Mehrstufige Dampfstrahl- Vakuumsysteme. Technisches Vakuum bis 10-1 mbar

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1 Mehrstufige Dampfstrahl- Vakuumsysteme Technisches Vakuum bis 10-1 mbar

2 Mehrstufige Dampfstrahl-Vakuumsysteme Optimale Lösungen für jeden Anwendungsfall Die Anwendungsmöglichkeiten für mehrstufige Dampfstrahl-Vakuumsysteme in der Prozessindustrie sind nahezu unbegrenzt. Abhängig vom Anwendungs fall kommen die verschiedensten Varianten dieser Systeme zum Einsatz. Typisch für fast jedes mehr stufige Dampfstrahl-Vakuumsystem sind die Zwischenkondensatoren. Vom erforderlichen Prozessvakuum, von den Kühlwasserbedingungen und dem Treibdampfdruck hängt die Wahl der Vorverdichtung (1- bis 3-stufig) bis zur ersten Zwischenkondensation ab. In einigen Sonderfällen kann der Einsatz eines Vorkondensators zur Optimierung des Vakuumsystems beitragen. Die Auslegung der Zwischenkondensatoren bestimmt den dem Inertgas anhängenden Dampfanteil. Dieser wird zusammen mit dem Inertgas von der nachfolgenden Strahlpumpenstufe weiterverdichtet. Die Auslegung der Körting Dampfstrahl-Vakuumpumpen stützt sich dabei auf ein besonders dichtes Kennfeld von Messergebnissen auf hauseigenen Prüf ständen. Geeignete theoretische oder numerische Berechnungsmethoden für die Auslegung von Dampfstrahl-Vakuumpumpen sind bis heute nicht verfügbar. Die hohe Qualität des Körting Kenn feldes von Messergebnissen ist entscheidend für eine sichere und gleichzeitig wirtschaftliche Auslegung der Dampfstrahl-Vakuumpumpen. Auch Ausle gungen in Grenzbereichen sind durch die hohe Anzahl von Messdaten abgesichert. Dadurch sind sehr kleine Treibdampfdrücke (sogar Abdampf < 1 bar (abs) ist einsetzbar) oder sehr hohe Verdichtungsverhältnisse (bis 16:1) problemlos realisierbar. Für die Auslegung und Fertigung mehrstufiger Dampfstrahl-Vakuumsysteme nimmt die Körting Hannover AG auf dem Weltmarkt eine Spitzenposition ein. Seit der Gründung im Jahre 1871 durch Ernst Körting entwickelt und liefert das Unternehmen vakuumtechnische Anwendungen. Durch prozessorientierte Auslegungen wird, in Abhängigkeit der technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen, für jede Anwendung ein optimiertes System entwickelt. Die Vorteile von Dampfstrahl-Vakuumsystemen sind: keine mechanisch bewegten Teile gemäß Druck- und Temperaturbedingungen im Apparatebau übliche Werkstoffe (aber auch Sonderwerkstoffe) einsetzbar minimale Anforderungen hinsichtlich Wartung höchste Verfügbarkeit (auch nach längeren Stillständen) höchste Betriebssicherheit in allen Betriebspunkten (z. B. keine Kavitationsgefahr) minimaler Aufwand an Sicherheitstechnik und Prozessüberwachung hermetisch dicht ohne zusätzliche Einrichtungen keine eigenen potenziellen Zündquellen, dadurch nicht im Anwendungsbereich der EU-Explosionsschutzrichtlinie ATEX

3 Prozessführung in mehrstufigen Dampfstrahl-Vakuumsystemen Die Prozessführung richtet sich unter anderem nach der Verschmutzungsneigung der Prozessmedien. Die Art der Prozessführung und die Auswahl der Werkstoffe werden den jeweiligen Anforderungen angepasst. 3-stufiges Dampfstrahl-Vakuumsystem mit Mischkondensatoren. Die 1. Stufe ist mit gegendruckgeführter Treibdampfsteuerung ausgestattet. Endstufe ist eine Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe. Die wesentlichen Merkmale der Prozessführung in Dampfstrahl-Vakuumsystemen sind: Misch- oder Oberflächenkondensatoren Mischkondensatoren mit Kühlwasser oder Prozessmedium Dampfstrahl-Vakuumsysteme mit Mischkondensatoren und geschlossenem Kühlkreislauf (verschmutzungsunanfällig bei minimaler Abwassermenge) Oberflächenkondensatoren mit Kondensation im Mantel- oder im Rohrraum Oberflächenkondensatoren mit festen Rohrböden oder ziehbarem Rohrbündel (Schwimmkopf- oder U-Rohr-Bauweise) unbeheizte, teilbeheizte oder vollbeheizte Dampfstrahl-Vakuumpumpen Dampfstrahl-Vakuumpumpen mit Wasserdampf oder organischen Dämpfen als Treibmedium Die Materialqualität der ausgeführten Systeme richtet sich in erster Linie nach der Korrosivität der eingesetzten Medien. Neben allen Stahl- und Edelstahl- Qualitäten werden auch hochlegierte Werkstoffe oder Graphit eingesetzt oder es werden geeignete Beschichtungen verwendet. 4-stufiges Dampfstrahl-Vakuumsystem mit Oberflächenkondensator und Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe als Endstufe. 3-stufiges Dampfstrahl-Vakuumsystem mit Misch- und Oberflächenkondensatoren. Der Mischkondensator ist mit einem geschlossenem Kühlkreislauf zum Abscheiden einer wasserunlöslichen Phase ausgestattet.

4 Die Auswahl der Entlüftung Hybridsystem oder mehrstufiges Dampfstrahl-Vakuumsystem als Entlüftungsgruppe Jedes Vakuumsystem muss eine bestimmte Menge Inertgas, mindestens jedoch die Leckluftmenge der zu evakuierenden Anlage, auf atmosphärischen Druck verdichten. In einem mehrstufigen Dampfstrahl-Vakuumsystem muss die Entlüftungsgruppe (oder Entlüftungsstufe) dabei den dampfgesättigten Inertgasanteil aus dem Hauptkondensator an die Atmosphäre fördern. Die Menge der dem Inertgasanteil anhängenden Dämpfe wird durch die im Kondensator gegenüber der Sättigungstemperatur erzielte Unterkühlung des Gemisches bestimmt. Die Entscheidung zwischen einer Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe als Entlüftungsstufe oder einer ein- bzw. mehrstufigen Dampfstrahl-Vakuumpumpe als Entlüftungsgruppe muss dabei unter Berücksichtigung der Prozessbedingungen erfolgen. Für den Einsatz einer Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe als Entlüftungsstufe spricht zunächst der geringere Energiebedarf, die geringere Abwassermenge und die höhere Anfahrevakuierungsleistung. Betriebsicherheit und Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen sprechen für den Einsatz einer Dampfstrahl-Vakuumpumpe als Entlüftungsgruppe. Ob eine mehrstufige Dampfstrahl- Vakuumpumpe als Entlüftungsgruppe oder eine Flüssigkeitsring-Vakuum pumpe eingesetzt wird, ist letztlich immer wieder eine Abwägung der wirtschaftlichen und technischen Randbedingungen. Bei Einsatz einer Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe als Entlüftungsgruppe in einem Dampfstrahl-Vakuumsystem wird häufig von Hybridsystem gesprochen. Körting optimiert Hybridsysteme durch eine abgestimmte Auslegung der Einzelkomponenten Dampfstrahl- Vakuumpumpe, Kondensator und Flüssigkeitsring- Vakuumpumpe. Insbesondere bei geschlossenen Betriebswasserkreisläufen mit löslichen Komponenten und Kondensatmitförderung durch die Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe ist dies eine unabdingbare Forderung. Kriterien für die Auswahl des Entlüftungssystems Flüssigkeitsring- Vakuumpumpe Dampfstrahl- Vakuumpumpe kleine Inertgasmenge Batchbetrieb mit hohem Anlagenvolumen lösliche Komponenten mit hohem Dampfdruck keine barometrische Höhe vorhanden giftige oder explosionsgefährliche Komponenten

5 Regelung von mehrstufigen Dampfstrahl-Vakuumsystemen Zwei unterschiedliche Ziele müssen betrachtet werden: 1. Regelung des Vakuums (Prozessdruck) 2. Optimierung des Treibdampfbedarfs in Abhängigkeit der Kühlwassertemperatur In beiden Fällen hängen die Möglichkeiten der Regelung vom Verdichtungsverhältnis der betreffenden Dampfstrahl-Vakuumpumpe ab. Im Bereich unterkritischer Verdichtungen bis 1,85:1 und in einem Übergangs bereich bis etwa 3:1 (abhängig von der Diffusorgeometrie) kann sowohl der erreichbare Austrittsdruck als auch das Saugvermögen (das Vakuum) durch Anpassung des Treibmassenstroms verändert werden. Der Treibmassenstrom kann durch Drosselung des Treibdampfdruckes oder durch eine Querschnittsvariation der Düse (Düsennadel) eingestellt werden. Grundsätzlich ist die Düsennadelsteuerung im Teillastbereich dem Androsseln energetisch überlegen, da die Düsennadelsteuerung immer das maximale Expansionsverhältnis über die Treibdampfdüse ausnutzt. Je geringer der zur Verfügung stehende Treibdampfdruck ist, desto größer fällt dieser Vorteil aus. In mehrstufigen Dampfstrahl-Vakuumsystemen sind Verdichtungsverhältnisse größer 3:1 in den einzelnen Stufen üblich. Diese Verdichtungsverhältnisse bewirken immer das Auftreten der Schallgeschwindigkeit im engsten Diffusorquerschnitt. Der durchsetzbare Gesamt-Volumenstrom ist somit konstant. Dadurch bewirkt ein Zurücknehmen des Treibmassenstroms (Androsseln) zunächst sogar einen leichten Anstieg des Saugvermögens der Dampfstrahl-Vakuumpumpe. Da jedoch die eingesetzte Energie mit dem Zurücknehmen des Treibmassenstroms sinkt, geht der erreichbare Austrittsdruck der Dampfstrahl-Vakuumpumpe zurück. Der Treibmassenstrom darf daher bei großen Verdichtungsverhältnissen nur reduziert werden, wenn der erforderliche Austrittsdruck (i. d. Regel der Konden satordruck) dies zulässt. Androsseln des Treibdruckes oder Einsatz einer Düsennadelsteuerung dienen also nur der Optimierung des Treibdampfbedarfs in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur. Eine Saugdruckregelung ist so nicht möglich. Die Regelung des Vakuums erfolgt bei großen Verdichtungsverhältnissen daher durch: Androsseln auf der Saugseite (nur bei kleinen Leistungen) Zugabe von Treibdampf (Ballastdampf) auf die Saugseite (nur bei kleinen Regelbereichen) Rückführung von Gemischdampf von der Austrittsseite auf die Saugseite der Dampfstrahl- Vakuumpumpe (uneingeschränkt möglich).

6 Treibdampfbedarf mehrstufiger Dampfstrahl-Vakuumsysteme Der Treibdampfbedarf einer konkreten Anwendung für Dampfstrahl-Vakuumsysteme wird bei der Auslegung eines solchen Systems berechnet. Folgende Hinweise sind für die Größenordnung des Treibdampfbedarfs von Dampfstrahl-Vakuumsystemen zu beachten. Zunächst muss zwischen hohen Verdichtungen im Bereich niedriger Saugdrücke und relativ kleinen Verdichtungen innerhalb der Entlüftungsgruppe unterschieden werden. Hohe Verdichtungen liegen üblicherweise für Saugdrücke unter 10 mbar(abs) um den Faktor 10. Hierfür müssen 2,0 kg/h bis 3,0 kg/h Treibdampf für 1,0 kg/h Luftäquivalent Saugstrom aufgewendet werden. Dabei hat der Treibdampfdruck nur eine relativ geringe Bedeutung. Denn für niedrige Saugdrücke ist das Expansionsverhältnis in der Treibdampfdüse immer so weit überkritsch, dass am Ende des Lavalteils der jeweiligen Dampfstrahl-Vakuumpumpe mehrfache Schallgeschwindigkeit erzielt wird. In der Folge liegt der Einfluss des Treibdampfdrucks von z. B. 4 bar bis 10 bar auf den Treibdampfbedarf im Bereich niedriger Saugdrücke bei maximal 25 %. Für die in der Entlüftungsgruppe üblichen Verdichtungen von Faktor 3 bis 4 müssen je Dampfstrahl-Vakuumpumpen-Stufe 1,5 kg/h bis 3,0 kg/h Treibdampf für 1,0 kg/h Luftäquivalent Saugstrom aufgewendet werden. Dabei hat der Treibdampfdruck einen etwas höheren Einfluss auf den Treibdampfbedarf als bei den vorgenannten niedrigen Saugdrücken. Hier hat der Treibdampfdruck (4-10 bar) einen Einfluss von bis zu 60 % auf den Treibdampfbedarf. Da der reale Saugstrom einer Vakuumanlage aus verschiedenen Gasen und Dämpfen bestehen kann, wird dieser üblicherweise in einen äquivalenten Luftstrom umgerechnet. Für die Berechnung des Luftäquivalents einer konkreten Saugstromzusammensetzung bietet die Körting Hannover AG mehrere Lösungen. Auf findet sich ein entsprechendes Berechnungsprogramm. Alternativ können hierfür auch die Körting Arbeitsblätter benutzt werden. Einen erheblichen Einfluss auf den Treibdampfbedarf einer konkreten Anwendung für Dampfstrahl-Vakuumsysteme hat die maximal zu berücksichtigende Kühlwasser temperatur für die Zwischenkondensatoren. Für den Bereich niedriger Saugdrücke bedeuten höhere Kühlwassertemperaturen entsprechend höhere Verdichtungsverhältnisse und damit höheren Treibdampfbedarf. So kann eine um 5 C höhere Kühlwassertemperatur für eine Dampfstrahl-Vakuumpumpe im niedrigen Saugdruckbereich leicht 30 % mehr Treibdampfbedarf ausmachen. Angebote für Dampfstrahl-Vakuumsysteme der Körting Hannover AG enthalten detaillierte Angaben zum Treibdampf- und Kühlwasserbedarf des angebotenen Dampfstrahl-Vakuumsystems.

7 Eigene Fertigung der Strahlpumpen und Kondensatoren Durch die Fertigung der Strahlpumpen und Kondensatoren im Werk in Hannover können prozessoptimierte Auslegungen mit höchster Fertigungsqualität schnell in effizient arbeitende Systeme umgesetzt werden. Es gibt Verarbeitungsmöglichkeiten für alle gängigen Stahlsorten, sowie hochlegierte Edelstähle, Duplexstähle, viele Sondermaterialien und Kunststoffe. Die Fertigung der Körting Hannover AG ist zertifiziert nach: DIN EN ISO 9001:2008 AD2000-HP0 mit Druckgeräterichtlinie (Europa) Manufacture Licence ML (China) ASME (USA) TR (Russland)

8 Sunderdiek.de Körting Hannover AG Badenstedter Straße Hannover Tel.: Fax: Multi-stage-DE