Hygienische Drehkolbenpumpe für rückstands- freie Reinigung

Sauberes Kraftpaket

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Der berührungsfreie Lauf der Förderelemente bei Drehkolbenpumpen eröffnet interessante Perspektiven. Zum einen eignen sich die Pumpen für hygienische Anwendungsfälle, da Abrieb und Produktkontamination vollständig eliminiert werden können, zum anderen arbeiten die Förderelemente bei reinen Flüssigkeiten völlig verschleißfrei. Diese Attribute resultieren zudem in minimalen Lebenszykluskosten. Bei gleichzeitig totraumfreier Ausführung kann sogar eine rückstandsfreie Reinigung erzielt werden.

Der hygienische Aspekt nimmt einen immer größer werdenden Stellenwert ein und schraubt die Ansprüche an das Equipment immer höher. Im vergangenen zwei Jahrzehnten wurde die manuelle Reinigung weitgehend durch die CIP-Reinigung ersetzt und die Drehkolbenpumpenhersteller sind nun gefordert, die gewonnene Erfahrung technisch umzusetzen. Bis in die 80er Jahre war Totraumfreiheit nicht relevant, da die Pumpen zur Reinigung zerlegt wurden (COP=Clean off Place). In den 80er und 90er Jahren nahmen automatisierte Reinigungsprozesse zu (CIP=Clean in Place), die Totraumfreiheit der Pumpe wurde zwingend, da Öffnung und Kontrolle nicht mehr möglich sind. EHEDG-Abnahmezertifikate für den Nachweis rückstandsfreier CIP-Reinigung wurden zur Pflicht. Die Pumpen liefen unter bestimmten Bedingungen während der Reinigung mit. Heute verlangen optimierte und kostenreduzierte Prozesse unter anderem eine All-in-One-Eignung der Drehkolbenpumpe, die nun zugleich als CIP-Reinigungspumpe für die gesamte Anlage dienen soll. Die Kostenoptimierung verlangt vor allem aber nach einer höheren Zuverlässigkeit der Pumpen, die bei den während der Reinigung vorliegenden Temperatursprüngen sicher ihren Dienst tun. Typische Reinigungsvorgänge mit Temperatursprüngen sind:

  • Wasserfahrt mit 80 bis 85°C, mit 1 bis 3 bar Differenzdruck
  • Lauge- oder Säurefahrt (z. B. Natronlauge, Salpetersäure) mit 60 °C
  • Wasserfahrt zur Spülung, kalt oder warm, mit 1 bis 3 bar Differenzdruck
  • Sterilisation mit Sattdampf bei 120 bis 130 °C
Mit Selbstreinigungseffekt
Die Berührungsfreiheit der Förderelemente steht im Widerspruch zum Leistungsvermögen, da die erforderlichen Spalte Schlupf (=Rückströmung) zulassen. Schlupf ist nach heutiger Auffassung ein höchst willkommener Nebeneffekt, der zur Reinigung aller produktberührten Einbauten wie Gleitringdichtungen und Rotorschrauben hervorragend genutzt werden kann, wenn diese – wie bei der Pomac-Drehkolbepumpe PLP – im jeweiligen Strömungspfad angeordnet sind. Bei einer Wasserfahrt mit beispielsweise 85 °C warmen Wasser werden Strömungsgeschwindigkeiten von 10 m/s und mehr erreicht. Das resultiert in Reynoldszahlen in den Spalten von 20 000 und höher. Diese sehr turbulente Strömung erzielt rund um den Rotor einen exzellenten Reinigungseffekt.
All-in-One-Eignung vorhanden
Die Pomac-Drehkolbenpumpe PLP kann sowohl als Produktpumpe als auch als CIP-Pumpe der zu reinigenden Anlage verwendet werden. Damit ist ein erhebliches Einsparungspotenzial gegeben. Moderne Antriebstechnik mit Frequenzumrichtern und 87-Hz-Kennliniencharakteristik ermöglicht die Verwendung der Drehkolbenpumpe bei den nötigen hohen Drehzahlunterschieden. Beispielsweise wird Tomatenkonzentrat mit einer Viskosität von 45 000 mPas mit einer Drehzahl von 50 min-1 gefördert, die CIP-Reinigung läuft bei 2 bar und 600 min-1. Der Frequenzbereich reicht von 8,33 bis 100 Hz.
Ein Muss für jeden Drehkolbenpumpenhersteller sind die EHEDG-Dokumente 8 und 2. Das aussagekräftige Dokument 2 weist per Test die rückstandsfreie Reinigung der Pomac-Drehkolbenpumpe PLP nach. Als Referenz dient dabei ein gerades Stück Rohr, das als geometrisch ideal anzusehen ist. Die vertikale Stutzenlage und Merkmale zur Restentleerbarkeit sind dafür Vorraussetzung.
Temperaturverhalten
Da der Selbstreinigungseffekt bei Drehkolbenpumpen nur dann greift, wenn die Pumpe selbst gegen einen Differenzdruck arbeitet, stellt das eine große Herausforderung an den Konstrukteur dar, denn dieser muss sicherstellen, dass selbst beim CIPen und sogar beim Bedämpfen die Berührungsfreiheit sicher gestellt wird, damit die Pumpe nicht fest läuft. Aufgrund der stark unterschiedlichen Massen der rotierenden und stationären Teile tritt eine unterschiedliche Wärmeausdehnung auf, die bei steigender Temperaturdifferenz die axialen Spalte am Deckel und im Pumpengehäuse aufzehren will. Die Besonderheit der PLP-Drehkolbenpumpen besteht in der konsequenten Auslegung der Werkstoffe und Geometrien auf eine reduzierte Ausdehnung der Wellen, so dass die kritischen axialen Spalte auch bei hoher Temperaturdifferenz (60 bis 85 °C bei CIP und 120 bis 130 °C bei SIP) ohne Berührung erhalten bleiben.
Das Design macht’s
Modernes Pumpendesign zeichnet sich durch frontseitig angeordnete Gleitringdichtungen aus, die die Wellen vom Produkt isolieren. Daher gibt es Freiheitsgrade in der Wahl der Wellenwerkstoffe, so dass hier abweichend von Edelstahl 316L auch andere Werkstoffe verwendet werden können. Das Einsparungspotenzial an Ausdehnung beträgt etwa 30 %, das über Erfolg und Nichterfolg entscheidet, wenn man sich vor Augen hält, dass die Spalte bei Drehkolbenpumpen im Bereich von nur 0,1 bis 0,2 mm liegen. Die im Rotor integrierten Gleitringdichtungen reduzieren die freien Wellenüberhänge erheblich, dämmen die Temperaturausdehnung ein und lassen im Zusammenspiel mit großen Lagern und Wellendurchmessern erheblich höhere Belastungsgrenzen zu. Differenzdrücke bis mindestens 15 bar bei allen Ausführungen stellen einen erheblichen Zuwachs an Zuverlässigkeit dar. Einige Pomac-Drehkolbenpumpen können von der Mechanik her bis weit über 30 bar eingesetzt werden, auch wenn der hohe Druck in der Praxis gar nicht benötigt wird. Da die Belastungsgrenzen in Abhängigkeit der Einflussgrößen fließend sind, eignet sich zur präzisen Auslegung ein Berechnungsverfahren, das alle kritischen Belastungskriterien der Drehkolbenpumpe PLP exakt aufzeigt. Beim Auslegungsprogramm PLPselect werden alle für die Drehkolbenpumpen relevanten Kriterien wie die Spaltaufzehrung (Druck und Temperatur), die festigkeitsmäßige Auslastung der Wellen und Getriebeteile sowie die zu erwartende Lagerlebensdauer mit jedem Klick berechnet und überprüft. Das bedeutet hohe Informationsdichte und Sicherheit sowie eine wirtschaftlich optimierte Pumpenauswahl.
cav 432

Technische Details zu den Pomac-Pumpen
Achema 2006
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