Hochdruck-Plungerpumpen in der Wasserhydraulik

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erschienen in der VDMA Veröffentlichung "Pumpen und Kompressoren für den Weltmarkt 2016"

Hochdruck-Plungerpumpen in der Wasserhydraulik

Dipl.-Ing. Ralf Bukowsky, Dipl.-Ing. Thomas Jockenhöfer und Norbert Leonhardsberger

Hochdruck-Plungerpumpen sind das Herzstück moderner wasserhydraulischer Anlagen. Sie sind beispielsweise bei Pressenantrieben, in der Entzunderung, bei der Innenhochdruckumformung oder bei Pumpenstationen im untertägigen Bergbau im Einsatz. Die zunehmende Dynamik von Innovationen und die Forderungen der Betreiber nach immer leistungsstärkeren, effizienteren Hochdruckpumpen und Wasserhydrauliksystemen erfordern ein hohes Maß an ingenieurwissenschaftlicher Fachkompetenz. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Pumpen und die schlüsselfertige Integration in Produktionsprozesse in den verschiedensten Anwendungsgebieten sind unabdingbar.

Der sparsame Umgang mit Energie- und Rohstoffressourcen, die Vorteile von Wasser in neuen Applikationen zusammen mit den aktuellen Werkstoffen und Konstruktionen führen zu einem zunehmenden Einsatz der Wasserhydraulik in industriellen Anwendungen.

Unterschiede zwischen Öl- und Wasserhydraulik

In der Ölhydraulik haben sich im Wesentlichen Axialkolbenpumpen durchgesetzt, die als Konstant- und Regelpumpen eingesetzt werden. Ölhydraulische Komponenten stellen hohe Ansprüche an die Qualität des Förderguts hinsichtlich Spezifikation und Sauberkeit. In der Wasserhydraulik werden diese oder ähnliche Ansprüche aktuell nicht erfüllt. Die Gründe hierfür können prozessbedingt sein, z. B. bei der Entzunderung oder Teilereinigung. Oder die Anwender sind noch nicht bereit, ebenso viel Aufwand bei der Fördergutreinheit zu betreiben, wie es in der Ölhydraulik üblich ist. Wasser ist in der Regel immer verfügbar, jedoch in unterschiedlichster Qualität. Daher ist es auch in der Wasserhydraulik notwendig, Spezifikationen für das Fluid vorzugeben. Ziel sollte es sein, in der Anwendung von wasserhydraulischen Anlagen eine vergleichbare Sorgfalt und Pflegeanzusetzen, wie es in der Ölhydraulik bereits der Fall ist.
Die Vorteile von Wasser im Vergleich zu Öl tragen heute wesentlich zu den Einsatzgebieten der Wasserhydraulik bei. Das gute Viskosität-Temperatur-Verhalten führt zu einer gleichmäßigen Steuerungsgenauigkeit bei Temperaturänderungen. Eine thermostatische Steuerung des Kühlkreislaufes entfällt somit. Wasser hat im Vergleich zu Mineralöl aufgrund seines bis zu 50 % höheren Kompressionsmoduls ein geringeres elastisches Verhalten. Geringere Schalt- und Zeitverzögerungen sowie gleichmäßigere Bewegungen bei Druck- und Lastwechseln sind das Ergebnis. Die niedrigere Viskosität und eine höhere Korrosionsaggressivität stellen für Konstruktionsingenieure eine Herausforderung dar.
Im Vergleich zu Öl kann Wasser aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit etwa doppelt so viel Wärme aufnehmen. Dies führt zu einer geringeren thermischen Belastung an Drosselstellen. Die 16 % höhere Dichte von Wasser hat geringere Flüssigkeitsreibung und geringere Strömungsverluste zur Folge. Bei gleichem Durchfluss und Leitungsdurchmesser ergeben sich ca. 50 % weniger Druckverluste. Die chemisch-physikalischen Eigenschaften von Wasser - eine nicht brennbare Flüssigkeit, die eine nahezu unbeschränkte Verfügbarkeit aufweist - haben einen positiven Einfluss auf die Anschaffungs-, Betriebs- und Versicherungskosten. Wasserhydraulikkomponenten sind heute genauso standfest und prozesssicher wie Ölhydraulikkomponenten. So setzt beispielsweise die RWTH Aachen bei Standzeitversuchen von Ölhydraulikventilen eine wasserhydraulische Reihenkolbenpumpe ein, die bereits Generationen von ölhydraulischen Ventilkomponenten überlebt hat.
Ein Manko der Wasserhydraulikpumpe ist ihre noch fehlende Regelbarkeit. Die spezialisierten Wasserhydraulikunternehmen gleichen dies durch innovative Systemgestaltung aus. Voraussetzung dafür ist ein entsprechend umfangreiches Produktportfolio mit Pumpen, die durch ihr Konstruktionsprinzip eine flexible Gestaltung der Förderleistungen ermöglichen.

Pumpen in der modernen Wasserhydraulik

Pumpen müssen in ihren Anwendungen heute energieeffizient, robust und für den Dauerbetrieb ausgelegt sein. Hochwertige Materialien, verschleißfeste und korrosionsbeständige Beschichtungen, innovative technische Konstruktionensowie modernste Fertigungs- und Prüfverfahren garantieren einen geringen Verschleißund hohe Standzeiten. Mit einem breiten Angebot an Drei- und Fünfplungerpumpen, die einen Volumenstrombereich von 50-738 l/min bei Betriebsdrücken bis 500 bar abdecken, kann ein breites Anwendungsspektrum abgedeckt werden. Jeder Pumpentyp kann optional mit einer externen Schmierölversorgung und einem frequenzgeregeltengeregelten Antrieb (Variable Frequency Drive) ausgestattet werden.
Durch den einfachen Austausch der Pumpeneinsätze sind mit jedem Pumpentyp diverse Volumenstrom-Druck-Kombinationen möglich. Auf diese Weise können die Aggregate flexibel angepasst und eingesetzt werden, wenn sich die Bedingungen und Anforderungen ändern. Für alle Pumpen sind zahlreiche Erweiterungen und Anpassungen erhältlich. Angefangen bei Pumpenumlauf-, Druckbegrenzungs- und Sicherheitsventilen über Pulsationsdämpfer bis hin zu Sonderanfertigungen können vollständig maßgeschneiderte Pumpeneinheiten gefertigt werden.
Die Bandbreite und die Konfigurationsmöglichkeiten sind bei den zahlreichen Anwendungen von Hochdruckpumpen in der Wasserhydraulik eine wichtige Voraussetzung. Bei wasserhydraulischen Anlagen ist neben der Druckerzeugung auch die Drucksteuerung ein wesentliches Merkmal. Insbesondere bei Pressenanlagen in der Aluminium-, Kupfer-, Stahl- und Edelstahl-Industrie sind neben den Pressenantrieben die Pressensteuerungen, die ein hohes Maßan Fachkompetenz erfordern, ein wesentlicher Systembestandteil.
Im Folgenden werden exemplarisch anhand der Entzunderung und der Innenhochdruckumformung zwei industrielle Anwendungsgebiete vorgestellt. Außerdem wird mit einer Hochdruckpumpenstation für den Hochleistungsstrebausbau ein Anwendungsgebiet aus dem untertätigen Bergbau näher betrachtet. Weitere Einsatzgebiete von Hochdruck-Plungerpumpen findet man darüber hinaus beispielsweisein der Nahrungsmittelindustrie, Energieerzeugung, Petrochemie und in diversen Industrieprozessen. 


Wasserhydraulik - ein historischer Exkurs
In der heutigen Zeit wird der Begriff „Hydraulik“ häufig mit der Ölhydraulik gleichgesetzt. Historisch allerdings kommt der Begriff „Hydraulik“ aus dem Griechischen, von „hydor“ (das Wasser) und „aulos“ (das Rohr). Die Wasserhydraulik gilt als die älteste Hydraulik der Welt.
Den Ursprung der industriellen technischen Wasserhydraulik kennzeichnet das Patent des Engländers Joseph Bramah von 1795 für eine mit Druckwasser betriebene hydromechanische Presse. Die Presse arbeitet nach dem hydrostatischen Gesetz der kommunizierenden Röhren von Blaise Pascal und verstärkt die eingebrachte Kraft um das 2034-fache. In Bramahs Presse dient das Wasser nicht nur zur Kraft-, sondern auch zur Signalübertragung.
Den ersten Gewichtakkumulator als Speicher für große Volumenströme entwickelte William G. Armstrong 1851.


Hochdruckpumpen sorgen für die Entzunderung

Hydromechanische Entzunderungssysteme sind neben der Massivumformung ein klassisches Anwendungsgebiet wasserhydraulischer Systeme. Neben dem offensichtlichen Ziel, zunderfreie Oberflächen zu erwirken, stellen Energieeffizienz, minimaler Wasserverbrauch und damit einhergehend minimale Abkühlung der Werkstücke und optimale Integration des Entzunderungssystems in die Produktionsanlagennicht minder wichtige und anspruchsvolle Anforderungen dar. Hochdruckpumpen sind unabhängig von den zu entzundernden Produkten und vom Anlagenaufbau das Herzstück jeder Entzunderungsanlage. Beim Abtragen der Zunderschicht von der Werkstückoberfläche durch hydromechanische Entzunderung spielen im Wesentlichen drei Vorgänge eine Rolle, deren Grenzen allerdings fließend sind und deren jeweiliger Anteil an einer vollständigen Entzunderung sich somit nicht präzise abgrenzen lässt.

• Breaking: Durch den "mechanischen Einschlag" des Wasserstrahls auf der Werkstückoberfläche entstehen Risse bzw. Brüche in der Zunderschicht, wodurch bereits Zunder abfallen kann, aber auch die nachfolgend beschriebenen Vorgänge verstärkt ermöglicht werden.

• Removal: Das zwischen die Zunderschicht und die Werkstückoberfläche eindringende Wasser bewirkt eine lokale Abkühlung des Werkstücks. Durch unterschiedliche Volumenänderungen kommt es zumAufplatzen der Zunderschicht. Zusätzlich verdampfen Teile des Wassers unter der Zunderschicht und fördern das Aufplatzen des Zunders.

• Waschen: Loser bzw. wenig haftender Zunder wird durch das Wasser weggespült. Ebenso wie die unterschiedlichen Wirkungsweisen bei der Entzunderung keine genaue Vorhersage im Hinblick auf die Entfernung der Zunderschicht zulassen, macht es die Vielzahl an Einflussfaktoren bei der Zunderbildung schwierig, im Vorfeld eine präzise Aussage über die Art, Menge und Haftung des Zunders zu treffen. Daher ist es auch schwierig, im Vorfeld eine bestimmte Bearbeitungsweise festzulegen. Die theoretische Berechnung der zu erwartenden Zunderschicht über die parabolische Zunderkonstante sowie die Durchführung von praktischen Versuchen sollen in diesem Artikel nicht behandelt werden. Dennoch werden zwei gängige Parameter über die Leistungsfähigkeit der Entzunderung beschrieben:

• Impact: Der Impact in N/mm² beschreibt im Wesentlichen die Kraft, mit der der Wasserstrahl auf der Werkstückoberfläche auftrifft. Er ist neben der Kombination aus Druck und Durchfluss, die sich aus der Düsengeometrie ergibt, entscheidend vom Abstand zwischen Düse und Oberfläche abhängig.

• Spray Energy: Die Sprühenergie berücksichtigt zusätzlich zu oben angeführten Parametern noch die Wassermenge in l/m².

Abhängig vom Produkt und den Taktzeiten bzw. im Speziellen den Spritz- und Pausenzeiten wird ein System entweder als Direktentzunderung oder als Hochdruckspeichersystem ausgeführt. Bei einer Direktentzunderung fördern die Hochdruckpumpen direkt zu den entsprechenden Düsenbalken. Ventile kommen zum Einsatz, wenn mehrere Düsenbalken zeitversetzt beaufschlagt werden. Diese Art der Entzunderung findet ihre Anwendung üblicherweise bei Langprodukten wie Profilen oder Breitband. Hochdruckspeichersysteme decken die Bedarfsspitzen ab und sind somit für Produkte vorgesehen,die kurze Spritzzeiten und längere Pausenzeiten erfordern.
Moderne Plungerpumpen können bei allen Systemaufbauten für die Druckerzeugung eingesetzt werden. Der Trend zu höheren Betriebsdrückenvon 400 bar und in Einzelfällen darüberhinaus ist für diese Pumpen ein langjährig erprobter Betriebsparameter. Dadurch gewährleisten sie ein hohes Maß an Betriebssicherheit. Durch das Verdrängerprinzip eignen sich Plungerpumpen für den Betrieb mit Frequenzumrichtern und ermöglichen ein Maximum an Energieeffizienz sowie die Möglichkeit der stufenlosen Anpassung an die aktuell erforderlichen Förderströme.

Hochdruckpumpen bringen metallische Hohlkörper in Form

Unter Innenhochdruckumformung (IHU) - auch Hydroforming genannt - versteht man das Umformen metallischer Hohlkörper in einem geschlossenen Formwerkzeug mittels Wasserhochdruck.
Die Umformung erfolgt mittels einer Wasser-Öl-Emulsion, die unter Hochdruck in das Werkstück gedrückt wird. Die Rohrenden werden während des Umformprozesses durch Dichtstempel, die durch Hydraulikzylinder angetrieben werden, abgedichtet. Wesentliche Prozessparameter sind dabei der Innendruck, derbei Serienfertigungen üblicherweise bis zu 4.000 bar beträgt, sowie das Nachschieben von Material bzw. Stauchen von den Bauteilenden her mit Hilfe der Dichtstempel.
Der Umformprozess kann in drei Phasen unterteilt werden. Während das Formwerkzeuggeschlossen wird, wird mit großem Fördervolumen im Niederdruckbereich das Werkstück befüllt bzw. entlüftet. Haben die Dichtstempel das Werkstück erreicht, wird die Plungerpumpe zugeschaltet. Diese hat die Aufgabe, die noch im Werkstück befindliche Restluft zu entfernen und das Fluid auf einen Druck von 200 bis 250bar zu bringen. Der maximale Druck ist hierbei abhängig vom Werkstück. Es findet noch keine Verformung statt. Für diese wird der nachgeschaltete Druckübersetzer eingesetzt, welcher durch seine Bauart nur ein begrenztes Volumen besitzt. Aus diesem Grund muss sichergestellt werden, dass gerade bei Werkstücken mit großen Volumen der maximale Vordruck durch die Plungerpumpe präzise angefahren wird.
Um sowohl kleine als auch große Werkstücke mit der gleichen Plungerpumpe zu befüllen, wird diese mit einem frequenzgeregelten Antrieb versehen. Dies hat den weiteren Vorteil, dass während des drucklosen Umlaufs die Plungerpumpe auf eine minimale Drehzahl heruntergefahren und somit Energie eingespart wird. Für das Ausformen des Werkstückes ist letztlich nur der Druckübersetzer zuständig, der miteiner komplexen Regelung die fertige Form erzeugt. Anwendung findet IHU vor allem in der Serienproduktion der Automobilindustrie.

Hochdruckpumpen unterstützen den Hochleistungsstrebausbau

Im untertägigen Bergbau ist der Hochleistungsstrebausbau mit Walzenladern eines der schnellsten und leistungsfähigsten Abbauverfahren. Hier kommen Hochdruck-Plungerpumpen bei Hochdruck- und Bedüsungspumpenstationen zum Einsatz. Hochdruckpumpenstationenversorgen dabei die Strebschilde (Strebhydraulik) mit der notwendigen Leistung. Bedüsungspumpenstationen kommen bei der Versorgung der Walzenladerbedüsung oder der Hobelgassenbedüsung sowie für die Kühlsysteme von Antriebsmotoren zum Einsatz. Durch die zunehmende Länge und Höhe der Strebes owie die steigenden Geschwindigkeiten der Abbaumaschinen steigen auch die Anforderungen an die Pumpenstationen kontinuierlich.
Die Pumpenstationen für zwei russische Bergwerke wurden speziell für die Bedürfnisse der Hochleistungsstrebe vor Ort konzipiert: Ein Streb hat hier eine Länge von ca. 300 m, eine Flözhöhe von ca. 3 m und einen Abbaufortschrittvon ca. 20.000 t am Tag. Für seine Versorgung wird ein entsprechender Druck- und Volumenstrom benötigt. Neben diesen hohen Anforderungen, die durch das Hochdrucksystem abgedeckt werden müssen, stellte das Bergwerk auch besondere Anforderungen an die Wasserqualität im Streb, um die Langlebigkeit des Strebausbaus und damit die getätigten Investitionen zu schützen. Diese Faktoren mussten bei der Entwicklung des Pumpenzuges berücksichtigt werden. Das Ergebnis ist ein hochmoderner, extrem leistungsstarker Hochdruck-Pumpenzug: Die hier beschriebene Hochdruckstation besteht aus acht miteinander verknüpften Einzelstationen. Das Rohwasser gelangt zuerst in eine Wasservorbereitungsstation. In dieser Station wird das Wasser in einen Wasserzyklon geleitet, indem jegliche Feststoffe abgeschieden werden. Es folgt ein dreistufiger Filtrationsprozess mit automatisch rückspülbaren Doppelfilterstufen in 100 μm, 50 μm, 25 μm. Ebenfalls auf dieser Station verbaut ist ein HFA-Beutelrücklauffilter mit einer Filterfeinheit von 50 μm, der die zurückkommende Wasser-HFA-Emulsion aus dem Streb aufnimmt, filtert und zurück in den Tank führt. Nach der dreistufigen Filtration gelangt das Wasser in eine eigens für den Untertage-Bergbauentwickelte Wasseraufbereitungsanlage. In dieser Station werden in einer Stunde bei einem Wassereinspeisedruck von 15 bar 1.000 l sauberes, salzfreies Wasser produziert. Nach dem Aufbereitungsprozess hat das Wasser eine Leitfähigkeit von nur noch ca. 30 μS und ist nahezu salzfrei.
Nach der Wasseraufbereitungsstation wird das Wasser in der automatischen Emulsionsmischanlage mit Konzentrat angereichert, bevor es als Wasser-HFA-Emulsion in den Haupttank gelangt. Dieser Edelstahl-Tank hat ein Gesamtvolumenvon 6.000l, die sich in 5.000l Wasser-HFA-Emulsion und 1.000l HFA-Konzentrat aufteilen. Neben der automatischen Emulsionsmischanlage ist der Tank mit analogen Füllstandsmessgeräten im HFA- und Konzentratbereich ausgestattet. Beide Bereiche sind durch Edelstahl-Behälterabdeckungen gegen Steinschlag und andere Einwirkungen geschützt. Am Tank wird auch ein Durchlichtrefraktormeter mit Doppelprisma zur Emulsionsüberwachung eingesetzt. Der Haupttank ist mit einem zusätzlichen 6.000-l-Edelstahl-Tank verbunden, der hauptsächlich der Vergrößerung des Pendenvolumens dient.
Insgesamt drei Fünfplunger-Hochdruckpumpen, jeweils angetrieben von einem 400-kW-Elektromotor, wurden in der Pumpenstation verbaut und geben dem Endverbrauchern im Streb die notwendige Leistung. Jede Pumpe liefert einen Nennförderstrom von 635 l/min und einen maximalen Betriebsdruck von360 bar. Die für den Bergbau entwickelten Pumpen sind in der gewohnten Flanschbauweise konzipiert. Jede Pumpe ist mit einem eigenen Druckbegrenzungsventil, einem Pumpenumlaufventil DN 40 PN 420, einer Getriebeöl-Druck- und -Temperaturüberwachung sowie einem integrierten Getriebeölkühler ausgestattet. Der durch die Pumpen generierte Druck- und Volumenstrom gelangt zu einem Sammelblock an der Speicher- und Filterstation. Aus dem Sammelblock wird das Wasser zu zwei Hochdruck-Doppel-Rückspülfiltern mit automatischer Rückspülung geleitet und ein weiteres Mal gefiltert. Zwei Hydrospeicher mit 32l PN400 sind in dieser Station zur Pulsationsoptimierung verbaut, um Druckspitzen und Schaltschläge zuverringern. Das Wasser verlässt nun über einen Verteilerblock die Hochdruckstation und wird inden Streb zum Schildausbau geleitet.

Wasserhydraulik - eine echte Alternative

Die exemplarisch beschriebenen Anwendungsfelder zeigen die zunehmenden Möglichkeiten von modernen Hochdruck-Plungerpumpen in der Wasserhydraulik auf. Neue Materialien und Entwicklungen werden die Wasserhydraulik auch in Zukunft weiter vorantreiben und für ein noch breiteres Anwendungsspektrum sorgen. Mit Wasser als Hydraulikmedium gibt es daher in vielen Bereichen eine echte Alternative zur Ölhydraulik.

Kontakt

Ulrich Feldmann
Leiter Vertriebsinnendienst
Telefon +49 2324 705-139
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