Wie funktionieren Dampfstrahlvakuumpumpen?

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Eine Einführung in die Technik der Treibmittelvakuumpumpen

Man unterscheidet zwischen Ejektorpumpen wie Wasserstrahlpumpen (17 mbar < p < 10¹³ mbar), Dampfstrahlvakuumpumpen (10^-3 mbar < p < 10^-1 mbar) und Diffusionspumpen (p < 10^-3 mbar). Ejektorvakuumpumpen werden hauptsächlich für die Erzeugung von Mittelvakuum verwendet. Diffusionspumpen erzeugen Hoch- und Ultrahochvakuum. Beide Typen arbeiten mit einem schnell fließenden Strom von Pumpenflüssigkeit in Dampf- oder Flüssigkeitsform (Wasserstrahl sowie Wasserdampf, Öl- oder Quecksilberdampf). Der Pumpmechanismus aller Treibmittelpumpen ist im Grunde derselbe. Die gepumpten Gasmoleküle werden aus dem Behälter entfernt und gelangen in den Pumpenflüssigkeitsstrom, der sich nach dem Passieren einer Düse ausdehnt. Die Moleküle des Pumpenflüssigkeitsstroms übertragen sich durch Stoßimpulse auf die Gasmoleküle in Strömungsrichtung. So wird das zu pumpende Gas in einen Raum mit höherem Druck bewegt.

In Treibmittelpumpen entstehen während des Betriebs je nach Art der Pumpenflüssigkeit und der Temperatur sowie der Konstruktion der Düse entsprechende Dampfdrücke. Bei Öldiffusionspumpen können diese bis zu 1 mbar in der Siedekammer betragen. Der Gegendruck in der Pumpe muss niedrig genug sein, damit der Dampf ausströmen kann. Um dies zu gewährleisten, benötigen solche Pumpen entsprechende Vorpumpen, meist mechanischer Art. Der Dampfstrahl kann nicht in den Behälter eindringen, da er an den gekühlten Außenwänden der Pumpe kondensiert, nachdem er durch die Düse ausgestoßen worden ist.

Funktionsprinzip von Treibmittelpumpen

Wolfgang Gaede erkannte als Erster, dass Gase mit vergleichsweise niedrigem Druck mithilfe eines Pumpflüssigkeitsstroms mit im Wesentlichen höherem Druck abgepumpt werden können und dass sich die Gasmoleküle aus einem Bereich mit niedrigem Gesamtdruck in einen Bereich mit hohem Gesamtdruck bewegen. Dieser scheinbar paradoxe Zustand entsteht, weil der Dampfstrom zunächst vollständig frei von Gas ist, sodass die Gase aus einem Bereich mit höherem Partialgasdruck (dem Behälter) in einen Bereich mit niedrigerem Partialgasdruck (Dampfstrom) diffundieren können. Dieses grundlegende Gaede-Konzept wurde von Langmuir (1915) beim Bau der ersten modernen Diffusionspumpe verwendet. Die ersten Diffusionspumpen waren Quecksilberdiffusionspumpen aus Glas, später aus Metall. In den sechziger Jahren wurde das Medium Quecksilber fast vollständig durch Öl ersetzt. Um eine möglichst hohe Dampfströmungsgeschwindigkeit zu erreichen, ließ Gaede den Dampfstrom mit Überschallgeschwindigkeit aus einer Düse austreten. Der Dampf der Pumpflüssigkeit, der den Dampfstrahl bildet, kondensiert an der gekühlten Wand des Pumpengehäuses, während das transportierte Gas in der Regel in einer oder mehreren nachfolgenden Stufen weiter verdichtet wird, bevor es von der Vorpumpe entfernt wird. Die Verdichtungsverhältnisse, die mit Treibmittelpumpen erreicht werden können, sind sehr hoch: Wenn am Einlass der Treibmittelpumpe ein Druck von 10^-9 mbar und ein Gegendruck von 10^-2 mbar herrscht, wird das Fördergas um den Faktor 10⁷ komprimiert!

Arten von Treibmittelpumpen

Der Enddruck von Treibmittelpumpen wird durch den Wert für den Partialdruck der verwendeten Flüssigkeit bei Betriebstemperatur der Pumpe begrenzt. In der Praxis versucht man, dies durch die Einführung von Leitblechen oder Kühlfallen zu verbessern. Dabei handelt es sich um Kondensatoren zwischen Treibmittelpumpe und Vakuumkammer, so dass der Enddruck, der in der Vakuumkammer erreicht werden kann, nur noch durch den Partialdruck der Flüssigkeit bei der Temperatur des Leitblechs begrenzt wird.
Die verschiedenen Arten von Treibmittelpumpen unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Dichte der Pumpenflüssigkeit am Ausgang der oberen Düse zur Hochvakuumseite der Pumpe:

Geringe Dampfdichte: Diffusionspumpen, einschließlich Öldiffusionspumpen und Quecksilberdiffusionspumpen
Hohe Dampfdichte: Dampfstrahlpumpen, einschließlich Wasserdampfpumpen, Öldampfstrahlpumpen und Quecksilberdampfstrahlpumpen
Kombinierte Öldiffusions-/Dampfstrahlpumpen
Wasserstrahlpumpen

Funktionsprinzip von Öldampfstrahlpumpen

Die Pumpwirkung einer Dampfejektorstufe wird anhand von Abb. 2.46 erklärt. Die Pumpenflüssigkeit tritt unter hohem Druck p₁ in die Düse (1) ein, die sogenannte Laval-Düse. Dort wird sie auf den Eingangsdruck p₂ expandiert. Bei dieser Expansion geht die plötzliche Energieänderung mit einem Anstieg der Geschwindigkeit einher. Der folglich beschleunigte Dampfstrahl der Pumpenflüssigkeit strömt durch den Mischerbereich (3), der mit dem zu evakuierenden Behälter (4) verbunden ist. Hier werden die Gasmoleküle, die aus dem Behälter austreten, vom Dampfstrahl mitgerissen. Das Gemisch aus Pumpenflüssigkeitsdampf und Gas tritt nun in die Diffusordüse ein, die sogennante Venturi-Düse (2). Hier wird das Dampf-Gas-Gemisch auf den Gegendruck p₃ komprimiert, wobei gleichzeitig die Geschwindigkeit abnimmt. Der Pumpenflüssigkeitsdampf kondensiert dann an den Pumpenwänden, während das mitgeführte Gas von der Vorpumpe entfernt wird.

Abb. 2.46 Betrieb einer Dampfstrahlpumpe.

Düse (Laval)
Diffusordüse (Venturi)
Mischkammer
Anschluss an die Vakuumkammer

Öldampfstrahlpumpen eignen sich ideal zum Abpumpen größerer Mengen Gas oder Dampf im Druckbereich zwischen 1 und 10^-3 mbar. Die höhere Dichte des Dampfstroms in den Düsen sorgt dafür, dass die Diffusion des abgepumpten Gases im Dampfstrom viel langsamer erfolgt als bei Diffusionspumpen, so dass nur die äußeren Schichten des Dampfstroms von Gas durchdrungen werden. Zudem ist die Oberfläche, durch die die Diffusion erfolgt, aufgrund der speziellen Konstruktion der Düsen viel kleiner. Das spezifische Saugvermögen von Dampfstrahlpumpen ist daher kleiner als das von Diffusionspumpen. Da das Fördergas in der Nähe des Strahls unter dem wesentlich höheren Einlassdruck den Verlauf der Durchflussleitungen entscheidend beeinflusst, werden nur bei bestimmten Einlassdrücken optimale Bedingungen erzielt. Daher bleibt das Saugvermögen bei niedrigen Einlassdrücken nicht konstant. Folglich können Öldampfstrahlpumpen Gase aufgrund der hohen Dampfstromgeschwindigkeit und -dichte bei einem relativ hohen Gegendruck transportieren. Ihr kritischer Gegendruck liegt bei einigen Millibar. Die Öldampfstrahlpumpen, die in der heutigen Vakuumtechnik verwendet werden, haben in der Regel eine oder mehrere Diffusionsstufen und mehrere nachfolgende Ejektorstufen. Das Düsensystem des Verstärkers besteht aus zwei Diffusionsstufen und zwei Ejektorstufen in Folge (siehe Abb. 2.47). Die Diffusionsstufen sorgen für das hohe Saugvermögen zwischen 10^-4 und 10^-3 mbar (siehe Abb. 2.48), die Ejektorstufen für den hohen Gasdurchsatz bei hohen Drücken (siehe Abb. 2.49) und den hohen kritischen Gegendruck. Eine Unempfindlichkeit gegenüber Staub und in der Pumpenflüssigkeit gelösten Dämpfen wird durch einen geräumigen Kessel und einen großen Pumpenflüssigkeitsbehälter erreicht. Große Mengen von Verunreinigungen können im Kessel aufgefangen werden, ohne dass die Pumpeigenschaften beeinträchtigt werden.

Abb. 2.47 Abbildung einer Ölstrahlpumpe (Verstärker).

Abb. 2.48 Saugvermögen unterschiedlicher Dampfpumpen in Abhängigkeit vom Einlassdruck bezogen auf ein Nennsaugvermögen von 1000 l/s. Ende des Arbeitsbereichs von Öldampfstrahlpumpen (A) und Diffusionspumpen (B)

Abb. 2.49 Drehzahl verschiedener Dampfpumpen (abgeleitet aus Abb. 2.48)

Wasserstrahlpumpen und Dampfejektoren

Zur Klasse der Treibmittelpumpen gehören nicht nur Pumpen, die einen schnell strömenden Dampf als Pumpenflüssigkeit verwenden, sondern auch Flüssigkeitsstrahlpumpen. Die einfachsten und günstigsten Vakuumpumpen sind Wasserstrahlpumpen. Wie bei einer Dampfpumpe (siehe Abb. 2.46 oder 2.51) wird der Flüssigkeitsstrom zunächst aus einer Düse freigesetzt und vermischt sich dann aufgrund von Turbulenzen mit dem abgepumpten Gas in der Mischkammer. Schließlich wird die Bewegung des Wasser-Gas-Gemischs in einer Venturi-Leitung verlangsamt. Der endgültige Gesamtdruck in einem Behälter, der von einer Wasserstrahlpumpe ausgepumpt wird, wird durch den Dampfdruck des Wassers bestimmt und beträgt zum Beispiel bei einer Wassertemperatur von 15 °C (59 °F) etwa 17 mbar.

Abb. 2.46 Betrieb einer Dampfstrahlpumpe.

Düse (Laval)
Diffusordüse (Venturi)
Mischkammer
Anschluss an die Vakuumkammer

Abb. 2.51 Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Dampfstrahlpumpe.

Dampfeinlass
Strahldüse
Diffusor
Mischbereich
Anschluss an die Vakuumkammer

Dampfstrahlpumpen haben im Wesentlichen ein höheres Saugvermögen und einen niedrigeren Enddruck. Der Schnitt durch eine Stufe ist in Abb. 2.51 dargestellt. Die Markierungen entsprechen denjenigen in Abb. 2.46. In der Praxis werden meist mehrere Pumpenstufen in Folge geschaltet. Für die Arbeit im Labor eignen sich Kombinationen aus zweistufige Pumpen, die aus einer Dampfstrahlstufe und einer Wasserstrahlstufe (Vorstufe) bestehen, beide aus Glas. Die Wasserstrahlvorstufe ermöglicht den Betrieb ohne weitere Vorpumpen. Mit Hilfe eines Dampfstroms mit Überdruck kann die Vakuumkammer bis zu einem Enddruck von etwa 3 mbar evakuiert werden. Das Kondensat des Dampfes wird über den Ablassaufsatz abgeleitet. Die Wasserstrahlstufe dieser Pumpe wird mit Wasser gekühlt, um ihre Effizienz zu erhöhen. Dampfstrahlpumpen eignen sich besonders für den Einsatz in Laboren, insbesondere wenn sehr aggressive Dämpfe abgepumpt werden sollen. Dampfstrahlpumpen, die mit einem Druck von einigen Millibar arbeiten, sind besonders für das Auspumpen von Labordestillationsgeräten und ähnlichen Anlagen zu empfehlen, wenn der Druck einer einfachen Wasserstrahlpumpe nicht ausreicht. In diesem Fall wäre der Einsatz von Drehpumpen nicht wirtschaftlich.

Einschränkungen bei Wasserstrahlpumpen

Trotz ihrer niedrigen Investitionskosten werden in Laboren Wasserstrahlpumpen und Dampfejektoren mehr und mehr durch Membranpumpen ersetzt, da die Verwendung von Wasser als Pumpenflüssigkeit umweltschädlich ist. Lösungsmittel, die in das Wasser gelangen, können nur durch aufwendige Reinigungsmethoden (Destillation) wieder entfernt werden.

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