Auswahl einer Vorpumpe basierend auf der Pumpendrehzahl

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Die Gas- oder Dampfmenge, die durch eine Hochvakuumpumpe transportiert wird, muss auch von der Vorpumpe gehandhabt werden können. Außerdem darf beim Betrieb der Hochvakuumpumpe (Diffusionspumpe, ,Turbomolekularpumpe) nie der maximal zulässige Gegendruck auch nur kurzzeitig überschritten werden. Wenn Q die effektive Menge an Gas oder Dampf ist, die von der Hochvakuumpumpe mit einem effektiven Saugvermögen S_eff bei einem Einlassdruck p_A gefördert wird, muss diese Gasmenge natürlich auch von der Vorpumpe bei einem Saugvermögen von S_V am Gegendruck p_V transportiert werden. Für den effektiven Durchsatz Q gilt folgende Kontinuitätsgleichung:

(2.41)

Die erforderliche Pumpendrehzahl der Vorpumpe errechnet sich aus:

(2.41a)

Beispiel zur Berechnung der Pumpendrehzahl

Bei einer Diffusionspumpe mit einem Saugvermögen von 400 l/s beträgt das effektive Saugvermögen 50 % des im Katalog angegebenen Werts bei Verwendung eines Leitblechs. Der maximal zulässige Gegendruck beträgt 2 · 10^-1 mbar. Das für die Vorpumpe erforderliche Mindestsaugvermögen hängt vom Einlassdruck p_A gemäß Gleichung 2.41a ab.

Bei einem Einlassdruck von p_A = 1 · 10^-2 mbar beträgt das Saugvermögen der Hochvakuumpumpe ca. 100 l/s (wie im Katalog angegeben). Folglich ergeben 50 % davon 50 l/s. Daher muss das Saugvermögen der Vorpumpe mindestens Folgendes betragen:

Bei einem Einlassdruck von p_A= 1 · 10^-3 mbar hat die Pumpe bereits ihr Nennsaugvermögen von 400 l/s erreicht; das effektive Saugvermögen beträgt jetzt S_eff= 200 l/s; somit beträgt das erforderliche Saugvermögen für die Vorpumpe

So wählen Sie eine Vorpumpe nach Druckbereich aus

Wenn eine Hochvakuumpumpe zum Abpumpen von Dämpfen zwischen 10^-3 und 10^-2 mbar eingesetzt werden soll, muss eine Vorpumpe mit einem Nennsaugvermögen von 12 m³/h verwendet werden, die auf jeden Fall ein Saugvermögen von 9 m³/h bei einem Druck von 2 · 10^-1 mbar haben muss. Wenn keine Dämpfe abgepumpt werden sollen, kann in den meisten Fällen eine einstufige Drehschieberpumpe ohne Gasballast eingesetzt werden. Wenn (auch geringe) Dampfanteile mitgefördert werden sollen, sollte man auf jeden Fall eine zweistufige Gasballastpumpe als Vorpumpe verwenden, die – ebenfalls mit Gasballast – das erforderliche Saugvermögen von 2 bis 10^-1 mbar liefert.

Wenn die Hochvakuumpumpe nur bei einem Ansaugdruck unter 10^-3 mbar verwendet wird, reicht eine kleinere Vorpumpe aus; im Beispiel ist dies eine Pumpe mit einem Saugvermögen von 6 m³/h. Wenn die kontinuierlichen Einlassdrücke noch niedriger sind, z. B. unter 10^-4 mbar, kann das erforderliche Saugvermögen für die Vorpumpe aus der Gleichung 2.41a wie folgt berechnet werden:

Theoretisch könnte in diesem Fall eine kleinere Vorpumpe mit einem Saugvermögen von ca. 1 m³/h eingesetzt werden. In der Praxis sollte jedoch eine größere Vorpumpe installiert werden, da insbesondere beim Starten eines Vakuumsystems kurzzeitig große Gasmengen auftreten können. Der Betrieb der Hochvakuumpumpe ist gefährdet, wenn die Gasmengen nicht sofort von der Vorpumpe abgepumpt werden können. Arbeitet man permanent bei sehr niedrigen Einlassdrücken, empfiehlt sich die Installation eines Ballastvolumens (Gegenbehälter oder Wasserschloss) zwischen Hochvakuumpumpe und Vorpumpe. Die Vorpumpe sollte dann nur für kurze Zeit betrieben werden. Der maximal zulässige Gegendruck darf jedoch niemals überschritten werden.

Die Größe des Ballastvolumens hängt von der Gesamtmenge des pro Zeiteinheit zu fördernden Gases ab. Wenn diese Rate sehr niedrig ist, gilt die Faustregel, dass 0,5 l Ballastvolumen eine Pumpzeit von 1 Minute mit abgetrennter Vorpumpe ermöglicht.

Zur Ermittlung der am besten geeigneten Größe der Vorpumpe kann in vielen Fällen eine grafische Methode verwendet werden. In diesem Fall entspricht der Ausgangspunkt des Saugvermögens der Pumpen der Gleichung 2.41.

Das Saugvermögen einer Pumpe lässt sich leicht vom gemessenen Saugvermögen (Volumenstrom) ableiten, wie es bei einer Diffusionspumpe mit 6000 l/s gezeigt wird (siehe Kurve S in Abb. 2.76). Um die Durchsatzkennlinie (Kurve Q in Abb. 2.76) zu erhalten, muss man jeden Ordinatenwert von S mit dem entsprechenden pA-Wert multiplizieren und gegen diesen Wert abgleichen. Wenn angenommen wird, dass der Einlassdruck der Diffusionspumpe 10^-2 mbar nicht überschreitet, beträgt der maximale Durchsatz 9,5 mbar · l/s.

Abb. 2.76 Diagramm zur grafischen Bestimmung einer geeigneten Vorpumpe.

a) Saugvermögen einer Diffusionspumpe mit 6000 l/s
b) Reihe von Durchsatzkurven für zweistufige Drehkolbenpumpen (V.B. = kritischer Vorvakuumdruck)

Daher muss die Größe der Vorpumpe so ausgelegt sein, dass dieser Durchsatz von der Pumpe bei einem Ansaugdruck (der Vorpumpe) bewältigt werden kann, der dem maximal zulässigen Gegendruck der Diffusionspumpe, d. h. 4 · 10^-1 mbar für die Diffusionspumpe mit 6000 l/s, entspricht oder möglichst niedriger ist.

Nach Berücksichtigung der Saugvermögensmerkmale der handelsüblichen zweistufigen Drehkolbenpumpen wird die Durchsatzkennlinie für jede Pumpe auf ähnliche Weise berechnet wie bei der Ermittlung der Q-Kurve für die Diffusionspumpe in Abb. 2.76 a. Das Ergebnis ist die Gruppe der Q-Kurven mit den Nummern 1 bis 4 in Abb. 2.76 b, wobei vier zweistufige Drehkolbenpumpen berücksichtigt wurden, deren Nenndrehzahlen 200, 100, 50 bzw. 25 m³/h betragen. Der kritische Gegendruck der Diffusionspumpe mit 6000 l/s ist mit V.B. (p = 4 · 10^-1 mbar) gekennzeichnet. Nun wird der maximale Durchsatz Q = 9,5 mbar · l/s als horizontale Linie a dargestellt. Diese Linie schneidet die vier Durchsatzkurven. Von rechts nach links gezählt ergibt sich der erste Schnittpunkt, der einem Einlassdruck unterhalb des kritischen Gegendrucks von 4 · 10^-1 mbar entspricht, mit der Durchsatzkennlinie 2. Dies entspricht der zweistufigen Drehkolbenpumpe mit einem Nennsaugvermögen von 100 m³/h. Daher ist diese Pumpe die richtige Vorpumpe für die Diffusionspumpe mit 6000 l/s unter der vorangegangenen Annahme.

Ist der Pumpvorgang jedoch so, dass ein maximaler Durchsatz von 9,5 mbar · l/ s unwahrscheinlich ist, kann natürlich eine kleinere Vorpumpe verwendet werden. Dies ist selbsterklärend, z. B. ab Zeile b in Abb. 2.76 b, was einem maximalen Durchsatz von nur 2 mbar l/s entspricht. In diesem Fall wäre eine zweistufige Drehkolbenpumpe mit einem Saugvermögen von 25 m³/h ausreichend.

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