Pulsationsdämpfer

Lösungen für bekannte Probleme

Warum Pulsationsdämpfer ?

Druckpulsation in Rohrleitungen erzeugen Vibrationen und zerstören Bauteile und Geräte. Oszillierende Verdrängerpumpen fördern pulsierend. Ab einer bestimmten Größe sind die Pulsationen nicht mehr zu tolerieren, da ihre Auswirkungen ernst zu nehmende Schäden verursachen. Es entstehen übermäßige Rohrleitungsvibrationen und hohe Lärmpegel.

Pulsationsdämpfer schützen Instrumente, wie Manometer und Durchflussmesser, sorgen für Betriebssicherheit und erhöhen die Genauigkeit.

Pulsationsdämpfer erzielen eine gleichmäßige Strömung, glätten pulsierenden Förderstrom. Für Mischdosierungen und Spritzverfahren ist ein gleichförmiger Förderstrom besonders wichtig.

Pulsationsdämpfer vergrößern den Pumpenwirkungsgrad, ermöglichen höheren Durchsatz bei gegebener Pumpenbaugröße.

Pulsationsdämpfer verhindern Kavitation. Saugseitig installierte Dämpfer reduzieren effektiv Beschleunigungsverluste bei niedrigen NPSH – Werten.

Pulsationsdämpfer vermindern Verschleiß und Defekte an Pumpen und Getrieben, verlängern die Lebensdauer und reduzieren Stillstandszeiten.

SAIP Pulsationsdämpfer werden exakt berechnet und dimensioniert. Sie reduzieren die Restpulsation auf ein vorher bestimmbares Maß. Unter Berücksichtigung der Pumpenbauart, Drehzahl, Fördermenge und erlaubter Restpulsation legen wir die Pulsationsdämpfer individuell aus. Eine große Anzahl von standardisierten Größen erlaubt eine rasche Anpassung an das benötigte Gasvolumen.

 

Was sind Pulsationsdämpfer ?

Pulsationsdämpfer sind Druckbehälter aus geeigneten Werkstoffen mit einer kompatiblen Membrane, die ein Gaspolster vom Förderfluid trennt. Das Gaspolster ist aufgrund der Kompressibilität in der Lage Druckpulsation abzuschwächen und auszugleichen.

Pulsationsdämpfer werden druckseitig oder saugseitig unmittelbar in der Nähe der Pumpen installiert. Alle Rohrteile zwischen Pumpe und Pulsationsdämpfer bleiben ungedämpft, und tragen zu Rohrleitungsschwingungen und Vibrationen bei.

 

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Theoretische Aspekte der Pulsation

Der pulsierende Förderstrom von Verdrängerpumpen ist kein neues Phänomen. Erschütterungen, Vibrationen und Rohrleitungsschläge sind so alt wie die Pumpenanlagen selber.

Der Unterschied zu modernen Installationen besteht in den möglichen Folgen, wenn Pulsation unbeachtet bleibt. Der Industrie bleibt wenig Spielraum für Stillstandszeiten, Produktverlust oder Qualitätsminderung.

 

Betriebe die mit Verdrängerpumpen und Pumpenanlagen arbeiten, sind mit vielen Pulsationssymptomen vertraut. Erschütterungen, Vibrationen, Leckagen, zusammen mit schwankenden Anzeigen an Durchflussmessern und Manometern gehören zu den auffälligen Anzeichen.

Weniger transparent sind allerdings die dabei entstehenden betrieblichen Probleme wie ungleichmäßige und ungenaue Produktmischung bei Dosierabläufen oder ungleichmäßiger Auftrag bei Spritzverfahren.

 

Derartige Anlagenprobleme können in verschiedene Kategorien unterteilt werden:

Zunächst gibt es Probleme mit Rohrleitungen und Verbindungen unter extremen Umständen in Form von Ermüdungsrissen.

Sie treten eher in Verbindung mit Mehrkopfpumpen auf, bei denen die Pulsationsfrequenz generell höher ist. In Verbindung damit kann es zum Platzen von Dichtungen und zu Leckagen an Verbindungen kommen.

Bei vielen Installationen wurde Rohrleitungsproblemen u.U. keine große Bedeutung beigemessen – leckende Verbindungen sind leider nicht so selten – Gesundheits-, Umwelt- und Sicherheitsaspekte lassen ein Übersehen heute nicht mehr zu.

Bauteilausfälle treten auf durch wiederholte Belastung aufgrund von hohen Druckstößen.

Der primäre Kandidat ist die Pumpe selbst – Probleme entstehen gewöhnlich an den Ventilen, Dichtungen und Lagern.

 

Es kann auch bis zum Riss des Pumpengehäuses führen. Durchflussmesser und Manometer sind sehr pulsationsempfindlich, Filter und Filterelemente werden negativ beeinträchtigt.

Dies führt nicht nur zu Stillstandszeiten sondern auch zu vermeidbaren Ersatzteilkosten.

 

Durch Spitzendruckpulsation werden Überströmventile und Berstscheiben sowie andere Bauteile unnötig hoch belastet und bedingen somit nicht notwendige erhöhte Betriebskosten.

In vielen Fällen werden Bauteile der nächst höheren Druckstufe eingesetzt, um einen Ausfall zu vermeiden.

Ein pulsierendes Fließen kann die Produktqualität in verschiedener Weise beeinträchtigen: Dosierungen und Mischungen sind nicht ausreichend genau möglich, Spritzbeschichtungen werden ungleichmäßig durch Pulsation.

 

Ungenaue Mengenerfassungen wirken sich in vielen Fällen kostspielig aus.

Bei Wasseraufbereitungen oder ähnlichen Anwendungen mit hochvolumiger Dosierung können Mehrkosten für das dosierte Produkt im Falle einer Überdosierung sehr hoch sein.

Die Qualität des Endproduktes wird durch fehlerhafte Dosierung ebenfalls negativ beeinträchtigt. Diese Pulsationsprobleme stellen sich auf der Druckseite des Systems ein, jedoch auch saugseitige Probleme lassen sich mit Pulsationsdämpfern lösen.

Da Energie benötigt wird, um die Flüssigkeitssäule zu beschleunigen, geht ein Teil der verfügbaren Druckhöhe verloren. Ist der NPSHA-Wert nahe dem NPSHR-Wert, sind die Beschleunigungsverluste häufig hoch genug, um eine unzureichende NPSHA- Situation zu bewirken.

Die daraus resultierende saugseitige Kavitation fügt Pumpen und Anlagen schwere Schäden zu. Ein saugseitiger Pulsationsdämpfer oder Saugstromstabilisator sorgt hier für Abhilfe.

Die vereinfachte Schlagworterklärung lautet “Beschleunigung“. Zahlreiche verschiedene Typen von Verdrängerpumpen unterschiedlicher Bauarten sind in Gebrauch.

Für Dosier-, Mess-, Misch- und Hochdruckanwendungen sind Kurbelwellen getriebene Pumpen mit 1 bis 5 Kolben eingesetzt. Hochdruck-Mehrkolbenpumpen für Prozessanwendungen, peristaltische Pumpen, Membranpumpen jeder Art – sie alle gleichen sich dadurch, dass sich die Fließgeschwindigkeit des Fördergutes während eines Hubes ändert.

 

Die Betrachtung eines gesamten Zyklus beispielsweise einer einfach wirkenden Einkolbenpumpe ergibt folgenden Verlauf:

Während des vollen 180° Ansaughubes wird Fluid in die Pumpe gefördert, währenddessen an der Druckseite der Pumpe keinerlei Fluid verdrängt wird. Die Ausflussrate druckseitig ist daher null.
Passiert der Kolben (die Membrane) den unteren Totpunkt des Ansaughubes beginnt der Förderhub. Fluid wird in die Druckleitung verdrängt.

 

Somit wird die, bis dahin stationär ruhende druckseitige Flüssigkeitssäule bewegt, d.h. beschleunigt und erreicht ihre maximale Geschwindigkeit auf halber Förderhubstrecke. Nach diesem Punkt wird die Flüssigkeitssäule wieder langsamer und kommt – theoretisch am Ende des Förderhubes zum Stillstand, 180° nachdem ihre Bewegung einsetzte. In der Praxis bewegt sich auf Grund des Trägheitsmomentes das Fluid noch etwas weiter.

 

Die eigentliche Ursache für Spitzendruckpulsation an der Pumpe ist der “extra Druck“, der über dem “normalen“ Pumpenförderdruck hinaus erforderlich ist, um die Flüssigkeitssäule auf maximale Fließgeschwindigkeit zu beschleunigen (halbe Förderhubstrecke).

In diesem Zusammenhang entspricht “normal“ dem Anlagengegendruck plus den Reibungsverlusten für gleichmäßige Strömung.

Nur bei wenigen Pumpen werden Beschleunigungsverluste – die korrekte Bezeichnung für den “extra Druck“ – einkalkuliert, obwohl diese bei langen Rohrleitungen sehr hoch sein können.

In manchen Fällen kann der Wert doppelt so hoch sein wie der Betriebsdruck der Pumpe. Der Beschleunigungsdruck verursacht die schädlichen Spitzendrücke und Geräusche in Pumpennähe.

Vibrationen sind allerdings auf die Trägheit der Flüssigkeitssäule beim Stoppen und Starten im Einklang mit der Kolbenbewegung zurück zu führen. Während des Saughubes ist die Fördersäule stationär, während des Förderhubes wird sie beschleunigt.

 

Es muss jedoch immer in Betracht gezogen werden, dass Strömungsschwankungen durch Verdrängerpumpen von unterschiedlichen Faktoren abhängig sind, sie sind eine Funktion von:

Anzahl der Kolben, Pleuelkonstruktion, Pumpendesign, Ventildesign, Pumpengeschwindigkeit, Fluideigenschaften, Betriebsbedingung und Rohrleitungssystem.

 

Es ist nicht die Pumpe allein, die verantwortlich ist für Pulsation, es sind das Fluid und die Rohrleitungen.

In der sehr unglücklichen Situation von akustischen und mechanischen Resonanzen mit der Rohrleitung kann es zu unangenehmen und deutlich wahrnehmbaren Auswirkungen kommen

Eine Lösung bei schädlichen Pulsationen ist die Installation eines Flüssigkeitsspeichers hinter dem Druckstutzen der Pumpe bzw. vor dem Saugstutzen.

Diese Puffer nehmen bei jedem Pumpenhub eine Teilmenge Fluid auf, um sie dann beim nächsten Hub in die Druckleitung oder saugseitig in die Pumpe zu verdrängen.

So werden Spitzendruckpulsationen verhindert, da die Flüssigkeitssäule ständig in Bewegung gehalten wird. Saugseitig wird durch das Nachströmen Kavitation vermieden.

Eine einfache Form dieser Speicher ist ein Gefäß, in das Luft unter atmosphärischem Druck eingeschlossen wird, die dann als kompressibler Puffer wirkt.

Diese Lösung hat sich in der Vergangenheit in einigen Anlagen bewährt, ist jedoch auf geringen Gegendruck limitiert.

Außerdem löst sich die Luft in kurzer Zeit in dem Fluid, so dass das Luftkissen häufig erneuert werden muss.

Oft ist auch gelöste Luft oder Stickstoff in der Prozessflüssigkeit unerwünscht. Schon bei geringen Betriebsdrücken von nur einigen bar ist bereits ein recht großvolumiger Speicher (Windkessel) nötig.

Die Entwicklung der speziell konstruierten Membran Pulsationsdämpfer hat eine Vielzahl von technischen Variationen hervorgebracht.

Sie sind inzwischen extrem verbreitet und anerkannte Bauteile der Pumpenanlagen.

Es werden für die Fluide geeignete Membranen angeboten, die das Fluid vom Gaspolster trennen. Blasenmembranen aus Elastomeren, Membranen aus PTFE oder auch Metallfaltenbälge erfüllen nahezu alle Ansprüche, die auch von den Pumpen erfüllt werden.

Die unterschiedlichen Bauformen erlauben einfachste Konstruktionen, die auf T-Stücken in die Anlage integriert werden oder aber gut zu reinigende durchströmbare Designs für hohe Pulsationsfrequenzen oder CIP / SIP Anwendungen.