Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul NPSH berechnet die hydraulische Auslegung einer Kreiselpumpe: die Förderhöhe der Anlage und den verfügbaren NPSH-Wert (Net Positive Suction Head). Eingangsgrößen sind die Eigenschaften des Fördermediums – Dampfdruck, Dichte, dynamische Viskosität –, der Volumenstrom, die geodätische Höhendifferenz, der System- bzw. barometrische Druck sowie die geometrischen Daten der Saug- und Druckleitung. Pumpen- und Anlagenkennlinie lassen sich grafisch überlagern, sodass der Betriebspunkt sichtbar wird.
Der NPSH-Wert entscheidet über die Kavitationssicherheit: Sinkt der statische Druck am Laufradeintritt unter den Dampfdruck des Mediums, bilden sich Dampfblasen, die beim Implodieren Laufrad und Gehäuse schädigen, die Förderhöhe einbrechen lassen und Lärm sowie Schwingungen verursachen. Wer den NPSH-Wert einer Anlage berechnen will, vergleicht den verfügbaren Wert NPSHvorh (aus Systemdruck, Dampfdruck, geodätischer Höhe und Saugleitungsverlusten) mit dem erforderlichen Wert NPSHerf aus der Pumpenkennlinie des Herstellers.
Typische Anwendungsfälle im Anlagenbau sind die Saugleitungsauslegung bei siedenden oder heißen Medien (Kesselspeisewasser, Kondensat, Flüssiggas), die Prüfung der Aufstellungshöhe einer Pumpe unter einem Behälter und die Bewertung, ob ein geplanter Volumenstrom ohne Kavitation gefahren werden kann.
So läuft die Berechnung ab
- Fördermedium charakterisieren: Für das Fördermedium werden Dampfdruck bei Betriebstemperatur, Dichte und dynamische Viskosität festgelegt – der Dampfdruck ist die kritische Größe für die Kavitationsbetrachtung und steigt mit der Temperatur stark an.
- Anlagengeometrie und Drücke erfassen: Geodätische Höhendifferenz zwischen Flüssigkeitsspiegel und Pumpeneintritt, barometrischer Druck bzw. Systemdruck auf dem Saugbehälter und die geometrischen Daten der Rohrleitungen (Durchmesser, Längen, Einbauten) bilden die Anlagenseite der Rechnung.
- Druckverluste und Anlagenkennlinie berechnen: Aus Volumenstrom, Rohrgeometrie und Stoffwerten werden die Reibungsverluste der Leitungen bestimmt; zusammen mit der geodätischen Förderhöhe ergibt sich die Anlagenkennlinie als Funktion des Volumenstroms.
- NPSH-Wert der Anlage ermitteln: Der verfügbare NPSH-Wert folgt aus dem Absolutdruck auf dem Saugspiegel abzüglich Dampfdruckhöhe, korrigiert um die geodätische Zulauf- bzw. Saughöhe und vermindert um die Verlusthöhe der Saugleitung.
- Betriebspunkt und Kavitationssicherheit prüfen: Pumpen- und Anlagenkennlinie werden überlagert; im Betriebspunkt wird NPSH-vorhanden mit NPSH-erforderlich der Pumpe verglichen. Üblich ist ein Sicherheitszuschlag von mindestens 0,5 m; andernfalls sind Zulaufhöhe, Leitungsführung, Drehzahl oder Pumpentyp anzupassen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Dampfdruck | Dampfdruck | Pa |
| Dichte | Dichte | kg/m³ |
| Behälterüberdruck | Sytem-Überdruck | Pa |
| Zulaufgeschwindigkeit in den Behälter | Zulaufgeschwindigkeit | m/s |
| Zulaufhöhe (+/-) | Zulaufhöhe | m |
| Geod. Höhe | Geod.Höhe | m |
| Barometr. Druck | Druck | Pa |
| Pumpen-Bezeichnung | Pumpen-Bezeichnung | - |
| Fördermedium | Fördermedium | - |
| Behälterüberdruck | Druckseite | Pa |
| Ablaufhöhe (+/-) | Ablaufhöhe | m |
| Volumenstrom | Volumenstrom | m³/s |
| Dynamische Viskosität | Viskosität | mPa·s |
| Innendurchmesser | Rohrleitung | m |
| Abs. Rauigkeit | Rohrleitung | m |
| Länge | Rohrleitung | m |
| Innendurchmesser | Rohrleitung | m |
| Abs. Rauigkeit | Rohrleitung | m |
| Länge | Rohrleitung | m |
| Einbauten: Zeta | (Saugseite) | - |
| Einbauten: Zeta | (Druckseite) | - |
| Volumenstrom (Q-H Linie) | Linie) | m³/s |
| Volumenstrom (Q-H Linie) | Linie) | m³/s |
| Volumenstrom (Q-H Linie) | Linie) | m³/s |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Druckverlust in der Rohrleitung | Rohrleitung | Pa |
| NPSH erforderlich | NPSH | m |
| NPSH vorhanden | NPSH | m |
| Druckverlust in der Rohrleitung | Druckverlust | Pa |
| Geod. Druckdiff. | Saugseite | Pa |
| Geod. Druckdiff. | Druckseite | Pa |
| Saugseite (abs) | Saugseite | Pa |
| Druckseite (abs) | Druckseite | Pa |
| Differenzdruck | Differenzdruck | Pa |
| Förderhöhe | Pumpe | m |
| Leistung der Pumpe | Pumpe | W |
| Geschwindigkeit | Rohrleitung | m/s |
| Reibungsbeiwert | Rohrreibungsbeiwert | - |
| Reynoldszahl | Reynoldszahl | - |
| Geschwindigkeit | Rohrleitung | m/s |
| Reibungsbeiwert | Rohrreibungsbeiwert | - |
| Reynoldszahl | Reynoldszahl | - |
| Wirkungsgrad Pumpe | Pumpe | % |
Gelöstes Beispiel
Eine Kreiselpumpe saugt Wasser von 20 °C aus einem offenen Behälter. Der Wasserspiegel liegt 2,0 m unter dem Pumpeneintritt (Saugbetrieb). Die Verlusthöhe der Saugleitung beträgt beim Betriebsvolumenstrom 0,8 m. Wie groß ist der verfügbare NPSH-Wert, und reicht er für eine Pumpe mit NPSHerf = 4,0 m?
Gegebene Werte
| Barometrischer Druck pb | 1,013 bar (101 325 Pa) |
| Dampfdruck Wasser 20 °C pv | 2 340 Pa |
| Dichte ρ | 998 kg/m³ |
| Geodätische Saughöhe zs | 2,0 m (Spiegel unter Pumpe) |
| Verlusthöhe Saugleitung Hv | 0,8 m |
| NPSH erforderlich (Pumpe) | 4,0 m |
Lösungsweg
Druckhöhe aus Behälterdruck und Dampfdruck
(pb − pv)/(ρ · g) = (101 325 − 2 340)/(998 · 9,81) = 98 985/9 790 = 10,11 m
Verfügbarer NPSH-Wert
NPSHvorh = (pb − pv)/(ρ·g) − zs − Hv = 10,11 − 2,0 − 0,8 = 7,31 m
(Die Geschwindigkeitshöhe am Eintritt ist in der NPSH-Definition als Totaldruck bereits enthalten.)
Vergleich mit dem Pumpenbedarf
NPSHvorh − NPSHerf = 7,31 − 4,0 = 3,31 m Reserve.
Der übliche Mindestzuschlag von 0,5 m ist deutlich eingehalten — die Pumpe arbeitet kavitationssicher. Bei heißerem Wasser schrumpft die Reserve schnell: Bei 80 °C (pv ≈ 0,474 bar, ρ ≈ 972 kg/m³) verbliebe nur noch etwa NPSHvorh ≈ 2,9 m, die Pumpe würde kavitieren.
Ergebnis
| NPSH vorhanden | 7,31 m |
| NPSH erforderlich | 4,00 m |
| Kavitationsreserve | 3,31 m — Betrieb sicher |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen NPSH-vorhanden und NPSH-erforderlich?
NPSH-vorhanden (NPSHa) ist eine Anlagengröße: der Abstand des Totaldrucks am Pumpeneintritt zum Dampfdruck, ausgedrückt als Höhe. NPSH-erforderlich (NPSHr) ist eine Pumpeneigenschaft aus der Herstellermessung: der Wert, bei dem die Förderhöhe kavitationsbedingt um 3 % eingebrochen ist. Kavitationsfreier Betrieb verlangt NPSHa > NPSHr plus Sicherheitszuschlag.
Warum ist die Förderung siedender Medien so kritisch?
Bei einem siedenden Medium ist der Behälterdruck gleich dem Dampfdruck – der Druckterm im NPSHa entfällt vollständig. Verfügbar bleibt nur die geodätische Zulaufhöhe abzüglich der Saugleitungsverluste. Kondensat- und Speisewasserpumpen brauchen deshalb zwingend Zulauf (Behälter über Pumpe), und die Saugleitung muss kurz und widerstandsarm sein.
Welche Rolle spielt der barometrische Druck?
Bei offenen Behältern liefert der Luftdruck den treibenden Absolutdruck auf den Saugspiegel – rund 10 m Wassersäule auf Meereshöhe. Mit der Aufstellungshöhe sinkt er um etwa 0,12 bar je 1 000 m; eine Pumpe, die auf Meereshöhe sicher saugt, kann im Hochland bereits kavitieren. Der Ortsluftdruck gehört deshalb zu den Eingangsdaten.
Hilft eine größere Saugleitung gegen Kavitation?
Ja, oft ist das die wirksamste Maßnahme: Die Verlusthöhe der Saugleitung geht direkt vom NPSHa ab und sinkt etwa mit der vierten bis fünften Potenz des Durchmessers. Zusätzlich helfen kurze Leitungswege, weite Bögen, voll öffnende Armaturen und der Verzicht auf unnötige Einbauten auf der Saugseite.