Die Kennlinie und die Leistung einer Tauchpumpe

Wer sich eine Tauchpumpe zulegen oder nutzen will, muss wissen, was ein solches Gerät "kann" bzw. was sie zu "leisten" vermag. Bei einer Pumpe und im Speziellen bei einer Tauchpumpe sind hierbei die Parameter Fördermenge und Förderhöhe von Bedeutung. Beide Größen sind voneinander abhängig. Und diese Abhängigkeit wird mit einer so genannten Kennlinie dargestellt. Eine Kennlinie ist im Allgemeinen eine graphische Darstellung des funktionalen Zusammenhangs zwischen zwei physikalischen Größen, der für ein Bauteil, eine Baugruppe oder ein Gerät kennzeichnend ist (siehe Kennlinien-Definition bei Wikipedia). Im Falle von Tauchpumpen sind diese beiden physikalischen Größen zum Beispiel die bereits genannten Parameter Fördermenge und Förderhöhe. Die Kennlinie wird in einem Diagramm eingetragen, wobei die Fördermenge dabei üblicherweise auf der Abszisse (x-Achse) und die Förderhöhe auf der Ordinate (y-Achse) aufgetragen wird. Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Beispiel für die Darstellung von Kennlinien in einem solchen Diagramm:

Die Kennlinie einer Tauchpumpe

Beispiel für Kennlinien einer Tauchpumpe

In der o.a. Abbildung sind vier Kennlinien dargestellt. Das heißt nicht, dass dies die Kennlinien von vier verschiedenen Tauchpumpen sind. Es handelt sich um ein und dieselbe Pumpe, jedoch in vier verschiedenen Ausführungen, das heißt mit vier unterschiedlichen Laufrädern. Das Laufrad ist die vom Pumpenmotor angetriebene "Fördereinheit". Je nach Ausführung von Laufrädern können damit unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf die Förderung erzielt werden.

Was ist die Fördermenge?

Mit der Fördermenge wird das Wasservolumen bezeichnet, das eine Tauchpumpe innerhalb einer bestimmten Zeit fortzupumpen vermag. Die üblichen Einheiten für die Fördermenge sind m³/h (Kubikmeter pro Stunde) oder l/s (Liter pro Sekunde).

Was ist die Förderhöhe?

Die Förderhöhe ist der Druck, den eine Tauchpumpe erzeugen kann. Der Aufbau eines solchen Drucks ist erforderlich, denn schließlich kann es sein, dass das Wasser auf eine höhere Höhenlage hinaufgepumpt werden muss. Außerdem braucht man einen bestimmten Druck, um die Reibungswiderstände bzw. Druckverluste zu überwinden. Diese entstehen in der Installation (Druckschlauch, Rohrleitung), in die die Pumpe das Wasser hineinpumpt. Zum Beispiel erzeugt eine 20 m lange Rohrleitung, die um zehn Ecken verlegt worden ist, mehr Reibungswiderstand bzw. einen größeren Druckverlust als eine 10 m lange Rohrleitung, die geradlinig verlegt worden ist. Mit welchen Förderhöhen im Hausgebrauch einer Tauchpumpoe zu rechnen ist, wird beispielsweise in dem Ratgeber-Video "Die Förderhöhe und die Förderhöhe einer Tauchpumpe" erklärt.

Was bedeutet die Druckeinheit "Meter Wassersäule" bei der Förderhöhe?

Als Einheiten für den Druck, den eine Pumpe zu erzeugen vermag, werden entweder "bar" oder "m" (Meter) verwendet. "bar" ist die übliche Einheit für den Druck bzw. den Förderdruck. Mit "m" ist "Meter Wassersäule" gemeint. Dies ist die Einheit, wenn man von Förderhöhe spricht. Die Förderhöhe ist aber nichts anderes als die Förderhöhe, eben nur in einer anderen Einheit ausgedrückt. Die Förderhöhe vermittelt eine bildliche Vorstellung des Drucks. Mit "Meter Wassersäule" wird nämlich der Druck beschrieben, der von der Gewichtskraft einer Wassersäule mit bestimmter Höhe auf eine beliebig große Fläche erzeugt wird. Am besten nähert man sich dieser Vorstellung mit einem Beispiel: Angenommen, man betrachtet eine Wassersäule mit einer Höhe von 10 m. Dann beträgt der Druck 10 m Wassersäule.

Umrechnung von "Meter Wassersäule" in "bar"

Für die Umrechnung in die Einheit "bar" (Förderdruck) ist die Gewichtskraft einer Wassersäule zu berechnen, die sich auf einer (beliebig großen) Fläche ausbreitet. Die Gewichtskraft ist abgeleitet nach Newton:

G = ρ ⋅ V ⋅ g

mit:

ρ: Dichte von Wasser, hier: 1.000 kg/m3
V: Volumen der Wassersäule, mit:
V = A ⋅ h mit A: Fläche und h: Höhe der Wassersäule
g: Erdbeschleunigung (g = 9,81 m/s2)

Der Druck ist der Quotient aus Gewichtskraft und Fläche:

p = G / A

mit:

p: Druck

In der o.a. Gleichung ist G und V wie angegeben zu ersetzen. Es ergibt sich:

p = ρ ⋅ h ⋅ g

Es ist zu erkennen, dass es für die Umrechnung nicht erforderlich ist, die Fläche zu kennen, auf die die Wassersäule wirkt. Es kommt nur auf die Höhe an.

Für das o.a. Beispiel (Wassersäule mit einer Höhe von h = 10 m) errechnet sich der zugehörige Druck zu

p = 1.000 kg/m3 ⋅ 10 m ⋅ 9,81 m/s2 =
98.100 kg ⋅ m/(s2 ⋅ m2) =
98.100 N (Newton)/m2 = 0,981 bar (da 1 bar = 105 N/m2)

10 m Wassersäule entsprechen also einem Druck von 0,981 bar. Überschlagsmäßig rundet man großzügig auf und geht davon aus, dass 10 m Wassersäule einem Druck von 1 bar entsprechen. Bildlich ausgedrückt: Wenn man 10 m tief in Wasser eintaucht, dann erfährt man einen Druck von etwa 1 bar.

Anwendung einer Pumpen-Kennlinie

Alle Kennlinien von Pumpen und auch Tauchpumpen sehen qualitativ gesehen so aus wie diejenige, die oben zu sehen ist. Quantitativ gesehen sind die Kennlinien von Pumpe zu Pumpe anders. Jede Pumpe besitzt ihre eigene Spezifik und damit auch ihre eigene Kennlinie. Die Daten für die Darstellung einer Kennlinie werden übrigens an Prüfständen gemessen. Es gilt immer dieselbe Abhängigkeit: Die Fördermenge sinkt mit zunehmendem Förderdruck oder umgekehrt: Je geringer der Förderdruck ist, desto mehr kann gefördert werden.

Jede Tauchpumpe hat ihre eigene spezifische Kennlinie

Jede Tauchpumpe hat ihre eigene spezifische Kennlinie

Wieder ein Beispiel: Gesetzt den Fall, man benötigt eine Fördermenge von mindestens 10 m³/h. Dann ergibt sich unter Zu-Grunde-Legung der o.a. Kennlinie mit dem Laufrad "503" eine Förderhöhe von 13 m Wassersäule bzw. ein Förderdruck von etwa 1,3 bar. Oder umgekehrt: Wenn das Wasser auf eine Höhe von 10 m gepumpt werden soll (1 bar Förderhöhe) und das Leitungssystem einen Druckverlust von 0,3 bar hervorruft, also zusammen 1,3 bar Druck aufzubauen sind, dann erreicht man eine Fördermenge von 10 m³/h. Das ist dann der Betriebspunkt der Pumpe für diesen speziellen Fall.

Die Leistung einer Pumpe

Die Leistung ist eine physikalische Größe und drückt die Energie aus, die in einem bestimmten Zeitraum "verbraucht" oder besser: umgewandelt wurde. Die Einheit der Leistung ist W (Watt). Die Leistung einer Pumpe (an der Antriebswelle) berechnet sich nach der folgenden Formel:

P = Q ⋅ p / η

mit:

P: Leistung
Q: Fördermenge
p: Förderdruck
η: Wirkungsgrad der Pumpe. Dieser kann je nach Betriebspunkt aus einer weiteren Kennlinie entnommen werden.

Beispiel: Es sind 10 m³/h Wasser zu fördern. Der Förderdruck beträgt 1,3 bar und der Wirkungsgrad der Pumpe im Betriebspunkt 70 %. Dann ergibt sich eine Leistung von:

P = 10 m3/h ⋅ h/3600 s ⋅ 1,3 ⋅ 105 N/m2 / 0,7 =
516 W bzw. 0,516 kW

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