Oszillierende Verdrängerpumpen

Diese Art von Pumpen wird für Fördermedien eingesetzt, die ihre Kompressibilität in nicht besonders signifikanter Weise manifestieren.
Das Arbeitsmedium wird von der Maschine periodisch mit über die Zeit hinweg veränderlichem Steuervolumen verarbeitet.
Die Arbeit wird statisch auf die Maschine, auf in Bewegung befindliche Oberflächen übertragen.

Verdrängerpumpen können wie folgt sein:

• oszillierend;
• rotierend.

Dies hängt davon ab, ob die Bewegung von einem mechanischen Organ auf oszillierende oder auf rotierende Weise übertragen wird.

Die Menge des verdrängten Fördermediums hängt von verschiedenen Faktoren ab.
m_t : Theoretische Masse des verdrängten Fördermediums (abhängend vom Volumen der Kammer, in die das Medium eintritt)
λ_v : umetrischer Füllkoeffizient (Füllfaktor), der sich aus dem Verhältnis zwischen der Masse des angesaugten Fördermediums m_a und der theoretischen Masse m_t ergibt
λ_p : Verlustkoeffizient (Verlustfaktor), der sich aus dem Verhältnis zwischen der Masse des Fördermediums auf der Druckseite m_m und angesaugter Masse m_a ergibt

Daher ergibt sich für die endgültige Gewichtsleistung des Fördermediums auf der Druckseite:

η_v efficienza volumetrica, prodotto tra λ_v * λ_p.

Im Allgemeinen handelt es sich bei oszillierenden Verdrängerpumpen um Kolbenpumpen, die auf der Grundlage ihrer Kolbenart klassifiziert werden können:

• Plungerkolben;
• Scheibe oder Membran.

Diese können weiter unterteilt werden in:

• einfach wirkend (ein vollständiger Zyklus umfasst eine Ansaugung und einen Förderstrom);
• doppelt wirkend (im Rahmen eines Zyklus erfolgen abwechselnd zwei Ansaugungen und zwei Förderströme).

Singolo effetto

Doppio effetto

ARBEITSZYKLUS

Nachstehend die Beschreibung des idealen Arbeitzyklus einer oszillierenden Verdrängerpumpe, wobei davon ausgegangen wird, dass innerhalb der Pumpe selbst keinerlei Arten von Verlusten auftreten.

Idealer Arbeitszyklus

Phase 1-2: das Fördermedium wird in die Kammer angesaugt
Phase 2-3: es erfolgt eine sofortige Kompression
Phase 3-4: das Fördermedium wird Richtung Druckleitung geschoben
Phase 4-1: sofortige Ausdehnung (Dekompressionsphase)

In der Realität sieht der Zyklus folgendermaßen aus:

Realer Arbeitszyklus

In der Abbildung ist ersichtlich, dass der reale Zyklus vom idealen aufgrund einiger Erscheinungen, die keinesfalls unberücksichtigt bleiben dürfen, abweicht.

Im Speziellen:

• Während der Ansaug- und Druckphasen fluktuiert das Volumen aufgrund möglicher Austritte/Leckagen zwischen den verschiedenen Mechanikteilen und der nicht unmittelbaren Öffnung/Schließung der Ventile;
• Während der Kompressions- und Expansionsphasen kann ein Druckabfall festgestellt werden, da das Fördermedium – wenn auch nicht wesentlich – seine Kompressibilität manifestiert. Darüber hinaus können sich darin gelöste Gase oder Luftblasen befinden, die zusätzlich zur Kompressibilität des Volumens beitragen;
• Da es sich um eine oszillierende Maschine handelt, ändert sich die Geschwindigkeit des Fördermediums unvermittelt, wodurch kontinuierlich Druckspitzen entstehen.

Für diese Erscheinungen gibt es allerdings Abhilfen:

• Um dem Problem des Vorhandenseins von Luftblasen entgegenzutreten, genügt es, das Fördermedium zu entgasen und die Saugleitungen soweit wie möglich mit Fördermedium gefüllt zu halten;
• Um die Druckabfälle aufgrund der sprunghaften Fördermenge des Mediums möglichst einzugrenzen, werden vor und nach der Pumpe Windkessel vorgesehen, die diese Schwankungen während der Saug-/Druckphase der Pumpe abfangen;
• Maschinen werden mit Gummidichtungen gebaut, die eine bessere Dichtheit und geringere Leckagen sicherstellen.

PROBLEM DER VOLUMENSSCHWANKUNGEN

Wie bereits erwähnt zählt die unregelmäßige Fördermenge zu den Hauptproblemen oszillierender Verdrängerpumpen.
Da sowohl bei Kolben- wie bei Membranpumpen das für den Schub zuständige Organ durch eine sich über die Zeit hinweg ändernde Geschwindigkeit (Vs(t)) gekennzeichnet ist, ist auch die von der Pumpe produzierte unmittelbare Fördermenge (Qis) variabel.

Betrachten wir als einfaches Beispiel eine oszillierende Pumpe mit zylinderförmigem Kolben und gewöhnlichem Kurbelgetriebe.

Die Entwicklung der Fördermenge im Laufe der Zeit entspricht der Form der Grafik der Abbildung a).
Um den Fluss zu regeln und die Zeiten, während der die Fördermenge auf Null sinkt, vollkommen zu vermeiden, ist eine der einfachsten Lösungen die Erhöhung der Kolbenanzahl (Grafik b) und c)) oder gleichermaßen die Steigerung der Wirkung des einzelnen Kolbens (Grafik b), Pumpe mit einem doppelt wirkenden Zylinder).

Verlauf der Fördermenge für ein, zwei, drei Zylinder

Durch die Verwendung einer Pumpe mit mehreren Zylindern oder mit doppelt wirkenden Zylindern werden die auf die Pulsationen eines Pumpsystems zurückzuführenden Probleme verringert.

WINDKESSEL

Zur Regulierung der Fördermenge kann auch auf Windkessel entlang der Ansaug- und der Druckleitung zurückgegriffen werden.
Diese sind zur Hälfte mit dem Arbeitsmedium und zur Hälfte (obere Hälfte) mit einem Gas (häufig Luft) gefüllt.

Windkessel

Mit Bezugnahme auf die Grafiken zum Verlauf der Fördermenge können zwei Phasen während des Kolbenzyklus unterschieden werden:

• Übersteigt Qis die durchschnittliche Fördermenge (wie in der Grafik markiert), füllt sich der Behälter;
• Sinkt Q_is unter die durchschnittliche Fördermenge, gibt der Behälter das angesammelte Fördermedium wieder ab.

Auf diese Weise kann die Fördermenge in den Leitungen ziemlich konstant gehalten werden.

Dieser Mechanismus wird durch das im Kessel enthaltene Gas beschleunigt, das durch seine Komprimierung und Ausdehnung die Pulsation des Flüssigkeitsstroms abschwächt.