Vakuum-Pumpstand

Abstract

 Ein Vakuum-Pumpstand zum zyklischen Abpumpen von Behältern (1) und zum Aufrechterhalten eines Betriebsvakuums in den Behältern (1) hat zum Abpumpen des Behälters (1) eine erste und zweite Vakuumpumpe (4, 13), welche hintereinander angeordnet sind und eine erste und eine zweite Pumpstufe bilden. Die erste Vakuumpumpe (4) ist ein Radialgebläse mit einer in ihre Ansaugleitung (2) geschalteten, regelbaren Drossel (5) und die zweite Vakuumpumpe (13) ein Drehkolbengebläse oder eine Wasserringpumpe. Die zweite Vakuumpumpe (13) ist in eine Vakuumleitung (12) parallel zu einer Auslaßleitung (7) der ersten Vakuumpumpe (4) geschaltet und mit ihrem Eingang an einer Abzweigung (11) mit der Auslaßleitung (7) verbunden. Strömungsmäßig hinter der Abzweigung (11) in der Vakuumleitung (12) und der Auslaßleitung (7) befindet sich jeweils ein Steuerteil (14, 15) zum Lenken des Fördervolumens bei höheren Drücken von der ersten Vakuumpumpe (4) unmittelbar oder bei geringeren Drücken von der ersten Vakuumpumpe (4) über die zweite Vakuumpumpe (13) zum Auslaß (10) des Vakuum-Pumpstandes.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Vakuum-Pumpstand zum zyklischen Abpumpen eines Behälters und zum Aufrechterhalten eines Betriebsvakuums in dem Behälter, welcher zum Abpumpen des Behälters eine erste und zweite Vakuumpumpe hat, welche hintereinander angeordnet sind und eine erste und eine zweite Pumpstufe bilden.

[0002] Pumpstände der vorstehenden Art werden in der Technik beispielsweise zum zyklischen Abpumpen von Adsorbern eingesetzt, um die Regeneration von Zeolithen oder sonstigen Adsorptionsmitteln im Unterdruck bei Vakuum-Swing Anlagen oder Druck-Vakuum-Swing-Anlagen zur Sauerstoff- und Stickstoffanreicherung vorzunehmen. Bei solchen Anlagen kommt es darauf an, relativ rasch große Gasmengen aus einem Adsorber abzusaugen und anschließend in ihm einen Betriebsunterdruck aufrecht zu erhalten. Das geschieht derzeit mit Pumpständen, welche aus mehrstufig arbeitenden Drehkolbengebläsen aufgebaut sind. Solche Pumpstände befriedigen zwar von ihrer Funktion her, jedoch geht das Bemühen der Fachwelt dahin, ihren Energiebedarf weiter zu verringern, da dieser bei zyklischen Prozessen eine große Rolle spielt. Bei den aus Drehkolbengebläsen gebildeten Pumpständen sind jedoch in letzter Zeit nur noch geringe Fortschritte in Bezug auf eine Verminderung des Energiebedarfs erzielt worden.

[0003] Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen möglichst einfach aufgebauten und kostengünstig herstellbaren Vakuum-Pumpstand der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sein Energiebedarf möglichst gering ist.

[0004] Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Vakuumpumpe ein Radialgebläse mit einer in ihre Ansaugleitung geschalteten, regelbaren Drossel und die zweite Vakuumpumpe ein Drehkolbengebläse oder eine Wasserringpumpe ist, daß die zweite Vakuumpumpe in eine Vakuumleitung parallel zu einer Auslaßleitung der ersten Vakuumpumpe geschaltet und mit ihrem Eingang an einer Abzweigung mit der Auslaßleitung verbunden ist und daß strömungsmäßig hinter der Abzweigung in der Vakuumleitung und der Auslaßleitung jeweils ein Steuerteil zum Lenken des Fördervolumens bei höheren Drücken von der ersten Vakuumpumpe unmittelbar oder bei geringeren Drücken von der ersten Vakuumpumpe über die zweite Vakuumpumpe zum Auslaß des Vakuum-Pumpstandes angeordnet ist.

[0005] Der Einsatz eines Radialgebläses als erste Vakuumpumpe wurde bislang von der Fachwelt immer dann verworfen, wenn die Ansaugzustände für das Radialgebläse stark schwanken. Beispielsweise müssen bei Vakuum-Swing-Anlagen Adsorber zyklisch von einem absoluten Druck von jeweils etwa 1000 mbar auf etwa 300 mbar evakuiert werden. Die Energieaufnahme von Radialgebläsen ist bei 1000 mbar Ansaugzustand um den Faktor 3,9 höher als zum Beispiel bei einem Ansaugzustand von 600 mbar. Von 600 mbar an bis ca. 100 mbar ist das Saugvermögen von Radialgebläsen bei Ausnutzung des max. Druckverhältnisses nahezu konstant, die Energieaufnahme ist jedoch um den Wert der differenzdruckabhängigen, volumetrischen Verluste bei vergleichbaren Drehkolbengebläsen geringer. Radialgebläse haben aufgrund ihrer hohen Drehzahl von ca. 11.000 min^-1 und mehr, kaum Gasrückströmung und dadurch einen volumetrischen Wirkungsgrad von nahezu 1. Bei gleichem Saugvermögen zwischen einem Radialgebläse und einem Drehkolbengebläse ist somit die Energieaufnahme bei vergleichbarem Differenzdruck zwischen Einlaß und Auslaß bei Radialgebläsen deutlich geringer. Dies bedeutet, daß bei einem Druck an der Ansaugseite von 600 mbar 18 % und bei einem Ansaugdruck von 300 mbar 23 % weniger Energieaufnahme unter Ausnutzung des maximalen Kompressionsverhältnisses bei diesen Betriebszuständen erreicht wird.

[0006] Gemäß der Erfindung ergibt sich dadurch eine Energieeinsparung, daß durch die regelbare Drossel das Saugvermögen des Radialgebläses bei maximalem Druckverhältnis in jedem Ansaugzustand konstant gehalten wird. Dieses Drosseln zwischen einem Atmosphärendruck von 1000 mbar auf 600 mbar so lange, bis durch das Absaugen ein absoluter Druck von 600 mbar saugseitig erreicht ist, bedingt natürlich einen relativ hohen Energieverlust im Vergleich zu einem Drehkolbengebläse, bei dem eine solche Drosselung unnötig ist. Überraschenderweise konnte jedoch für den zyklischen Betrieb, bei dem relativ rasch hintereinander von Normaldruck auf einen Betriebsunterdruck abgesaugt werden muß, festgestellt werden, daß durch den besonders wirtschaftlichen Betrieb, der sich durch die Kombination eines Radialgebläses mit einem Drehkolbengebläse bei Saugdrücken kleiner 600 mbar ergibt, dieser anfängliche höhere Energiebedarf mehr als kompensiert wird, so daß es insgesamt zu einer Energieersparnis kommt, wenn man die Verrohrung so vornimmt, wie das im Anspruch 1 gekennzeichnet wurde. Diese ermöglicht es nämlich, beim Starten des Pumpstandes mit dem Drehkolbengebläse den Pumpenstrang mit dem Radialgebläse zu evakuieren.

[0007] Die zweite Pumpstufe oder weitere Pumpstufen sind erfindungsgemäß deshalb als Drehkolbengebläse ausgeführt, weil ein im Vergleich als zweite Stufe ausgeführtes Radialgebläse mit einem Ansaugdruck zwischen 1000 mbar bis 600 mbar arbeiten müßte und somit immer im energetisch ungünstigen Arbeitsbereich für Radialgebläse liegen würde.

[0008] Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Pumpstand ist auch, daß sich mit im Handel derzeit erhältlichen Vakuumpumpen maximale Saugleistungen von über 90.000 m³/h erreichen lassen und daß die Herstellungskosten geringer sind als die vergleichbarer Pumpstände.

[0009] Wenn die erste und zweite Vakuumpumpe so geschaltet sind, daß sie ausschließlich hintereinander und nicht parallel arbeiten, dann kann die Steuerung der Volumenströme zwangsläufig erfolgen, ohne daß hierzu die Steuerteile motorisch betätigt werden müssen, so daß die Verlegung von Steuerleitungen unnötig wird, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Steuerteil in der Auslaßleitung als eine zum Auslaß des Vakuum-Pumpstandes hin öffnende Rückschlagklappe und das Steuerteil in der Vakuumleitung als eine zum Einlaß der zweiten Pumpstufe hin öffnende Rückschlagklappe ausgebildet ist.

[0010] Bei der der ersten Vakuumpumpe vorgeschalteten regelbaren Drossel könnte es sich um einen üblichen Drallregler handeln. Die Drossel vermag jedoch zugleich die Leitung, in der sie angeordnet ist, abzusperren, so daß beim Anfahren ein Evakuieren des Pumpenstranges mit dem Radialgebläse ohne Anordnung eines zusätzlichen Absperrorgans möglich wird, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung die der ersten Vakuumpumpe vorgeschaltete, regelbare Drossel ein motorisch betätigbares und bis in Schließstellung bewegbares Klappenventil ist. Ein solches Klappenventil ermöglicht es, große Querschnitte rasch zu verändern, so daß eine trägheitsarme Regelung möglich wird.

[0011] Beim Anfahren und während Leerlaufphasen kann das die zweite Pumpenstufe bildende Drehkolbengebläse besonders verlustarm weiterlaufen, wenn die zweite Vakuumpumpe einen ihre Auslaßseite und Einlaßseite miteinander verbindenden Bypass mit einem motorisch betätigbaren Sperrventil hat.

[0012] Wenn zu Beginn des Absaugens in dem abzusaugenden Behälter Normaldruck herrscht, dann ist es vorteilhaft, daß zu Beginn des Abpumpens beide Vakuumpumpen parallel zueinander arbeiten können, weil dann möglichst rasch das notwendige Gasvolumen abgesaugt werden kann. Das läßt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß von der den Auslaß der ersten Vakuumpumpe mit dem Einlaß der zweiten Vakuumpumpe verbindenden Vakuumleitung eine Saugleitung zur Ansaugleitung der ersten Vakuumpumpe strömungsmäßig bis vor die Drossel führt und das Steuerteil motorisch gesteuert ist.

[0013] Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt einen Schaltplan eines Pumpstandes nach der Erfindung.

[0014] Die Zeichnung zeigt schematisch einen leerzupumpenden Behälter 1, von dem eine Ansaugleitung 2 zu einem Einlaß 3 einer ersten Vakuumpumpe 4 führt. Diese erste Vakuumpumpe 4 ist erfindungsgemäß als Radialgebläse (Turboverdichter) ausgebildet. Um diesem ein wirtschaftliches Arbeiten bei Ansaugdrücken zwischen 600 mbar und 1000 mbar im Behälter 1 zu ermöglichen, ist in die Ansaugleitung 2 eine regelbare Drossel 5 geschaltet. Diese wird auf nicht gezeigte, jedoch für den Fachmann übliche Weise mit Hilfe von zwei Drucksensoren 20, 21 so geregelt, daß am Einlaß 3 der ersten Vakuumpumpe 4 immer ein Ansaugdruck von nicht über 600 mbar herrscht, solange der Druck im Behälter 1 höher ist.

[0015] Die erste Vakuumpumpe 4 hat einen Auslaß 6, von dem eine Auslaßleitung 7 zu einem Pulsationsdämpfer 8 und damit über einen Schalldämpfer 9 zu einem Auslaß 10 des Vakuum-Pumpstandes führt.

[0016] Die Auslaßleitung 7 ist an einer Abzweigung 11 mit einer parallel zu ihr verlaufenden Vakuumleitung 12 verbunden, die ebenfalls in den Pulsationsdämpfer 8 führt und in die eine zweite Vakuumpumpe 13 geschaltet ist. Bei dieser zweiten Vakuumpumpe 13, welche die zweite Pumpstufe bildet, handelt es sich erfindungsgemäß um ein Drehkolbengebläse (Rootspumpe) oder um eine Wasserringpumpe.

[0017] Vom Auslaß 6 der ersten Vakuumpumpe 4 aus gesehen ist hinter der Abzweigung 11 in der Auslaßleitung 7 und der Vakuumleitung 12 jeweils ein Steuerteil 14 bzw. 15 angeordnet, bei dem es sich in beiden Fällen um eine Rückschlagklappe handelt. Dabei öffnet die Rückschlagklappe des Steuerteils 14 zur zweiten Vakuumpumpe 13 und die Rückschlagklappe des Steuerteils 15 zum Pulsationsdämpfer 8 hin.

[0018] Der zweiten Vakuumpumpe 13 ist ein Bypass 16 mit einem Sperrventil 17 zugeordnet. Dieser Bypass 16 vermag ihren Ausgang mit der Vakuumleitung 12 zu verbinden und ermöglicht es deshalb, daß die zweite Vakuumpumpe 13 kurzgeschlossen und deshalb mit geringem Energiebedarf im Leerlauf unter atmosphärishem Druck arbeiten kann. Die Vakuumleitung 12 erlaubt es, beim Anfahren mit der zweiten Vakuumpumpe 13 bei geschlossener Drossel 5 die erste Vakuumpumpe 4 und die entsprechenden Leitungen zu evakuieren. Dadurch kann die als Radialgebläse ausgebildete Vakuumpumpe 4 im Leerlauf ohne Saugvermögen und Druckdifferenz im Unterdruck bei minimalster Energieaufnahme arbeiten.

[0019] Von der Vakuumleitung 12 kann eine strichpunktiert dargestellte Saugleitung 18 zur Ansaugleitung 2 vor die Drossel 5 führen. In diese Saugleitung 18 ist eine Rückschlagklappe 19 geschaltet, welche zur zweiten Vakuumpumpe 13 hin öffnet. Eine solche Saugleitung 18 ermöglicht einen Parallelbetrieb der ersten und zweiten Vakuumpumpe 4, 13, was vorteilhaft ist, wenn zu Beginn der Absaugphase aus dem Behälter 1 ein großes Volumen abgesaugt werden muß, insbesondere wenn dann in ihm Normaldruck herrscht. Voraussetzung für einen solchen Parallelbetrieb ist, daß das Steuerteil 14 motorisch betätigbar ist, so daß es nicht infolge des von der zweiten Vakuumpumpe 13 erzeugten Unterdrucks von selbst öffnet, weil dann die zweite Vakuumpumpe 13 an beiden Seiten der ersten Vakuumpumpe 4 ansaugen würde.

[0020] Wenn schon zu Beginn des Absaugens des Behälters 1 in diesem ein relativ geringer Druck herrscht, beispielsweise 700 mbar, dann kann man zur Vereinfachung des Pumpstandes auf diese Saugleitung 18 verzichten.

[0021] Zu Beginn des Absaugens des Behälters 1 arbeiten die erste Vakuumpumpe 4 und die zweite Vakuumpumpe 13 parallel zueinander, so daß über die Ansaugleitung 2 und die Saugleitung 18 Gas über den Pulsationsdämpfer 8 zum Auslaß 10 gefördert wird. Wenn die von der ersten Vakuumpumpe 4 geförderte Gasmenge kleiner wird als das von der zweiten Vakuumpumpe 13 mögliche Fördervolumen, dann saugt die zweite Vakuumpumpe 13 über die Vakuumleitung 12 den am Auslaß 6 der ersten Vakuumpumpe 13 anfallenden Volumenstrom ab.

Bezugszeichenliste

[0022] 

1

Behälter

2

Ansaugleitung

3

Einlaß

4

erste Vakuumpumpe

5

regelbare Drossel

6

Auslaß

7

Auslaßleitung

8

Pulsationsdämpfer

9

Schalldämpfer

10

Auslaß

11

Abzweigung

12

Vakuumleitung

13

zweite Vakuumpumpe

14

Steuerteil

15

Steuerteil

16

Bypass

17

Sperrventil

18

Saugleitung

19

Rückschlagklappe

20

Drucksensor

21

Drucksensor

Ansprüche

1. Vakuum-Pumpstand zum zyklischen Abpumpen eines Behälters und zum Aufrechterhalten eines Betriebsvakuums in dem Behälter, welcher zum Abpumpen des Behälters eine erste und zweite Vakuumpumpe hat, welche hintereinander angeordnet sind und eine erste und eine zweite Pumpstufe bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vakuumpumpe (4) ein Radialgebläse mit einer in ihre Ansaugleitung (2) geschalteten, regelbaren Drossel (5) und die zweite Vakuumpumpe (13) ein Drehkolbengebläse oder eine Wasserringpumpe ist, daß die zweite Vakuumpumpe (13) in eine Vakuumleitung (12) parallel zu einer Auslaßleitung (7) der ersten Vakuumpumpe (4) geschaltet und mit ihrem Eingang an einer Abzweigung (11) mit der Auslaßleitung (7) verbunden ist und daß strömungsmäßig hinter der Abzweigung (11) in der Vakuumleitung (12) und der Auslaßleitung (7) jeweils ein Steuerteil (14, 15) zum Lenken des Fördervolumens bei höheren Drücken von der ersten Vakuumpumpe (4) unmittelbar oder bei geringeren Drücken von der ersten Vakuumpumpe (4) über die zweite Vakuumpumpe (13) zum Auslaß (10) des Vakuum-Pumpstandes angeordnet ist.

2. Vakuum-Pumpstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerteil (15) in der Auslaßleitung (7) als eine zum Auslaß (10) des Vakuum-Pumpstandes hin öffnende Rückschlagklappe und das Steuerteil (14) in der Vakuumleitung (12) als eine zum Einlaß der zweiten Pumpstufe (13) hin öffnende Rückschlagklappe ausgebildet ist.

3. Vakuum-Pumpstand nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Vakuumpumpe (4) vorgeschaltete, regelbare Drossel (5) ein motorisch betätigbares und bis in Schließstellung bewegbares Klappenventil ist.

4. Vakuum-Pumpstand nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vakuumpumpe (13) einen ihre Auslaßseite und Einlaßseite miteinander verbindenden Bypass (16) mit einem motorisch betätigbaren Sperrventil (17) hat.

5. Vakuum-Pumpstand nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der den Auslaß der ersten Vakuumpumpe (4) mit dem Einlaß der zweiten Vakuumpumpe (13) verbindenden Vakuumleitung (12) eine Saugleitung (18) zur Ansaugleitung (2) der ersten Vakuumpumpe (4) strömungsmäßig bis vor die Drossel (5) führt und das Steuerteil (14) motorisch gesteuert ist.

Zeichnung