Wkład technicznyOd ciśnienia atmosferycznego do próżni
Bez względu na to, czy chodzi o przemysł spożywczy, farmaceutyczny, chemiczny, inżynierię procesową, obróbkę metali czy przemysł motoryzacyjny: w wielu gałęziach przemysłu najróżniejsze procesy produkcyjne wymagają warunków gazowych o ciśnieniu znacznie niższym od ciśnienia atmosferycznego. ciśnienie -700 mbar (300 mbar abs.) uważa się za podciśnienie. Poniżej 300 mbar abs. rozpoczyna się zakres próżni, podzielony na próżnię niską, średnią, wysoką i bardzo wysoką (patrz tabela).
W instalacjach można ekonomicznie osiągnąć próżnię niską, średnią i wysoką przy zastosowaniu tak zwanych zestawów pompujących. Próżniowe zestawy pompujące pracują co najmniej dwustopniowo. Pompy wspomagające i dmuchawy wyporowe współpracują ze sobą. Firma Aerzener Maschinenfabrik GmbH, producent dmuchaw wyporowych od 1868 roku, od 1940 roku produkuje również specjalne dmuchawy wyporowe do wytwarzania próżni. Tym samym AERZEN jest jednym z pionierów tej technologii. Dziś firma jest wiodącym na świecie producentem szerokiej gamy dmuchaw podciśnieniowych i próżniowych. Swój sukces zawdzięcza kompetencjom technicznym, wysokiej precyzji produkcji, ciągłemu rozwojowi, doświadczonej kadrze i nieustającemu, intensywnemu dialogowi z klientami. Do wytwarzania podciśnienia do 500 mbar abs. Firma AERZEN dostarcza dmuchawy wyporowe serii Delta Blower G5. Nowo zaprojektowana seria sprężarek rotacyjnych lobowych Delta Hybrid generuje nawet podciśnienie do 300 mbar abs. Podciśnienie do 500 mbar abs. lub do 300 mbar abs. osiąga się już w urządzeniu jednostopniowym.
Wspólna praca pompy wspomagającej i próżniowej dmuchawy wyporowej
Jednakże podciśnienie poniżej 300 mbar abs. można osiągnąć jedynie dwustopniowo, w tak zwanym zestawie pompującym, poprzez łączne zastosowanie pompy wspomagającej wraz z próżniową dmuchawą wyporową. W ten sposób bezpiecznie osiągany jest wymagany przez operatora przepływ objętościowy, tzw. punkt pracy. W pierwszym etapie pompa wspomagająca redukuje ciśnienie czynnika znajdującego się w zbiorniku lub pomieszczeniu do podciśnienia wstępnego wynoszącego np. 200 mbar abs. Następnie, w drugim etapie, uruchamia się próżniowa dmuchawa wyporowa, która w wyniku ciągłej wspólnej pracy z pompą wspomagającą pozwala uzyskać wymaganą próżnię końcową lub wymagany przepływ objętościowy. Przyszły operator instalacji próżniowej (np. huta stali w Chinach) wskazuje producentowi zestawu pompowego (np. niemieckiemu producentowi instalacji) wszystkie istotne parametry wymaganej instalacji:
- Wielkość pomieszczenia lub zbiornika do opróżnienia,
- Maksymalne wymagane podciśnienie (tzw. punkt pracy) lub wymagany przepływ objętościowy i
- Maksymalny możliwy czas pompowania.
Następnie producent zestawu pompującego wspólnie z firmą AERZEN wybiera odpowiednią pompę wspomagającą i odpowiednią dmuchawę próżniową.
Intensywna współpraca
Jako możliwe do użycia w tym systemie pompy wspomagające, w zależności od zastosowania, wykorzystuje się pompy próżniowe z pierścieniem wodnym, smarowane olejem obrotowe pompy łopatkowe lub sterowane pompy kłowe do gazów obojętnych. W przypadku zastosowań w przemyśle chemicznym, wymagających szczególnie wysokiej jakości, do odprowadzania gazów procesowych konieczne mogą okazać się drogie śrubowe pompy próżniowe. Jako specjalista z wieloletnim doświadczeniem, firma AERZEN dysponuje obszerną dokumentacją eksploatacyjną wszystkich systemów pomp wspomagających i może wesprzeć radą producenta zestawu pompującego w zakresie doboru optymalnego systemu pomp wspomagających oraz, w ścisłej współpracy z nim, dobrać optymalną próżniową dmuchawę wyporową AERZEN. Aby spełnić parametry wymagane przez operatora zestawu pompującego, pompa wspomagająca i dmuchawy próżniowe AERZEN muszą być do siebie optymalnie dopasowane energetycznie i termicznie.
Rysunek 1 przedstawia obliczenia teoretyczne dla wspólnego działania pompy wspomagającej (linia pomarańczowa) i dmuchawy próżniowej AERZEN serii GMa (linia zielona) jako rozwiązania dwustopniowego. Jednak w celu skrócenia czasu pompowania możliwe są również rozwiązania wieloetapowe, z jedną pompą wspomagającą i kilkoma pracującymi kolejno dmuchawami próżniowymi. Na osi x przedstawiono zakresy ciśnień pompy wspomagającej i dmuchawy próżniowej, na osi y natomiast przepływy objętościowe. Przede wszystkim w tym przykładzie pompa wspomagająca uruchamia się sama. Po osiągnięciu podciśnienia 200 mbar (abs) załącza się dmuchawa próżniowa AERZEN. Do punktu pracy przy ciśnieniu 1 mbar zielona krzywa znacznie się podnosi. W punkcie pracy natężenie przepływu kombinacji wynosi ok. 1750 m³/h. Dwa wyraźnie widoczne w tych teoretycznych obliczeniach zakresy krytycznego ciśnienia termodynamicznego można skorygować poprzez zmodyfikowanie parametrów w programie projektowym tak, aby wybrana w tym przykładzie kombinacja pompy wspomagającej i dmuchawy próżniowej AERZEN zapewniła wymagany punkt pracy, w tym przykładzie 1 mbar, i mogła z powodzeniem pracować w tej kombinacji.
W oparciu o tę procedurę, przestrzegając ograniczeń termodynamicznych i stosując najlepszą możliwą kombinację pompy wspomagającej i dmuchawy próżniowej, producent zestawu pompującego i firma AERZEN spełniają parametry zestawu pompującego określone przez użytkownika. Firma AERZEN oferuje...
do zakresu próżni od 300 do 10 mbar
- Dmuchawy próżniowe z chłodzeniem wstępnym serii ... mHV,
do zakresu próżni od 200 do 10-3 mbar (0,001 mbar)
- Dmuchawy próżniowe serii HV,
do zakresu próżni od 200 do 10-5 mbar (0,00001 mbar)
- Dmuchawy próżniowe z obudowanym napędem serii CM i HM.
Optymalny dobór właściwej kombinacji pompy wspomagającej i dmuchawy próżniowej gwarantuje opłacalny zestaw pompujący oraz długoterminową i ekonomiczną pracę przy najwyższej efektywności energetycznej.
Dmuchawy próżniowe z chłodzeniem wstępnym (zakres podciśnienia 300 do 10 mbar)
Firma AERZEN dostarcza dmuchawy próżniowe z chłodzeniem wstępnym (tzw. dmuchawy z wlotem wstępnym) serii mHV w 11 rozmiarach dla teoretycznych nominalnych strumieni objętości dolotowej od 250 do 61 000 m³/h. Ich maksymalna dopuszczalna różnica ciśnień zależy od obciążenia termodynamicznego. Dmuchawy z dolotem wstępnym są stosowane głównie w zakresie próżni niskiej i podciśnienia jako pompy wspomagające lub jako generatory podciśnienia względem ciśnienia atmosferycznego, do osiągnięcia wysokich różnic ciśnień w urządzeniach jednostopniowych oraz przy wysokich stosunkach sprężania w zakresie próżni niskiej do p2/p1 = 5. Dmuchawy z dolotem wstępnym serii mHV są stosowane przeważnie do zapewnienia ciągłej pracy bez problemów z przegrzaniem. W tym celu powietrze atmosferyczne lub już schłodzony gaz wprowadza się do agregatu po stronie tłocznej bez dodatkowego zaworu, regulatorów itp. poprzez trzeci kanał wlotowy. W przypadku stosowania schłodzonego gazu, jest on wcześniej schładzany w chłodnicy gazu/powietrza lub chłodnicy gazu/wody zainstalowanej pomiędzy pompą wspomagającą a dmuchawą z dolotem wstępnym. Kołnierze obudowy dmuchaw z dolotem wstępnym są wyposażone w O-ringi, a smarowanie rozbryzgowe zapewnia zasilanie olejem smarnym dmuchaw próżniowych z chłodzeniem wstępnym. Dmuchawy napędzane są poprzez bezpośrednio sprzężony silnik lub przekładnię zębatą czołową, a w przypadku ograniczonej różnicy ciśnień poprzez wąski pasek klinowy. Komora tłoczna jest uszczelniona za pomocą kombinowanych uszczelnień labiryntowych z pierścieniem rozpryskowym i pierścieniem tłokowym, natomiast wał napędowy jest uszczelniony podwójnymi promieniowymi pierścieniami uszczelniającymi z barierą olejową.
Dmuchawy próżniowe do zakresu niskiej próżni od 200 do 10-3 mbar
Dmuchawy chłodzone powietrzem serii HV dla zakresu próżni od 200 do 10-3 mbar są dostępne w 12 rozmiarach dla teoretycznych nominalnych przepływów objętości dolotowej od 180 do 97 000 m³/h (prędkości obrotowe od 3000 do 3600 obr/min). W konstrukcji GMa pracują one z pionowym kierunkiem przepływu, natomiast konstrukcja GLa z poziomym kierunkiem przepływu, co umożliwia zaprojektowanie urządzenia o wyjątkowo kompaktowych wymiarach. Obydwa typy konstrukcji znajdują zastosowanie m.in. w procesie powlekania, w inżynierii chemicznej i procesowej, w przemyśle metalurgicznym i opakowaniowym, w centralnych instalacjach próżniowych, w systemach sprężania helu i detekcji wycieków helu, przy produkcji lamp, świetlików rurowych, urządzeń solarnych oraz w branży motoryzacyjnej. Do szczególnych zastosowań można użyć specjalne uszczelnienia do dmuchaw chłodzonych powietrzem i smarowanych rozbryzgowo oraz do specjalnych wariantów materiałowych, np.: do części odlewanych
i tłoków obrotowych.
Dzięki standardowemu napędowi z silnikami o konstrukcji IE 3 dmuchawy pracują z najwyższą efektywnością energetyczną i mogą być używane na wielu rynkach – m.in. także w USA, Kanadzie i Rosji. Ponadto nadają się do pracy z przetwornicą częstotliwości. Silniki są podłączone kołnierzowo, bezpośrednio do dmuchaw. Specjalne uszczelnienie labiryntowe z pierścieniem rozpryskowym i pierścieniem tłokowym zapobiega przedostawaniu się oleju z komór łożyskowych do komory tłocznej. Dodatkowo zainstalowana jest duża komora neutralna z kanałami do odprowadzania kondensatu. Aby uzyskać lepszy efekt oczyszczania, komorę neutralną można przepłukać gazem uszczelniającym. Cechą wyjątkową dmuchaw próżniowych serii HV jest to, że mogą być opcjonalnie produkowane zgodnie z wymogami ATEX 94/9/WE. Oferują one odporność na wartości szczytowe ciśnienia wybuchu do 13 bar, działają bez regulacji obejścia i są jedynymi dmuchawami próżniowymi dopuszczonymi do strefy 0 (wewnątrz) i do klasy temperaturowej T4 (na zewnątrz). W celu zwiększenia bezpieczeństwa procesu możliwa jest opcja monitorowania poniżej 50 mbar.
Dmuchawy z obudowanym napędem do zakresu wysokiej próżni od 200 do 10-5 mbar
Dmuchawy AERZEN z napędem w obudowie serii CM (do gazów agresywnych) i HM (do gazów obojętnych), przeznaczone do pracy ciągłej, umożliwiają wyjątkowo krótkie czasy pompowania i są stosowane w przemysłowej technologii wysokiej próżni w zakresie próżni od 200 do 10-5 mbar. Dmuchawy te pracują z hermetycznym napędem, ponieważ wał napędowy jest połączony ze zintegrowanym, obudowanym silnikiem, bez kontaktu z atmosferą. W wyniku niemal podwojenia prędkości obrotowej i uzyskania wartości od 6000 do 7200 obr./min przy tej samej wielkości, wykonywane są bardzo krótkie cykle pompowania, mierzone w sekundach, co prowadzi do znacznego przyspieszenia procesów produkcyjnych dla operatora. Nawet jeśli w celu dalszego zwiększenia wydajności w zestawie pompującym zostaną zintegrowane dwie pompy wspomagające i jedna dmuchawa z obudowanym silnikiem, cała jednostka nadal wyróżnia się szczególnie kompaktową konstrukcją – co jest szczególną zaletą w przypadku systemów wielopompowych z licznymi zestawami pompującymi. Dostępne są dmuchawy firmy AERZEN z obudowanym napędem
w wykonaniu CM dla gazów korozyjnych
- w 14 rozmiarach do teoretycznych nominalnych strumieni dolotowych powietrza od 110 do 15 340 m³/h.
w wykonaniu HM dla gazów obojętnych
- w 9 rozmiarach do teoretycznych nominalnych strumieni dolotowych powietrza od 406 do 15 570 m³/h.
Systemy te stosowane są do wytwarzania próżni przemysłowej, na przykład w inżynierii chemicznej i procesowej, przy powlekaniu folii i szkła, do usuwania wodoru, w systemach wykrywania nieszczelności helu oraz we wszystkich sytuacjach, w których należy bezwzględnie unikać wycieków. Ponadto dmuchawy te znajdują zastosowanie w przemyśle półprzewodników, w mikroelektronice, przy produkcji płaskich ekranów, w technologii laserowej i technologii słonecznej. Dmuchawy mogą dostarczać strumień gazu w obu kierunkach – pionowym i poziomym. Ze względu na standardowe chłodzenie wodą nadają się do stosowania w warunkach pomieszczeń czystych. Wyjątkowa odporność mechaniczna (do 230 mbar) skraca czas pompowania. Zastosowanie przetwornicy częstotliwości umożliwia duży zakres regulacji (1:5), a co za tym idzie, zastosowanie dmuchaw w mniejszych rozmiarach. Dzięki różnym wariantom silników do pracy sieciowej, cyklicznej i ciągłej zawsze można znaleźć indywidualne rozwiązanie, nawet do zastosowań specjalnych.
Podsumowanie
Nie ma gotowych rozwiązań dla optymalnie zaprojektowanego zestawu pompującego do wytwarzania próżni, gdyż parametry pracy pompy wspomagającej i próżniowej dmuchawy wyporowej muszą być do siebie optymalnie dopasowane. Tylko wtedy zestaw pompujący osiągnie wymagane przez operatora parametry i zadany punkt pracy. Dlatego optymalne rozwiązanie można wypracować jedynie w oparciu o rzeczowe doradztwo firmy AERZEN, jako dostawcy wymaganej dmuchawy próżniowej, oraz współpracę z producentem zestawu pompującego, który kupuje pompę wspomagającą i dmuchawę próżniową od dostawców zewnętrznych. Dzięki rozbudowanemu oprogramowaniu firma AERZEN sprawdza kombinację pomp składającą się z pompy wspomagającej i dmuchawy próżniowej AERZEN, zaplanowanej lub określonej przez producenta zestawu pompującego. „Przykładamy szczególną wagę do unikania krytycznych zakresów ciśnienia termodynamicznego i zapewniania najlepszych energetycznie współczynników poszczególnych stopni. W przypadku firmy AERZEN obowiązuje zasada „nie tylko doradzamy producentowi zestawu pompującego w zakresie zastosowania próżni procesowej, ale także w zakresie projektowania całej kombinacji zestawu pompującego”.
Autor: Norbert Barlmeyer, dziennikarz wyspecjalizowany w technologii sprężonego powietrza, Bielefeld