CITplus - In der Praxis sind rund ein Drittel der zu Pumpen gehörenden Rückschlagarmaturen nicht richtig ausgelegt und verursachen hohe Verluste. Gerade bei Umbauten oder Revisionen von Anlagen sollte man der Auswahl und der Positionierung dieser Armaturen mehr Aufmerksamkeit schenken.

Eine Rückschlagarmatur wird benötigt, da sich beim Abschalten einer Pumpe die am Druckstutzen anliegende Flüssigkeitssäule bedingt durch die Schwerkraft oder durch den Druck parallel arbeitender Pumpen umkehren und das Laufrad rückwärts laufen könnte. Empfindliche Bauteile, wie drehrichtungsabhängige Gleitringdichtungen, können so geschädigt werden. Eine entsprechende Armatur wird durch die zurückfließende Strömung geschlossen und bietet einen einfachen sowie zuverlässigen Schutz gegen Rückwärtslaufen.

Beim Einbau nur auf die Pumpe ­geschaut
Allerdings werden Ventile oder Rückschlagklappen oft eingebaut ohne dabei die Strömungsverhältnisse und die daraus resultierenden Energieverluste zu berücksichtigen.
Häufig richtet sich der Fokus bei der Montage und der Installation auf die Pumpe. Der Auswahl des Ventils oder der Klappe geschieht nebenbei. In einigen Einbausituationen kann es dann sogar zu großen Abnutzungserscheinungen in der Armatur kommen oder das System kommt nicht auf Leistung.
Die Situation der Rückschlagorgane hat sich durch den Einsatz von Drehzahl-Regelsystemen geändert. Gab es früher von der Pumpe aus betrachtet nur die Zustände „Volllast" oder „Aus", laufen viele Aggregate heute mit verminderter Drehzahl im Teillastbereich.
Beim Einbau von Rückschlagventilen kann dies bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten zu einem permanenten „Öffnen und Schließen" führen, weil diese im Gegensatz zu Rückschlagklappen nicht teilöffnungsstabil sind. Damit haben die Ventile unter Umständen ihre Lebensdauer bei den unzähligen „Auf- und Zu"-Schaltspielen nach einigen Wochen erreicht. Bei hohen Volumenströmen ergibt sich das Problem durch die hohen Fließgeschwindigkeiten in den schmalen Spalten zwischen Absperrkegel und Ventilsitz. Hier kann es zu erhöhtem Verschleiß und Vibrationen kommen, die letztlich zum Ausfall der Armatur führen können. Resonanzschwingungen könnten sogar die Pumpe in Mitleidenschaft ziehen.
Häufig wird auch das Anschlussstück zwischen Pumpe und Rückschlagklappe zu kurz ausgeführt. Als Faustregel gilt: Die Armatur sollte mindestens fünf Nennweiten von der Pumpe entfernt sein - die sogenannte Beruhigungsstrecke.
Bei einer Recherche von KSB hat sich gezeigt, dass in über 30 Prozent aller Fälle die verwendeten Armaturen falsch eingebaut, ausgelegt oder zu klein dimensioniert sind. Es gab sogar Anwendungsfälle, bei denen die verbaute Rückschlagarmatur fast die Hälfte der erzeugten Förderhöhe wieder vernichtet hat! Bei der Vielzahl von Rückschlagarmaturen, die in der Industrie verbaut sind, gibt es ein riesiges Einsparpotenzial.

Strömungsgünstige Rückschlagklappen
Seit Beginn der Firmengeschichte baut und entwickelt KSB auch Armaturen der unter¬schiedlichsten Bauweisen.
Darunter gab es auch eine Armatur, die wegen ihres sanften und stabilen Schließverhaltens in den Abgassystemen vieler Diesel-Elektrischer-U-Boote zum Einbau gekommen ist. Hier verhinderte sie, dass Seewasser in den Auspufftrakt der schnorchelnden U-Boote eindrang.
Was lag näher, als die Rückschlagklappen der Serie 2000 mit ihren zweiflügeligen Klappenscheiben auch für weniger spektakuläre Anwendungen zu nutzen? Mit ihren einteiligen Gussgehäusen, die über eine hohe mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verfügen, sind sie sehr robust und wartungsfrei. Eine Federausführung ermöglicht auch einen Einbau, bei dem die Klappenscheiben sonst von der Schwerkraft nicht geschlossen würden.
Diese Armatur lässt sich horizontal und vertikal ohne Spezialwerkzeuge einbauen. Ein breites Werkstoffspektrum für die eingesetzten Komponenten erlaubt Einsätze von -196 °C bis +538 °C. Ihr größter Pluspunkt liegt jedoch in ihrem niedrigen Druckverlustbeiwert. Die Klappe ist so leichtgängig, dass sie sich selbst bei niedrigsten Anströmgeschwindigkeiten stabil öffnet.

Tests offenbaren hohe Einsparpotenziale
Um das Öffnungsverhalten der Serie 2000 genau zu analysieren, wurden umfangreiche Messungen auf einem KSB-eigenen Versuchsstand durchgeführt (Bild_R15808-85.jpg). Prinzipiell sollte geklärt werden, welche Rückschlagarmatur - also Rückschlagklappe oder Rückschlagventil - sich für welchen Einsatzfall am besten eignet. Dafür wurden beide Bauarten in unterschiedlichen Situationen getestet.
Im ersten Versuchsaufbau bauten die Techniker ein Rückschlagventil ohne Beruhigungsstrecke ein. Die Ergebnisse entsprachen den Erfahrungen aus der Praxis. Bei minimalem Volumenstrom wurde kein stabiles Öffnungsverhalten erzielt, sodass es zu einem Flattern der Armatur kam. Bei maximalem Volumenstrom kam es dagegen zu starken Schwingungen der Feder, bedingt durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit in der Armatur. Dieses Verhalten wurde auch durch den Einbau einer Beruhigungstrecke nicht verbessert.
Im zweiten Versuchsaufbau bauten die Techniker eine Rückschlagklappe der Serie 2000 einmal ohne und einmal mit Beruhigungsstrecke ein. Hier zeigte sich auch im Teilöffnungsbereich ein stabiles Öffnungsverhalten. Das heißt, es konnte kein Flattern wie beim Ventil festgestellt werden. Das unruhige Verhalten der zweiflügeligen Klappenscheiben wurde durch den Einbau einer Beruhigungsstrecke abgestellt.
Das Rückschlagventil war bei reduziertem Volumenstrom trotz Einbau einer Beruhigungsstrecke sehr unruhig. Es sollte daher nur im Ausnahmefall, bei denen die Platzverhältnisse keine andere Einbauweise zulassen, eingesetzt werden. Allerdings kommt es dann aufgrund des instabilen Öffnungsverhaltens unter Umständen zu einem sehr schnellen Verschleiß. Für den Betrieb mit Frequenzumrichter ist diese Armatur nur bedingt geeignet. Dass dieser Armaturentyp nicht optimal für den Einsatz ist, zeigt sich auch bei einer Vergleichsberechnung des Höhenverlustes beider Bauarten.
Der Widerstandsbeiwert ζ eines Einklemm-Rückschlagventils liegt bei einem Wert von 4,5. Bei der Serie 2000 sind die Verhältnisse von vorneherein günstiger, da keine Umlenkung der Strömung in der Armatur stattfindet und dadurch der ζ-Wert mit 0,4 wesentlich günstiger ist.
Dies zeigt sich anhand des Höhenverlustes Hv, der nach folgender Formel berechnet wird. Bei der Dimensionierung der Rohrleitungen auf DN 200 wurde von einer Geschwindigkeit v = 1 -1,5 m/s auf der Saugseite und v = 2-2,5 m/s auf der Druckseite ausgegangen. Legt man diese Daten zu Grunde und verwendet folgende Formel

beträgt der Höhenverlust des Rückschlagventils 1 m. Der Höhenverlust einer Serie-2000-Armatur beträgt nach dieser Berechnung nur 0,08 m. Das kann je nach Anwendungsfall schon die Auswahl einer kleineren Pumpengröße bedeuten.
Um ein stabiles vibrationsfreies Verhalten der Schließkörper zu erreichen, benötigen auch die Rückschlagklappen eine Beruhigungsstrecke von etwa 5 x DN. Dadurch ist ein störungsfreier und energieeffizienter Betrieb der Pumpe in allen Lastzuständen sichergestellt.

Resümee
Der Blick auf das System Armatur, Pumpe und Frequenzumrichter lohnt sich. Der Einsatz einer neuen Armatur amortisiert sich oft in kurzer Zeit. Das optimale Verhältnis zwischen Pumpe und Armatur ist natürlich nicht die einzige Möglichkeit, die Energiekosten zu senken. Unabhängig von der Art der Maßnahme ist es entscheidend, das System genau auf den Betriebspunkt auszulegen.