Pumpenkavitation: Was es ist und wie man es vermeidet

Was ist das für ein Geräusch aus Ihrer Pumpe? Wenn es eher nach durch Rohre geschobenem Kies als nach Flüssigkeit klingt, könnte es sich um Pumpenkavitation handeln. Aber was genau ist Pumpenkavitation und warum ist sie so schädlich für Pumpen und ihre Komponenten? Wir erklären Ihnen alles über dieses weit verbreitete, aber schädliche Phänomen und was Sie tun können, um es zu stoppen, bevor es Ihr System beschädigt.

Was ist Pumpenkavitation und was verursacht sie?

Pumpenkavitation tritt auf, wenn der Druck in einer Pumpe unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt, wodurch diese verdampft und Blasen bildet. Diese Dampfblasen bilden sich typischerweise auf der Saugseite der Pumpe, wo der Druck am niedrigsten ist. Erreicht die Flüssigkeit Bereiche mit höherem Druck, beispielsweise in der Nähe des Laufrads, kollabieren die Blasen.

Stellen Sie sich einen Topf mit kochendem Wasser auf Ihrem Herd vor. Dampfblasen steigen vom Boden auf und platzen, sobald sie die Wasseroberfläche erreichen. In diesem Szenario entsteht das Sieden durch Hitze. Der Siedepunkt wird aber auch vom Druck über dem Wasser beeinflusst. Auf Meereshöhe siedet Wasser bei 212 °C, in 100 Metern Höhe, wo der Luftdruck niedriger ist, siedet es jedoch bei etwa 10,000 °C. Mit sinkendem Luftdruck sinkt auch der Siedepunkt von Wasser.

In einem Pumpensystem gilt ein ähnliches Prinzip. Fällt der Druck in der Pumpe unter den Dampfdruck der Flüssigkeit, beginnt diese selbst bei Raumtemperatur zu sieden. Dieses lokale Sieden erzeugt Dampfblasen in der Flüssigkeit. Während die Flüssigkeit durch die Pumpe fließt und in der Nähe des Laufrads auf höheren Druck trifft, platzen die Blasen schnell. Diese plötzliche Implosion erzeugt starke Stoßwellen, die auf die Innenflächen der Pumpe, insbesondere die Laufradschaufeln, einwirken und zu Pumpenkavitation führen.

Was ist so schlimm an Blasen? Die Folgen der Pumpenkavitation

Kavitationsblasen mögen winzig sein, stellen aber ein großes Problem für Ihre Pumpe dar. Diese Dampfblasen bilden sich typischerweise an winzigen Unebenheiten in den Metalloberflächen der Pumpe, beispielsweise am Laufrad einer Kreiselpumpe oder am Kolben/Zahnrad einer Verdrängerpumpe auf der Saugseite. Wenn sich diese Blasen zur Hochdruck-Auslassseite bewegen, kollabieren sie heftig und erzeugen Stoßwellen und Mikrostrahlen, die mit extremer Kraft auf die Oberflächen treffen. Diese Implosion erzeugt intensive, fokussierte Stoßwellen, die genau auf die Oberfläche treffen, auf der sich die Blasen gebildet haben.

Diese wiederholten Stöße verursachen Lochfraß, eine Art Oberflächenerosion, die zunächst klein ist, sich aber mit der Zeit verschlimmert. Neue Pumpen mit glatten Oberflächen sind widerstandsfähiger gegen Kavitation. Mit zunehmender Entstehung von Unregelmäßigkeiten beschleunigt sich jedoch der Schaden. Schließlich können Teile des Laufrads oder anderer Komponenten narbig oder sandgestrahlt aussehen. Es können sogar große Materialstücke fehlen.

Die heftige Reaktion beschädigt außerdem Lager und Dichtungen, verkürzt deren Lebensdauer und verursacht durch häufigen Austausch explodierende Wartungskosten. Pumpenkavitation führt zu verringerter Effizienz, Vibrationen, Lärm und letztendlich zum Pumpenausfall.

Was ist der Unterschied zwischen Saugen, Entladen und Kavitation?

„Saugseite“ und „Druckseite“ bezeichnen unterschiedliche Seiten einer Pumpe. Auf der Saugseite tritt die Flüssigkeit in die Pumpe ein, normalerweise bei niedrigerem Druck. Auf der Druckseite drückt die Pumpe die Flüssigkeit heraus, normalerweise bei höherem Druck.

Kavitation hingegen ist ein Problem, das innerhalb der Pumpe auftreten kann. Sie gehört nicht zum normalen Pumpenbetrieb, wie Ansaugen oder Ausstoßen. Es handelt sich um einen schädlichen Zustand, der durch niedrigen Druck verursacht wird und zur Bildung und zum Kollabieren von Dampfblasen führt.

Hier ist eine einfache Möglichkeit, darüber nachzudenken:

Saugen: Flüssigkeit gelangt mit geringerem Druck in die Pumpe

Ausstoß: Flüssigkeit verlässt die Pumpe mit höherem Druck

Kavitation: Flüssigkeit verdampft und verursacht Schäden aufgrund zu geringen Drucks (insbesondere auf der Saugseite).

Während Saugkavitation am häufigsten auftritt, kann auch Druckkavitation auftreten, wenn eine Pumpe mit geringer Förderleistung oder weit vom optimalen Wirkungsgrad entfernt arbeitet. Dies führt zu einer Flüssigkeitsrückführung auf der Druckseite und zur Bildung von Dampfblasen in Niederdruckzonen, die kollabieren und Bauteile beschädigen. Beide Arten von Kavitation weisen ähnliche Symptome wie Lärm, Vibrationen und Erosion auf, erfordern jedoch unterschiedliche Präventionsstrategien.

Während Saugen und Auslassen beschreiben, wie eine Pumpe Flüssigkeit bewegt, beschreibt Kavitation, was passiert, wenn die Bedingungen innerhalb der Pumpe nicht stimmen.

Frühe Anzeichen von Pumpenkavitation

Eines der ersten Anzeichen für Pumpenkavitation sind ungewöhnliche Geräusche, die von der Pumpe ausgehen. Dieses Geräusch wird oft als das Geräusch von klapperndem Kies im Pumpengehäuse oder in den Rohrleitungen beschrieben. In lauten Fabrikanlagen kann dieses wichtige Anzeichen jedoch leicht übersehen werden.

Weitere Frühwarnzeichen sind:

• Ungewöhnliche Vibrationen: Schwingungsüberwachung kann Änderungen in der Schwingungssignatur einer Pumpe erkennen und Kavitation aufdecken.
• Unregelmäßige Druckschwankungen: Unregelmäßige Druckmesswerte, insbesondere auf der Saugseite der Pumpe, können auf Kavitation hinweisen
• Reduzierte Durchflussraten: Eine verringerte Pumpenleistung kann darauf hinweisen, dass Kavitation den Flüssigkeitsfluss beeinträchtigt oder die Pumpe bereits beschädigt hat.

So verhindern Sie Pumpenkavitation

Der einfachste Weg, Pumpenkavitation zu verhindern, besteht darin, das Pumpensystem so zu konstruieren, dass sie unter normalen Betriebsbedingungen nicht auftritt. Dazu muss man den Netto-Zugdruck (NPSH) verstehen und ihn bei der Konstruktion berücksichtigen.

Es gibt zwei Teile von NPSH, die berücksichtigt werden müssen.

1. NPSHR (erforderliche positive Saughöhe): Dies ist der Mindestdruck, den die Pumpe auf ihrer Saugseite benötigt, um Kavitation zu vermeiden. Dieser Wert wird in Metern oder Fuß angegeben und vom Pumpenhersteller berechnet.
2. NPSHA (Net Positive Suction Head Available): Dieser Wert muss während des Systementwurfsprozesses berechnet werden. Dabei werden der atmosphärische Druck, der Flüssigkeitsstand, die Flüssigkeitstemperatur und der Siedepunkt der Flüssigkeit berücksichtigt.

Wenn der NPSHA-Wert größer als der NPSHR-Wert ist, sollte die Pumpe ohne Kavitation arbeiten. Ist der NPSHA-Wert jedoch kleiner als der NPSHR-Wert, verfügt die Pumpe nicht über genügend Druck, um die Flüssigkeit vor dem Verdampfen zu schützen, was letztendlich zu Kavitation führt.

Um Saugkavitation zu vermeiden, stellen Sie sicher, dass die verfügbare Saughöhe (NPSHA) die erforderliche Saughöhe (NPSHR) gemäß den Angaben des Pumpenherstellers um mindestens 0.5–1.0 Meter übersteigt. Um Druckkavitation zu vermeiden, betreiben Sie die Pumpe nahe ihrem Bestpunkt (BEP), um niedrige Durchflussraten und damit verbundene Rückströmungen zu vermeiden. Die Verwendung einer Pumpe mit der richtigen Größe oder die Installation von Frequenzumrichtern (VFDs) kann zur Aufrechterhaltung optimaler Durchflussraten beitragen.

So korrigieren Sie Pumpenkavitation

Wenn bereits Kavitation auftritt, beheben Sie diese so schnell wie möglich, um Schäden zu vermeiden. Die Korrekturmethoden variieren je nachdem, ob es sich um Saugkavitation (verursacht durch niedrigen Saugdruck) oder Druckkavitation (verursacht durch geringen Durchfluss oder Rückführung) handelt. Hier sind einige Lösungsansätze:

• Saugleitungen optimieren: Kleine, lange oder komplexe Saugleitungen können den Durchfluss einschränken und den NPSHA-Wert senken. Verwenden Sie Rohre mit größerem Durchmesser, verkürzen Sie deren Länge oder reduzieren Sie Biegungen, um den Durchfluss zu verbessern und Saugkavitation zu vermeiden.
• Pumpe oder Flüssigkeitsquelle verlegen: Durch die Positionierung der Pumpe näher an oder unter der Flüssigkeitsquelle wird die Saughöhe verringert und der NPSHA-Wert erhöht, um die Saugkavitation zu verringern.
• Filter und Siebe prüfen: Verstopfte Filter oder Siebe auf der Saugseite können die Pumpe austrocknen und Kavitation verursachen. Reinigen oder ersetzen Sie sie und achten Sie auf die richtige Filtergröße, um den Durchfluss aufrechtzuerhalten.
• Rückschlagventile und Komponenten: Teilweise geschlossene Ventile oder zu viele Armaturen auf der Saugseite können den Durchfluss einschränken. Stellen Sie sicher, dass die Ventile vollständig geöffnet sind, und minimieren Sie unnötige Komponenten. Bei Druckkavitation ist darauf zu achten, dass die Druckventile nicht zu stark gedrosselt sind, da dies zu einer Rezirkulation führen kann.
• Installieren Sie eine Druckerhöhungspumpe: Eine Druckerhöhungspumpe kann den Saugdruck erhöhen und so den NPSHA-Wert erhöhen, um Saugkavitation zu verhindern, insbesondere in Systemen mit langen Saugleitungen oder Höhenunterschieden.
• Betriebsbedingungen anpassen: Bei Druckkavitation erhöhen Sie die Durchflussrate, um die Pumpe näher an ihrem Bestleistungspunkt (BEP) zu betreiben. Installieren Sie Frequenzumrichter oder stellen Sie die Druckventile so ein, dass ein ausreichender Durchfluss gewährleistet ist und eine Rückströmung verhindert wird.
• Tauschen Sie die Pumpe aus: Tritt weiterhin Kavitation auf, ersetzen Sie die Pumpe durch eine besser für das System geeignete. Wählen Sie bei Saugkavitation eine Pumpe mit niedrigerem NPSHR. Bei Druckkavitation wählen Sie eine Pumpe, die den Durchfluss- und Förderhöhenanforderungen des Systems entspricht.

Alle diese Optionen können teuer und zeitaufwendig sein, aber die Vermeidung von Pumpenkavitation verlängert letztendlich die Lebensdauer Ihrer Pumpe und verbessert die Gesamteffizienz des Systems. Verwenden Sie Überwachungstools, wie z. B. Vibrationsmonitor, um zu bestätigen, dass die Kavitation behoben ist.

Das Fazit zur Pumpenkavitation

Pumpenkavitation ist ein teures Problem. Sie erhöht die Wartungskosten, beschädigt Komponenten und kann die Lebensdauer der Pumpe verkürzen. Doch sie lässt sich vermeiden. Schwingungsüberwachung kombiniert mit Schwingungsanalysedienste kann ein Frühwarnsignal für das Auftreten von Kavitation liefern und Ihnen Zeit zum Eingreifen geben, bevor kostspielige, irreversible Schäden entstehen.