Was sind selbstansaugende Pumpen und wie wählen Sie die richtige für Ihr System aus?

Selbstansaugende Pumpen stellen eine der praktisch wertvollsten Innovationen in der Fluid-Handling-Technik dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kreiselpumpen, bei denen das Pumpengehäuse und die Saugleitung vor dem Start vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein müssen, können selbstansaugende Pumpen Luft aus ihrer eigenen Saugleitung evakuieren und sich automatisch ansaugen – selbst wenn die Pumpe über der Flüssigkeitsquelle installiert ist. Diese Fähigkeit macht manuelle Ansaugvorgänge, Fußventile oder externe Vakuumunterstützungssysteme überflüssig, was die Installationskomplexität, den Wartungsaufwand und das Risiko von Trockenlaufschäden bei Anwendungen, bei denen die Flüssigkeitszufuhr unterbrochen ist oder die Pumpe nach längeren Leerlaufzeiten läuft, erheblich reduziert. Von kommunalen Abwasserbehandlungs- und industriellen Prozesssystemen bis hin zu Bilgenpumpen auf See und landwirtschaftlicher Bewässerung bieten selbstansaugende Pumpen Betriebssicherheit unter Bedingungen, unter denen herkömmliche Pumpen ausfallen würden oder ein ständiges Eingreifen des Bedieners erfordern würden.

So funktionieren selbstansaugende Pumpen

Das grundlegende Funktionsprinzip einer selbstansaugenden Pumpe beruht auf ihrer Fähigkeit, Luft mit der im Pumpengehäuse zurückgehaltenen Restflüssigkeit zu vermischen und so am Laufradeinlass eine Umgebung mit reduziertem Druck zu erzeugen, die Flüssigkeit in die Saugleitung hinaufsaugt. Wenn eine selbstansaugende Pumpe mit Luft in der Saugleitung startet, dreht sich das Laufrad in der Flüssigkeit, die vom vorherigen Betriebszyklus zurückgehalten wurde. Diese Rotation erzeugt eine Zentrifugalwirkung, die die Flüssigkeit nach außen schleudert und gleichzeitig Luft vom Saugeinlass in das Laufradauge saugt. Luft und Flüssigkeit vermischen sich in den Laufradkanälen und werden in eine Trennkammer abgegeben, wo die schwerere Flüssigkeit zurück zum Laufrad fällt, während die leichtere Luft durch den Auslass ausgestoßen wird. Dieser Rezirkulationszyklus setzt sich fort, wobei nach und nach Luft aus der Saugleitung evakuiert und der Druck am Pumpeneinlass gesenkt wird, bis der atmosphärische Druck, der auf die Flüssigkeitsoberfläche in der Versorgungsquelle wirkt, Flüssigkeit durch die Saugleitung hinauf und in die Pumpe drückt. Sobald die Pumpe vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, geht sie nahtlos in den normalen Zentrifugalpumpbetrieb über.

Die Ansaugzeit – die Dauer, die erforderlich ist, um die Saugleitung zu evakuieren und den vollständigen Flüssigkeitsstrom herzustellen – hängt von mehreren Faktoren ab, darunter der Höhe des Saughubs, der Länge und dem Durchmesser des Saugrohrs, dem zu evakuierenden Luftvolumen und der Konstruktionseffizienz der Pumpe bei der Luftaufbereitung. Eine gut konzipierte selbstansaugende Pumpe, die bei typischen Saughöhen von 4–6 Metern arbeitet, erreicht unter normalen Bedingungen innerhalb von 30–90 Sekunden die volle Ansaugleistung. Die maximale praktische Saughöhe für selbstansaugende Kreiselpumpen ist im Allgemeinen durch die physikalischen Beschränkungen des atmosphärischen Drucks auf 7 bis 8 Meter begrenzt, obwohl einige selbstansaugende Verdrängerkonstruktionen mit größeren Saughöhen betrieben werden können.

Haupttypen selbstansaugender Pumpen

Die Fähigkeit zur Selbstansaugung ist in mehrere unterschiedliche Pumpentechnologietypen integriert, die jeweils einen anderen mechanischen Ansatz zur Luftevakuierung verwenden und für unterschiedliche Anwendungsanforderungen in Bezug auf Durchflussrate, Druck, Flüssigkeitsart und Feststoffhandhabung geeignet sind.

Selbstansaugende Kreiselpumpen

Selbstansaugende Kreiselpumpen sind der am weitesten verbreitete Typ in industriellen, kommunalen und landwirtschaftlichen Anwendungen. Sie verfügen über ein großes Spiralgehäuse mit integriertem Flüssigkeitsreservoir, das beim Abschalten der Pumpe ein gewisses Volumen an Ansaugflüssigkeit zurückhält. Das oben beschriebene Rezirkulationsprinzip nutzt diese zurückgehaltene Flüssigkeit, um die Saugleitung schrittweise zu evakuieren. Die meisten selbstansaugenden Kreiselpumpen verwenden entweder ein halboffenes oder ein geschlossenes Laufrad, wobei halboffene Laufräder eine bessere Toleranz gegenüber Feststoffen und faserigen Materialien bieten. Diese Pumpen sind in einer Vielzahl von Größen und Materialien erhältlich – von kleinen Edelstahleinheiten für die Lebensmittelverarbeitung bis hin zu großen Gusseisenpumpen für Abwasser und Industrieabwässer – und können je nach Größe und Konfiguration Förderströme von wenigen Litern pro Minute bis zu Tausenden Kubikmetern pro Stunde bewältigen.

Selbstansaugende Müllpumpen

Müllpumpen sind eine spezielle Untergruppe selbstansaugender Kreiselpumpen, die speziell für die Förderung von Flüssigkeiten entwickelt wurden, die große Feststoffpartikel, Schmutz, Lumpen und faserige Materialien enthalten, die die Laufräder von Standardpumpen verstopfen würden. Sie verfügen über große Laufradschaufelabstände, große Anschlussöffnungen und ein robustes Gehäusedesign, das Feststoffpartikel mit einem Durchmesser von bis zu 50–75 mm durchlässt, ohne dass es zu Verstopfungen kommt. Selbstansaugende Schmutzwasserpumpen werden häufig bei der Entwässerung von Baustellen, beim Pumpen von Abwasserumgehungen, bei der Bekämpfung von Überschwemmungen und im Bergbau eingesetzt, wo die gepumpte Flüssigkeit ausnahmslos eine erhebliche Feststoffbelastung enthält. Bei den Laufrädern handelt es sich in der Regel um halboffene oder Wirbelkonstruktionen, die im Austausch für die Feststoffdurchlassfähigkeit, die diese Pumpen unter Feldbedingungen wirklich praktisch macht, Einbußen bei der hydraulischen Effizienz hinnehmen müssen.

Selbstansaugende regenerative Turbinenpumpen

Regenerative Turbinenpumpen – auch Peripheralpumpen oder Seitenkanalpumpen genannt – verwenden einen anderen hydraulischen Mechanismus als Kreiselpumpen: Ein gezahntes Laufrad rotiert in einem Ringkanal mit enger Toleranz, der der Flüssigkeit pro Umdrehung mehrere Energieimpulse verleiht. Diese Konstruktion erzeugt deutlich höhere Förderdrücke als Kreiselpumpen vergleichbarer Größe und Geschwindigkeit, wodurch sich regenerative Turbinenpumpen gut für Anwendungen mit hohem Druck und geringem Durchfluss wie Kesselspeisung, Dampfkondensatrückführung und Chemikalieneinspritzung eignen. Die engen Abstände in regenerativen Turbinenpumpen machen sie unempfindlich gegenüber Feststoffen oder Schleifmitteln, verleihen ihnen aber von Natur aus gute selbstansaugende Eigenschaften, da die engen Abstände zwischen Laufrad und Gehäuse dazu beitragen, den zum Ansaugen erforderlichen Flüssigkeitsfilm auch nach längeren Stillstandszeiten aufrechtzuerhalten.

Selbstansaugende Verdrängerpumpen

Einige Verdrängerpumpentypen sind aufgrund ihres Betriebsmechanismus von Natur aus selbstansaugend. Flexible Impellerpumpen, peristaltische (Schlauch-)Pumpen, Membranpumpen und Drehkolbenpumpen erzeugen alle diskrete Volumina, die sich am Einlass ausdehnen und am Auslass zusammenziehen und so einen Sog erzeugen, der sowohl Flüssigkeit als auch Luft ansaugen kann, ohne dass zunächst Flüssigkeit vorhanden sein muss. Diese Pumpen können wesentlich höhere Saughöhen erreichen als selbstansaugende Kreiselpumpen – einige Membranpumpen sind für Saughöhen bis zu 9 Metern oder mehr ausgelegt – und können bei flexiblen Laufrad- oder Membrankonstruktionen ohne Beschädigung trocken laufen. Sie werden besonders bei Mess-, Dosier- und Transferanwendungen geschätzt, bei denen neben der selbstansaugenden Leistung eine präzise Durchflusskontrolle und chemische Kompatibilität Priorität haben.

Leistungsvergleich selbstansaugender Pumpentypen

Die Auswahl des am besten geeigneten selbstansaugenden Pumpentyps erfordert ein Verständnis des Leistungsumfangs und der Einschränkungen der einzelnen Technologien. Die folgende Tabelle bietet einen vergleichenden Überblick über die wichtigsten Parameter, die die Haupttypen unterscheiden.

Schlüsselanwendungen, bei denen selbstansaugende Pumpen unerlässlich sind

Selbstansaugende Pumpen sind nicht nur eine praktische Alternative zu Standardpumpen – in vielen Anwendungen ist ihre Ansaugfähigkeit eher eine echte betriebliche Notwendigkeit als eine Präferenz. In mehreren Branchen ist die Selbstansaugleistung eine Grundvoraussetzung.

Entwässerung von Baustellen

In Baugruben, Gräben und Baugruben sammelt sich Grund- und Regenwasser an, das kontinuierlich abgeführt werden muss, um sichere und arbeitsfähige Bedingungen aufrechtzuerhalten. Entwässerungspumpen auf Baustellen werden routinemäßig zwischen Standorten bewegt, schnell aufgebaut und von Personal bedient, das keine Pumpenspezialisten ist. Selbstansaugende Schmutzwasserpumpen sind in diesem Zusammenhang das Standardwerkzeug, da sie über dem Wasserspiegel positioniert, ohne Füllvorgänge gestartet werden können, den unvermeidlichen Schmutz und Schlick im Wasser vor Ort bewältigen und mit minimalem Aufwand umgestellt werden können. Motorbetriebene selbstansaugende Kreiselpumpen werden für abgelegene Standorte ohne Stromversorgung bevorzugt, während elektrische selbstansaugende Pumpen für Standorte mit Netz- oder Generatorstrom geeignet sind.

Landwirtschaftliche Bewässerung und Wassertransfer

Bewässerungssysteme aus Flüssen, Teichen oder offenen Stauseen basieren häufig auf selbstansaugenden Kreiselpumpen, die über der Wasseroberfläche installiert sind. Saisonale Schwankungen des Wasserstands führen dazu, dass die Saughöhe im Laufe des Jahres variiert und die Pumpe nach Abschaltzeiten automatisch wieder ansaugen muss, ohne dass ein manueller Eingriff erforderlich ist. Selbstansaugende Pumpen machen Fußventile überflüssig – federbelastete Rückschlagventile, die am Boden des Saugrohrs installiert sind, um einen Rückfluss zu verhindern und die Ansaugung aufrechtzuerhalten –, die anfällig für Verstopfungen durch Schmutz sind und unter Feldbedingungen regelmäßig überprüft und ausgetauscht werden müssen.

Marine- und Bilgenpumpen

Bilgenpumpen auf Schiffen müssen in der Lage sein, Wasser zu entfernen, das sich an den tiefsten Stellen des Schiffsrumpfs angesammelt hat, wobei die Pumpe oft weit über dem Bilgenwasserspiegel montiert werden muss. Selbstansaugfähigkeit ist in diesem Zusammenhang eine absolute Voraussetzung – eine Bilgenpumpe, die sich nicht automatisch selbst ansaugen kann, bietet keinen Schutz, wenn sich Wasser ansammelt, während das Schiff unbeaufsichtigt ist. Flexible Impellerpumpen und Membranpumpen werden häufig in Schiffsbilgenanwendungen eingesetzt, da ihre selbstansaugende Leistung ihrem Betriebsmechanismus innewohnt, ihre kompakte Größe den Platzbeschränkungen von Schiffsinstallationen entspricht und sie gelegentlich feste Rückstände im Bilgenwasser bewältigen können.

Kommunales und industrielles Abwasser

Abwasserpumpstationen und industrielle Abwassertransfersysteme verwenden häufig selbstansaugende Pumpen in oberirdischen Konfigurationen als Alternative zu Tauchpumpeninstallationen in Nassbrunnen. Selbstansaugende oberirdische Installationen bieten erhebliche Wartungsvorteile – Pumpe und Motor sind für Inspektion, Wartung und Austausch vollständig zugänglich, ohne dass die für den Zugang zu Nassbrunnen erforderlichen beengten Platzverhältnisse erforderlich sind. Selbstansaugende Abwasserpumpen sind speziell mit einem Feststoffdurchlass mit großem Durchmesser und einer verstopfungsfreien Laufradgeometrie ausgestattet, um die gesamte Bandbreite der im Rohabwasser vorhandenen Materialien zu bewältigen, einschließlich Lappen, Wischtüchern und faserigen Feststoffen, die bei Pumpen mit engen Abständen zu chronischen Verstopfungsproblemen führen.

Kritische Faktoren, die bei der Auswahl einer selbstansaugenden Pumpe zu berücksichtigen sind

Die Auswahl der richtigen selbstansaugenden Pumpe erfordert die Bewertung einer Reihe voneinander abhängiger Anwendungsparameter. Wenn einer dieser Faktoren außer Acht gelassen wird, kann dies dazu führen, dass die Pumpe nicht zuverlässig ansaugt, einen unzureichenden Durchfluss oder Druck liefert, einen vorzeitigen mechanischen Ausfall erleidet oder übermäßige Wartungseingriffe erfordert.

• Verfügbare Saughöhe und Netto-Positiv-Saughöhe (NPSHa): Berechnen Sie die tatsächliche Saughöhe unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen – normalerweise dem niedrigsten erwarteten Flüssigkeitsstand – und stellen Sie sicher, dass sie innerhalb der Nennleistung der Pumpe liegt. Stellen Sie sicher, dass NPSHa den NPSHr (erforderlich) der Pumpe um einen ausreichenden Spielraum übersteigt, normalerweise mindestens 0,5–1,0 Meter, um Kavitation während des normalen Betriebs zu verhindern.
• Erforderliche Fördermenge und Förderhöhe: Definieren Sie die Auslegungsdurchflussrate und die gesamte dynamische Förderhöhe – die Summe aus statischer Förderhöhe, Reibungsverlusten im Rohrleitungssystem und etwaigen Druckanforderungen am Abgabepunkt – unter Betriebsbedingungen. Wählen Sie eine Pumpe, deren Leistungskurve diesen Betriebspunkt innerhalb des empfohlenen Betriebsbereichs schneidet, idealerweise in der Nähe des besten Effizienzpunkts (BEP) der Pumpe.
• Flüssigkeitseigenschaften: Viskosität, Dichte, Temperatur, pH-Wert, chemische Zusammensetzung, Feststoffgehalt und Abrasivität der gepumpten Flüssigkeit haben alle Einfluss auf die Materialauswahl, den Laufradtyp, die Dichtungsspezifikation und die Fähigkeit der Pumpe, die Ansaugflüssigkeit aufrechtzuerhalten. Flüssigkeiten nahe ihrem Siedepunkt am Pumpeneinlass stellen aufgrund der Dampfbildung, die den Ansaugmechanismus stört, besonders schwierige Bedingungen für die Selbstansaugung dar.
• Anforderungen an den Umgang mit Feststoffen: Geben Sie die maximal zu erwartende Partikelgröße und -konzentration in der gepumpten Flüssigkeit an und bestätigen Sie, dass der Nenndurchmesser des Feststoffdurchgangs der Pumpe diesen Wert überschreitet. Für faserige oder fadenförmige Feststoffe ist eine Wirbel- oder halboffene Laufradkonstruktion mit großem Spielraum einem geschlossenen Laufrad vorzuziehen, unabhängig von den damit verbundenen Effizienzeinbußen.
• Trockenlaufrisiko und Schutz: Wenn die realistische Möglichkeit besteht, dass die Pumpe aufgrund einer Versorgungsunterbrechung, eines Ausfalls des Steuerungssystems oder eines Bedienerfehlers trocken läuft, wählen Sie einen Pumpentyp mit inhärenter Trockenlauftoleranz, z. B. eine Membran- oder Peristaltikpumpe, oder legen Sie Trockenlaufschutzgeräte fest, einschließlich Durchflusssensoren, Niveauschalter oder Thermistor-basiertem Motorschutz.
• Stromquelle und Installationsumgebung: Überlegen Sie, ob ein Elektromotorantrieb, ein Dieselmotorantrieb, ein pneumatischer Antrieb oder ein hydraulischer Antrieb am besten zur Stromverfügbarkeit, zur Explosionsgefahrenklassifizierung und zu den Transportanforderungen der Anlage passen. Stellen Sie bei Installationen im Freien sicher, dass die Schutzart des Motors den Umgebungsbedingungen entspricht, und berücksichtigen Sie die Notwendigkeit eines Frostschutzes in kalten Klimazonen, in denen die zurückgehaltene Ansaugflüssigkeit während der Abschaltzeiten gefrieren könnte.

Installationsrichtlinien für eine zuverlässige selbstansaugende Pumpenleistung

Die richtige Installation ist für eine zuverlässige Selbstansaugleistung ebenso wichtig wie die richtige Pumpenauswahl. Eine gut spezifizierte Pumpe, die trotz Konstruktionsfehlern installiert wird, weist ein dauerhaft schlechtes Ansaugverhalten und vorzeitigen mechanischen Verschleiß auf, während eine korrekt installierte Pumpe während ihrer gesamten Konstruktionslebensdauer zuverlässig und mit minimalem Wartungsaufwand arbeitet.

• Halten Sie die Saugleitung so kurz und direkt wie möglich: Jeder zusätzliche Meter Saugrohrlänge und jedes Winkelstück oder Anschlussstück erhöhen den Reibungswiderstand und erhöhen das Luftvolumen, das beim Ansaugen abgesaugt werden muss. Ein kurzes Saugrohr mit großem Durchmesser und minimalen Biegungen minimiert die Ansaugzeit und verringert das Risiko eines Ansaugfehlers bei maximaler Saughöhe.
• Stellen Sie sicher, dass die Saugleitung kontinuierlich nach oben zur Pumpe hin verläuft: Jeder Tiefpunkt in der Saugleitung, an dem sich Luft ansammeln kann, bildet eine Luftblase, die die Pumpe wiederholt evakuieren muss, was die Ansaugzeit erheblich verlängert oder zu einem Ansaugfehler führt. Das Saugrohr sollte kontinuierlich von der Flüssigkeitsquelle zum Pumpeneinlass ansteigen und keine hohen oder niedrigen Stellen aufweisen, an denen sich Luft ansammeln könnte.
• Luftlecks im Saugsystem beseitigen: Jegliche Luftleckage zwischen dem Pumpeneinlass und der Flüssigkeitsquelle – durch eine lockere Verbindung, eine beschädigte Dichtung oder eine gerissene Armatur – wird während des Ansaugzyklus kontinuierlich angesaugt und verhindert, dass die Pumpe ausreichend Vakuum zum Anheben der Flüssigkeit aufbaut. Alle Saugrohrverbindungen müssen vor der Inbetriebnahme einer Druckprüfung auf Dichtheit unterzogen werden.
• Sorgen Sie dafür, dass der Saugeinlass ausreichend untergetaucht ist: Der Saugrohreinlass muss ausreichend untergetaucht sein, um das Mitreißen von Luft durch Wirbelbildung an der Flüssigkeitsoberfläche zu verhindern. Die minimale Eintauchtiefe hängt von der Strömungsgeschwindigkeit am Einlass ab – höhere Geschwindigkeiten erfordern eine größere Eintauchtiefe – und sollte berechnet oder veröffentlichten Richtlinien für die betreffende Rohrgröße und Durchflussrate entnommen werden.
• Füllen Sie das Pumpengehäuse bei der Erstinbetriebnahme mit Ansaugflüssigkeit: Obwohl selbstansaugende Pumpen nach dem ersten Betrieb zwischen den Abschaltungen Flüssigkeit zurückhalten, muss das Pumpengehäuse vor dem allerersten Start manuell mit sauberer Flüssigkeit gefüllt werden. Das Starten einer vollständig trockenen selbstansaugenden Pumpe beschädigt die Gleitringdichtung und das Laufrad durch die Erzeugung von Reibungswärme und sollte stets vermieden werden.

Häufige Probleme und Fehlerbehebung bei Problemen mit selbstansaugenden Pumpen

Auch bei richtig ausgewählten und installierten selbstansaugenden Pumpen kommt es gelegentlich zu Betriebsproblemen. Das Erkennen der Symptome und ihrer wahrscheinlichen Ursachen ermöglicht eine schnelle Diagnose und Korrektur, bevor sich kleinere Probleme zu kostspieligen Ausfällen entwickeln.

Fehler beim Ansaugen – wenn die Pumpe läuft, aber keine Flüssigkeit ansaugt – ist die häufigste Beschwerde und wird typischerweise durch eine von wenigen Grundursachen verursacht: Luftlecks im Saugsystem, die die Vakuumentwicklung verhindern, übermäßige Saughöhe über die Nennkapazität der Pumpe hinaus, ein verstopftes Saugrohr oder Sieb, das den Strömungsquerschnitt verringert, unzureichende Flüssigkeitsrückhaltung im Pumpengehäuse beim Start oder verschlissene Laufradspiele, die die Luftbehandlungseffizienz der Pumpe verringern. Durch eine systematische Prüfung jedes dieser Faktoren nacheinander, beginnend mit dem zugänglichsten und am häufigsten schuldhaften Faktor, lässt sich in den meisten Fällen die Ursache ermitteln, ohne dass spezielle Diagnosegeräte erforderlich sind. Ein Ansaugverlust während des Betriebs – wenn die Pumpe zunächst ansaugt, dann aber den Durchfluss verliert – wird meist durch Lufteinschlüsse durch ein Ansaugleck, einen Wirbel, der Luft am Ansaugeinlass aufgrund unzureichender Eintauchtiefe ansaugt, oder durch die Annäherung der Flüssigkeitstemperatur an ihren Dampfdruck am Pumpeneinlass verursacht, wodurch Dampftaschen entstehen, die die Flüssigkeitssäule im Ansaugrohr unterbrechen.