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Bionik im Pumpenbau

Pulsierende Vene als Verdrängungsorgan
Bionik im Pumpenbau

Die Doppelschlauchmembranpumpe Multisafe stellt eine besondere Pumpenkonstruktion dar, die besonders sicher gegen Überdruck, Vakuum und ungünstige Saugverhältnisse ist. Die übliche Flachmembrane wurde dabei konsequent in eine Schlauchmembrane modifiziert, die als pulsierendes Verdrängungsorgan agiert. Sie leitet das Medium ohne Umlenkungen in einer geraden Strömungslinie durch die Pumpe und grenzt es zuverlässig vom Pumpengehäuse ab, so dass teure Sonderwerkstoffe überflüssig werden.

Heinz M. Nägel

Die Bionik beschreibt das Grenzgebiet zwischen Biologie und Technik. Ihr Ziel ist es, Konstruktionsprinzipien der Natur in beispielsweise technische Apparate zu integrieren. Dieses Prinzip wurde auch bei der Doppelschlauchmembranpumpe Multisafe angewandt. Dabei wurde die Flachmembrane einer Membranpumpe in eine Schlauchmembrane umgewandelt. Die hydraulisch aktivierte Schlauchmembrane arbeitet wie eine pulsierende Vene. Dabei ist das hydraulische Betätigungssystem durch das Schlauchmembranpaar vollkommen von der vom Förderfluid berührten Zone abgegrenzt. Insbesondere beim Transport von mit Feststoffen durchsetzen Flüssigkeiten, die häufig zu Sedimentationen neigen, ist auf eine gleichförmige Förderung zu achten. Die Sinkgeschwindigkeit der Feststoffe ist mit der Strömungsgeschwindigkeit des Förderfluids in Einklang zu bringen.
Bei oszillierenden Verdrängerpumpen muss infolge der periodisch wechselnden Kolbengeschwindigkeit mit jedem Hub die gesamte Flüssigkeitsmenge der Saug- und Druckleitung beschleunigt und wieder abgebremst werden, d. h. Verdrängerpumpen weisen einen Ungleichförmigkeitsgrad in Abhängigkeit der Zylinderzahl i auf. Der Ungleichförmigkeitsgrad s ist definiert als sMax/ sMittel. Für die Praxis ist ein kleiner s-Wert anzustreben. Er ergibt einen glatten Flüssigkeitsstrom. 3-fach wirkende Pumpen haben im Vergleich zu 2- oder 4-fach wirkenden Pumpen einen relativ geringen Ungleichförmigkeitsgrad. 3-fach wirkende Kolbenpumpen haben sich bereits in zahllosen industriellen Anwendungen bewährt. Dreifach wirkende, hermetisch dichte Verdrängerpumpen (hydraulisch angetriebene Membranpumpen) sind aufgrund des Durchmessers der Flachmembrane im Zylinderabstand so groß, dass in der Regel nur maßgeschneiderte, relativ teure, kombinierte Hub- und Untersetzungsgetriebe als Antriebseinheit verwendet werden können.
Bei der Doppelschlauchmembranpumpe Multisafe wird der Achsabstand der Antriebszylinder auf Abmessungen wie bei traditionellen Kolbenpumpen reduziert, d. h. es können kostengünstige Triebwerke verwendet werden. Zudem wird der Platzbedarf der Pumpe enorm verringert. Die Pumpen stehen für Fördermengen von 0,1 bis 300 m³/h und Druckstufen von 6 bis 250 bar zur Auswahl.
Konstruktion und Aufbau
Bei der Multisafe-Pumpe handelt es sich um eine hydraulisch angetriebene Doppelschlauchmembranpumpe mit einem frei schwingenden Schlauchmembranpaar. Im Pumpengetriebe wird die Rotation mit Hilfe eines Kurbeltriebs in eine translatorische Bewegung des Kreuzkopfes umgewandelt, der mit dem Kolben verbunden ist. Der Kolben bewegt über eine hydraulische Vorlageflüssigkeit das Schlauchmembranpaar. Die Verformung des Schlauchmembranpaares bewirkt eine Veränderung des inneren Volumens und damit die Verdrängung des Mediums. Die stets gleich bleibende, weggesteuerte elastische Verformung der Schlauchmembranen erfolgt konzentrisch gerichtet an den durch konstruktive Formgebung vorgegebenen Stellen.
Als Schlauchwerkstoff stehen verschiedene Elastomere und eine Ausführung aus reinem PTFE zur Verfügung. Die Lebensdauer der Schlauchmembranen ist um ein Vielfaches länger als bei herkömmlichen Flachmembranen. Entgegen mechanisch angetriebenen Schlauchpumpen wird die Schlauchmembrane der Doppelschlauchmembranpumpe nicht zusammengequetscht, sondern macht je Hub lediglich eine mit einer Vene vergleichbare Atembewegung, womit eine besonders lange Lebensdauer gewährleistet wird.
Hohe Sicherheit
Besondere Kennzeichen der Multisafe-Schlauchmembranpumpe sind ihre Einrichtungen zur Zustandsüberwachung der Schlauchmembranen und das Sandwich-Schlauchmembransystem. Überwachungssysteme signalisieren die beginnende Störung des leckfreien Betriebszustandes. Bei Beschädigung einer der beiden Schlauchmembranen gewährleistet die zweite einen sicheren Betrieb bis zur Reparatur.
Die Pumpe verfügt über ein zuverlässiges Leckageergänzungssystem, bestehend aus Leckagesteuer- und Leckageergänzungsventil. Dieses ist so konzipiert, dass eine unkontrollierte Überfüllung, wie es z. B. bei rein vakuumaktivierten Leckageergänzungssystemen der Fall ist, vermieden wird. Bei dem Feluwa-Leckageergänzungssystem muss das Leckageventil zuerst mechanisch entriegelt werden, bevor das Ergänzungsventil wirksam werden kann. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Schlauchmembrane auch bei Vakuumbetrieb nicht überdehnt wird.
Darüber hinaus verfügt jeder Pumpenkopf über ein eigenes, leicht zugängliches Überdrucksicherheitsventil, das während des Probelaufs der Pumpe auf dem werkseigenen Prüfstand auf den erforderlichen Nenndruck eingestellt wird. Außerdem wird die Pumpe mit Atex-Zulassung geliefert.
Online-Diagnose
Zu den derzeitigen Entwicklungsschwerpunkten im Bereich der Verdrängerpumpen gehören in erster Linie Funktionen, deren Zuverlässigkeit sich überwachen lässt. Es wurde daher ein Diagnosesystem konzipiert, das sich auf die vielfältigste Art und Weise mit der Prozessleittechnik verbinden lässt. Neben der Zustandsüberwachung für die Schlauchmembranen verfügt die Maschine über ein Online-Diagnosesystem zur permanenten Kontrolle der Förderventile in Kassettenbauweise.
Zur Dämpfung von Druckschwankungen werden Pulsationsdämpfer verwendet. Um die Masse des durch den Pumpenhub beschleunigten Fördermediums so gering wie möglich zu halten, werden die Pulsationsdämpfer grundsätzlich in unmittelbarer Nähe der Entstehungsquelle installiert. Die Wirkung der so genannten Windkessel ist vom Luftvolumen abhängig. Ein Nachteil besteht in der fortlaufenden Lösung des Gases an der Grenzfläche zur Förderflüssigkeit, so dass der Flüssigkeitsstand laufend gemessen und das Gasvolumen ggf. ergänzt werden muss. Um dies zu vermeiden, werden Pulsationsdämpfer mit Gas-Flüssigkeits-Trennung (vorkomprimierte Membranwindkessel) verwendet. Der Vorgang der Komprimierung und Dekomprimierung basiert auf dem Gesetz von Boyle-Mariotte: p1 x V1 = p2 x V2, d. h. das Produkt aus dem Druck p und dem spezifischen Volumen V einer abgeschlossenen Gasmenge ist bei gleich bleibender Temperatur konstant.
Ein Nachteil von Membranwindkesseln ist die relativ große Belastung der Trennmembrane und die daraus resultierende Anfälligkeit für Membranbrüche durch Materialermüdung aufgrund der zyklischen Durchflussschwankung. Darüber hinaus kommt das Fördermedium mit dem Gehäuse des Pulsationsdämpfers in Berührung. Dieses Problem wird bei der Multisafe-Pumpe durch den Einsatz von Schlauchmembranwindkesseln eliminiert. Hierbei dient die gleiche Schlauchmembrane, wie sie in der Pumpe eingesetzt wird, als Trennorgan zwischen Medium und Sekundärflüssigkeit. Der Schlauchwindkessel ist so ausgelegt, dass bei jedem Druckhub das über dem Durchschnitt liegende Fördervolumen durch Komprimierung der angebauten Luftblase im Schlauchwindkessel gespeichert wird. Beim Saughub des Kolbens wird dieses Volumen wieder freigegeben und kompensiert damit die unvermeidlichen Förderschwankungen. Das Besondere dieser Konstruktion besteht darin, dass die Vorkomprimierung des Blasenspeichers automatisch in Abhängigkeit des Betriebsdrucks erfolgt.
Halle A5, Stand 335
cav 434

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