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Vakuumpumpen

Richtiger Vakuumpumpen-Einsatz erspart teure Reparaturen

| Autor/ Redakteur: Heinz Barfuss / Stéphane Itasse

Wird bei der Wartung von Vakuumpumpen gespart, drohen sehr hohe Ausfallkosten. Sie erreichen sehr schnell ein Vielfaches des Pumpenpreises. Im Folgenden sollen deshalb Hinweise für die Wartung der beiden wichtigsten Vakuumpumpentypen, der Drehschieberpumpe und der Wälzkolbenpumpe, gegeben werden.

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Durch unsachge- mäßen Betrieb und schlechte Wartung können Vakuum- pumpen schwer be- schädigt werden.
Durch unsachge- mäßen Betrieb und schlechte Wartung können Vakuum- pumpen schwer be- schädigt werden.
(Bild: Pfeiffer Vacuum)

Da die Drehschieberpumpe nach dem Prinzip der inneren Verdichtung arbeitet, ölgeschmiert und gedichtet ist, sind das Abpumpen von Dämpfen, chemischer Angriff und Alterung des Betriebsmittels Hauptkriterien für die lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit dieser Pumpe.

Entscheidend bei einem Trocknungsprozess ist die anfallende Wassermenge pro Zeiteinheit

Die meisten Hersteller von Drehschieberpumpen geben in ihren technischen Daten die sogenannte Dampfverträglichkeit in Millibar oder auch Dampfkapazität in Gramm pro Stunde an. Diese Angaben gelten für Wasserdampf. Bei geöffnetem Gasballastventil wird bei betriebswarmer Pumpe eine Kondensation des gepumpten Wasserdampfs bei einem Ansaugdruck unterhalb des angegebenen Wertes verhindert. Entscheidend bei einem Trocknungsprozess ist nicht das Saugvermögen der Pumpe, sondern die anfallende Wassermenge pro Zeiteinheit, die dann die Pumpengröße aufgrund ihrer Dampfkapazität bestimmt.

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Es ist zwingend erforderlich, dass die Pumpe bei geschlossenem vakuumseitigen Ventil mit geöffnetem Gasballast circa 15 bis 30 min warmläuft, damit sie ihre optimale Betriebstemperatur (Öl) von circa 70 bis 80 °C erreicht.

Nur bei der richtigen Betriebstemperatur und geöffnetem Gasballastventil können Dämpfe gepumpt werden. Das verzögerte Öffnen des HV-Ventils ist steuerungstechnisch einfach zu integrieren. Die Tabelle zeigt die Abhängigkeit von der Pumpentemperatur und die Folgen der Nichtbeachtung.

Nach Beendigung des Abpumpvorgangs wird dringend empfohlen, die Pumpe mit offenem Gasballast circa 15 min weiterlaufen zu lassen, damit die Dämpfe in der Pumpe entweichen können. Diese Prozedur regeneriert das Betriebsmittel und eine Stillstandskorrosion wird dadurch vermieden. Der Vor- und Nachlauf der Pumpe lässt sich einfach mit einem Zeitglied in die Steuerung integrieren.

Wird ein Endvakuum mit Gasballast von weniger als 1 bis 2 mbar benötigt, so ist eine zweistufige Drehschieberpumpe einzusetzen. Es ist zu bedenken, dass die Dampfverträglichkeit und Dampfkapazität von zweistufigen im Vergleich zu einstufigen Drehschieberpumpen niedriger ist.

Pumpenöl dichtet ab, schmiert Schieber und Lager und leitet Kompressions- und Reibungswärme ab

Betriebsmittel (Pumpenöl) haben in einer Drehschieberpumpe drei wichtige Funktionen zu erfüllen: Sie dichten ab, schmieren Schieber und Lager und leiten zur Kühlung die Kompressions- und Reibungswärme über das Aluminiumgehäuse nach außen.

Durch Mangelschmierung blockiert das Pumpsystem, was zum Ausfall der Pumpe führt. Ein zu niedriger Ölstand hat weiterhin zur Folge, dass durch das geringe Ölvolumen keine optimale Abfuhr der Kompressionswärme stattfindet: Die Pumpe überhitzt, dadurch tritt eine rasche Alterung des Betriebsmittels ein bis hin zum Ausfall der Pumpe durch mangelnde Schmierung und Bildung von Ölkohle. Daher ist darauf zu achten, dass der Ölstand der Pumpe nicht unter Mitte Schauglas abfällt.

Das Betriebsmittel ist regelmäßig auf Farbe, Viskosität oder Verunreinigungen zu prüfen. Ein Wasseranteil von mehr als 5% färbt das Öl milchig. Dies passiert dann, wenn das Gasballastventil geschlossen bleibt, die Pumpe dem Abpumpvorgang kalt zugeschaltet wird oder die maximale Dampfkapazität überschritten wird.

Menge der Öltröpfchen steigt mit dem Ansaugdruck der Pumpe.

In Bild 2 ist zu erkennen, wie die Farbe sich mit dem Verschleiß des Betriebsmittels in Richtung schwarz verändert. Ein dringender Betriebsmittelwechsel ist bei Farbe 6 gegeben. Die Farbskala gilt für das Öl P3 (Pfeiffer Vacuum). Es ist sinnvoll, einen Ölwechsel präventiv alle zwölf Monate durchzuführen.

Ist der Anwender nicht sicher, ob das eingesetzte Betriebsmittel gegen die Prozessgase beständig ist, sollte der Hersteller konsultiert werden, um das richtige Betriebsmittel und die Pumpenausführung zu bestimmen.

Beim Abpumpen von Sauerstoff mit einer höheren Konzentration als in der Luft kann Mineralöl wegen der Oxydation und folglich schneller Alterung als Betriebsmittel nicht eingesetzt werden. Für diesen Fall gibt es spezielle Öle mit einer BAM-Zulassung für Sauerstoffbetrieb. Hierbei ist zu beachten, dass das eingesetzte Betriebsmittel einen ausreichend niedrigen Dampfdruck bei Pumpenbetriebstemperatur besitzt, damit das gewünschte Endvakuum, das durch den Totaldruck (Dampfdruck des Öls) limitiert wird, erreicht wird.

Funktionsbedingt werfen alle Drehschieberpumpen mit dem geförderten Gas oder Dampf feinste Öltröpfchen über den Auspuff aus. Die Menge der Öltröpfchen steigt mit dem Ansaugdruck der Pumpe. Es gibt Erfahrungswerte des Ölauswurfs, die bei circa 3 cm3 Öl pro gepumptem Normkubikmeter bei mehr als 100 mbar liegen.

So ist beispielsweise bei einem Ansaugdruck von 200 mbar und einem Saugvermögen von 60 m3/h bei einer einstufigen Drehschieberpumpe diesen Saugvermögens ein Ölauswurf von circa 850 cm3 innerhalb von 24 h zu erwarten. Bei einem Ölinhalt einer solchen Pumpe von circa 5 l ist der Ölstand im Dauerbetrieb nach zwei Tagen bereits auf das kritische Niveau abgesunken.

Zur Verhinderung des Ölauswurfs und zum Schutz der Pumpen vor Mangelschmierung kommen auspuffseitige Ölnebelabscheider zum Einsatz. Darin befinden sich Filterpatronen, in denen die Öltröpfchen festgehalten und im Filtergehäuse abgeschieden werden. Wenn es der Prozess erlaubt, kann das Öl über eine automatische Ölrückführung mittels Schwimmerschalter oder über Gasballastrücksaugung der Pumpe wieder zugeführt werden.

Stillstandskorrosion droht

Werden größere Mengen Wasserdampf oder korrosive Dämpfe gepumpt, so ist von einer Ölrückführung abzuraten, da dadurch die im Filter kondensierten Dämpfe wieder in die Pumpe gelangen und die Schmiereigenschaften sowie Standzeit des Öls stark reduzieren. Des Weiteren besteht die Gefahr der Stillstandskorrosion durch die höhere Konzentration kondensierter Dämpfe im Pumpenraum und im Öl.

Es ist weiterhin darauf zu achten, dass der Ölnebelfilter die gleiche Gasmenge wie die Drehschieberpumpe durchsetzen kann. Ist der Filter von seiner Nennweite oder vom maximalen Gasdurchsatz zu klein, so haben die Öltröpfchen durch die zu hohe Gasgeschwindigkeit im Filter keine Zeit, sich in den Filterpatronen abzusetzen. Sie entweichen dann über den Auspuff und der Ölnebelfilter ist zum größten Teil unwirksam.

Beim Betrieb einer Drehschieberpumpe im Endvakuum von weniger als 0,5 mbar findet funktionsbedingt eine gewisse Rückströmung von Ölmolekülen auch auf die Ansaugseite statt. In Prozessen sind Kohlenwasserstoffe unerwünscht und unzulässig, da sie den Prozess und die Apparatur schädigen.

Zur Vermeidung der Ölrückströmung setzt man Molekularsiebe, Katalysatorfallen oder Kühlfallen auf der Saugseite der Drehschieberpumpe ein. Bei der Katalysatorfalle werden die Kohlenwasserstoffe durch den Kupferkatalysator in Wasser und Wasserstoff aufgespaltet und abgepumpt. Es empfiehlt sich, die eingesetzten Zeolithfallen (Molekularsiebe) in regelmäßigen Abständen durch Ausheizen bei circa 250 °C zu regenerieren. Die Katalysatorfalle wird durch Belüften regeneriert.

Staubfilter auf der Saugseite verlängern Standzeit des Betriebsmittels

Das Saugvermögen der Drehschieberpumpe wird im molekularen Strömungsbereich durch die Leitwertverluste (Widerstand) reduziert. Dies ist bei der Bestimmung der Pumpengröße je nach Anwendung zu berücksichtigen. Es gilt auch für die nachfolgenden Staubfilter. Die Leitwerte (in Litern pro Sekunde) in verschiedenen Druckbereichen lassen sich den Spezifikationen der Hersteller entnehmen.

Es gibt Prozesse, die Partikel generieren oder staubbeladen sind. Um die Pumpen vor mechanischen Schäden zu schützen und die Standzeit des Betriebsmittels zu verlängern, ist es sinnvoll, Staubfilter auf der Saugseite einzubauen. Es gibt je nach Anwendung Staubfilter mit Filterpatronen aus Papier, Polyester oder Kohlefaser oder aber mit ölbenetzten Füllkörpern (Raschig-Ringe).

Eine Variante für abrasive Stäube ist eine Zweistufenkombination mit Zyklonabscheider und Filterpatrone. Der Zyklon hat den zusätzlichen Vorteil, dass sich heiße Partikel durch die Rotationsbewegung im Zyklon abkühlen können.

Die Ansaug- und Auspuffnennweiten werden von den Pumpenherstellern auf das maximale Saugvermögen der Pumpe ausgelegt. Es ist daher wichtig, dass die Ansaugleitung der Pumpennennweite entspricht, da sonst das Saugvermögen speziell im molekularen Strömungsbereich durch Leitwertverluste deutlich reduziert wird.

Die Auspuffleitung sollte ebenfalls mindestens der Pumpennennweite entsprechen, da bei zu kleinen Nennweiten und hohem Gasdurchsatz unzulässige Gegendrücke entstehen, die die Pumpe auf Dauer mechanisch belasten. Des Weiteren steigt der Geräuschpegel deutlich.

Wenn die Auspuffleitung nach oben abgeht, so sollte die Leitung im tiefsten Punkt siphonartig ausgeführt sein, damit auf dem Weg nach oben kondensierende Dämpfe nicht zurück in die Pumpe laufen können. Über einen unten angebrachten Ablass kann der Siphon entleert werden.

Es kann ebenfalls ein Kondensatabscheider etwa 20 bis 50 cm oberhalb des Pumpenstutzens in die Auspuffleitung integriert werden, der ebenfalls das Kondensat auffängt. Von einer direkten Montage auf dem Auspuffstutzen der Pumpe ist abzuraten, weil der Kondensator durch die direkte Verbindung mit der Pumpe deren Temperatur annimmt und eine verminderte Wirkung hat.

Da die Drehschieberpumpen Wärme nach außen abgeben, muss für ausreichende Belüftung notfalls mit Zusatzlüftern gesorgt werden. Dies gilt im Besonderen bei in Anlagen oder Schallschutzhauben eingebauten Pumpen. Ansonsten führt dies zur Überhitzung des Betriebsmittels und Schädigung der Pumpe.

Wälzkolbenpumpe arbeitet rein volumetrisch

Die Wälzkolbenpumpe arbeitet rein volumetrisch und hat im Gegensatz zur Drehschieberpumpe keine innere Verdichtung. Sie verdichtet gegen den Auspuffdruck. Alle medienberührten Teile sind im Gegensatz zur Drehschieberpumpe ölfrei. Sie zeichnet sich durch ihre kompakte Bauform bei hohem Saugvermögen aus.

Es wird davon abgeraten, die bei maximalem Differenzdruck laufende Wälzkolbenpumpe ohne Abkühlung direkt auf Endvakuum zu bringen. Im Endvakuum wird durch den geringen oder Null-Gasdurchsatz keine Wärme über das Gas und so schnell auch keine Wärme über die Gehäuseoberfläche abgeführt. Durch die plötzliche Temperaturerhöhung wird der Luftspalt zwischen Rotor und Gehäuse zu klein und die Pumpe läuft 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 die Pumpe anläuft. Dies ist, wie in Bild 5 zu sehen, besonders kritisch beim Betrieb im Endvakuum. Weiterhin ist darauf zu achten, dass beispielsweise im Winter keine in der Nähe befindlichen Rolltore und 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 höheren Festigkeit des Werkstoffes dafür besser geeignet. Wenn die Wälzkolbenpumpe im Bereich ihres maximalen Differenzdrucks betrieben wird, ist zum Schutz gegen Überhitzung und resultierenden Schaden ein Temperaturfühler im Austrittsstutzen anzubringen. Dieser generiert bei einer definierten Temperatur eine Warnung und schaltet beim Erreichen der maximal zulässigen Gastemperatur die Pumpe ab.

Plötzliche Flüssigkeitsschläge können die Pumpe zerstören

Es gibt Anwendungen wie das Schnellevakuieren von Schleusen (L/L), in denen Taktzeiten von wenigen Sekunden realisiert werden müssen. In diesem Fall muss darauf geachtet werden, dass die Abstufung von der Wälzkolbenpumpe zur Vorpumpe im Bereich von 1:2 liegt.

Dies ist notwendig, da der Großteil der Auspumpzeit zum Evakuieren von Atmosphäre bis circa 100 mbar benötigt wird und die Wälzkolbenpumpe erst ab circa 10 mbar wirksam mitarbeitet. Aus diesem Grund muss die Vorvakuumpumpe großzügig dimensioniert sein.

Um Stromspitzen und Leistungsschalter zu vermeiden, ist es sinnvoll, bei mehrstufigen Pumpständen oder bei mehreren parallel betriebenen Pumpkombinationen die Pumpen von der Atmosphärenpumpe ab zeitverzögert einzuschalten. Mit einem Zeitglied lässt sich dies in der Steuerung realisieren. Eine Alternative ist das langsame Hochfahren der Pumpen mit Frequenzwandler.

Plötzliche Flüssigkeitsschläge können die Pumpe zerstören, da eine schlagartige Abkühlung durch die dem Gas zur Verdampfung der Flüssigkeit entzogene Wärme entsteht. Die zusätzlich entstehende Dampfmenge kann nicht schnell genug weggepumpt werden, weil die Vorvakuumpumpe überlastet wird und der Vorvakuumdruck möglicherweise zu stark steigt. Um einen solchen Fall zu verhindern, ist es sinnvoll, einen Kondensator zwischen Prozesskammer und Wälzkolbenpumpe einzubauen, damit die Flüssigkeit vor der Pumpe abgefangen wird.

Freier Querschnitt des Splitterschutzes muss der Pumpennennweite entsprechen

Bei Partikel generierenden und staubbeladenen Prozessen ist es zum Schutz der Wälzkolbenpumpe sowie der nachgeschalteten Pumpen ratsam, saugseitige Staubfilter einzubauen. Als Schutz gegen größere Feststoffe und Schweißperlen, die sich bedingt durch unzureichende Reinigung beim erstmaligen Anpumpen einer Anlage aus den Schweißverbindungen lösen können, sollte ein Splitterschutz in den Ansaugstutzen der Wälzkolbenpumpe eingebaut werden.

Es ist angebracht, in diesem Fall auf das Zubehör der Pumpenhersteller zurückzugreifen, da der Splitterschutz so ausgelegt ist, dass sein freier Querschnitt dem der Pumpennennweite entspricht. Damit wird das Saugvermögen nicht durch Leitwertverluste in unerwünschtem Maße beeinträchtigt.

Beim Pumpen von Reinstgasen wie Helium ¾ ist ein Austausch mit der Umgebungsluft im Prozess unbedingt zu vermeiden. Eine hohe Dichtheit mit niedriger Leckrate der Pumpen im Bereich von unter 10–5 bis 10–8 mbar × l/s ist erforderlich. Es gibt Pumpenhersteller, die statt der üblichen Wellendurchführung zum Motor eine Permanentmagnetkupplung anbieten. Undichtigkeiten der Wellendichtringe gehören damit der Vergangenheit an. Der Einsatz eines Spaltrohrmotors ist ebenfalls möglich, jedoch ist der Anwender aufgrund des speziell für die Pumpe entwickelten Spaltrohrmotors im Servicefall auf den Pumpenhersteller angewiesen. Bei der Magnetkupplung können kostengünstige Standardmotoren eingesetzt werden.

* Heinz Barfuss ist Market Manager Industry bei der Pfeiffer Vacuum AG in Aßlar.

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