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Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen: Oldtimer der Vakuumtechnologie und dennoch hochaktuell

Die Vakuumtechnologie hat sich in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Heute sind trockene Schrauben-Vakuumpumpen in der chemischen Verfahrenstechnik und vielen anderen Anwendungen genauso im Einsatz wie trockene Klauen-Vakuumpumpen, die sich als Standard-Vakuumerzeuger in ganzen Industriezweigen etabliert haben Ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen sind nicht zuletzt durch ihre stete technische Weiterentwicklung in vielen Anwendungen „Stand der Technik“ und in ihren Anwendungsfeldern die meistverwendeten Vakuumpumpen überhaupt.
Trotz vieler Optimierungen, Neu- und Weiterentwicklungen hat sich ein Prinzip der Vakuumerzeugung in bestimmten Anwendungen bis heute gehalten und wird noch immer erfolgreich eingesetzt: die Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe.
Das Prinzip der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe wurde bereits 1890 in Form einer „Wasserring-Pumpe“ entwickelt. Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen (Fig. 1) eignen sich durch ihre einfache und robuste Konstruktion zur Vakuumerzeugung bei Anwendungen, in denen feuchte Gase oder Dämpfe abgesaugt werden oder solche, die während des Verdichtungsvorgangs innerhalb der Vakuumpumpe zur Kondensation neigen. Sie sind deshalb für feuchte Prozesse bestens geeignet und kommen so im Bereich der Grobvakuumerzeugung in der Verfahrenstechnik, der chemischen Industrie, bei der Erdölgewinnung und -verarbeitung, bei der Entlüftung von Dampfturbinenkondensatoren, in der Kunststoffindustrie, der Papierherstellung, der Lebensmitteltechnik und vielen anderen industriellen Anwendungen zum Einsatz.
Funktionsprinzip
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen nutzen als Betriebsflüssigkeit Wasser oder eine mit dem abzusaugenden Gas oder Dampf kompatible Flüssigkeit. Ethylenglykol, Mineralöle oder organische Lösungsmittel kommen ebenso zum Einsatz wie bereits andere im Prozess verwendete Flüssigkeiten. Das Grundprinzip ist bei allen Baugrößen und -versionen dasselbe.
Ein exzentrisch angebrachtes Flügelrad dreht sich in einem zylinderförmigen Gehäuse (Fig. 2). Das Gehäuse ist so weit mit Betriebsflüssigkeit gefüllt, dass die Flügel des Laufrads darin eintauchen. Durch die Drehbewegung des Flügelrads und die dadurch entstehende Fliehkraft bildet die Flüssigkeit im Gehäuse den sogenannten Flüssigkeitsring. In den Räumen zwischen den einzelnen Flügeln und dem Flüssigkeitsring wird das Gas gefördert. Durch die exzentrische Anordnung des Flügelrads verändern die Zwischenräume ihr Volumen, sodass Gas angesaugt, verdichtet und wieder ausgestoßen wird. Der Flüssigkeitsring dichtet die einzelnen Zwischenräume zum Zylinder hin ab. Man spricht deshalb auch anstelle von Betriebsflüssigkeit von der Sperrflüssigkeit.
Wirkprinzip
Dieses Wirkprinzip ermöglicht, bedingt durch die verwendete Betriebsflüssigkeit, nur den Einsatz im Grobvakuumbereich. Der Grund dafür ist die Abhängigkeit des erreichbaren Vakuumniveaus vom Dampfdruck und der Viskosität der Betriebsflüssigkeit. Diese wird kontinuierlich durch die Vakuumpumpe gefördert. Dadurch kann eine Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe bei verhältnismäßig geringen Temperaturen betrieben werden. Außerdem arbeitet sie weitestgehend isothermisch. Das heißt, das zu fördernde Medium erwärmt sich während des Verdichtungsprozesses kaum. Deshalb sind Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen geradezu prädestiniert, Dämpfe und Gase mit hohem Feuchtigkeitsanteil zu fördern. Die niedrigen Temperaturen in der Vakuumpumpe begünstigen die Kondensation von feuchten Dämpfen und Gasen. Das heißt, die Vakuumpumpe arbeitet gewissermaßen zusätzlich auch als Kondensator. Da die Kondensation bereits beim Eintreten des Gases in die Vakuumpumpe stattfindet, verringert sich das Volumen des Gases drastisch. Somit erreicht man neben dem Kondensationseffekt auch eine Erhöhung des Nennsaugvermögens. Die Kompressionswärme wird über die Betriebsflüssigkeit abgeleitet. Ein Vorgang, der die Kondensation und die Erhöhung des Saugvermögens begünstigt. Ein großer Vorteil von Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen besteht darin, dass die Betriebsflüssigkeit und die für die Bauteile verwendeten Materialien auf das Fördermedium abgestimmt werden können. Dadurch ist auch das Fördern von explosionsgefährdeten Gasen und Dämpfen möglich. Durch die niedrigen Betriebstemperaturen ist das Fördern von explosionsgefährdeten Stoffen ohnehin wesentlich unkritischer zu beurteilen, als bei anderen mechanischen Vakuumpumpen.
Bauweise
Grundsätzlich unterscheidet man ein- und zweistufige Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen. Bei der einstufigen Ausführung wird der oben beschriebene Verdichtungsvorgang in einer Verdichtungsstufe durchgeführt. Bei der zweistufigen Vakuumpumpe (Fig. 3) wird das aus der ersten Stufe vorverdichtete Fördermedium einer zweiten Verdichtungsstufe zugeführt und ein weiteres Mal verdichtet. Einstufig sind Enddrücke von 130 hPa (mbar) realisierbar, zweistufig erreicht eine Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe bis zu 33 hPa (mbar).
Die Baugrößen selbst variieren stark. Die Firma Busch Vakuumpumpen und Systeme hat verschiedene Baureihen und Ausführungen von DOLPHIN Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen im Programm, die einen Saugvermögensbereich von 25 bis 26.500 Kubikmeter pro Stunde abdecken.
Ausführungen
Die Zu- und Abfuhr der Betriebsflüssigkeit kann auf drei Arten erfolgen:

1. Durchlaufbetrieb
Dies gilt als einfachste Variante zum Betrieb einer Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe die immer dann verwendet wird, wenn genügend Betriebsflüssigkeit zur Verfügung steht. Es erfolgt eine permanente Zufuhr der Betriebsflüssigkeit in die Verdichtungsstufe. Die Flüssigkeit wird dann zusammen mit dem Gas und dem Kondensat ausgestoßen.

2. Offener Flüssigkeitskreislauf
Beim offenen Kreislauf (Fig. 4) wird die Betriebsflüssigkeit zusammen mit dem Gas nach dem Austritt aus der Vakuumpumpe in einen Flüssigkeitsabscheider geleitet. Dort werden Flüssigkeit und Gas getrennt. Das Gas tritt aus oder wird weitergeleitet, während frische Betriebsflüssigkeit in den Flüssigkeitsabscheider zugeführt wird. Somit ist garantiert, dass sich genügend Flüssigkeit im Kreislauf befindet und dass sich die Temperatur nicht erhöht. Mit einem solchen offenen Kreislauf können, im Vergleich zum Durchlaufbetrieb, bis zu 50 Prozent Flüssigkeit eingespart werden.
3. Geschlossener Flüssigkeitskreislauf
Beim geschlossenen Kreislauf (Fig. 5) ist ebenfalls ein Flüssigkeitsabscheider der Pumpe nachgeschaltet. Aus diesem tritt das Gas aus, während die Betriebsflüssigkeit durch einen Wärmetauscher geleitet wird, bevor sie wieder in die Vakuumpumpe eintritt. Die Betriebsflüssigkeit wird also permanent gekühlt. Mit dieser Konfiguration werden bis zu 95 Prozent Betriebsflüssigkeit eingespart. Das heißt, nur geringe Mengen von frischer Flüssigkeit müssen über den Flüssigkeitsabscheider zugeführt werden. Deshalb empfiehlt sich der geschlossene Kreislauf immer dann, wenn Betriebsflüssigkeit nicht ausreichend zur Verfügung steht beziehungsweise diese weitestgehend eingespart werden soll.
Maßgeschneiderte Vakuumsysteme
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen lassen sich hervorragend als Module in Vakuumsystemen und -anlagen einsetzen. In der Kombination mit Dampfstrahlern können niedrigere Enddrücke realisiert werden. In Vakuumsystemen, die direkt auf die individuelle Anwendung zugeschnitten sind, lassen sich technisch und wirtschaftlich optimale Lösungen finden. Die Firma Busch Vacuum Solutions verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in Konstruktion, Auslegung und Bau solcher Anlagen, die weltweit in der chemischen Verfahrenstechnik, der Erdölgewinnung und -verarbeitung, bei der Energiegewinnung und in vielen anderen Bereichen wirtschaftlich und sicher arbeiten. Die einzelnen Baugrößen von DOLPHIN Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen von Busch sind in verschiedenen ATEX-zertifizierten Ausführungen verfügbar.