Dampfstrahl-Vakuumpumpen gehören zu den Arbeitspferden der Chemieindustrie. Der nach dem Injektor-Prinzip arbeitende Apparat ist vergleichsweise einfach aufgebaut, hat ein großes Saugvermögen und deckt einen großen Druckbereich ab. Allerdings bauen die Vakuumerzeuger vergleichsweise groß, und nicht überall dort, wo Vakuum benötigt wird oder erzeugt werden soll, steht Dampf in ausreichender Menge und mit der notwendigen Druckstufe zur Verfügung. Dazu kommen erhebliche Geräuschemissionen infolge hoher Dampfgeschwindigkeiten an der Injektordüse, die im Hinblick auf die TA Lärm und die aktuelle Lärmkontingentierung in Industriebetrieben und Chemieparks zum Teil erhebliche Schallschutzmaßnahmen notwendig machen.
Im Gegensatz dazu steht Strom als Antriebsenergie nahezu überall zur Verfügung, weshalb in der Vergangenheit verschiedene Elektromotor-angetriebene Vakuumpumpsysteme entwickelt wurden. Neben ölgeschmierten Drehschieberpumpen sind für einen großen Druckbereich, der vom Grob- über das Feinvakuum bis hin zum Hochvakuum (<10–3mbar) reicht, und ein großes Saugvermögen trockenlaufende Wälzkolbenpumpen entwickelt worden. Bei der Wälzkolbenpumpe handelt es sich um das seit über 100 Jahren bekannte Rootsprinzip. Dabei drehen sich zwei synchron laufende Kolben berührungslos in einem Gehäuse; die Pumpwirkung entsteht durch zwei 8-förmige, gegenläufig drehende Wälzkolben. Die Kolben dichten die entstehenden Schöpfräume gegeneinander ab, ohne sich zu berühren. So können die Pumpen mit hoher Drehzahl (1500 bis 5000 1/min) betrieben werden, wodurch die Pumpe auch bei kleinen Abmessungen ein hohes Saugvermögen erhält.
Übliche Wälzkolben sind jedoch hinsichtlich der erreichbaren Differenzdrücke und ihrem Kompressionsverhältnis limitiert. Überschreitet der Differenzdruck, abhängig von der Pumpengröße, einen Wert von 20 bis 50 mbar und wird ein Kompressionsverhältnis von 1:2 überschritten, kann es zur thermischen Überlastung der Pumpe kommen. Laufen die Kolben an oder blockieren diese, kann die Pumpe beschädigt werden.
Für extreme Einsatzfälle wurden deshalb gasumlaufgekühlte Wälzkolbenpumpen entwickelt. „Diese können uneingeschränkt für hohe Differenzdrücke und Kompressionsverhältnisse eingesetzt werden“, nennt Heinz Barfuß, Market Management Industry bei Pfeiffer Vacuum ein wesentliches Merkmal. Der Trick ist genauso einfach wie wirkungsvoll: Das durch die Verdichtung aufgeheizte Gas wird auf der Druckseite gekühlt und zum Teil in den Schöpfraum zurückgeführt. Da die Gasrückführung durch die Druckdifferenz festgelegt ist, sind keine zusätzlichen Regeleinrichtungen notwendig. Außerdem kann sich die Maschine selbst bei einem Betrieb auf Enddruck (geschlossene Saugleitung) nicht überhitzen.
Hammerkopf sorgt für hohe Differenzdrücke
Um die von gasumlaufgekühlten Wälzkolbenpumpen erwarteten hohen Differenzdrücke erreichen zu können, hat der Pumpenhersteller aus Aßlar einen weiteren besonderen konstruktiven Kniff gewählt: Während die Wälzkolben bei üblichen Rootsgebläsen im Querschnitt die Form einer 8 besitzen, entwickelte Pfeiffer Vacuum einen hammerförmigen Rotor. „Dadurch entsteht am Rotorkopf eine lange Dichtfläche, die verhindert, dass Gas von der Druckseite zur Saugseite zurückströmt“, erklärt Heinz Barfuß das Prinzip. Die von dem Hersteller angebotenen gasgekühlten Pumpen WGK erreichen so ein Nennsaugvermögen bis 9600 m3/h und einen Enddruck von 130 mbar bei Verdichtung gegen Atmosphäre. Die Nennleistung dieser Maschine liegt bei 200kW, allerdings sind verschiedene Leistungsstufen ab 18,5kW verfügbar.
Auf der Habenseite der WGK-Vakuumpumpen stehen neben Saugvermögen und erreichbarem Vakuum vor allem die kompakte Bauweise (Saugvermögen im Verhältnis zum Maschinengewicht) und der ruhige Betrieb, da sich die Rotoren sehr effektiv auswuchten lassen. Der Grund dafür, dass gasgekühlte Wälzkolbenpumpen in den vergangenen Jahren eher ein Nischendasein fristeten, lässt sich vor allem auf den Bedarf an teurer elektrischer Energie zurückführen, insbesondere dann, wenn die Pumpe im Teillastbetrieb läuft. „Durch die Entwicklung und Verbreitung moderner Frequenzumrichter hat sich die Situation geändert, und wir registrieren eine steigende Nachfrage nach diesen Maschinen“, erläutert Barfuß die aktuelle Marktentwicklung. Auch die Entwicklung der Rahmenbedingungen, unter denen Chemieunternehmen heute produzieren, dürfte dazu beitragen: Während in der Vergangenheit an einheitlichen Werksstandorten eine zentrale Dampfversorgung für die Betriebe oft zu Selbstkosten verfügbar war, müssen die Anlagenbetreiber als Profitcenter oder eigenständige Unternehmen in einem Industriepark heute ihren Dampf häufig zu Vollkosten von externen Versorgungsunternehmen beziehen. Eine Entwicklung, durch die sich die Berechnungsgrundlagen für die Kostenrechnung ändert.
Typische Einsatzgebiete sind zum Beispiel die Evakuierung von Monomeren bei der Herstellung von Kunststoffgranulat, in der Polyurethan- und Polyesterherstellung. Und so sieht Heinz Barfuß ein wachsendes Potenzial für den Einsatz dieser Pumpentypen: „Wir verfügen über 40 Jahre Erfahrung mit diesen Pumpen, und durch die Frequenzregelung lässt sich das Saugvermögen sehr einfach an den tatsächlichen Bedarf im Prozess anpassen.“
Fazit: Gasumlaufgekühlte Wälzkolbenpumpen zeichnen sich durch ein großes Saugvermögen und hohe Differenzdrücke aus. Der Einsatz moderner Frequenzumrichter erlaubt weitere Flexibilität im Teillastbetrieb und trägt dazu bei, die Energiekosten zu senken. Dadurch wird die Maschine in der Chemie und anderen verfahrenstechnischen Industrien wieder zu einer interessanten Alternative zu Dampfstrahlvakuumpumpen.
„Gasgekühlte Wälzkolbenpumpen können uneingeschränkt für hohe Differenzdrücke und Kompressionsverhältnisse eingesetzt werden“
Heinz Barfuß ist im Marketing Management Industry bei Pfeiffer Vacuum
