Pumpenauslegung berechnen: Schritt für Schritt zum Betriebspunkt

Die Pumpenauslegung richtet sich nach dem Wasserbedarf eines Prozesses und dem Strömungswiderstand der Förderstrecke. Für die Pumpenauslegung erfassen Sie zunächst die Eingangsgrößen und wählen anschließend die Motorleistung aus. Das folgende Arbeitsblatt ermittelt einen Betriebspunkt für sauberes Wasser, weist alle angenommenen Verluste aus und trennt den berechneten Bedarf von der Bewertung durch den Anbieter vor dem Kauf.

Schritt 1: Festlegen, was Ihre Pumpenauslegung ermitteln soll

Der Pumpenbetriebspunkt setzt sich aus einem bestimmten Förderstrom und der zugehörigen Differenzförderhöhe zusammen. Erfassen Sie zunächst die Flüssigkeit, den Prozessbedarf und die beiden Punkte, zwischen denen Energie zugeführt wird. Beschreiben Sie die Berechnungsbedingungen und halten Sie die Betriebsanforderungen neben den Eingangsgrößen fest.

Bei einer Förderaufgabe bestimmen Sie den Ausgangstank, den Zieltank, das Füllvolumen und die Füllzeit. Bei kontinuierlicher Versorgung eines Prozesses legen Sie das tatsächliche Bedarfsmuster zugrunde. Für eine Pumpe, die mehrere Verbraucher versorgt, benötigen Sie einen plausiblen Fall mit gleichzeitigem Bedarf. Werden alle angeschlossenen Abgänge mit ihrem jeweiligen Höchstbedarf addiert, kann das einen Betriebszustand ergeben, der in der Anlage nie eintritt.

Die Hinweise des The U.S. Department of Energy zur Pumpenauswahl unterscheiden zwischen Flüssigkeitseigenschaften und dem Anwendungsfall. Gehen Sie ebenso vor. Halten Sie vor der Verwendung von Wasserdaten Temperatur, Dichte, Viskosität und mögliche Feststoffe fest. Beschreiben Sie außerdem die Installationsart, die geplante Regelung, die Betriebsstunden und die für die Prüfung der einzelnen Eingangsgrößen verantwortliche Person.

Achten Sie auf den Geltungsbereich: Die folgenden Schritte beziehen sich auf die Förderung von sauberem Wasser mit einer Kreiselpumpe im stationären Betrieb. Für Feststoffsuspensionen, hochviskose Flüssigkeiten, Feuerlöschanlagen und Drucktransienten sind gesonderte Prüfungen erforderlich. Auch für zwei Pumpen im Tandembetrieb werden Kennlinien benötigt. Das folgende Ergebnis für eine einzelne Pumpe belegt nicht die kombinierte Förderleistung.

Die Beschreibung der Förderung mit 30 m³/h zeigt, dass das Ergebnis eine nachvollziehbare Förderstrom- und Förderhöhenberechnung mit dokumentierten Annahmen sein soll. Typenschilder von Motoren enthalten keine Angaben zu Rohrleitungsverlauf, Tankständen oder Ansaugbedingungen. Erst wenn die Technik diesen einheitlichen Betriebspunkt festlegt und der Betrieb dessen tatsächliches Auftreten bestätigt, kann der Einkauf vergleichbare Kennlinien anfordern.

Schritt 2: Erforderlichen Förderstrom berechnen

Für die Förderung von 15 m³ in 30 Minuten ohne weiteren gleichzeitigen Bedarf ist ein Volumenstrom von 30 m³/h erforderlich. Teilen Sie das benötigte Volumen durch die verfügbare Zeit und verwenden Sie dabei zueinander passende Einheiten. Prüfen Sie anschließend, ob sich Mindest-, Normal- und Spitzenbedarf so stark unterscheiden, dass getrennte Betriebsfälle erforderlich sind.

Q = Volumen ÷ Zeit = 15 m³ ÷ 0,5 h = 30 m³/h. Für die Gleichungen zur Förderhöhe und Leistung rechnen Sie das Ergebnis in 30 ÷ 3.600 = 0,008333 m³/s um. Verwenden Sie für die Berechnung die volle Genauigkeit und runden Sie erst das Ergebnis.

Neben dem Volumen ist auch der Zeitraum entscheidend. Eine halbe Stunde bedeutet nicht automatisch eine halbe Stunde Pumpenbetrieb, wenn in diesem Zeitraum nachweislich Reinigungs- oder Umschaltarbeiten stattfinden. Lassen Sie den Betrieb die nutzbare Pumpenlaufzeit ermitteln und rechnen Sie mit der bestätigten Zeit. Setzen Sie keinen unbegründeten Zuschlag auf den Förderstrom an.

Halten Sie auch den Mindestbedarf fest. Pumpen, die nachts einen Verbraucher und während der Produktion mehrere Verbraucher versorgen müssen, benötigen unter Umständen andere Regelungen als Pumpen für feste Chargentransfers. Schätzen Sie nicht den üblichen Betriebspunkt für jede Schicht, sondern dokumentieren Sie die vorgesehenen Armaturenstellungen oder Drehzahlregelungssollwerte.

Für die Förderung von 15 m³ innerhalb von 0,5 h ist im Pumpzeitraum durchschnittlich ein Förderstrom von 30 m³/h erforderlich. Diese Rechnung legt den Sollwert fest, sagt aber nichts über den tatsächlichen Förderstrom der installierten Pumpe aus. Im Betrieb kann der endgültige Förderstrom aufgrund des Systemwiderstands, der Kennlinie und der aktiven Regelung abweichen.

Schritt 3: Gesamtförderhöhe berechnen

Die Differenzförderhöhe berücksichtigt Änderungen der Höhenlage, des Drucks und der Geschwindigkeit sowie die Verluste entlang des Strömungswegs. Legen Sie vor der Verwendung der Gleichung die Bezugspunkte fest. An den freien Flüssigkeitsoberflächen großer offener Tanks heben sich die Drücke aufgrund des atmosphärischen Drucks auf; die Oberflächengeschwindigkeiten sind üblicherweise vernachlässigbar. Für die Endpunkte in einer durchströmten Rohrleitung gilt eine andere Betrachtung.

H = (z₂ − z₁) + (p₂ − p₁)/(ρg) + (V₂² − V₁²)/(2g) + h_Verlust. H und die Höhe z werden in Metern angegeben, der Druck p in Pascal, die Dichte ρ in kg/m³, die Erdbeschleunigung g in m/s² und die Endpunktgeschwindigkeit V in m/s. Beim Geschwindigkeitsterm wird üblicherweise eine kinetische Energiekorrektur angenähert. Falls das Geschwindigkeitsprofil relevant ist, muss jedoch eine detaillierte Energiebilanz erstellt werden.

Verwenden Sie an beiden Bezugspunkten dieselbe Druckbasis. Zwei Manometerwerte, die auf denselben Atmosphärendruck korrigiert wurden, können als Druckdifferenz dienen. Für Ansaugberechnungen mit Dampfdruck ist der Absolutdruck erforderlich. Wird der Zieltank mit Druck beaufschlagt, ändert sich der Druckterm auch dann, wenn sich seine Höhenlage nicht ändert.

Für Rohrreibungs- und Einzelverluste können Sie die Methode des Hydraulic Institute für die Systemkennlinie verwenden: h_Haupt = f(L/D)v²/(2g) und h_Einzel = ΣK·v²/(2g). Das kleine v steht für die Rohrgeschwindigkeit im Verlustterm. Berechnen Sie die Geschwindigkeit für jeden anderen Rohrdurchmesser neu. Gehen Sie nicht davon aus, dass die Geschwindigkeit in einem Rohrabschnitt auch für alle Formstücke gilt.

Der Darcy-Reibungsbeiwert f hängt von der Reynolds-Zahl und der relativen Rauheit ab. Darcy- und Fanning-Beiwert verwenden unterschiedliche Konventionen. Geben Sie deshalb im Arbeitsblatt an, welche Konvention zugrunde liegt. Im Beispiel mit konstantem Durchmesser werden f und die Formstückbeiwerte zur Vereinfachung als konstant angenommen. Für eine installierte Anlage müssen Rauheit, Flüssigkeitseigenschaften und tatsächliche Innendurchmesser begründet werden.

In einem geschlossenen Umlauf muss die Pumpe nicht bei jedem Umlauf die gesamte Gebäudehöhe überwinden. Strömungsverluste und Differenzdrücke bleiben bestehen. Anfahr-, Füll- und Entlüftungsbedingungen müssen gesondert betrachtet werden. Für die Rohrreibungsverluste finden Sie weitere Informationen im Leitfaden zur Berechnung von Reibungsverlusten.

Bei einem Höhenunterschied von 18 m zwischen den freien Oberflächen der offenen Tanks beginnt die Beispielrechnung mit 18 m statischer Förderhöhe. Hinzu kommen die Rohrverluste beim gewählten Förderstrom. Ein zusätzlicher, willkürlich angesetzter Geschwindigkeitshöhenanteil würde das Ergebnis ändern, ohne dass sich die Bezugspunkte ändern. Ordnen Sie jeden Term den tatsächlichen Verhältnissen zu und prüfen Sie dann, ob er in die Bilanz gehört.

Schritt 4: Arbeitsblatt zum Betriebspunkt nachvollziehbar ausfüllen

Der berechnete Betriebspunkt beträgt unter den Annahmen in der folgenden Tabelle 30 m³/h bei einer Gesamtförderhöhe von 22,97 m. Alle Werte, auch der Rohrdurchmesser und die Verlustbeiwerte, dienen der Veranschaulichung. Ersetzen Sie sämtliche Annahmen durch vor Ort geprüfte Eingangsgrößen, bevor Sie mit diesem Arbeitsblatt eine Pumpenauswahl anfragen oder Angebote bewerten. Das Tutorial des Hydraulic Institute zur Systemkennlinie erläutert die Verlustberechnung; die Zahlenwerte unten sind weiterhin Annahmen für dieses Beispiel.

Die angenommenen K-Werte sind vollständig aufgeführt: Eintritt 0.5, Austritt 1.0, drei Bögen mit je 0.5, Rückschlagventil 4.0 und Absperrventil 1.0, insgesamt 8.0. Diese Werte dienen der Veranschaulichung und sind keine empfohlenen Tabellenwerte für ein bestimmtes Formstück. Ersetzen Sie sie durch Werte, die Geometrie und Stellung des jeweiligen Bauteils berücksichtigen. Der Austrittsverlust schließt den Austritt in den Zieltank ein.

Eine Berechnung bei festem Förderstrom zeigt, welche Auswirkungen der angenommene Reibungsbeiwert hat. Bei einem Förderstrom von 30 m³/h und unveränderten übrigen Eingangsgrößen ergibt f = 0.018 eine Gesamtförderhöhe von 22,27 m und f = 0.028 eine Gesamtförderhöhe von 24,02 m. Das ist kein bestätigter Unsicherheitsbereich, zeigt aber, dass dieser Wert belegt werden muss.

Das Ergebnis von 22,97 m ergibt sich aus den angegebenen 18 m Höhenunterschied, 3,85 m Rohrreibungsverlust und 1,12 m Einzelverlust. Die Übereinstimmung der Tabellen bestätigt nur die Rechenwerte. Sobald das Arbeitsblatt tatsächliche Abmessungen, Beiwerte und Betriebsstände enthält, kann es als Grundlage für eine konkrete Pumpenauswahl dienen.

Schritt 5: Pumpenkennlinie und Systemkennlinie abgleichen

Der Betriebspunkt einer typischen Kreiselpumpe liegt dort, wo ihre Kennlinie den gesamten Bedarf des Systems erfüllt. Tragen Sie die tatsächliche Kennlinie des Anbieters bei der vorgesehenen Drehzahl und dem geplanten Laufraddurchmesser zusammen mit dem Systembedarf grafisch auf. Aus einem berechneten Betriebspunkt allein geht nicht hervor, ob die Pumpe diesen Punkt erreicht oder innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs arbeitet.

Für diesen konkreten Fall ergibt sich bei konstanten Werten für f und K die Gleichung H(Q) = 18 + 4,97310 × (Q/30)², wobei Q in m³/h und H in Metern angegeben ist. Die Betriebspunkte des Systems liegen bei 20,21 m und 20 m³/h, 22,97 m und 30 m³/h sowie 26,84 m und 40 m³/h. Diese drei Punkte ergeben eine Systemkennlinie in einem Diagramm mit Förderhöhe und Förderstrom als Achsen. Sie stehen nicht für drei garantierte Pumpenförderströme.

Fragen Sie neben der Förderhöhenkennlinie auch nach dem Pumpenwirkungsgrad sowie den bevorzugten und zulässigen Betriebsbereichen des Herstellers. Der Leitfaden des Hydraulic Institute zu Pumpenkennlinien weist darauf hin, dass ein Betrieb außerhalb des besten Wirkungsgrads hydraulische und mechanische Probleme verursachen kann. Verwenden Sie statt eines allgemeingültigen Prozentwerts die spezifischen Grenzen dieser Pumpe.

Aktive Regelarmaturen müssen sorgfältig berücksichtigt werden. Eine Grundsystemkennlinie enthält üblicherweise nicht den Verlust an der Regelarmatur. Der geregelte Betriebspunkt liegt dann entsprechend dem erforderlichen Druckverlust der Armatur oberhalb der Grundkennlinie. Weisen Sie den Regelbedarf aus oder stellen Sie diese Abweichung anhand der kombinierten Pumpen- und Systemkennlinie dar. Betrachten Sie den Schnittpunkt mit der Grundkennlinie niemals als geregelten Betriebspunkt, ohne den Verlust an der Regelarmatur einzubeziehen.

Häufige Fehler: Wann ein einzelner Betriebspunkt für eine Bestellung nicht ausreicht

Erteilen Sie keine Bestellung, wenn der Anbieter nur einen Nennförderstrom und eine Nennförderhöhe, aber keine passende Kennlinie liefert. Ein Punkt kann zwar mit dem Arbeitsblatt übereinstimmen, doch bei geringem Systemwiderstand kann sich der Betrieb in Richtung eines übermäßigen Förderstroms und der oberen Betriebsgrenze verschieben. Fragen Sie nach Absperrförderhöhe, Rundlaufgrenze, maximal zulässigem Saug- und Druckdruck sowie den Druckgrenzen des Pumpengehäuses. Drucktransienten müssen gesondert betrachtet werden; sie lassen sich nicht mit einer stationären Förderhöhenberechnung bestimmen.

Auch die andere Betriebsgrenze ist wichtig. Bei keinem oder sehr geringem Förderstrom kann die Pumpe beschädigt werden. Dieses Arbeitsblatt legt keine sichere Dauer für den Betrieb bei geschlossenem Druckstutzen fest. Fragen Sie nach dem Mindestförderstrom und den Schutzvorgaben des Herstellers für die vorgesehene Pumpe und Anwendung. Erläutern Sie, wie die Installation den Betrieb auf diese vorgegebenen Förderströme begrenzt.

Bei zwei parallel geschalteten Pumpen benötigen Sie eine Kennlinie für das Gesamtsystem sowie für jede Pumpe eine eigene Betriebsprüfung bei jedem vorgesehenen Betriebszustand. Zwei gleiche Pumpen im Parallelbetrieb liefern nicht automatisch den doppelten Förderstrom einer einzelnen Pumpe im selben System mit Strömungswiderstand. Reihenschaltungen müssen auf gemeinsame Förderhöhe und Druckverhältnisse geprüft werden. Geben Sie an, ob die zweite Pumpe ausschließlich als Reserve dient oder mitläuft. Für Technik und Einkauf sind das unterschiedliche Fälle.

Lesen Sie vor einer Drehzahländerung, mit der ein anderer Betriebspunkt erreicht werden soll, den Leitfaden zu den Affinitätsgesetzen von Pumpen und klären Sie die vom Anbieter vorgesehenen Grenzen.

Schritt 6: Ansaugbedingungen vor der Pumpenauswahl prüfen

Für die Beurteilung der Ansaugbedingungen muss die verfügbare Haltedruckhöhe unter den ungünstigsten plausiblen Bedingungen den Anforderungen der Pumpe mit einem geeigneten, anwendungsspezifischen Zuschlag entsprechen. Berechnen Sie die verfügbare Haltedruckhöhe anhand der absoluten Ansaugbedingungen und der Dampfdruckhöhe. Lassen Sie sich vom Hersteller die erforderliche Haltedruckhöhe für den jeweiligen Förderstrom, die Drehzahl und den Flüssigkeitszustand nennen.

Dokumentieren Sie den niedrigsten Füllstand im Ausgangstank, den atmosphärischen Druck am Standort, die Flüssigkeitstemperatur, Reibungs- und Druckverluste in der Saugleitung sowie die Bezugshöhe der Pumpe. Die verfügbare Haltedruckhöhe, NPSHA, entspricht der gesamten absoluten Ansaughöhe an der Pumpenbezugshöhe abzüglich der Dampfdruckhöhe. Die erforderliche Haltedruckhöhe, NPSHR, ist eine Pumpeneigenschaft. Die beiden Werte sind nicht austauschbar. Auch die Förderhöhenberechnung zwischen zwei Tanks liefert für sich genommen keinen dieser Werte.

In ihrer im März 2025 veröffentlichten Begründung zur Überarbeitung von ANSI/HI 9.6.1 aus dem Jahr 2024 erklärt das Hydraulic Institute, dass künftig die vom Hersteller angegebene NPSHR als Referenz für den Zuschlag verwendet wird. NPSHR muss mindestens dem geprüften Wert NPSH3 entsprechen. Ersetzen Sie die anwendungsspezifische Prüfung nicht durch einen allgemeinen, veralteten Prozentwert aus einem Merkblatt.

„Die überarbeitete Richtlinie enthält Empfehlungen für NPSH-Zuschläge, die auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sind.“

Hydraulic Institute, Erläuterung von Alex Moser, 18. März 2025

Die Einlaufgeometrie muss gesondert betrachtet werden. Eine ausreichende NPSHA garantiert nicht, dass der Einlauf aus einem offenen Tank tief genug liegt, um die Bildung eines Luftkernwirbels zu verhindern. Dazu finden Sie Empfehlungen des Hydraulic Institute zur Mindestüberdeckung. Stellen Sie für die Prüfung die Abmessungen des Einlaufs und den niedrigsten Flüssigkeitsstand bereit. Ein allgemeiner Mindestabstand wird nicht angenommen.

Für das Beispiel mit 30 m³/h sind weder die relative Höhenlage der Pumpe noch die Einzelheiten der Saugleitung oder der Bereich der Flüssigkeitstemperaturen belegt. Daher sind NPSHA und Zuschlag nicht definiert. Führen Sie die fehlenden Werte deshalb beim Beispiel mit auf, statt die Ansaugbedingungen als gegeben anzunehmen, nur weil die übrigen Eingangsgrößen vollständig in die Förderhöhenberechnung eingeflossen sind. Der Einkauf muss diesen Punkt für die Angebotsprüfung als noch offen vermerken und zurückstellen.

Schritt 7: Leistung an der richtigen Systemgrenze berechnen

Die hydraulische Leistung ist die pro Zeiteinheit an die Flüssigkeit übertragene Energie. Wellenleistung und elektrische Leistungsaufnahme berücksichtigen weitere Verluste. Beim beispielhaften Betriebspunkt beträgt die hydraulische Leistung 1,87 kW. Bei einem angenommenen Pumpenwirkungsgrad von 70 % und einem Motorwirkungsgrad von 90 % ergeben sich 2,68 kW Wellenleistung und 2,98 kW elektrische Leistungsaufnahme, jeweils ohne Antriebsverluste.

In SI-Einheiten: P_hydraulisch = ρgQH/1,000 = 998 × 9,81 × 0,008333333 × 22.97309948 ÷ 1.000 = 1,8743 kW. Geteilt durch den angenommenen Pumpenwirkungsgrad ergibt sich: P Welle = 1.8743/0.70 = 2,6776 kW. Geteilt durch den angenommenen Motorwirkungsgrad ergibt sich: P elektrisch = 2.6776/0.90 = 2,9751 kW.

Diese Wirkungsgrade beziehen sich auf unterschiedliche Systemgrenzen und bilden nicht denselben Verlust auf zwei Arten ab. Das Datenblatt des The U.S. Department of Energy zur Leistung von Kreiselpumpen unterscheidet zwischen Pumpenleistungsaufnahme und Stromverbrauch. Weitere Informationen zu den Gleichungen finden Sie in den Leitfäden zur Pumpenleistung und zum Pumpenwirkungsgrad.

Aus dem Betriebspunkt mit 2,68 kW allein lässt sich kein Motor auswählen. Die maximale Leistungsaufnahme ist für alle zulässigen und plausiblen Betriebszustände bei der jeweiligen Drehzahl, Flüssigkeitsdichte und hohem Förderstrom zu prüfen. Für die Beurteilung von Motor und Antrieb müssen die zutreffenden Leistungsabminderungen, Anforderungen an das Anfahren und Herstellergrenzen berücksichtigt werden. Ein Motor mit größerer Nennleistung macht einen hydraulisch unzulässigen Betriebsbereich nicht akzeptabel.

Für eine klar gekennzeichnete Zahl zu den Betriebskosten kann der Einkauf die elektrische Leistungsaufnahme heranziehen. Bei angenommenen 4.000 h/Jahr und $0.12/kWh ergibt die ungerundete Leistungsaufnahme von 2,9751 kW einen Verbrauch von etwa 11.900 kWh/Jahr beziehungsweise Kosten von $1,428/Jahr. Bei Anlagen mit wechselndem Bedarf müssen Betriebsstunden und elektrische Leistungsaufnahme für jeden Zustand erfasst werden. Da hier weder Kaufpreis noch Instandhaltungskosten verglichen werden, lässt sich daraus keine Aussage zur Amortisation ableiten.

Die berechnete Wellenleistung von 2,68 kW gilt für einen angenommenen Betriebspunkt und gibt nicht die maximale Belastung durch eine ausgewählte Pumpe an. Auch die beispielhaften jährlichen Stromkosten von $1.428 hängen von den angegebenen Betriebsstunden, dem Tarif und den Wirkungsgraden ab. Bitten Sie alle Anbieter, ihre Angebote auf denselben Betriebsplan auszulegen, bevor der Einkauf die Energiekosten vergleicht.

Schritt 8: Arbeitsblatt an ein Pumpenauslegungstool und den Anbieter weitergeben

Eine hilfreiche Übergabe zur Pumpenauslegung benennt den normalen Betriebspunkt, plausible Extremwerte und die noch erforderlichen Nachweise für die Auswahl. Stellen Sie Betrieb, Engineering und Einkauf dieselben Eingabedaten zur Verfügung und bitten Sie jeden Lieferanten um vergleichbare Kennlinien und Grenzwerte. Ein Modellabgleich-Tool kann die Auswahl eingrenzen, sobald Förderstrom und Förderhöhe feststehen; fehlende Betriebsdaten vor Ort kann es nicht verifizieren.

Übernehmen Sie die folgende Matrix in Ihre Anfrage und ergänzen Sie die Werte für die Standortbedingungen. Das Beispiel enthält lediglich den standardmäßigen numerischen Zielwert. Stellen Sie die drei Punkte auf einer einzelnen Anlagenkennlinie nicht als drei bestätigte Betriebsfälle der Anlage dar.

Engpassübersicht für die Auswahl

Klären Sie zuerst die Eingabe, die die Auswahl beeinflussen kann, bevor Sie sich mit dem Nennwert befassen. Die Spalte „Verantwortliche“ verhindert, dass eine offene technische Frage automatisch als Spielraum für den Einkauf behandelt wird.

Digitale Tools machen solche Annahmen besser nachvollziehbar. Die Ankündigung des Hydraulic Institute vom Dezember 2024 zum Data Tool beschreibt einige Kennlinien- und Berechnungsbeispiele sowie verfügbare Ressourcen. Daraus folgt nicht, dass die Software eine Anfrage validieren kann. Speichern Sie die Version der Eingabedaten und die vom Lieferanten zurückgesendete Kennlinie.

Sobald Eingaben für relevante Produktfamilien im Agrarbereich zum Pumpenauslegungsrechner von BBP hinzugefügt wurden, können Sie den modellbasierten Abgleich nutzen. Legen Sie der Anfrage das Nachweisblatt und die Betriebsfälle bei, damit im Angebot die relevanten Anwendungsgrenzen berücksichtigt werden können.

FAQ: Fragen zur Pumpenauslegung