Ölfreie Vakuumpumpen und Wasserdampf - (k)ein Widerspruch?
Ölfreie Vakuumpumpen werden in den letzten Jahren immer häufiger eingesetzt. Instrumentelle Analytik, Teilchenphysik, Tieftemperaturtechnologie und vielseitiger Laboreinsatz - um nur einige zu nennen.
Anwendungen wie Gefriertrocknung, Vakuumtrocknung, die Befüllung von Flüssigkeitskreisläufen oder beschichtende Verfahren mit Lösungsmitteleinsatz verwenden dagegen auch weiterhin ölgeschmierte Vakuumpumpen wegen der überlegenen Verträglichkeit beim Pumpen kondensierbarer Medien. Aber auch aus diesen Anwenderkreisen ertönt der Ruf nach ölfreien Vakuumlösungen immer lauter, was zur Entwicklung spezieller ölfreier Pumpen geführt hat.
Die Vorteile ölfreier Pumpen gegenüber ölgeschmierten Pumpen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- geringe Unterhaltskosten wegen längerer Wartungsintervalle
- sauberes Vakuum ohne Ölrückdiffusion
- umweltfreundliche Technologien ohne Altöl-Entsorgungsproblematik.
Oft werden Vakuumpumpen nur nach den Parametern Enddruck und Saugvermögen beurteilt. Legt man diese beiden Parameter zugrunde, sind Membranpumpen die Einstiegsklasse in ölfreie Vakuumlösungen. Ein Saugvermögen nahe den kleinen Drehschieberpumpen kann mit Kolben-, Scroll- oder mehrstufigen Wälzkolbenpumpen erreicht werden. Die Leistung dieser ölfreien Pumpentypen im Vergleich zur ölgeschmierten Drehschieberpumpe hängt stark von der Art des geförderten Gases und den Druckverhältnissen in der Pumpe ab. Das thermische Verhalten ölfreier Pumpen ist ebenfalls stark vom geförderten Medium abhängig.
Die Fähigkeit einer ölgeschmierten Pumpe, Wasserdampf zu fördern, wird zum einen durch die Wasserdampfverträglichkeit, also den Partialdruck pWo in mbar angegeben, zum anderen durch die Wasserdampfkapazität cWo, einen Massenstrom in g/h. Diese Charakterisierung ist im Pneurop-Standard Nr. 6602 beschrieben.
Bild 1: Querschnitt einer mehrstufigen Wälzkolbenpumpe Adixen ACP 40
Sollen kondensierbare Medien mit ölfreien Vakuumpumpen gefördert werden, muss Kondensation im Pumpeninneren unbedingt vermieden werden. Der tatsächliche Dampfdruck muss immer unterhalb des Sättigungsdampfdrucks liegen. Gasballast mit einem relativ hohen Fluss erniedrigt zum einen den Partialdruck des kondensierbaren Mediums, zum anderen wird die Pumpentemperatur erhöht. Zur Kondensationsvermeidung muss der Druck innerhalb der Pumpe speziell nahe am Auslass präzise kontrolliert werden. Die Auslasszone darf keinen Strömungswiderstand enthalten, der durch einen hohen lokalen Druck Kondensation hervorrufen könnte. Hat das Fördermedium die Pumpe in gasförmiger Form verlassen, muss Dampfrückdiffusion vermieden werden.
Diese allgemeinen Prinzipien wurden auf die fünfstufige Wälzkolbenpumpe adixen ACP 40 übertragen. Diese Pumpe war bis jetzt als Standardpumpe sowie mit Gasballast zum Pumpen leicht feuchter Medien erhältlich. Bei starken Wasserdampfbelastungen wird der Temperaturverlauf innerhalb der Pumpe durch präzise Einstellung der Geometrien und Kompressionsverhältnisse der einzelnen Pumpstufen kontrolliert. Damit wird ein kontinuierlicher Temperaturanstieg erzielt. Die maximale Temperatur des Stators in der fünften Pumpstufe kann 70°C erreichen. Die Gastemperatur in dieser Stufe ist druckabhängig und kann auf Werte bis zu 105°C steigen. Nach Verlassen der Pumpe wird das Gas entspannt, die Kondensation erfolgt kontrolliert außerhalb der Pumpe. Das Kondensat wird in einem Schalldämpfer mit Auffangbehälter und Ablassschraube gesammelt.
Die beschriebenen Modifikationen erhöhen die Wasserdampfverträglichkeit der Pumpe auf maximal 700 g/h bei einem Totaldruck von 70 mbar. Dieser bei 20°C Umgebungstemperatur gemessene Wert ist das Dreifache der bisherigen maximalen Wasserdampfverträglichkeit ölfreier Pumpen in dieser Saugvermögensklasse, die mit einer Scrollpumpe erzielt wurde.
Bild 2: Experimenteller Aufbau zur Messung der Wasserdampfkapazität
Die Messwerte wurden durch Gravimetrie ermittelt. Sie zeigen starke Abweichungen von den theoretischen Werten nach dem Pneurop 6602-Standard. Grund dafür sind unterschiedliche Saugvermögen für Luft und Wasser sowie unterschiedliche Annahmen in Bezug auf die Gastemperatur innerhalb der Pumpe. Nach dem Standard würden Wasserdampfverträglichkeit und Wasserdampfkapazität unterschätzt werden.
Die positiven Ergebnisse aus Testmessungen werden in ein Serienprodukt ACP 40CV einfließen, das Adixen im ersten Quartal 2008 auf den Markt bringen wird.
Die Autoren:
Laurent Saxod
Inopro/Alcatel Vacuum Technology France
98 Av de Brogny, BP 2069
74009 ANNECY Cedex, France
René Sibuet
Alcatel Vacuum Technology France
98 Av de Brogny, BP 2069
74009 ANNECY Cedex, France
Dr. Rudolf Konwitschny
Alcatel Hochvakuum Technik GmbH
Am Kreuzeck 10
D-97877 Wertheim