Membranpumpen

Membranpumpen gehören zur Gruppe der Verdrängerpumpen und zählen zu den wichtigsten Pumpenbauarten für die Förderung und Dosierung von Flüssigkeiten. Ihr wesentliches Merkmal ist eine flexible Membran, welche den Förderraum vom Antrieb trennt. Dadurch kommen Fördermedium und bewegliche Antriebskomponenten nicht miteinander in Kontakt.

Dieses Konstruktionsprinzip ermöglicht einen leckagearmen Betrieb und macht Membranpumpen besonders interessant für die Förderung aggressiver Chemikalien, hochreiner Medien, empfindlicher Flüssigkeiten sowie für präzise Dosieraufgaben.

Heute werden Membranpumpen in der Wasseraufbereitung, Chemieindustrie, Verfahrenstechnik, Energietechnik, Lebensmittelindustrie und vielen weiteren Bereichen eingesetzt.

Funktionsweise einer Membranpumpe

Das Funktionsprinzip basiert auf der periodischen Vergrößerung und Verkleinerung eines Förderraums.

Während des Saughubs bewegt sich die Membran vom Förderraum weg. Dadurch entsteht ein Unterdruck, der das Fördermedium über das Einlassventil in den Pumpenkopf zieht.

Beim anschließenden Druckhub bewegt sich die Membran zurück. Das Förderraumvolumen verkleinert sich, das Einlassventil schließt und das Auslassventil öffnet. Die Flüssigkeit wird in die Druckleitung gefördert.

Die meisten Membranpumpen arbeiten dabei mit Rückschlagventilen, die sich ausschließlich durch die Druckverhältnisse innerhalb der Pumpe öffnen und schließen.

Aufbau einer Membranpumpe

Eine typische Membranpumpe besteht aus:

  • Pumpenkopf
  • Membran
  • Einlassventil
  • Auslassventil
  • Antriebseinheit
  • Gehäuse

Die Membran bildet dabei die sichere Trennung zwischen Medium und Antrieb.

Je nach Bauart erfolgt die Bewegung der Membran mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch.

Eigenschaften sowie Vor- und Nachteile von Membranpumpen

Membranpumpen besitzen zahlreiche Eigenschaften, die sie für Dosier- und Förderaufgaben attraktiv machen.

Vorteile

  • selbstansaugend
  • leckagearmer Betrieb
  • hohe chemische Beständigkeit
  • Förderung aggressiver Medien möglich
  • gute Dosierbarkeit
  • hohe Betriebssicherheit
  • Trennung von Medium und Antrieb

Nachteile

  • pulsierender Förderstrom
  • begrenzte Fördermengen gegenüber großen Kreiselpumpen
  • Ventilverhalten beeinflusst die Dosiergenauigkeit
  • Gasblasen können die Förderleistung beeinträchtigen
  • bei klassischen Bauarten starke Abhängigkeit von Druckverhältnissen

Antriebssysteme von Membranpumpen

Die Bewegung der Membran kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden.

Klassische mechanische Antriebe

  • Die meisten Dosierpumpen arbeiten mit einem Elektromotor, der über eine mechanische Umsetzung einen Hub erzeugt.

    Typische Komponenten sind:

    • Exzenter
    • Kurbeltrieb
    • Nockenwellen
    • Getriebe
    • Zahnriemen

    Der Antrieb dreht kontinuierlich. Die Mechanik wandelt die Rotation in eine Hubbewegung um.

    Der große Vorteil liegt in der robusten und bewährten Konstruktion.

    Allerdings entsteht dadurch eine feste Hubbewegung. Die Mechanik durchläuft bei jeder Umdrehung immer den vollständigen Hub. Teilhübe oder frei programmierbare Bewegungsprofile sind konstruktiv nur eingeschränkt möglich.

Direktangetriebene Membranpumpen

  • Moderne Dosierpumpen können die Membran auch direkt antreiben.

    Bei den Ritmo R05 und Ritmo R15 Pumpen erfolgt die Bewegung über einen Schrittmotor und eine Kugelumlaufspindel. Der Antrieb bewegt die Membran direkt vor und zurück, ohne dass eine rotierende Mechanik mit vollständigen Umdrehungen erforderlich ist.

    Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile:

    • frei programmierbare Hubbewegungen
    • Teilhübe möglich
    • präzise Positionierung der Membran
    • definierte Fördervolumina
    • flexible Förderprofile
    • hohe Dosiergenauigkeit

    Da der Schrittmotor für jeden Hub seine Drehrichtung wechseln muss, liegt die maximal erreichbare Hubfrequenz konstruktionsbedingt meist unter der klassischer Exzenterantriebe. Für viele Dosieranwendungen überwiegen jedoch die Vorteile der deutlich höheren Regelbarkeit.

Ventiltechnik bei Membranpumpen

Die Ventiltechnik hat entscheidenden Einfluss auf Förderverhalten, Dosiergenauigkeit und Einsatzmöglichkeiten einer Membranpumpe.

Rückschlagventile

  • Die meisten Membranpumpen arbeiten mit Kugel- oder Klappenventilen.

    Diese öffnen und schließen selbsttätig durch die Druckverhältnisse innerhalb der Pumpe.

    Beim Saughub:

    • Einlassventil öffnet
    • Auslassventil schließt

    Beim Druckhub:

    • Einlassventil schließt
    • Auslassventil öffnet

    Dadurch entsteht eine Förderung in nur einer Richtung.

    Dieses Prinzip ist einfach und zuverlässig, besitzt jedoch Grenzen.

    Mögliche Herausforderungen:

    • Gasblasen können die Ventilfunktion beeinträchtigen
    • reine Gasförderung ist häufig schwierig
    • hohe Viskositäten können das Schließverhalten beeinflussen
    • Kugeln können bei bestimmten Medien aufschwimmen
    • zusätzlicher Federdruck kann erforderlich werden
    • externe Druckverhältnisse wirken direkt auf die Ventile

    Insbesondere bei Vorlagenbehältern mit Vordruck oder Dosierungen in Unterdrucksysteme sind häufig zusätzliche Armaturen erforderlich.

Zwangsgesteuerte Membranventile

Eine alternative Lösung stellen aktiv angesteuerte Ventilsysteme dar.

Bei den Ritmo R05 und Ritmo R15 Pumpen werden die Membranventile aktiv betätigt.

Die Ventilsteuerung erfolgt:

  • bei der R05 über Hubmagnete
  • bei der R15 über Schrittmotoren

Die Ventile öffnen und schließen unabhängig von den Druckverhältnissen im System.

Hieraus ergeben sich besondere Möglichkeiten:

  • Förderung von Flüssigkeiten und Gasen
  • Dosierung gegen Unterdruck
  • Dosierung bei Vordruck
  • hohe Reproduzierbarkeit
  • kein Aufschwimmen von Ventilkugeln
  • geringere Abhängigkeit von Mediumseigenschaften

Da die Ventile aktiv gesteuert werden, kann die Förderrichtung durch eine entsprechende Ventilansteuerung sogar umgekehrt werden.

Darüber hinaus lassen sich mehrere Ein- und Ausgänge realisieren.

Dadurch werden Funktionen möglich wie:

  • Mehrkanaldosierung
  • Probenahme
  • Mischen
  • Aufteilen von Förderströmen
  • Medienumschaltung

Die Pumpe übernimmt dabei einen Teil der Funktion, die ansonsten durch zusätzliche Ventiltechnik realisiert werden müsste.

Bauarten von Membranpumpen

Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Bauformen von Membranpumpen entwickelt, die jeweils für unterschiedliche Anforderungen optimiert wurden. Die einfachste und zugleich weit verbreitete Bauart sind mechanische Membranpumpen. Hier wird die Membran direkt über einen Exzenter, eine Kurbelmechanik oder einen ähnlichen Hubantrieb bewegt. Diese Pumpen zeichnen sich durch einen robusten Aufbau, eine hohe Betriebssicherheit und vergleichsweise geringe Investitionskosten aus.

Eine Weiterentwicklung stellen elektronisch geregelte Membrandosierpumpen dar. Bei ihnen lässt sich die Förderleistung durch die Anpassung der Hubfrequenz, der Hublänge oder durch eine elektronische Regelung präzise steuern. Dadurch eignen sie sich besonders für Dosieraufgaben, bei denen eine hohe Genauigkeit oder eine automatische Anpassung an Prozessparameter gefordert wird.

Für Anwendungen mit größeren Feststoffanteilen oder schwierigen Medien kommen häufig Druckluftmembranpumpen zum Einsatz. Sie arbeiten mit zwei wechselwirkenden Membranen, die durch Druckluft angetrieben werden. Aufgrund ihres Funktionsprinzips sind sie selbstansaugend, trockenlaufsicher und vergleichsweise unempfindlich gegenüber Feststoffen. Da keine elektrischen Antriebskomponenten erforderlich sind, werden sie außerdem häufig in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt.

Eine besonders leistungsfähige Variante stellen hydraulisch unterstützte Kolben-Membranpumpen dar. Bei dieser Bauart bewegt ein Kolben zunächst eine Hydraulikflüssigkeit, welche die eigentliche Fördermembran belastet. Durch diese hydraulische Kraftübertragung lassen sich sehr hohe Drücke und eine ausgezeichnete Dosiergenauigkeit erreichen. Gleichzeitig wird die Membran gleichmäßig belastet, was zu langen Standzeiten und einer hohen Betriebssicherheit führt. Solche Pumpen kommen insbesondere dort zum Einsatz, wo hohe Drücke, höchste Dosiergenauigkeit und eine lange Lebensdauer gefordert sind.

Typische Anwendungen für Membranpumpen

Membranpumpen werden eingesetzt für:

  • Chemikaliendosierung
  • Wasseraufbereitung
  • Abwassertechnik
  • Prozessindustrie
  • Energieanlagen
  • Labor- und Analysentechnik
  • Lebensmittelindustrie
  • Pharmaindustrie

Fazit

Membranpumpen zählen zu den vielseitigsten Verdrängerpumpen der modernen Verfahrenstechnik. Ihr Grundprinzip ermöglicht eine sichere Trennung von Medium und Antrieb sowie eine präzise Förderung unterschiedlichster Flüssigkeiten. Während klassische Systeme überwiegend mit mechanischen Antrieben und selbsttätigen Rückschlagventilen arbeiten, eröffnen moderne direktangetriebene und zwangsgesteuerte Konzepte zusätzliche Möglichkeiten hinsichtlich Dosiergenauigkeit, Gasförderung, Mehrkanaltechnik und flexibler Prozessführung.