Langlebige Vakuumpumplösungen

Was es bei Auslegung und Betrieb zu beachten gilt

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Oft steht bei der Auswahl der idealen Vakuumlösung nur der Preis im Vordergrund. Allerdings birgt diese Priorisierung auch die Gefahr einer geringeren Standzeit und hoher Wartungskosten im späteren Betrieb. Fehler bei Auswahl und Betrieb einer Pumpe lassen sich oft ganz einfach verhindern, wenn entsprechende, auf den jeweiligen Pumpentyp abgestimmte Hinweise beachtet werden. Im Folgenden werden die wichtigsten Informationen zum korrekten Umgang mit Wälzkolbenpumpen zusammengestellt.

Eine Wälzkolbenpumpe arbeitet rein volumetrisch und hat im Gegensatz zur Drehschieberpumpe keine innere Verdichtung. Sie verdichtet gegen den Auspuffdruck. Alle medienberührten Teile sind ölfrei. Aus diesem Grund spricht man bei Wälzkolbenpumpen auch von Trockenläufern. Sie zeichnen sich durch ihre kompakte Bauform bei hohem Saugvermögen aus. Pfeiffer Vacuum hat das Wälzkolbenprinzip weiterentwickelt und stellt magnetgekuppelte Wälzkolbenpumpen her. Die Vakuumpumpen der Serie Oktaline Atex sind für Prozesse in explosionsgefährdeter Umgebung beziehungsweise zum Evakuieren von explosiven Gasen einsetzbar.

Je nach Anwendung können Kunden zwischen Gerätekategorie 2 und 3 wählen. Alle Pumpen sind für die Temperaturklasse T3 geeignet. Das Konzept der bewährten Wälzkolbenpumpen wurde durch die Magnetkupplung ergänzt. Diese somit hermetisch dichten Pumpen weisen sehr niedrige Leckraten von kleiner als 1×10-6 Pa m3/s auf. Dank der Magnetkupplung entfallen Wellendichtringe, die Schwachstellen bei Druckstößen darstellen und wartungsintensiv sind. Die Pumpen der Serie Oktaline Atex sind bis 1600 kPa druckstoßfest.
Zudem wird durch die Magnetkupplung eine Zonenverschleppung verhindert. Die komplette Atex-Baureihe besitzt einen Saugvermögensbereich von 280 bis 5190 m³/h. Die Getriebe- und Lagerbereiche der Wälzkolbenpumpen sind vom Gasförderraum getrennt. Durch das berührungslose Arbeiten der Wälzkolben ist ein technisch trockener Betrieb gewährleistet. Ein weiterer Vorteil ist die Luftkühlung, denn dadurch sind die Betriebskosten deutlich niedriger als bei einer Wasserkühlung.
Voraussetzungen für hohe Standzeiten
Die Wälzkolbenpumpen können aber nur dann zuverlässig ihren Dienst verrichten, wenn die Vakuumlösung optimal auf den Bedarf angepasst ist und einige wichtige Regeln beachtet werden. Nicht selten kommt es jedoch bei Auswahl und Betrieb einer Vakuumpumpe zu Fehlern, die sich negativ auf die Standzeiten auswirken. Diese lassen sich oft ganz einfach verhindern. Beispielsweise wird davon abgeraten, eine bei maximalem Differenzdruck laufende Wälzkolbenpumpe ohne Abkühlung direkt auf Endvakuum umzuschalten. Im Endvakuum wird durch den geringen oder Null-Gasdurchsatz keine Wärme über das Gas und auch keine Wärme schnell über die Gehäuseoberfläche abgeführt. Durch die plötzliche Temperaturerhöhung wird der Spalt zwischen Rotor und Gehäuse null und die Rotoren laufen im Gehäuse an. Im Extremfall führt dies zu einem Totalausfall.
Plötzlich auftretende starke Absenkungen der Umgebungstemperatur haben zur Folge, dass sich das Pumpengehäuse zusammenzieht, die Wälzkolben jedoch noch heiß sind und im Gehäuse anlaufen. Dies ist beim Betrieb im Endvakuum besonders kritisch. Solche Temperaturschocks sind unbedingt zu vermeiden. Weiterhin ist darauf zu achten, dass beispielsweise im Winter keine in der Nähe befindlichen Rolltore oder Türen plötzlich geöffnet werden und die Pumpen bei Freiaufstellung durch eine Überdachung gegen abkühlenden Regen geschützt werden. Würde im Brandfall Löschwasser direkt auf die Pumpe gerichtet, könnte das Gehäuse, speziell das der Pumpen in der Graugussversion, platzen. Die Pumpenversion in Kugelgraphitguss ist aufgrund der anderen Gefügestruktur und der höheren Festigkeit des Werkstoffs diesbezüglich sicherer.
Schutz gegen Überhitzung
Wird die Wälzkolbenpumpe im Bereich ihres maximalen Differenzdrucks betrieben, ist zum Schutz gegen Überhitzung ein Temperaturfühler im Austrittsstutzen anzubringen. Dieser generiert bei einer definierten Gastemperatur eine Warnung und schaltet beim Erreichen der maximal zulässigen Temperatur die Pumpe ab. Vorzugsweise kommen Thermoelemente zum Einsatz.
Es gibt Anwendungen, beispielsweise das Schnellevakuieren von Schleusen (L/L), in denen kürzeste Taktzeiten von wenigen Sekunden realisiert werden müssen. In diesem Fall ist darauf zu achten, dass die Abstufung von der Wälzkolbenpumpe zur Vorpumpe im Bereich von 2:1 liegt. Dies ist notwendig, da der Großteil der Auspumpzeit zum Evakuieren von Atmosphäre bis circa 100 hPa auf die Vorpumpe entfällt und die Wälzkolbenpumpe erst ab circa 10 hPa wirksam mitarbeitet. Aus diesem Grund muss die Vorvakuumpumpe entsprechend großzügig dimensioniert sein.
Um unzulässige Stromspitzen und kostenintensive Leistungsschalter zu vermeiden, ist es sinnvoll, bei mehrstufigen Pumpständen oder bei mehreren parallel betriebenen Pumpkombinationen die Pumpen von der Atmosphärenpumpe zeitverzögert einzuschalten. Mit einem Zeitglied lässt sich der Kaskadenanlauf leicht in der Steuerung und SPS realisieren. Eine Alternative ist das langsame Hochfahren der Pumpen mit Frequenzwandler.
Flüssigkeitsschläge vermeiden
Plötzliche Flüssigkeitsschläge können die Pumpe zerstören, da es zu einer schlagartigen Abkühlung durch die dem Gas zur Verdampfung der Flüssigkeit entzogene Wärme kommt. Die zusätzlich entstehende Dampfmenge kann nicht schnell genug weggepumpt werden, weil die Vorvakuumpumpe überlastet wird und der Vorvakuumdruck möglicherweise zu stark ansteigt. In einem solchen Fall ist es sinnvoll, einen Kondensator zwischen Prozesskammer und Wälzkolbenpumpe einzubauen. So wird die Flüssigkeit vor der Pumpe abgefangen.
Bei partikelgenerierenden und staubbeladenen Prozessen ist es zum Schutz der Wälzkolbenpumpe sowie der nachgeschalteten Pumpen sinnvoll, saugseitige Staubfilter einzubauen. Zum Schutz gegen größere Feststoffe und Schweißperlen sollte ein sogenannter Splitterschutz in den Ansaugstutzen der Wälzkolbenpumpe eingebaut werden. Diese Partikel können sich beim erstmaligen Anpumpen einer Anlage aufgrund unzureichender Reinigung aus den Schweißverbindungen lösen. In diesem Fall empfiehlt es sich, auf das Original-Herstellerzubehör zurückzugreifen. Der Splitterschutz ist nämlich so ausgelegt, dass sein freier Querschnitt dem der Pumpennennweite entspricht. Damit wird das Saugvermögen nicht durch größere Leitwertverluste beeinträchtigt.
Abpumpen von kritischen Gasen
Beim Pumpen von kostspieligen Reinstgasen wie Helium 3 und Helium 4 ist ein Austausch mit der Umgebungsluft im Prozess unbedingt zu vermeiden. Eine hohe Dichtheit mit niedriger Leckrate der Pumpen im Bereich von 10-5 bis 10-8 hPal/s ist erforderlich. Pfeiffer Vacuum bietet anstelle der üblichen Wellendurchführung zum Motor eine Permanentmagnetkupplung an. Undichtigkeiten der Wellendichtringe sind damit Vergangenheit. Bei der Magnetkupplung können kostengünstige Standardmotoren eingesetzt werden. Die Magnetkupplungen gibt es für Wälzkolbenpumpen bis 12 000 m³/h.
www.prozesstechnik-online.deSuchwort: cav1216pfeiffervacuum

Heinz Barfuss
Produktmanager, Pfeiffer Vacuum
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