Kavitation erkennen und verstehen – Wie man Kreiselpumpen davor schützen kann

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Fachbeitrag von Boris Vaihinger

Branchenmanager Wasser und Abwasser / Business Development / ABB Motion Deutschland

Pumpen können durch Kavitation schwer beschädigt werden. Eine neue innovative Funktion in ABB-Frequenzumrichtern kann Kavitation auch ohne Einsatz teurer Sensoren erkennen. Die Umrichter reagieren selbständig auf die Kavitation, um diese zu vermeiden. 

Kavitation tritt auf, wenn Wasser in einer Kreiselpumpe verdampft und Blasen bildet.

Kavitation tritt typischerweise auf, wenn Flüssigkeiten in der Wasser-/Abwasserbehandlung oder Lebensmittel- und Getränkeindustrie von A nach B gepumpt werden und der Ansaugdruck der Pumpe niedrig ist. Grund für den niedrigen Ansaugdruck kann beispielsweise ein geringer Füllstand in dem Tank sein, der die Flüssigkeit in die Pumpanlage einspeist. Auch ein Leitungsleck kann den Ansaugdruck sinken lassen. Das eigentliche Problem im Zusammenhang mit Kavitation entsteht durch Dampfblasen, die in der Förderflüssigkeit implodieren und Stoßwellen auslösen. Die Implosion einer Dampfblase – auch Microjet genannt – ist eine kleine, starke Implosion, bei der örtlich sehr viel Energie freigesetzt wird, was zu Schäden führt. Diese Implosion verursacht Oberflächenerosion, wenn die Stoßwellen auf das Laufrad oder Gehäuse der Pumpe treffen. Folglich ist Kavitation sehr schädlich für Kreiselpumpen, die als gängige Lösung in den meisten Pumpanwendungen für Flüssigkeiten zu finden sind.

Pumpenlaufrad mit Kavitationsschäden

Microjets entstehen bei örtlichem Druckabfall in der Pumpe oder flüssigkeitsführenden Leitung. Sie können auf der Rückseite der Laufradschaufeln oder eines Hindernisses im Flüssigkeitsstrom (Krümmung in Leitungen, Sensor oder Ventil) auftreten. Wasser kann bei Raumtemperatur verdampfen, wenn der lokale Druck in der Leitung oder Pumpe zu stark abfällt. Der Druckabfall und die anschließende Blasenbildung treten nur an bestimmten Stellen in der Anlage auf. Die Entstehung von Microjets ist an sich kein Problem. Problematisch wird es, wenn die Microjets mit der Flüssigkeit befördert werden und in der Leitung/Pumpe einen Bereich mit Normaldruck erreichen. Dort fallen die Microjets zusammen und lösen Stoßwellen aus, die die Laufradschaufeln oder das Pumpengehäuse zerstören können. Doch schon vorher nimmt die Effizienz der Pumpe ab. Was dann folgt, ist ein ungeplanter Wartungseinsatz oder sogar der kostspielige Austausch der Pumpe.

Kreiselpumpen weisen eine bestimmte Haltedruckhöhe (Net Positive Suction Head, NPSH) auf. Der NPSH-Wert gibt an, wie hoch der Druck an der Saugseite der Pumpe sein muss, um Kavitation zu verhindern. Er hängt vom Flüssigkeitsstrom (Volumen) ab. Soll ein großes Volumen gepumpt werden, ist ein hoher Druck an der Saugseite der Pumpe gefordert. Sinkt der Druck unter den NPSH-Wert, steigt das Kavitationsrisiko. Der NPSH-Wert einer bestimmten Pumpe wird während der Konstruktion genutzt, um sicherzustellen, dass in den meisten Anwendungen ein ausreichender Vordruck vorhanden ist. Bei einigen Anwendungen wie dem Entleeren eines Tanks fällt der Ansaugdruck mit sinkendem Füllstand ab. Dadurch steigt das Kavitationsrisiko, und es müssen Vorkehrungen getroffen werden, um eine Beschädigung der Pumpe zu verhindern.

Wenn Kavitation auftritt, entstehen in der Regel unvorhergesehene Kosten durch die Wartung und Reparatur der Pumpe. Darüber hinaus können weitere Kosten anfallen, zum Beispiel durch ungeplante Prozessunterbrechungen oder Produktionsausfälle. Zusätzlich kann Kavitation dazu führen, dass Flüssigkeiten wie Milch oder Getränke in mangelhafter Qualität produziert werden – ein weiterer beträchtlicher Kostenfaktor.

In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie ist die Qualität der gepumpten Flüssigkeiten von zentraler Bedeutung, z. B. bei Molkereibetrieben oder Getränkeherstellern. In der Wasseraufbereitung hingegen kann es nicht zu Qualitätseinbußen kommen, weil das Wasser bei der Blasenbildung verdampft und wieder flüssig wird, wenn die Blasen zusammenfallen. Das stellt sich in der Lebensmittelbranche anders dar: Beispielsweise lässt Kavitation gepumpte Milch schäumen. Dieser Vorgang ist irreversibel und die Milch nicht mehr brauchbar. Jeder irreversible Prozess infolge von Kavitation führt zu Qualitätsverlusten, Umsatzeinbußen und zusätzlichen Wartungskosten. In einigen Fällen ist ein Totalverlust die Folge, in anderen Fällen kann die Flüssigkeit noch für andere Zwecke genutzt werden. Allerdings fallen dabei Mehrkosten für Filterung oder andere Behandlungsverfahren an.

Wie man Kavitation vermeiden kann

Da Kavitation mit dem Ansaugdruck der Pumpe zusammenhängt, liegt es nahe, diesen Druck zu messen und die Pumpe abzuschalten, wenn der Druck zu niedrig wird. So funktioniert der traditionelle Kavitationsschutz. Wird die Pumpe gestoppt, kommt aber auch der Flüssigkeitsstrom zum Stehen, und es kann Flüssigkeit vor der Pumpe verbleiben, die abgepumpt werden muss.

Wie erwähnt, hängt die Haltedruckhöhe (NPSH) vom Flüssigkeitsstrom ab. Eine Reduzierung der Pumpendrehzahl mindert den Durchfluss und die Saughöhe / den von der Pumpe erzeugten Druck. Das heißt: Bei einer mit einem drehzahlgeregelten Frequenzumrichter gesteuerten Pumpe kann das Kavitationsrisiko verringert werden, indem bei sinkendem Ansaugdruck einfach die Drehzahl reduziert wird. Dieses Prinzip nutzt ABB für die neue Kavitationsschutz-Funktion, die für die vollkompatiblen Industrie-Frequenzumrichtern ACS880, den Standard-Frequenzumrichtern ACS580 und ACS480 sowie den ACQ580-Umrichtern für Wasser und Abwasser zur Verfügung steht.

Die Kavitationsschutz-Funktion kommt ganz ohne Sensoren in der Rohrstruktur aus. Sie basiert auf Messungen und Algorithmen der Software des Umrichters, die bei Aktivierung in Echtzeit laufen. Die Software überwacht das Drehmoment der Motorwelle. Wenn Kavitation auftritt, erzeugt die Pumpe eine Drehmomentwelligkeit, die von der Software im Frequenzumrichter erkannt wird. Der Umrichter reduziert dann die Motordrehzahl, und ein neuer Erkennungszyklus wird eingeleitet. Belastet Kavitation die Pumpanlage weiterhin, wird die Drehzahl weiter verringert. Für die Einstellung der Softwarefunktion im Frequenzumrichter und für die Reaktionsweise im Fall einer Kavitationsdetektion gibt es verschiedene Optionen. Bei der Wahl der Reaktion müssen die jeweilige Anwendung und die Förderflüssigkeit berücksichtigt werden.

Dieser Ansatz unterscheidet sich deutlich von der herkömmlichen Methode, bei der die Pumpe einfach abgeschaltet wird. Stattdessen läuft der Pumpenbetrieb weiter, wenn Kavitation mit Echtzeitüberwachung und ohne Einsatz separater Sensoren erkannt wird. Insbesondere in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie können Sensoren in der Anschaffung teuer und in der Handhabung aufwändig sein. Teuer daher, weil sie speziell für die Nutzung im Bereich Lebensmittel und Getränke zugelassen sein müssen, um Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten. Aufwändig in der Handhabung sind sie, weil sie mit der Förderflüssigkeit in Kontakt kommen und sich die Reinigung unter dem Aspekt der Lebensmittelsicherheit schwierig gestalten kann.

Für die Einstellung des Frequenzumrichters ist ein Zugang zur Anwendung einschließlich der Pumpen notwendig, da im Umrichter keine vorprogrammierten Parameter zur Verfügung stehen. Das liegt daran, dass die Einstellung in hohem Maße von der jeweiligen Pumpanlage und der Flüssigkeit abhängt. Die Kavitationsschutz-Funktion von ABB ist einzigartig am Markt und bringt für Maschinenbauer und Industriekunden, die Pumpen in unterschiedlichsten Anwendungen einsetzen, klare Vorteile mit sich.

Die wesentlichen Vorteile der Kavitationsschutz-Funktion sind:

  • Echtzeitüberwachung ohne zusätzliche Sensoren,
  • Vermeidung von ungeplanten Unterbrechungen des Produktionsprozesses,
  • Senkung der Wartungskosten,
  • Vermeidung von Qualitätseinbußen bei der Förderflüssigkeit.

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