Vakuumerzeugung. Vakuumpumpen: generell unterschiedlich je nach: Druckbereich Wirkprinzip Saugvermögen, Saugleistung Einsatzgebiet

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1 Folie 1 Vakuumerzeugung Vakuumpumpen: generell unterschiedlich je nach: Druckbereich Wirkprinzip Saugvermögen, Saugleistung Einsatzgebiet Druckbreiche der Vakuumpumpen:

2 Folie 2 Saugvermögen der Vakuumpumpen: Erinnerung: Saugvermögen = Volumenstrom am Pumpstutzen V & [m 3 /h oder l/s]

3 Folie 3 Einteilung der Vakuumpumpen nach Pumpprinzipien: andere Darstellung: (siehe Anhang) Verdrängerpumpen 1. Hubkolbenpumpen alte Pumpenart (Otto von Guericke) Kompressionsverhältnis K = p Auspuff pansaug Hängt ab vom toten Volumen: K= V ges / V tot auch bei präziser Herstellung immer totes Volumen erst Ölfüllung des toten Volumens führte zu besseren Enddrücken An dieser Pumpe läßt sich gut erkennen: Saugvermögen unabhängig vom Druck (wenn weit vom Enddruck entfernt) S=n * V hub = n * h *A quer mit n-drehzahl [min-1], V hub - Fördervolumen [l], h-kolbenhub[cm], A quer -Kolbenfläche[cm 2 ]

4 Folie 4 technisch ohne Bedeutung Membranpumpe - dasselbe Prinzip kleiner Schöpfraum, deshalb: kleines Saugvermögen aber: ohne Schmierstoffe - ölfreies Vakuum Vorpumpe für Turbomolekularpumpen bei geringem Gasanfall! Heute verbreitet und viel produziert! Besondere Konstruktionsprinzipien zum Kompensieren der Unwuchtvibrationen 2. Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe schematischer Aufbau: Eigenschaften: schlechter Enddruck: ca. 30 mbar Flüssigkeit: meist Wasser Wärmeentstehung! Wasser wird (massenhaft) mit aus dem Druckstutzen ausgeführt Kompressionsverhältnis ca. 1:7 Ansaugdruck für einstufige Pumpen: zwischen 130 mbar und Normaldruck 3 Betriebsarten: Wasser wird: ständig neu zugeführt (keine Temperaturprobleme!) teilweise neu zugeführt und mit dem alten vermischt (dazu ist ein Abscheider nötig) nie neu zugeführt (Verluste müssen ersetzt werden, Abscheider und Kühler nötig) Gefahr: Kavitation (Kochen!)am Saugstutzen bei niederen Drücken. Öffnen eines Gasventils in der Ansaugleitung... schlechterer Druck Pumpen mit Saugvermögen zwischen 10 und 25000m 3 /h mehrstufige Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen möglich durch Hintereinanderschalten mehrerer Pumpstufen (üblich 2)

5 Folie 5 Enddruck der Pumpen hängt vom Sättigungspartialdruck des Wassers ab: S eff = Sth 1 Öl würde helfen, aber 1. Ölkühler nötig, 2. Feuchtigkeit emulgiert mit Öl Saugvermögenskurve einer zweistufigen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe: p HO p 2 A für eine zweistufige Pumpe mit kleinem Pumpenvolumen (Druckseite) und größerem Pumpvolumen auf der Saugseite warum macht man das? Bei höheren Drücken - geringere Kompression - 2. Pumpe kann das nicht abpumpen, was die erste fördert - Saugvermögen sinkt. Bei niedrigen Drücken kommt die Verdampfung des Wassers ins Spiel!

6 Folie 6 3. Drehschieberpumpen exzentrisch gelagerter Kolben dreht sich, dadurch Förderwirkung Prinzip: (Schieber werden durch Federn oder Zentrifugalkraft gedrückt!) Ölfilm zwischen Schiebern, Rotor und Gehäuse (durch spezielle Bohrungen) Öl wird auch durch den Druckstutzen ständig ausgepumpt Ölfördermenge ca 0.1% des Saugvermögens (bei einer Pumpe 12m 3 /h sind das immerhin 12 l/h!) Reihenschaltung von Drehschieberpumpen (mehrstufige Pumpen.. meist 2) II I unterschiedliche Schöpfvolumen der Pumpstufen (I > II)

7 Folie 7 Betrieb mit Gasballastvorrichtung (Gasballastventil) was ist das? am Druckstutzen muß mehr als Normaldruck herrschen, damit das Auspuffventil öffnet > sehr große Kompression > ist Feuchtigkeit im abzupumpenden Gas, kondensiert Wasser aus (Sättigungsdampfdruck wird erreicht!) > Wasser emulgiert mit Öl und das verliert seine Schmiereigenschaften Lösung: Gasballast = Einlaß von Luft in die Pumpe, wenn das Ansaugventil zu ist > geringe Kompression -> keine Kondensation! ABER: schlechterer Enddruck wegen größerer Rückströmung

8 Folie 8

9 Folie 9 Saugvermögen einer Drehschieberpumpe: Ein- und zweistufige Drehschieberpumpe (Enddruck - Gasrückströmung) Gestrichelt mit Gasballastventil offen! Praktische Hinweise: Ausrüstung der Pumpen mit Drehstrommotoren oder Wechselstrommotoren bei Drehstrommotoren ist die Beschaltung zu beachten - andernfalls läuft die Pumpe verkehrt herum (Öl wird in den Rezipienten gepumpt!!!) Drehzahlen der Drehschieberpumpen: U/min (Drehzahl proportional dem Saugvermögen... ABER: Temperatur!) Höchste Leistungsaufnahme beim Anpumpen (kaltes Öl, höchste Fördermenge an Gas), danach nur noch ein Bruchteil geringste Betriebstemperatur (beim Anlaufen) 12 C, wenn nicht anders ausgewiesen Normale Betriebstemperatur 70 C C, Begrenzung durch die Temperaturstabilität des Öls Bei feuchtem Gas - Gasballast bei Förderung, will man Enddruck erreichen, Gasballast zu, denn:saugvermögen mit Gasballast ca. 1 Zehnerpotenz geringer kaum Gasartabhängigkeit des Saugvermögens / Enddrucks

10 Folie 10 Ölrückströmung: Öl strömt (Diffusion, Strömung) dem entgegenkommenden Gas aus dem Saugstutzen entgegen größte Ölrückströmung bei Betrieb beim Enddruck Möglichkeiten, die Ölrückströmung zu verhindern: a) Kühlfalle am Saugstutzen (Öldämpfe kondensieren) Kühlfallen mit Wasserkühlung, Flüssig-Stickstoff-Kühlung b) Sorptionsfalle am Saugstutzen (Prinzip Sorptionspumpe) c) Gaseinlaß am Saugstutzen -> Pumpe fördert immer Gas und arbeitet nie bei Enddruck Der Enddruck einer Drehschieberpumpe wird bestimmt durch a) die Gasrückströmung in der Pumpe (Schieber, Drehkolben) Undichtigkeiten, Verschleiss... b) die Eigenschaften des Pumpenöls (Dampfdruck, Entgasung) stark abhängig von der Betriebstemperatur, deshalb auch oft nach Anpumpen erst geringerer Druck, danach wieder Anstieg Pflege der Pumpen: Ölwechsel nach angegebener Betriebsdauer Unterschiede in der Ölqualität (Preis) und dem Gasgehalt (Entgasen) Altes Öl enthält Verschleißpartikel (erhöhter Abrieb, schlechte Leistung) Enddrücke und Saugvermögen von Drehschieberpumpen: ohne Gasballast: Einstufige Pumpen: ca mbar Zweistufige Pumpen: ca mbar (mit Kühlfalle!), ansonsten ca.5* 10-3 mbar Saugvermögen: (1) (100) m 3 /h Drehschieberpumpe ist die wichtigste Pumpe in der Vakuumtechnik! Nachteile: Lautstärke Vibration Auspuffleitung (Ölfilter) Einschränkung bezüglich Enddruck kein ölfreies Vakuum elektrische Anschlußleistung

11 Folie Sperrschieberpumpen (Drehkolbenpumpen) Rotierender exzentrischer Kolben mit Schieber fördert das zu pumpende Gas Prinzip ähnlich der Drehschieberpumpe: Hauptunterschiede zur Drehschieberpumpe: kleinere Verschleißkräfte: geringere Verschleißkraft als die, die bei der Drehschieberpumpe auf die Stirnseiten der Schieber wirkt hier: immer minimaler, ölgedichteter Abstand zwischen Kolben und Wand! Zwei Umdrehungen werden für einen Pumpzyklus gebraucht. Saugvermögen: S n VSchöpf, das Schöpfvolumen berechnet sich einfach als: = 2 π 2 2 ( ) VSchöpf = draum dkolben l 4 d Raum - Schöpfraumdurchmesser d Kolben - Kolbendurchmesser l - Schieber-, Kolben- und Schöpfraumlänge kein totes Volumen (nicht vorhanden oder ölgefüllt)

12 Folie 12 Schöpfraumvolumen in Abhängigkeit von der Zeit: Auch hier: Gasballastventil -> Vermeidung von Kondensation von Wasser und Ventilklappern bei Enddruck (Gasballast auch hier: Enddruck eine Zehnerpotenz schlechter) Zweistufige Pumpen üblich (auch wegen Unwucht einstufiger Pumpen!)

13 Folie 13 Beispiel der Gasführung von ein- und zweistufigen Pumpen: Zwei Pumpstufen wegen Massenausgleich: parallel: Einstufige Pumpe (schlechterer Enddruck, größeres Saugvermögen) Reihe: Zweistufige Pumpe (besserer Enddruck, kleineres Saugvermögen) könnte genauso bei Drehschieberpumpen sein Reduzierung des Saugvermögens bei zweistufigen Pumpen beim Ansaugen von Gasen bei Drücken wenig unter Normaldruck (wegen den unterschiedlichen Schöpfvolumina der beiden Saugstufen) Sperrschieberpumpen haben heute kaum Bedeutung Nachteil des höheren Verschleißes der Drehschieberpumpen kompensiert durch bessere Werkstoffe und Öle.

14 Folie Wälzkolbenpumpen (Rootspumpen) lange Geschichte (Beginn 1848 in England) ca von Gebr. Roots verbessert und verbreitet Rootspumpen als Motor-Ladepumpen und Gaszähler In der Vakuumtechnik erst ab 1954 Prinzip: wichtig: nichts berührt sich, weder die Kolben untereinander, noch die Kolben mit der Wand Keine Ölfüllung > Trockenlaufende Pumpe!!!!

15 Folie 15 Spalten zwischen Kolben untereinander und Wand so gering wie möglich (wegen Gasrückströmung)... ca. 0,1 mm Schöpfvolumen: Bild III: V 2 jedoch pro Umdrehung 4 mal (zwei Kolben auf beiden Seiten) Saugvermögen (theoretisch, ohne Verluste): S n V th = 4 2 Rootspumpen arbeiten bei sehr hohen Drehzahlen: z.b min -1 entspr. Ca. 50s -1 begrenzt durch den Drehkolbenwerkstoff - Masse - Fliehkraft hohes Saugvermögen aber (wegen der Spalte) geringes Kompressionsvermögen; Pumpen arbeiten üblicherweise nicht gegen Atmosphärendruck sondern benötigen eine Vorvakuumpumpe Gleichungen: Gasstrom in einer Rootspumpe: qeff = qth qverl theoretischer pv-strom: q, = 4V 2 n p = S p pv th A th A Rückströmung durch die Spalten: q L ( p p ) pv verl sp V A,, = zusätzliche Verluste: Zwickelraum-Kompression kurz vor Stellung III Gasbeladung (Adsorption) auf der Vorvakuumseite Hohlräume schädliche Rückströmung: S R p V qpv, verl = L pv pa + SR pv damit wird der effektive Gasstrom: q, = p S = p S L( p p ) S p damit wird die Verlustströmung zu: ( ) pv eff A A th V A R V daraus ergibt sich das Kompressionsverhältnis bei Nulldurchsatz: Ansaugstutzen blindgeflanscht, Messung des Ansaug- und Vorvakuumdrucks: q pv, eff = 0 ps A th = Lp ( V pa) + Sp R V p V = p A 0 S S th R + + L = L Sth + S + L S R L = + L R K 0

16 Folie 16 K 0 - Kompressionsverhältnis bei Nulldurchsatz - wichtige Kenngröße für Rootspumpen Vereinfachungen: 1. K 0 Sth = + S + L S R R L + L Erster Term meist >10, zweiter Term <1 vernachlässigbar! 2. Bei hohen Drücken (p V >15mbar): Laminarströmung - L groß schädliche Rückströmung S R vernachlässigbar K 0.S th /L 3. Bei niedrigen Drücken (p V <10-1 mbar): Molekularströmung - L klein schädliche Rückströmung S R groß K 0.S th /S R mit dem Enddruck der Vorpumpe p V,end und dem Kompressionsverhältnis K 0,end der Rootspumpe bei diesem Vorvakuumenddruck läßt sich der Enddruck am Ansaugstutzen berechnen: p 0 Aend, = p K Vend, 0, end

17 Folie 17 Saugvermögen bei Kombination von Vorpumpe und Rootspumpe: Saugvermögen der Vorpumpe und Rootspumpe hängen über das Kompressionsverhältnis der Rootspumpe zusammen. Man definiert das effektive Kompressionsverhältnis: K und das theoretische Kompressionsverhältnis:. K th = S S eff th V pv = = p A S S V mit dem volumentechnischen Wirkungsgrad η V = K0 / Kth 1+ K / K 0 th wird das Saugvermögen der Kombination von Vorpumpe und Rootspumpe: S = η S V th bei Rootspumpen ist die maximal zulässige Druckdifferenz zu berücksichtigen (nicht überscheiten - Erwärmung!) Richtlinien: bei niedrigen Drücken - geringe Gasmenge - kleine Vorpumpe reicht: man wählt S V :S.1:10 (sicher!)

18 Folie 18 Bei hohen Drücken -> größere Vorpumpe, deren Saugvermögen sich nach Grafik bestimmen läßt: Saugvermögen hängt ab von der Vorpumpe; deshalb Saugvermögendkurven immer für die Pumpenkombination: Beispiel:

19 Folie 19 mehrstufige Rootspumpensysteme möglich > besserer Enddruck! Beispiel für zweistufige Rootspumpe mit zweistufiger Drehschieberpumpe als Vorvakuumpumpe : praktische Hinweise: a) maximale Druckdifferenz nicht überschreiten! b) Start der Rootspumpe erst bei einem Druck, der wesentlich unter Normaldruck liegt - anderenfalls Überlastung des Motors c) Vorevakuierung kann durch die Rootspumpe hindurch erfolgen, die Rotoren laufen bei abgeschalteter Rootspumpe dann leer und behindern den Evakuierungsvorgang nicht. d) auch zum Abpumpen von Dämpfen, da wegen des geringen Kompressionsverhältnisses keine Kondensation auftritt e) Anwendungen im Grob-, Fein- und sogar Hochvakuumbereich beim Abpumpen großer Gasmengen

20 Folie 20 Anhang: