei der Leistungsregelung erfordert, sind aber im Allgemeinen nicht die bevorzugte Lösung zur Überwindung einer Begrenzung der Förderhöhe.

Die Wahl paralleler Pumpen für ein System, dem es an ausreichender Druckkapazität mangelt, kann dazu führen, dass die Anlage unter ihrer erforderlichen Durchflussrate bleibt.

Größere Rohrleitungen reduzieren die Reibung

Die Vergrößerung des Durchmessers der Förderleitung kann die Geschwindigkeit und den Reibungsdruckverlust verringern. Da der Verlust stark mit der Geschwindigkeit und damit der Durchflussrate variiert, kann eine Rohrleitungsänderung die Systemkennlinie so weit reduzieren, dass eine einzelne Pumpe die Prozessanforderung erfüllt.

Diese Option kann praktischer sein als das Hinzufügen einer Pumpe, kann aber Auswirkungen auf das Anlagendesign, die Kosten, die Entleerbarkeit, die Durchmischung und das Ansprechverhalten von Regelventilen haben.

Vermeidung übermäßiger Druckreserven

Die Auswahl einer Pumpe mit wesentlich mehr Förderhöhe als erforderlich kann zu übermäßigem Durchfluss, hohen Druckabfällen an Regelventilen, Vibrationen, Dichtungsbelastungen oder einem Betrieb weit entfernt vom Bestpunkt der Pumpe führen.

Überkapazitäten sollten mit einer ordnungsgemäß bewerteten Regelungsmethode, wie z. B. Drehzahlregelung oder einer geeigneten Drosselanordnung, verwaltet werden, anstatt davon auszugehen, dass sie harmlos sind.

NPSH und Drucksicherheit separat prüfen

Das Erreichen der Auslassförderhöhe bestätigt nicht, dass die Pumpe zuverlässig arbeitet. Der Saugdruck muss hoch genug bleiben, um Dampfbildung und Kavitation zu verhindern, wobei der verfügbare NPSH-Wert den erforderlichen NPSH-Wert der Pumpe unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen übersteigen muss.

Der Pumpenauslassdruck ersetzt auch nicht die Auslegung der Druckentlastung. Pilotanlagen erfordern eine separate Bewertung von blockierten Auslässen, thermischer Ausdehnung, durchgehenden Reaktionen, Entspannung (Flashing) und anderen Überdruckszenarien unter Verwendung geltender Praktiken für Druckgeräte und Entlastungssysteme.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Die Bewertung sollte mit einem dokumentierten Vergleich zwischen der erforderlichen Systemkennlinie und der Leistungskennlinie der ausgewählten Pumpe enden.

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der statischen Förderhöhe liegt: Rechnen Sie den Differenzdruck der Pumpe in Flüssigkeitsförderhöhe um und vergleichen Sie ihn mit dem Höhen- und Behälterdruckunterschied, bevor Sie Reibungsverluste berücksichtigen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Einhaltung des Zieldurchflusses liegt: Bewerten Sie die Pumpe bei der erforderlichen Durchflussrate unter Verwendung der vollständigen Systemkennlinie, einschließlich der Verluste in Rohren, Armaturen, Ventilen und Ausrüstung.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer Hochdruckanwendung liegt: Ziehen Sie Pumpen in Reihe oder einen anderen Pumpentyp in Betracht, nachdem Sie Leistung, NPSH, Materialverträglichkeit und Betriebsgrenzen geprüft haben.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Reduzierung des Energieverbrauchs liegt: Untersuchen Sie größere Rohrleitungen, verlustarme Armaturen und eine geeignete Dimensionierung der Regelventile, bevor Sie die Pumpenkapazität erhöhen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer chemischen Flüssigkeit (kein Wasser) liegt: Berechnen Sie Förderhöhe und Verluste unter Verwendung der tatsächlichen Dichte, Viskosität, Temperatur, des Dampfdrucks und der Zusammensetzung neu.

Eine richtig dimensionierte Pumpe ist eine, deren verfügbare Differenzförderhöhe bei der erforderlichen Durchflussrate und den Betriebsbedingungen die gesamte hydraulische Anforderung zuverlässig übersteigt, ohne inakzeptable Betriebs- oder Sicherheitsrisiken zu schaffen.

Zusammenfassungstabelle:

Wichtige Bewertung	Was zu prüfen ist
Statische Förderhöhe	Höhenunterschied zwischen den Flüssigkeitsoberflächen von Quelle und Ziel
Behälterdruck	Druckunterschied zwischen Quell- und Zielbehälter
Differenzförderhöhe	Pumpenauslassdruck minus Saugdruck
Reibungsverluste	Gerade Rohre, Ventile, Armaturen, Schläuche und Ausrüstung
Betriebspunkt	Schnittpunkt der Pumpenkennlinie und Systemkennlinie beim erforderlichen Durchfluss
Flüssigkeitsbedingungen	Dichte, Viskosität, Temperatur, Dampfdruck und Zusammensetzung
Zuverlässigkeitsprüfungen	NPSH, Wirkungsgrad, Leistung, Materialverträglichkeit und Betriebsgrenzen
Designoptionen	Reihenschaltung für höhere Förderhöhe, Parallelschaltung für höheren Durchfluss oder größere Rohrleitungen zur Reduzierung von Verlusten

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