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Energieeffizienz gesucht: Industrieanlage mit vielen verbauten Rohrleitungen
7 min Lesezeit

Druck hochhalten: Strömungsverluste bei Industriearmaturen

Beim Strömen von Flüssigkeiten durch ein Rohrleitungssystem entstehen Widerstände – als Folge von Reibung des Fluids an der Rohrwand, durch Richtungsumlenkungen und nicht zuletzt durch die eingebauten Armaturen. Erfahren Sie hier, welche Faktoren für die Effizienz eines Systems entscheidend sind.

Beim Strömen von Flüssigkeiten durch ein Rohrleitungssystem entstehen Widerstände – als Folge von Reibung des Fluids an der Rohrwand, durch Richtungsumlenkungen und nicht zuletzt durch die eingebauten Armaturen. Erfahren Sie hier, welche Faktoren für die Effizienz eines Systems entscheidend sind.

Pumpen benötigen zwar viel Energie, verbrauchen diese aber nicht.

Laut einer von der EU-Kommission beauftragten Untersuchung des Fraunhofer-Instituts entfallen allein 12,6 % der gesamten in der EU verbrauchten Energie auf den Antrieb von Pumpen – der allergrößte Anteil davon in der Industrie. Moderne, drehzahlgesteuerte Hocheffizienzmotoren und strömungsoptimierte Pumpenhydrauliken bieten hier schon mal gewaltige Einsparmöglichkeiten. Aber Pumpen, die Flüssigkeiten in industriellen Anlagen transportieren, bilden immer nur einen Teil großer Gesamtsysteme. Solche Anlagen bestehen auch und vor allem aus Rohren und Armaturen. Da stellt sich die Frage: Schlummern nicht auch hier Möglichkeiten für Effizienzsteigerungen – so dass Pumpen kleiner dimensioniert oder mit geringerer Drehzahl laufen können? Um es vorweg zu nehmen: Ja, durch die Reduzierung von Strömungsverlusten.

Denn strenggenommen ist es falsch anzunehmen, dass Pumpen viel Energie verbrauchen – denn eigentlich verbrauchen sie nur verhältnismäßig wenig davon. Im Gegenteil: Die Aufgabe einer Pumpe ist es ja, einem System Energie zuzuführen – in Form von Bewegungsenergie der Flüssigkeit. Tatsächlich verbraucht wird die Energie erst im System. Nimmt man an, dass eine Pumpe einen Wirkungsgrad von bis zu 90 % erreichen kann, beträgt der reale Energieverbrauch der Pumpe selbst lediglich 10 % – die restliche Energie wird ins System weitergegeben und erst dort verbraucht, siehe Abbildung.

Schemadarstellung: Druckverlust in einem Rohrleitungssystem

Hier gut zu erkennen: Der von der Pumpe aufgebaute Differenzdruck – also die ins System gepumpte Energie – verliert sich im Laufe des Wegs über die Rohre und die verbauten Armaturen.


Wo lauern also die wahren Energiefresser?

Strömt eine Flüssigkeit durch ein Rohr, entstehen unweigerlich Druckverluste. Zunächst einmal durch die Reibung zwischen dem Fluid und der Rohrwand: Je rauer die Innenseite des Rohrs, desto höher die Reibung und damit auch der Druckverlust. Hier spielen das Material (z. B. Metall, Kunststoff oder Ton) sowie mögliche Ablagerungen und Oxidation innerhalb des Rohrs eine Rolle. Zum anderen entstehen auch innerhalb des Fluids Reibungseffekte aufgrund seiner Viskosität (innere Reibung). Dieser innere Reibungseffekt ist umso größer, je schneller das Fluid strömt. Planer können die sich aus der Strömungsgeschwindigkeit ergebenden Verluste durch eine größere Dimensionierung der Rohrleitung wesentlich beeinflussen. Hinweis: Die Strömungsgeschwindigkeit geht quadratisch in die Berechnung der Druckverluste ein.

Doch vor allem entstehen Strömungs- und damit Druckverluste durch Verwirbelungen und Strömungsablösungen. Einfach gesagt: Überall dort, wo die Flüssigkeit daran gehindert wird, gleichmäßig weiter zu fließen, geht Energie verloren. Ein Rohrsystem besteht ja nicht nur aus einem einzelnen geraden Rohr. In der Regel umfasst ein Rohrsystem mehrere Rohrbögen (Krümmer), Verzweigungen, Reduzierungen, Erweiterungen, Zähler, Schmutzfänger und natürlich die verbauten Armaturen (von Auf/Zu bis hin zu den Regelarmaturen). Jedes einzelne dieser Bauteile hat ebenfalls einen Druck- und damit einen Energieverlust zur Folge. 

Beschrieben werden diese Druckverluste durch den Druckverlustbeiwert ζ – Zeta, auch Widerstandsbeiwert genannt. Er ist ein dimensionsloses Maß für den Druckverlust eines Bauteils (z. B. Armatur). Je größer der Zeta-Wert einer Armatur, desto höher ihr Druckverlust. Zur Auswahl wird von den Armaturenherstellern auch der Kvs-Wert bei 100 % Öffnungsgrad der Armatur als Durchflusskoeffizient angegeben. Dieser Durchflusskoeffizient ist der Volumenstrom von Wasser bei 20 Grad Celsius, der in der Armatur einen Differenzdruck von einem Bar erzeugt.

Durch Addition aller Druckverluste in den verschiedenen Rohrleitungselementen ergibt sich die Anlagenkennlinie des Rohrleitungssystems. Über diese Anlagenkennlinie errechnet sich die nötige Förderhöhe der Pumpe in Abhängigkeit vom Durchfluss. Betrachtet man nun große Anlagen mit mehreren hundert Armaturen, vielen Umlenkungen und langen Rohren wird schnell klar, dass hier sehr viel Energie verloren geht. 

Welche Rolle spielen Armaturen beim Druckverlust in einem Rohrleitungssystem?

Da die Wandfläche innerhalb einer Armatur im Verhältnis zum gesamten Rohrsystem meist nur sehr klein ist, können die Verluste durch Wandreibung in einer Armatur in der Regel vernachlässigt werden. Den größten Anteil am Druckverlust (also dem Widerstandsbeiwert Zeta ζ) haben Wirbelbildungen, Strömungsablösungen und Sekundärströmungen. Der Strömungswiderstand von Armaturen hängt also in erster Linie davon ab, wie stark das Medium beim Passieren der Armatur umgelenkt wird, ob sich der Querschnitt verengt und ob an Kanten Verwirbelungen auftreten.

Die Unterscheidung von Armaturen erfolgt nach ihren Konstruktionsmerkmalen in die Grundbauarten: Ventil, Schieber, Klappe, Hahn und Membranarmatur sowie nach Funktionsmerkmalen in Absperr-, Sicherheits-, Stell- und Regelarmaturen sowie Rückflussverhinderer und Schmutzfänger. Betrachten wir einmal den inneren Aufbau verschiedener Bauarten wird schnell deutlich, dass die Unterschiede bezüglich der Strömungseigenschaften sehr groß sind.

Schemazeichnung von der Funktionsweise eines Absperrschiebers vom Typ KSB ECOLINE GT 40

Bei diesem einfachen Absperrschieber vom Typ KSB ECOLINE GT 40 sieht man deutlich, dass der Durchfluss des Mediums bei vollständig geöffneter Stellung nur sehr wenig gestört wird. Das Fluid kann nahezu ungehindert hindurchströmen. 


Schemazeichnung von der Funktionsweise eines Absperrventils vom Typ KSB BOA-Compact

Bei diesem Absperrventil mit Schrägsitzhydraulik vom Typ BOA-Compact ist der Durchgang zwar immer noch strömungsgünstig ausgelegt – trotzdem kann es hier schon zu einem kleinen Druckverlust aufgrund von Einschnürungen und Verwirbelungen kommen. Durch die besondere Form des Absperrkörpers als Drosselkegel ist diese Armatur sehr gut für Drossel- und Regeleinsätze geeignet.


Schemazeichnung von der Funktionsweise eines Faltenbalgventils vom Typ KSB BOA-H

Bei diesem Faltenbalgventil vom Typ KSB BOA-H sieht man deutlich, welchen Weg das Fluid durch die Armatur nehmen muss. Der Fluss wird an mehreren Stellen umgeleitet. Diese Umlenkung bringt zwar einen gewissen Strömungswiderstand mit sich, ermöglicht aber auch eine gute Drossel- und Reguliereigenschaft des Ventils.


Tabelle mit Zeta-Werten beispielhafter KSB-Armaturen

Die Tabelle zeigt die Zeta-Werte verschiedener KSB-Armaturen für unterschiedlich Nennweiten (bei der BOA-W sind es Werte der alten Baureihe, die aktuellen Werte sind besser). Die Baureihen unterscheiden sich generell in ihren Widerständen, was in ihren ganz unterschiedlichen Aufbauarten begründet liegt. Grundsätzlich gilt: Der einfache Zusammenhang zwischen niedrigem Zeta-Wert und hoher Energieeffizienz gilt vor allem für Absperrarmaturen. Bei Armaturen für die Drosselung und Regelung ist der Aufbau von zusätzlichen Widerständen gewünscht bzw. zwingend erforderlich.

KSB bietet für jede Anwendung die passende Armaturen-Lösung

Als Komplettanbieter im Bereich Armaturen bieten wir eine breite Palette an verschiedenen Bauformen. Neben Ventilen, Schiebern, Klappen, Kugelhähnen, Membranventilen und Regelarmaturen finden Sie bei KSB auch geeignete Antriebe, Stellungsregler und Schmutzfänger. Doch so unterschiedlich unsere Produkte aus sind, sie alle profitieren von unserer 150jährigen Erfahrung und unserem Anspruch, stets die beste Lösung für unsere Kunden zu entwickeln. 

Gerade in Zeiten stark steigender Energiepreise gewinnt das Thema Effizienz eine immer größere Bedeutung – in umfangreichen Industrieanwendungen mehr als in der Gebäudetechnik. Hier sind die Druckverluste weniger relevant, da die Strömungsgeschwindigkeiten mit 0,7 m/s eher gering sind. In der Industrie strömen Fluide mit bis zu 4 m/s, daher wird hier mehr und mehr das gesamte System mit seinem Energieverbrauch berücksichtigt.

Unsere Ingenieure legen bei der Produktentwicklung ihren Fokus daher auf mehrere Schwerpunkte: Im Mittelpunkt der Bemühungen stehen natürlich maximale Betriebssicherheit und Langlebigkeit. Gleichzeitig werden die Armaturen so strömungsgünstig wie nur möglich gestaltet. Unsere Absperrklappen BOAX oder ISORIA verfügen beispielsweise über besonders dünne Scheiben, um möglichst wenig Widerstand zu erzeugen. Die Wirtschaftlichkeit unserer Produkte bildet einen dritten Schwerpunkt. Nicht alles, was technisch möglich wäre, ist auch kaufmännisch sinnvoll. Hier gilt es optimal abzuwägen, ohne sich auf Kompromisse hinsichtlich der Qualität einzulassen.

Produktentwicklung bei KSB: Alte BOA-W gegenüber aktueller BOA Compact und BOA SuperCompact

Deutliche Entwicklung hin zu mehr Effizienz: links ein nicht mehr aktuelles weichdichtenden Ventil vom Typ BOA-W (alte Baureihe), in der Mitte ein BOA-Compact und rechts das besonders effizient und kompakt gestaltete Ventil vom Typ BOA-SuperCompact.


Insgesamt legt KSB besonderen Wert auf die höchstmögliche Effizienz seiner Produkte – ganz gleich, ob es sich um riesige Motoren für den Antrieb von Großpumpen handelt oder um eine kleine Absperrklappe. Unser Ziel besteht immer darin, mit den eingesetzten Ressourcen so sparsam wie möglich umzugehen und den CO2-Fußabdruck so klein wie möglich zu halten.

Passende Produkte

BOA-Compact

BOA-Compact

Absperrventil nach DIN/EN mit Flanschen, in Kurzbaulänge EN 558/14, Schrägsitzausführung mit geradem Oberteil, einteiliges Gehäuse, EPDM-ummantelter Drosselkegel, weichdichtende Durchgangsdichtung und Rückdichtung, Stellungsanzeige, Feststellvorrichtung, Hubbegrenzung, Isolierkappe mit Taupunktsperre, wartungsfrei, voll isolierbar.

BOA-H

BOA-H

Absperrventil nach DIN/EN mit Flanschen, mit Faltenbalg, geradem Oberteil, mit Absperrkegel oder Drosselkegel, serienmäßiger Stellungsanzeige mit Farbleitsystem zur Unterscheidung der Ausführung, austauschbarem Kegel, geschütztem Faltenbalg bei komplett geöffneter Armatur, Dichtflächen aus verschleißfestem und korrosionsbeständigem Chromstahl oder Chromnickelstahl.

ISORIA 10/16

ISORIA 10/16

Zentrische Absperrklappe, Elastomer-Ringbalg, mit Handhebel oder manuellem Untersetzungsgetriebe, pneumatischem, elektrischem oder hydraulischem Stellantrieb, Ringgehäuse (T1), Gehäuse mit Zentrieraugen (T2), Gehäuse mit Gewindeflanschaugen (T4), Gehäuse in U-Profil-Form ohne Dichtleiste (T5). Die Gehäusetypen T2 und T4 erlauben einseitiges Abflanschen und den Einbau als Endarmatur mit Gegenflansch. Anschlüsse nach EN, ASME, JIS.

SISTO-20

SISTO-20

Membranventil nach DIN/EN mit Flanschen, Gewindemuffenanschluss oder Schweißmuffenanschluss, in Durchgangsform, Abdichtung im Durchgang und nach außen durch eine abgestützte und gekammerte Membrane, Gehäuse mit Beschichtung oder Auskleidung, Stellungsanzeige mit integriertem Spindelschutz, alle Funktionsteile außerhalb des Betriebsmediums, wartungsfrei.

NORI 40 ZXLF/ZXSF

NORI 40 ZXLF/ZXSF

Absperrventil nach DIN/EN mit Flanschen (ZXLF), Schweißenden oder Schweißmuffen (ZXSF), mit Stopfbuchspackung, geradem Oberteil, Absperrkegel oder Drosselkegel, nichtdrehender Spindel, integrierter Stellungsanzeige, Dichtflächen aus verschleißfestem und korrosionsbeständigem Chromstahl oder Chromnickelstahl.

SERIE 2000

SERIE 2000

Zweiflügelige Rückschlagklappe in Einklemmausführung, einteiliges Gehäuse aus Gusseisen mit Lamellengrafit, Gusseisen mit Kugelgrafit, Stahl, Edelstahl, Metall/Elastomer-Dichtung oder Metall/Metall-Dichtung, wartungsfrei, Anschlüsse nach EN, ASME oder JIS.

Eingesetzte Services

Energieeffizienzberatung (Fluid Future) für Pumpen und Armaturen

Energieeffizienzberatung

Optimieren Sie dank FluidFuture® die Energieeffizienz Ihrer Anlage in vier Schritten. Das systematische Vorgehen von KSB garantiert Ihnen dabei maximale Energieeinsparungen.

  • Systematische Analyse
  • Klare Handlungsempfehlungen
SES System Effizienz Service

System Effizienz Service

Pumpen, die nicht optimal auf die Anlage abgestimmt sind, verbrauchen zu viel Energie. Mit dem SES System Effizienz Service von KSB lässt sich das ändern.

  • Energieeffizienzanalyse
  • Schadensanalyse
Armaturen Service

Armaturenreparatur

Maßgeschneidert, individuell, umfassend: KSB bietet Ihnen einen fachgerechten Service für Armaturen aller Fabrikate – unabhängig von Bauart, Größe und Hersteller.

  • Instandsetzung
  • Modifizierung

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