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Verdrängerpumpen

1. Was ist eine Verdrängerpumpe?

 

Verdrängerpumpen fördern eingeschlossene Fluidvolumina mechanisch durch das System. An der Einlassseite (Saugseite) der Pumpe dehnt sich das Volumen aus, an der Auslassseite (Druckseite) hingegen zieht es sich zusammen. Das Volumen pro Umdrehung ist somit festgelegt und theoretisch konstant, unabhängig vom Förderdruck, Ansaugvakuum oder den Eigenschaften des Fluids. Verdrängerpumpen sind zudem selbstansaugend und bauen einen hohen Unterdruck an der Einlassseite auf. Das kann das gesamte Systemdesign vereinfachen und Wartungsarbeiten ohne manuelle Wiederinbetriebnahme ermöglichen.

Das Verhalten der Verdrängerpumpen unterscheidet sich erheblich von dem der Zentrifugalpumpen, die den Schwung des beschleunigten Fluids nutzen, um Durchfluss unter Druck zu erzeugen, und reagieren empfindlich auf Druckveränderungen. Die Grafik rechts vergleicht eine Aussenzahnradpumpe (gängige Verdrängerpumpe) und eine Zentrifugalpumpe mit einem Motor gleicher Grösse. Zentrifugalpumpen können wesentlich höhere Durchflussraten erreichen, sie reagieren jedoch sehr empfindlich auf Druckveränderungen.

 

Zentrifugalpumpe im Vergleich zur Zahnradpumpe

 

 Der Durchfluss ist nur theoretisch unabhängig vom Druck. Materialbiegung, interne Leckage („Blow-by”), Verschleiss und andere Variablen führen zu einer leichten Druckabhängigkeit. Das Mass der Druckabhängigkeit hängt von der Art der Pumpe und der Präzision der Pumpenkomponenten ab. Bei der Auswahl eines Pumpentyps muss häufig ein Kompromiss zwischen Genauigkeit, Lebensdauer und Systemreaktion gefunden werden. Die negativen Aspekte des Kompromisses können durch enge Zusammenarbeit mit dem Pumpendesigner und der Verwendung hoch präziser Qualitätskomponenten minimiert werden.

Verdrängerpumpen können in zwei Unterkategorien mit sehr unterschiedlichen Pumpenkennlinien und Anwendungen aufgeteilt werden.

  • Oszillierende Verdrängerpumpen
  • Rotierende Verdrängerpumpen


Oszillierende Verdrängerpumpen


Oszillierende Verdrängerpumpen nutzen wiederholte lineare Bewegungen eines Mechanismus. Diese Bewegung wird häufig als Hub bezeichnet, und die Grösse der Pumpe in Volumen pro Hub angegeben. Das Strömungsprofil ist aufgrund des einmaligen Ausstosses pro Umdrehung einer oszillierenden Verdrängerpumpe gepulst. Wenn sie nicht korrekt installiert wird, kann der gepulste Durchfluss übermässige Schwingungen erzeugen und/oder Schäden am Hydrauliksystem verursachen, die gelegentlich auch als „Wasserschlag” bezeichnet werden. Der gepulste Durchfluss verursacht überdies Spitzen der Durchflussrate, die über dem durchschnittlichen Durchfluss liegen. Dies erfordert eine sorgfältige Auslegung des Hydraulikkreislaufs. Oszillierende Verdrängerpumpen sind ideal für die präzise wiederholbare Fluid-Messung und Dosierung. Die gängigsten Ausführungen von oszillierenden Verdrängerpumpen sind:

  • Membranpumpe
  • Kolbenpumpe
  • Plungerpumpe


Membranpumpe

Eine Membranpumpe arbeitet mit einer flexiblen Membran, häufig auch als „Diaphragma” bezeichnet, die sich nach aussen und nach innen biegt. Die Bewegung der Membran ändert das Volumen in der Pumpe und, sofern Ventile angeschlossen werden, ermöglicht es dem Fluid, in und aus der Pumpe zu strömen. Membranpumpen sind ideal für Vakuum, Luft und korrosive Fluids mit niedrigem Druck.

Membranpumpe

Kolbenpumpe

In einer Kolbenpumpe bewegt sich ein Kolben in einem passgenauen Zylinder. Wenn sich der Kolben zurückzieht, dehnt sich das Volumen aus. In Normalfall öffnet sich ein Ventil an der Einlassseite, das Volumen dehnt sich aus und Fluid kann in die Pumpe strömen. Wenn der Kolben umkehrt, zieht sich das Volumen zusammen, ein Ventil an der Auslassseite wird geöffnet und das Fluid kann die Pumpe verlassen.

Kolbenpumpe

Ventillose Kolbenpumpe

Diese Sonderversion der Kolbenpumpe ist ventillos und wird gelegentlich auch als ventillose Dosierpumpe bezeichnet. Diese Pumpen arbeiten mit einer sinusförmigen Linearbewegung, die mit einer 360°-Drehung des Kolbens gekoppelt ist. Am Kolbenende befindet sich eine Fläche, mit der die Einlass- und Auslassöffnung synchron zur Kolbenbewegung geöffnet bzw. geschlossen werden. Dieser Pumpentyp macht Ventile, die verschleissen und klemmen können, überflüssig und vereinfacht die Gesamtplanung erheblich.

Ventillose Kolbenpumpe

Plungerpumpe

Plungerpumpen und Kolbenpumpen funktionieren nahezu identisch. Der Unterschied besteht im Plunger, der durch eine Dichtung in das Pumpenvolumen eindringt. Das vom Plunger verdrängte Volumen verändert das Fluidvolumen in der Pumpe und löst damit eine Pumpbewegung aus.

Plunger Pump

Rotierende Verdrängerpumpen


Rotierende Verdrängerpumpen nutzen eine Reihe rotierender Volumina für den Transfer von Fluiden anstatt der Linearbewegung der oszillierenden Verdrängerpumpen. Die rotierenden Teile dichten gegen das Pumpengehäuse oder rotierende Komponenten ab. Mehrere Volumina pro Umdrehung sind typisch, sie führen zu einem gleichmässigeren Durchfluss als bei oszillierenden Verdrängerpumpen. Diese Volumina sind jedoch im Normalfall nicht so genau wie bei oszillierenden Verdrängerpumpen, was ihre Verwendung für Mess- oder Dosieranwendungen einschränkt. Die gängigsten Ausführungen von rotierenden Verdrängerpumpen sind:

  • Aussenzahnradpumpe
  • Innenzahnradpumpe
  • Flügelzellenpumpe
  • Peristaltikpumpe
  • Drehkolbenpumpe


Aussenzahnradpumpe

Aussenzahnradpumpen sind die einfachsten und gängigsten Arten rotierender Zahnradpumpen. Sie sind normalerweise mit zwei Zahnrädern an separaten Wellen ausgestattet, wobei eine Welle mit einem Motor verbunden ist. Die Trennung der Zahnräder erzeugt ein Vakuum an der Einlassseite der Pumpe. Wenn sich die Zahnräder drehen, wird Fluid zwischen den Zähnen und der Wand der Pumpenkammer eingeschlossen. Durch die Drehung wird es zum Auslass gefördert und ausgestossen. Der Zahneingriff verhindert den Rückfluss des Fluids zum Einlass, es muss also aus dem Auslass ausgestossen werden. Das gefördete Fluid schmiert den Zahneingriff und die zugehörigen Gleitlager.

Aussenzahnradpumpe

Innenzahnradpumpe

Innenzahnradpumpen arbeiten mit Zahnrädern verschiedener Größe und unterschiedlicher Anzahl Zähnen. Eines davon ist mit einem Innenzahnkranz ausgestattet. Die Zahnräder sind exzentrisch zum Pumpengehäuse angeordnet, sodass bei ihrer Drehung ein Spalt im Zahneingriff entsteht. Die Volumina werden von einem sichelförmigen Element getrennt, das als Dichtung fungiert. Nach dem Passieren der Sichel beginnen sich die Zahneingriffe zu schließen und transportieren das Volumen zum Auslass. Der Energiebedarf, die zusätzliche Komplexität der Sichel und die schwierigere Herstellung der Zahnräder machen Innenzahnradpumpen eher zu Pumpen für spezielle Anwendungen.

Innenzahnradpumpe

Gerotor

Der Gerotor ist ein Sondertyp einer Innenzahnradpumpe ohne das sichelförmige Element. Der innere Rotor wird normalerweise von einem Motor angetrieben. Das Fehlen der Sichel vereinfacht das Design, erfordert jedoch hohe Präzision und ein geringes Spiel. Das glatte Profil und der reibungslose Betrieb ermöglichen die Verwendung spezieller Materialien, die für andere herkömmliche Zahnradpumpen nicht verwendet werden können.

Gerotorpumpe

Flügelzellenpumpe

Flügelzellenpumpen sind mit nur einem drehenden Element ausgestattet, das exzentrisch zur Pumpenkammer angeordnet ist. Das drehende Element ist mit mehreren Flügeln ausgestattet, die gleiten oder sich verformen können, sodass sie zum Profil der Wandung der Pumpenkammer passen. Die Flügel bilden eine dichte gleitende Abdichtung gegen die Wandung, sie schließen das Fluidvolumen am Einlass ein und leiten es zum Auslass ab. Flügelzellenpumpen sind Druckveränderungen gegenüber unempfindlich, da die Flügel die Wandung der Pumpenkammer berühren. Das Gleiten der Flügel an der Wandung verursacht jedoch Kräfte, Geräusche und Probleme im Hinblick auf die Nutzungsdauer.

Flügelzellenpumpe

Peristaltikpumpe

Diese, gelegentlich auch als Rollenpumpen bezeichneten Pumpen bewegen das Fluid mit Rollen, um es in einer flexiblen Leitung einzuschliessen und zum Einlass zum Auslass zu befördern. Dieses Design sorgt dafür, dass das Fluid nur mit der Innenseite der Leitung in Berührung kommt. Aufgrund dieser Eigenschaft und der leicht auszutauschenden Leitung sind Peristaltikpumpen ideal für Einmalanwendungen wie für den Bluttransport in Dialysegeräten. Das häufige Pressen der Leitung erfordert jedoch ihren häufigen Austausch, wodurch der Einsatz dieser Pumpen in vielen Anwendungen problematisch ist. Der Durchfluss der Peristaltikpumpen ist wie bei einer oszillierenden Verdrängerpumpe gepulst.

Peristaltikpumpe

Drehkolbenpumpe

Eine Drehkolbenpumpe ist einer Aussenzahnradpumpe ähnlich, sie ist jedoch mit nockenförmigen Elementen anstelle von Zahnrädern ausgestattet. Die nockenförmigen Elemente werden jeweils von einem Motor mit Steuerzahnrädern angetrieben. Dadurch wird der Kontakt der beiden Drehkolben vermieden, der Verschleiss reduziert und die Fluid-Scherung minimiert. Drehkolbenpumpen können aufgrund der geringen Anzahl Zähne größere Feststoffe als andere Verdrängerpumpen verarbeiten.

Drehkolbenpumpe

Pumpenauswahl


Die Auswahl des richtigen Pumpentyps für ein Hydrauliksystem ist der erste Schritt zur Entwicklung eines zuverlässigen und effizienten Geräts. Wir empfehlen eine enge Zusammenarbeit mit den Pumpendesign-Ingenieuren, um sicherzustellen, dass die optimale Pumpe für eine lange Nutzungsdauer und Systemstabilität ausgewählt wird. Mit der Wahl des richtigen Pumpentyps und der richtigen Pumpenqualität zu Beginn des Designprozesses können das Gesamtsystem erheblich vereinfacht, Zeit, Platz, Geld gespart und Probleme vermieden werden.