Druck hochhalten: Strömungsverluste bei Industriearmaturen

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.

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. 

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.

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.

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.