MARIN Tipp's

Pumpen in der Aquaristik

Dipl.Ing. (Versorgungstechnik) Dirk Prüter

Vorwort

Da es bis heute einige Verständigungsprobleme bezüglich des Einsatzes von Pumpen, der Verwendung bzw. der Verwendbarkeit dieser für den Aquarianer sowie den physikalischen bzw. hydraulischen Zusammenhängen gibt, möchte ich Ihnen heute die Unterschiede zwischen den verschiedenen, auf dem Markt erhältlichen Pumpentypen erklären, um Ihnen eine optimale Auswahl zu ermöglichen. Die folgende Ausarbeitung soll Ihnen bei der Auslegung von Pumpen für Aquarienanlagen dienen. Im ersten Kapitel sollen die physikalischen Grundbegriffe erläutert werden und in den folgenden die verschiedenen Pumpentypen und deren Arbeitsweise mit ihren konstruktiv bedingten Vor- und Nachteilen. Die Vervielfältigung und Verbreitung dieser Arbeit ist gestattet, sofern durch Vervielfältigung und Verbreitung einzelner Seiten kein, den Sinn der Gesamtarbeit verfälschter Eindruck erweckt wird.


Grundbegriffe und Einheiten:

Hier sollen die Grundbegriffe der für die Aquaristik relevanten Pumpenphysik erörtert werden.

1. Motorart, Drehfeld, Polzahl, Drehzahl, Konstruktionsmerkmale
2. Pumpenarten 8 (hier nur Kreiselpumpen)
3. Laufräder
4. Antriebsarten
5. Pumpenleistung
6. Pumpenleistung, installierte
7. Rohrleitungsverluste
8. Kavitation
9. Wasserdurchsatz
10. Drosselkurve
11. Arbeitspunkt
12. Wirkungsgrad


1. Man unterscheidet SYNCHRON; - und ASYNCHRON - Motoren - beides Induktionsmotoren 2-polige Synchronmotoren laufen Drehfeldsynchron, d.h. bei 50 Hz mit 3.000 U/min bei 60 Hz mit 3.600 U/min alle Permanentmagnetläufer gehören zu den Synchronmotoren 2-polige Asynchronmotoren laufen nicht mit dem Drehfeld synchron, sondern etwas langsamer 2-polige z.B. mit 2.800U/min bei 50Hz oder mit 3.400U/min bei 60 Hz Die Drehzahldifferenz nennt man Schlupf. Permanentmagnetmotoren werden meist als Naßläufer ausgebildet, wobei der Anker im wasserdurchspülten Innenraum des Motors läuft Asynchronmotoren hingegen sind meistens luftgekühlte Trockenläufer Eine Sonderstellung nehmen hier die Spaltrohrmotoren ein, deren Anker zwar im wassergefüllten Motorinneren läuft, die aber keine Permanentmotoren sind sondern Asynchronmotoren.

2. Die Pumpenarten können sich auf sehr vielfältige Weise unterscheiden: u.a. durch die Gehäuseform und oder durch die Laufradkonstruktion. In der Aquaristik findet man fast ausschließlich Ringkanalpumpen, die wohl auch für die unter-schiedlichen Anwendungen am geeignetsten sind. Der Ringkanal oder Leitring umschließt das Laufrad ringförmig und axial, bis auf die Öffnung, die radial in den Druckstutzen mündet. Pumpen für höhere Drücke weisen meistens tangentiale Druckstutzen auf, erfordern aber kompliziertere Laufräder.

3. Die Laufräder weisen physikalisch bedingte Vor- und Nachteile auf. Laufräder können beidseitig offene, einseitig oder beidseitig geschlossen sein und gerade oder gekrümmte Schaufeln aufweisen. Bei Pumpen mit Permanentmagnetläufern findet man meistens Laufräder mit geraden Schaufeln, die beidseitig offen sind, weil diese Motoren keine feststehende Drehrichtung ( Vorzugsdrehrichtung) haben. Sie sind für relativ große Fördermengen bei gleichzeitig geringen Förderhöhen geeignet. Der hydraulische Wirkungsgrad gerader Schaufeln ist prinzipiell als schlecht zu bezeichnen, wobei sich dazu noch die hohen Spaltverluste addieren ( Spalt zwischen den seitlich begrenzenden Gehäuse-wandungen und den Schaufeln). Die Leistung dieses Pumpentypes ist durch die Trägheitsgesetze begrenzt, da der Permanent-magnetläufer mit dem Laufrad in nur zwanzig (20) Millisekunden auf 3.000U/min beschleunigen muß. Beidseitig geschlossene Laufräder mit gegen die Laufrichtung gekrümmten Schaufeln weisen die höchsten hydraulischen Wirkungsgrade auf, insbesondere, wenn die Schaufelenden in einem möglichst flachen Winkel zum äußeren Umfang des Laufrades auslaufen. Solche Laufräder erfordern eine bestimmte Laufrichtung, deshalb finden sie sich meistens in Pumpen mit Asynchronmotoren.

4. Bei den Antriebsarten der Pumpen unterscheidet man direkt angetriebene deren Laufrad auf der verlängerten Motorwelle sitzt und magnetisch gekuppelte, deren Motorwelle einen Satz Permanent- magneten trägt, der seinerseits einem zweiten Satz Permanentmagneten im Laufrad der Pumpe sein Drehmoment mitteilt. Bei direkt angetriebenen Pumpen mit Luftgekühltem Motor muß die Wellendurchführung zum Motor hin abgedichtet werden, dies erreicht man mit einer Gleitringdichtung. Gleitringdichtungen unterliegen einem Verschleiß und müssen daher regelmäßig ausgetauscht werden, geschieht dies zu spät, ist das Motorlager oder gar die Wicklung ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen. Außerdem verurscachen Gleitringdichtungen Reibungsverluste, die mit abnehmender Pumpenleistung prozentual zunehmen. Bei magnetisch gekuppelten Pumpen ist keine Wellenabdichtung erforderlich, da die Pumpen hermetisch verschlossen sind. Die Kraftübertrageung erfolgt im übrigen synchron zum Motor und absolut verlustfrei, sofern die Spaltplatte oder der Spalttopf, der Motor und Wasser voneinander trennt, aus nichtleitendem Material besteht. Metallisch leitende Materialien führen zu Wirbelstromverlusten.

5. Die Leistung einer Pumpe setzt sich aus verschiedenen Faktoren zusammen.

a)Abgabeleistung hydraulisch darunter versteht man die Leistung, die die Pumpe unter den Einsatz-bedingungen erbringt (abgibt). Sie errechnet sich zu: P2 = Q x H : 366,85 Q = Fördermenge in Liter / Stunden, H = Förderhöhe in Meter, P2 = Abgabeleistung in Watt.

b) Aufnahmeleistung mechanisch darunter versteht man die Leistung, die der Pumpe zugeführt werden muß, damit sie die Leistung unter den gegebenen Einsatzbedingungen abgeben kann. Sie ist um die Verlustleistung höher als die Abgabeleistung.

c) Abgabeleistung mechanisch ( des Antriebsmotors P2 ) darunter versteht man die mechanische Leistung die der Antriebsmotor der Pumpe unter den gegebenen Einsatzbedingungen zur Verfügung stellen muß.Die Angabe erfolgt in Kilowatt, bei Kleinmotoren in Watt ( P2 )

d) Aufnahmeleistung elektrisch ( des Antriebsmotors P1 ) darunter versteht man die elektrische Leistung die dem Motor zugeführt werden muß, damit die Pumpe die unter a) errechnete Leistung abgeben kann. Sie ist um die Verlustleistung höher als die Abgabeleistung. Beispiel : für ein 600Ltr.Aquarium soll eine Strömungspumpe 6.000L/h - 1,5m hoch fördern

P2 = 6000 x 1,5 : 366,85

P2 = 24,53Watt Der Wirkungsgrad der Pumpe sei 50% , der des Motors sei 80%

Somit errechnet sich die Aufnahmeleistung der gesamten Anordnung aus Pumpe mit Antriebsmotor zu: 24,53W : 0,5 = 49,07W = Aufnahmeleistung der Pumpe 49,07W : 0,8 = 61,33W = Aufnahmeleistung des Motors ( Pumpe) Die Aufnahmeleistung der Pumpe ( als Gesamtgerät. Bestehend aus Motor und dem Hydraulischem Teil ) P1 ist die Leistung , die der Zähler zählt, und die zur Errechnung von Energiekosten herangezogen werden muß.

6. Die installierte Pumpenleistung ist die Nennleistung der Pumpe in Liter/Stunde (L/h) Sie sollte bei Meerwasseraquarien das 8 - 12-fache des Inhaltes betragen.

7. Rohrleitungsverluste sind Verluste, die durch die Reibung des Wassers an der Innenwandung der Rohrleitung entstehen. In der Regel treten nennenswerte Rohrleitungsverluste nicht auf, wenn man die Querschnitte der Saug-Druckleitungen nach den Angaben des Herstellers dimensioniert. In Saugleitungen gelten Fließgeschwindigkeiten von 1,5m/s - in Druckleitungen von 5m/s als unbedenklich. Höhere Fließgeschwindigkeiten können Kavitation ( Saugleitung ) oder Fließgeräusche ( Druckleitung) verursachen - immer aber führen sie zu Druckhöhenverlusten.

8. Kavitation nennt man die Gasblasenbildung des Fördermediums in der Pumpe. Ein störungsfreier Betrieb der Pumpe ist nur möglich, solange innerhalb der Pumpe keine Dampfbildung ( Kavitation) auftritt, d.h. solange an keiner Stelle der Strömung der Druck unter den, dem Flüssigkeitsdruck entsprechenden, Verdampfungsdruck sinkt. Bei Unterschreitung des Verdampfungsdrucks verdsampft das Wasser und es bilden sich Dampfblasen. Diese werden dann in das Laufrad der Pumpe gerissen und implodieren durch die Druckerhöhung, was zur Geräuschbildung und Materialzerstörung führt. Aus diesem Grund muß der Druck am Saugstutzen der Pumpe höher sein als der Dampfdruck des Wassers.

9. Unter Wasserdurchsatz versteht man z.B. bei einem Filter oder Aquarium die tatsächlich bewegte Wassermenge in Liter / Stunde (L/h)

10. Die Drosselkurve oder Pumpenkennlinie, die durch Messung auf einem Prüfstand bestimmt wird, gibt die Beziehung zwischen Förderhöhe und Förderstrom bei konstanter Drehzahl an. Das Charakteristische an der Pumpenkennlinie ist die gegenseitige Abhängigkeit des Förderstromes und der Förderhöhe. Jede Änderung der förderhöhe hat immer auch eine Änderung des Förderstromes zur Folge.

11. Arbeitspunkt ist der Punkt auf der Drosselkurve, der bei der vorhandenen tatsächlichen Förderhöhe die Fördermenge einer Pumpe angibt. Dieser sollte im Bereich des höchsten Wirkungsgrades liegen, was bei der Auslegung der Pumpe für jeden Anwendungsfall bereits berücksichtigt werden muß.

12. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener Pumpenleistung (Förderstrom x Förderhöhe) zu aufgenommener Leistung ( Antriebsleistung). Der Wirkungsgrad verändert sich über den Verlauf der Pumpenkennlinie. Allgemein befindet sich der Bereich des besten Pumpenwirkungsgrades im mittleren Drittel der Pumpenkennlinie. Pumpenauslegungen im ersten oder letzten Drittel der Pumpenkennlinie bedeuten immer :
Betrieb im schlechteren Bereich des Pumpenwirkungsgrades und sollte vermieden werden.
Er errechnet sich zu n = P2 :
Bei Trockenläuferpumpen ( egal ob - direkt angetrieben oder - magnetisch gekuppelt) kommen eine Vielzahl von Antriebsmotoren zur Anwendung, die sehr unterschiedliche Wirkungsgrade haben, so das eine individuelle Ermittlung des Gesamtwirkungsgrades erforderlich ist. Bei Naßläuferpumpen werden grundsätzlich Spezialmotoren eingesetzt die exakt auf die Pumpe abgestimmt sind . So liegt der Gesamtwirkungsgrad für jede Pumpe fest. Trocken-und Naßläuferpumpen ( Induktionsmotoren) steigern ihre Leistungsaufnahme kontinuierlich mit der Zunahme des Förderstromes. Bei Naßläuferpumpen mit Permanentmagnetläufer verhält sich die Leistungsaufnahme anders als bei Induktionsmotoren. Sie ändern sich über die gesamte Kennlinie so unwesentlich, daß man praktisch von Gleichbleibender Leistungsaufnahme sprechen kann.

Richtwerte für Wirkungsgrade bei kleineren Motorleistungen:

Naßläuferpumpen -- Trockenläuferpumpen
Motorwirkungsgrad 15-45% -- 75-80% Pumpenwirkungsgrad 40-65% -- 40-85% Gesamtwirkungsgrad 5-25% -- 30-65%


Beispiel : gemessene Punkte der Drosselkurve / Kennlinie MP 180108 ( ATK)

p1 : 10.000L x 6,0m: 366,85 = 163,55W : P1 = 474 W = 0,35 = 35%
p2 : 8.400L x 7,0m: 366,85 = 160,28W : P1 = 444 W = 0,37 = 37%
p3 : 7.500L x 7,5m: 366,85 = 153,33W : P1 = 395 W = 0,39 = 39%
p4 : 6.000L x 8,0m: 366,85 = 141,75W : P1 = 380 W = 0,38 = 38%
p5 : 4.600L x 9,0m: 366,85 = 112,85W : P1 = 322 W = 0,35 = 35%


Leistungskurve

 


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