Technische bijdrageVan atmosferische druk tot vacuüm
Of het nu in de levensmiddelen-, farmaceutische of chemische industrie, procestechnologie, metaalverwerking of automobielindustrie is: in vele industriebranches vereisen de meest verschillende productieprocessen gascondities met een druk die aanzienlijk lager is dan atmosferische druk. Een druk van -700 mbar (300 mbar abs.) wordt beschouwd als onderdruk. Onder 300 mbar absoluut begint het vacuümbereik, onderverdeeld in grof, fijn, hoog en ultrahoog vacuüm (zie kaart).
Voor een installatie kan het grof, fijn en hoogvacuüm op een economisch rendabele wijze worden bereikt als er zogenaamde pompsets worden gebruikt. Deze vacuümpompsets werken met minstens twee trappen. Voorpompen en draaizuigerblowers werken samen. Aerzener Maschinenfabrik GmbH, fabrikant van draaizuigerblowers sinds 1868, produceert sinds 1940 ook speciale draaizuigerblowers voor vacuümopwekking. AERZEN is dus niet slechts een van de pioniers van deze technologie. Vandaag de dag is het bedrijf hierin een wereldleider met een breed assortiment draaizuiger- en vacuümblowers. Dit succes is gebaseerd op technische competentie, fabricage met hoge precisie, permanente ontwikkelingen, ervaren medewerkers en een continue, intensieve dialoog met de klanten. Voor een onderdruk tot 500 mbar abs. levert AERZEN draaizuigerblowers van de serie Delta Blower G5. De nieuw ontwikkelde draaizuigercompressoren van de serie Delta Hybrid genereren zelfs onderdrukken tot 300 mbar absoluut. Onderdrukken tot 500 mbar abs. of tot 300 mbar abs. worden reeds in één trap bereikt.
Interaction of backing pump and vacuum positive displacement blower
Onderdrukken onder 300 mbar abs. kunnen echter alleen verkregen worden door een dubbele trap in een zogenaamde pompset door het gecombineerde gebruik van een voorpomp en een vacuümdraaizuigerblower. Zo wordt de gewenste volumestroom van de exploitant, het zogenaamde bedrijfspunt, veilig bereikt. In de eerste trap vermindert de voorpomp de druk van het medium dat zich in een reservoir of ruimte bevindt tot een voorvacuüm van bijv. 200 mbar abs. Hierna start de vacuümdraaizuigerblower als tweede trap en bereikt, dankzij de voortgezette gezamenlijke werking met de voorpomp, het vereiste eindvacuüm of de vereiste volumestroom. De toekomstige exploitant van de vacuüminstallatie (bijv. een staalfabriek in China) geeft aan de fabrikant van de pompset (bijv. een Duitse installatiebouwer) alle essentiële parameters op voor de vereiste installatie:
- De afmeting van de ruimte of het reservoir dat vacuümgepompt moet worden.
- Het maximum vereiste vacuüm (het zogenaamde bedrijfspunt) of de vereiste volumestroom en
- De maximaal mogelijke pomptijd.
Hierna selecteert de fabrikant van de pompset samen met AERZEN de geschikte voorpomp en de geschikte vacuümblower.
Intensive cooperation
Als mogelijk voorpompsysteem worden, afhankelijk van de toepassing, waterringvacuümpompen, oliegesmeerde draaischuifpompen of regelbare klauwenpompen voor neutrale gassen gebruikt. Voor bijzondere, hoogkwalitatieve toepassingen in de chemische industrie, waarbij procesgassen worden afgevoerd, kunnen dure schroefvacuümpompen nodig zijn. Als specialist met vele jaren ervaring heeft AERZEN uitgebreide documenten over rendementen van alle voorpompsystemen en adviseert het bedrijf de fabrikant van de pompset bij de selectie van het optimale voorpompsysteem en selecteert, in nauwe samenwerking, de optimale AERZEN vacuümdraaizuigerblower. Om te voldoen aan de parameters die de exploitant van de pompset vereist, worden de voorpomp en AERZEN vacuümblowers energetisch en thermisch optimaal op elkaar afgestemd.
Afbeelding 1 toont in een theoretische berekening de interactie van de voorpomp (oranje lijn) en een AERZEN GMa vacuümblower (groene lijn) als een dubbeltrapsoplossing. Om de pomptijd te verminderen zijn echter ook meertrapsoplossingen mogelijk met één voorpomp en verschillende, opeenvolgend werkende vacuümblowers. Op de x-as worden de drukbereiken van de voorpomp en vacuümblower getoond, op de y-as de volumestromen. In dit voorbeeld start de voorpomp alleen. Wanneer een vacuüm van 200 mbar abs. bereikt is, start de AERZEN vacuümblower. Tot het bedrijfspunt van 1 mbar stijgt de groene lijn aanzienlijk. Bij het bedrijfspunt is de volumestroom van de combinatie ongeveer 1.750 m³/h. De twee thermisch kritische drukbereiken in deze theoretische berekening kunnen gecorrigeerd worden door gewijzigde parameters in het ontwerpprogramma, zodat de combinatie van voorpomp en AERZEN vacuümblower die voor dit voorbeeld geselecteerd werd, het vereiste bedrijfspunt garandeert, in dit voorbeeld 1 mbar, en in deze combinatie succesvol gebruikt kan worden.
Gebaseerd op deze procedure en met inachtname van de thermische limieten en het gebruik van de beste combinatie van voorpomp en vacuümblower, voldoen de fabrikant van de pompset en AERZEN aan de parameters van de pompset aangegeven door de exploitant. AERZEN biedt...
voor het vacuümbereik van 300 tot 10 mbar
- Vacuümblowers met voorinlaatkoeling van de ... mHV-serie,
voor het vacuümbereik van 200 tot 10-3 mbar (0,001 mbar)
- Vacuümblowers van de HV-serie,
voor het vacuümbereik van 200 tot 10-5 mbar (0,00001 mbar)
- Vacuümblowers met busmotoraandrijving (zogenaamde busmotorblowers) van de CM- en HM-series.
De optimale selectie van de juiste combinatie van voorpomp en vacuümblower garandeert een kostenefficiënte pompset en een duurzame en zuinige werking met de hoogste energiezuinigheid.
Vacuümblowers met voorinlaatkoeling (vacuümbereik 300 tot 10 mbar)
AERZEN levert vacuümblowers met voorinlaatkoeling (zogenaamde voorinlaatblowers) van de mHV-serie in 11 maten voor theoretische nominale aanzuigvolumestromen van 250 tot 61.000 m³/h. Hun maximale toegestane drukverschil is afhankelijk van de corresponderende thermische belasting. Voorinlaatpompen worden hoofdzakelijk gebruikt in grof vacuüm- en onderdrukbereik, als voorpomp of als onderdruktrap tegenover atmosferische druk, om hoge drukverschillen te verkrijgen in één trap, en voor hoge drukverhoudingen in het bereik van grof vacuüm, die oplopen tot p2/p1 = 5. Voorinlaatpompen van de mHV-serie worden bij voorkeur gebruikt om continue werking te verkrijgen zonder oververhittingsproblemen. Daartoe wordt atmosferische lucht of reeds gekoeld gas toegevoerd in het aggregaat op de drukzijde, zonder bijkomende kleppen, regelaars enz., via een derde inlaatkanaal. Bij gebruik van gekoeld gas is dit reeds vooraf gekoeld in een gas-/luchtkoeler of gas-/waterkoeler, die zich bevindt tussen de voorpomp en voorinlaatpomp. De behuizingflenzen van de voorinlaatpompen zijn uitgerust met O-ringborgingen. Een spatsmering regelt de smeerolievoorziening van de vacuümblowers met voorinlaatkoeling. De blowers worden aangedreven via een rechtstreeks gekoppelde motor of een recht tandwiel, in geval van een beperkt drukverschil via een smalle V-riem. De pompkamer wordt afgesloten door gecombineerde spatring-zuigerring-labyrintafdichtingen, de aandrijfas wordt afgesloten door dubbele radiale afdichtringen met een oliebarrière.
Vacuümblowers voor het fijne vacuümbereik van 200 tot 10-3 mbar
De luchtgekoelde blowers van de HVserie voor het vacuümbereik van 200 tot 10-3 mbar zijn beschikbaar in 12 afmetingen voor theoretische nominale aanzuigvolumestromen van 180 tot 97.000 m³/h (snelheden van 3.000 tot 3.600 rpm). Bij de GMa-serie is er sprake van een verticale stroomrichting, terwijl de GLa-serie met horizontale stroomrichting een bijzonder compact ontwerp mogelijk maakt. Beide types constructies worden onder andere gebruikt in het coatingproces, in chemische- en procestechnologie, in de metallurgie en verpakkingsindustrie, in centrale vacuüminstallaties, in heliumcompressie en detectiesystemen van heliumlekken, in de productie van lampen, buizen, zonne-energieapparatuur en in de automobielindustrie. Voor bijzondere toepassingen kunnen speciale afdichtingen worden gebruikt voor luchtgekoelde, spatgesmeerde blowers en speciale materiaalvarianten, bijv. voor gegoten onderdelen en
draaizuigers.
Door hun standaardaandrijving met motoren met bouwwijze IE 3, zijn de blowers extreem energiezuinig en kunnen ze worden gebruikt in vele markten, waaronder in de Verenigde Staten, Canada en Rusland. Ze zijn bovendien geschikt voor werking met een frequentieomvormer. De motoren zijn rechtstreeks aan de blowers geflensd. Een speciale spatring-zuigerring-labyrintafdichting verhindert het binnendringen van olie van de lagerkamers in de pompkamer. Bovendien is een ruim gedimensioneerde neutrale kamer met condensaatkanalen geïnstalleerd. Om een verhoogd spoeleffect te bereiken, kan de neutrale kamer worden gespoeld met afdichtgas. Uniek is dat de vacuümblowers van de HV-serie optioneel kunnen worden geproduceerd volgens ATEX-goedkeuring 94/9/EG. Deze bieden een piekbestendigheid van de explosiedruk tot 13 bar, werken zonder bypassregeling en zijn de enige vacuümblowers die zijn goedgekeurd voor zone 0 (intern) en extern voor temperatuurklasse T4. Voor meer procesveiligheid kan de monitoringsoptie onder 50 mbar uitgeschakeld worden.
Busmotorblowers voor het hoogvacuümbereik van 200 tot 10-5 mbar
De AERZEN busmotorblowers van de CM-serie (voor agressieve gassen) en HM-serie (voor neutrale gassen), die geschikt zijn voor permanent bedrijf, maken bijzonder korte pomptijden mogelijk en worden gebruikt in industriële hoogvacuümtechnologie voor een vacuümbereik van 200 tot 10-5 mbar. Deze blowers werken met een hermetische aandrijving, aangezien de aandrijfas afgedicht is door een geïntegreerde busmotor zonder doorvoer naar de atmosfeer. Door de bijna verdubbeling van de snelheid naar 6.000 tot 7.200 rpm met dezelfde grootte, ontstaan zeer korte pompcycli in het secondenbereik, wat leidt tot een aanzienlijke versnelling van de productieprocessen voor de exploitant. Zelfs indien er, ten behoeve van verdere rendementsverbetering, twee voorpompen en een busmotorblower geïntegreerd worden in een pompset, valt het volledige aggregaat op door een bijzonder compact ontwerp: een bijzonder voordeel voor multisystemen met diverse pompsets. Busmotorblowers gemaakt door AERZEN zijn beschikbaar
in de CM-serie voor corrosieve gassen
- in 14 afmetingen voor theoretische nominale aanzuigvolumestromen van 110 tot 15.340 m³/h.
in de HM-serie voor neutrale gassen
- in 9 afmetingen voor theoretische nominale aanzuigvolumestromen van 406 tot 15.570 m³/h.
Deze systemen worden gebruikt voor de productie van industrieel vacuüm, bijvoorbeeld in chemische- en procestechnologie, in folie- en glascoating, evacuatie van waterstof, in detectiesystemen voor heliumlekken en in situaties waar lekken absoluut moeten vermeden worden. Bovendien worden deze blowers gebruikt in de halfgeleiderindustrie, in de micro-elektronica, in de productie van flatscreens, in lasertechnologie en in zonnetechnologie. De blowers kunnen in beide richtingen werken: verticaal en horizontaal. Dankzij de standaard waterkoeling zijn ze geschikt voor toepassing in cleanrooms. Een uitstekende mechanische weerstand (tot 230 mbar) vermindert de pomptijden. De toepassing van een frequentieomvormer maakt een hoog regelbereik (1:5) en dus het gebruik van kleinere blowermaten mogelijk. Dankzij verschillende motorvarianten voor netwerk-, cyclische en continue bedrijfsmodi, kan altijd een individuele oplossing gevonden worden, zelfs voor speciale toepassingen.
Résumé
Voor het optimale ontwerp van een pompset voor vacuümproductie zijn er geen standaardoplossingen gezien de redementsparameters van de voorpomp en draaizuigerblower optimaal op elkaar moeten afgestemd zijn. Alleen in dit geval zal de pompset voldoen aan de parameters die door de exploitant vereist zijn en aan het vooropgestelde bedrijfspunt. Daarom kan de optimale oplossing alleen worden bereikt door intensieve aanbevelingen van AERZEN als leverancier van de vacuümblower, die samen met de fabrikant van de pompset opgesteld worden, die de voorpomp en de vacuümblower koopt van externe leveranciers. Met uitgebreide software controleert AERZEN de pompcombinatie die bestaat uit de voorpomp en de AERZEN vacuümblower, zoals gepland of aangevraagd door de fabrikant van de pompset. “We besteden veel aandacht aan het vermijden van thermisch kritische drukbereiken en aan het leveren van de energetisch beste gradatieverhoudingen. Voor AERZEN geldt: "wij adviseren niet alleen de fabrikant van de pompset met betrekking tot het proces van vacuümtoepassing, maar ook wat betreft het ontwerp van de volledige pompsetcombinatie”.
Auteur: Norbert Barlmeyer, gespecialiseerd journalist in persluchttechnologie, Bielefeld