EP2791511B1

EP2791511B1 - Flüssigkeitsring-vakuumpumpe mit kavitationsregelung

Info

Publication number: EP2791511B1
Application number: EP12799568.6A
Authority: EP
Inventors: Heiner KÖSTERS; Matthias Tamm; Daniel SCHÜTZE
Original assignee: Sterling Industry Consult GmbH
Current assignee: Sterling Industry Consult GmbH
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: BR112014014150B1; MX2014007011A; CN104066994A; WO2013087708A3; JP2015502486A; JP5657846B1; BR112014014150A2; EP2791511A2; WO2013087708A2; MX348628B; US20140377084A1; US9169838B2; CN104066994B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe. Bei dem Verfahren werden Schwingungsmesswerte der Pumpe aufgenommen und mit einem vorgegebenen Kavitationsschwellwert verglichen. Die Erfindung betrifft außerdem eine zum Durchführen des Verfahrens geeignete Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe.
Bei Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen stellt sich das Problem, dass in unterschiedlichen Betriebszuständen Kavitation auftreten kann. Wenn die Pumpe über einen längeren Zeitraum unter Kavitationsbedingungen betrieben wird, stellt dies eine hohe mechanische Belastung für die Komponenten der Pumpe dar, durch die die Pumpe schnell zerstört werden kann. Bisherige Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen sind deswegen so ausgelegt, dass immer ein ausreichender Abstand eingehalten wird zu den Betriebszuständen, in denen Kavitation auftreten kann. Damit ist die Pumpe zwar vor Schäden durch Kavitation geschützt, durch den Abstand zur Kavitationsgrenze wird aber ein Teil der möglichen Leistungsfähigkeit der Pumpe nicht ausgenutzt.
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen mit Steuereinrichtungen zum stufenlosen Anpassen der Drehzahl in Abhängigkeit von Druck und Temperatur sind bekannt aus US 4,655,688 A , die als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, und können Kavitation vorbeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Pumpe und ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe vorzustellen, bei denen die Effizienz erhöht ist. Ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
Bei dem Verfahren wird erfindungsgemäß ein Messwert aufgenommen, der den Flüssigkeitsgehalt in dem zu fördernden Gas repräsentiert, und der Messwert wird mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Die Drehzahl der Pumpe wird vermindert, wenn der vorgegebene Kavitationsschwellwert überschritten wird und der Flüssigkeitsgehalt unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt. Die Drehzahl der Pumpe wird erhöht, wenn der vorgegebene Kavitationsschwellwert überschritten wird und der Flüssigkeitsgehalt oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt.
Zunächst werden einige Begriffe erläutert. Die Flüssigkeit, die den Flüssigkeitsring der Pumpe bildet, wird als Betriebsflüssigkeit bezeichnet. Davon zu unterscheiden ist eine von dem zu fördernden Gas mitgeführte Flüssigkeit, die nachfolgend als Kondensat bezeichnet wird. Der Begriff Kondensat ist nicht auf Flüssigkeiten beschränkt, die sich durch Kondensation gebildet haben, sondern umfasst auch andere Flüssigkeiten, die von dem Gas mitgeführt werden. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass das Kondensat ein anderer Stoff ist als die Betriebsflüssigkeit. Tritt das Kondensat in die Pumpe ein, kann es sich mit der Betriebsflüssigkeit vermischen. Es wird also nicht zwangsläufig dieselbe Flüssigkeit aus der Pumpe herausgefordert, die als Kondensat eingetreten ist. Der Begriff Flüssigkeitsgehalt bezieht sich auf von dem zu fördernden Gas mitgeführte Flüssigkeit/Kondensat.
Der Kavitationsschwellwert ist so ausgewählt, dass aus Schwingungsmesswerten oberhalb des Kavitationsschwellwerts darauf geschlossen werden kann, dass Kavitation in der Pumpe auftritt, während es bei Schwingungsmesswerten unterhalb des Kavitationsschwellwerts keine Kavitation in der Pumpe gibt. Der konkrete Wert des Kavitationsschwellwerts hängt sowohl von der Gestaltung der Pumpe als auch von der Art des Sensors und der Aufnahme der Messwerte ab. Für jede einzelne Pumpe kann der Kavitationsschwellwert durch Versuche leicht ermittelt werden.
Der Grenzwert für den Flüssigkeitsgehalt ist ebenfalls abhängig von der konkreten Gestalt der Pumpe. Bei der einen Pumpe lösen bereits sehr geringe Mengen von Kondensat die Kavitation aus. Bei der anderen Pumpe kann eine gewisse Menge an Kondensat mitgeführt werden, ohne dass der Betrieb der Pumpe beeinträchtigt wird. Auch dies lässt sich durch Versuche für jede Pumpe leicht ermitteln. Denkbar ist auch, dass der Grenzwert sich in Abhängigkeit von der Drehzahl der Pumpe ändert, dass der Grenzwert also eine von der Drehzahl abhängige Funktion ist. Die Angabe, dass der Messwert mit einem Grenzwert verglichen wird, ist weit zu verstehen. Wird beispielsweise aus indirekten Messungen auf den Flüssigkeitsgehalt geschlossen, kann der Vergleich mit dem Grenzwert darin bestehen, dass in der indirekten Messung Merkmale identifiziert werden, die auf einen hohen bzw. niedrigen Flüssigkeitsgehalt hinweisen.
Die Erfindung hat erkannt, dass es bei Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen anders als bei anderen Arten von Pumpen (vgl. etwa DE 35 20 538 A1 ) nicht in jedem Fall möglich ist, die Pumpe durch Absenken der Drehzahl wieder aus der Kavitation herauszuführen. Tatsächlich hilft eine Verminderung der Drehzahl nur in bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise wenn die Kavitation dadurch entsteht, dass die Pumpe mit hoher Drehzahl und bei niedrigem Ansaugdruck betrieben wird. Diese Kavitation wird als klassische Kavitation bezeichnet.
Entsteht die Kavitation hingegen dadurch, dass der Pumpe zusammen mit dem zu fördernden Gas Kondensat zugeführt wird, wäre es sogar kontraproduktiv, die Drehzahl der Pumpe abzusenken. Mit der verminderten Drehzahl wäre die Pumpe nämlich erst recht nicht mehr in der Lage, die überschüssige Flüssigkeit aus der Pumpe herauszubefördern. Tatsächlich ist es aber möglich, die überschüssige Flüssigkeit durch eine Erhöhung der Drehzahl aus der Pumpe herauszubefördern. Die Erhöhung der Drehzahl bewirkt also in diesem Fall, dass die Kavitation beseitigt wird.
Mit der Erfindung wird diese Erkenntnis genutzt, um ein Verfahren vorzustellen, mit dem der Betrieb der Pumpe bei verschiedenen Arten der Kavitation automatisch angepasst werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden jeweils zwei Kriterien zusammengeführt, um zu entscheiden, ob die Drehzahl erhöht oder vermindert wird. Wurde der Kavitationsschwellwert überschritten und ist der Flüssigkeitsgehalt niedrig, wird die Drehzahl vermindert. Wurde der Kavitationsschwellwert überschritten und ist der Flüssigkeitsgehalt hoch, wird die Drehzahl erhöht. Der Verfahrensschritt, die Drehzahl der Pumpe nach dem Auftreten von Kavitation zu erhöhen, ist der gängigen Lehre genau entgegengesetzt, gemäß der man davon ausging, dass bei Kavitation die Drehzahl immer abgesenkt werden muss.
In der Pumpe können Messwerte von externen Sensoren verarbeitet werden, um den Flüssigkeitsgehalt des zu fördernden Gases zu ermitteln. Es kann dazu in dem zu evakuierenden Raum ein Sensor vorgesehen sein, der den Flüssigkeitsgehalt direkt misst. Es kann auch aus anderen Messwerten, die etwa den Druck oder die Temperatur in dem zu evakuierendem Raum betreffen, auf den Flüssigkeitsgehalt geschlossen werden.
Zusätzlich oder alternativ dazu können an der Pumpe aufgenommene Messwerte herangezogen werden, um den Flüssigkeitsgehalt zu ermitteln. Möglich ist es beispielsweise, aus Messwerten eines Schwingungssensors auf den Flüssigkeitsgehalt zu schließen. Zwar lässt sich der Flüssigkeitsgehalt über einen Schwingungssensor nicht direkt messen. Es zeigt sich aber, dass die durch einen Überschuss an Kondensat hervorgerufene Kavitation charakteristische Schwingungen verursacht, die sich von den Schwingungen bei der klassischen Kavitation unterscheiden. Durch geeignete Auswertung der Messwerte des Schwingungssensors können diese charakteristischen Eigenschaften ermittelt werden. Es kann beispielsweise eine Fourier-Analyse vorgenommen werden und aus den Eigenheiten des Frequenzspektrums darauf geschlossen werden, ob die Kavitation durch erhöhten Flüssigkeitsgehalt verursacht ist oder nicht. Wie die Eigenheiten konkret aussehen, hängt von der Gestaltung der Pumpe und der Anordnung des Schwingungssensors ab und muss gegebenenfalls im Einzelfall durch Versuche ermittelt werden.
Die mit dem Kavitationsschwellwert zu vergleichenden Messwerte können mit dem gleichen Schwingungssensor oder einem anderen Schwingungssensor aufgenommen werden. Die Auswertung, ob überhaupt Kavitation vorliegt, ist einfacher als die Auswertung hinsichtlich der verschiedenen Arten der Kavitation. Beispielsweise kann der Kavitationsschwellwert sich einfach auf die Amplitude der Schwingung beziehen. Überschreitet die Amplitude den Kavitationsschwellwert, kann daraus gefolgert werden, dass Kavitation vorliegt.
Eine andere Möglichkeit, aus an der Pumpe aufgenommenen Messwerten auf den Flüssigkeitsgehalt und damit die Art der Kavitation zu schließen, besteht darin, die internen Motordaten, wie etwa die Motorspannung und den Motorstrom auszuwerten.
Gelegentlich kommt es vor, dass die Kavitation alleine durch eine Anpassung der Drehzahl nicht beseitigt werden kann. In diesem Fall kann vorgesehen sein, über ein Ventil zusätzliche Luft in den Arbeitsraum der Pumpe einzulassen. Dadurch sinkt zwar der Wirkungsgrad der Pumpe, die Kavitation wird aber zuverlässig beseitigt.
Dem Betrieb der Pumpe kann ein mehrstufiger Ablauf zu Grunde liegen. Auf einer ersten Verfahrensstufe kann die Pumpe mit einer Drehzahl betrieben werden, die unterhalb der Mindestdrehzahl liegt. Dabei bezeichnet die Mindestdrehzahl diejenige Drehzahl, bei der der Flüssigkeitsring in der Pumpe gerade stabil ist. Auf dieser Verfahrensstufe wird die Pumpe also ohne stabilen Flüssigkeitsring betrieben. In diesem Betriebszustand kann die Pumpe, die eigentlich zum Fördern von Gas ausgelegt ist, dazu genutzt werden, zunächst eine Flüssigkeitsmenge aus dem zu evakuierenden Raum herauszubefördern. Die Flügel des Flügelrads wirken dann wie Schaufeln, mit denen die Flüssigkeit durch die Pumpe hindurchgeführt wird. Eine gesonderte Kondensatpumpe wird dadurch überflüssig.
Ist auf diese Weise die Flüssigkeit aus dem zu evakuierenden Raum entfernt worden, kann zum normalen Vakuumbetrieb übergegangen werden, in dem die Pumpe mit einer oberhalb der Mindestdrehzahl liegenden Drehzahl betrieben wird. Der Gedanke, die Pumpe zunächst mit einer Drehzahl unterhalb der Mindestdrehzahl zu betreiben, um Flüssigkeit abzutransportieren, und dann den Vakuumbetrieb mit einer Drehzahl oberhalb der Mindestdrehzahl fortzusetzen, hat eigenständigen erfinderischen Gehalt, auch ohne dass Schwingungsmesswerte aufgenommen werden, der Flüssigkeitsgehalt ermittelt wird und die Drehzahl angepasst wird. Die nachfolgende Beschreibung weiterer Verfahrensstufen konkretisiert den eigenständigen erfinderischen Gehalt.
Nach dem Übergang in den Vakuumbetrieb kann die Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe auf einer zweiten Verfahrensstufe zunächst mit maximaler Drehzahl betrieben werden, um in möglichst kurzer Zeit möglichst viel Gas aus dem zu evakuierendem Raum herauszufördern. In diesem Betriebszustand besteht das Risiko, dass es mit abnehmendem Druck zu klassischer Kavitation in dem Flüssigkeitsring kommt. Der klassischen Kavitation kann durch eine Drehzahlverminderung entgegengewirkt werden. Die Pumpe kann auf diese Weise nahe der Kavitationsgrenze betrieben werden, wobei die Drehzahl immer weiter reduziert wird, je niedriger der Druck wird. Der Begriff Kavitationsgrenze bezeichnet dabei einen Betriebszustand der Pumpe, bei dem sich erste Anzeichen von Kavitation zeigen.
Ist der Druck in dem zu evakuierenden Raum auf den gewünschten Wert abgesunken, kann die Drehzahl der Pumpe in einer dritten Verfahrensstufe auf einen Wert nahe der Mindestdrehzahl vermindert werden. Durch den Betrieb mit niedriger Drehzahl wird Energie gespart. Kommt es bei einer derart niedrigen Drehzahl zu Kavitation, liegt dies regelmäßig an einem erhöhten Flüssigkeitsgehalt in dem zu fördernden Gas. Tritt also Kavitation auf, kann dieser durch eine Erhöhung der Drehzahl entgegengewirkt werden.
Die Pumpe kann auf diese Weise beispielsweise beim Desinfizieren in Krankenhäusern zum Einsatz kommen. Der zu desinfizierende Gegenstand wird in eine Kammer eingebracht und mit heißem Dampf behandelt. Anschließend kann die Kammer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren evakuiert werden. Es kann zunächst mit niedriger Drehzahl das Kondensat abtransportiert werden. Indem die Pumpe anschließend mit maximaler Drehzahl betrieben wird und die Drehzahl dann entlang der Kavitationsgrenze abgesenkt wird, wird bei der eigentlichen Evakuierung Zeit gespart. In dem schließlich der niedrige Druck durch einen Betrieb mit geringer Drehzahl aufrechterhalten wird, wird Energie gespart.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann. Die Pumpe umfasst ein Pumpengehäuse, ein exzentrisch in dem Pumpengehäuse gelagertes Flügelrad und einen Schwingungssensor zum Aufnehmen von Schwingungen der Pumpe. Erfindungsgemäß ist ein Logikmodul vorgesehen, das einen Messwert des Schwingungssensors mit einem vorgegebenen Kavitati-onsschwellwert vergleicht und das einen den Flüssigkeitsgehalt des zu fördernden Gases repräsentierenden Messwert mit einem ersten Grenzwert vergleicht. Eine Steuereinheit der Pumpe ist dazu ausgelegt, die Drehzahl der Pumpe anzupassen. Dabei ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Drehzahl zu vermindern, wenn der vorgegebene Kavitationsschwellwert überschritten wurde und der Flüssigkeitsgehalt unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt. Dabei ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Drehzahl zu erhöhen, wenn der vorgegebene Kavitationsschwellwert überschritten wurde und der Flüssigkeitsgehalt oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt.
Wenn es zu Kavitation im Flüssigkeitsring der Pumpe kommt, treten charakteristische Schwingungen auf, die sich von den Schwingungen im normalen Betrieb unterscheiden. Mit dem Schwingungssensor können erste Anzeichen von Kavitation festgestellt werden, bevor die Kavitation derart ausgeprägt ist, dass es zu Schäden an der Pumpe kommen kann. Der vorgegebene Kavitationsschwellwert wird so gewählt, dass er im normalen Betrieb der Pumpe nicht überschritten wird, sondern erst dann, wenn die Pumpe sich an die Kavitationsgrenze annähert.
Der vorgegebene Kavitationsschwellwert wird für die jeweilige Pumpe geeignet ausgewählt. Der Kavitationsschwellwert kann sich beispielsweise auf die Amplitude der Schwingungen beziehen. Möglich ist auch, dass der Schwellwert sich auf bestimmte charakteristische Eigenschaften der Schwingungen bezieht, die durch Kavitation ausgelöst werden. Beispielsweise kann es sein, dass bei Kavitation Schwingungen in bestimmten Frequenzen mit besonderer Intensität auftreten.
Zusätzlich oder alternativ zu Anpassung der Drehzahl kann der Abstand zur Kavitationsgrenze auch dadurch vergrößert werden, dass der Druck im Innenraum der Pumpe erhöht wird. Die Pumpe kann zu diesem Zweck einen Kanal aufweisen, der sich von außen durch das Pumpengehäuse hindurch in den Innenraum der Pumpe erstreckt. Der Kanal ist mit einem Ventil versehen, das im Normalzustand geschlossen ist. Das Ventil kann nach dem Überschreiten des Schwellwerts kurzzeitig geöffnet werden, um Gas aus der Umgebung in den Innenraum der Pumpe einzulassen. Es wird dadurch wieder ein Abstand zur Kavitationsgrenze hergestellt.
Der Schwingungssensor ist vorzugsweise mit dem Pumpengehäuse verbunden, so dass er in dem Pumpengehäuse auftretende Schwingungen feststellt. Der Schwingungssensor kann dort angeordnet sein, wo die durch Kavitation verursachten Schwingungen entstehen, also in der Nähe des Flügelrads. Der Schwingungssensor kann beispielsweise am Umfang oder an der Stirnseite dieses Bereichs des Gehäuses angeordnet sein.
Allerdings sind im Bereich des Flügelrads sonst normalerweise keine elektronischen Komponenten angeordnet. Wenn der Schwingungssensor dort angeordnet ist, hat dies folglich den Nachteil, dass extra Kabel verlegt werden müssen. Vorteilhaft kann es deswegen sein, wenn der Schwingungssensor in einem Bereich des Pumpengehäuses angeordnet wird, in dem ohnehin elektronische Komponenten vorhanden sind. Dies kann beispielsweise der Bereich sein, in dem auch die Steuereinheit für den Antrieb angeordnet ist. Dies bietet sich insbesondere an, wenn die Pumpe in Blockbauweise ausgeführt ist. Blockbauweise bedeutet, dass die Pumpe und der Antrieb mit einem gemeinsamen Pumpengehäuse umgeben sind. Die in dem Bereich des Flügelrads erzeugten Schwingungen verbreiten sich durch das Pumpengehäuse hindurch und können auch an anderer Stelle gut gemessen werden. Wenn die Steuereinheit für den Antrieb der Pumpe mit dem Pumpengehäuse verbunden ist, kann der Schwingungssensor in die Steuereinheit integriert sein.
Die Pumpe kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die oben mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben sind.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1:: eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe;
Fig. 2:: die Pumpe aus Fig. 1 in einer Seitenansicht;
Fig. 3:: eine Steuereinheit einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe;
Fig. 4:: die Ansicht aus Fig. 3 bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 5:: eine schematische Darstellung eines Betriebsablaufs der erfindungsgemäßen Pumpe.

Bei einer in Fig. 1 gezeigten Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe ist ein Flügelrad 14 exzentrisch in einem Pumpengehäuse 20 gelagert. Flüssigkeit im Innenraum der Pumpe wird von dem in Drehung befindlichen Flügelrad 14 mitgeführt und bildet einen Flüssigkeitsring, der sich von der äußeren Wand des Pumpengehäuses 20 radial nach innen erstreckt. Aufgrund der exzentrischen Lagerung ragen die Flügel des Flügelrads 14 je nach Winkelposition unterschiedlich tief in den Flüssigkeitsring hinein. Das Volumen einer zwischen zwei Flügen eingeschlossenen Kammer verändert sich dadurch. Der Flüssigkeitsring wirkt damit wie ein Kolben, der während einer Umdrehung des Flügelrads 14 in der Kammer auf- und abfährt.
Von einer Eingangsöffnung 16 führt ein Kanal in den Innenraum der Pumpe, in dem das Flügelrad 14 sich dreht. Der Kanal 16 mündet in dem Bereich, in dem die Flügel des Flügelrads 14 aus dem Flüssigkeitsring auftauchen, in dem also die zwischen zwei Flügeln eingeschlossene Kammer sich vergrößert. Durch die sich vergrößernde Kammer wird Gas durch die Eingangsöffnung 16 in die Kammer gesaugt. Nachdem die Kammer ihr maximales Volumen erreicht hat, dringt der Flüssigkeitsring bei der weiteren Drehung des Flügelrads 14 wieder in die Kammer ein. Wenn das Gas durch den weiter eindringenden Flüssigkeitsring hinreichend komprimiert ist, wird es durch eine Austrittsöffnung 17 bei Atmosphärendruck wieder abgegeben. Eine solche FlüssigkeitsringVakuumpumpe dient dazu, einen an die Eingangsöffnung 16 angeschlossenen Raum auf einen Druck von beispielsweise 50 Millibar zu evakuieren.
Die Pumpe ist außerdem mit einem als Kavitationsbohrung bezeichneten Kanal ausgestattet, der sich von außen in den Innenraum der Pumpe erstreckt. In dem Kanal ist ein Magnetventil angeordnet, mit dem der Kanal wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann.
Gemäß Fig. 2 ist das Flügelrad 14 über eine Welle 18 mit einem Antriebsmotor verbunden. Die Pumpe ist in Blockbauweise ausgeführt, der Antrieb und das Flügelrad 14 sind also gemeinsam in dem Pumpengehäuse 20 aufgenommen. An dem Pumpengehäuse 20 ist außerdem eine Steuereinheit 21 angeordnet, über die dem Antrieb elektrische Energie zugeführt und die Drehzahl der Pumpe eingestellt wird.
Wie die schematische Darstellung der Fig. 3 zeigt, umfasst die Steuereinheit 21 einen Schwingungssensor 22, ein Logikmodul 23 und ein Stellmodul 24. Der Steuereinheit 21 werden außerdem Messwerte von einem externen Sensor 27 zugeführt.
Der Schwingungssensor 22 ist mit dem Pumpengehäuse 20 verbunden, um Schwingungen des Pumpengehäuses 20 zu ermitteln. Die Messwerte des Schwingungssensors 22 werden laufend an das Logikmodul 23 übermittelt. Das Logikmodul 23 vergleicht die Messwerte mit einem vorgegebenen Kavitationsschwellwert 26 (siehe Fig. 4). Wird der Kavitationsschwellwert 26 überschritten, so wird dies als Hinweis gewertet, dass in der Pumpe Kavitation aufgetreten ist. Allein aus der Überschreitung des Kavitationsschwellwerts ergibt sich aber noch nicht, ob es sich um klassische Kavitation handelt oder um Kavitation aufgrund erhöhten Flüssigkeitsgehalts. Dem Logikmodul werden deswegen zusätzlich Messwerte von dem externen Sensor 27 zugeführt, aus denen sich ergibt, wie hoch der Flüssigkeitsgehalt des zu fördernden Gases ist. Der externe Sensor 27 kann beispielsweise ein Sensor sein, der den Flüssigkeitsgehalt in der Zuleitung zu der Pumpe direkt misst. Möglich ist es auch, dass der externe Sensor 27 Werte misst, aus denen indirekt auf den Flüssigkeitsgehalt geschlossen werden kann. Diese Werte können beispielsweise die Temperatur, den Druck oder die Menge des zugeführten Dampfs in dem zu evakuierenden Raum betreffen.
Damit werden in dem Logikmodul 23 die Informationen zusammengeführt, anhand derer entschieden werden kann, ob die Drehzahl erhöht oder abgesenkt werden muss, um die Kavitation zu beseitigen. Tritt Kavitation auf und enthält das zu fördernde Gas kein Kondensat oder nur sehr wenig Kondensat, wird die Drehzahl abgesenkt. Tritt Kavitation auf und das zu fördernde Gas enthält eine größere Menge Kondensat, wird die Drehzahl erhöht. Von dem Logikmodul 23 wird ein entsprechendes Signal an das Stellmodul 24 gegeben, so dass der Antrieb der Pumpe entsprechend eingestellt wird. In beiden Fällen führt das Anpassen der Drehzahl dazu, dass die Pumpe wieder aus der Kavitation herausgeführt wird.
Zusätzlich oder alternativ zu der Drehzahlanpassung kann über das Stellmodul 24 kurzzeitig das Magnetventil 28 geöffnet werden, so dass Luft aus der Umgebung in den Innenraum der Pumpe eindringen kann. Auch durch die damit verbundene Druckerhöhung im Innenraum der Pumpe wird der Abstand zur Kavitationsgrenze vergrößert.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 erhält das Logikmodul 23 keine Informationen von einem externen Sensor. Stattdessen werden die Messwerte von dem Schwingungssensor 22 in zweifacher Hinsicht ausgewertet. Zum einen wird die Amplitude der Schwingung mit dem vorgegebenen Kavitationsschwellwert verglichen. Überschreitet die Amplitude den Schwellwert, deutet dies auf Kavitation hin. Zum anderen wird eine Fourier-Transformation der Messwerte vorgenommen und die Frequenzverteilung der Schwingungen betrachtet. Dazu können beispielsweise das Terzband bei 5 kHz und das Terzband bei 10 kHz herausgegriffen werden. Die klassische Kavitation äußert sich durch eine charakteristische Verteilung im 5 kHz-Terzband, während die durch erhöhten Flüssigkeitsgehalt verursachte Kavitation eine charakteristische Frequenzverteilung im 10 kHz-Terzband hervorruft. Durch die Auswertung der beiden Terzbänder in dem Logikmodul 23 kann also festgestellt werden, um welche Art von Kavitation es sich handelt. Diese Auswertung der Frequenzbänder stellt im Sinne der Erfindung einen Vergleich dar zwischen einem Grenzwert und Messwerten, die den Flüssigkeitsgehalt repräsentieren.
Die Pumpe kann beispielsweise so verwendet werden, dass sie auf einer ersten Stufe des Verfahrens mit einer Drehzahl von beispielsweise 1000 U/min betrieben wird. Die Mindestdrehzahl, ab der der Flüssigkeitsring stabil ist, liegt bei etwa 2000 U/min. Mit 1000 U/min wird die Pumpe also deutlich unterhalb der Mindestdrehzahl betrieben. In diesem Betriebszustand kann die Pumpe dazu genutzt werden, eine Flüssigkeitsmenge aus dem zu evakuierenden Raum herauszutransportieren.
Ist keine Flüssigkeit mehr in dem Raum enthalten, kann die Pumpe auf einer zweiten Stufe des Verfahrens in den Vakuumbetrieb übergehen. In Fig. 5 ist die zweite Stufe des Verfahrens schematisch dargestellt, wobei A die Drehzahl der Pumpe in Hz wiedergibt, wobei B die mit dem Schwingungssensor 22 aufgenommenen Messwerte auf einer relativen Skala zwischen 0 und 10 zeigt und wobei C den Druck in dem zu evakuierenden Raum in Millibar angibt. Der zu evakuierende Raum hat ein Volumen von 400 l. Auf der waagerechten Achse ist die Zeit in Sekunden angegeben. Zum Zeitpunkt t = 0 liegt in dem zu evakuierenden Raum Atmosphärendruck von etwas mehr als 1000 mbar an und der Schwingungssensor misst keine Schwingungen der Pumpe. Nach dem Übergang in den Vakuumbetrieb wird die Pumpe innerhalb kurzer Zeit auf die maximale Drehzahl von etwa 5400 U/min beschleunigt. Der Druck in dem Raum sinkt schnell auf Werte von etwa 500 mbar ab. Zum Zeitpunkt t = 20 s überschreiten die mit dem Schwingungssensor 22 gemessenen Schwingungen zum ersten Mal den in Fig. 5B gestrichelt dargestellten vorgegebenen Kavitationsschwellwert 26. Die Drehzahl der Pumpe wird daraufhin etwas reduziert, was dazu führt, dass die Schwingungen innerhalb kurzer Zeit wieder unterhalb den vorgegebenen Kavitationsschwellwert 26 absinkt. Die Drehzahl wird anschließend wieder etwas erhöht, bis die Kavitationsgrenze erneut erreicht wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Behälter, der ein Volumen von 400 l hat, innerhalb von 80 s auf einen Druck von 60 mbar evakuiert. Betreibt man die gleiche Pumpe mit konstanter Drehzahl, dauert der gleiche Vorgang 113 s.
Ist der endgültige Druck erreicht, ist eine niedrigere Drehzahl ausreichend, um den Druck aufrechtzuerhalten. Auf der dritten Stufe des Verfahrens wird die Drehzahl deswegen so weit reduziert, dass sie gerade noch oberhalb der Mindestdrehzahl liegt. Kommt es in diesem Zustand zu Kavitation, liegt dies in aller Regel an einem erhöhten Flüssigkeitsgehalt in dem zu fördernden Gas. In dem Logikmodul 23 wird also einerseits eine Überschreitung des Kavitationsschwellwerts und andererseits ein hoher Flüssigkeitsgehalt festgestellt. Das Logikmodul 23 wird folglich die Anweisung an die Steuereinheit 24 übermitteln, die Drehzahl zu erhöhen.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe mit folgenden Schritten:
a. Aufnehmen von Schwingungsmesswerten der Pumpe und Vergleichen der Schwingungsmesswerte mit einem vorgegebenen Kavitationsschwellwert (26);

b. Aufnehmen eines Messwerts, der den Flüssigkeitsgehalt in dem zu fördernden Gas repräsentiert, und Vergleichen des Messwerts mit einem vorgegebenen Grenzwert;

c. Anpassen der Drehzahl der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe, wobei
i. die Drehzahl vermindert wird, wenn der vorgegebene Kavitationsschwellwert (26) überschritten wurde und der Flüssigkeitsgehalt unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt;

ii. die Drehzahl erhöht wird, wenn der vorgegebene Kavitationsschwellwert überschritten wurde und der Flüssigkeitsgehalt oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b. Messwerte von einem externen Sensor (27) verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b. an der Pumpe aufgenommene Messwerte verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b. Schwingungsmesswerte verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b. das Frequenzspektrum der Schwingungsmesswerte betrachtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kavitationsschwellwert (26) sich auf die Amplitude der Schwingung bezieht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Luft in den Arbeitsraum der Pumpe eingelassen wird, falls sich die Kavitation durch Anpassen der Drehzahl nicht beseitigen lässt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe auf einer ersten Verfahrensstufe mit einer unterhalb der Mindestdrehzahl liegenden Drehzahl betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe auf einer zweiten Verfahrensstufe zunächst mit maximaler Drehzahl betrieben wird und dass die Drehzahl nach dem Auftreten von Kavitation abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe auf einer dritten Verfahrensstufe mit einer Drehzahl knapp oberhalb der Mindestdrehzahl betrieben wird.
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe mit einem Pumpengehäuse (20), mit einem exzentrisch in dem Pumpengehäuse (20) gelagerten Flügelrad (14) und mit einem Schwingungssensor (22) zum Aufnehmen von Schwingungen der Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe ein Logikmodul (23) umfasst, das einen Messwert des Schwingungssensors (22) mit einem vorgegebenen Kavitationsschwellwert (26) vergleicht und das einen den Flüssigkeitsgehalt des zu fördernden Gases repräsentierenden Messwert mit einem ersten Grenzwert vergleicht, wobei ferner eine Steuereinheit zum Anpassen der Drehzahl der Pumpe vorgesehen ist, wobei:
i. die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Drehzahl zu vermindern, wenn der vorgegebene Kavitationsschwellwert überschritten wurde und der Flüssigkeitsgehalt unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt;

ii. die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Drehzahl zu erhöhen, wenn der vorgegebene Kavitationsschwellwert überschritten wurde und der Flüssigkeitsgehalt oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt.
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (20) einen Kanal aufweist, der sich von außen in den Innenraum der Pumpe erstreckt, und dass der Kanal mit einem Ventil (28) versehen ist.
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Überschreiten des vorgegebenen Kavitationsschwellwerts (26) das Ventil (28) geöffnet wird.
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe in Blockbauweise ausgeführt ist.
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, der Schwingungssensor (22) in die Steuereinheit (21) integriert ist.