Gasblasen in Dosierpumpen

Gasblasen in Dosierpumpen können die Förderleistung deutlich stärker beeinflussen, als ihre geringe Größe zunächst vermuten lässt. Während Flüssigkeiten unter normalen Betriebsbedingungen nahezu inkompressibel sind, verändert Gas sein Volumen mit dem Druck. Befindet sich Gas in der Pumpenkammer einer Kolben- oder Membrandosierpumpe, wird deshalb ein Teil des verfügbaren Pumpenhubs zunächst für die Kompression des Gases benötigt und steht nicht mehr für die eigentliche Förderung zur Verfügung.

Eine kleine Gasblase führt dabei nicht zwangsläufig zum Ausfall der Pumpe. Mit zunehmendem Gasvolumen kann die Fördermenge jedoch deutlich abnehmen. Im ungünstigsten Fall reicht der verfügbare Hub nicht mehr aus, um in der Pumpenkammer den erforderlichen Druck aufzubauen. Die Dosierpumpe arbeitet mechanisch weiter, fördert aber kein Medium mehr – es entsteht ein sogenannter Gaslock oder Airlock.

Wie stark dieser Effekt ausgeprägt ist, hängt nicht nur von der sichtbaren Gasblase ab. Auch das konstruktive Volumen der Pumpenkammer, Bohrungen und Ventilräume sowie die Druckverhältnisse auf Saug- und Druckseite spielen eine wichtige Rolle. Gerade bei kleinen Dosierpumpen können diese unbewegten Volumina im Verhältnis zum eigentlichen Hubvolumen erheblich sein.

Im Folgenden zeigen wir schrittweise, wie sich Gas in der Pumpenkammer auf den nutzbaren Hub auswirkt, wie ein Gaslock entstehen kann und warum Gasblasen unter ungünstigen Bedingungen sogar zu einem scheinbaren Rückfluss durch die Dosierpumpe führen können.

Das erklärt zugleich einen zunächst überraschenden Effekt: Eine große und eine kleine Dosierpumpe können beim gleichen Medium sehr unterschiedlich auf Gas reagieren.

Bei einer großen Pumpe kann das konstruktive Totvolumen im Verhältnis zum Hub relativ klein sein. Bei einer sehr kleinen Pumpe können Ventilräume und Verbindungskanäle dagegen einen erheblichen Anteil des gesamten Pumpenvolumens ausmachen.

Dadurch muss die kleine Pumpe im Verhältnis zu ihrem verfügbaren Hub möglicherweise wesentlich mehr Gas komprimieren.

Nicht allein die Größe der sichtbaren Gasblase entscheidet deshalb über das Verhalten. Entscheidend ist das gesamte eingeschlossene kompressible Volumen im Verhältnis zum verfügbaren Pumpenhub.

Gas in der Pumpenkammer bedeutet nicht automatisch, dass eine Saugleitung undicht ist oder Luft von außen angesaugt wird.

Gas- oder Dampfblasen können auch erst während des Ansaugvorgangs entstehen.

Damit Flüssigkeit in die Pumpenkammer strömen kann, muss der Druck dort während des Ansaughubs niedriger sein als auf der Saugseite. Zusätzlich entstehen Druckverluste in Saugleitungen, Filtern, Armaturen und Ventilen. Muss die Pumpe aus einem tiefer liegenden Behälter ansaugen, kommt die Saughöhe hinzu.

Der lokale Druck in der Pumpenkammer kann deshalb deutlich niedriger sein als der Druck im Vorlagebehälter.

Nähert sich dieser Druck dem Dampfdruck des Mediums, können sich Dampfblasen bilden. Gleichzeitig können zuvor in der Flüssigkeit gelöste Gase ausperlen.

Eine Flüssigkeit kann deshalb im Behälter völlig unauffällig sein und erst während des Ansaugvorgangs Gasblasen bilden.

Gelangen diese Blasen in die Pumpenkammer und werden nicht vollständig ausgetragen, kann das Gasvolumen von Hub zu Hub zunehmen.

Eine kleine Gasblase führt zunächst nur dazu, dass ein Teil des Pumpenhubs für ihre Kompression verwendet wird.

Bleibt nach dem Druckhub jedoch Gas in der Pumpenkammer zurück, expandiert dieses Gas beim nächsten Ansaughub wieder. Ein Teil des neu entstehenden Kammervolumens wird dadurch bereits vom expandierenden Gas ausgefüllt.

Die Pumpe saugt entsprechend weniger neue Flüssigkeit an.

Kommen gleichzeitig weitere Gas- oder Dampfblasen hinzu, wächst das Gaspolster weiter. Immer mehr Pumpenhub wird für die Kompression benötigt und immer weniger Hub steht für die eigentliche Flüssigkeitsförderung zur Verfügung.

So kann sich das Problem schrittweise verstärken, bis schließlich überhaupt kein ausreichender Druckaufbau mehr möglich ist.

Ein besonderer Effekt kann bei Dosierpumpen mit zwangsgesteuerten Ventilen auftreten. Dieses Ventilprinzip wird beispielsweise bei den RITMO R05 und R15 Membrandosierpumpen von Fink Chem+Tec GmbH eingesetzt.

Bei einem normalen selbsttätigen Rückschlagventil bleibt das Druckventil geschlossen, solange der Druck in der Pumpenkammer niedriger ist als in der Druckleitung.

Ein zwangsgesteuertes Ventil wird dagegen entsprechend dem Pumpenzyklus aktiv geöffnet.

Hat ein Gaspolster verhindert, dass während des Druckhubes der erforderliche Druck erreicht wird, kann das Druckventil deshalb öffnen, obwohl der Druck in der Pumpenkammer noch niedriger ist als auf der Druckseite.

In diesem Moment zeigt das Druckgefälle in die falsche Richtung.

Medium kann aus der Druckleitung zurück in die Pumpenkammer strömen.

Ein beobachteter Rückfluss bedeutet in diesem Betriebszustand deshalb nicht zwangsläufig, dass das Ventil undicht oder die Dosierpumpe defekt ist. Das Ventil kann mechanisch vollkommen korrekt arbeiten. Der Rückfluss entsteht, weil der Kammerdruck zum Zeitpunkt der Ventilöffnung noch zu niedrig ist.

Gasblasen können die Funktion einer Dosierpumpe deutlich stärker beeinflussen, als ihre sichtbare Größe zunächst vermuten lässt.

Bei einer vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Pumpe steht nahezu der gesamte Hub für die Förderung zur Verfügung. Befindet sich Gas in der Pumpenkammer, muss zunächst ein Teil des Hubes verwendet werden, um dieses Gas auf den Druck der Druckseite zu komprimieren.

Mit wachsendem Gasvolumen wird der nutzbare Förderhub immer kleiner. Reicht der verfügbare Hub schließlich nicht mehr aus, um den erforderlichen Druck aufzubauen, entsteht ein Gaslock oder Airlock.

Dabei muss nicht nur die sichtbare Gasblase betrachtet werden. Ventilräume, Bohrungen und andere Totvolumina gehören ebenfalls zum eingeschlossenen kompressiblen Volumen und können insbesondere bei kleinen Dosierpumpen einen großen Einfluss haben.

Bei wiederkehrenden Gasproblemen sollte deshalb nicht nur die Dosierpumpe selbst geprüft werden. Auch Saugdruck, Saughöhe, Leitungsverluste, Medientemperatur, Dampfdruck und mögliche Ausgasung des Mediums spielen eine entscheidende Rolle.

Und bei Pumpen mit zwangsgesteuerten Ventilen kann ein Gaslock unter ungünstigen Bedingungen sogar dazu führen, dass Medium aus der Druckleitung zurück in die Pumpenkammer strömt – obwohl die Pumpe und ihre Ventile technisch vollkommen in Ordnung sind.