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Der Wirkungsgrad einer Maschine
Der Wirkungsgrad einer Maschine lässt sich einfach definieren: der Wirkungsgrad, also auch der Pumpenwirkungsgrad, ist das Verhältnis zwischen durch die Arbeitsmaschine aufgenommen und wieder abgegebener Energie. Dass die abgegebene Energie dabei immer geringer sein muss als die aufgenommene Energie, dürfte so weit bekannt sein. Der hier wichtigste Faktor ist die Reibung.
Dieser Energieverlust tritt bei einer Pumpe auf
Daraus folgert, dass der Pumpenwirkungsgrad immer kleiner 1 sein muss (1 entspricht 100 Prozent). Der Wirkungsgrad wird angegeben mit „?“ (Eta). Nun kommt es bei einer Pumpe aber zu verschiedenen Energieverlusten:
- Energieverlust beim Antrieb (mechanisch bzw. manuell oder elektrisch): Antriebs- oder Motorwirkungsgrad ? M
- Energieverlust durch das Fluid: hydraulischer Wirkungsgrad ? P
Hydraulischer und Motor-Wirkungsgrad
Der Pumpenwirkungsgrad setzt sich also aus beiden Faktoren zusammen, wird also als ? ges (Eta gesamt) bezeichnet. Daraus wiederum ergibt sich die folgende Formel zum Berechnen eines Pumpenwirkungsgrades: ? ges = ? M * ? P (Pumpenwirkungsgrad ist gleich Antriebswirkungsgrad multipliziert mit hydraulischem Wirkungsgrad).
Der Bereich, in dem sich der Pumpenwirkungsgrad bewegt
Nun muss aber noch etwas verstanden werden, was nicht ganz einfach ist. Das lässt sich am ehesten durch folgendes Beispiel erklären. Eine Pumpe arbeitet an einem offenen Rohr eines offenen Systems, das mit einem Sperrventil versehen ist. Ist das Sperrventil geschlossen, erzeugt die Pumpe zwar einen hohen Druck (Meter Wassersäule bzw. bar), dennoch erzielt die Pumpe keine Leistung.
Dasselbe gilt aber auch, wenn das Sperrventil an diesem Rohr offen ist. Zwar wird eine große Menge Wasser durch das Rohr gepumpt. Nur kann dabei kein Druck aufgebaut werden, da das System ja offen ist. In der Folge wird also Druck benötigt, um einen Wirkungsgrad zu erzielen und benennen zu können. Die Pumpenleistung (Förderleistung bzw. Förderstrom) darf also nicht mit dem Pumpenwirkungsgrad gleichgesetzt werden.
Förderstrom und Pumpenwirkungsgrad
Das Beschreiben des Pumpenwirkungsgrades kann nun anhand einer Kennlinie dargestellt werden, die zwischen keinem Druck 0 (offenes Rohr im offenen System in unserem Beispiel) und dem maximalen Druck beim geschlossenen Rohr liegt. Nun wiederum werden Förderstrom und Pumpenwirkungsgrad in Relation zueinander gesetzt.
Die Effizient (Wirkungsgrad) hängt aber auch von der Pumpenbauform ab
Nun hängt der Wirkungsgrad der Pumpe aber auch noch von der Bauart und der Dimensionierung einer Pumpe ab. Bei der Bauart wird zwischen den folgenden Pumpen unterschieden:
- Nassläufer (zum Beispiel Kreiselpumpe)
- Trockenläufer
Die Nassläuferpumpe
Bei der Nassläuferpumpe ist der Rotor des Motors im Fluid, außerdem wird der Motor durch das umfließende Medium gekühlt. Damit wird der Motor quasi vom Medium bzw. Fluid umflossen, was sich auf den Wirkungsgrad auswirkt. Die Pumpe ist somit zwar langlebiger (effiziente Kühlung), kommt aber zu dem zusätzlichen Reibungsverlust beim Umfließen des Motors.
Die Trockenläuferpumpe
Bei der Trockenläuferpumpe dagegen ist der Motor mithilfe einer entsprechenden Dichtung an der Antriebswelle (Stopfschnur, Radial-Wellendichtring) abgeschirmt von dem Fluid. Damit kann der Motor nicht direkt gekühlt werden, muss aber auch nicht umflossen werden, was wiederum einen geringeren Reibungsverlust bei der Nasslaufpumpe und einen besseren Förderstrom bedeutet. Damit erzielen Pumpen bereits bauartbedingt einen unterschiedlichen Wirkungsgrad:
- Nassläuferpumpen: 5 bis 55 Prozent
- Trockenläuferpumpen: 30 bis 80 Prozent
Eine Pumpe optimal nach dem Pumpenwirkungsgrad auslegen
Nun wird eine Pumpe aber nie gleichmäßig beansprucht. Als Beispiel hier eine Umwälzpumpe eines Zentralheizsystems. Der durchschnittlich höchste (nicht der maximale!) Wirkungsgrad wird beim Heizen benötigt. Basierend auf diesen Hintergrund sollte eine Pumpe daher immer im mittleren Drittel des Pumpenwirkungsgrads arbeiten, wenn geheizt wird. Dann ist die Pumpe optimal auf das System ausgelegt. Entsprechende Berechnungen und Formeln, wie Sie eine Pumpe auslegen können, finden Sie, wenn Sie dem Link folgen.
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