Flüssigkeitsringvakuumpumpen und ...Die Grundoperationen der Verfahrenstechnik laufen überwiegend im Grobvakuumbereich ab. Bei nie-drigen Ansaugdrücken müssen oft 5 mehrere Vakuumpumpen

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Flüssigkeitsringvakuumpumpen undFlüssigkeitsringkompressoren

Technik und Anwendung

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Flüssigkeitsringvakuumpumpen und Flüssigkeitsringkompressoren

Technik und Anwendung

Pumpentechnik Vakuumtechnik Anlagentechnik

Service

Lieferprogramm Pumpentechnik • Chemienormpumpen • Wassernormpumpen • Seitenkanalpumpen • Wärmeträgerpumpen • Gliedergehäusepumpen • Wellendichtungslose Pumpen • Faulschlammmischer

Vakuumtechnik • Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen • Flüssigkeitsring-Kompressoren • Gasstrahler • Trockenlaufende Vakuumpumpen

Anlagentechnik • Vakuum- und Kompressoren Systeme • Membrantechnik

Service • Standardprogramm • Großpumpen

Inhalt Vakuumpumpen und Kompressoren ............................................ 4 Flüssigkeitsringvakuumpumpen und Flüssigkeitsringkompressoren ...................................................... 6 Eigenschaften ................................................................................... 6 Wirkungsweise und Bauformen ........................................................ 7 Gas - und Flüssigkeitsführung .......................................................... 13 Arbeitsbereiche ................................................................................. 15 Betriebsverhalten .............................................................................. 17 Betriebsarten .................................................................................... 36 Antrieb .............................................................................................. 41 Regelung des Ansaugvolumenstromes ............................................ 43 Bauausführungen ............................................................................. 47 Emissionen ....................................................................................... 53 Kombination von Flüssigkeitsringvakuumpumpen mit Gasstrahlvakuumpumpen ........................................................... 56 Zubehör ............................................................................................ 60 Abnahmeregeln ............................................................................... 63 Verwendung .................................................................................... 65 Literatur ........................................................................................... 69 Anhang ............................................................................................ 70 Dampfdruck von Wasser .................................................................. 70 Häufig verwendete Werkstoffe und Werkstoffkombinationen für Flüssigkeitsringgaspumpen ......................................................... 70

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Verdichter Vakuumbereiche Abb. 1: Flüssigkeitsring- Vakuumpumpen der Baureihe LPHX

Vakuumpumpen und Kompressoren Vakuumpumpen und Kompressoren sind Arbeits-maschinen zum Verdichten von Gasen und Dämpfen. Sie werden immer eingesetzt, wo es gilt, verfahrenstechnische Aufgaben durchzuführen, die sonst unwirtschaftlich, unsicher oder nicht möglich wären. Die Vakuumpumpen und Kompressoren verdichten die in den Verfahren anfallenden Gase oder Gas-Dampf-Gemische vom "Ansaugdruck" auf den "Ver-dichtungsdruck". Bei Vakuumpumpen ist der An-saugdruck geringer und bei Kompressoren ist der Verdichtungsdruck höher als der Atmosphären-druck. Vakuum wird nach DIN 28 400 in verschiedene Druckbereiche aufgeteilt (Angaben in mbar): • Grobvakuum: 1⋅103 bis 1 • Feinvakuum: 1 bis 1⋅10-3 • Hochvakuum: 1⋅10-3 bis 1⋅10-7 • Ultrahochvakuum: < 1⋅10-7 Die Grundoperationen der Verfahrenstechnik laufen überwiegend im Grobvakuumbereich ab. Bei nie-drigen Ansaugdrücken müssen oft

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mehrere Vakuumpumpen verschiedener Bauart kombiniert werden. Da z.B. Hochvakuumpumpen in der Regel nicht gegen Atmosphäre fördern können, benötigen sie Grobvakuumpumpen als Vorpumpen. Vakuumpumpen und Kompressoren gibt es in ver-schiedenen Bauarten. Die Abbildung 2 enthält eine Übersicht: Als maßgebend für die Auswahl der Bauart können folgende Kriterien angesehen werden: • der Arbeitsbereich hinsichtlich des Ansaug- und

Verdichtungsdruckes, • der Ansaugvolumenstrom bei den geforderten

Drücken, • die Anforderungen aus der Art und den

Eigenschaften der zu verdichtenden Gase und Dämpfe,

• die Anforderungen hinsichtlich der Umwelt und Betriebsbedingungen,

• die zur Verfügung stehenden Betriebsmittel, • die sicherheitstechnischen Erfordernisse, • die Wirtschaftlichkeit.

Kombination mehrere Pumpen Abb. 2: Bauarten der Vakuumpumpen und Kompressoren

Vakuumpumpen und Kompressoren

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Flüssigkeitsring als Energieträger Vielzahl von Eigenschaften

Flüssigkeitsring- Vakuumpumpen und Flüssigkeitsring- Kompressoren Eigenschaften Flüssigkeitsringvakuumpumpen und Flüssigkeits-ringkompressoren sind Verdichter, in denen ein aus der Betriebsflüssigkeit gebildeter Flüssigkeitsring als Energieträger zum Verdichten von Gasen und Dämpfen dient. Der Kontakt des Fördermediums mit der Betriebsflüssigkeit bewirkt Wechselwirkungen zwischen diesen Medien. Unter den verschiedenen Verdichterbauarten nehmen die Flüssigkeitsring-vakuumpumpen und Flüssigkeitsringkompressoren damit eine Sonderstellung ein. Sie weisen eine Fülle von Eigenschaften auf, die in ihrer Art und Vielzahl von keiner anderen Bauart erreicht werden: • Flüssigkeitsringvakuumpumpen und Flüssigkeits-

ringkompressoren sind in der Lage, fast alle Gase und Dämpfe zu verdichten.

• Sie besitzen keine aufeinander gleitenden Teile, und die Werkstoffe können den Betriebsbe-dingungen angepasst werden.

• Der Verdichtungsvorgang verläuft nahezu isotherm.

• Die Pumpen bieten die höchstmögliche Sicherheit bei der Verdichtung von zündfähigen Stoffen sowie toxischen und karzinogenen Medien.

• Enthält das Fördermedium kondensierbare Anteile, so kann sich der Ansaugvolumenstrom erhöhen.

• Wellendichtungen in einfacher und doppelter Bauausführung sowie Magnetkupplungen

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gewährleisten niedrige Leckraten.

• Der Betrieb ist mit geringer Schallemission und erschütterungsarmem Lauf verbunden.

• Es wird eine hohe Betriebssicherheit bei geringer Wartung erzielt.

• Die Mitförderung von Flüssigkeit im Gasstrom ist möglich.

Wirkungsweise und Bauformen In diesem Buch wird der Begriff "Flüssigkeits-ringgaspumpe" benutzt, wenn sich die Erklärungen auf Flüssigkeitsringvakuumpumpen und Flüssig-keitsringkompressoren beziehen. Die Berührung des Fördermediums mit der Betriebsflüssigkeit bewirkt thermodynamische Effekte und ermöglicht Gas-Flüssigkeits-Reak-tionen. Bei der Verdichtung von trockenen Gasen oder Dämpfen, die weder im Saugraum noch während des Verdichtungsvorganges kondensieren, arbeitet eine Flüssigkeitsringgaspumpe als Verdränger-verdichter. Das Fördermedium wird durch Raum-vergrößerung angesaugt und durch Raumver-kleinerung verdichtet. Werden Gas-Dampf-Gemische gefördert, deren Dampfanteil nach dem Eintritt in den Saugraum oder während der Verdichtung kondensiert, so arbeitet eine Flüssigkeitsringgaspumpe als Verdrängerverdichter mit Kondensationswirkung. Werden Medien gefördert, die von der Betriebs-flüssigkeit aufgenommen werden oder mit der Betriebsflüssigkeit reagieren, so wirkt eine Flüssig-keitsringgaspumpe als Verdrängerverdichter und Absorptionsmaschine. Große und mittelgroße Flüssigkeitsringgaspumpen werden im allgemeinen in der einfachwirkenden Bauform ausgeführt. Die Abbildung 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das Funktionsprinzip:

Flüssigkeitsring-gaspumpe Einfachwirkende Bauform

Wirkungsweise und Bauform

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Abb. 3: Das Funktionsprinzip einer Flüssigkeitsring-gaspumpe in perspektivischer Darstellung

In einem kreisförmigen Gehäuse (1) ist exzentrisch zur Gehäuseachse ein Flügelrad (2) angeordnet. Wird das Gehäuse teilweise mit Flüssigkeit gefüllt und das Flügelrad in Rotation versetzt, so bildet sich infolge der Zentrifugalkraft ein konzentrisch zur Gehäuseachse laufender Flüssigkeitsring (3) aus. Diese Anordnung bewirkt, dass die Innenkontur des Flüssigkeitsrings das Flügelrad an den Punkten (20) und (21) berührt und die Flüssigkeit während einer Umdrehung des Flügelrades einmal kolbenartig aus den Flügelradzellen aus- und wieder eintritt. Im Bereich des austretenden Flüssigkeitsringes findet somit eine Raumvergrößerung statt, und das Förder-medium wird über die im Steuerkörper (4) befind-liche Saugöffnung (5), die Verbindung zum Saug-stutzen besitzt, angesaugt. Im Bereich des ein-tretenden Flüssigkeitsringes findet die Raumver-kleinerung statt, und das Fördermedium wird verdichtet. Nach der Verdichtung erfolgt ein Aus-schieben über die in dem Steuerkörper (6)

Flüssigkeitsringvakuumpumpen und -kompressoren

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vorhandene Drucköffnung (7), die Verbindung zum Druckstutzen hat. Für spezielle Anwendungen, insbesondere bei Kompressoren für hohe Differenzdrücke, kommt die doppeltwirkende Bauform zur Ausführung. Hierbei besitzt das Gehäuse eine Form, die es ermöglicht, den Flüssigkeitsring während einer Umdrehung des Flügelrades zweimal aus den Flügelradzellen heraus und wieder hineinzuführen und somit die Flügelradzellen zweimal mit Gas zu füllen und zu leeren. Abbildung 4 zeigt Schnitte durch eine einfachwirkende, die Abbildung 5 Schnitte durch eine doppeltwirkende Flüssigkeitsringgaspumpe. Die für die Funktion einer Flüssigkeitsringgaspumpe erforderliche wechselnde Eintauchtiefe des Flüssig-keitsringes in das Flügelrad kann auch mit einem konzentrisch im Gehäuse angeordneten Flügelrad und seitlich von diesem vorhandenen kanalartigen Räumen mit wechselnder Tiefe erreicht werden.

Doppelwirkende Bauform Abb. 4: Längs- und Quer-schnitt einer ein-stufigen, einfach-wirkenden Flüssig-keitringgaspumpe 1 Gehäuse 2 Flügelrad 3 Flüssigkeitsring 4 Steuerkörper 5 Saugöffnung 6 Steuerkörper 7 Drucköffnung 8 Welle


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Abb. 5: Längs- und Quer-schnitt eines ein-stufigen, doppelt-wirkenden Flüssig-keitsringkompressors 1 Gehäuse 2 Flügelrad 3 Flüssigkeitsring 4 Saugsteuerkörper 5 Saugöffnung 6 Drucksteuerkörper 7 Drucköffnung 8 Welle Abb. 6: Längsschnitt einer zweistufigen Flüssig-keitsringgaspumpe nach dem Seiten-kanalprinzip 1 Gehäuse 2 Flügelrad 3 Saugsteuerkörper 4 Drucksteuerkörper 5 Welle

Derartige Pumpen eignen sich zur Förderung geringer Ansaugvolumenströme und können auch zur Flüssigkeitsförderung benutzt werden. Die Abbildung 6 zeigt einen Längsschnitt durch diese als Seitenkanalpumpe bekannte Bauform. In den Abbildungen 3 bis 6 sind die Saug- und Drucköffnungen in ebenen Steuerkörpern (sog. Steuerscheiben) angeordnet, die sich seitlich vom Flügelrad befinden. Die Zu- und Abführung des Gases erfolgt damit durch die Stirnseiten des Flügelrades. Davon abweichend gibt es Konstruktionen, bei denen sich die Saug- und Drucköffnungen in Steuerkörpern befinden, die in die Flügelradnabe hineinreichen.


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Die Steuerkörper haben dabei eine konische oder zylindrische Form. Die Zu- und Abführung des Gases erfolgt damit durch die Nabe des Flügelrades. Besitzt das Flügelrad eine relativ geringe Breite, so genügt eine einseitige Anordnung der Saug- und Drucköffnungen zur Füllung und Entleerung der Flügelradzellen. Die Öffnungen sind dann entweder gemeinsam in einem Steuerkörper angeordnet oder es befindet sich die Saugöffnung in dem einen und die Drucköffnung in dem gegenüberliegenden Steuerkörper, wie in den Abbildungen 3 und 5 dar-gestellt. Bei relativ breiten Flügelrädern erfolgt die Zu und die Abführung des Gases über beidseitig ange-ordnete Öffnungen. Die Abbildung 4 gibt diese Ausführung wieder. Die Flügelradzellen von Pumpenstufen für niedrige Ansaugdrücke und somit für Gase mit geringer Dichte können dagegen auch bei relativ großer Flügelradbreite über eine Saugöffnung ausreichend mit Gas gefüllt werden. Die Saugöffnungen erstrecken sich fast über den ganzen Winkel, in dem der Flüssigkeitsring aus den Flügelradzellen austritt. Die Drucköffnungen liegen im Bereich des in die Flügelradzellen eintretenden Flüssigkeitsringes. Ihre Winkelerstreckungen und Formen hängen von dem Quotienten aus dem Verdichtungs- und Ansaugdruck ab, für das die Pumpenstufe bestimmt ist. Dabei wird berück-sichtigt, dass die Stufe sowohl bei den geforderten, als auch bei geringeren Druckverhältnissen wirtschaftlich arbeiten muss. Mit dem Beginn der Drucköffnung ist ein «eingebautes Druckverhältnis» in jeder Stufe vorhanden. Der Beginn der Drucköffnung müsste somit theoretisch für jedes Druckverhältnis anders liegen. In der Praxis kann eine solche Maschine jedoch in einem relativ weiten Druckverhältnisbereich betrieben werden.

Anzahl der Saug- und Drucköffnungen Lage der Saug- und Drucköffnungen


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Großer Druckbereich Abb. 7: Längsschnitt einer zweistufigen, einfach-wirkenden Flüssig-keitsringvakuum-pumpe

Flüssigkeitsringvakuumpumpen müssen in der Lage sein, in einem sehr großen Druckbereich wirtschaftlich zu arbeiten oder diesen zumindest zu durchfahren. Wenn beispielsweise bei einem Evakuierungsvorgang der Ansaugdruck anfangs dem Atmosphärendruck entspricht und dann bis auf 33 mbar abgesenkt wird, steigt das Druckverhältnis von 1 bis auf ca. 30 an. Steigt das Stufendruckverhältnis von Flüssigkeits-ringvakuumpumpen über einen Wert von ca. 7, das ist bei Vakuumpumpen für Ansaugdrücke kleiner als 150 mbar der Fall, so gibt es zwei Möglich-keiten: Entweder werden die Drucköffnungen mit Ventilkonstruktionen versehen, die eine auto-matische Anpassung des Beginns der Drucköffnung an das Druckverhältnis zulassen, oder aber die Flüssigkeitsringvakuumpumpen werden zweistufig ausgeführt und das Gesamtdruckverhältnis somit auf zwei Stufen aufgeteilt. Die Abbildung 7 ist ein Längsschnitt einer zweistufigen Flüssigkeitsring-vakuumpumpe. Als Ventilkonstruktionen kommen Kugel- und Plattenventile zur Ausführung, letztere in Form von starren oder flexiblen Platten. Die Dichtelemente des Ventils werden aufgrund der unterschiedlichen Drücke vor und hinter dem Steuerkörper bewegt. Die Wirkungsweise der Kugelventile verdeutlicht die


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Abbildung 8: Ist der Druck in den Flügelradzellen höher als im Druckraum, löst sich die Kugel vom Ventilsitz, und das Gas strömt aus den Zellen in den Druckraum. Ist der Druck im Druckraum höher als in den Flügelradzellen, so wird die Kugel auf den Ventilsitz gedrückt und verhindert die Rück-strömung von Gas und Flüssigkeit in die Flügel-radzellen. Gas- und Flüssigkeitsführung Mit dem Gas wird ein Teil der den Ring bildenden Flüssigkeit aus den Drucköffnungen ausgestoßen. Einer Flüssigkeitsringgaspumpe muss deshalb laufend Betriebsflüssigkeit zugeführt werden. Die Zuführung der Betriebsflüssigkeit geschieht über den dafür vorgesehenen Betriebsflüssigkeitsan-schluss. Im Normalfall ist der erforderliche Betriebs-flüssigkeitsdruck gleich oder etwas geringer als der Druck im Druckstutzen der Pumpe.

Abb. 8: Wirkungsweise der Kugelventile Zufuhr von Betriebsflüssig-keit

Gas- und Flüssigkeitsführung

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Abb. 9: Flüssigkeitsring-vakuumpumpe mit Abscheider und Wärmeaustauscher Wiederver-wendung der Flüssigkeit

Nachdem das Gas- und Flüssigkeits-Gemisch den Druckstutzen der Pumpe verlassen hat, kann in einem Flüssigkeitsabscheider die Flüssigkeit vom Gas getrennt und die Flüssigkeit, nachdem sie gekühlt oder nachdem ihr ausreichend kühle Flüssigkeit zugemischt wurde, wieder als Betriebsflüssigkeit verwendet werden. Die Kühlung ist notwendig, weil der größte Teil der Wärme, die bei der Verdichtung und bei Kondensationsvorgängen entsteht, von der Flüssig-keit aufgenommen wird. Nur wenn es sich wirt-schaftlich vertreten lässt, erfolgt keine Wiederver-wendung der Flüssigkeit. Wird kein Wert auf eine Trennung von Gas und Flüssigkeit gelegt, kann auf den Flüssigkeitsabscheider verzichtet werden. Durch geeignete Gestaltung des Flüssigkeitsab-scheiders wird der Feuchtigkeitsanteil des aus dem Abscheider austretenden Gases gering gehalten.


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Die Abbildung 10 gibt die Gas- und Flüssigkeits-führung in einer Flüssigkeitsringgaspumpe und dem Flüssigkeitsabscheider wieder. Dargestellt ist die Betriebsart «Kombinierter Flüssigkeitsbetrieb ». Ein Teil der im Flüssigkeitsabscheider vom Gas ge-trennten Flüssigkeit wird bei dieser Betriebsart als Betriebsflüssigkeit wiederverwendet. Abweichend von der in Abbildung 10 dargestellten Form kann der Flüssigkeitsabscheider eine andere Gestalt besitzen und auch auf den Druckstutzen montiert sein oder als Grundplatte für die Vakuum-pumpe bzw. den Kompressor und den Antriebs-motor dienen. Arbeitsbereiche Flüssigkeitsringgaspumpen werden für Ansaug-volumenströme von ca. 1 m³/h bis mehr als 20.000 m³/h gebaut. Die Ansaugdrücke, die

Abb. 10: Gas- und Flüssigkeits-führung Bauformen von Flüssigkeitsab-scheidern

Gas- und Flüssigkeitsführung

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Einfluss auf Ansaugdrücke Abb. 11: Arbeitsbereiche der Flüssigkeitsringgas-pumpen

die Vakuumpumpen erreichen können, werden insbesondere durch die physikalischen Eigen-schaften der Betriebsflüssigkeit bestimmt. Wird Wasser mit einer Temperatur von 15 °C verwendet, sind Ansaugdrücke bis zu 33 mbar bei relativ guten Ansaugvolumenströmen möglich. Dabei ist zu beachten, dass der Verdichtungsdruck gleich dem Atmosphärendruck oder größer als dieser ist. Geringere Ansaugdrücke lassen sich durch Kombi-nationen mit Gasstrahlvakuumpumpen, Dampf-strahlvakuumpumpen und Wälzkolbenvakuum-pumpen erreichen. Flüssigkeitsring--kompressoren arbeiten bei atmosphärischem Ansaugdruck, je nach Bauform, bis zu absoluten Verdichtungs-drücken von etwa 9 bar. In Abbildung 11 sind die Arbeitsbereiche der Flüssigkeitsringgaspumpen dargestellt.


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Betriebsverhalten Die Energieübertragung vom Flüssigkeitsring auf das Fördermedium sowie die Berührung des Fördermediums mit der Betriebsflüssigkeit bestimmen entscheidend die Eigenschaften und das Betriebsverhalten der Flüssigkeitsringgas-pumpen. Ansaugvolumenstrom Der theoretisch mögliche Ansaugvolumenstrom Vtheor für eine Pumpe, die als Verdrängerverdichter arbeitet, ist gleich dem Produkt aus dem Flügelradzellenvolumen VZellen, das während einer Flügelradumdrehung für das Gas zur Verfügung steht und der Drehzahl n des Flügelrads: Vtheor = 60 ⋅ VZellen ⋅ n (1) Dabei wird Vtheor in m³/h, VZellen in m³ und n in 1/min angegeben. In der Praxis ist der Ansaugvolumenstrom jedoch geringer, da kein restloses Entleeren der Flügel-radzellen vom Gas stattfindet und Strömungs-verluste in den Saug- und Drucköffnungen sowie Spaltverluste auftreten. Ist das angesaugte Gas trocken, so wird es das Bestreben haben, sich nach dem Eintritt in die Pumpe mit Dampf aus der Betriebsflüssigkeit zu sättigen. Der Sättigungsvorgang bewirkt eine Temperatursenkung im Gas und in der Flüssigkeit, weil Wärme für die Dampfbildung benötigt wird. Der für das Gas zur Verfügung stehende Raum in den Flügelradzellen verringert sich um den Anteil, der vom Dampf eingenommen wird. Den Zusammenhang zwischen den Raumanteilen von Gas und Dampf vermittelt das Daltonsche

Theoretischer Ansaugvolumen-strom

Betriebsverhalten

•

•

•

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Daltonsches Gesetzt

Gesetz (2), welches besagt, dass sich bei Mischungen gasförmiger Stoffe die Einzelvolumina zueinander verhalten wie ihre Teildrücke: VG pG p1 - pD VD pD pD Dabei steht V für Volumen und p für Druck mit den Indizes G für Gas und D für Dampf; p1 bezeichnet den Ansaugdruck. Bei den Angaben des Ansaugvolumenstromes VL in Listen und Katalogen wird üblicherweise trockene Luft mit einer Temperatur von 20 °C als Förder-medium und Wasser mit einer Temperatur von 15 °C (bei Kompressoren 20 °C) als Betriebsflüssigkeit zugrundegelegt. Hat die angesaugte trockene Luft eine andere Temperatur als 20 °C, so verändert sich der Quotient der absoluten Temperaturen von Luft und Betriebswasser sowie der Dampfanteil des Luft-Wasserdampf-Gemisches in den Flügelrad-zellen. Die Folge ist eine Änderung des Ansaug-volumenstromes. Das gleiche gilt auch, wenn die Betriebswassertemperatur von den genannten Werten abweicht. Unter der Annahme, dass sich die Temperatur t1 der geförderten Luft bis zu deren Eintritt in die Flügelradzellen auf die Temperatur t3 des Betriebs-wassers verändert hat und dass weiterhin das Daltonsche Gesetz für Luft-Wasserdampf-Ge-mische und für diesen Fall anwendbar ist, würde sich theoretisch der Ansaugvolumenstrom V1 für andere Lufttemperaturen als 20 °C bzw. für andere Betriebswassertemperaturen als 15 °C nach Gleichung (3) errechnen: V1 = VL +1 (3)


= = (2)

•

•

t1 – 20 p1 - pD t3 + 273 p1 – 17,04

• •

19

Die Zahl 17,04 steht hier für den Dampfdruck (in mbar) des Wassers bei einer Temperatur von 15 °C. In der Praxis folgt die Veränderung des Ansaug-volumenstromes nicht voll diesen Gesetzmäßig-keiten, da sie nur für ideale Gase gelten, für die Dampfbildung nur eine begrenzte Zeit und eine begrenzte Oberfläche zur Verfügung stehen und pumpenspezifische Gegebenheiten dieses ver-hindern. Aus Messwerten wurden empirische Gleichungen ermittelt, um die in der Praxis vorhandene Ab-hängigkeit des Ansaugvolumenstromes vom Dampfdruck der Betriebsflüssigkeit zu berück-sichtigen [1]. Damit wird der Ansaugvolumenstrom V1 für andere Betriebsflüssigkeitstemperaturen als 15 °C wie folgt berechnet: V1 = VL ⋅ λI (4) Für einstufige Vakuumpumpen und für Kompres-soren ist λIein = (5) und für zweistufige Vakuumpumpen λIzwei = (6) p1 = Ansaugdruck in mbar pD = Dampfdruck der Betriebsflüssigkeit in mbar V1 = Ansaugvolumenstrom in m³/h VL = Ansaugvolumenstrom bei Förderung von

trockener Luft (20 °C) mit Wasser (15 °C) als Betriebsflüssigkeit in m³/h

Der Dampfdruck beeinflusst den Ansaugvolumen-strom

Betriebsverhalten

• •

p1 (0,27 ⋅ ln p1 - 0,0783) - 1,05 ⋅ pD

p1 (0,27 ⋅ ln p1 - 0,0783) - 1,05 ⋅ 17,04

•

p1 (0,35 ⋅ ln p1 - 0,1) - pD

p1 (0,35 ⋅ ln p1 - 0,1) - 17,04

•

•

20

Kavitation Abb. 12: Einfluss der Betriebs-wassertemperatur auf den Ansaugvolumen-strom

Die Gleichungen (5) und (6) ergeben Mittelwerte. Sie gelten für Wasser als Betriebsflüssigkeit, eine Lufttemperatur t1 von 20 °C und Werte für pD zwischen 17 und 123 mbar und für p1 zwischen 33 und 1013 mbar. Bei zu hohem Dampfanteil im Fördermedium kann Kavitation in der Pumpe auftreten und Zerstörungen an Bauteilen, insbesondere an Flügelrädern und Steuerkörpern, bewirken. Aus Beobachtungen ist bekannt, dass ein bestimmter Normvolumenstrom Luft oder eines anderen nicht kondensierbaren Gases im Fördermedium vorhanden sein muss, um Kavitation zu vermeiden. Dieser Strom ist unabhängig von der Betriebswassertemperatur, aber abhängig von der Pumpengröße und deren Drehzahl. In Abbildung 12 sind Rechenwerte grafisch dargestellt, die mit den Gleichungen (5) und (6) ermittelt wurden. Die als Kavitationsgrenze bezeichnete Linie gilt als Richtwert für Vakuumpumpen, die bei Förderung von trockener


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Luft einen Ansaugdruck von 33 mbar kavitationsfrei erreichen. Zur Verhinderung von Kavitationsschäden werden Flüssigkeitsringvakuumpumpen mit einem Kavi-tationsschutz ausgerüstet. Hierbei handelt es sich um die gezielte Rückführung oder Zugabe von nicht kondensierbaren Medien in die Flügelradzellen über einen dafür vorhandenen Anschluss. In der Regel wird dieser Anschluss mit dem Gasraum des Flüssigkeitsabscheiders verbunden. Besteht das Fördermedium aus trockenem Gas oder im Saugraum nicht kondensierbarem Dampf, so wird, abgesehen von der Löslichkeit in der Betriebsflüssigkeit, der Ansaugvolumenstrom durch die Temperatur des Fördermediums beeinflusst. Aus Messwerten wurde eine Einflussgröße ermittelt, mit deren Hilfe der Ansaugvolumenstrom bei der Förderung von trockener Luft mit der Temperatur von t1 aus dem Ansaugvolumenstrom bei der Förderung von Luft mit der Temperatur von 20°C ermittelt werden kann [1]. Der Ansaugvolumenstrom bei der Förderung von trockener Luft mit einer Temperatur von t1 und Wasser mit einer Temperatur von t3 errechnet sich dann nach folgender Gleichung: V1 = VL ⋅ λI ⋅ λIII (7) Dabei ist λIII = 1 + (8) In Abbildung 13 ist die Abhängigkeit des Faktors λIII von der Lufttemperatur für verschiedene

Kavitationsschutz Hohe Gastempe-ratur erhöht den Ansaugvolumen-strom

Betriebsverhalten

• •

0,66 ⋅ (t1 - 20) t3 + 273

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Abb. 13: Einfluss der Temperatur des Fördermediums auf den Ansaugvolumen-strom bei der Förderung von trockenem Gas Kondensierende Dämpfe erhöhen den Ansaug-volumenstrom

Betriebswassertemperaturen grafisch dargestellt. Die Temperatur des Fördermediums darf bestimmte Höchstwerte nicht überschreiten. Je nach Baugröße liegt die höchste zulässige Temperatur für Flüssigkeitsringgaspumpen, die in Serie hergestellt werden, zwischen 60 und 200 °C. Der zulässige Wert wird auch vom Fördermedium beeinflusst. Wenn das Fördermedium Dämpfe enthält, die in der Pumpe kondensieren, so ist der Ansaugvolumen-strom größer als bei der Förderung trockener Gase, wenn die Kondensation im Saugraum oder in den mit dem Saugraum in Verbindung stehenden Flügelradzellen erfolgt. Die Größe der Zunahme ist abhängig vom Ansaugdruck, von der Gas-Dampf-Gemisch-Temperatur, der Betriebsflüssigkeits-temperatur und einer Konstruktionsgröße.


23

Aus Messwerten konnte eine empirische Gleichung ermittelt werden, mit der die Steigerung des Ansaugvolumenstromes bei der Förderung von mit Wasserdampf gesättigter Luft und Wasser als Betriebsflüssigkeit gegenüber dem Ansaugvol-umenstrom bei der Förderung von trockener Luft mit einer Temperatur von 20 °C errechnet werden kann [1]. V1 = VL ⋅ λI ⋅ λII (9) Dabei ist λII = (10) E = 0,82 ⋅ + 0,791 (11) d = Flügelraddurchmesser in m h = Flügelradbreite, die von einer Saugöffnung beaufschlagt wird, in m p1 = Ansaugdruck in mbar pD = Dampfdruck der Betriebsflüssigkeit in mbar pS = Dampfdruck des Wassers bei der

Temperatur des Luft-Wasserdampf-Gemisches in mbar

V1 = Ansaugvolumenstrom in m3/h

VL = Ansaugvolumenstrom bei Förderung von trockener Luft (20 °C) mit Wasser (15 °C) als Betriebsflüssigkeit in m3/h.

Die Gleichung (9) gilt für Luft-Wasserdampf-Gemische und Werte für pD und pS zwischen

Empirische Gleichung aus Messwerten

• •

[0,75 ⋅ p1 (ln p1 - 0,2877)]E

[0,75 ⋅ p1 (ln p1 – 0,2877)]E - 0,75 ⋅ pS

h d

pD 17,04

0,0369

•

•

24

17 und 123 mbar und für p1 zwischen 33 und 1013 mbar. Die Abbildung 14 zeigt die Abhängigkeit des Faktors λII von den o.g. Einflussgrößen bei der Konstruktionsgröße h/d = 0,43.


25

Bezüglich der Kavitationsgrenze gilt auch hier, dass ein bestimmter Normvolumenstrom Luft oder ein anderes, nicht kondensierbares Gas im Förder-medium vorhanden sein muss. Die am häufigsten verwendete Betriebsflüssigkeit ist Wasser. In der Verfahrenstechnik müssen je-doch oft Flüssigkeiten eingesetzt werden, deren chemische und physikalische Eigenschaften ganz anders sind als die von Wasser. Dabei kann die Flüssigkeit dem jeweiligen Prozess angepasst werden. Es ist zu beachten, dass im Fördermedium enthaltene Dämpfe zum großen Teil in der Pumpe kondensieren und als Kondensat zusammen mit dem Gas-Flüssigkeits-Gemisch aus dem Druck-stutzen ausgeschoben werden. Es bietet sich in diesem Fall an, eine Betriebsflüssigkeit zu wählen, die auch als Kondensat anfällt. Weichen die physikalischen Eigenschaften der Betriebsflüssigkeit gegenüber denen von Wasser ab, beeinflusst dies den Ansaugvolumenstrom, den Leistungsbedarf, den Betriebsflüssigkeitsstrom und die Temperatur des Gas-Flüssigkeits-Gemisches auf der Druckseite. Da der Dampfdruck von der Art der Flüssigkeit be-stimmt wird und mit steigender Temperatur größer wird, ist der Ansaugvolumenstrom insbesondere bei kleinen Ansaugdrücken von der Art der Flüssigkeit abhängig. Der Ansaugvolumenstrom wird theo-retisch Null, wenn der Ansaugdruck gleich dem Dampfdruck der Betriebsflüssigkeit wird, der damit die untere physikalische Grenze des erreichbaren Ansaugdruckes darstellt. Die zur isothermen Verdichtung eines Gases vom Ansaugdruck p1 auf den Verdichtungsdruck p2 er-forderliche Leistung Pis ist proportional dem

Unterschiedliche Betriebsflüssig-keiten Abb. 14 (gegenüber): Einfluss der Temperatur des Fördermediums auf den Ansaugvolumen-strom bei der Förder-ung von gesättigtem Luft- Wasserdampf-gemisch

Betriebsverhalten

26

Isotherme Verdichtungs-leistung Ähnlichkeits-gesetz ermöglicht Umrechnungen

Ansaugdruck, dem Ansaugvolumenstrom V1 und dem natürlichen Logarithmus des Verdichtungs-verhältnisses: Pis = (12)

p1 = Ansaugdruck in mbar

p2 = Verdichtungsdruck in mbar

Pis = Isotherme Verdichtungsleistung in kW

V1 = Ansaugvolumenstrom in m³/h Da die Verdichtungsleistung aus der Energie des rotierenden Flüssigkeitsringes bestritten wird, muss in diesem mindestens eine der isothermen Verdichtungsleistung äquivalente Energie vorhan-den sein. Zur Beurteilung der im Flüssigkeitsring vorhandenen Energie kann man annehmen, dass sich diese proportional mit dem Volumen der rotierenden Flüssigkeit, deren Dichte sowie dem Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsringes verändert. Bei bestimmter Drehzahl des Flügelrades ist somit die Dichte der Betriebsflüssigkeit entscheidend für die im Flüssigkeitsring enthaltene Energie und damit auch für die mögliche Verdichtungsleistung. Weiterhin wird die innere Begrenzung des Flüssigkeitsringes auf der Saug- wie auch auf der Druckseite beeinflusst. Die Folge ist eine Abhängigkeit des Ansaugvolumenstromes und des Leistungsbedarfes von der Dichte der Betriebsflüssigkeit. Mit Hilfe des Ähnlichkeitsgesetzes ist es möglich, den Ansaugvolumenstrom und den Leistungsbedarf bei veränderter Dichte der Betriebsflüssigkeit aus


p1 ⋅ V1 ⋅ ln 3,6 ⋅ 104

p2

p1

•

•

•

27

vorhandenen Betriebswerten zu ermitteln. Besteht die Betriebsflüssigkeit aus nicht misch-baren Komponenten, so ist eine Schichtung im Flüssigkeitsring möglich, wenn die Dichten der Mischungskomponenten unterschiedlich sind. Der Ansaugvolumenstrom hängt dann davon ab, ob der leichter siedende Anteil die geringere oder die größere Dichte besitzt. Der Einfluss der Viskosität der Betriebsflüssigkeit auf den Ansaugvolumenstrom ist in der Regel gering. Die sich mit höherer Viskosität auswirkende Verbesserung der Dichtwirkung in den Spalten zwischen Flügelrad und Steuerkörper geht verloren, da ein geringerer Betriebsflüssigkeitsstrom als normal in die Pumpe eintritt. Wasser besitzt bei einer Temperatur von 20 °C eine spezifische Wärmekapazität von 4,183 kJ/kg K. Die in der Verfahrenstechnik verwendeten Flüssigkeiten haben häufig eine geringere spezifische Wärmekapazität. Die Temperaturen des Flüssigkeitsringes und des aus dem Druckstutzen austretenden Gas-Flüssigkeits-Gemisches sind dann höher. Die Verdampfungswärme ist die maßgebende physikalische Größe für den Wärmestrom, der bei der Kondensation von Dampfanteilen des Fördermediums frei wird und vorwiegend in den Flüssigkeitsring übergeht, sowie für die bei der Förderung von trockenen Gasen für die Sättigung erforderliche und vorwiegend aus dem Flüssigkeitsring entnommene Wärme. Die Angaben in Listen und Katalogen beziehen sich auf die Verdichtung von Luft. Flüssigkeits-ringgaspumpen sind jedoch zur Förderung fast aller gas- und dampfförmigen Medien und deren Gemische geeignet. Direkten Einfluss auf den

Einfluss der Viskosität Spezifische Wärmekapazität Verdampfungs-wärme

Betriebsverhalten

28

Einflüsse des Fördermediums auf den Ansaug-volumenstrom Kennfelder

Ansaugvolumenstrom haben die folgenden Eigen-schaften und Zustände des Fördermediums sowie Effekte: • Temperatur • Sättigungszustand • Kondensation im Saugraum • Dichte (technisch wirksam nur bei Wasserstoff

und Helium sowie Gemischen mit diesen Gasen) • Löslichkeit in der Betriebsflüssigkeit • Mitförderung von Flüssigkeit (hiermit ist nicht die

Betriebsflüssigkeit gemeint) • Reaktion mit der Betriebsflüssigkeit Indirekten Einfluss besitzen: • Kondensation während der Verdichtung • spezifische Wärmekapazität • Verdampfungswärme Leistungsbedarf Der Leistungsbedarf der Flüssigkeitsringgas-pumpen ist vernachlässigbar gering vom Dampf-druck der Betriebsflüssigkeit abhängig. Die Viskosität der Betriebsflüssigkeit hat Auswirkungen auf die Reibungsverlustleistung und somit auf den Leistungsbedarf. Ist der Leistungsbedarf PL mit Wasser als Betriebsflüssigkeit bekannt, so kann bei mittlerer Flügelradumfangsgeschwindigkeit und kinematischer Viskosität der Betriebsflüssigkeit bis zu 20 mm²/s der Leistungsbedarf P mit Gleichung (13) errechnet werden: P = PL ⋅υ0,05 (13) Drehzahl des Flügelrades Die Drehzahl des Flügelrades bestimmt den An-saugvolumenstrom und den Leistungsbedarf der Pumpe. Die Abbildungen 15 und 16 sind Dar-stellungen des Ansaugvolumenstromes


29

Abb. 15: Ansaugvolumenstrom und Leistungsbedarf einer Flüssigkeitsring-vakuumpumpe bei verschiedenen Dreh-zahlen Fördermedium: Luft 20 °C; Betriebsflüssigkeit Wasser 15 °C; Verdichtungsdruck 1013 mbar Abb. 16: Ansaugvolumenstrom und Leistungsbedarf eines Flüssigkeitsring-kompressors bei verschiedenen Drehzahlen Fördermedium: Luft 20 °C; Betriebsflüssigkeit Wasser 20 °C; Ansaugdruck 1013 mbar

Betriebsverhalten

30

Abweichungen vom atmosphä-rischen Druck Entstehung von Wärme

des Leistungsbedarfes in Abhängigkeit von der Drehzahl n für eine Vakuumpumpe bzw. einen Kompressor. Verdichtungsdruck und Ansaugdruck Bei Flüssigkeitsringvakuumpumpen kann der Verdichtungsdruck und bei Flüssigkeitsring-kompressoren der Ansaugdruck von dem im Normalfall vorhandenen atmosphärischen Druck erheblich abweichen und damit eine Änderung des Ansaugvolumenstromes und des Leistungsbedarfes nach sich ziehen. Ist mit der Druckänderung eine Erhöhung der mechanischen Belastung von Bauteilen verbunden, so muss deren Zulässigkeit geprüft werden. Die Abbildungen 17 und 18 sind Darstellungen des Ansaugvolumenstroms und des Leistungsbedarfes bei konstanter Drehzahl und Wasser als Betriebs-flüssigkeit für eine einstufige Vakuumpumpe bei verschiedenen Verdichtungsdrücken bzw. für einen einstufigen Kompressor bei verschiedenen Ansaugdrücken. Temperatur am Austritt In Verdichtern wird die gesamte zur Verdichtung der gasförmigen Stoffe aufgewendete Leistung in Wärme umgesetzt. Werden Dämpfe mitgefördert, die im Saugraum oder während der Verdichtung kondensieren, so entsteht Kondensationswärme, die abzuführen ist. Finden im Pumpeninneren wärmeerzeugende Reaktionen zwischen Fördermedium und Betriebs-flüssigkeit statt, muss die Reaktionswärme ebenfalls abgeleitet werden. Bei der Mitförderung von Flüssigkeit wird durch deren Temperatur-änderung ein Wärmestrom frei. Über die Oberfläche der Pumpe findet nur bei außergewöhnlichen Temperaturdifferenzen ein zu berücksichtigender Wärmeaustausch statt.


31

Abb. 17: Ansaugvolumenstrom und Leistungsbedarf einer Flüssigkeitsring-vakuumpumpe bei verschiedenen Verdichtungsdrücken Fördermedium: Luft 20 °C; Betriebsflüssigkeit Wasser 15 °C Abb. 18: Ansaugvolumenstrom und Leistungsbedarf eines Flüssigkeitsring-kompressors bei verschiedenen Ansaugdrücken Fördermedium: Luft 20 °C; Betriebsflüssigkeit Wasser 20 °C

Betriebsverhalten

32

Die Wärme geht in den Flüssigkeits-ring über

In Flüssigkeitsringgaspumpen geht ein großer Teil der entstehenden Wärme in den Flüssigkeitsring über und wird mit dem Gas-Flüssigkeits-Gemisch abgeführt. Dabei kommt es zu folgenden Wärme-strömen: Verdichtungsleistung und Reibungsverlustleistung: Qv = P ⋅ 3600 (14) P = Leistungsbedarf der Pumpe in kW QV = Wärmestrom in kJ/h Wärmeaustausch zwischen Fördermedium und Betriebsflüssigkeit: QG = mG ⋅ cp (t1 - t2) (15) cP = spezifische Wärmekapazität des

Fördermediums in kJ/kg K mG = Massenstrom des Gases in kg/h t1 = Temperatur am Saugstutzen in °C t2 = Temperatur am Druckstutzen in °C QG = Wärmestrom in kJ/h Kondensationswärme: QK = r ⋅ (mD1 – mD2) (16) mD1 = Dampfmassenstrom, der kondensiert, in

kg/h mD2 = Dampfmassenstrom, der den Druckstutzen

verlässt, in kg/h r = Verdampfungswärme in kJ/kg QK = Wärmestrom in kJ/h Bleiben die Abkühlung des Dampfes auf die Kondensationstemperatur, die Abkühlung des Kon-densats auf die Flüssigkeitstemperatur


•

•

• •

•

•

• • •

•

•

•

33

sowie eine eventuell vorhandene Reaktionswärme unberücksichtigt, errechnet sich der in den Flüssig-keitsring übergehende Wärmestrom Q nach der Gleichung (17): Q = QV +QG + QK (17) Wenn ein Gleichgewicht zwischen den in die Pumpe ein- und austretenden Massen- und Wärmeströmen bzw. deren Äquivalenten besteht, gilt: Q = B ⋅ ρ3 ⋅ c ⋅ (t2 - t3) (18) Q = Wärmestrom in kJ/h B = Betriebsflüssigkeitsstrom in m3/h ρ3 = Dichte der Betriebsflüssigkeit in kg/m3 c = Spezifische Wärmekapazität der Betriebs-

flüssigkeit in kJ/kg K t2 = Temperatur am Druckstutzen in °C t3 = Temperatur am Betriebsflüssigkeitsan-

schluss in °C Damit ergibt sich eine Temperaturerhöhung in der Flüssigkeitsgaspumpe von: ∆t = t2 - t3 = (19) Zur Berechnung der Wärmeströme QG und QK müssen die Temperatur t2 am Druckstutzen der Pumpe und der Dampfdruck der dampfförmigen Stoffe bei dieser Temperatur bekannt sein. Die Temperatur t2 kann deshalb nicht direkt aus der Gleichung (19) errechnet werden. In der Praxis wird diese Temperatur mit Hilfe einer Iterationsrechnung bestimmt. Dazu wird ein Zusammenhang zwischen Temperatur und Dampfdruck in Gleichungsform benötigt [2].

Wärmestrom Temperaturer-höhung

Betriebsverhalten

• • • •

•

•

Q B ⋅ ρ3 ⋅ c

•

• •

•

34

Abb. 19: Temperaturdifferenz ∆t = t2 - t3 für eine Flüssigkeitsring-vakuumpumpe bei der Förderung von trockener und von mit Wasserdampf gesättigter Luft Radausnutzung

In der Abbildung 19 ist als Beispiel die Temperaturdifferenz ∆t = t2 - t3 in Abhängigkeit vom Ansaugdruck für eine Flüssigkeitsringvakuum-pumpe bei der Förderung von trockener und mit Wasserdampf gesättigter Luft mit t1 = 20 °C dar-gestellt. Ähnlichkeitsgesetz Das Ähnlichkeitsgesetz besagt, dass bei geo-metrischer Ähnlichkeit der Vakuumpumpen bzw. der Kompressoren, gleichem Druckverhältnis p2/p1 und gleichem k-Wert der Verdichtungsvorgang ähnlich verläuft, und damit die Radausnutzung und der isotherme Wirkungsgrad gleich sind. Unter der Radausnutzung versteht man dabei den volumetrischen Wirkungsgrad für ein Flügelrad: λR = ⋅ (20) d = Flügelraddurchmesser in m b = Flügelradbreite in m n = Drehzahl des Flügelrads in 1/min


1 60

d² ⋅ ⋅ b ⋅ n

V1 π 4

•

35

Der isotherme Wirkungsgrad ist der Quotient aus der isothermen Verdichtungsleistung und dem Leistungsbedarf der Pumpe. Aus Gleichung (21) erhält man: ηis = (21) p1 = Ansaugdruck in mbar p2 = Verdichtungsdruck in mbar V1 = Ansaugvolumenstrom in m3/h P = Leistungsbedarf in kW Der k-Wert ist der Quotient aus der isothermen Verdichtungsleistung und der Leistung des rotierenden Flüssigkeitsringes und damit ein relatives Maß dafür, wie weit die Energie des Flüssigkeitsringes für die Verdichtungsleistung aufgezehrt wird: k = 102 ⋅ (22) p1 = Ansaugdruck in mbar p3 = Dichte der Betriebsflüssigkeit in kg/m3 u = Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrades in

m/s In Gleichung (22) ist der Ansaugvolumenstrom gegen den Volumenstrom des Flüssigkeitsringes gekürzt und der natürliche Logarithmus aus dem Druckverhältnis p2/p1 gleich 1 gesetzt. Betriebsarten Unter Betriebsart ist hier die Betriebs-flüssigkeitsführung außerhalb der Pumpe zu verstehen.

Isothermer Wirkungsgrad k-Wert

Betriebsverhalten

p2

p1

3,6 ⋅ 104 ⋅ P

p1 ⋅ V1 ⋅ ln •

•

p1 ρ3 2

⋅ u²

36

Der Frischflüssig-keitsbedarf ist gering Frischflüssigkeits-strom

In den Abbildungen 20 bis 22 sind Einzelpumpen und Flüssigkeitsabscheider als Standabscheider dargestellt. Die Abbildungen gelten sinngemäß auch für andere Bauarten von Flüssigkeitsab-scheidern sowie bei der Schaltung von mehreren Pumpen auf einen Abscheider. Man unterscheidet drei verschiedene Betriebsarten, die im folgenden kurz erläutert werden. Kombinierter Flüssigkeitsbetrieb Der kombinierte Flüssigkeitsbetrieb ist die unter normalen Umständen übliche Betriebsart. Der Frischflüssigkeitsstrom ist auf das zur Abführung der Wärme erforderliche Maß begrenzt. Der Aufbau ist in der Abbildung 20 gezeigt: Die Betriebsflüssigkeit B besteht aus einem Gemisch von Frischflüssigkeit F und Umlaufflüssigkeit U. die Frischflüssigkeit wird einem Flüssigkeitsnetz (z.B. der Wasserleitung), die Umlaufflüssigkeit dem Flüssigkeitsabscheider entnommen. Vor dem Eintritt in den Betriebsflüssigkeitsanschluss werden die beiden Ströme U und F zu dem Strom B gemischt. Der erforderliche Frischflüssigkeitsstrom F errechnet sich nach folgender Gleichung: F = B ⋅ (23) F = Frischflüssigkeitsstrom in m³/h B = Betriebsflüssigkeitsstrom in m³/h t2 = Temperatur am Druckstutzen in °C t3 = Temperatur der Betriebsflüssigkeit in °C t4 = Temperatur der Frischflüssigkeit in °C Die Ablaufflüssigkeit A ist die Summe folgender Ströme: Frischflüssigkeitsstrom F, in der Pumpe kondensierende Dampfanteile des Fördermediums


t2 - t3 t2 - t4

37

und eventuell vorhandene flüssige Anteile des Förderstromes. Ist der Verdichtungsdruck höher als der Atmosphärendruck, so muss die Ablaufflüssigkeit über einen Flüssigkeitsableiter abgeführt werden, oder es sind Regeleinrichtungen am Flüssigkeits-abscheider erforderlich, die den Flüssigkeitsstand in dem notwendigen Bereich halten. Umlaufflüssigkeitsbetrieb Der Umlaufflüssigkeitsbetrieb wird bei korrosiv wirkenden, abwasserschädigenden oder gesund-heitsschädlichen Fördermedien sowie zur Rück-gewinnung des Kondensats angewendet.

Abb. 20: Kombinierter Flüssig-keitsbetrieb A Ablaufflüssigkeit B Betriebsflüssig-

keit F Frischflüssigkeit MI Fördermedium

Saugseite MII Fördermedium

Druckseite PG Flüssigkeitsring-

vakuumpumpe XBp Flüssigkeitsab-

scheider U Umlauf-

flüssigkeit hF Absperrventil iF Regulierventil lB Betriebsflüssig-

keitsleitung lF Frischflüssig-

keitsleitung mU Flüssigkeits-

standrohr t Thermometer tMI Rückschlagventil uA Flüssigkeits-

ablauf uB Betriebsflüssig-

keitsanschluss uc Kavitations-

schutz ue Entleerung ul Anschluss für

Belüftungshahn uMI Saugleitungs-

anschluss uMII Druckleitungs-

anschluss uml Anschluss für

Entleerungs-ventil

use Schmutzent- leerung

uU Umlaufflüssig- keitsanschluss

Betriebsarten

38

Abb. 21: Umlaufflüssigkeits-betrieb A Ablaufflüssigkeit B Betriebsflüssig-

keit K Kühlflüssigkeit MI Fördermedium

Saugseite MII Fördermedium

Druckseite PF Flüssigkeits-

pumpe PG Flüssigkeitsring-


scheider bK Wärmeaus-

tauscher hK Absperrventil IK Regulierventil IU Regulierventil lB Betriebsflüssig-

keitsleitung lK Kühlflüssigkeits-

leitung mB Manovakuum-

meter mU Flüssigkeits-

standrohr t Thermometer tMI Rückschlagventil uA Flüssigkeits-

ablauf uB Betriebsflüssig-


schutz ue Entleerung ul Anschluss für

Belüftungshahn uMI Saugleitungs-

anschluss uMII Druckleitungs-


Entleerungs-ventil

use Schmutzent-leerung

uU Umlaufflüssig- keitsanschluss

In der Abbildung 21 ist der Aufbau gezeigt. Bei dieser Betriebsart wird die im Flüssigkeitsab-scheider vom Fördermedium getrennte Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit wiederverwendet. Die im Pumpenaggregat befindliche Flüssigkeit wird also immer wieder im Umlauf (Kreislauf) gefahren. Zur Kühlung der während des Verdichtungs-vorgangs erwärmten Flüssigkeit muss bei Dauer-betrieb ein Wärmeaustauscher in die Umlauf-flüssigkeitsleitung geschaltet werden. Der Durch-flusswiderstand des Wärmeaustauschers muss gering sein, wenn keine Flüssigkeitspumpe in der Umlaufflüssigkeitsleitung vorhanden ist.


39

Der durch den Wärmeaustauscher abzuführende Wärmestrom errechnet sich nach Gleichung (17). In der Umlaufflüssigkeitsleitung ist eine Flüssig-keitspumpe zur Druckerhöhung vorzusehen, wenn die Betriebsflüssigkeit eine hohe Viskosität (> 2 mm²/s) besitzt oder wenn die Flüssigkeitsringgas-pumpe mit geringer Druckdifferenz zwischen Verdichtungs- und Ansaugdruck betrieben wird. In der Flüssigkeitsringgaspumpe kondensierende Anteile sowie flüssige Bestandteile des Förder-mediums treten als Ablaufflüssigkeit aus dem Flüssigkeitsabscheider aus. Ist der Verdichtungs-druck höher als der Atmosphärendruck, so muss die Ablaufflüssigkeit über einen Flüssigkeitsableiter abgeführt werden, oder es sind Regeleinrichtungen am Abscheider erforderlich, die den Flüssigkeits-stand in dem notwendigen Bereich halten. Enthält das Abgas aus dem Abscheider (Fördermedium auf der Druckseite MII) einen höheren Dampfmassenstrom als das in die Pumpe eintretende Fördermedium MI, so muss die Differenz der Ströme nachgespeist werden, um ein Absinken des Flüssigkeitsstandes im Aggregat auf eine unzulässige Höhe zu verhindern. Es muss vermieden werden, dass Gas in die Umlaufflüssig-keitsleitung eintritt. Frischflüssigkeitsbetrieb Der Frischflüssigkeitsbetrieb wird angewendet, wenn auf die Wiederverwendung der Betriebs-flüssigkeit als solche kein Wert gelegt wird. Die gesamte zur Aufrechterhaltung des Betriebes erforderliche Betriebsflüssigkeit wird einem Flüssig-keitsnetz, z.B. der Wasserleitung, entnommen.

Pumpe zur Druckerhöhung Kontrolle des Flüssigkeits-standes

Betriebsarten

40

Abb. 22: Frischflüssigkeits-betrieb A Ablaufflüssigkeit B Betriebsflüssig-

keit F Frischflüssigkeit MI Fördermedium-

Saugseite MII Fördermedium Druckseite PG Flüssigkeitsring-


scheider hF Absperrventil iF Regulierventil IB Betriebsflüssig-

keitsleitung IF Frischflüssig-

keitsleitung mB Manovakuum-

meter mU Flüssigkeits-

standrohr t Thermometer tMI Rückschlagventil uA Flüssigkeitsab-

lauf uB Betriebsflüssig-


schutz ue Entleerung ul Anschluss für Belüftungshahn uMI Saugleitungsan-

schluss uMII Druckleitungs-


Entleerungs-ventil

use Schmutzent-leerung

Den Aufbau zeigt die Abbildung 22. Die Ablauf-flüssigkeit A ist die Summe der folgenden Ströme: Frischflüssigkeitsstrom F, in der Pumpe konden-sierende Dampfanteile und etwaige flüssige Bestandteile des Fördermediums. Ist der Ver-dichtungsdruck höher als der Atmosphärendruck, so muss die Ablaufflüssigkeit über einen Flüssig-keitsableiter abgeleitet werden, oder es sind Regeleinrichtungen am Flüssigkeitsabscheider er-forderlich, die den Flüssigkeitsstand in dem erfor-derlichen Bereich halten. Auf den Flüssigkeitsab-scheider kann verzichtet werden, wenn das Fördermedium


41

und die Flüssigkeit nicht getrennt abgeführt werden müssen. Antrieb Antriebsmotoren Flüssigkeitsringgaspumpen werden im Normalfall mit Drehstrom-Elektromotoren angetrieben, deren Schutzart den Betriebsbedingungen angepasst ist. Für große Leistungen finden Hochspannungs-motoren Verwendung. Andere Kraftmaschinen, wie Verbrennungsmotoren und Dampfturbinen sind ebenfalls einsetzbar. Drehmomentübertragung Flüssigkeitsringgaspumpen besitzen ein relativ gleichförmiges Drehmoment. Sie stellen deshalb an die Drehmomentübertragung keine außergewöhn-lich hohen Forderungen. Für kleine und mittlere Pumpengrößen dominiert der direkte Antrieb vom Motor über eine elastische Kupplung. Bei großen Einheiten, die mit relativ geringer Drehzahl laufen, wird in der Regel ein vierpoliger Elektromotor verwendet und zwischen Motor und Pumpe ein Getriebe geschaltet, welches die Motordrehzahl auf die Pumpendrehzahl rotiert. Als Getriebe werden Zahnradgetriebe, Keilriemen-getriebe und auch Flachriemengetriebe verwendet. Riemengetriebe üben eine auf die Welle und deren Lagerung als Radialkraft wirkende Last aus, die von der übertragenen Leistung, der Drehzahl und dem Durchmesser der Riemenscheibe sowie von der Vorspannkraft der Riemen abhängig ist. Deshalb, und um die Lebensdauer der Riemen nicht zu beeinträchtigen, muss ein Mindestdurchmesser für die Riemenscheibe festgelegt werden.

Direkter Antrieb mit Elektromotor Riementrieb ist möglich

Antrieb

42

Abb. 23: Pumpstand mit einer Wälzkolbenvakuum-pumpe und einer Flüssigkeitsring-vakuumpumpe

Da eine einfachwirkende Stufe einer Flüssigkeits-ringgaspumpe eine Radialkraft auf ihre Welle aus-übt, ist die Zugrichtung des Riemens von Bedeut-ung. Der Riemenzug kann die Lagerlast erhöhen und dabei die Durchbiegung der Welle verringern oder die Lagerlast senken und die Wellendurch-biegung vergrößern. Schwungmoment und Lastmoment Die Schwungmomente und die Lastmomente der Vakuumpumpen und Kompressoren sind relativ ge-ring. Das Schwungmoment ist eine maschinen-spezifische Größe. Das Lastmoment beim Anlauf ist außer von der Pumpengröße noch von dem Flüssigkeitsstand in der Pumpe, der Art der Flüssig-keit und den Drücken im Saug- und Druckstutzen, die während des Anlaufvorganges erreicht werden, abhängig.


43

Anlauf Die direkte Einschaltung wird generell bevorzugt. Motoren mit Sterndreieckanlauf können eingesetzt werden, falls die Forderung nach einem besonders niedrigen Anlaufstrom besteht. Es muss jedoch überprüft werden, ob das Drehmoment des in Sternschaltung laufenden Motors groß genug ist. Durch die Verwendung eines Sanftanlaufautomaten kann der beim Einschalten eines Elektromotors entstehende Stromstoß vermieden werden und der Antrieb mit nahezu konstantem Moment anfahren. Sanftanlaufautomaten werden auch als Anlaufhilfe für den Antrieb von großen Flüssigkeitsringgas-pumpen eingesetzt, die mit Magnetkupplungen ausgerüstet sind. Das sanfte Anlaufen verhindert ein "Abreißen" der Magnetkupplung. Schalthäufigkeit Die zulässige Schalthäufigkeit ist mehr vom Antrieb als von der Pumpe abhängig. Elektromotoren erwärmen sich durch hohe Anlaufströme während des Anlaufvorganges sehr. Kupplungen werden durch das Beschleunigen der rotierenden Pumpen- und der evtl. vorhandenen Getriebeteile stark bean-sprucht. In der Regel wird eine Schaltfrequenz von 15 Schaltungen pro Stunde als zulässig angesehen. In besonderen Fällen ist mit dem Motor- und dem Kupplungshersteller Rücksprache zu halten. Beim Anfahren großer Pumpen ist auch die Belastung des Stromnetzes zu beachten. Regelung des Ansaugvolumen-stromes Steigende Energiekosten zwingen die Betreiber von Vakuumpumpen und Kompressoren zu Wirtschaft-lichkeitsbetrachtungen mit dem Ziel, die Betriebs-kosten auf ein Minimum zu senken.

Die direkte Einschaltung wird bevorzugt Hohe Schalthäufigkeit

Regelung des Ansaugvolumenstromes

44

Abb. 24: Veränderung des Ansaugdrucks bei Veränderung des Prozessvolumen-stromes Energieein-sparung

Wird keine Regelung des Volumenstromes vorge-nommen, so stellt sich automatisch der Ansaug-druck ein, bei dem der Prozessvolumenstrom und der Ansaugvolumenstrom der Flüssigkeitsringgas-pumpe gleich groß sind. Das kann einen über-höhten Energie- und Kühlwasserverbrauch zur Folge haben. Die Abbildung 24 zeigt, wie sich der Ansaugdruck einer Flüssigkeitsringvakuumpumpe bei Veränderung des Prozessvolumenstromes ändert. Im folgenden werden die in der Praxis üblichen Regelarten für Flüssigkeitsringgaspumpen erläutert, mit denen der Ansaugvolumenstrom den Betriebs-bedingungen angepasst werden kann. Dabei wird auch auf energiesparende Maßnahmen hinge-wiesen. Drehzahlregelung Mit einer Drehzahlregelung lässt sich der Ansaug-volumenstrom an die betrieblichen Erfordernisse anpassen und Energie sparen. Bei der Wahl der Drehzahl müssen jedoch Grenzwerte berücksichtigt werden.


45

Die Minimaldrehzahl ergibt sich aus der für die Verdichtungsleistung erforderlichen Flügelrad-umfangsgeschwindigkeit. Dabei ist zu beachten, dass die maximale Verdichtungsleistung einer Vakuumpumpe bei einem Ansaugdruck von ca. 400 mbar liegt, wenn der Verdichtungsdruck 1013 mbar beträgt (vgl. Abbildung 15). Die Maximaldrehzahl wird durch die Belastbarkeit der rotierenden Bauteile, insbesondere der Welle und des Flügelrades, bestimmt. Eine Drehzahländerung bewirkt außer der Veränderung der Verdichtungsleistung auch eine Änderung der Verlustleistung. Im Mittel besteht bei Flüssigkeitsringvakuumpumpen eine überlineare Abhängigkeit des Leistungsbedarfes von der Flügelradumfangsgeschwindigkeit und somit von der Drehzahl. Um Energie zu sparen, ist also eine möglichst geringe Drehzahl anzustreben. Der Bereich, in dem sich der Ansaugvolumenstrom über die Drehzahl regeln lässt, liegt in der Größen-ordnung zwischen 50 und 100 Prozent des maximalen Ansaugvolumenstromes. In der Praxis ist der Regelbereich jedoch meist wesentlich geringer, weil die vorhandenen Flüssigkeitsring-gaspumpen nicht optimal zu den jeweiligen Betriebsfällen passen. Regelung der Betriebsflüssigkeits-temperatur Die Kosten für Frisch- oder Kühlflüssigkeit sind ein wesentlicher Anteil der Betriebskosten. Die Wahl der geeigneten Betriebsart und das Schaffen einer möglichst hohen Differenz zwischen der Frischflüssigkeitstemperatur bzw. der Kühlflüssig-keitstemperatur in Zusammenhang mit einer Regelung des Frisch- bzw. Kühlflüssigkeitsstromes

Minimaldrehzahl Maximaldrehzahl Regelungsbereich


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Automatische Anpassung des Frischflüssig-keitsstroms Erhöhung der Verfügbarkeit

ermöglichen es, die Betriebskosten auf das unbedingt erforderliche Maß zu begrenzen. Es darf dabei nicht unberücksichtigt bleiben, dass der Ansaugvolumenstrom einer Flüssigkeitsring-vakuumpumpe auch vom Dampfdruck der Betriebs-flüssigkeit und damit von deren Temperatur ab-hängig ist. Eine einmalige Einregulierung des Frischflüssigkeitsstromes genügt nicht den hohen Anforderungen an den Spareffekt; es muss eine automatische Anpassung dieses Stromes erfolgen. In der Praxis haben sich thermostatische Regel-ventile bewährt. Bei häufig wechselnden Ansaug-drücken ist eine vom Ansaugdruck abhängige und damit aufwendigere Regelung die bessere Lösung. Die Einsparung von Flüssigkeit durch Reduzierung des Betriebsflüssigkeitstromes ist nicht empfehlens-wert, weil sich der Ansaugvolumenstrom dabei unkontrolliert vermindert und unzulässige Schwin-gungen der Flüssigkeitsringgaspumpe entstehen können. Parallelschaltung von Flüssigkeitsringgaspumpen Durch die Aufteilung des Prozessvolumenstroms auf mehrere Pumpen wird eine weitgehende An-passung an die Betriebserfordernisse erreicht. Zusätzlich zum Regeleffekt wird auch die Verfüg-barkeit der Anlage erhöht, weil bei Ausfall einer Pumpe mit vermindertem Volumenstrom weiterge-arbeitet werden kann. Gasumlaufregelung (Bypassregelung) Die Gasumlaufregelung ist die am häufigsten ver-wendete Regelart. Mit ihr lässt sich der Prozess-volumenstrom von Null bis auf den Maximalwert einstellen. Eine Energieeinsparung ist mit dieser Regelart nicht verbunden.


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In Abbildung 25 ist eine Gasumlaufregelung dargestellt: Über eine Rohrleitung, die zwischen der Gasaustrittsleitung des Abscheiders und der Pumpensaugleitung installiert und mit einem Regelorgan ausgerüstet ist, wird das von der Flüssigkeitsringgaspumpe zuviel geförderte Gas in die Saugleitung zurückgeleitet. Diese Gasumlauf-leitung darf auf keinen Fall zwischen der Druck-leitung, die das Gas-Flüssigkeits-Gemisch führt, und der Saugleitung der Pumpe verlegt werden, weil dann ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch unde-finierter Zusammensetzung in den Saugstutzen-strömen würde. Ist bei Flüssigkeitsringvakuum-pumpen eine Mischung des geförderten Gases mit Luft möglich, so kann durch Luftzugabe in den Pumpensaugstutzen die Gasförderung verringert werden. Bauausführungen Bei den Flüssigkeitsringgaspumpen gibt es verschiedene Bauausführungen, die sich hinsicht-lich der Anzahl der Pumpenstufen, der Wellen-lagerung, der Wellendichtungen, der Werkstoffe der Bauteile und der statischen Prüfdrücke unter-scheiden.

Abb. 25: Gasumlaufregelung (Bypassregelung)


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Abb. 26: Längsschnitt einer Flüssigkeitsring-vakuumpumpe in Motorträger-Bauausführung

Anzahl der Stufen Maßgebend für die Anzahl der Stufen, die bei einer Pumpe benötigt werden, sind die mögliche Ver-dichtungsleistung der Stufen sowie deren Betriebs-verhalten und Wirtschaftlichkeit. Flüssigkeitsring-vakuumpumpen werden ein oder zweistufig ausge-führt. Flüssigkeitsringkompressoren für absolute Verdichtungsdrücke bis zu etwa 3,5 bar besitzen in der Regel eine oder zwei Stufen. Höhere Verdichtungsdrücke werden mit zwei oder mehr Stufen erreicht. Wellenlagerung Eine Welle besitzt in der Regel zwei Radiallager. Diese sind entweder an beiden Wellenenden angeordnet oder aber es befinden sich beide Lager auf einer Seite. Als Beispiele für die beidseitige Lagerung können die Abbildungen 4 bis 7 betrachtet werden. Die Abbildungen 26 und 27 zeigen Bauausführungen, bei denen sich beide Lager auf einer Seite der Pumpe befinden. Die Anordnung nach Abbildung 26 wird als Lagerbock- oder Motorträgerpumpe und die Bauausführung nach Abbildung 27 als Motorblockpumpe


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bezeichnet. Motorblockpumpen nutzen die Motor-welle und deren Lager als Pumpenwelle und als Pumpenlager. Wellendichtungen Die Art der Dichtung wird entsprechend der ge-forderten Dichtheit ausgewählt. Gegenüber anderen Verdichterbauarten besteht bei Flüssigkeitsring-gaspumpen der Vorteil, dass Flüssigkeit an den Wellendichtungen zur Verfügung steht und diese als Sperr- oder Spülflüssigkeit, zur Schmierung von Gleitpartnern und zur Abführung von Reibungs-wärme verwendet werden kann. Üblicherweise werden für Flüssigkeitsringgaspumpen Einzel- und Doppel-Gleitringdichtungen sowie einfache und doppelte Stopfbuchsen verwendet. Bauausführungen ohne Wellen-dichtungen Werden Flüssigkeitsringgaspumpen zur Förderung von toxischen, karzinogenen und übelriechenden Gasen und Dämpfen oder zum Verdichten von radioaktiven Medien eingesetzt, so müssen außer-gewöhnlich hohe Dichtheitsforderungen erfüllt werden, die nur mit wellendichtungslosen Bauaus-führungen erreichbar sind. Der Antrieb erfolgt über eine Magnetkupplung

Abb. 27: Längsschnitt einer Flüssigkeitsring-vakuumpumpe in Motorblock-Bauaus-führung Anpassung an den Betriebsfall Hohe Dichtheits-forderungen

Bauausführungen

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Bauausführungenohne Wellen-dichtungen Abb. 28: Prinzip einer einer Magnetkupplung Abb. 30: (gegebüber) Flüssigkeitsring-vakuumpumpen mit Wälzkolbenpumpen

oder einen Spaltrohrmotor. Beide Ausführungen haben als Konstruktionsmerkmale das Spaltrohr und eine in Gleitlagern geführte Welle. Magnet-kupplungen bestehen im wesentlichen aus zwei Magnetträgern, von denen einer fest mit der Welle der Pumpe und der andere fest mit der Welle des Antriebs verbunden ist. Zwischen beiden Magnet-trägern befindet sich das Spaltrohr. Dieses dünn-wandige Rohr ist einseitig am Pumpengehäuse dicht befestigt und auf der anderen Seite geschlossen (es wird deshalb auch als Spalttopf bezeichnet). Die Abb. 28 veranschaulicht das Prinzip. Als Magnetwerkstoffe werden Seltenerdmetall- Kobalt-Legierungen und Seltenerdmetall-Eisen- Legierungen verwendet, deren herausragende Eigenschaften eine große Energiedichte und eine hohe magnetische Stabilität sind. In metallischen Spaltrohren entstehen Wirbelstromverluste, die eine Erwärmung des Spaltrohres bewirken. Wieviel Ver-lustwärme entsteht, hängt von der installierten Magnetmasse und der Drehzahl der Kupplung ab. Zur Abführung der Wärme wird der innere Magnet-träger (Rotor) mit Betriebsflüssigkeit umströmt. Die Abbildung 29 zeigt den Längsschnitt einer zwei-stufigen Flüssigkeitsringvakuumpumpe mit Magnet-kupplung. Zwei Radiallager und ein Axiallager führen die Welle. Die Lager werden


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zur Schmierung und Wärmeabführung mit Betriebs-flüssigkeit versorgt. Bei erschwerten Anfahrbe-dingungen, z.B. wenn die Betriebsflüssigkeit eine hohe Dichte besitzt, wird ein Sanftanlaufautomat verwendet, wodurch ein Magnetabriss beim Start-vorgang vermieden wird. Es ist zu empfehlen, den

Abb. 29: Längsschnitt einer zweistufigen Flüssig-keitsringvakuum-pumpe mit Magnetkupplung

Bauausführungen

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Abb. 31: Längsschnitt eines Flüssigkeitsring-kompressors mit Spaltrohrmotor für extrem hohe Dicht-heitsanforderungen

Antrieb einer Magnetkupplung unmittelbar nach einem erfolgten Abriss abzuschalten, um Beschä-digungen der Bauteile zu verhindern. Die Abbildung 31 zeigt einen Flüssigkeitsring-kompressor mit Spaltrohrmotor für extrem hohe Dichtheitsanforderungen. Werkstoffe der Bauteile Flüssigkeitsringgaspumpen werden in verschie-denen Werkstoffkombinationen gefertigt, um eine Anpassung an die betrieblichen Erfordernisse zu gewährleisten (siehe Anhang). Die Werkstoffe der Zubehörteile, wie Flüssigkeitsabscheider, Rohr-leitungen und Rohrleitungsteile, werden den je-weiligen Grundausführungen angepasst. Statische Prüfdrücke Bei der Förderung von zündfähigen Stoffen (Gasen oder Dämpfen mit explosionsfähigen


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Eigenschaften) werden druckstoßfeste Bauaus-führungen eingesetzt, die sich insbesondere durch einen hohen statischen Prüfdruck auszeichnen. Emissionen Schall Eine arbeitende Pumpe erzeugt Schwingungen und ein Teil dieser Schwingungen wird als Schall emittiert. Schallquellen sind die bewegten festen, flüssigen und gasförmigen Teile und Stoffe. Von den Schallquellen wird der Schall als Gasschall und als Körperschall zum Gehäuse bzw. zu den Wand-ungen der Pumpe geleitet und von dort als Luftschall und als Körperschall an die Umgebung abgegeben. Die Geschwindigkeit der in der Pumpe strömenden flüssigen und gasförmigen Stoffe ist von der Drehzahl des Flügelrades sowie von dem Ansaug- bzw. Verdichtungsdruck der Pumpe abhängig. Diese Größen beeinflussen daher indirekt die emittierte Schalleistung. Über die Größe der schall-emittierenden Fläche besteht ein Zusammenhang zwischen Schalleistung und Schalldruck. Nationale und internationale Normen über Schall-messungen (z.B. DIN EN 23742 und ISO 1996) enthalten Vorschriften über die Messtechniken und Messgeräte. Die Abbildung 32 enthält Messwerte der Schall-druckpegel von zwei Flüssigkeitsringvakuum-pumpen verschiedener Größe. Die Spitzen (peaks) der Kurven liegen bei einer Frequenz, die auf das Produkt aus Drehzahl und Flügelzahl (Anzahl der Flügel am Flügelrad) zurückzuführen ist. Die Be-zeichnung NR steht für "Noise Rating".

Schallquellen Schalleistung und Schalldruck Geringe Schalldruckpegel

Emissionen

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Abbildung 32: Messwerte des Schalldruckpegels von Flüssigkeitsring-vakuumpumpen Tab. 1: Betriebsdaten und A-bewertete Schall-druck- und Schall-leistungspegel

Die Betriebsdaten dieser Pumpen und die A-bewer-teten Schalldruck- und Schalleistungspegel sind in Tabelle 1 aufgelistet. Pumpengröße I II Ansaugdruck mbar 80 80 Verdichtungsdruck mbar 1013 1013 Leistungsbedarf kW 9,5 64 Drehzahl 1/min 1450 735 Schalldruckpegel dB(A) 68 79 Schalleistungspegel dB(A) 81 94

Schwingungen Die Beurteilung der Größe und Zulässigkeit von Schwingungen erfolgt nach der VDI-Richtlinie 2056. Diese Unterlage enthält Angaben über Messgeräte, Aufstellung des zu prüfenden Objektes und


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Beurteilung der Schwingstärke. Die von Flüssigkeitsringgaspumpen erzeugten Schwingungen resultieren aus Unwuchten der rotierenden Teile und aus dem beim Überstreichen der Drucköffnung durch eine Flügelradzelle sich stoßweise ändernden Drucks in den Flügelradzellen und den Druckräumen. Als Messpunkte werden vorzugsweise die Stellen ausgewählt, an denen eine Übertragung von Schwingungsenergie auf andere Teile erfolgt. Das sind die Lager, die Füße sowie die Anschlussflansche der Maschinen. Die VDI-Richtlinie 2056 enthält eine Aufteilung der Prüfobjekte in Gruppen. Sie unterscheiden sich durch eine mit zunehmender Maschinengröße wachsende Zulässigkeit von Schwingungen. In der Abbildung 33 sind Messwerte einer Flüssigkeits-ringvakuumpumpe mittlerer Größe den

Schwingungen sind gering Abb. 33: Messwerte der Schwinggeschwindig-keit einer Flüssigkeits-ringvakuumpumpe

Emissionen

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Leckströme vermeiden Geringe Leckraten

Grenzwerten gegenüber gestellt. Der Begriff "effektive Schnelle" ist ein Maßstab für die Schwingstärke. Leckage Bei der Förderung von gesundheitsschädlichen, explosionsfähigen oder übelriechenden Medien muss deren Austritt so weit wie möglich vermieden werden. In vielen Fällen ist jedoch auch ein Leck-strom von außen nach innen aus sicherheits-technischen oder verfahrenstechnischen Gründen unzulässig. Auch wenn nur harmlose Stoffe mit ungefährlicher Betriebsflüssigkeit verdichtet werden, sind Leck-agen möglichst zu vermeiden, wenn auch nur aus optischen Gründen. Es muss beachtet werden, dass Dichtheitsfor-derungen Dichtheitsprüfungen nach sich ziehen. Hydrostatische Druckprüfungen mit visueller Be-trachtung des Prüflings sind keine Dichtheitsprüf-ungen in diesem Sinne. Die statischen Dichtungen an den Trennfugen zwischen den Bauteilen haben einen wesentlichen Einfluss auf die Dichtheit. Mit sauber bearbeiteten und sorgsam montierten Standardteilen sind Leck-raten von weniger als 1 ⋅ 10-3 mbar l/s erreichbar. Bezüglich der Leckraten von Wellendichtungen muss auf Angaben und Garantien der Dichtungs-hersteller verweisen werden. Eine Dichtheitsprüf-ung ist nur im Stillstand der Maschinen möglich. Extrem geringe Leckraten sind nur mit wellen-dichtungslosen Bauausführungen, wie z.B. Antrieb über Magnetkupplung, zu erreichen.


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Kombination von Flüssigkeitsringvakuumpumpen mit Gasstrahlvakuumpumpen Infolge des Siedeverhaltens der Betriebsflüssigkeit ist der Einsatzbereich von Flüssigkeitsringvakuum-pumpen hinsichtlich des Ansaugdruckes begrenzt. Durch Vorschalten einer Gasstrahlvakuumpumpe (auch als Gasstrahler bezeichnet) lässt sich dieser Bereich zu Ansaugdrücken bis etwa 4 mbar er-weitern. Dabei wird das Gefälle zwischen dem Atmosphärendruck und dem Ansaugdruck der Flüssigkeitsringvakuumpumpe ausgenutzt. Die Abbildung 34 zeigt die Anordnung einer Gasstrahl-vakuumpumpe. Das Treibgas, atmosphärische Luft oder auf Atmos-phärendruck verdichtetes Gas aus dem Flüssigkeit-sabscheider, wird in der Treibdüse auf eine dem Ansaugdruck der

Erweiterung des Einsatzbereiches Abb. 34: Flüssigkeitsring-vakuumpumpe mit Gasstrahlvakuum-pumpe

Kombination von Pumpen

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Die richtige Kombination ist entscheidend Abb. 35: Ansaugvolumenstrom einer Flüssigkeitsring-vakuumpumpe mit und ohne Gasstrahl-vakuumpumpe

Gasstrahlvakuumpumpe entsprechende Geschwin-digkeit gebracht. Dadurch wird das zu fördernde Gas über den Saugraum der Gasstrahlvakuum-pumpe in die Mischdüse gesaugt. Im Diffusor wird die Geschwindigkeitsenergie des Gemisches in Druckenergie umgewandelt. Die Gasstrahlvakuumpumpen werden durch ihre Abmessungen für bestimmte Ansaugdrücke und für bestimmte Ansaugvolumenströme der Flüssigkeits-ringvakuumpumpen ausgelegt. Die richtige Kombi-nation ist somit entscheidend. Es gibt Kombina-tionen für verschiedene Druckbereiche und für Wasser unterschiedlicher Temperatur als Betriebs-flüssigkeit. In der Abbildung 35 sind die Ansaug-volumenströme einer Flüssigkeitsringvakuum-pumpe mit und ohne Gasstrahlvakuumpumpe dar-gestellt. Eine Verringerung des Ansaugvolumenstromes der Flüssigkeitsringvakuumpumpe erhöht den Ver-dichtungsdruck der Gasstrahlvakuumpumpe. Dieser Druck darf jedoch nur einen begrenzten Wert er-reichen. Wird er überschritten, so fällt der Ansaug-volumenstrom der Gasstrahlvakuumpumpe ab.


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Ein Ansteigen des Ansaugvolumenstromes der Flüssigkeitsringvakuumpumpe senkt den Verdich-tungsdruck der Gasstrahlvakuumpumpe. Das bleibt jedoch in einem weiten Bereich ohne Wirkung auf deren Ansaugvolumenstrom. Aus dem als Beispiel gezeigten Kennfeld in Abbildung 36 ist dieses Ver-halten ersichtlich. Das Betriebsverhalten der Flüssigkeitsringvakuum-pumpe ändert sich durch Vorschalten einer Gas-strahlvakuumpumpe nicht. Bei geschlossener Saugseite der Gasstrahlvakuumpumpe liegt der An-saugdruck der Flüssigkeitsringvakuumpumpe außerhalb des Kavitationsbereiches, wenn die rich-tige Pumpenkombination gewählt wird. Die Gasstrahlvakuumpumpe wird direkt auf den Saugstutzen der Flüssigkeitsringvakuumpumpe oder in deren Saugleitung montiert. Im Bedarfsfall wird zwischen beiden Pumpen noch ein Rück-schlagventil angeordnet. Das Ventil darf nur einen geringen Druckverlust erzeugen (1 bis 2 mbar).

Abb. 36: Kennfeld einer Gasstrahlvakuum-pumpe Keine Änderung des Betriebs-verhaltens

Kombination von Pumpen

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Abb. 37: Entnahme von Treibgas aus dem Flüssigkeitsabscheider Trennung von Gas und Flüssig-keit

Ist es aus Gründen der Verfahrenstechnik nicht möglich, Luft als Treibgas zu verwenden, so wird dafür Gas aus der Gasaustrittsleitung des Flüssig-keitsabscheiders entnommen. Die Abbildung 37 zeigt die Anordnung. Der Ansaugvolumenstrom einer Kombination ist im Bereich hoher Drücke geringer als der Ansaug-volumenstrom der Flüssigkeitsringvakuumpumpe allein (vgl. Abb. 35). Bei Betriebsfällen, in denen die Forderung nach kurzer Evakuierungzeit besteht, wird die Gasstrahlvakuumpumpe in diesem Druck-bereich umgangen oder zumindest der Treibgas-anschluss verschlossen. Es ist zu beachten, dass die Höhenlage des Auf-stellungsortes den Treibgasdruck beeinflusst, wenn atmosphärische Luft als Treibgas verwendet wird. Die Werkstoffausführung der Gasstrahlvakuum-pumpe kann den jeweiligen Betriebsverhältnissen angepasst werden. Zubehör Flüssigkeitsabscheider Die Hauptaufgabe eines Flüssigkeitsabscheiders ist die Trennung des aus dem Druckstutzen der Flüs-sigkeitsringgaspumpe austretenden


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Gas-Flüssigkeits-Gemisches in einen Gas- und einen Flüssigkeitsstrom. Darüber hinaus können Flüssigkeitsabscheider noch für folgende Aufgaben eingesetzt werden: • als Vorratsbehälter für Betriebsflüssigkeit • als Vorratsbehälter für Gase • als Beruhigungsgefäß zum Abscheiden von

Schmutz oder zum Trennen von spezifisch unterschiedlich schweren Flüssigkeiten

• als Wärmeaustauscher zur Abkühlung der Flüssigkeit

Flüssigkeitsabscheider gibt es in verschiedenen Bauarten. Die Grundausführungen sind: • Standardabscheider: neben der Pumpe stehend • Aufbauabscheider: auf der Pumpe aufgebaut • Unterbauabscheider; unterhalb der Pumpe

angeordnet • Integrierter Abscheider; in die Pumpe integriert Bei der Wahl der Bauart sind die Aufgaben des Flüssigkeitsabscheiders, die gewünschte Ab-scheidegüte und die örtlichen Gegebenheiten des Aufstellungsraumes zu berücksichtigen. Die Größe des Abscheiders wird nach dem Ansaugvolumen-strom der Flüssigkeitsringgaspumpe, deren Ab-messungen und dem Betriebsflüssigkeitsstrom ausgewählt. Flüssigkeitsabscheider für Umlaufflüssigkeitsbetrieb müssen einen genügenden Flüssigkeitsvorrat und eine Kontrollmöglichkeit für den Flüssigkeitsstand haben. Bei Abscheidern für Flüssigkeitsringkompressoren ist die Anschlußmöglichkeit für ein Sicherheitsventil vorzusehen. Für die Errichtung und den Betrieb von Druckbehältern ist die Druckbehälterverordnung zu beachten.

Zusätzliche Aufgaben Bauarten

Zubehör

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Abb. 38: Flüssigkeitsabscheider als Standabscheider Abb. 39: Flüssigkeitsabscheider als Aufbauabscheider Flüssigkeits-ableitung bei Überdruck

Die Abbildung 38 zeigt einen Standabscheider, die Abbildung 39 einen Aufbauabscheider, jeweils mit den Anschlüssen. Flüssigkeitsableiter Der Flüssigkeitsablauf von Abscheidern für Flüssig-keitskompressoren darf nicht zur Umgebung hin offen sein, weil sonst ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch austreten kann. Es können Schieberkondenstöpfe als Flüssigkeitsableiter verwendet werden.


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Grundplatten und Grundrahmen Flüssigkeitsringgaspumpen kleinerer und mittlerer Baugröße werden normalerweise zusammen mit dem Antriebsmotor auf Grundplatten mit DIN-ge-normten Abmessungen montiert. Für größere Ein-heiten gibt es Grundrahmen aus Stahlträgern. Elastische Kupplungen Die Kupplungen werden nach dem zu übertra-genden Drehmoment, der Schalthäufigkeit und der Betriebsdauer ausgewählt. Bei großen Einheiten sind Kupplungen mit Ausbaustücken vorteilhaft, weil sie ein Trennen von Pumpe und Motor ohne deren axiale Verschiebung ermöglichen. Berührungsschutz Kupplungen, Riemengetriebe und freie Wellen-enden müssen entsprechend den Arbeitsschutz-vorschriften gegen Berührung gesichert sein. Für die Ausführung ist die DIN 31 001 zu beachten. In explosionsgefährdeten Anlagen muss ein Berühr-ungsschutz verwendet werden, bei dem Funken-bildung vermieden wird. Abnahmeregeln Abnahmeregeln enthalten eine Beschreibung der Prüfeinrichtungen und der Prüfverfahren für Ab-nahmeprüfungen. DIN 28 431; Abnahmeregeln für Flüssigkeitsringvakuumpumpen Diese Norm ist für Flüssigkeitsringvakuumpumpen geschrieben; sie ist jedoch ohne Einschränkung auch für Flüssigkeitsringkompressoren geeignet. Die üblichen Toleranzen für den

Arbeitsschutz-vorschriften beachten

Abnahmeregeln

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Abb. 40: Prüfanordnung in Anlehnung an DIN 28 431

Ansaugvolumenstrom und den Leistungsbedarf sind als Grenzabweichungen in einer Tabelle dieser Norm enthalten. Die Abbildung 40 zeigt eine Prüfanordnung. Weitere Abnahmeregeln PNEUROP 6612; Abnahmespezifikation und Leis-tungsversuche für Flüssigkeitsringvakuumpumpen. Acceptance specification and performance tests for liquid ring vacuum pumps Specifications de reception et essais de performances des pompes a anneau liquide ISO 1217, Displacement compressors-acceptance tests; Ref. No ISO 1217 Die in den Abnahmeregeln vorhandenen Gleich-ungen zur Umrechnung des Ansaugvolumen-stromes und des Leistungsbedarfes können von den in den Herstellerwerken benutzten Gleichungen abweichen.


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Verwendung Bei vielen Einsatzfällen erweisen sich die spe-zifischen Eigenschaften der Flüssigkeitsringgas-pumpen als vorteilhaft oder sogar erforderlich. In diesem Zusammenhang sind vor allem folgende Merkmale zu nennen: • Es können fast alle in der chemischen und

pharmazeutischen Praxis vorkommenden Gase und Dämpfe gefördert werden. Die Betriebs-flüssigkeit wird dabei dem Fördermedium ange-passt.

• Die Verdichtung verläuft mit sehr geringer Tem-peraturerhöhung.

• Flüssigkeitsringvakuumpumpen können auch auf Überdrücke verdichten, und Flüssigkeitsring-kompressoren können auch mit Ansaugdrücken weit unterhalb des Atmosphärendrucks betrieben werden.

Die folgende Aufstellung gibt, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, einen Überblick über die vielfältigen Einsatzbereiche der Flüssigkeitsringgaspumpen. Chemische Verfahrenstechnik Flüssigkeitsringgaspumpen werden zum Destillie-ren, Trocknen, Kondensieren, Absorbieren, Ver-dampfen und Filtern verwendet. Entlüftung von Dampfturbinen-kondensatoren Flüssigkeitsringvakuumpumpen werden für den Anfahr- und für den Kondensationsbetrieb von Dampfturbinenkondensatoren eingesetzt. Filteranlagen Flüssigkeitsringvakuumpumpen werden allen Bau-arten von Vakuumfiltern verwendet.

Vorteile aufgrund der spezifischen Eigenschaften

Verwendung

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Einsatzbereiche

Dampf- und Gassterilisatoren Die Kammer der Sterilisatoren wird vor und nach der Sterilisation mit Hilfe von Flüssigkeitsring-vakuumpumpen evakuiert. Kunststoffextruder Flüssigkeitsringvakuumpumpen werden zur Entga-sung und Trocknung der Kunststoffmasse einge-setzt. Vakuumkalibrierung von Kunststoffprofilen Flüssigkeitsringvakuumpumpen erzeugen einen Unterdruck, mit dessen Hilfe das Kunststoffprofil an die Wandung der Form gesaugt wird. Papierherstellung Zur Entwässerung der Nasspartie von Papier-maschinen werden Flüssigkeitsringvakuumpumpen eingesetzt. Zuckerherstellung In Zuckerfabriken werden Flüssigkeitsringkompres-soren zur Kohlensäureverdichtung und Flüssigkeits-ringvakuumpumpen in der Kochstation und für Trocknungszwecke eingesetzt. Vakuumtrocknung Zur Durchführung der Vakuumtrocknung werden Flüssigkeitsringvakuumpumpen an Vakuumtrock-nern verschiedener Bauart verwendet.


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Lösemittelrückgewinnung Zur Vermeidung von Gesundheitsschäden und Umweltbelastungen werden lösemittelhaltige Abluft-ströme gereinigt. Die Rückgewinnungsverfahren erfordern Flüssigkeitsringvakuumpumpen und Flüssigkeitsringkompressoren. Grundwasserabsenkung Flüssigkeitsringvakuumpumpen evakuieren einen Kessel. Über den Kessel wird Luft und Grundwas-ser aus den Filterrohren angesaugt. Holztrockung und Holzimprägnierung Holz wird rasch und ohne Rissbildung getrocknet, indem es vor dem Eintauchen in das Imprägnierbad einem Vakuum ausgesetzt wird. Schlammsaugwagen Im Sammelbehälter wird mit einer Flüssigkeitsring-vakuumpumpe ein Unterdruck erzeugt und der Schlamm pneumatisch in den Behälter gefördert.

Abb. 41: Flüssigkeitsring-kompressoren in einer Anlage zur Trinkwasseraufbe-reitung

Verwendung

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Abb. 42: Flüssigkeitsring-vakuumpumpe zur Wasserkasten-evakuierung in einem Kraftwerk

Wasserwerke Flüssigkeitsringkompressoren werden in Wasser-werken für das Oxydationsverfahren, zur Wasser-belüftung und zur Filterspülung eingesetzt. Vakuumtoiletten Fäkalien werden pneumatisch in einen auf Vakuum gehaltenen Sammelbehälter gefördert. Mineralwasserherstellung Die im Quellwasser enthaltenen Gase werden durch Evakuierung entfernt. Kraftfahrzeugherstellung Die Hohlräume der Kühl-, Brems- und Klima-systeme werden vor der Füllung evakuiert. Milchsammelfahrzeuge Milch wird aus den Behältern der landwirt-schaftlichen Betriebe mit Hilfe einer Flüssigkeits-ringvakuumpumpe in den Tank der Milchsammel-fahrzeuge gesaugt.


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Ziegelherstellung Bei der Herstellung von Ziegeln wird der Ton vor dem Pressvorgang zur Qualitätsverbesserung ent-gast. Flaschenfüllautomaten Flaschen und Dosen werden vor dem Füllvorgang evakuiert. Dadurch wird eine sauerstoffarme Atmosphäre geschaffen, und das Getränk oxydiert nicht. Bleichen von Zellstoffen Bei der Sauerstoff-Ozon-Bleiche von Zellstoffen finden Flüssigkeitsringkompressoren Verwendung. Vakuum-Mischanlagen In Vakuum-Mischanlagen werden flüssige und pasteuse Produkte hergestellt, die durch stetige Entlüftung und Entgasung sehr homogen werden. Grubengasabsaugung Das beim Steinkohlenabbau anfallende Gas wird laufend abgesaugt, damit keine Explosionsgefahr besteht. Literatur [1] Segebrecht, U.: "Förderung von trockener Luft und von gesättigtem Luft-Wasserdampfgemisch mit Flüssigkeitsringvakuumpumpen bei verschiedenen Temperaturen des Fördermediums und des Betriebswassers". Verdichter Handbuch. 1 Aufl. Essen: Vulkan-Verlag, 1990. S. 356-363. [2] Reid, R.C.; Prausnitz, J.M; Poling, B.E.: The Porperties of Gases and Liquids. New York: McGraw-Hill Book Company, 1989.

Einsatzbereiche

Verwendung

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Anhang Dampfdruck von Wasser Temp. Druck. Temp. Druck. Temp. Druck. Temp. Druck.

°C mbar °C mbar °C mbar °C mbar 10 12,7 18 20,62 26 33,60 45 95,8 11 13,12 19 21,96 28 37,78 50 123,4 12 14,01 20 23,37 30 42,41 55 157,4 13 14,97 21 24,85 32 47,53 60 199,2014 15,97 22 26,42 34 53,18 65 250,1 15 17,04 23 28,08 36 59,40 70 311,6016 18,17 24 29,82 38 66,24 75 385,5 17 19,36 25 31,66 40 73,75 80 473,60

Häufig verwendete Werkstoffe und Werkstoffkombinationen der Flüssigkeitsringgaspumpen

Werkstoffkombination Bauteil 0A 0B 3B 4A 4B

Saug-Druckdeckel

0.6025 0.6025 2.1050 1.4308 1.4408

Steuerkörper (-scheibe)

0.6025 0.6025 2.1050 1.4308 1.4408

Gehäuse 0.6025 1.0038

0.6025 1.0038

2.1050 1.4308 1.4541

1.4408

Flügelrad 2.0196 2.0975

0.7040 0.7043 1.4027 1.0570

2.1052 1.4460Cu

1.4541

1.4460Cu

1.4571

Welle, flüssig-keitsberührt

1.4021 1.4021 1.4301 1.4301 1.4571

Welle, nicht flüssigkeits-berührt

1.0060 1.0060 1.0060 1.0060 1.0060

Wellenschon-buchse

1.4027 1.4027 1.4410 1.4410 1.4410 1.4581

Lagergehäuse, Lagerdeckel

0.6025 0.6025 0.6025 0.6025 0.6025

Die Ziffern sind Stoffnummern nach DIN 17 007.

Anhang

Documents

Flüssigkeitsringvakuumpumpen und ...Die Grundoperationen der Verfahrenstechnik laufen überwiegend im Grobvakuumbereich ab. Bei nie-drigen Ansaugdrücken müssen oft 5 mehrere Vakuumpumpen