Mit Hochdruck zum Unterdruck

Anwendungsspezifische Auslegung von Pumpständen

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12.11.2015 Manchmal ist weniger mehr; beispielsweise beim Luftdruck. Ob in der Nahrungsmittel- oder Pharma-Industrie, in der Chemie- und Verfahrenstechnik: in vielen Industriezweigen erfordern unterschiedliche Fertigungsprozesse Gaszustände mit einem Druck deutlich unter dem Atmosphärendruck.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Ob Nahrungsmittelindustrie oder klassische Verfahrenstechnik: Viele Prozesse funktionieren nur unter Druckverhältnissen, die deutlich unter denen der Atmosphäre liegen.
  • Im Betriebsalltag lösen häufig sogenannte Vakuum-Pumpstände, eine Kombination aus Vorpumpe und Drehkolbengebläse, dieses Problem.
  • Um hier eine für den Betreiber sinnvolle Kombination der beiden Komponenten zu finden, sollten Anwender und Hersteller eng miteinander kooperieren.

Bis zu einem Druck von -700 mbar (300 mbar abs.) spricht man von Unterdruck. Unterhalb dieser 300 mbar absolut beginnt der Vakuumbereich, aufgeteilt in Grob-, Fein-, Hoch- und Ultrahoch-Vakuum. In Anlagen sind Grob-, Fein- und Hochvakuum wirtschaftlich nur dann zu erreichen, wenn sogenannte Pumpstände zum Einsatz kommen. Diese Vakuum-Pumpstände verrichten ihre Arbeit mindestens zweistufig; Vorpumpen und Drehkolbengebläse arbeiten zusammen. Für das Erzeugen von Unterdruck bis 500 mbar abs. hat der Maschinenbauer Aerzen beispielsweise Drehkolbengebläse der Baureihe Delta Blower G5 im Portfolio. Die Drehkolbenverdichter der Baureihe Delta Hybrid erzeugen sogar Unterdrücke bis 300 mbar abs. Die Unterdrücke bis 500 mbar abs. beziehungsweise bis 300 mbar abs. erreichen die Applikationen jeweils schon in einer Stufe.

Zusammenspiel von Vorpumpe
und Vakuum-Drehkolbengebläse

Dagegen sind Unterdrücke unterhalb von 300 mbar abs. grundsätzlich nur zweistufig in einem Pumpstand durch den kombinierten Einsatz einer Vorpumpe und eines Vakuum-Drehkolbengebläses zu erzielen. In der ersten Stufe reduziert die Vorpumpe den Druck des in einem Behälter oder einem Raum vorhandenen Mediums auf ein Vorvakuum von beispielsweise 200 mbar abs. Dann startet als zweite Stufe das Vakuum-Drehkolbengebläse und erzielt durch den weiteren gemeinsamen Betrieb mit der Vorpumpe das geforderte Endvakuum, beziehungsweise den geforderten Volumenstrom. In der Praxis funktioniert dies, indem der spätere Betreiber der Vakuumanlage dem Hersteller des Pumpstandes alle wesentlichen Parameter für die geforderte Anlage nennt:

  • die Größe des zu entleerenden Raumes oder Behälters,
  • das benötigte maximale Vakuum (den sogenannten Betriebspunkt) beziehungsweise den geforderten Volumenstrom und
  • die maximal mögliche Abpumpzeit.

Daraufhin wählt der Hersteller des Pumpstandes gemeinsam mit dem Maschinenbauer die geeignete Vorpumpe und das geeignete Vakuumgebläse aus.

Intensive Zusammenarbeit
Als mögliche Vorpumpen-Systeme kommen je nach Einsatzfall Wasserringpumpen, ölgeschmierte Drehschieberpumpen oder regelbare Klauenpumpen für neutrale Gase zum Einsatz. Für besonders hochwertige Anwendungen in der chemischen Industrie können für das Evakuieren von Prozessgasen auch teure Schraubenvakuumpumpen erforderlich sein. Damit die vom Betreiber geforderten Parameter erfüllt werden, sind Vorpumpe und Vakuumgebläse energetisch und thermisch optimal aufeinander abgestimmt. Die Abbildung auf der nächsten Seite zeigt in einer theoretischen Berechnung das Zusammenspiel von Vorpumpe (orange Linie) und einem Vakuumgebläse aus der Baureihe GMA (grüne Linie) als zweistufige Lösung. Jedoch sind zum Verkürzen der Abpumpzeit auch mehrstufige Lösungen mit einer Vorpumpe und mehreren nacheinander arbeitenden Vakuumgebläsen möglich. Auf der x-Achse sind die Druckbereiche von Vorpumpe und Vakuumgebläse, auf der y-Achse die Volumenströme dargestellt. In diesem Beispiel beginnt die Vorpumpe zunächst alleine. Bei einem erreichten Vakuum von 200 mbar abs. startet das Vakuumgebläse. Die grüne Saugvermögenskurve steigt jetzt bis zum Betriebspunkt bei 1 mbar stark an. Im Betriebspunkt beträgt das Saugvermögen der Kombination circa 1.750 m³/h. Die in dieser Berechnung zunächst auftretenden zwei thermisch kritischen Druckbereiche lassen sich durch geänderte Parameter im Auslegungsprogramm korrigieren, sodass die für dieses Beispiel ausgewählte Kombination aus Vorpumpe und Vakuumgebläse den geforderten Betriebspunkt, in diesem Beispiel 1 mbar, sicherstellt und in dieser Kombination erfolgreich betrieben werden kann. Wie bereits erwähnt, ist es wichtig, die für den Anwendungsfall jeweils passenden Komponenten zusammenzustellen. Im Folgenden werden daher beispielhaft drei Varianten von Drehkolbengebläsen vorgestellt.

Heftausgabe: November 2015
Seite:

Über den Autor

Norbert Barlmeyer, Fachjournalist für Aerzener Maschinenfabrik
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