Pumpen sind das Rückgrat unzähliger industrieller Prozesse, von der Förderung von Chemikalien bis zur Aufrechterhaltung kritischer Anwendungen. In Hochdruckumgebungen ist die Auswahl des richtigen Pumpendesigns mehr als nur eine technische Entscheidung – sie ist eine Frage der Sicherheit, Effizienz und Kostensteuerung.
Jede Pumpentechnologie hat ihre Stärken und Grenzen, die nicht nur von Druck und Fördervolumen, sondern auch vom Prozessmedium abhängen. Die erforderliche hydraulische Leistung – also die Energie, die über eine unter Druck stehende Flüssigkeit übertragen wird, um die gewünschte Aufgabe auszuführen – ist ebenfalls ein entscheidender Faktor. Die Auswahl der optimalen Technologie umfasst daher sowohl die Wahl des richtigen Funktionsprinzips als auch der für die jeweilige Anwendung am besten geeigneten Pumpenkonfiguration.
Grundlagen der Pumpentechnik
Bevor man Triplex- und modulare Membranpumpen vergleicht, ist es wichtig, die gemeinsamen Funktionsprinzipien zu verstehen. Beide gehören zu den oszillierenden Verdrängerpumpen. Im Gegensatz zu Kreiselpumpen, die den Durchfluss durch kontinuierliche Rotation erzeugen, fördern Verdrängerpumpen bei jedem Hub ein festes Flüssigkeitsvolumen gegen den Strömungswiderstand durch das System. Dadurch können Drücke von über 1.000 bar bei hoher Effizienz und Leistung erreicht werden. Gleichzeitig bleiben die Fördervolumen weitgehend unabhängig vom Systemdruck.
Membranpumpen bieten gegenüber herkömmlichen Kolbenpumpen wichtige Vorteile. Kolbenpumpen basieren auf sogenannten dynamischen Dichtungen, die den oszillierenden Kolben umschließen. Sie unterliegen einem natürlichen Verschleiß, so dass das Förderfluid unter hohem Druck austreten kann. Regelmäßige Wartung ist daher unerlässlich, um die Integrität der Dichtungen aufrechtzuerhalten und das Risiko von Leckagen zu minimieren. Bei Membranpumpen hingegen ist das Förderfluid durch eine flexible Membran im hermetisch abgedichteten Pumpenkopf vollständig vom mechanischen Antrieb getrennt. Dadurch werden Leckagen praktisch ausgeschlossen. Das macht Membranpumpen besonders geeignet für gefährliche, toxische oder umweltempfindliche Flüssigkeiten und reduziert gleichzeitig den Wartungsaufwand.
Reduzierung der Pulsation
Pulsation – zyklische Schwankungen von Förderstrom und Druck – ist ein charakteristisches Merkmal von Verdrängerpumpen. Im Gegensatz zu Kreiselpumpen, die für einen kontinuierlichen Förderstrom sorgen, fördern Verdrängerpumpen die Flüssigkeit in einzelnen Hüben. Bei jedem Hub wird ein festes Flüssigkeitsvolumen gefördert, wodurch während des gesamten Zyklus Schwankungen in Förderstrom und Druck entstehen. Diese Schwankungen können mechanische Belastungen an nachgelagerten Komponenten wie Rohrleitungen, Ventilen und Instrumentierung verursachen, was bei unsachgemäßer Handhabung zu Ermüdung, Leckagen oder vorzeitigem Ausfall führen kann. Um Pulsationen zu reduzieren, wurden verschiedene Konfigurationen von Verdrängerpumpen entwickelt, darunter Triplex- und modulare Ausführungen sowie andere Techniken zur Pulsationskontrolle.
Die Kraft der Drei
Triplex-Pumpen verwenden drei Pumpenköpfe, die mit einem Phasenversatz von 120 Grad zwischen den Hüben arbeiten. Diese Bauweise sorgt für einen deutlich gleichmäßigeren Förderstrom im Vergleich zu Einfach- oder Zweifachpumpen. Die Pulsation kann durch den Einsatz zusätzlicher Pumpenköpfe noch weiter reduziert werden, wobei Konfigurationen mit ungerader Anzahl im Allgemeinen wirksamer sind als solche mit einer geraden Anzahl (siehe Abbildung 1).
Obwohl zusätzliche Pumpenköpfe die Pulsation weiter reduzieren können, erhöhen sie jeweils den Aufwand für Ausrüstung, Installation und Wartung. Aus diesem Grund stellt die Dreifach-Anordnung für die meisten Anwendungen mit Hochdruck-Membranpumpen das optimale Gleichgewicht zwischen Pulsationsverhalten, Platzbedarf und Lebenszykluskosten dar.
Die Triplex-Produktlinie von Lewa beruht auf diesem pulsationsarmen Design und verfügt über ein robustes Monoblock-Gehäuse mit einer massiven Kurbelwelle, die für den kontinuierlichen Betrieb unter hohen Drücken ausgelegt ist. Durch die Überlagerung von Teilförderströmen reduzieren Triplex-Pumpen die Pulsation auf bis zu 5 Prozent Spitzen-zu-Mittelwert-Abweichung, wodurch Vibrationen und mechanische Belastungen im System minimiert werden. Dies macht sie ideal für Hochdruck-Anwendungen, bei denen ein konstanter Förderstrom und Zuverlässigkeit entscheidend sind, wie in der Öl- und Gasindustrie, der chemischen Industrie und in Fuel Gas Supply Systems (FGSS) für maritime Anwendungen.
Zusätzliche Vorteile sind ein kompaktes Design, das Platz und Gewicht spart und gleichzeitig Langlebigkeit in anspruchsvollen Betriebsbedingungen gewährleistet. Triplex-Pumpen können einen mechanischen Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent erreichen, wodurch der Energieverbrauch gesenkt und die Lebensdauer bei ordnungsgemäßer Wartung verlängert wird. Die robuste Monoblock-Konstruktion und die extrem belastbare Kurbelwelle sind für den Dauerbetrieb unter Hochdruck ausgelegt. Obwohl diese Konstruktion eine höhere anfängliche Kapitalinvestition bedeutet, reduziert sie den Wartungsaufwand und gewährleistet langfristige Zuverlässigkeit während der gesamten Betriebsdauer der Pumpe.
Einige Pumpenhersteller haben zusätzliche Methoden entwickelt, um die Pulsation noch weiter zu minimieren. Ein Beispiel ist der Pumpensynchronisationsregler von Lewa, der Resonanzen und Pulsationen im Rohrleitungssystem reduziert, wodurch im gesamten Prozess mechanische Belastungen reduziert und die Effizienz erhöht werden. Der Regler erleichtert die Wartung der Pumpe, ohne dass die Förderleistung beeinträchtigt wird, und macht die Investition in zusätzliche Standby-Pumpen überflüssig.
Modularer Ansatz
Modulare Membranpumpen ermöglichen es Ingenieuren, mehrere Pumpenköpfe zu kombinieren, um einen gleichmäßigeren Förderstrom und größere Flexibilität bei der Auslegung von Anlagen zu haben.
Zu den wichtigsten Vorteilen modularer Membranpumpen zählt ein großer Regelbereich, der die Möglichkeit bietet, nicht nur die Hubfrequenz, sondern auch die Hublänge anzupassen – und zwar mit einem Regelbereich von 1:100.
Mehrere Pumpenköpfe und Antriebsgrößen können in Kombination verwendet werden, wodurch modulare Membranpumpen maximal konfigurierbar sind. Dies erleichtert zudem die Wartung und reduziert Ausfallzeiten, da einige Teile gewartet oder ersetzt werden können, ohne das gesamte System zu demontieren. Diese Modularität ist besonders wertvoll für Anwendungen, die mehrere Dosieraufgaben oder wechselnde Prozessanforderungen erfordern. Systeme, die mehrere kleinere Pumpenköpfe integrieren, benötigen jedoch eine größere Aufstellfläche als eine einzelne Prozesspumpe mit hoher Förderleistung. Modulare Pumpen haben typischerweise eine geringere maximale hydraulische Leistung, was ihre Eignung für Anwendungen mit extrem hohen Leistungsanforderungen und sehr großen Fördervolumen einschränken kann.
Vergleich verschiedener Ausführungen von Verdrängerpumpen
Lewa stellt sowohl die Lewa-ecoflow-Reihe modularer Membranpumpen als auch Lewa-Triplex-Prozess-Membranpumpen her. Tabelle 1 zeigt einen Vergleich dieser beiden Konstruktionen anhand wichtiger Kriterien.
Endgültige Auswahl
Die Auswahl der richtigen Pumpe für Hochdruck-Anwendungen erfordert die Abwägung von Faktoren wie hydraulischer Leistung, Sicherheit und Lebenszykluskosten. Anstatt zwischen Triplex- und modularen Membranpumpen zu wählen, bewerten Ingenieure diese Prozessanforderungen, um die für die jeweilige Anwendung am besten geeignete Technologie zu ermitteln. Während Triplex-Pumpen eine unübertroffene Leistung für anspruchsvolle Aufgaben bieten, ermöglichen modulare Aufbauten hohe Flexibilität und können an sich ändernde Prozessanforderungen angepasst werden.
Die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Lieferanten gewährleistet, dass diese Aspekte effektiv in Einklang gebracht werden. Pumpenhersteller wie Lewa verfügen über das erforderliche Know-how, um sämtliche relevanten Parameter in die Auslegung einzubeziehen, potenzielle Risiken zu minimieren und die Pumpenkonfiguration gezielt auf maximale Zuverlässigkeit und Effizienz auszurichten. Durch die Betrachtung des gesamten Betriebsbereichs und die Auswahl der Pumpenkonfiguration können Anwender sicherstellen, dass die technischen Anforderungen erfüllt, Betriebsrisiken minimiert und die Gesamtbetriebskosten verbessert werden.
