Welche Vakuumpumpe kann bei der Behandlung von Dämpfen verwendet werden?

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Wenn Dämpfe abgepumpt werden müssen, kommt zu den Faktoren Betriebsdruck und Saugvermögen ein dritter wichtiger Faktor hinzu, nämlich der Dampfpartialdruck, der im Verlauf eines Prozesses erheblich variieren kann. Dieser Faktor ist maßgeblich für die Bestimmung der einzusetzenden Pumpenanordnung. In diesem Zusammenhang sind die Kondensatoren sehr wichtige Zubehörteile für Drehschieberpumpen. Sie haben ein besonders hohes Saugvermögen beim Abpumpen von Dämpfen. Auf dieser Seite wird das Abpumpen von Wasserdampf beschrieben (der häufigste Fall). Die Überlegungen gelten in ähnlicher Weise für andere nicht aggressive Dämpfe.

Abpumpen von Wasserdampf

Wasserdampf wird häufig mittels Pumpen entfernt, die mit Wasser oder Dampf als Pumpenflüssigkeit arbeiten, z. B. Wasserringpumpen oder Dampfstrahlpumpen. Das hängt jedoch maßgeblich von den Gegebenheiten ab, da die Wirtschaftlichkeit von Dampfstrahlpumpen bei niedrigem Druck im Allgemeinen wesentlich geringer ist als bei mechanischen Pumpen. Zum Abpumpen eines Dampf-Gas-Gemisches, bei dem der Dampfanteil groß, aber der Luftanteil klein ist, kann der Dampf durch Kondensatoren und Permanentgase abgepumpt werden, wobei relativ kleine mechanische Pumpen mit Gasballast zum Einsatz kommen.
Zum Vergleich: Ein Pumpensatz, der aus einer Rootspumpe, einem Kondensator und einer Vorpumpe besteht und 100 kg/h (220 lbs/h) Dampf und 18 kg/h (39 lbs/h) Luft bei einem Eingangsdruck von 50 mbar transportieren kann, hat einen Leistungsbedarf von 4 bis 10 kW (je nach Luftmenge). Eine Dampfstrahlpumpe mit der gleichen Leistung benötigt etwa 60 kW, ohne dass sich die Luftmenge ändert. Für das Abpumpen von Wasserdampf sind Gasballastpumpen und Kombinationen aus Gasballastpumpen, Rootspumpen und Kondensatoren besonders gut geeignet.

Abpumpen von Wasserdampf mit Gasballastpumpen

Das Verhältnis von Dampfpartialdruck p_v zu Luftpartialdruck p_p ist für die Bewertung der korrekten Anordnung von Gasballastpumpen ausschlaggebend, wie bereits durch die Gleichungen 2.2 und 2.3 gezeigt. Wenn die Wasserdampfverträglichkeit einer Gasballastpumpe bekannt ist, können Diagramme erstellt werden, die eindeutig die korrekte Verwendung von Gasballastpumpen zum Abpumpen von Wasserdampf angeben (siehe Abb. 2.73). Große einstufige Drehschieberpumpen haben im Allgemeinen eine Betriebstemperatur von ca. 60 bis 80 °C und somit eine Wasserdampfverträglichkeit von ca. 40 bis 60 mbar. Dieser Wert wird verwendet, um die unterschiedlichen Betriebsbereiche in Abb. 2.73 zu bestimmen. Außerdem wird angenommen, dass der Druck an der Auslassöffnung der Gasballastpumpe bis zum Öffnen des Auslassventils auf maximal 1.330 mbar ansteigen kann.

Abb. 2.73 Anwendungsbereiche für Gasballastpumpen und Kondensatoren, die Wasserdampf abpumpen (ohne Gasballast)

Bereich A: Einstufige Drehschieberpumpen ohne Gasballasteinlass.

Bei einem Sättigungsdampfdruck p_S von 419 mbar bei 77 °C (170 °F) gemäß Gleichung 2.2 ist p_v< 0,46 p_p, wobei
p_v der Wasserdampfpartialdruck ist
p_p der Partialdruck der Luft ist
p_v + p_p = p_tot Gesamtdruck
Diese Anforderung gilt für den gesamten Arbeitsbereich der einstufigen Drehschieberpumpen, also bei einem Gesamtdruck zwischen 10^-1 und 1013 mbar

Bereich B: Einstufige Drehschieberpumpen mit Gasballast und Einlasskondensator.

In diesem Bereich übersteigt der Wasserdampfdruck den zulässigen Partialdruck am Einlass. Die Gasballastpumpe muss daher am Einlass einen Kondensator haben, der so ausgelegt ist, dass der Wasserdampfpartialdruck am Einlass der Drehschieberpumpe den zulässigen Wert nicht überschreitet. Die richtigen Abmessungen des Kondensators werden in Abhängigkeit von der Menge des Wasserdampfes gewählt. Bei einer Wasserdampfverträglichkeit von 60 mbar beträgt die Untergrenze dieses Bereichs

p_v > 60 + 0,46 p_p mbar

Bereich C: einstufige Drehschieberpumpen mit Gasballast

Die Untergrenze von Bereich C ist durch die Untergrenze des Arbeitsbereichs dieser Pumpe gekennzeichnet. Sie liegt also bei ca. ptot = 1 mbar. Wenn in diesem Bereich große Dampfmengen auftreten, ist es oft wirtschaftlicher, einen Kondensator einzusetzen: 20 kg (44 lbs) Dampf bei 28 mbar ergibt ein Volumen von ca. 1000 m³. Es ist nicht sinnvoll, dieses Volumen mit einer Vorpumpe abzupumpen. Als Faustregel gilt:
Ein Kondensator sollte immer dann am Pumpeneinlass eingesetzt werden, wenn für einen längeren Zeitraum gesättigter Wasserdampf auftritt.

Daher sollte bei niedrigen Einlassdrücken vor dem Kondensator stets eine Rootspumpe installiert werden, um die Kondensationsleistung zu verbessern. Die Kondensationsleistung hängt nicht nur vom Dampfdruck, sondern auch von der Kältemitteltemperatur ab. Bei niedrigen Dampfdrücken kann daher eine effektive Kondensation nur bei entsprechend niedriger Kältemitteltemperatur erreicht werden. Bei einem Dampfdruck unter 6,5 mbar ist beispielsweise der Einsatz eines Kondensators nur dann sinnvoll, wenn die Kältemitteltemperatur unter 0 °C (32 °F) liegt. Bei niedrigen Drücken wird häufig ein Gas-Dampf-Gemisch mit ungesättigtem Wasserdampf abgepumpt (weitere Informationen finden Sie auf der Seite zu Kondensatoren). In der Regel kann dann auf einen Kondensator verzichtet werden.

Bereich D: zweistufige Drehschieberpumpen, Roots- und Dampfstrahlpumpen, immer entsprechend dem Gesamtdruck im Prozess

Es muss nochmals darauf hingewiesen werden, dass die Wasserdampfverträglichkeit von zweistufigen Gasballastpumpen häufig geringer ist als die von entsprechenden einstufigen Pumpen.

Abpumpen von Wasserdampf mit Rootspumpen

Normalerweise sind für den Dauerbetrieb bei Drücken über 40 mbar Rootspumpen nicht so wirtschaftlich wie Gasballastpumpen. Der Betrieb einer Rootspumpe mit einem Frequenzwandler begrenzt die Drehzahl der Pumpe bei einem höheren Druck, der spezifische Energieverbrauch ist jedoch tatsächlich günstiger. Wenn Rootspumpen zum Abpumpen von Dämpfen installiert sind, wie im Fall von Gasballastpumpen, kann ein Diagramm alle möglichen Fälle zeigen (siehe Abb. 2.74).

Areas of application for Roots pumps and condensers pumping water vapor (w/o GB = without gas ballast)

Abb. 2.74 Anwendungsbereiche für Rootspumpen und Kondensatoren zum Abpumpen von Wasserdampf (ohne Gasballast)

Bereich A: eine Rootspumpe mit einer einstufigen Drehschieberpumpe ohne Gasballast.

Da es lediglich eine Verdichtung zwischen der Rootspumpe und der Drehschieberpumpe gibt, gilt auch hier:

p_v < 0,46 p_p

Die Anforderung gilt über den gesamten Arbeitsbereich der Pumpenkombination und somit für Gesamtdrücke zwischen 10^-2 und 40 mbar (bzw. 1013 mbar bei Rootspumpen mit Bypassleitung oder Frequenzwandlerantrieb).

Bereich B: ein Hauptkondensator, eine Rootspumpe mit einer Bypassleitung oder einem Frequenzwandler, ein Zwischenkondensator und eine Gasballastpumpe.

Diese Kombination ist nur wirtschaftlich, wenn große Wasserdampfmengen kontinuierlich bei Einlassdrücken über ca. 40 mbar gefördert werden sollen. Die Größe des Hauptkondensators ist abhängig von der Menge des Dampfes. Der Zwischenkühler muss den Dampfpartialdruck unter 60 mbar senken. Die Gasballastpumpe sollte also nur so groß sein, dass der Luftpartialdruck hinter dem Zwischenkondensator einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Wenn beispielsweise der Gesamtdruck hinter der Rootspumpe (der immer gleich dem Gesamtdruck hinter dem Zwischenkondensator ist) 133 mbar beträgt, muss die Gasballastpumpe mindestens einen Luftpartialdruck von 73 mbar abpumpen, also die Luftmenge, die die Rootspumpe zu ihr transportiert. Andernfalls muss sie mehr Wasserdampf aufnehmen, als sie tolerieren kann. Dies ist eine Grundvoraussetzung: Der Einsatz von Gasballastpumpen ist nur sinnvoll, wenn auch Luft abgepumpt wird!

Bei einem idealerweise leckagefreien Behälter sollte die Gasballastpumpe nach Erreichen des erforderlichen Betriebsdrucks getrennt und nur mit dem Kondensator weiter betrieben werden. Auf der Seite zu Kondensatoren wird die bestmögliche Kombination von Pumpen und Kondensatoren erläutert.

Bereich C: eine Rootspumpe, ein Zwischenkondensator und eine Gasballastpumpe.

Die untere Grenze des Wasserdampfpartialdrucks wird durch das Kompressionsverhältnis der Rootspumpe bei Gegendruck bestimmt, der durch den Sättigungsdampfdruck des kondensierten Wassers bestimmt wird. Zudem muss der Zwischenkondensator in diesem Bereich in der Lage sein, den Dampfpartialdruck auf mindestens 60 mbar zu reduzieren. Die genannte Anordnung eignet sich – bei Kühlung des Kondensators mit Wasser bei 15 °C (59 °F) – für Wasserdampfdrücke zwischen etwa 4 und 40 mbar.

Bereich D: eine Rootspumpe und eine Gasballastpumpe.

In diesem Bereich D hängen die Grenzwerte im Wesentlichen auch von den Stufen und Verhältnissen der Pumpengrößen ab. Im Allgemeinen kann diese Kombination jedoch immer zwischen den zuvor erwähnten Grenzwerten verwendet werden, also zwischen 10^-2 und 4 mbar.