Das Saugverhalten von Drehkolbenpumpen - engineered-to

Das Saugverhalten von Drehkolbenpumpen
Drehkolbenpumpen sind Verdrä nger- Pumpen und können deshalb sowohl Druck aufbauen als auch Unterdruck erzeugen. Im
Folgenden wird insbesondere das Saugverhalten dieser Pumpenbauart erlä utert.
Die Firma Vogelsang baut Drehkolbenpumpen
seit ü ber 30 Jahren. Eingesetzt werden diese
zweiwelligen Verdrängerpumpen hautsächlich
fü r Schlämme und andere flü ssige Dickstoffe
vornehmlich unter abrasiven Betriebsbedingungen und Drü cken bis zu 10 bar –zweistufig sogar bis zu 16 bar.
Seit mehreren Jahren werden Drehkolbenpumpen auch in Anlagen der Membranfiltertechnologie eingesetzt. Gegenü ber anderen Pumpsystemen haben Drehkolbenpumpen den Vorteil, dass man aufgrund ihres Wirkungsprinzips
mit nur einem Pumpaggregat auskommt, wo
andere Absaug- und Spü lsysteme mehrere Aggregate einsetzen mü ssen.
Vogelsang produziert jährlich mit etwa 190 Mitarbeitern Drehkolbenpumpen in einem Kapazitätsbereich zwischen 3 und 900 m³/h. Die Pumpen gehen hauptsächlich an Hersteller von Komplettanlagen. So auch in der Membranfilter-Technik. Ein Beispiel aus der Praxis zeigt das Bild 1.
Hier geht es um die Reinigung von Deponieabwasser. Die 10 Pumpen vom Typ VX136-105 Q
haben eine Gesamt-Kapazität von 350 m³/h.
Wegen der Aggressivität des Mediums sind
vom Medium berü hrten Gehäuseteile aus Edelstahl 1.4571. Die Pumpen sind aus Platzgrü nden „ liegend“ installiert.
Trotz der relativ hohen Druckdifferenz von 8,5
bar und der hohen Drehzahl von 420 U/min
laufen die Pumpen dank der Drehkolben mit
HiFlo® -Geometrie nahezu pulsationsfrei. Alle
Pumpen sind mit einer kontrollierbaren Sperrkammer ausgerü stet. Die Wellen-abdichtung
zum Getriebe und die SiC/SiC-Gleitringdichtung
sind in einer Cartridge integriert und kö nnen
ggf. vor Ort ausgetauscht werden.
Einsatz von Drehkolbenpumpen
Membranfilter-Technologie
in
der
In der Regel werden die Membranfilter-Module
in das Belebungsbecken eingetaucht. Eine
Saugpumpe erzeugt den erforderlichen Unterdruck in den rö hrenfö rmigen Membranen, durch
den der Molekü ltransport von auß en nach innen
angetrieben wird. Die abgeschiedenen Feststoffe verbleiben an der Membranauß enseite.
Durch Rü ckspü len werden diese entfernt.
Drehkolbenpumpen in einer industriellen Anlage.
Bei der herkö mmlichen Verfahrensweise werden Kreiselpumpen eingesetzt.
In der Regel braucht man je eine Pumpe zum
Absaugen und eine zweite Pumpe zum Spü len.
Der Absaugvorgang dauert etwa 15 bis 20 min.
Nach einem Umsteuern der Ventile kann die
Spü lpumpe in Betrieb genommen werden.
In der Regel benö tigt man zusätzlich ein Vakuumaggregat, um das Ansaugen der Kreisel-
pumpen zu ermö glichen. All dies bedeutet einen hohen Aufwand an Steuerungstechnik. Die
Rohrleitungsfü hrung mit den Umschaltschiebern ist kompliziert und der Platzbedarf ist entsprechend groß .
Wesentlich einfacher ist die Pumpenanlage,
wenn Drehkolbenpumpen verwendet werden.
Wie das Bild 2 zeigt, kommt eine solche Pumpenanlage mit nur einer einzigen Pumpe aus.
Die Pumpe ü bernimmt sowohl das Filtern als
auch das Spü len.
Das zwischen Gehäuse und Kolben eingeschlossene Volumen wird von der Saugseite zu
Druckseite gefö rdert, und zwar proportional zur
Drehzahl. Gefö rdert wird sowohl mit dem unteren als auch mit dem oberen Kolben.
Spü
lreserve
Fö rderfläche
eines Kolbens
Saugpumpe
MembranModul
BelebungsBecken
Bild 2: Einsatz von Drehkolbenpumpen in der
Membranfiltertechnik zur Abwasserreinigung
Gummibeschichtete
Drehkolben
Bild 3: Förderprinzip einer Drehkolbenpumpe
Durch Drehrichtungsänderung kann die Fö rderrichtung umgekehrt werden – eine fü r den in
Frage kommenden Einsatzfall entscheidende
Funktion. Es sind keine Ventile erforderlich, da
bei jeder Kolbenstellung die Druckseite von der
Saugseite –bis auf eine geringe Spaltleckage abgedichtet ist.
Die Pumpe ist vom Prinzip her eine Verdrängerpumpe d.h. sie ist selbstansaugend – eine
wichtige Eigenschaft fü r eine Pumpe in der
Membranfilter-Technologie.
Drehkolbenpumpen haben eine stabile DruckMengen-Kennlinie, d.h. bei Druckänderungen –
insbesondere bei den geringen Druckdifferenzen, wie sie bei der Membranfiltertechnik auftreten –ändert sich die Fö rdermenge nur in geringem Maß e.
Da Drehkolbenpumpen in beiden Fö rderrichtungen mit gleicher Fö rdercharakteristik arbeiten, genü gt also eine Drehrichtungsänderung
des E-Motors, um den Spü lvorgang in Gang zu
setzen. Das Umschalten von Ventilen entfällt.
Da bei einer Drehkolbenpumpe die Fö rdermenge proportional mit der Drehzahl geregelt
wird, kann der Saugdruck in der Filterkassette
mittels einer einfachen Drehzahlregelung genau
eingestellt werden. Dasselbe gilt fü r die Einstellung einer gewü nschten Druck-Zeit-Kurve
Pulsationsfreie Förderung durch sphä risch
beim Spü lvorgang.
®
Im Folgenden sollen die charakteristischen Ei- verwundene HiFlo -Kolben
genschaften der Vogelsang-Drehkolbenpumpen
Bislang hatten herkö mmliche Drehkolbenpumnäher erläutert werden.
pen einen gravierenden Nachteil. Sie fö rderten
nicht genau proportional zum Drehwinkel. DarDas Drehkolbenprinzip
aus resultierten bei Flü ssigkeiten, die ja inkomEine Drehkolbenpumpe ist mit zwei gegenläufig pressibel sind, pulsierende Druckschwankunrotierenden Drehkolben ausgerü stet, die zwei- gen, welche die mechanische Stabilität einer
flü gelig –wie in Bild 3 dargestellt –oder mehr- Pumpanlage erheblich beeinträchtigen kö nnen.
flü gelig gestaltet sein kö nnen. Meist werden die Vor etwa 10 Jahren hat Vogelsang mit der EntDrehkolben rundherum mit Gummi beschichtet. wicklung des sphärisch verwundenen HiFlo® -
Kolbens dieses Problem gelö st. Die HiFlo®Technik hat besondere Vorteile, wenn –wie bei
der Membranfiltertechnik - hohe Unterdrü cke
gefordert werden.
In Bild 4 sind die Drehmomente an der Antriebswelle einer Drehkolbenpumpe bei Drosselung der Saugseite dargestellt. Während
zweiflü gelige, gerade Kolben an der Kavitationsgrenze aufgrund ihrer ungleichmäß igen
Fö rderung auß erordentlich stark vibrieren, verhalten sich Drehkolbenpumpen mit HiFlo- Kolben verhältnismäß ig unproblematisch.
Zum anderen läuft die Pumpe auch dann mit
einer stabilen Kennlinie, wenn hö here Gegendrü cke auf der Druckseite erforderlich sind. Bei
Membranfilteranlagen kö nnen also ohne Beeinträchtigung der Fö rdereigenschaften längere
Druckleitungen angeschlossen werden.
Drittens kann die Pumpe bis an die Kavitationsgrenze stabil betrieben werden. Sogar wenn
schon Spaltkavitation auftritt, die sich durch zischende
Geräusche
bemerkbar
macht
(schwach gefärbter Bereich), bleibt die Kennlinie noch stabil. Erst wenn laute, hämmernde
Geräusche auftreten, bricht auch die Fö rderleistung zusammen.
Quick- Service -Bauweise
Eine Drehkolbenpumpe arbeitet in Membranfilteranlagen in der Regel verschleiß frei. Sollten
trotzdem unerwartete Stö rungen auftreten, ist
der Zugang zum Pumpeninnenraum in einfacher Weise zu bewerkstelligen (Bild 6).
Bild 4: Verhalten von Drehkolbenpumpen unter extremen
Ansaugbedingungen
Das Bild 5 veranschaulicht die besonderen
Vorzü ge der mit HiFlo®- Kolben ausgerü steten
Drehkolbenpumpen im Saugbetrieb.
Als erstes fällt der äuß erst stabile Verlauf der
Fö rdermenge ü ber den Saugdruck auf. Auch
bei hohen Unterdrü cken bleibt die Fö rdermenge
konstant. Beim Saugen durch einen Filter verändert sich die einmal eingestellte Menge während der Fü llung des Filters also nicht.
90
Bild 6: Einfacher Zugang zum Pumpenraum bei einer
Quick-Service-Drehkolbenpumpe
600
600 U/min
Vo lu men strom Q in m³/h
Vo lu me flo w rate , m ³/h
Volumenstrom in m³/h
80
70
500
500 U/min
Nach dem Abnehmen des hinteren Abschlussdeckels durch Lö sen von 4 Muttern kö nnen
Wartungsarbeiten bequem durchgefü hrt werden, z.B.:
60
ps2
ps1
400
400 U/min
50
40
300
300 U/min
30
20
200
200 U/min
10
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
absoluter Saugdruck p in bar
absolute suction pressure, bar
Absoluter Saugdruck in bar
Kavitationsdrü cke ps1 und ps2 in Abh ängigkeit vom der Pumpendrehzahl (Wasser 20 °C, 2 bar Fö rderdruck, 0,5 mm Kopfspalt)
ghjr
Bild 5: Verhalten von Drehkolbenpumpen im Saugbetrieb
0,9
1
§
§
§
§
§
Sichtkontrollen
Wechseln der Schutzplatten
Kolbenwechsel
Nachstellern der Gehäuseschalen
Wechsel der Wellendichtung
Robuste Gleitringdichtung
Das Dichtungssystem wurde eigens entwickelt
und ist auch fü r faserstoffreiche Suspensionen
Besonderes Augenmerk hat Vogelsang auf das bestens geeignet. Die besondere Wartungs Dichtungssystem der Pumpen gelegt (Bild 7).
freundlichkeit wird dadurch gewährleistet, dass
Der Sicherheit dient vor allem die strikte Tren- der Kunde vor Ort immer die gesamte Carnung zwischen Pumpenraum und dem mit Ö l tridge-Einheit austauscht und dadurch stets
gefü lltem Getriebegehäuse, in dem sich das eine geprü fte Dichtung einsetzt, deren Funktion
durch Montagefehler nicht beeinträchtigt werSynchronisationsgetriebe befindet.
den kann.
Wellendichtring
Groß er Fördermengenbereich
Sperrkammer
Drehkolbenpumpen der beschriebenen Bauart
decken mit 3 Baureihen einen Fö rdermengenbereich zwischen etwa 3 bis 900 m³/h entsprechend 50 bis 15.000 l/min ab. Dabei unterscheiden sich die Baureihen im Achsabstand
und Drehkolbendurchmesser, während die Typen innerhalb der Baureihen durch verschiedene Baulängen gebildet werden.
Gleitring
Bild 7: Blockringdichtung in Cartridge-Ausfü hrung
Die beiden trennt eine Sperrkammer, die entweder mit Ö l gefü llt wird oder, wenn - wie im
Falle der Membrantechnik - Ö l im Medium absolut verboten ist, als trockene Sperrkammer
betrieben werden kann.
Die Gleitringpaarung kann den Betriebsbedingungen angepasst werden. Fü r abrasive Medien hat sich die Paarung Wolframkarbid-SiC
bewährt. Bei trockener Sperrkammer besteht
der Gleitring aus Kohlenstoff.
Auf der nächsten Seite ist im Bild 8 ist eine
Auswahl von Vogelsang-Typen gezeigt, wobei
auf der x-Achse die theoretische Fö rdermenge
im logarithmischen Maß stab und auf der yAchse die Umfangsgeschwindigkeit der Drehkolben im ü blichen Bereich zwischen 2 und 5
m/s dargestellt wird.
In dieser Darstellung sind die jeweils kleinsten
Typen der Baureihen weggelassen, deren
Mengenbereich von den grö ß ten Typen mit
kleinerem Achsabstand abgedeckt werden.
Mit dieser Typenvielfalt deckt Vogelsang sämtliche Anforderungen der Membrantechnologie
ab, sowohl in kleinen Containeranlagen als
auch in Groß -Filteranlagen.
v6 [m/s]
V100
V136
V186
V100- 45
5
V100- 64
V100- 90
V100- 128
4
V136- 105
V136- 140
V136- 210
3
V186- 184
V186- 260
V186- 390
2
V186- 736
1
0
1
2
3
4
6
10
16
25
40
63
100
158
251
398
631
1000
Q [m³/h]
Bild 8: Typenauswahl der Vogelsang-Drehkolbenpumpen

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