Volumetrischer Fördergrad verdoppelt: Pumpenkopf überarbeitet

Der M900-Pumpenkopf hat eine hydraulisch angetriebene Membran aus reinem PTFE sowie einen Membranhalter aus Edelstahl, der für den universellen Einsatz konzipiert ist und auf allen Ecoflow-Pumpen sowie bei mittleren Förderströmen auf Prozesspumpen des Unternehmens Lewa eingesetzt wird. Der bisherige M900-Membranpumpenkopf für Kolbengrößen von 5 bis 12 mm verfügte jedoch auf den LDB- und LDC-Triebwerken mit der kleinsten Sandwichmembran des Herstellers bei hohen Förderdrücken mit Kolben der Durchmesser 5 und 6 mm nur über einen vergleichsweise geringen volumetrischen Fördergrad. „Der Grund dafür ist der Schadraum im Pumpenkopf“, erklärt Moritz Mildner, RD-Engineer. „Als Schadraum wird dasjenige Volumen bezeichnet, das beim Betrieb der Pumpe mit jedem Pumpenhub komprimiert wird. Hierzu zählen der Hydraulik- und der Fluidarbeitsraum.“

Die Annahme, Flüssigkeiten seien inkompressibel, gilt nur für geringe Drücke. In diesem Fall ist zu berücksichtigen, dass die Reduktion des Volumens für Wasser und Hydrauliköl bei 100 bar zwar nur circa 1 % beträgt, bei 400 bar aufgrund der Druckabhängigkeit der Kompressibilitäten jedoch auf das etwa Zehnfache steigt. „Die Fluide werden beim Druckaufbau in der Pumpe bis zum Erreichen des Förderdrucks verdichtet“, erläutert Mildner. „Die Folge ist eine Verringerung des verdrängten Volumens in Höhe der Volumenreduktion, die bei der Komprimierung der Fluide entsteht.“ Das Verhältnis von verdrängtem Volumen zum idealen, theoretischen Hubvolumen wird als Fördergrad bezeichnet. Sinkt der Fördergrad einer Pumpe, sinken ebenso ihre Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit.

Aus diesem Grund hatte der Anbieter den Einsatz der bisherigen M900-Pumpenköpfe auf 100 beziehungsweise 150 bar begrenzt. Stattdessen wurden für Anwendungen mit kleinem Volumenstrom (weniger als 1 l/h) und einem Förderdruck zwischen 150 und 400 bar M200-Pumpenköpfe mit Metallmembran verwendet. „Diese Modelle verfügen allerdings nicht über einige wesentliche Vorteile des M900 wie einen niedrigeren Mindestsaugflanschdruck oder eine robustere Hydraulik aufgrund der Membranfeder“, berichtet Mildner.

Um die Vorteile der M900-Technik auch in höheren Druckbereichen nutzen zu können, entschied sich das Unternehmen, den Pumpenkopf für diese Anwendungen zu überarbeiten. Da die Auslegung des bisherigen Pumpenkopfs auf dem 12-mm-Kolben basiert und im Vergleich zu den beiden kleinen Kolben (Durchmesser 5 mm und 6 mm) das vierfache Hubvolumen beziehungsweise 4,8-fache Hubvolumen sowie entsprechend größere Strömungsgeschwindigkeiten des Förder- und Hydraulikfluids innerhalb der Bauteile berücksichtigt, musste der Hersteller umfangreiche Anpassungen vornehmen. „Durch die Konstruktion eines eigens für die kleinen Kolbengrößen optimierten Membranpumpenkörpers und Membranantriebsgehäuses konnten die Strömungswege in der Hydraulik, der Einbauraum der Membranfeder, die Membrankalotte sowie die druck- und saugseitigen Fluidbohrungen verkleinert werden“, berichtet Mildner. Durch die geometrische Optimierung wurde der Schadraum im Pumpenkopf fluidseitig um ungefähr 51 % und hydraulikseitig um etwa 22 % reduziert. Dies entspricht einer gesamten Schadraumeinsparung von 37 %.

Im Rahmen der Überarbeitung stellte die Kalotte bei Weitem die größte Herausforderung dar. Für ihre Optimierung wurde zunächst die tatsächliche Membranbewegung mittels Lasermesstechnik untersucht. Hierfür fertigte das Unternehmen einen speziellen Pumpenkopf an, der den Blick auf die normalerweise nicht einsehbare Membran in verbautem Zustand ermöglicht. „Relevant für die Tiefe der Kalotte war dabei die Position der Membran und des Membranhalters in der vorderen Endlage“, erklärt Mildner. „Daher wurde die Membrankontur mit der Hilfe von zwei Lasern abgetastet.“

Dabei wurde der eine Laser zur Bestimmung der aktuellen Höhe der verfahrbaren Messeinrichtung verwendet und der zweite für die Auslenkung der Sandwichmembran. Auf diese Weise wurde die Mittelebene vollständig vermessen für die Kolbengrößen 5 mm und 6 mm sowie unterschiedliche Hubfrequenzen. Auf Basis der Hüllkurven, die aus den Punktewolken generierten wurden, gelang es, den Fluidarbeitsraum im Membranpumpenkörper auf die tatsächliche Membranbewegung geometrisch anzupassen.

Anschließend führte das Forschungs- und Entwicklungsteam eine Reihe von Versuchen zur Validierung des neuen Pumpenkopfes durch. Dabei wurden die wesentlichen Funktionen der Hydraulik (Gasaustragung, Schnüffelfunktion und Druckbegrenzung) überprüft und der Fördergrad über das Kennfeld des Membranpumpenkopfs ermittelt. Beim maximalen Druck von 400 bar erreichte das System mit Prozesswasser einen Fördergrad von 40,2 %für den Kolben mit 5 mm und 56,3 % für den Kolben mit 6 mm Durchmesser. Diese Werte lagen beim vorherigen Membranpumpenkopf noch bei 19,9 beziehungsweise 39,0 %. Der neue M900 eignet sich somit nun für den Einsatz mit den Ecoflow-Pumpen LDB und LDC bei kleinen Volumenströmen und bis zu 400 bar Förderdruck.