Optimierter Pumpenkopf für LEWA Ecoflow-Pumpen verdoppelt volumetrischen Fördergrad

Der LEWA M900 ist ein Pumpenkopf mit hydraulisch angetriebener Membran aus reinem PTFE sowie Membranhalter aus Edelstahl, der für den universellen Einsatz konzipiert ist und auf allen LEWA Ecoflow-Pumpen sowie bei mittleren Förderströmen auf LEWA-Prozesspumpen zum Einsatz kommt. Er weist eine ganze Reihe von Vorteilen auf: Er ist nicht nur hermetisch dicht, so dass Leckagen von Förderfluid oder Hydrauliköl ausgeschlossen sind, sondern zeichnet sich unter anderem auch durch eine hohe Dosiergenauigkeit, ein optimales Saugvermögen aufgrund der Membranfeder sowie eine sehr lange Membranlebensdauer aus.

Niedriger Fördergrad bei Drücken > 150 bar
Der bisherige M900-Membranpumpenkopf für Kolbengrößen von 5–12 mm verfügte jedoch auf den LDB- und LDC-Triebwerken mit der kleinsten LEWA-Sandwichmembran 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“, so Moritz Mildner, RD Engineer bei LEWA. „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 ein Prozent beträgt, bei 400 bar aufgrund der Druckabhängigkeit der Kompressibilitäten jedoch auf das etwa 10-fache 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 LEWA den Einsatz der bisherigen M900-Pumpenköpfe auf 100 bzw. 150 bar begrenzt. Stattdessen wurden für Anwendungen mit kleinem Volumenstrom (< 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“, erklärt Mildner.

Angepasster Pumpenkopf mit deutlich verringertem Schadraum
Um die Vorteile der M900-Technik auch in höheren Druckbereichen nutzen zu können, entschied sich LEWA, den Pumpenkopf für diese Anwendungen zu überarbeiten. Da die Auslegung des bisherigen Pumpenkopfes auf dem 12 mm-Kolben basiert und im Vergleich zu den beiden kleinen Kolben (Durchmesser 5 und 6 mm) das 4-fache bzw. 4,8-fache Hubvolumen sowie entsprechend größere Strömungsgeschwindigkeiten des Förder- und Hydraulikfluids innerhalb der Bauteile berücksichtigt, mussten umfangreiche Anpassungen vorgenommen werden. „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“, so Mildner. Durch die geometrische Optimierung wurde der Schadraum im Pumpenkopf fluidseitig um ungefähr 51 Prozent und hydraulikseitig um etwa 22 Prozent reduziert. Dies entspricht einer gesamten Schadraumeinsparung von 37 Prozent.

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 LEWA 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.

Deutliche Erhöhung des Fördergrads
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 Membranpumpenkopfes ermittelt. Beim maximalen Druck von 400 bar konnte mit Prozesswasser ein Fördergrad von 40,2 Prozent für den Kolben mit 5 mm und 56,3 Prozent für den Kolben mit 6 mm Durchmesser erreicht werden. Diese Werte lagen beim vorherigen Membranpumpenkopf noch bei 19,9 bzw. 39,0 Prozent. Der neue M900 eignet sich somit optimal für den Einsatz mit den Ecoflow-Pumpen LDB und LDC bei kleinen Volumenströmen und bis zu 400 bar Förderdruck.