Pumpen sind überall zu finden, wo Medien von A nach B gefördert werden müssen. Sie halten Industrieprozesse in Gang. Um einen reibungslosen Produktionsablauf zu sichern, ist es wichtig, das Trockenlaufen von Pumpen zu vermeiden und Kavitation im Prozess zu erkennen. Denn beides kann zu Beschädigungen oder Ausfällen führen.
Trockenlaufen bedeutet, dass Gasblasen in die Pumpe gelangen und diese nicht wieder verlassen können. Es befindet sich also zu wenig oder keine Flüssigkeit im Pumpengehäuse. Eine Ursache dafür kann die nicht sachgemäße Inbetriebnahme einer Anlage sein – bei leerem Tank oder geschlossener Saugleitung zum Beispiel. Auch die nicht fachgerechte Auslegung einer Pumpe kann Trockenlauf verursachen. Berücksichtigt der Anlagenbauer etwa Höhenunterschiede unzureichend, kann das später zu Problemen im Saugverhalten der Pumpe führen.
Schäden durch Trockenlaufen
Was passiert, wenn Pumpen trocken laufen? Je nachdem, wie schnell Gas in den Leitungen erkannt wird und wie hoch das Volumen des Gaseinschlusses ist, können die Auswirkungen unterschiedlich groß sein. Im besten Fall werden Komponenten nur vorübergehend überbeansprucht, im schlechtesten Fall wird die Pumpe zerstört.
Ähnlich dramatische Folgen hat die Blasenbildung durch Kavitation.
Von Kavitation (Hohlraumbildung) in Flüssigkeiten spricht man, wenn Gasblasen an schnell drehenden Gegenständen oder in Verengungen entstehen und sich schlagartig wieder auflösen. Das kann im schlimmsten Fall zum Totalausfall der Pumpe führen.
Ursachen für die Kavitation
Die Ursache für die Kavitation ist der Bernoulli-Effekt: Je schneller sich eine Flüssigkeit bewegt, desto geringer ist ihr statischer Druck. An den schnell bewegten Teilen einer Pumpe kann der statische Druck sogar unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit fallen. Ist diese Schwelle unterschritten, bilden sich dort Gasblasen. Sobald der Umgebungsdruck beim Weiterströmen wieder ansteigt, implodieren die Gasblasen lautstark und verursachen Vibrationen. Die hohen Drücke dieser Implosionen können Laufrad und Pumpengehäuse durch Lochfraß schädigen oder zerstören.
Frühzeitige Gasblasendetektion
Je komplexer eine Anlage ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Gas in Leitungen und Pumpen gerät. Angesichts der Schäden, die oftmals mit Ausfallzeiten und hohen Wartungskosten verbunden sind, ist es notwendig, Gas und Gasblasen frühzeitig im System zu detektieren. Doch wie können Pumpenbetreiber dies bewerkstelligen?
In geschlossenen Systemen ohne Möglichkeit der Sichtkontrolle lassen sich Gasblasen ja nur erahnen. Pumpenschutz beruht deshalb oft auf Akustikkontrolle, sprich auf den Ohren des aufmerksamen Technikers. Gas in einer Pumpe ist meistens schwer zu überhören, da das Gerät plötzlich deutlich lauter läuft.
Seit einigen Jahren gibt es auch eine Sensorlösung zur Leerrohrerkennung. Ein von oben ins Rohr eingelassener Grenzstandschalter, beispielsweise der Cleverlevel von Baumer, prüft, ob das Rohr mit Flüssigkeit gefüllt ist oder nicht. Sobald sich kein Gas mehr im Rohr befindet, liefert der Sensor das Signal zum Anfahren der Pumpe.
DK-Wert-basierte Detektion
Für wirksamen Pumpenschutz müssen Gasblasen zuverlässig erkannt werden, bevor sie in das Innere gelangen. Diese Aufgabe meistert der Baumer-Analysesensor PAD20, der selbst kleinste Gas- und Luftblasen im Medium sicher erkennt. Dank seines smarten Sensorprinzips meldet er, sobald die individuell einstellbaren Grenzwerte für Gaseinschlüsse überschritten werden. Das Messprinzip beruht auf der DK-Wert-basierten Detektion (DK steht für Dielektrizitätskonstante) mit einer Mindestleitfähigkeit von DK 1,5. Der PAD20 erkennt dank ausgefeilter Algorithmen sehr genau, wann Gas und wann eine Flüssigkeit an ihm vorbeiströmt. Der Sensor misst unabhängig vom Medium und ermöglicht so maximale Flexibilität. Das Signal „Gasblasen im Medium“ lässt sich nutzen, um die Pumpe abzuschalten oder eine einfache Warnmeldung zu geben. Zu den Pumpentypen, die der PAD20 schützen kann, zählen vor allem Kreisel-, Zahnrad- und Kolbenpumpen.
Kooperation mit Sachsenmilch
Seinen Ursprung hat der PAD20 in der Lebensmittelindustrie. Das Molkereiunternehmen Sachsenmilch konnte bei der Herstellung von Fruchtjoghurt die Liefercontainer mit der teuren Fruchtzubereitung jahrelang nicht komplett entleeren. Das Problem: Wenn das Unternehmen fast die gesamte Fruchtmischung nutzen wollte, riskierte es immer, dass die Anlage Gas zog und aufwendig entlüftet werden musste. Daher ließ es beim Containerwechsel immer eine Sicherheitsreserve der teuren Zutat in dem Behälter. Baumer entwickelte gemeinsam mit Sachsenmilch den PAD20, der auch als Pumpenschutz sehr gut geeignet ist.
Bei Sachsenmilch detektiert der Analysesensor PAD20 Luft- und Gaseinschlüsse in der Rohrleitung, signalisiert somit punktgenau das Leerlaufen der Container und bestimmt den optimalen Zeitpunkt für den Containerwechsel.
Überall, wo Flüssigkeiten in geschlossenen Systemen bewegt werden, kann der PAD20 die Pumpe vor Luft und Gas schützen. Mögliche Zielanwendungen sind neben dem Pumpenschutz die Überwachung von Heiz- und Kühlkreisläufen. In Letzteren würden Gas oder Luft den Wärmeübergang stören. Der Einsatz des Analysesensors PAD20 zur Gasblasenerkennung sichert hier nicht nur einen energieeffizienten Betrieb, sondern erhöht auch die Prozesssicherheit.
Zurück zur Lebensmittelproduktion: Bei der Lebensmittelherstellung sind unerwünschte Gasblasen im System besonders heikel, da sie nicht nur die Pumpen, sondern auch die Lebensmittelqualität gefährden können. Denn Luft- oder Gaskontakt während Verarbeitung, Abfüllung oder Verpackung kann direkte Auswirkungen auf die Qualität der produzierten Nahrungsmittel haben. Frühzeitige Gasdetektion reduziert hier den Ausschuss und steigert die Anlageneffizienz.
Baumer Electric AG, Frauenfeld
Autor: Julian Budde
Produktmanager,
Baumer
