Ganz ohne Knirschen und Klappern

Andreas Bachmann

Der größte Teil der Pumpenanwendungen in der chemischen Industrie wird mit Zentrifugalpumpen abgedeckt. Dieser Pumpentyp hat insbesondere den Vorteil, dass große Mengen von Flüssigkeit mit relativ kleinen und preiswerten Pumpen gefördert werden können. Der Einsatzbereich der Zentrifugalpumpen ist jedoch bedingt durch die Fördercharakteristik eingeschränkt. So lassen sich damit nur Flüssigkeiten mit relativ tiefen

Viskositäten fördern und auch die zu erreichenden Auslaufdrücke sind eingeschränkt. Zudem verändert sich deren Fördermenge mit dem Betriebspunkt. Die Pumpen sind also nicht zum Dosieren geeignet.

Sollte sich mit einer Zentrifugalpumpe das fördertechnische Problem nicht lösen lassen, so weicht man üblicherweise auf eine Verdrängerpumpe aus. Bei diesen Aggregaten gibt es wiederum verschiedene Bauformen mit spezifischen Einsatzgrenzen. So werden oszillierende Verdrängerpumpen wie Kolben- oder Membranpumpen dort eingesetzt, wo gegen hohe Drücke gefördert werden muss oder hohe Anforderungen an die Dosiergenauigkeit gestellt werden. Jedoch ist auch bei diesen Pumpentypen die Viskosität der Fördermedien durch die Ventile am Ein- und Auslauf der Pumpen beschränkt. Zudem kann die für diese Pumpen charakteristische Pulsation in vielen Anwendungen nicht akzeptiert werden.

Die zweite Bauart von Verdrängerpumpen sind die rotierenden Verdrängerpumpen. Ein Vertreter dieser Familie ist die Zahnradpumpe. Zahnradpumpen sind charakterisiert durch ihren einfachen, ventillosen Aufbau, der zuverlässige und hochpräzise Pumpenlösungen ermöglicht. Angefangen bei Schmierölpumpen für Getriebe und andere Maschinen, gehen die Lösungen über die Hydraulikpumpen bis hin zu Dosierpumpen für Chemikalien und Zusatzstoffe. Mit den geeigneten konstruktiven Maßnahmen können die Pumpen zudem für sehr anspruchsvolle Bedingungen eingesetzt werden. So können mit Zahnradpumpen Flüssigkeiten mit Viskositäten bis 20 Mio. mPas gefördert werden bei Drücken bis 1000 bar. Auch hohe Temperaturen bis 350 °C und korrosive Anwendungen können diese Pumpen bewältigen. Zudem bringen Zahnradpumpen den Vorteil, dass sie auch mit sehr tiefen Zulaufdrücken zuverlässig arbeiten.

Einige Beispiele für solch anspruchsvolle Anwendungen findet man in der Kunststoffherstellung. In diesen Anwendungen werden mithilfe von Zahnradpumpen hochviskose und sehr heiße Kunststoffschmelzen aus Reaktoren und sonstigen Apparaturen ausgetragen und der nachfolgenden Prozessstufe zugeführt. Bei den Pumpen ist nebst der Bewältigung der anspruchsvollen Betriebsbedingungen die Zuverlässigkeit im Betrieb sehr wichtig. Fällt eine Austragspumpe in einem solchen Werk aus, so steht der gesamte Produktionsprozess still, was zu massiven finanziellen Einbußen für den Betreiber führen kann.

Auch in der Kunststoffverarbeitung finden Zahnradpumpen ihren Einsatz. Dort werden sie als Druckerhöhungsaggregate zwischen Extruder und Werkzeug eingesetzt. Sie entlasten den Extruder vom Druckaufbau und ermöglichen so eine schonende und ökonomische Verarbeitung der Schmelzen und verbessern zudem die Produktqualität.

Natürlich gibt es in der chemischen Prozessindustrie noch eine Vielzahl von Anwendungen, in denen die Vorteile der Zahnradpumpen zum Zuge kommen. So werden die Pumpen auch als Austragsaggregate an Dünnschichtverdampfern eingesetzt, wo die Viskositäten zwar nicht so hoch sind wie in der Kunststoffindustrie, aber auch sehr tiefe Zulaufdrücke am Pumpeneinlauf anliegen. Zudem werden in solchen Anwendungen teilweise auch hohe Anforderungen an die chemischen Beständigkeiten der Pumpenwerkstoffe gestellt.

Ein aktuelles Beispiel für eine Kombination aus diesen Anforderungen kommt aus der Lebensmittelindustrie. Ein asiatischer Hersteller von Lebensmittelzusatzstoffen benötigte eine Pumpe, um hochviskose Zuckerester (Emulgatoren) aus einem Dünnschichtverdampfer auszutragen. Der Hersteller wendete sich an Maag Pump Systems, in der Hoffnung, dass deren langjährige Erfahrung ihm zu einer Lösung verhelfen kann. Die Anwendung fällt vor allem durch die hohe Viskosität des Fördermediums auf. Viskositätsmessungen im Labor haben ergeben, dass die Viskosität des Zuckeresters ein stark nicht-newtonsches Verhalten aufweist. Die Viskosität verändert sich also nicht nur mit der Temperatur, sondern auch mit der Scherung. Bei tiefer Scherung, wie es zum Bespiel im Behälter vor der Pumpe der Fall ist, beträgt die Viskosität des Zuckeresters mehrere Millionen mPas. Das heißt, die Flüssigkeit ist im Ruhezustand beinahe fest. Die Prozesstemperatur liegt bei ca. 100 °C. Diese Temperatur wird benötigt, um den Zuckerester einigermaßen fließfähig zu halten. Der Druck im Dünnschichtverdampfer liegt bei wenigen mbar. Der zur Verfügung stehende Zulaufdruck beschränkt sich also auf die statische Flüssigkeitssäule über der Pumpe.

Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde eine Pumpe mit spezieller Einlaufgeometrie benötigt, bei der der NPSHreq (Net Pressure Suction Head required) möglichst tief ist. Bei diesem Wert handelt es sich um den minimalen Einlaufdruck, der am Pumpenflansch anliegen muss, damit das Fördermedium angesaugt werden kann, ohne zu kavitieren. Nach Analyse der Situation wurde entschieden, basierend auf dem bestehenden Produktprogramm eine für diese Anwendung maßgeschneiderte Pumpe zu entwickeln. Es handelt sich dabei um eine Pumpe mit beheizbarem Gehäuse aus lebensmitteltauglichem Stahl. Um den tiefen NPSHreq zu erreichen, wurde das Gehäuse so ausgelegt, dass sich die Zahnräder nur wenige Millimeter unter der Anflanschfläche des Dünnschichtverdampfers befinden. Die Flüssigkeit liegt quasi direkt auf den Zähnen und kann so trotz des sehr tiefen Vakuums und dank einer speziellen Einlaufgeometrie mit einer statischen Flüssigkeitssäule von nur ca. 200 mm aus dem Hochvakuum im Behälter ausgetragen werden. Als Lagermaterial wurde gesintertes Siliziumkarbid gewählt, ein lebensmitteltauglicher Werkstoff mit guten Notlaufeigenschaften, der auch für allfällige Reinigungszyklen mit dünnflüssigen Medien eingesetzt werden kann. Als Dichtung dient eine gesperrte doppelte Gleitringdichtung, die auch bei tiefem Vakuum und hohen Viskositäten einen zuverlässigen Betrieb garantiert.

Diese Anwendung aus der Lebensmittelindustrie ist nur ein Beispiel dafür, welch anspruchsvolle Anwendungen mit Zahnradpumpen bewältigt werden können. Weitere Beispiele für hochviskose Medien aus dem chemisch-industriellen Bereich sind Harze, Silikone, Polyurethane, Klebstoffe, Bitumen und Fette. Nebst diesen zähen Medien können aber auch Medien mit ganz anderen, teilweise sehr anspruchsvollen Eigenschaften gefördert werden. Durch eine große Vielzahl von verschiedenen Lager-, Wellen- und Gehäusematerialien sowie einer großen Auswahl von verschiedenen Dichtungstypen, die anwenderspezifisch kombiniert werden, sind standardisierte Lösungen keine Seltenheit.

cav 401

Zahnradpumpen im Überblick