Was ist ein Gasballast, und wie funktioniert er?

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Die 1935 von Wolfgang Gaede entwickelte Gasballastfunktion verhindert das Kondensieren des Dampfes in der Pumpe. Die Gasballastfunktion, wie sie in Drehschieber-, Drehkolben- und Trochoidpumpen verwendet wird, ermöglicht nicht nur das Abpumpen von Permanentgasen, sondern auch von größeren Mengen kondensierbarer Gase.

Vorteile eines Gasballasts

Die Gasballastfunktion (siehe Abb. 2.13) verhindert die Kondensation von Dämpfen in der Pumpenkammer. Beim Abpumpen von Dämpfen dürfen diese nur bis zu ihrem Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur der Pumpe verdichtet werden. Wenn Sie zum Beispiel Wasserdampf bei einer Pumpentemperatur von 70 °C (158 °F) abpumpen, darf der Dampf nur auf 312 mbar (Sättigungsdampfdruck von Wasser bei 70 °C (158 °F), siehe Tabelle XIII) verdichtet werden. Wenn Sie weiter verdichten, kondensiert der Wasserdampf, ohne den Druck zu steigern. Es entsteht kein Überdruck in der Pumpe, und das Auslassventil wird nicht geöffnet. Stattdessen verbleibt der Wasserdampf als Wasser in der Pumpe und emulgiert mit deren Öl. Dadurch werden die Schmiereigenschaften des Öls sehr schnell beeinträchtigt, und die Pumpe kann sogar festfressen, wenn zu viel Wasser im Öl ist.

Funktionsweise

Bevor der eigentliche Verdichtungsprozess beginnt (siehe Abb. 2.13) wird der Pumpenkammer der Pumpe eine genau definierte Luftmenge (der Gasballast) zugeführt. Die Menge ist so groß, dass das Verdichtungsverhältnis der Pumpe auf max. 10:1 reduziert wird. Nun können die Dämpfe, die von der Pumpe angesaugt wurden, zusammen mit dem Gasballast verdichtet werden, bevor sie ihren Kondensationspunkt erreichen und aus der Pumpe ausgestoßen werden. Der Partialdruck der angesaugten Dämpfe darf jedoch einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Er muss so niedrig sein, dass bei einer Verdichtung um den Faktor 10 die Dämpfe bei Betriebstemperatur der Pumpe nicht kondensieren können. Beim Abpumpen von Wasserdampf wird dieser kritische Wert als „Wasserdampfverträglichkeit“ bezeichnet.

In Abb. 2.14 ist schematisch der Pumpvorgang mit und ohne Gasballast dargestellt, wie er in einer Drehschieberpumpe beim Abpumpen von kondensierbaren Dämpfen abläuft.

Beim Abpumpen von Dämpfen müssen zwei Anforderungen erfüllt werden:
1) Die Pumpe muss Betriebstemperatur haben.
2) Das Gasballastventil muss geöffnet sein.
(Bei geöffnetem Gasballastventil erhöht sich die Pumpentemperatur um ca. 10 °C (50 °F). Vor dem Abpumpen von Dämpfen sollte die Pumpe eine halbe Stunde lang mit geöffnetem Gasballastventil betrieben werden.)

Tabelle XIII Sättigungsdruck p₅ und Dampfdichte e_D von Wasser in einem Temperaturbereich zwischen -100 °C (-148 °F) und +140 °C (+284 °F)

Abb. 2.13 Arbeitsprozess in einer Drehschieberpumpe mit Gasballast

1 – 2 Ansaugen
2 – 5 Komprimieren
3 – 4 Gasballasteinlass
5 – 6 Austritt

Abb. 2.14 Darstellung des Pumpvorgangs in einer Drehschieberpumpe ohne und mit Gasballastfunktion beim Abpumpen von kondensierbaren Stoffen.

a) Ohne Gasballast

1) Die Pumpe ist an den Behälter angeschlossen, der bereits fast luftfrei ist (70 mbar). Es müssen daher hauptsächlich Dampfpartikel transportiert werden
2) Die Pumpenkammer ist vom Behälter getrennt – Verdichtung wird gestartet
3) Der Inhalt der Pumpenkammer ist bereits soweit verdichtet, dass der Dampf zu Tröpfchen kondensiert – der Überdruck ist noch nicht erreicht
4) Nur die Restluft erzeugt jetzt den erforderlichen Überdruck und öffnet das Auslassventil, aber der Dampf ist bereits kondensiert und die Tröpfchen werden in der Pumpe abgeschieden

b) Mit Gasballast
1) Die Pumpe ist an den Behälter angeschlossen, der bereits fast luftfrei ist (70 mbar). Es müssen daher hauptsächlich Dampfpartikel transportiert werden
2) Die Pumpenkammer ist vom Behälter getrennt – nun öffnet sich das Gasballastventil, durch das die Pumpenkammer von außen mit zusätzlicher Luft gefüllt wird – diese zusätzliche Luft wird als Gasballast bezeichnet
3) Das Auslassventil wird aufgedrückt und Dampf- und Gaspartikel werden herausgedrückt – der dafür notwendige Überdruck wird wegen der zusätzlichen Gasballastluft sehr früh erreicht, da zu Beginn des gesamten Pumpvorgangs keine Kondensation auftreten kann
4) Die Pumpe lässt weitere Luft und Dampf ab

Gleichzeitiges Abpumpen von Gasen und Dämpfen

Beim gleichzeitigen Abpumpen von Permanentgasen und kondensierbaren Dämpfen aus einem Vakuumsystem reicht zumeist die Menge an Permanentgas aus, um eine Kondensation der Dämpfe im Inneren der Pumpe zu verhindern. Die Dampfmenge, die ohne Kondensation in der Pumpe abgepumpt werden kann, lässt sich wie folgt berechnen:

(2.1)

Dabei ist p_vapor der Partialdruck von Dampf am Einlass der Pumpe,
p_perm der Gesamtdruck aller abgepumpten Permanentgase am Einlass der Pumpe und
p_vapor,sat der Sättigungsdruck des abgepumpten Dampfes, abhängig von der Temperatur (siehe Abb. 2.15).
p_sum = p_exhaust + Δp_valve + Δp_exhaust Filter
Δp_valve ist die Druckdifferenz entlang des Auslassventils, die je nach Pumpentyp und Betriebsbedingungen 0,2 bis 0,4 bar beträgt.
Δp_exhaust Filter ist die Druckdifferenz entlang des Abluftfilters, die 0 bis 0,5 bar beträgt.

Abb. 2.15 Sättigungsdampfdrücke: Tabelle mit Temperaturen

Beispiel:

Bei einer Drehschieberpumpe mit einem externen Ölnebelabscheider in Reihe wird eine Mischung aus Wasserdampf und Luft abgepumpt. Die folgenden Werte werden für die Anwendung der Gleichung (2.1) eingesetzt:

Der Druck des Wasserdampfes im Luft-Wasser-Gemisch darf 23 % des Gesamtdrucks des Gemisches nicht überschreiten.

Wasserdampfverträglichkeit

Ein wichtiger Sonderfall bei den oben genannten allgemeinen Überlegungen zum Thema Dampfverträglichkeit ist die Förderung von Wasserdampf. Gemäß PNEUROP ist die Wasserdampfverträglichkeit wie folgt definiert:

„Die Wasserdampfverträglichkeit ist der höchste Druck, bei dem eine Vakuumpumpe unter normalen Umgebungstemperaturen und Druckbedingungen (20 °C/68 °F, 1013 mbar) kontinuierlich reinen Wasserdampf aufnehmen und transportieren kann. Diese wird in mbar angegeben.“ Sie wird als P_W,O bezeichnet.

Die Anwendung von Gleichung (2.3) auf diesen Sonderfall bedeutet:

(2.4)

Wenn für den Gasballast Atmosphärenluft mit 50 % Feuchtigkeit genutzt wird, dann ist p_vapor, g.b. = 13 mbar; mit B/S = 0,10 – ein in der Praxis üblicher Wert – und p_sum (Gesamtabgasdruck) = 1330 mbar. Die Wasserdampfverträglichkeit p_W,0 wird in Abhängigkeit von der Pumpentemperatur durch die unterste Kurve im Diagramm in Abb. 2.16 dargestellt. Die anderen Kurven entsprechen dem Abpumpen von Wasserdampf-Luft-Gemischen, also p_perm = p_air O), angegeben durch das Symbol p_L in Millibar. In diesen Fällen kann ein höherer Wasserdampfpartialdruck p_w abgepumpt werden, wie im Diagramm dargestellt. Die im Katalog angegebenen Werte für p_W,0 beziehen sich daher auf die untere Grenze und sind auf der sicheren Seite.

Abb. 2.16 Partialdruck p_w des Wasserdampfes, der bei geöffnetem Gasballastventil ohne Kondensation in der Pumpe abgepumpt werden kann, in Abhängigkeit von der Pumpentemperatur für unterschiedliche Partialdrücke p_L der Luft. Die unterste Kurve entspricht der Wasserdampfverträglichkeit p_W,0 der Pumpe.

Gemäß Gleichung 2.4 würde eine Erhöhung des Gasballasts B zu einer erhöhten Wasserdampfverträglichkeit p_W,0 führen. In der Praxis wird eine Erhöhung von B, insbesondere bei einstufigen Gasballastpumpen, durch die Tatsache eingeschränkt, dass das erreichbare Endvakuum für eine Gasballastpumpe, die mit offenem Gasballastventil betrieben wird, mit zunehmendem Gasballast B schlechter wird. Ähnliche Überlegungen gelten auch für die allgemeine Gleichung 2.3 hinsichtlich der Dampfverträglichkeit p_vapor.

Zu Beginn eines Abpumpvorgangs sollte die Gasballastpumpe immer mit geöffnetem Gasballastventil betrieben werden. In fast allen Fällen wird eine dünne Wasserschicht an der Behälterwand vorhanden sein, die nur allmählich verdunstet. Um niedrige Enddrücke zu erreichen, sollte das Gasballastventil erst geschlossen werden, nachdem der Dampf abgepumpt wurde. Pumpen von Leybold haben im Allgemeinen eine Wasserdampfverträglichkeit zwischen 33 und 66 mbar. Zweistufige Pumpen können je nach Verdichtungsverhältnis zwischen ihren Stufen andere Wasserdampfverträglichkeiten haben, vorausgesetzt, sie haben unterschiedlich große Pumpenkammern.

Andere Gase als Ballast

Als Gasballastmedium wird üblicherweise Atmosphärenluft verwendet. In Sonderfällen können beim Abpumpen explosiver oder giftiger Gase beispielsweise auch andere Permanentgase wie Edelgase oder Stickstoff verwendet werden.

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