Schneckenpumpen-Design

Eine trockene Schraubenpumpe (Abb. 2) verwendet zwei ineinandergreifende, parallel montierte Schraubenrotoren, die sich mit hohen Drehzahlen gegenläufig drehen, ohne sich zu berühren.

Die Rotation wird durch die Verwendung einer Präzisionszahnradantriebsanordnung synchronisiert, wobei jeder Schraubenrotor auf einer separaten Welle montiert ist. Die Rotoren können eine konstante Steigung (Anzahl der Windungen pro Längeneinheit) haben oder eine abnehmende, sich verjüngende Steigung verwenden, die für eine Kompression des Gases sorgt, während es transportiert wird. Der Prozessgasstrom bewegt sich axial entlang der Schnecken in einem geraden Weg vom Einlass zum Auslass. Wenn sich die Schnecken gegenläufig drehen, entstehen Hohlräume mit zunehmendem Volumen vor der Rotorkammer, die das Prozessgas ansaugen. Gaskammern werden in den Räumen zwischen den Rotoren und dem Gehäuse eingeschlossen und zum Auslass transportiert, wobei jede Windung des Gewindes als Pumpstufe dient. Die Schraubengewinde sind am Auslassende verjüngt, wodurch das eingeschlossene Volumen reduziert und das Gas komprimiert wird. Die Verdichtung an der Austrittsöffnung entlädt das eingeschlossene Gas gegen atmosphärischen Druck.

Abb. 2|Innenansicht einer einseitigen trockenlaufenden Schraubenpumpe (mit freundlicher Genehmigung von Edwards Vacuum)

Bei Rotoren mit variabler Steigung dienen die Gewinde an jedem Rotor als separate Stufen in Reihe, wenn die Steigung abnimmt. Das Gas am Einlass wird zuerst durch den Abschnitt des Rotors mit niedrigerer Steigung (der weniger Gewinde pro Längeneinheit hat) und dann durch den Abschnitt mit höherer Steigung (mit mehr Gewinde pro Längeneinheit) transportiert. Im Abschnitt mit höherer Steigung tritt eine innere Kompression des eingeschlossenen Gases auf. Ein Rotor mit variabler Steigung erreicht eine Gaskompression unter Verwendung von weniger Energie als ein Rotor mit konstanter Steigung. Da weniger Energie benötigt wird, ist die Motorgröße des Rotors mit variabler Steigung kleiner und die Abgastemperatur niedriger. In einem Rotordesign mit kontinuierlich variabler Steigung wird das eingeschlossene Gas kontinuierlich vom Einlass bis zum Auslass mit der höchsten Energieeffizienz und der niedrigsten Auslassgastemperatur komprimiert. Die Rotoren verwenden eine von mehreren Arten von Gewinden, die als Lysholm, quadratisches Gewinde und Quimby-Design bezeichnet werden. Jeder hat seine eigenen Pumpeigenschaften und Kompressionsverhältnisse.

Der Betrieb der Schneckenpumpe kann wie folgt in 5 Phasen unterteilt werden (Abb. 3):

●Phase 1: Gas tritt in den Einlasshohlraum ein. Schraubenrotoren drehen sich mit hoher Geschwindigkeit und erzeugen Einlasshohlräume zwischen den Rotoren und dem Stator.

●Phase 2: Gas wird vom Einlass abgedichtet. Wenn sich die Schrauben weiter drehen, wird der Hohlraum zu einem abgedichteten Hohlraum, der vom Pumpeneinlass getrennt ist.

●Phase 3: Gas wird entlang der Pumpenachse verdrängt. Die Relativbewegung der Schrauben bewirkt, dass die eingeschlossene Gastasche vom Einlass zum Auslass transportiert wird.

●Phase 4: Rückleckage. Wenn das Gas übertragen wird, tritt eine gewisse Rückleckage (Rückströmung) auf, wodurch eine kleine Menge Gas zwischen den Oberflächen der Rotoren und dem Stator gegen die Richtung der Gasübertragung leckt.

●Phase 5: Gas verlässt die Pumpe. Das eingeschlossene Gas wird bei atmosphärischem Druck zum Pumpenauslass geleitet, wodurch die Pumpwirkung entsteht.

Abb. 3| Phasen des Trockenpumpenbetriebs (mit freundlicher Genehmigung von Edwards Vacuum)

Schneckenpumpen können einseitig sein, wo das Gas an einem Ende eintritt und am anderen austritt, oder doppelseitig (Abb. 4), wo das Gas in der Mitte eintritt und an beiden Enden der Pumpe austritt. Trockene Schraubenpumpen können ein typisches Endvakuum von 3,7 x 10-4 Torr und Pumpgeschwindigkeiten von 900 m3/h (560 cfm) liefern, während sie in Atmosphärendruck ablassen.

Abb. 4|Zweiseitige Hochleistungsschraube mit variabler Steigung (mit freundlicher Genehmigung von Edwards Vacuum)

Pumpendichtung

Die trockene Schraubenpumpe ist mit einem sehr engen Spiel zwischen den ineinandergreifenden Rotoren und zwischen den Rotoren und dem Gehäuse konstruiert. Die Schnecken rotieren mit hohen Geschwindigkeiten, wodurch die Geschwindigkeit am Außenrand der Gewinde bis zu 100 m/s (19.700 fpm) erreicht. Diese hohe Geschwindigkeit, zusammen mit den engen Abständen und der Viskosität des Gases, verursacht einen Widerstand gegen den Gasrückfluss, indem das Gas mit den Rotorgewinden mitgezogen wird, wodurch eine berührungslose, trockene Dichtung entsteht. Das letztendlich erreichbare Vakuum wird durch den Gasrückfluss über diese trockenen Dichtflächen begrenzt. Aufgrund der engen Spielräume und der hochtechnisierten Natur der Schraubenrotoren müssen die Schrauben, wenn sie aufgrund von Verschleiß ausgetauscht werden müssen, in zusammenpassenden Sätzen ersetzt werden. Dies steht im Gegensatz zu einigen anderen Konstruktionen trockener Pumpen, bei denen ein einzelner Rotor ersetzt werden kann.

Betriebseigenschaften

Trockene Schraubenpumpen können Gase mit hohem Feuchtigkeitsgehalt oder andere Dämpfe fördern und sie vertragen Staub und andere Verunreinigungen sehr gut. Außerdem wird das gepumpte Gas im Gegensatz zu ölgedichteten Drehschieberpumpen (alternative Nasspumpentechnologie) keinem Öl ausgesetzt. Dadurch wird eine Ölverunreinigung des gepumpten Gases ebenso vermieden wie die Wartungskosten für den Ölwechsel. Da es keinen Kontakt zwischen den rotierenden Oberflächen gibt, ist die Konstruktion reibungsarm und verbraucht weniger Energie als die Drehschieberpumpe.

Da die Schneckenpumpe trocken arbeitet, gibt es kein Öl oder Wasser im gepumpten Gasstrom, um die durch die Kompression des Gases erzeugte Wärme abzuführen. Infolgedessen laufen Schneckenpumpen heiß und die Austrittstemperaturen können 350 Grad C (662 Grad F) erreichen. Dies dient insofern als Vorteil, als es dazu beiträgt, die Kondensation von gepumpten Dämpfen zu reduzieren, die andernfalls bei niedrigeren Temperaturen kondensieren würden. Eine Verschmutzung der Pumpe durch Kondensatrückstände wird somit vermieden. Die hohe Betriebstemperatur sorgt auch für gute Wasserdampfpumpeigenschaften, indem die Kondensation von Wasser in der Pumpe vermieden wird. Aufgrund dieser hohen Betriebstemperatur besteht bei Schneckenpumpen die Möglichkeit der Selbstentzündung, wenn brennbare Gase verarbeitet werden. Da sie auch heiß laufen, kann sich eine Polymerisation von Prozessdämpfen auf den Oberflächen der Schnecken und im Inneren des Stators aufbauen, was zu Wartungsproblemen und einem möglichen Pumpenausfall führen kann.

Ein Nachteil der höheren Betriebstemperatur besteht darin, dass häufig eine kontinuierliche Spülung der Pumpenlager erforderlich ist, um eine durch einen vorzeitigen Ausfall verursachte Erwärmung zu verhindern. Bei einer gespülten Dichtung wird das Getriebe nach außen mit Wellendichtringen und O-Ringen und der Verdichterraum mit Kolbenringen abgedichtet. Dazwischen befindet sich ein atmosphärisch belüfteter Bereich, der mit Luft oder speziellem Sperrgas gespült wird. Die Spülung dient auch dem Schutz der Dichtungen und Lager vor Partikeln oder aggressiven Prozessgasen.

Aufgrund der engen Rotor-Stator-Spiele wirkt sich jede Wärmeausdehnung der Rotoren auf die Spiele und damit auf die Rückströmung (Gasleckage) aus. Dadurch ist die Pumpenleistung temperaturempfindlich. Um die Pumpentemperatur zu verhindern/steuern und eine Überhitzung zu verhindern, wird die Pumpe mit Wasser gekühlt, das durch interne Kanäle im Stator zirkuliert. Ein thermostatisches Regelventil befindet sich im Kühlwasser, um die Temperatur durch automatisches Variieren der Wasserdurchflussrate zu regeln. Zusätzlich enthält die Schneckenpumpe einen Thermoschalter. Es schaltet die Pumpe ab, um Schäden zu vermeiden, wenn die Pumpentemperatur einen voreingestellten Grenzwert erreicht.

Um einen besseren Enddruck und eine höhere Effizienz der Pumpe zu erzeugen, werden die Schraubenrotoren häufig mit aufgesprühtem Polytetrafluorethylen (PFA) oder einem anderen Material vom Typ Teflon® beschichtet. Die Beschichtung ist extrem dünn und sorgt für engere Abstände zwischen den Schrauben und zwischen den Schrauben und dem Stator. Die Beschichtung hilft auch, Korrosion zu reduzieren. Mit der Zeit nutzt sich die Beschichtung ab und muss erneut aufgetragen werden, um die Pumpenleistung nicht zu beeinträchtigen.

Schneckenpumpenzubehör

An trockenlaufenden Pumpen sind häufig mehrere Zubehörteile zu finden (Abb. 5), darunter:

●Staubabscheider am Pumpeneinlass, um Verunreinigungen aus dem gepumpten Gasstrom zu entfernen, bevor er die Pumpe erreicht. Der Abscheider ist darauf ausgelegt, Staub und andere Verunreinigungen mit einer Größe zu entfernen, die größer als der Rotor/Stator-Abstand ist, da Partikel, die kleiner sind, harmlos durch die Pumpe geleitet werden können. Ein typisches Abscheiderdesign verwendet einen Polyesterfilter mit einer Partikelaufnahmekapazität von 5 Mikron.

●Auspuffschalldämpfer Da der Pumpenauslass der Werksatmosphäre ausgesetzt ist, kann die Pumpe erhebliche Geräusche erzeugen. Dies wird durch die Verwendung eines Abgasschalldämpfers am Pumpenauslass gemildert. Der Schalldämpfer ist ein Schalldämpfer aus Edelstahl, der den Lärm auf ein akzeptables Niveau reduziert. Bei Verwendung eines Abgasschalldämpfers sind Schallpegel von weniger als 75 dB(a) typisch.

●Auslass-Rückschlagventil Zum Schutz der Pumpe vor Kondensat und Partikeln, die aus dem Auspuff zurückkommen, befindet sich am Auslass ein Rückschlagventil. Das Ventil besteht aus Edelstahl und ist zwischen der Pumpe und dem Schalldämpfer positioniert.

Abbildung 5|Typische Pumpenkomponenten und Zubehör³(mit freundlicher Genehmigung von Pfeiffer Vacuum)

Zusammenfassung

Trockenlaufende Pumpen stellen eine Technologie dar, die für viele Wärmebehandler interessant ist, da sie bestrebt sind, die Leistung zu steigern und Kosten und Ausfallzeiten zu minimieren. Die Vorteile dieser Pumpen sind mit denen ihrer ölgedichteten Verwandten mit Drehschieber vergleichbar und bieten in bestimmten Anwendungen deutliche Vorteile.

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