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Vakuumerzeugung

Vakuumpumpen: generell unterschiedlich je nach:

DruckbereichWirkprinzipSaugvermögen, SaugleistungEinsatzgebiet

Druckbreiche der Vakuumpumpen:

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Saugvermögen der Vakuumpumpen:

Erinnerung: Saugvermögen = Volumenstrom am Pumpstutzen [m3/h oder l/s]&V

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Einteilung der Vakuumpumpen nach Pumpprinzipien:

andere Darstellung: (siehe Anhang)

Verdrängerpumpen

1. Hubkolbenpumpen

alte Pumpenart (Otto von Guericke)

Kompressionsverhältnis Hängt abKppAuspuff

Ansaug=

vom toten Volumen:K= Vges / Vtot

auch bei präziser Herstellung immer totes Volumenerst Ölfüllung des toten Volumens führte zubesseren Enddrücken

An dieser Pumpe läßt sich gut erkennen:Saugvermögen unabhängig vom Druck (wenn weitvom Enddruck entfernt)

S=n * Vhub = n * h *Aquer

mit n-Drehzahl [min-1], Vhub - Fördervolumen [l],h-Kolbenhub[cm], Aquer-Kolbenfläche[cm2]

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technisch ohne BedeutungMembranpumpe - dasselbe Prinzipkleiner Schöpfraum, deshalb: kleines Saugvermögenaber: ohne Schmierstoffe - ölfreies VakuumVorpumpe für Turbomolekularpumpen bei geringem Gasanfall !Heute verbreitet und viel produziert !Besondere Konstrukt ionspr inz ip ien zum Kompens ieren derUnwuchtvibrationen

2. Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe

schematischer Aufbau:

Eigenschaften:

schlechter Enddruck: ca. 30 mbarFlüssigkeit: meist Wasser

Wärmeentstehung !Wasser wird (massenhaft) mitaus dem Druckstutzen ausgeführt

Kompressionsverhältnis ca. 1:7Ansaugdruck für einstufigePumpen:z w i s c h e n 1 3 0 m b a r u n dNormaldruck

3 Betriebsarten:Wasser wird: ständig neu zugeführt(keine Temperaturprobleme !) teilweise neu zugeführt und mit dem alten vermischt (dazu ist einAbscheider 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 25000m3/h

mehrstuf ige Flüssigkeitsr ing-Vakuumpumpen mögl ich durchHintereinanderschalten mehrerer Pumpstufen (üblich 2)

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Enddruck der Pumpen hängt vom Sättigungspartialdruck des Wassers ab:

S Sppeff thH O

A= ⋅ −

1 2

Öl würde helfen, aber 1. Ölkühler nötig, 2. Feuchtigkeit emulgiert mit Öl

Saugvermögenskurve einer zweistufigen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe:

für eine zweistufige Pumpe mit kleinem Pumpenvolumen (Druckseite) undgrößerem Pumpvolumen auf der Saugseite

warum macht man das ?

Bei höheren Drücken - geringere Kompression - 2. Pumpe kann das nichtabpumpen, was die erste fördert - Saugvermögen sinkt.

Bei niedrigen Drücken kommt die Verdampfung des Wassers ins Spiel !

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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 ausgepumptÖlfördermenge ca 0.1% des Saugvermögens (bei einer Pumpe 12m3/h sinddas immerhin 12 l/h !)

Reihenschaltung von Drehschieberpumpen (mehrstufige Pumpen .. meist 2)

II I

unterschiedliche Schöpfvolumen der Pumpstufen (I > II)

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Betrieb mit Gasballastvorrichtung (Gasballastventil)

was ist das ?

am Druckstutzen muß mehr als Normaldruck herrschen, damit dasAuspuffventil öffnet —> sehr große Kompression —> ist Feuchtigkeit imabzupumpenden Gas, kondensiert Wasser aus (Sättigungsdampfdruck wirderreicht !) —> Wasser emulgiert mit Öl und das verliert seineSchmiereigenschaften

Lösung: Gasballast = Einlaß von Luft in die Pumpe, wenn das Ansaugventilzu ist –> geringe Kompression -> keine Kondensation !ABER: schlechterer Enddruck wegen größerer Rückströmung

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Saugvermögen einer Drehschieberpumpe:

Ein- und zweistufige Drehschieberpumpe (Enddruck - Gasrückströmung)Gestrichelt mit Gasballastventil offen !

Praktische Hinweise:

Ausrüstung der Pumpen mit Drehstrommotoren oder Wechselstrommotorenbei Drehstrommotoren ist die Beschaltung zu beachten - andernfalls läuftdie Pumpe verkehrt herum (Öl wird in den Rezipienten gepumpt !!!)

Drehzahlen der Drehschieberpumpen: 300 ... 1500U/min(Drehzahl proportional dem Saugvermögen ... ABER: Temperatur !)

Höchste Leistungsaufnahme beim Anpumpen (kaltes Öl, höchsteFördermenge an Gas) , danach nur noch ein Bruchteil

geringste Betriebstemperatur (beim Anlaufen) 12°C, wenn nicht andersausgewiesen

Normale Betriebstemperatur 70°C ... 90°C, Begrenzung durch dieTemperaturstabilität des Öls

Bei feuchtem Gas - Gasballast bei Förderung, will man Enddruck erreichen,Gasballast zu, denn:Saugvermögen mit Gasballast ca. 1 Zehnerpotenzgeringer

kaum Gasartabhängigkeit des Saugvermögens / Enddrucks

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Ölrückströmung:Öl strömt (Diffusion, Strömung) dem entgegenkommenden Gas aus demSaugstutzen entgegen

größte Ölrückströmung bei Betrieb beim EnddruckMöglichkeiten, die Ölrückströmung zu verhindern:a) Kühlfalle am Saugstutzen (Öldämpfe kondensieren)

Kühlfallen mit Wasserkühlung, Flüssig-Stickstoff-Kühlungb) Sorptionsfalle am Saugstutzen (Prinzip Sorptionspumpe)c) Gaseinlaß am Saugstutzen -> Pumpe fördert immer Gas und arbeitet

nie bei Enddruck

Der Enddruck einer Drehschieberpumpe wird bestimmt durcha) die Gasrückströmung in der Pumpe (Schieber, Drehkolben)

Undichtigkeiten, Verschleiss ...b) die Eigenschaften des Pumpenöls (Dampfdruck, Entgasung)

stark abhängig von der Betriebstemperatur, deshalb auch oft nachAnpumpen erst geringerer Druck, danach wieder Anstieg

Pflege der Pumpen: Ölwechsel nach angegebener BetriebsdauerUnterschiede 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. 10-2 mbarZweistufige Pumpen: ca. 10-4 mbar (mit Kühlfalle !),

ansonsten ca.5* 10-3mbar

Saugvermögen:(1) 4 .... 65 (100) m3/h

Drehschieberpumpe ist die wichtigste Pumpe in der Vakuumtechnik !

Nachteile:LautstärkeVibrationAuspuffleitung (Ölfilter)Einschränkung bezüglich Enddruckkein ölfreies Vakuumelektrische Anschlußleistung

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4. Sperrschieberpumpen (Drehkolbenpumpen)

Rotierender exzentrischer Kolben mitSchieber fördert das zu pumpende Gas

Prinzip ähnlich der Drehschieberpumpe:

Hauptunterschiede zur Drehschieberpumpe:

kleinere Verschleißkräfte: geringere Verschleißkraft als die, die bei derDrehschieberpumpe auf die Stirnseiten der Schieber wirkthier: immer minimaler, ölgedichteter Abstand zwischen Kolben und Wand!

Zwei Umdrehungen werden für einen Pumpzyklus gebraucht.

Saugvermögen: , das Schöpfvolumen berechnet sich einfach als:SnVSchöpf=2

( )V d d lSchöpf Raum Kolben= − ⋅π4

2 2

dRaum - SchöpfraumdurchmesserdKolben - Kolbendurchmesserl - Schieber-, Kolben- und Schöpfraumlänge

kein totes Volumen (nicht vorhanden oder ölgefüllt)

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Schöpfraumvolumen in Abhängigkeit von der Zeit:

Auch hier: Gasballastventil -> Vermeidung von Kondensation von Wasserund Ventilklappern bei Enddruck(Gasballast auch hier: Enddruck eine Zehnerpotenz schlechter)

Zweistufige Pumpen üblich (auch wegen Unwucht einstufiger Pumpen !)

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Beispiel der Gasführung von ein- und zweistufigen Pumpen:

Zwei Pumpstufen wegen Massenausgleich:parallel: Einstufige Pumpe (schlechterer Enddruck, größeresSaugvermögen)Reihe: Zweistufige Pumpe (besserer Enddruck, kleineres Saugvermögen)

könnte genauso bei Drehschieberpumpen sein

Reduzierung des Saugvermögens bei zweistufigen Pumpen beim Ansaugenvon Gasen bei Drücken wenig unter Normaldruck (wegen denunterschiedlichen Schöpfvolumina der beiden Saugstufen)

Sperrschieberpumpen haben heute kaum BedeutungNachteil des höheren Verschleißes der Drehschieberpumpen kompensiertdurch bessere Werkstoffe und Öle.

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5. Wälzkolbenpumpen (Rootspumpen)

lange Geschichte (Beginn 1848 in England)

ca. 1868 von Gebr. Roots verbessert und ver-breitet

Rootspumpen als Motor-Ladepumpen und Gaszähler

In der Vakuumtechnik erst ab 1954

Prinzip:

wichtig:

nichts berührt sich, weder die Kolben untereinander, noch die Kolben mitder Wand

Keine Ölfüllung –> Trockenlaufende Pumpe !!!!

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Spalten zwischen Kolben untereinander und Wand so gering wie möglich(wegen Gasrückströmung) ... ca. 0,1 mm

Schöpfvolumen:Bild III: V2 jedoch pro Umdrehung 4 mal (zwei Kolben auf beiden Seiten)

Saugvermögen (theoretisch, ohne Verluste):S n Vth = ⋅4 2

Rootspumpen arbeiten bei sehr hohen Drehzahlen: z.B. 3000 min-1 entspr. Ca. 50s-1

begrenzt durch den Drehkolbenwerkstoff - Masse - Fliehkraft

hohes Saugvermögen aber (wegen der Spa l te ) ger ingesKompressionsvermögen; Pumpen arbeiten üblicherweise nicht gegenAtmosphärendruck sondern benötigen eine Vorvakuumpumpe

Gleichungen:

Gasstrom in einer Rootspumpe: q q qeff th verl= −

theoretischer pV-Strom: q V n p S ppV th A th A, = ⋅ ⋅ = ⋅4 2

Rückströmung durch die Spalten: ( )q L p ppV verl sp V A, , = ⋅ −

zusätzliche Verluste:Zwickelraum-Kompression kurz vor Stellung IIIGasbeladung (Adsorption) auf der VorvakuumseiteHohlräume

schädliche Rückströmung: SR pV

damit wird die Verlustströmung zu: ( )q L p p S ppV verl V A R V, = ⋅ − +damit wird der effektive Gasstrom:

q p S p S L p p S ppV eff A A th V A R V, ( )= = − − −

daraus ergibt sich das Kompressionsverhältnis bei Nulldurchsatz:

Ansaugstutzen b l indgef lanscht, Messung des Ansaug- undVorvakuumdrucks:qpV eff, = 0 p S L p p S pA th V A R V= − +( )

pp

S LS L

SS L

LS L

KV

A

th

R

th

R R

=

++

=+

++

=0

0

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K0 - Kompressionsverhältnis bei Nulldurchsatz - wichtige Kenngröße fürRootspumpen

Vereinfachungen:

1. KSS L

LS L

th

R R0

0

=+

++

Erster Term meist >10, zweiter Term <1 vernachlässigbar !

2. Bei hohen Drücken (pV>15mbar): Laminarströmung - L großschädliche Rückströmung SR vernachlässigbarK0.Sth/L

3. Bei niedrigen Drücken (pV<10-1mbar): Molekularströmung - L kleinschädliche Rückströmung SR großK0.Sth/SR

mit dem Enddruck der Vorpumpe pV,end und dem KompressionsverhältnisK0,end der Rootspumpe bei diesem Vorvakuumenddruck läßt sich der

Enddruck am Ansaugstutzen berechnen: ppKA endV end

end,

,

,=

0

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Saugvermögen bei Kombination von Vorpumpe und Rootspumpe:

Saugvermögen der Vorpumpe und Rootspumpe hängen über dasKompressionsverhältnis der Rootspumpe zusammen.

Man definiert das effektive Kompressionsverhältnis: Kpp

SSeff

V

A V= =

und das theoretische Kompressionsverhältnis: .KSSthth

V=

mit dem „volumentechnischen Wirkungsgrad“ ηVth

th

K KK K

=+0

01//

wird das Saugvermögen der Kombination von Vorpumpe und Rootspumpe:

S SV th= ⋅η

bei Rootspumpen ist die maximal zulässige Druckdifferenz zuberücksichtigen (nicht überscheiten - Erwärmung !)

Richtlinien: bei niedrigen Drücken - geringe Gasmenge - kleine Vorpumpereicht: man wählt SV:S .1:10 (sicher !)

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Bei hohen Drücken -> größere Vorpumpe, deren Saugvermögen sich nachGrafik bestimmen läßt:

S a u g v e r m ö g e n h ä n g t a b v o n d e r V o r p u m p e ; d e s h a l bSaugvermögendkurven immer für die Pumpenkombination:

Beispiel:

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mehrstufige Rootspumpensysteme möglich –> besserer Enddruck !

Beispiel für zweistufige Rootspumpe mit zweistufiger Drehschieberpumpeals Vorvakuumpumpe :

praktische Hinweise:

a) maximale Druckdifferenz nicht überschreiten !b) Start der Rootspumpe erst bei einem Druck, der wesentlich unter

Normaldruck liegt - anderenfalls Überlastung des Motorsc) Vorevakuierung kann durch die Rootspumpe hindurch erfolgen, die

Rotoren laufen bei abgeschalteter Rootspumpe dann leer undbehindern den Evakuierungsvorgang nicht.

d) auch zum Abpumpen von Dämpfen, da wegen des geringenKompressionsverhältnisses keine Kondensation auftritt

e) Anwendungen im Grob-, Fein- und sogar Hochvakuumbereich beimAbpumpen großer Gasmengen

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Anhang: