Die Technik steckt im Detail

Dipl.-Ing. Olaf Schultz

Druckluftbetriebene Doppelmembranpumpen arbeiten nach folgendem Grundprinzip: Zwei miteinander gekoppelte Membranen werden jeweils auf einer Seite mit Druckluft beaufschlagt. Sie wirkt als Antriebsmedium, während die Membrane lediglich als Trennschicht zwischen Luft- und Produktkammer dient. Nach jedem maximalen Hub der Membranen führt ein Steuersystem die Luft in die gegenüberliegende Luftkammer. Dadurch entsteht eine Wechselwirkung der zwei flexiblen Trennschichten und somit eine oszillierende Verdrängerpumpe.

Das Antriebsmedium Luft ist komplett von dem zu fördernden Medium getrennt. Dadurch eignen sich die Membranpumpen unter anderem für hochviskose, sehr leicht entzündbare, feststoffhaltige und extrem giftige Medien. Als Pumpenwerkstoffe werden chemisch resistentes PTFE oder extrem abrasionsfeste Kunststoffe wie beispielsweise PE verwendet.

Neben diesen grundlegenden Bauprinzipien, die für nahezu alle Membranpumpen gelten, lassen sich mit Hilfe einiger konstruktiver Veränderungen die Membranpumpen deutlich verbessern.

Dazu gehört beispielsweise die Ausrüstung der Pumpen mit einer tellerlosen Membran mit eingebautem Metallkern. Auf diese Weise ist es möglich, auf sämtliche Dichtungen im Produktstrom zu verzichten. Ebenso wichtig ist eine dauerhaft schmierungs- und wartungsfreie Luftsteuerung.

Um eine gleichmäßige Beständigkeit der Oberfläche zu garantieren, ist es sinnvoll, die Gehäuseteile einer Membranpumpe aus einem Werkstoff zu fertigen (Abb. 1). Das sorgt für eine konstante Materialausdehnung bei thermischer Belastung. Werden Membranpumpen bei höheren Temperaturen bis 130 °C betrieben, treten häufig Undichtigkeiten auf. Hier wirkt sich die Verwendung verschiedener Materialien aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten negativ aus.

Besonders problematisch bei der Abkühlung der Pumpe sind in diesem Zusammenhang die meist aus Edelstahl gefertigten Zuganker, da sich die angrenzenden Kunststoffe vor der Abkühlung deutlich stärker ausdehnen als die Zuganker selbst. Zwei kleine vorbeugende Konstruktionsänderungen schaffen hier Abhilfe. Zuerst versenkt man die Edelstahlmutter vom Zuganker möglichst weit in die massive Seitenwange der Pumpe, um nur eine notwendig kleine Expansion des Kunststoffes in Kauf nehmen zu müssen. Zweitens gleicht man diese kleine, aber nicht zu vermeidende Expansion durch kräftige Tellerfedern unterhalb der Zuganker-Muttern wieder aus. Dabei sind die Tellerfedern auf große Unterlegscheiben zu stützen, um eine möglichst kleine Flächenpressung auf dem Kunststoff zu erreichen. Um eine gleichmäßige und durchgängige Kunststoffoberfläche zu garantieren, werden die Edelstahl-Zuganker mit PE-Kappen abgedeckt. So ergibt sich ein kompaktes Aggregat, das sich einfach sauber halten läßt und äußerst unempfindlich gegenüber Stößen, Fußtritten und anderen mechanischen Belastungen ist.

Sollte es doch einmal zu größeren Toleranzen zwischen den Gehäuseteilungen – direkt im Einspannbereich der Membranen – kommen, hilft eine bidirektionale Membraneinspannung (Abb. 2) gegen Leckagen. Die Membrane wird hierzu nicht nur wie sonst üblich zwischen den Bauteilen eingequetscht, sondern zusätzlich durch eine Umlenkung in labyrinthähnlicher Form in axialer und radialer Richtung eingespannt. Mit dieser Art der Membranfixierung wird die Einspannkraft auch bei größeren Toleranzen im Spaltbereich aufrecht erhalten, da der Weg bis zum Auseinanderklaffen deutlich größer ist. Die scharfe Kante, die üblicherweise zum Dichten in die Oberfläche der Membranen gedrückt wird, entfällt, und ein Einschneiden der Membrane, besonders bei PTFE-Beschichtungen, wird verhindert.

Der notwendige Wartungsaufwand, den eine Membranpumpe verursacht, ist zu minimieren. Die Bauweise muß folglich so einfach wie möglich sein. Die meisten Pumpen auf dem Markt weisen deshalb nur wenige Bauteile auf. Besteht eine Pumpe lediglich aus drei Gehäuseteilen, liegen sämtliche Dichtungen in zwei Ebenen und lassen sich gut vormontieren. Die Dichtungselemente beschränken sich auf zwei Sätze O-Ringe und die Membranen selbst. Alle Bauteile werden gleichmäßig über die Zuganker zusammengezogen und gleichzeitig abgedichtet. Eine besondere Vorsicht bei der Montage wird überflüssig.

Die Innenteile einer Membranpumpe sollten für sämtliche Ventiltypen gleich gestaltet sein. Dadurch wird die Ersatzteilliste so klein wie möglich gehalten. Keine Rolle spielt dabei, ob man Kugelventile für die Förderung von größeren Partikeln oder Zylinderventile für besonders hohe Trockenansaugleistungen benötigt. Identische und austauschbare Ventilsitze ermöglichen einen einfachen und schnellen Umbau. In jedem Fall muß ein Umbau durch ausschließliches Austauschen der vier Ventilkörper gewährleistet sein.

Die Möglichkeit eines Rückspülsystems, das bisher nur bei sehr wenigen Edelstahl-Membranpumpen angeboten wird, hat sich als nützlich und vorteilhaft erwiesen. Bei der A-Serie gewährleistet dies ein ausgeklügeltes Bypaßsystem, das um die Produktkammern herum in das massive Kunststoffgehäuse eingebaut ist. Es wird durch ein einziges Handventil abgedichtet. Dadurch lassen sich Beschädigungen der Membranen durch ausgetrocknete Medien nach längeren Stillstandszeiten drastisch reduzieren. Teure Medien bleiben während der Auszeiten nicht mehr in der Pumpe stehen, sondern fließen zur späteren Verwendung wieder in die Behältnisse zurück.

Bei der Förderung von besonders giftigen Medien ist ein Sperrkammersystem notwendig (Abb. 3). Dieses System beinhaltet eine zweite zusätzliche Membrane pro Produktkammer, die auch bei einem Membranbruch ein Freisetzen der giftigen oder brennbaren Flüssigkeit verhindert. Zwischen den beiden Membranen in der Sperrkammer befindet sich eine Sperrflüssigkeit, die nicht mit dem Produkt reagiert und eine andere elektrische Leitfähigkeit besitzt. Sollte einmal die produktberührte Membrane reißen, gelangt das Medium in den Zwischenraum und vermengt sich mit der Sperrflüssigkeit. Diese verändert ihre elektrische Leitfähigkeit, ein Alarm wird ausgelöst. Der Alarm kann anschließend ein Abschalten sowie Trennen der Pumpe vom Rohrleitungssystem mittels Produktventilen nach sich ziehen. So ist immer eine Kontamination der Umgebung ausgeschlossen. Sollte einmal die Membrane zwischen Antriebsluft und Sperrflüssigkeit brechen, verläßt die unbedenkliche Sperrflüssigkeit über den Luftantrieb die Pumpe.

Ein großes Problem von druckluftbetriebenen Membranpumpen ist die Schallemission. Die Geräuschentwicklung bei diesen Aggregaten ist schon allein durch die Expansion der Druckluft besonders störend. Dies läßt sich allerdings auch aufgrund der physikalischen Gesetze nicht durch Konstruktionsänderungen verhindern. Dennoch ist man heute in der Lage, durch passive Maßnahmen die Schallemission deutlich zu reduzieren. Nach dem Stand der Technik bietet sich hierzu eine pneumatisch pilotierte Luftsteuerung an, die das Entspannen der Druckluft verzögert. Sie ist in das massive Zentralgehäuse der Pumpe integriert, das bereits eine dämpfende Wirkung besitzt.

Zusätzlich werden die inneren Kräfte und Impulse der einzelnen Bauteile an die Betriebsbedingungen der Pumpe angepaßt. Bei einem Betrieb im unteren Bereich der Charakteristik werden die inneren Bauteile nur so schnell bewegt und belastet, wie der Betriebspunkt es fordert. Zusätzlich wählt man die Massen der einzelnen Komponenten so klein wie möglich, um unnötige Antriebsverluste zu vermeiden. Dadurch lassen sich die Komponenten schnell durch die Antriebsluft abbremsen und ein Anschlagen der Kolben an seine Begrenzungen verhindern. Eine Geräuschreduzierung ist gewährleistet und ein Aufstellen der Aggregate im Bereich von Arbeitsplätzen selbst ohne schalldämmende Gehäuse möglich.

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