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Apr 24, 2024

Optimierter Pumpenkopf für LEWA Ecoflow-Pumpen verdoppelt den volumetrischen Wirkungsgrad

Die geometrische Optimierung der M900 reduzierte das Totvolumen im Pumpenkopf auf der Flüssigkeitsseite um rund 51 Prozent und auf der Hydraulikseite um rund 22 Prozent. Dies entspricht einem Gesamtspiel

Die geometrische Optimierung der M900 reduzierte das Totvolumen im Pumpenkopf auf der Flüssigkeitsseite um rund 51 Prozent und auf der Hydraulikseite um rund 22 Prozent. Dies entspricht einer Gesamteinsparung des Clearance-Volumens von 37 Prozent. Das Spielvolumen am hinteren Totpunkt des Kolbens ist in der Abbildung in Orange (Flüssigkeit) und Blau (Hydraulik) dargestellt. (Bildquelle: LEWA GmbH)

Der LEWA M900 ist ein Pumpenkopf mit einer hydraulisch betätigten Membran aus reinem PTFE und einem Membranhalter aus Edelstahl. Es ist universell einsetzbar und wird auf allen LEWA Ecoflow Pumpen sowie auf LEWA Prozesspumpen für mittlere Fördermengen eingesetzt. Der Pumpenkopf hat eine ganze Reihe von Vorteilen. Es ist nicht nur hermetisch dicht, so dass ein Austreten von Förderflüssigkeit oder Hydrauliköl ausgeschlossen ist, sondern zeichnet sich auch durch eine hohe Dosiergenauigkeit, ein optimales Saugvermögen durch die Membranfeder und eine sehr lange Membranlebensdauer aus.

Niedriger volumetrischer Wirkungsgrad bei Drücken > 150 bar Der bisherige M900-Membranpumpenkopf für Kolbengrößen von 5–12 mm hatte bei den LDB- und LDC-Antriebseinheiten mit der kleinsten LEWA-Sandwichmembran bei hohen Förderdrücken mit Kolbendurchmessern von 5 und 6 mm einen vergleichsweise geringen volumetrischen Wirkungsgrad. „Der Grund dafür ist das Totvolumen im Pumpenkopf“, sagt Moritz Mildner, RD Engineer bei LEWA. „‚Totvolumen‘ ist das Volumen, das bei jedem Pumpenhub während des Pumpenbetriebs komprimiert wird. Es umfasst den hydraulischen und den Flüssigkeitsarbeitsraum.“ Die Annahme, dass Flüssigkeiten inkompressibel sind, gilt nur für niedrige Drücke. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Volumenreduzierung bei Wasser und Hydrauliköl bei 100 bar zwar nur etwa ein Prozent beträgt, bei 400 bar jedoch aufgrund der Druckabhängigkeit der Kompressibilitäten auf etwa das 10-fache ansteigt. „Während sich der Druck in der Pumpe aufbaut, werden die Flüssigkeiten komprimiert, bis der Förderdruck erreicht ist“, erklärt Mildner. „Das Ergebnis ist eine Verringerung des verdrängten Volumens, die der Volumenverringerung entspricht, die auftritt, wenn die Flüssigkeiten komprimiert werden.“ Das Verhältnis des verdrängten Volumens zum idealen, theoretischen Verdrängungsvolumen wird als volumetrischer Wirkungsgrad bezeichnet. Sinkt der volumetrische Wirkungsgrad einer Pumpe, sinken auch deren Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit.

Aus diesem Grund beschränkte LEWA den Einsatz der bisherigen M900-Pumpenköpfe auf 100 bzw. 150 bar. Stattdessen wurden M200-Pumpenköpfe mit Metallmembranen für Anwendungen mit geringer Durchflussrate (< 1 l/h) und einem Förderdruck zwischen 150 und 400 bar eingesetzt. „Allerdings verfügen diese Modelle nicht über einige entscheidende Vorteile des M900, wie zum Beispiel einen geringeren Mindestsaugflanschdruck oder eine robustere Hydraulik aufgrund der Membranfeder“, erklärte Mildner.

Angepasster Pumpenkopf mit deutlich reduziertem Totvolumen Um die Vorteile der M900-Technologie auch in höheren Druckbereichen nutzen zu können, hat sich LEWA entschieden, den Pumpenkopf für solche Anwendungen neu zu konzipieren. Denn die Konstruktion des bisherigen Pumpenkopfes basierte auf dem 12-mm-Kolben und berücksichtigte im Vergleich zu den beiden kleinen Kolben (Durchmesser 5 und 6 mm) das 4-fache bzw. 4,8-fache des Hubvolumens sowie ein entsprechend größeres Strömungsgeschwindigkeiten der Förder- und Hydraulikflüssigkeit innerhalb der Komponenten mussten umfangreiche Anpassungen vorgenommen werden. „Durch die Konstruktion eines speziell für die kleinen Kolbengrößen optimierten Membrankörpers und Membranantriebs konnten wir die Strömungswege in der Hydraulik, den Bauraum der Membranfeder, der Membrankalotte und die Fluidbohrungen am Druck- und Saugrohr reduzieren Seiten", sagte Mildner. Durch die geometrische Optimierung reduzierte sich das Totvolumen im Pumpenkopf auf der Fluidseite um rund 51 Prozent und auf der Hydraulikseite um rund 22 Prozent. Dies entspricht einer Gesamteinsparung des Clearance-Volumens von 37 Prozent.

Im Rahmen der Revision stellte die Kalotte die mit Abstand größte Herausforderung dar. Zur Optimierung wurde zunächst die tatsächliche Membranbewegung mittels Lasermesstechnik untersucht. Zu diesem Zweck fertigte LEWA einen speziellen Pumpenkopf, der im eingebauten Zustand den Blick auf die normalerweise unsichtbare Membran ermöglicht. „Die Position des Diaphragmas und des Diaphragmahalters in der vorderen Endposition waren für die Tiefe der Kalotte relevant“, erklärte Mildner. „Deshalb wurde die Zwerchfellkontur mit Hilfe zweier Laser abgetastet.“ Ein Laser diente zur Bestimmung der aktuellen Höhe des beweglichen Messgeräts und der zweite zur Auslenkung der Sandwichmembran. Auf diese Weise wurde die Mittelebene für die Kolbengrößen 5 mm und 6 mm und unterschiedliche Hubfrequenzen vollständig vermessen. Anhand der aus den Punktwolken generierten Hüllkurven konnte der Fluidarbeitsraum im Membrankörper geometrisch an die tatsächliche Membranbewegung angepasst werden.

Deutliche Steigerung der volumetrischen Effizienz Anschließend führte das Forschungs- und Entwicklungsteam eine Reihe von Tests durch, um den neuen Pumpenkopf zu validieren. Die wesentlichen Funktionen der Hydraulik – Gasableitung, Schnüffelfunktion und Druckbegrenzung – wurden überprüft und der volumetrische Wirkungsgrad über das Kennfeld des Membranpumpenkopfes ermittelt. Bei einem maximalen Druck von 400 bar wurde mit Prozesswasser ein volumetrischer Wirkungsgrad von 40,2 Prozent für den Kolben mit 5 mm Durchmesser und 56,3 Prozent für den Kolben mit 6 mm Durchmesser erreicht. Beim bisherigen Membranpumpenkopf lagen diese Werte bei 19,9 bzw. 39,0 Prozent. Damit eignet sich die neue M900 optimal für den Einsatz mit den Ecoflow-Pumpen LDB und LDC bei geringen Fördermengen und bis zu 400 bar Förderdruck.

Quelle: LEWA GmbH