Dosierpumpendesigns: Pumpen & Systeme blickt zurück

Bei der Dosierpumpe handelt es sich um ein chemisches Dosiergerät mit positiver Verdrängung, dessen Kapazität je nach Prozessbedingungen variiert werden kann. Die Pumpe ist so konzipiert, dass sie innerhalb eines bestimmten Kapazitätsbereichs eine sehr präzise und wiederholbare Durchflussrate liefert. Die Kapazität kann manuell oder automatisch über ein externes Steuersignal angepasst werden. Es zeichnet sich durch hohe Genauigkeit und Linearität über den gesamten Turndown-Bereich aus, typischerweise 10:1.

Die gebräuchlichsten Pumpentypen basieren auf einem mechanisch angetriebenen, hin- und hergehenden Kolben (kleinere Pumpen verwenden möglicherweise einen Magnetantrieb), der entweder direkt auf die Prozessflüssigkeit einwirkt, wie bei einer Packungskolbenkonstruktion, oder auf eine Hydraulikflüssigkeit wirkt, die a betätigt Diagramm.

Die Membran wiederum verdrängt die Prozesschemikalie in der Förderkammer um einen festen Betrag pro Hub. Das Ergebnis ist eine dosierte Chemikaliendosis, die von Druckänderungen praktisch unbeeinflusst bleibt. Membranpumpen sind praktisch leckagefrei und ersetzen angesichts immer strengerer Umweltvorschriften zunehmend Packungskolbenkonstruktionen. Die Kapazität wird entweder durch Anpassen der Hublänge, wodurch sich die pro Hub gepumpte Flüssigkeitsmenge ändert, oder durch Ändern der Hubgeschwindigkeit variiert. Dadurch verändert sich die Menge der in einem bestimmten Zeitraum abgegebenen Flüssigkeitsdosen. Die Hublänge kann durch einen manuellen Mikrometerknopf oder einen pneumatischen Antrieb variiert werden. Die Hubgeschwindigkeit wird über einen Motor mit variabler Geschwindigkeit eingestellt.

Die Hublänge kann auf verschiedene Weise eingestellt werden, einschließlich hydraulischer Totgang-, mechanischer Totgang- und Polarkurbelantriebe. Der Begriff „Totgang“ bezieht sich auf die Tatsache, dass während eines Teils des Kolbenhubs keine Flüssigkeit verdrängt wird. Der „verlorene“ Teil des Hubs wird variiert, um den gewünschten Durchfluss zu erzielen. Bei einer hydraulischen Totgangpumpe hat der Kolben einen konstanten Hub und wirkt auf die Hydraulikflüssigkeit. Die Kapazität wird durch Öffnen einer hydraulischen Entlüftungsöffnung an einem bestimmten Punkt des Kolbenhubs eingestellt, wodurch Öl aus der Kammer umgeleitet wird. Während dieser Zeit findet keine Arbeit an der Membran statt und es wird keine Prozessflüssigkeit verdrängt. Durch Variation der Position des Bypass-Anschlusses im Hub kann die Pumpenleistung angepasst werden.

Mechanische Totgangpumpen nutzen einen Exzenter oder Nocken mit Schneckenradantrieb, um den Kolben anzutreiben. Eine Mikrometer-Positionierungsschraube begrenzt die Bewegung des Kolbens, während er der Antriebsnocke folgt, indem sie den Kontakt von Kolben und Nocken während eines Teils des Hubs verhindert. Dadurch wird der effektive Kolbenhub verkürzt.

Bei einem Polarkurbelantrieb treibt ein Schneckenradsatz eine Pleuelstange an, die dann am anderen Ende ein Kreuzhaupt antreibt. Eine Mikrometer-Einstellschraube verändert den Winkel der Kurbelbaugruppe und damit den Verfahrweg des Kolbens. Wenn sich die Kurbel in ihrer vertikalen Position befindet, wird keine Hin- und Herbewegung auf den Kolben ausgeübt und der Pumpendurchfluss ist Null. Wenn sich die Kurbel im maximalen Winkel befindet, sind der Kolbenhub und der Pumpendurchfluss maximal.

Totgangpumpen zerhacken den Durchflussimpuls pro Hub, um die Kapazität zu variieren. Dies führt tendenziell zu einem hydraulischen Schlag, da bei jedem Hub plötzlich Hydraulikflüssigkeit umgeleitet wird. Im Gegensatz dazu verringern Polarkurbelantriebe die Amplitude des Impulses und eliminieren den hydraulischen Stoß, der im Allgemeinen bei Totgangpumpen auftritt.

Dosierpumpen mit variabler Drehzahl passen die Kapazität an, indem sie die Drehzahl des Antriebsmotors variieren, was wiederum die Hubgeschwindigkeit der Pumpe variiert, typischerweise bei einer konstanten Hublänge.

Dies wird durch die Verwendung eines AC- oder DC-Motors und einer Steuerung mit variabler Drehzahl erreicht. Normalerweise werden ein Schneckengetriebe und ein Exzenter verwendet, um die Motorgeschwindigkeit zu reduzieren und eine Hin- und Herbewegung zu erzeugen. Eine gängige Praxis besteht darin, einfach einen Motor mit variabler Drehzahl an einer Dosierpumpe mit variablem Hub zu montieren.

Leider liefert dieses Setup nicht die erwartete Leistung. Der maximale Turndown beträgt bei den meisten handelsüblichen Motoren mit variabler Drehzahl normalerweise 10:1 und bestenfalls 30:1. Pumpen, die eine Schneckengetriebeuntersetzung verwenden, erfordern einen Antriebsmotor, der für den niedrigen Drehzahlbereich ausgelegt ist, in dem der Getriebesatz mit geringem Wirkungsgrad arbeitet. Der mechanische Wirkungsgrad des Schneckengetriebes ist bei 175 U/min bis zu einem Drittel niedriger als bei 1.750 U/min (10:1-Turndown). Das Ergebnis sind erhöhte Kosten und Größe des Laufwerks. Darüber hinaus erhöht die schlechte Schmierung bei niedrigen Drehzahlen den Getriebewartungsaufwand.

Um den Regelbereich zu erhöhen und andere Nachteile von Konstruktionen mit variabler Geschwindigkeit zu beseitigen, kombinieren einige Hersteller den Betrieb mit variablem Hub und variabler Geschwindigkeit in einem einzigen System. Dies wird normalerweise dadurch erreicht, dass einfach ein Motor mit variabler Drehzahl an eine Dosierpumpe mit variablem Hub gekoppelt wird. Theoretisch sollte die variable Hubuntergrenze von 10:1 multipliziert mit der variablen Geschwindigkeitsuntergrenze von 10:1 ein Untersetzungsverhältnis von 100:1 ergeben. Die Realität ist jedoch, dass die Nachteile beider Systeme den Turndown auf unter 100:1 begrenzen. Zudem sind solche Pumpen aufwendiger und teurer.

Die oben beschriebenen traditionellen Designs weisen eine Reihe inhärenter Nachteile auf, von denen einige bereits erläutert wurden. Benutzer greifen zunehmend auf vollständig automatisierte Dosiersysteme zurück, die über hochentwickelte Instrumente verfügen, die in Echtzeit überwachen und Informationen nahezu augenblicklich an automatische Prozesskontrollsysteme weiterleiten. Das Steuersystem signalisiert dann den Dosierpumpen, die Durchflussmenge anzupassen. Das Ansprechverhalten und die Genauigkeit der Dosierpumpe sind in der Regel das schwache Glied in solchen Prozesssteuerungssystemen.

Bei herkömmlichen Dosierpumpen kann es mehrere Minuten dauern, bis die korrekten Durchflussraten erreicht sind – eine Verzögerung, die mehrere Größenordnungen langsamer ist als die Reaktion der anderen Systemkomponenten.

Typische Designs haben eine Genauigkeit von nur +/- 1 Prozent. Steuerungssysteme mit geeigneter Instrumentierung können von wesentlich höheren Genauigkeiten im stationären Zustand profitieren.

Fortschrittliche Designs überwinden diese Mängel. Anstatt beispielsweise einfach einen Motor mit variabler Drehzahl an eine Dosierpumpe mit variablem Hub anzuschließen, bieten Hersteller jetzt Konstruktionen an, die Antriebsmotor, mechanischen Antrieb und Flüssigkeitsendtechnologien optimal aufeinander abstimmen.

Das Ergebnis sind Dosierpumpen mit Genauigkeit, Reaktionszeit und Regelverhältnis, die mit automatischen Steuerungssystemen kompatibel sind. Neue Designs mit variabler Drehzahl ersetzen die Schneckengetriebe durch Schrägverzahnungssätze, um einen konstanten Wirkungsgrad über den gesamten Drehzahlbereich der Pumpe zu gewährleisten. Die fortschrittliche bürstenlose Gleichstrommotortechnologie bietet ein Turndown-Verhältnis von 100:1, eine Dauergenauigkeit von +/- 0,5 Prozent und sehr schnelle Reaktionszeiten.

Die Kombination aus automatisierten Steuerungssystemen und schnell reagierenden, hochpräzisen Dosierpumpen ermöglicht es Benutzern, Prozesse für eine optimale Chemikaliendosierung und Prozessqualität genau zu steuern.

George Halfinger war Produktmarketingingenieur bei der Milton Roy Flow Control Division in Ivyland, Pennsylvania. Er war Mitglied des Redaktionsbeirats für Pumps & Systems.