Intelligente Regelung senkt Stromaufnahme

Der Autor: Dr. Jürgen Dirscherl Technischer Leiter, Vacuubrand

Für chemische Prozesse im Labormaßstab hat sich die Chemie-Membranvakuumpumpe weitgehend durchgesetzt. Sie ist ölfrei, die medienberührten Teile lassen sich aus chemisch beständigen Materialien wie Fluorkunststoffen aufbauen und die Pumpe verbraucht kein Wasser. Durch die hermetische Abdichtung des Schöpfraumes sind keine empfindlichen Wellendichtringe, Gleitdichtungen (Kolbenpumpen, Scrollpumpen) oder Ähnliches erforderlich. Aus verfahrenstechnischer, wirtschaftlicher und ökologischer Sicht stellt dieser Pumpentyp für viele Anwendungen das Optimum dar. Kleinere Kilolab-, Technikums- und Produktionsanlagen lassen sich bei geeigneter Auslegung des Vakuumsystems durchaus auf die vorteilhaften Chemie-Membranpumpen umstellen. Diese sind inzwischen bis zu maximalen Saugvermögen von 12 m3/h und Endvakuum bis unter 1 mbar erhältlich.

Häufig werden die Chemie-Membranpumpen mit einer Vakuumregelung beispielsweise mithilfe eines manuell oder elektronisch betätigten Ventils oder einer Drehzahlregelung ausgestattet. Die Vakuumregelung über die Drehzahl der Pumpe bietet zahlreiche Vorteile: Im Vergleich zu Zweipunktreglern ermöglicht sie durch die kontinuierliche Regelung eine unvergleichlich bessere Vakuumregelpräzision, die auch die vollautomatische Siedepunktserkennung und -nachführung erlaubt. Die Pumpe wird mit genau dem Saugvermögen betrieben, das wirklich für die Anwendung gebraucht wird. Die Standzeit der einzigen Verschleißteile – Membrane und Ventile – verlängert sich entsprechend. Die Drehzahlregelung reduziert aber auch die Geräusch- und Vibrationsentwicklung auf ein Minimum.

Obwohl die Energieeffizienz heute in aller Munde ist, wird diese gerade bei kleineren Geräten oft wenig beachtet. Anhand der Eindampfung unter Vakuum lassen sich die Effizienzvorteile von Pumpen mit drehzahlvariablen Antrieben aufzeigen.

Viele Proben würden bei zu tiefem Vakuum überschäumen, daher muss das Vakuum eingestellt oder geregelt werden. Die Einstellung der Saugleistung erfolgt traditionell durch Drosselung (manuelles oder elektronisches Regelventil) oder durch Zugabe sogenannter Falschluft. Im Gegensatz dazu erfolgt bei drehzahlvariablen Systemen die Einstellung direkt über die Motorgeschwindigkeit der Pumpe. Diese Art der Regelung ist energieeffizienter als herkömmliche Systeme, insbesondere, da nach dem eigentlichen Abpumpvorgang auf den Siededruck des Lösemittels oft eine sehr geringe Pumpleistung ausreicht, um den Verdampfungsprozess aufrechtzuerhalten.

Eine weitere Steigerung erfährt die Energieeffizienz (wie übrigens auch die Bedieneffizienz) durch den Einsatz von elektronischen Vakuum-Controllern, die in der Lage sind, einen Verdampfungsprozess vollautomatisch ablaufen zu lassen. Diese Automatik (Vacuubrand Vario) erkennt selbstständig den Siededruck des Lösemittels und führt das Vakuum entsprechend dessen Veränderung nach.

Meist wird der Siededruck während der Eindampfung sinken, da sich das Lösemittel durch die Verdampfung abkühlt, und sich ein neues Gleichgewicht mit der Nachheizung einstellt. Eine feste Vakuumeinstellung (z. B. über eine Lösemittelbibliothek) oder eine Pseudo-Automatik ohne Nachführung kann dem nicht folgen. Durch die Vario-Automatik wird der Prozess optimal, d. h. schnellstmöglich, gefahren. Auch dies ist für die Energieeffizienz von Bedeutung.

Zur Veranschaulichung sind in der Grafik die gemessenen Stromaufnahmen (bei 230 V, 50 Hz) verschiedener Vakuumpumpen bei einem typischen Verdampfungsprozess dargestellt. Die rote Kurve zeigt die Stromaufnahme eines herkömmlichen Chemie-Pumpstands mit fester Drehzahl. Das Vakuum wurde von Hand während der Verdampfung laufend optimal eingestellt.

Der Prozess dauert 33 Minuten und verbraucht 0,1 kWh bis zur vollständigen Verdampfung des Ethanols. Zu vergleichen ist diese Kurve mit der blauen, die den Stromverbrauch eines sonst baugleichen Pumpstands mit drehzahlgeregeltem Motor zeigt, wobei die Eindampfung vollautomatisch während des gesamten Prozesses mithilfe eines Vakuum-Controllers (CVC 3000) erfolgt. Man erkennt, dass der Stromverbrauch weniger als ein Drittel beträgt und der Prozess sogar etwas schneller abläuft.

Die Energiekosten und damit der CO2-Ausstoß lassen sich also durch einen drehzahlvariablen Antrieb (aus Frequenzumrichter und Asynchronmotor) auf ein Drittel reduzieren. Synchronantriebe sind aber bei niedrigen Drehzahlen noch deutlich effizienter und außerordentlich kompakt. Der Pumpstand Vacuubrand PC 3001 Vario zeigt eindrücklich, was mit dieser Technologie möglich ist: kompakt, leistungsstark und vollautomatisch. Die grüne Kurve in der Grafik zeigt den Stromverbrauch bei der Muster-Verdampfung mit einem PC 3001 Vario im Vollautomatikbetrieb. Der Energieverbrauch ist um mehr als einen Faktor 10 niedriger als bei der Pumpe mit Festdrehzahl. Zugleich läuft der Prozess auch deutlich schneller ab. Das maximale Saugvermögen des PC 3001 Vario ist dabei ähnlich dem der Vergleichspumpen, während das Endvakuum sogar deutlich besser ist, also noch höhersiedende Lösemittel eingedampft werden können.

Vario-Pumpstände sind von Vacuubrand bis zu einem Endvakuum von unter 1 mbar und über 10 m3/h Saugvermögen erhältlich. Systeme dieser Größe lassen sich gut im Technikum, Kilolabs und für kleinere Produktionsanlagen einsetzen.

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