Gasballast:  höherer Enddruck, längere Standzeit

 

Kurzfassung:

Nahezu jede ölgedichtete Vakuumpumpe für den Einsatz gegen Atmosphärendruck wird mit einer Gasballast-Einrichtung ausgestattet. Doch wozu dient der Gasballast überhaupt? Wird dadurch nicht der erreichbare Enddruck erhöht? Und die Vakuumpumpe benötigt auch noch länger für die Evakuierung!

Einige der verschiedenen Einsatzmöglichkeiten des Gasballast sollen in diesem kurzen Artikel dargestellt werden.

Der Gasballast:

Der Gasballast an einer ölgedichteten Vakuumpumpe geht zurück auf eine Erfindung von Prof. Wolfgang Gaede aus dem Jahr 1935 (Single or multi-stage vacuum pump for the conveyance of vapors and gas/vapor mixtures in order to generate low pressures). Die ursprüngliche Intention war die Vermeidung von Kondensation gepumpter Gasdämpfe während der Verdichtungsphase in der Vakuumpumpe. Doch der Gasballast kann noch viel mehr!

Aufbau und Funktion:

Der Gasballast ist eine Einrichtung an ölgedichteten Vakuumpumpen, welche durch ein definiertes Leck während der Kompressionsphase Gas zuführt. Die Zuführöffnung befindet sich meist in der Nähe der Auspuffventile. Die Dimensionierung der Gasballastmenge kann durch verschiedene Optionen variieren oder durch ein Drosselventil angepasst werden. Üblicherweise beträgt die Gasmenge über den Gasballast etwa 10% des Nennsaugvermögens der Vakuumpumpe.

 

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 Abbildung 1: Drehschieberpumpe mit Gasballastöffnung

 

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Abbildung 2: Saugvermögen mit und ohne Gasballast (gestrichelt)

Einsatzmöglichkeiten für den Gasballast:

  1. Aufwärmen der Vakuumpumpe

Ölgedichtete Vakuumpumpen benötigen eine gewisse Betriebstemperatur, um z.B. Gase mit kondensierbaren Dampfanteilen effizient und ohne eigene Kontamination fördern zu können. Bei vielen Vakuumanlagen wird daher direkt nach dem Einschalten der Gasballast an den Vakuumpumpen geöffnet. Selbst wenn keine Evakuierung der Vakuumkammer erfolgt, muss die Vakuumpumpe das durch die Gasballast-Öffnung einströmende Gas verdichten und erwärmt sich durch diese Kompressionsarbeit. Die Vakuumpumpen erreichen mit Gasballast schneller die benötigte Betriebstemperatur.

  1. Förderung kondensierbarer Dämpfe (am Beispiel von Wasserdampf)

Wasserdampf ist eines der häufigsten Gase, welches von Vakuumpumpen gefördert werden muss, teilweise prozessbedingt, teilweise daher, dass Wasserdampf eines der letzten Gase ist, welche im Vakuum durch Desorption von der Oberfläche frei werden.

Betrachten wir eine typische ölgedichtete Vakuumpumpe mit einer Betriebstemperatur von ca. 80°C und einer Wasserdampfverträglichkeit von 10mbar (Angabe im Datenblatt der Vakuumpumpe). Der benötigte Auspuffdruck zum Ausstoßen der geförderten Gase liegt bei 1100mbar absolut.

       a.Betrieb ohne Gasballast

Wir betrachten zunächst, was bei einem Ansaugdruck von 10mbar reinem Wasserdampf ohne Gasballast passiert. In der Vakuumpumpe wird der Wasserdampf komprimiert, bis der Sättigungsdampfdruck von etwa psat,80°C=475mbar erreicht ist. Danach erfolgt keine weitere Druckerhöhung, da der Wasserdampf kondensiert und als Flüssigkeit im Öl verbleibt. Die Folgen sind deutlich schlechterer Enddruck der Vakuumpumpe, höherer Verschleiß durch verminderte Schmiereigenschaften sowie erhöhte Korrosion der Pumpe durch den Wasseranteil im Vakuumpumpenöl.

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Abbildung 3: Wasserdampfdruck in Abhängigkeit von der Oberflächentemperaturb

        b. Betrieb mit Gasballast

Bei einer Standard-Gasballast-Größe strömen etwa 10% des Nennsaugvermögens durch die Gasballast-Öffnung. Zur Veranschaulichung vereinfachen wir dies dadurch, dass der Ansaugdruck der Pumpe nun auch 10% des Atmosphärendrucks beträgt, d.h. pAnsaug=100mbar. Davon sind 10mbar reiner Wasserdampf, sowie maximal weitere 3mbar Wasserdampfanteil aus der Atmosphäre, d.h. in der Vakuumpumpe befinden sich 13mbar Wasserdampf und 87mbar nicht kondensierbare Gase.

Diese 100mbar Anfangsdruck müssen um einen Faktor 11 komprimiert werden, um den Ausstossdruck von 1100mbar zu erreichen. Der Wasserdampfpartialdruck beträgt dann 143mbar (13mbar Wasserdampfanfangsdruck multipliziert mit dem Kompressionsfaktor 11). Dieser Partialdruck liegt deutlich unterhalb des Sättigungsdampfdrucks, d.h. es erfolgt keine Kondensation von Wasser in der Vakuumpumpe, die Dämpfe werden am Auspuff ausgestoßen.

ABER VORSICHT!

Der Sättigungsdampfdruck ist temperaturabhängig. Direkt nach dem Einschalten der Vakuumpumpe weist diese eine Temperatur von etwa 20°C auf, was einem Wasserdampfsättigungsdampfdruck von etwa psat,20°C=24mbar entspricht. Daraus folgt: Kalte Vakuumpumpen können keinen Wasserdampf fördern!

  1. Trocknen der Vakuumpumpe zwischen Prozessphasen bzw. vor dem Ausschalten

Bei vielen Anwendungsprozessen kann kein Gasballast verwendet werden, da sonst der Anlagendruck zu sehr ansteigt. Dadurch kommt es unter Umständen zu einer Kontamination des Vakuumpumpenöls mit Kondensat, im Falle unseres Beispiels mit Wasserdampf. Das Öl nimmt Feuchtigkeit auf.

Wird nun in den Prozesspausen bzw. vor Ausschalten der Vakuumpumpen der Gasballast im „Stand-By“-Betrieb (d.h. keine Evakuierung der Vakuumkammer) geöffnet, passiert folgendes. Durch den in der Vakuumpumpe entstehenden niedrigen Druck verdampft das kondensierte Wasser aus dem Öl. Danach wird mit Luft von außen (siehe Punkt 2) angereichert und wieder verdichtet. Der Wasserdampf kann nicht rekondensieren und wird am Auspuff der Vakuumpumpe ausgestoßen. Dieser Prozess muss allerdings eine Zeitlang laufen, damit das gesamte Öl getrocknet werden kann.

  1. Verdünnung von gefährlichen Gasen im Auspuffbereich

Beschichtungsprozesse werden teilweise reaktiv gefahren, wobei als Reaktionsgas unter anderem reiner Sauerstoff O2 zugesetzt wird. In der Vakuumpumpe wird dieser bei 80°C auf etwa 1100mbar verdichtet, wodurch sich die Verkokung des Vakuumpumpenöls signifikant beschleunigt.

Zur Abhilfe kann über den Gasballast durch Zufuhr von Inertgas die Sauerstoffkonzentration deutlich verringert werden, wodurch das Öl merklich weniger belastet wird.

Neben Sauerstoff O2 können verschiedene andere Gase, teilweise ätzend, explosiv oder auch toxisch zum Einsatz kommen, welche möglicherweise ebenfalls durch Zugabe eines entsprechenden Gasballast-Gases neutralisiert werden können.

Fazit:

Richtig genutzt ist der Gasballast an einer ölgedichteten Vakuumpumpe ein hervorragendes Tool zur Verlängerung der Standzeit bzw. zum Schutz der Vakuumpumpe. Der Nachteil des höheren Enddrucks wird durch die Vorteile der Nutzung im Allgemeinen mehr als kompensiert, besonders da viele Prozesse zyklisch ablaufen und daher den Einsatz des Gasballast zu bestimmten Zeiten erlauben.

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13-07-2021

Wetterabhängigkeit von Vakuumanlagen

Kurzfassung:

Der Sommer kommt, die Temperaturen steigen an. Gewitter liegen in der Luft, die Luftfeuchtigkeit erreicht unangenehme Höchstwerte. Viele Menschen bekommen gerade bei schwülem Wetter, d.h. bei warmer feuchter Luft, Probleme. Menschen ja, aber Vakuumanlagen?

Warum sollte eine Vakuumanlage denn abhängig vom Wetter sein?

Im folgenden Artikel erklären wir die physikalischen Zusammenhänge und zeigen mögliche Abhilfen, Maßnahmen und Einschränkungen auf.

Problem:

Die Betreiber nahezu aller Vakuumanlagen kennen folgendes Phänomen. Mit dem Einzug des Sommers steigen leider nicht nur die Temperaturen, auch die Abpumpzeiten der Vakuumanlagen steigen signifikant an. Der jeweilige Anstieg ist dabei von verschiedenen Faktoren abhängig, zum Beispiel von:

      • der Größe des abzupumpenden Volumens und

      • dem Saugvermögen der Vakuumpumpen,

      • der Temperatur der Vakuumanlage,

      • dem benötigten Betriebsdruck der Vakuumanwendung,

aber besonders auch von

      • Temperatur der Umgebung und

      • Luftfeuchtigkeit.

In diesem Artikel soll die Wetterabhängigkeit erklärt werden, dafür sind hauptsächlich Luftfeuchtigkeit und Temperatur verantwortlich.

Die weiteren genannten Punkte skalieren die auftretenden Probleme in unterschiedlichem Ausmaß:

      • Je mehr Gasvolumen pro Zeiteinheit gefördert wird, desto größer auch der absolute Wasserdampfanteil.

      • Je größer das Saugvermögen einer Vakuumpumpe, desto größer ist im Allgemeinen auch die Wasserdampfverträglichkeit, womit die Probleme erst später oder in geringerem Umfang auftreten.

      • Je niedriger der benötigte Betriebsdruck der Vakuumanwendung ist, desto gravierender sind die Auswirkungen des Wetters auf die Abpumpzeiten.

Physikalischer Hintergrund:

Trockene Luft besteht, vereinfacht, zu etwa 78% aus Stickstoff N2, zu etwa 21% aus Sauerstoff O2 und zu etwa 1% aus verschiedenen Edelgasen, Stickoxiden und Kohlenstoffoxiden. Zusätzlich kann die Luft noch eine gewisse Menge Wasserdampf enthalten, abhängig, von der Luft- bzw. Oberflächentemperatur. Im weiteren wird der thermische Gleichgewichtsfall betrachtet, d.h. Luft- und Oberflächentemperatur sind identisch.

An jeder Wasseroberfläche treten Wassermoleküle vom Wasservolumen in das darüber befindliche Luftvolumen über, das Wasser verdunstet. Die Anzahl der übertretenden Wassermoleküle pro Zeiteinheit ist die Verdunstungsrate, welche hauptsächlich von der Temperatur der Wasseroberfläche bestimmt wird.

Gleichzeitig treffen Wassermoleküle aus dem Luftvolumen auf die Wasseroberfläche und kondensieren dort wieder. Diese Kondensationsrate, d.h. die Anzahl der in das Wasservolumen zurückkehrenden Wassermoleküle pro Zeiteinheit ist nur vom Wasserdampfpartialdruck in der Luft abhängig.

In einem System mit konstanter Temperatur und anfangs trockener Luft stellt sich eine der Oberflächentemperatur entsprechende Verdunstungsrate ein, während die Kondensationsrate zu Beginn Null ist. Durch die ständige Verdunstung steigt die Anzahl der Wassermoleküle in der Luft, d.h. der Wasserdampfpartialdruck steigt und damit auch die Kondensationsrate. Dies geht solange, bis sich das System im Gleichgewicht befindet, d.h. bis Verdunstungsrate und Kondensationsrate gleich groß sind. Die Konzentration der Wassermoleküle in der Luft im Gleichgewicht wird als Sättigungskonzentration bezeichnet.

Mit zunehmender Temperatur steigt die Verdunstungsrate, damit erhöht sich der Wasserdampfpartialdruck in der Luft und die Kondensationsrate steigt ebenfalls, bis sich ein neues Gleichgewicht mit höherer Sättigungskonzentration einstellt. Die Größe der Sättigungskonzentration ist nur von der Temperatur der Wasseroberfläche bestimmt, nicht von der Temperatur der Luft.

Die Größe des Sättigungsdampfdrucks psat,w über einer Wasseroberfläche kann anhand der Magnus-Gleichung im Bereich von -50°C bis +100°C berechnet werden:

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mit dem Sättigungsdampfdruck psat,w in [Pa] und der Temperatur t in [°C].

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Abbildung 1 zeigt den Sättigungsdampfdruck für Wasserdampf über einer Wasseroberfläche.

Die Sättigungskonzentration oder Sättigungsdichte ρsat,wvon Wasserdampf in der Luft entspricht dann der maximalen Menge an Wasserdampf, welche ein Luftvolumen bei einer bestimmten Temperatur aufnehmen kann.

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mit der Sättigungsdichte ρsat,w in [kg/m3], der molaren Masse von Wasser Mw=18,02·10-3 kg/mol, der absoluten Temperatur T in [K] und der universellen Gaskonstante R=8,314 J/(mol·K).

Die Verdunstungsrate des Wassers ist physikalisch durch die Bindungskräfte begrenzt, daher dauern Ausgleichsvorgänge nach Temperaturänderungen relativ lange, weshalb der Wasserdampfanteil der Luft fast immer nur eine Teilsättigung aufweist. Der prozentuale Anteil dieser Teilsättigung an der Vollsättigung wird als relative Luftfeuchtigkeit bezeichnet.

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Abbildung 2 zeigt die Sättigungskonzentration [100%], sowie einige Teilsättigungskonzentrationen für Wasserdampf in der Luft in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur.

Auswirkungen:

Um zu verstehen, welche Auswirkungen die Wasserdampfkonzentration in der Luft auf das Abpumpverhalten von Vakuumanlagen hat, muss bedacht werden, dass dieser Vorgang auch umgekehrt betrachtet werden kann. Warme, gesättigte Luft kondensiert an kälteren Oberflächen, wobei Wärme übertragen wird, bis sich wieder ein Gleichgewicht einstellt. Auf der kälteren Oberfläche hat sich ein ebenfalls kälterer Feuchtigkeitsfilm gebildet. Die Kondensationsrate nimmt langsam ab, bis sich wieder ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat.

Kondensationsvorgänge sind, aufgrund der relativ geringen Wärmekapazität der Luft, schnell, d.h. die Oberflächen reichern sich rasch mit Feuchtigkeit an. Und diese ganze Feuchtigkeit muss während des Abpumpvorgangs wieder entfernt werden.

Zur Verdeutlichung der Unterschiede seien hier zwei Beispielrechnungen für die anfallende Wassermenge in der Luft, einmal für einen Tag im Winter, einmal im Hochsommer.

Für die Wasserdampfsättigungskonzentration gilt:

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Im Winter beträgt die Temperatur t=5°C, damit ist die absolute Temperatur T=278K. Für die Sättigungsdichte ergibt sich damit ein Wert von ρsat,w=6,80 g/m(siehe Abbildung 2).

Im Sommer beträgt die Temperatur t=30°C, die absolute Temperatur ist dann T=303K. Für die Sättigungsdichte ergibt sich damit ein Wert von ρsat,w=30,28 g/m(siehe Abbildung 2).

Unter der Annahme, dass die Oberfläche der Vakuumkammer immer die gleiche Temperatur aufweist, erkennen wir, dass im Sommer die 4,5-fache Menge an Wasserdampf zugeführt wird.

Kommt es zur Kondensation in der Vakuumanlage, verlängert sich die Abpumpzeit sofort signifikant. Vakuumpumpen können nur gasförmige Stoffe fördern, d.h. das gesamte kondensierte Wasser muss wieder in die Dampfphase zurückgeführt werden. Durch die Verdunstung kühlt dabei allerdings die Oberfläche weiter ab, wodurch die Verdunstungsrate noch weiter abnimmt.

Der Druck in der Vakuumkammer sinkt, solange noch Wasser, bzw. Eis vorhanden sind, analog zur Temperatur gemäß Abbildung 1.

Eine andere Variante der Vakuumanlagen sind Kurztaktanlagen, die immer wieder in relativ kurzen Zeitabständen auf Atmosphäre belüften und dann wieder evakuieren. Das geförderte Gasvolumen ist also recht hoch, d.h. es wird im Sommer auch ein deutlich höherer Wasserdampfgehalt gepumpt. Damit kann es zur Kondensation von Wasser sowohl in der Vakuumanlage, aber auch in der Vakuumpumpe kommen, womit der Basisdruck deutlich ansteigt und es zu weiteren Verlängerungen der Abpumpzeit kommen kann.

Abhilfen:

Mögliche Maßnahmen gegen die wetterbedingte Abpumpzeiterhöhung sind zum Beispiel:

      • Erhöhung der Oberflächentemperatur in der Vakuumkammer während der Belüftung,

      • Belüftung mit bereits getrockneter Luft,

      • Einsatz eines Kältegenerators mit Kühlfalle zur Erhöhung des Wasserdampfsaugvermögens (dazu später mehr in einem weiteren Artikel).

Zum Schutz der Vakuumpumpen vor Anreicherung mit kondensiertem Wasser kann der Gasballast eingesetzt werden. Einsatzmöglichkeiten, Einschränkungen und mögliche Limitierungen durch die eingesetzten Vakuumpumpen werden im demnächst folgenden Artikel aufgeführt.

 
 
 
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