Betriebstechnik Qual der Wahl

Auswahl von Vakuumerzeugern für die pneumatische Förderung.

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Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

trivid GmbH

Die technische Auslegung von pneumatischen Förderanlagen und die Auswahl der jeweils optimalen Vakuumerzeuger ist mit zahlreichen Unsicherheiten behaftet. Fehler beim Auslegen haben in der Vergangenheit immer wieder zu Problemen wie Verstopfung der Rohrleitungen oder dem Nichterreichen der spezifizierten Förderleistung geführt. Die Folge sind kostspielige Nachbesserungen vor Ort bis hin zu Vertragsstrafen. In vielen Fällen hätte dies durch die Auswahl einer besser geeigneten Vakuumpumpe vermieden werden können.

Dem Projektingenieur kommt damit nicht nur die Aufgabe zu, eine beliebige Vakuumpumpe nach Volumenstrom und Druckdifferenz auszuwählen. Er muss darüber hinaus auch das Betriebsverhalten der Anlage unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Vakuumpumpe und Anlage beurteilen. Die heute in pneumatischen Förderanlagen eingesetzten Vakuumpumpen sind in der Regel - ein- bis vierstufige Seitenkanal-Vakuumpumpen, - ölüberflutete Drehschieber-Vakuumpumpen, - Roots-Gebläse sowie - trocken laufende Klauen-Vakuumpumpen.Kennlinie charakterisiert das Betriebsverhalten

Das Betriebsverhalten einer Vakuumpumpe wird im Wesentlichen durch ihre Kennlinie charakterisiert, die den Volumenstrom in Abhängigkeit vom Ansaugdruck darstellt. Um die verschiedenen Funktionsprinzipien in Bezug auf deren Betriebsverhalten direkt miteinander zu vergleichen, ist es sinnvoll, die Kennlinien zu normieren.

Das Saugvermögen der Pumpe wird dann nicht mehr absolut angegeben, sondern relativ zum Nennsaugvermögen bei freiem Durchgang (Bild 3). Der Volumenstrom in einer Rohrleitung ist gleich dem Produkt aus der Strömungsgeschwindigkeit und dem Strömungsquerschnitt der Förderleitung.V = w p/4 d2 dabei ist V der Volumenstrom, w die Strömungsgeschwindigkeit und d der Leitungsdurchmesser. Die Geschwindigkeit ist demnach direkt proportional zum Volumenstrom. Damit lassen sich aus den Volumenstromkennlinien V(Dp) gemäß Bild 1 für bestimmte Werte von Nennsaugvermögen und Leitungsdurchmesser Geschwindigkeitskennlinien w(Dp) berechnen. Bild 4 zeigt die berechneten Werte für Vakuumpumpen mit einem Nennsaugvermögen von 250 m3/h bei einem Leitungsdurchmesser von 50 mm.

Aus dem praktischen Betriebsalltag ist bekannt, dass bei zunehmenden Widerständen oder Störungen in der Anlage die Strömungsgeschwindigkeiten abnehmen. Die Strömungsgeschwindigkeit wiederum hat direkten Einfluss auf den Förderzustand (Bild 6). Bei Geschwindigkeiten von 25 bis 35 m/s beobachtet man in der Regel reine Flugförderung, bei der die Feststoffpartikel annähernd gleichmäßig über den Rohrquerschnitt verteilt in der Luftströmung schweben. Unterhalb von 20 m/s tritt gewöhnlich keine reine Flugförderung mehr auf. Einzelne Partikel fallen beispielsweise aus der Luftströmung aus und bewegen sich als Strähne am Rohrboden entlang. Ein weiteres Absinken der Geschwindigkeit mit weiterem Ausfallen von Feststoffpartikeln kann bis zur Verstopfung der kompletten Rohrleitung führen.

Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst den Förderzustand

Bei sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 2 bis 6 m/s kann es bei der pneumatischen Förderung auch Pfropfenförderung auftreten. Hierbei schließen sich die Partikel lose zu Pfropfen einer bestimmten Länge zusammen, welche den gesamten Rohrleitungsquerschnitt ausfüllen. Dieser Förderzustand stellt sich aber nicht zwangsläufig ein, wenn die Geschwindigkeit der Strähnenförderung reduziert wird.

Die Betrachtung der Geschwindigkeitskennlinien mit Kenntnis der verschiedenen Förderzustände zeigt, dass die optimale Betriebssicherheit einer Förderanlage durch den Einsatz von Vakuumpumpen mit möglichst flachen Kennlinien erreicht wird. Gemäß Bild 4 bieten die Klauen-Vakuumpumpe und die ölüberflutete Drehschiebervakuumpumpe solche Kennlinien.

Welche Pumpenbauart soll eingesetzt werden?Bei einfachen Förderaufgaben ohne besondere Anforderungen an die Kennlinienqualität kommen ein- und zweistufige Seitenkanalgebläse zum Einsatz. Diese sind preisgünstig, arbeiten berührungslos und praktisch wartungsfrei. In Bezug auf die Energiekosten ist diese Bauart jedoch am ungünstigsten. Zum Erreichen größerer Endvakua bis 200 mbar (absolut) mit erheblich flacherer Kennlinie werden in Saugförderanlagen vielfach auch vierstufige Seitenkanalvakuumpumpen eingesetzt.

Die weit verbreiteten Rootsgebläse werden für eine große Bandbreite von Volumenströmen verwendet und bieten bei geringeren Druckdifferenzen einen sehr guten Wirkungsgrad. Wie die eingangs angestellten Überlegungen zeigen, bieten die Klauenvakuumpumpe und die ölüberflutete Drehschieberpumpe mit ihren stabilen Kennlinien und Fördergeschwindigkeiten die maximale Betriebssicherheit in der Förderanlage. Ein Vorteil der ölüberfluteten Drehschiebervakuumpumpe gegenüber der trocken laufenden Klauenvakuumpumpe sind die geringeren Anschaffungskosten, dem steht ein schlechterer Wirkungsgrad mit entsprechend höheren Energiekosten sowie ein höherer Wartungsaufwand gegenüber.

Außerdem sind Betriebsverhalten und Wirkungsgrad der Drehschieberpumpe durch Verschleiß oder Versäumnisse bei der Wartung nicht unbedingt konstant. Die trocken laufende Klauen-Vakuumpumpe bietet außer ihrem stabilen Betriebsverhalten einen sehr guten Wirkungsgrad mit entsprechend niedrigeren Energiekosten. Ölhaltige Abluft oder zu entsorgende Betriebsmittel fallen nicht an. Das Arbeitsprinzip bietet darüber hinaus die Möglichkeit der Drehzahlanpassung mittels Frequenzumformer, was bei ölüberfluteten Drehschieberpumpen nur begrenzt möglich ist. Mit dieser Option lässt sich auch die gezielte Anpassung der Fördergeschwindigkeit zum Zweck der Materialschonung realisieren.