Wie funktioniert eine Kondensatorpumpe?

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Beim Abpumpen von Wasserdampf in einer großen Industrieanlage ist immer eine gewisse Menge Luft im Spiel, die entweder im Dampf enthalten ist oder aus Lecks in der Anlage stammt (die folgenden Überlegungen zu Luft und Wasserdampf gelten natürlich auch generell für andere Dämpfe als Wasserdampf). Aus diesem Grund muss der Kondensator durch eine Gasballastpumpe unterstützt werden (siehe Abb. 2.41) und arbeitet daher wie die Rootspumpe immer in einer Kombination. Die Gasballastpumpe hat die Aufgabe, die Luftfraktion abzupumpen, die oft nur einen kleinen Teil des betreffenden Wasser-Dampf-Gemisches ausmacht, ohne gleichzeitig viel Wasserdampf abzupumpen. Es ist daher nachvollziehbar, dass bei der Kombination von Kondensator und Gasballastpumpe im stationären Zustand die Strömungsverhältnisse, die im Bereich des Grobvakuums auftreten, nicht ohne Weiteres zu beurteilen sind. Die einfache Anwendung der Kontinuitätsgleichung ist nicht ausreichend, da es sich nicht mehr um ein quellen- oder senkenfreies Strömungsfeld handelt (der Kondensator ist aufgrund von Kondensationsprozessen eine Senke). Dies wird an dieser Stelle besonders hervorgehoben. In einem praktischen Fall, in dem die Kombination aus Kondensator und Gasballastpumpe nicht funktioniert, könnte es ungerechtfertigt sein, den Kondensator für den Ausfall verantwortlich zu machen.

Abb. 2.41 Kondensator (I) mit nachgeschalteter Gasballastpumpe (II) zum Abpumpen großer Wasserdampfmengen im Grobvakuumbereich (III) – einstellbare Drosselklappe.

Einlass des Kondensators
Ablass des Kondensators
Siehe Text

Anwendungen einer Kondensatorpumpe

Ein Kondensator ist die wirtschaftlichste Pumpe zum Abpumpen größerer Mengen an Wasserdampf. In der Regel wird der Kondensator mit Wasser gekühlt, das so temperiert ist, dass die Kondensatortemperatur weit genug unter dem Taupunkt des Wasserdampfes liegt und eine wirtschaftliche Kondensation bzw. Pumpwirkung gewährleistet ist. Zur Kühlung können aber auch Medien wie Sole und Kältemittel (NH₃, Freon) eingesetzt werden.

Kombination mit Gasballast

Bei der Dimensionierung der Kombination aus Kondensator und Gasballastpumpe müssen folgende Punkte berücksichtigt werden:
a) Der Anteil der Permanentgase (Luft), die gleichzeitig mit dem Wasserdampf abgepumpt werden, sollte nicht zu groß sein. Bei Luftpartialdrücken mit mehr als etwa 5 % des Gesamtdrucks am Auslass des Kondensators entsteht eine deutliche Luftansammlung vor den Kondensatorflächen. Der Kondensator kann dann nicht seine volle Kapazität erreichen (siehe auch den Eintrag auf der Seite Abpumpen von Gasen (Nassverfahren) über das gleichzeitige Abpumpen von Gasen und Dämpfen).

b) Der Wasserdampfdruck am Kondensatorausgang, also an der Einlassseite der Gasballastpumpe, sollte (wenn nicht gleichzeitig die auf der Seite Abpumpen von Gasen (Nassprozess) näher beschriebene Menge an Permanentgas abgepumpt wird) nicht höher sein als die Wasserdampfverträglichkeit der betreffenden Gasballastpumpe. Wenn – was sich in der Praxis nicht immer vermeiden lässt – am Ausgang des Kondensators ein höherer Wasserdampfpartialdruck zu erwarten ist, ist es zweckmäßig, zwischen dem Ausgang des Kondensators und dem Einlass der Gasballastpumpe eine Drosselklappe einzufügen. Der Leitwert dieser Drossel sollte variabel und regulierbar sein (siehe Seite Berechnung der Leitfähigkeit), so dass bei voller Drosselung der Druck am Einlass der Gasballastpumpe nicht über die Wasserdampfverträglichkeit ansteigen kann. Auch die Verwendung anderer Kältemittel oder eine Absenkung der Kühlwassertemperatur kann dazu führen, dass der Wasserdampfdruck unter den erforderlichen Wert fällt.

Für eine mathematische Bewertung der Kombination aus Kondensator und Gasballastpumpe kann angenommen werden, dass im Kondensator kein Druckverlust auftritt und dass der Gesamtdruck am Kondensatoreingang p_{tot 1} gleich dem Gesamtdruck am Kondensatorausgang p_{tot 2} ist ( 2.23)

(2.23)

p_tot1= p_tot2

Der Gesamtdruck setzt sich zusammen aus der Summe der Partialdruckanteile von Luft p_p und Wasserdampf p_v: ( 2.23a)

(2.23a)

p_p1 + p_v1 = p_p2 + p_v2

Aufgrund der Einwirkung des Kondensators ist der Wasserdampfdruck p_D2 am Ausgang des Kondensators immer niedriger als am Eingang. Damit (2.23) erfüllt werden kann, muss der Partialdruck der Luft p_p2 am Ausgang höher sein als am Eingang p_p1, (siehe Abb. 2.43), selbst wenn keine Drosselklappe vorhanden ist.

Abb. 2.43 Schematische Darstellung der Druckverteilung im Kondensator. Die durchgezogenen Linien entsprechen den Bedingungen in einem Kondensator, in dem ein geringer Druckabfall stattfindet (p_tot2 < p_tot1).

Die gestrichelten Linien entsprechen den Bedingungen für einen idealen Kondensator (p_tot2 ≈ p_tot1). p_D: Partialdruck des Wasserdampfes, p_L: Partialdruck der Luft.

Kondensatoreingang
Kondensatorausgang

Der höhere Luftpartialdruck p_p2 am Ausgang des Kondensators wird durch eine Luftansammlung erzeugt, die, solange sie am Ausgang vorhanden ist, zu einem stationären Strömungsgleichgewicht führt. Von dieser Luftansammlung entnimmt die (eventuell gedrosselte) Gasballastpumpe im Gleichgewicht gerade so viel, wie vom Eingang (1) durch den Kondensator strömt.

Berechnung der Größe von Kondensator und Gasballast

Alle Berechnungen basieren auf (2.23a), wofür jedoch Informationen über die Menge der abgepumpten Dämpfe und Permanentgase, die Zusammensetzung und den Druck verfügbar sein sollten. Die Größe des Kondensators und der Gasballastpumpe kann berechnet werden, wobei diese beiden Größen in der Tat nicht unabhängig voneinander sind. Abb. 2.42 zeigt das Ergebnis einer solchen Berechnung als Beispiel für einen Kondensator mit einer Kondensationsfläche von 1 m², bei einem Eingangsdruck p^v1 von 40 mbar und einer Kondensationskapazität von 15 kg/h (33 lbs/h) reinem Wasserdampf, wenn der Anteil der Permanentgase sehr gering ist. Bei einem Leitungsüberdruck von 3 bar und einer Temperatur von 12 °C (53,6 °F) wird 1 m³ Kühlwasser pro Stunde verbraucht. Das erforderliche Saugvermögen der Gasballastpumpe hängt von den vorliegenden Betriebsbedingungen ab, insbesondere von der Größe des Kondensators. Je nach Wirkungsgrad des Kondensators liegt der Wasserdampfpartialdruck p^v2 mehr oder weniger über dem Sättigungsdruck p^S, der der Temperatur des Kältemittels entspricht. (Bei einer Kühlung mit Wasser bei 12 °C (53,6 °F) würde p^S 15 mbar betragen (siehe Tabelle XIII in Abschnitt 9)). Dementsprechend variiert auch der Luftpartialdruck p^p2, der am Ausgang des Kondensators herrscht. Bei einem großen Kondensator (p^v2 ≈ p^S) ist der Luftpartialdruck p^p2 also groß, und da pp · V = const, ist das betroffene Luftvolumen klein. Daher ist nur eine relativ kleine Gasballastpumpe erforderlich. Wenn der Kondensator jedoch klein ist, tritt der umgekehrte Fall ein: p_v2 > p_S · p_p2 ist klein. Hier ist eine relativ große Gasballastpumpe erforderlich. Da die Luftmenge bei einem Pumpvorgang mit Kondensatoren nicht notwendigerweise konstant ist, sondern in mehr oder weniger weitem Umfang schwankt, sind die anzustellenden Überlegungen komplexer. Daher ist es notwendig, dass das Saugvermögen der am Kondensator wirksamen Gasballastpumpe innerhalb bestimmter Grenzen reguliert werden kann.

Abb. 2.42 Kondensationskapazität des Kondensators (für die Kondensation verfügbare Fläche von 1 m²) in Abhängigkeit vom Einlassdruck p_D1 des Wasserdampfes. Kurve a: Kühlwassertemperatur 12 °C (53,6 °F). Kurve b: Temperatur 25 °C (77 °F). Verbrauch in beiden Fällen 1 m³/h bei 3 bar Überdruck.

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

Praktische Überlegungen zum Einsatz eines Kondensators

In der Praxis sind folgende Maßnahmen üblich:

a) Zwischen der Gasballastpumpe und dem Kondensator befindet sich eine Drosselstrecke, die bei groben Pumpvorgängen kurzgeschlossen werden kann. Der Strömungswiderstand der Drosselstrecke muss einstellbar sein, damit die effektive Drehzahl der Pumpe auf den gewünschten Wert reduziert werden kann. Dieser Wert kann anhand der Gleichungen auf der Seite Abpumpen von Gasen (Nassprozess) berechnet werden.

b) Nahe der großen Pumpe bei groben Pumpvorgängen ist eine Haltepumpe mit niedriger Drehzahl eingebaut, deren Größe der mindestens vorherrschenden Gasmenge entspricht. Aufgabe dieser Haltepumpe ist lediglich die Aufrechterhaltung eines optimalen Betriebsdrucks während des Prozesses.

c) Die erforderliche Luftmenge wird über ein variables Dosierventil in die Einlassleitung der Pumpe eingeschleust. Diese zusätzliche Luftmenge wirkt wie ein vergrößerter Gasballast, wodurch die Wasserdampfverträglichkeit der Pumpe gesteigert wird. Diese Maßnahme führt jedoch in der Regel zu einer verringerten Kondensatorkapazität. Darüber hinaus bedeutet die zusätzliche eingeführte Luftmenge einen höheren Strom- und Ölverbrauch. Da der Wirkungsgrad des Kondensators bei einem zu hohen Luftpartialdruck im Kondensator abnimmt, sollte die Luft in der Regel nicht vor, sondern erst hinter dem Kondensator einströmen.

Wenn die Startzeit eines Prozesses kürzer ist als die Gesamtlaufzeit, wird die technisch einfachste Methode mit einer Grob- und Haltepumpe bevorzugt. Prozesse mit stark schwankenden Bedingungen erfordern eine regelbare Drosselstrecke und gegebenenfalls eine einstellbare Luftzufuhr.
Auf der Einlassseite der Gasballastpumpe ist immer ein Wasserdampfpartialdruck p_v2 vorhanden, der mindestens so groß ist wie der Sättigungsdampfdruck von Wasser bei Kühlmitteltemperatur. Dieser Idealfall ist in der Praxis nur mit einem sehr großen Kondensator realisierbar (siehe oben).

Funktionsweise

Betrachten Sie mit Blick auf die Praxis und ausgehend von den genannten Grundregeln die beiden folgenden Fälle:

Abpumpen von Permanentgasen mit kleinen Anteilen an Wasserdampf. Hier wird die Größe der Kombination aus Kondensator und Gasballastpumpe anhand der abgepumpten Permanentgasmenge festgelegt. Die Funktion des Kondensators besteht lediglich darin, den Wasserdampfdruck am Einlass der Gasballastpumpe auf einen Wert unterhalb der Wasserdampfverträglichkeit zu reduzieren.
Abpumpen von Wasserdampf mit kleinen Anteilen an Permanentgasen. Damit der Kondensator möglichst effizient ist, wird hier ein möglichst geringer Partialdruck der Permanentgase im Kondensator angestrebt. Auch wenn der Wasserdampfpartialdruck im Kondensator größer sein sollte als die Wasserdampfverträglichkeit der Gasballastpumpe, reicht generell eine relativ kleine Gasballastpumpe aus, um die dann erforderliche Drosselung zum Abpumpen der vorhandenen Permanentgase zu erreichen.

Wichtiger Hinweis: Wenn der Druck im Kondensator während des Prozesses unter den Sättigungsdampfdruck des Kondensats fällt (abhängig von der Kühlwassertemperatur), muss der Kondensator blockiert oder zumindest das aufgefangene Kondensat isoliert werden. Andernfalls pumpt die Gasballastpumpe den zuvor im Kondensator kondensierten Dampf wieder heraus.

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