Sensortechnologie Wie sich Pumpen vor Luft und Gas schützen lassen

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Um Pumpen wirksam vor einem Ausfall zu schützen, ist es besonders wichtig, unerwünschte Gaseinschlüsse im Flüssigmedium frühzeitig zu erkennen. Hierbei hilft eine neuartige Sensortechnologie, die Gasblasen detektiert, bevor sie in der Pumpe Schaden anrichten können.

Pumpen sind eine zentrale Komponente um Prozesse in Bewegung zu halten, in denen flüssige Medien verarbeitet werden. Sie kommen fast überall zum Einsatz und halten Industrieprozesse in Gang, bringen Wärme ins Haus und versorgen Maschinen mit Schmierstoff. Um einen reibungslosen Ablauf dieser Prozesse zu garantieren, ist es wichtig, das Trockenlaufen von Pumpen zu vermeiden und Kavitation im Prozess zu erkennen. Denn beides kann zu Beschädigungen oder Ausfällen führen.

Warum Trockenlauf zu Schäden führen kann

Trockenlaufen bedeutet, dass Gasblasen in die Pumpe gelangen und diese nicht wieder verlassen können. Es befindet sich also zu wenig oder keine Flüssigkeit im Pumpengehäuse. Eine Ursache dafür kann die nicht sachgemäße Inbetriebnahme einer Anlage sein – bei leerem Tank oder geschlossener Saugleitung zum Beispiel. Auch die nicht fachgerechte Auslegung einer Pumpe kann Trockenlauf verursachen. Berücksichtigt der Anlagenbauer etwa Höhenunterschiede unzureichend, kann das später zu Problemen im Saugverhalten der Pumpe führen.

Was passiert, wenn Pumpen trocken laufen? Je nachdem wie schnell Gas in den Leitungen erkannt wird und wie hoch das Volumen des Gaseinschlusses ist, können die Auswirkungen unterschiedlich groß sein. Im besten Fall werden Komponenten nur vorübergehend überbeansprucht, im schlechtesten Fall wird die Pumpe zerstört. Trockenlauf kann unter anderem diese Pumpenschäden verursachen:

• Starke Überhitzung der Lager

• Leckage durch zerstörte Dichtungen

• Leistungsverlust, Druckverlust, erhöhte Geräuschentwicklung

• Schwergängigkeit

• Erhöhter Energieverbrauch und aufwendige Wartungsarbeiten

• Vollständige Zerstörung der Pumpe

Blasenbildung durch Kavitation

Von Kavitation (Hohlraumbildung) in Flüssigkeiten spricht man, wenn Gasblasen an schnell drehenden Gegenständen oder in Verengungen entstehen und sich schlagartig wieder auflösen. Das kann häufig an Schiffspropellern und in Pumpen passieren und zu erheblichen Schäden führen, im schlimmsten Fall zum Totalausfall.

Wie entsteht Kavitation und warum schadet sie der Pumpe?

Grund für die Entstehung von Kavitation ist der Bernoulli-Effekt: Je schneller sich eine Flüssigkeit bewegt, desto geringer ihr statischer Druck. An den schnell bewegten Teilen einer Pumpe kann der statische Druck sogar unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit fallen. Ist diese Schwelle unterschritten, bilden sich dort Gasblasen.

Sobald der Umgebungsdruck beim Weiterströmen wieder ansteigt, implodieren die Gasblasen lautstark und verursachen Vibrationen. Die hohen Drücke dieser Implosionen können Laufrad und Pumpengehäuse durch Lochfraß schädigen oder zerstören, wenn sie nicht rechtzeitig abgestellt werden. Kavitation kann nicht nur in der Pumpe vorkommen, sondern auch an Verengungen in den Zuleitungen. Das kann ebenfalls dazu führen, dass Gasblasen in der Pumpe Schaden anrichten.

Wie gelangt Gas in die Pumpe?

Gaseinschlüsse im System können verschiedene Ursachen haben. Zu den häufigsten Gründen zählen:

• Leckagen,

• undichte Stellen durch den Herstellprozess (beispielsweise beim Unterrühren und Mischen von Zutaten und Komponenten),

• Ventile

• das Ausgasen von Medien,

• Lufteinschlüsse im Medium oder

• die oben beschriebene Kavitation.

Je komplexer eine Anlage, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass Gas in Leitungen und Pumpen gerät. Angesichts der Schäden, die oftmals mit Ausfallzeiten und hohe Wartungskosten verbunden sind, wäre es ideal, Gas im System frühzeitig zu erkennen.

Eine sichere Gasblasendetektion würde diese Vorteile bringen:

• Längere Lebensdauer von Pumpen,

• weniger Wartungsarbeiten und Stillstandszeiten,

• höhere Anlagenverfügbarkeit,

• Prozesssicherheit,

• höhere Produktqualität,

• Anlageneffektivität und Prozesseffizienz,

• Kostensenkung und

• Lebensmittelsicherheit bei hygienischen Anwendungen.

Akustikkontrolle als Pumpenschutz

Wie konnten Anlagenbetreiber Pumpen bislang vor schädlichen Gasblasen schützen? In geschlossenen Systemen ohne Möglichkeit der Sichtkontrolle lassen sich Gasblasen nur erahnen. Pumpenschutz beruht deshalb oft auf Akustikkontrolle, sprich auf den Ohren des aufmerksamen Technikers. Gas in einer Pumpe ist meistens schwer zu überhören, da das Gerät plötzlich deutlich lauter läuft.

Seit einigen Jahren gibt es auch eine Sensorlösung zur Leerrohrerkennung. Ein von oben ins Rohr eingelassener Grenzstandschalter wie der Baumer Cleverlevel prüft, ob das Rohr mit einer Flüssigkeit gefüllt ist oder nicht. Diese Methode soll vor allem das Anfahrsignal für die Pumpe liefern, sobald sie kein Gas mehr ziehen kann, sondern nur noch das flüssige Medium.

Neuartiger Sensor erkennt auch kleinste Gasblasen

Für wirksamen Pumpenschutz müssen Gasblasen zuverlässig erkannt werden, bevor sie in das Innere gelangen. Das konnte bisher kein Sensor leisten. Der Baumer Analysesensor PAD20 schließt nun diese Lücke, da er selbst kleinste Gasblasen und Luftblasen im Medium sicher erkennt. Dank seines smarten Sensorprinzips meldet er, sobald die individuell einstellbaren Grenzwerte für Gaseinschlüsse überschritten werden.

Das Sensormessprinzip beruht auf der DK-Wert basierten Detektion (DK = Dielektrizitätskonstanten) von Luft- und Gasblasen in Flüssigkeiten mit einer Mindestleitfähigkeit von DK > 1.5. Der PAD20 erkennt dank ausgefeilter Algorithmen sehr genau, wann Gas und wann eine Flüssigkeit an ihm vorbei strömt. Der Sensor misst unabhängig vom Medium und ist so flexibel einsetzbar. Das Signal „Gasblasen im Medium“ lässt sich nutzen, um die Pumpe abzuschalten oder eine einfache Warnmeldung zu geben.

Definition

Was ist eigentlich eine Axialkolbenpumpe?

Analysesensor PAD20 in der Anwendung

Seinen Ursprung hat der PAD20 in der Lebensmittelindustrie. Das Molkereiunternehmen Sachsenmilch GmbH konnte bei der Herstellung von Fruchtjoghurt die Liefercontainer mit der teuren Fruchtzubereitung jahrelang nicht komplett entleeren. Das Problem: Wenn der Joghurthersteller fast die gesamte Fruchtmischung nutzen wollte, riskierte er immer, dass die Anlage Gas zieht und aufwendig entlüftet werden muss. Daher ließ das Unternehmen beim Containerwechsel immer eine Sicherheitsreserve der teuren Zutat im Behälter.

Baumer entwickelte gemeinsam mit der Sachsenmilch GmbH die Lösung, die heute als PAD20 auf dem Markt ist und auch als Pumpenschutz hervorragend geeignet ist. Bei dem Molkereiunternehmen detektiert der Analysesensor PAD20 Luft-und Gaseinschlüsse in der Rohrleitung, signalisiert somit punktgenau das Leerlaufen der Container und bestimmt den optimalen Zeitpunkt für den Containerwechsel.

Der Nutzen für die Sachsenmilch GmbH lässt sich genau beziffern. Pro Typ und Produktionslinie werden bei der Sachsenmilch GmbH durch das vollständige Entleeren der Transportcontainer bis zu acht Kilogramm Fruchtmischung mehr nutzbar als zuvor. Zudem kann das Unternehmen bis zu 10.000 Becher Joghurt mehr produzieren. Denn der PAD20 verhindert die 15-minütigen Stillstandszeiten, die es früher bei leer gelaufenem Container für Reinigung und anschließende Wiederinstandsetzung der Anlage gab.

Ideal für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie und in Heizungs- und Kühlanlagen

Überall wo Flüssigkeiten in geschlossenen Systemen in Bewegung gebracht werden, kann der PAD20 die Pumpe vor Luft und Gas schützen: In Industrieanwendungen, Lebensmittelproduktion, Gebäudetechnik oder Wasserversorgung. Mögliche Zielanwendungen sind die Überwachung des Kühlkreislaufs, Trockenlaufüberwachung, Prozessüberwachung und Sicherstellung der Prozesssicherheit in Bezug auf den Pumpenschutz.

Besonders großen Nutzen bringt die Anwendung in den Bereichen Lebensmittelindustrie und bei Heizungs-/Kühlanlagen. Bei Heizungsanlagen kennt man das Phänomen von zu Hause. Mit Luft im System werden die Heizkörper nicht richtig warm und man verschwendet Energie. Das gilt für industrielle Heizungs- und Kühlanlagen umso mehr. Die Gasblasenerkennung sichert hier entsprechend den ressourceneffizienten Betrieb und die Anlageneffektivität. Prozesssicherheit und Lebensdauer der Pumpe steigt, gleichzeitig sinkt der Wartungsaufwand. In industriellen Anwendungen sind funktionierende Pumpen umso wichtiger, weil bei einem Ausfall auch Folgeprozesse gefährdet sein können.

Bei der Lebensmittelherstellung sind unerwünschte Gasblasen im System besonders heikel, da sie nicht nur die Pumpen, sondern auch die Lebensmittelsicherheit gefährden können. Denn Luft- oder Gaskontakt während Verarbeitung, Abfüllung oder Verpackung kann direkte Auswirkungen auf die Qualität der produzierten Nahrungsmittel haben. Frühzeitige Gasdetektion reduziert hier den Ausschuss und steigert die Anlageneffizienz.

Zu den Pumpentypen, die der PAD20 gut schützen kann, zählen vor allem Kreiselpumpen, Zahnradpumpen und Kolbenpumpen.

Fluidtechnik 4.0

Das Ventil als Softsensor

* Julian Budde ist Produktmanager bei Baumer.

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