Leitfaden für kleine Membranverdichter: Volumenstrom, Druck, Gasverträglichkeit und Grenzen

Welchen kleinen Membranverdichter kaufen Sie tatsächlich?

Die jeweilige Antriebsanordnung bestimmt die Gerätefamilie. Mechanische Pumpen und hydraulisch angetriebene Metallmembranverdichter sind unterschiedliche Bauarten. „Klein“ legt weder eine allgemeingültige Druckgrenze noch die Zulässigkeit für ein bestimmtes Gas fest.

Die mechanische Membranpumpe wird von einem Motor angetrieben, dessen Gestänge die Membran in Schwingung versetzt. Wenn sich das Volumen der Membrankammer ändert, steuern die Ein- und Austrittsventile den Gasstrom. Bei Vakuumanwendungen kann eine Membranvakuumpumpe eine Kammer über ihre Saugseite evakuieren; bei einer Druckanwendung wird die Austrittsseite genutzt. Angaben zum positiven Druck lassen sich nicht durch einen Endvakuumwert ersetzen.

Bei einem hydraulischen Membranverdichter verformt ein hydraulischer Antrieb die Prozessmembran. Diese Bauart findet sich bei industriellen Hochdruck-Gasverdichtern mit geringer Förderleistung. Wie in der Erläuterung von Atlas Copco zu Membranverdichtern beschrieben, können sich mechanische Pumpen und hydraulische Geräte in Bauart und Anwendung unterscheiden. Die Größe allein bestimmt nicht, ob eine Pumpe mechanisch oder hydraulisch ist.

Bevor Sie Produkte bewerten, sollten Sie den Aufbau der Membran kennen. Außerdem müssen Sie wissen, wie sie angetrieben wird, welche Gase mit Köpfen und Ventilen in Kontakt kommen und welche Betriebsbedingungen der OEM zulässt. Für die Unterscheidung zwischen Kleinstgebläsen und industriellen Gasverdichteraggregaten sind unterschiedliche Nachweise erforderlich. Bei der Systemauswahl sind weitere Aspekte zu berücksichtigen, wie in unserem Leitfaden zur Auswahl von Membran-Gasverdichtern beschrieben.

Volumenstrom und Druck: den nutzbaren Betriebspunkt bestimmen

Der Förderstrom muss für die erforderlichen Saug- und Austrittsbedingungen belegt sein. Bei der Falle mit zwei Endpunkten werden maximaler Volumenstrom und maximaler Druck als ein garantierter Betriebspunkt behandelt. Die getrennten Nennwerte belegen diesen Betriebspunkt nicht. Als Nachweis für den Zusammenhang ist eine Kennlinie der konfigurierten Anlage oder eine vereinbarte Leistungsprüfung erforderlich.

Die Falle mit zwei Endpunkten: Bedingungen zwischen den Nennwerten prüfen

Zum Beispiel nennt die Produktseite von KNF zum N86 einen maximalen Volumenstrom von 6,5 L/min, einen maximalen Druck von 2,5 bar relativ und ein Endvakuum von 100 mbar absolut. Das sind vom Hersteller veröffentlichte, getrennt ausgewiesene Höchstwerte. Allein die Produktseite garantiert keine 6,5 L/min bei 2,5 bar relativ.

Der Vakuumwert beträgt 0,1 bar absolut; das ist eine Einheitenumrechnung der veröffentlichten 100 mbar absolut. Er bedeutet nicht, dass der Austrittsdruck 0,1 bar relativ beträgt. Wenn die Bezugsgröße neben dem Wert steht, kann ein Vakuumendpunkt nicht mit einer Druckgrenze für den Förderbetrieb verwechselt werden.

Kann ein kleiner Membranverdichter seinen maximalen Volumenstrom bei maximalem Druck fördern?

Gehen Sie nicht davon aus. Der Leitfaden von KNF zum Lesen von Pumpenkennlinien erläutert freien Förderstrom, Differenzdruck und zulässige Betriebsbereiche. Physikalische Endpunkte können außerhalb des dargestellten zulässigen Betriebsbereichs liegen. Daher ist es ebenfalls nicht gerechtfertigt, jeden maximalen Drucknennwert als „sicheren Druck bei geschlossenem Austritt“ zu bezeichnen. Fragen Sie nach der tatsächlichen Kennlinie und den Anweisungen für die angebotene Variante.

Machen Sie die Bezugsgrößen sichtbar. Bar relativ und bar absolut beziehen sich auf unterschiedliche Bezugspunkte. Ebenso benötigen L/min am Eintritt und ein Volumenstrom unter Normbedingungen die Angabe der jeweiligen Temperatur- und Druckbezugsgrößen, bevor sie verglichen werden können. Die Forschung von NIST zu Durchflussmessern weist zudem auf Messfehler bei schnell wechselndem und pulsierendem Gasstrom in Anwendungen mit Hubkolbenverdichtern hin. Eine Kalibrierung des Messgeräts für gleichmäßigen Durchfluss allein belegt nicht seine Eignung für Ihre dynamischen Prüfbedingungen.

Betrachten wir beispielhaft eine Anforderung von 2,0 L/min bei einem Austrittsdruck von 2,0 bar relativ und einem Eintrittsdruck von 1.000 mbar absolut bei 20°C. Diese vier Bedingungen sind vorgeschlagene Anforderungen und keine Aussage zum N86. Antwortet ein Lieferant lediglich mit „6,5 L/min maximal“, bleibt der Förderstrom unter Last ungeklärt. Antwortet er nur mit „2,5 bar maximal“, bleiben sowohl der Förderstrom als auch der zulässige Betriebszyklus offen. Bitten Sie den Lieferanten, den angefragten Betriebspunkt in der Kennlinie der konfigurierten Anlage zu markieren oder die erforderlichen Prüfnachweise dafür zu erläutern.

Eine weitere Grenze ergibt sich bei veränderten Eintrittsbedingungen. Eine Kennlinie, die bei nur einer Eintrittsbedingung ermittelt wurde, kann nicht den gesamten Prozess abbilden. Was sind die minimalen und maximalen Eintrittsbedingungen? Wo soll der Förderstrom bereitgestellt werden? Bezieht sich der Volumenstrom auf das tatsächliche Volumen am Eintritt? Mit diesen Angaben lassen sich unterschiedliche Angebote bewerten. Eine Gleichung kann fehlende Leistungsdaten des Prozesses nicht belegen, wenn die erforderlichen Eingangsdaten fehlen.

Gasverträglichkeit: den gesamten gasberührten Pfad prüfen

Für die Gasverträglichkeit sollte die vollständige gasberührte Baugruppe geprüft und unter den tatsächlichen Gasbetriebsbedingungen bewertet werden. Die Prüfung muss Membran, Dichtungen, Kopf, Ventile, Rohrleitungen, Schlauch, Verschraubungen und installierte Zubehörteile umfassen. Die Angabe eines Membranwerkstoffs gibt die vollständige Baugruppe, die Eignung für das Gas oder die zulässigen Druck- und Betriebstemperaturen nicht frei.

Für den N86 nennt KNF Alternativen zu den Standardwerkstoffen. Zu den von KNF aufgeführten Werkstoffoptionen für den N86 gehören PPS-Köpfe, Ventile aus FPM oder FFPM sowie Membranen aus EPDM oder mit PTFE-Beschichtung. Dabei handelt es sich um Optionen innerhalb der Produktfamilie und nicht um eine allgemeingültige Verträglichkeitsübersicht. Die gültige Kombination und Artikelnummer müssen bewertet werden. Zusammensetzung und Konzentration des Mediums sowie Feuchtigkeit und Partikel sind in der Analyse für den Gasbetrieb zu bewerten. Für die Anwendungsprüfung durch den Hersteller sind außerdem die Betriebsbedingungen anzugeben.

Unterscheiden Sie Anforderungen an die chemische Beständigkeit von Anforderungen an Dichtheit und Gasbetrieb. Auch wenn die Bewertung des betreffenden Werkstoffs einfach erscheinen mag, müssen Dichtheit und Eignung für den Gasbetrieb weiterhin geprüft werden. Fordern Sie bei Wasserstoff eine spezifische Prüfung der angebotenen Konfiguration und der Betriebsumgebung an, um die Leckageanforderungen und Schnittstellen zum elektrischen System zu bestätigen. Für den industriellen Umgang mit Gasen sollte anschließend der passende Anwendungsweg für Wasserstoffverdichter geprüft werden.

Die Prüfung für Sauerstoff geht über eine Werkstoffliste hinaus. Die Leitlinien der NASA zur Bewertung der Sauerstoffverträglichkeit berücksichtigen Bauteilgeometrie, Zündmechanismen und ungünstigste Betriebsbedingungen, darunter Druck, Temperatur, Volumenstrom und Verunreinigungen. Reinigungsnachweise allein belegen nicht, dass diese Gefahren für die angebotene Baugruppe bewertet wurden.

Bei der Dokumentation der Bewertung sollte die prüfende Person das freigegebene Gas, die genauen Werkstoffe der Gasbarriere, die Betriebsgrenzen für den Gasbetrieb, Ausschlüsse, Bedenken und die verantwortliche Person festhalten. Kann der Hersteller die angebotenen Bestandteile der Gasbarriere nicht mit der für die Bewertung erforderlichen Genauigkeit beschreiben, ist die Freigabe für den Gasbetrieb als ungeklärt zu dokumentieren.

Reines Gas und Dichtheit: festlegen, was ölfrei leisten muss

Eine ölfreie oder öllose Bauart garantiert weder einen bestimmten Reinheitsgrad noch die Dichtheit gegenüber dem Gas. Legen Sie die Anforderungen an die Qualität des Prozessmediums und die Nachweise zur Gasdichtheit getrennt fest.

In der Spezifikation sollten drei Fragen geklärt werden: Welche Bestandteile dürfen mit dem Prozessgas in Kontakt kommen? Welchen Verunreinigungsgrad lässt die Anwendung zu? Wie wird die Gasdichtheit nachgewiesen? Für einen Analysator gelten andere Anforderungen an saubere Luft als an ein hochreines Prozessgas. Filter, Verschraubungen und Geräte gehören ebenfalls zur Bewertung, auch wenn die Prozessgaskammer keine Ölschmierung benötigt.

Kann eine ölfreie Miniaturpumpe Wasserstoff oder Sauerstoff verdichten?

Eine ölfreie Bauart und eine PTFE-beschichtete Membran bestätigen nicht, dass der Betrieb mit H2 oder O2 zulässig ist. Fragen Sie nach den gasespezifischen Betriebsgrenzen und einer vollständigen Anwendungsbewertung. Die Website der European Industrial Gases Association widmet der Sicherheit von O2 eine Seite, die auch Brandgefahren behandelt und Leitlinien zur Reinigung und Verrohrung für den Sauerstoffbetrieb verlinkt. Diese Seite bewertet oder zertifiziert keine bestimmte Pumpe.

Käufer und Lieferant müssen die Anforderungen an Reinigungsnachweise und das Prüfverfahren zum Nachweis einer gasdichten Abdichtung vereinbaren. Für den jeweiligen Fall sollte der Konstrukteur geeignete Anforderungen an das verarbeitete Gas und die Baugruppe festlegen. Ein allgemeingültiger Grenzwert für die Leckrate oder eine Garantie für Reinheit und Sauberkeit des von jedem Kleingerät geförderten Gases lässt sich nicht begründen. Auch bei einem für den Sauerstoffbetrieb gereinigten Bauteil müssen die vorgesehenen Betriebsbedingungen für das Gas bestätigt werden.

Betriebszyklus, Wärme und Lebensdauer

Für das jeweilige Gerät und die betreffenden Betriebsbedingungen müssen der zulässige Dauerbetrieb bestätigt und die Lebensdauerangabe begründet werden. Eine Angabe zu geringem Instandhaltungsaufwand rechtfertigt weder unterbrechungsfreien Betrieb noch eine Lebensdauergarantie. Ein anwendungsspezifischer Plan für Ersatzteile ist erforderlich.

Geben Sie die erwarteten Betriebsbedingungen an, darunter Prozesszyklusdauer, Häufigkeit, Eintrittstemperatur, Umgebungsbedingungen und Kühlanordnung. Spezifizieren Sie die Motorversorgung (Spannung, AC oder DC und Netzfrequenz) sowie die zulässige Drehzahlregelung. Bei Installationen mit 60 Hz muss diese Frequenz im Angebot ausdrücklich angegeben werden. Sie darf nicht stillschweigend aus anderen Katalogversionen abgeleitet werden.

Der Leitfaden von KNF zu Kennlinien zeigt, dass bei bestimmten Modellen ein Teil des Nenndruckbereichs für den Dauerbetrieb möglicherweise nicht verfügbar ist. Das Beispiel betrifft eine andere Pumpe und enthält keine Angabe zum Dauerbetriebsanteil des N86. Fordern Sie daher sicherheitshalber konkrete Informationen beim Hersteller an, statt das Beispiel als ungünstigsten Fall auszulegen.

Fragen Sie bei einer zugesagten Betriebslebensdauer, was geprüft wurde, unter welchen Gas- und Temperaturbedingungen geprüft wurde und welche Ausfallmechanismen gemessen wurden. Die Leitlinien von NIST zu Zuverlässigkeitsmethoden erläutern, dass Extrapolationen aus Belastungsprüfungen geeignete Beschleunigungs- und Lebensdauerverteilungsmodelle voraussetzen. Die Prüfdauer allein sagt nichts über die Nutzungsdauer Ihrer Membran, Ihres Ventils oder des gesamten Geräts aus.

Für die Beschaffung werden außerdem Angaben zu Membran und Ventilsätzen, zum Zugang für den Austausch, zu Lageroptionen und zu Garantieausschlüssen benötigt. Fragen Sie nach den Messbedingungen für Stromverbrauch, Geräuschpegel und Schwingungen. „Leise“ und „zuverlässig“ werden zu brauchbaren Anforderungen, wenn sie definiert sind. Bitten Sie den Lieferanten um eine Vereinbarung auf Grundlage festgelegter Bedingungen und Nachweise. Für eine industrielle Installation ist außerdem eine Planung für die jeweilige Gerätefamilie erforderlich. Berücksichtigen Sie etwa Prüfungen des Gaswegs bei der Instandhaltung von Wasserstoffverdichtern für die betreffende Gerätefamilie.

Der Ersatzteilplan sollte die vollständige Gerätebaugruppe umfassen. Prüfen Sie, ob Ersatzteile die gasberührten Werkstoffe innerhalb des Leistungsumfangs des Pumpenherstellers verändern. Wer führt die einzelnen Instandhaltungsarbeiten aus und welches festgelegte Verfahren verlangt der Pumpenhersteller oder Lieferant? Wie werden die Nachweise zu Dichtheit und Sauberkeit aufbewahrt? Das ist besonders wichtig, wenn ein Standardkatalogprodukt für einen bestimmten Einsatz angepasst wird.

Wann eignen sich eine Membran-, Kolben- oder Hydraulik-Miniaturanlage?

Wählen Sie die Bauart des Systems erst nach Bestätigung der Gaseignung und der erforderlichen Verdichtungsaufgabe. Für eine freigegebene Anwendung mit geringer Förderleistung kann eine Membran-Miniaturpumpe geeignet sein; für ein anderes System kommt möglicherweise eine hydraulische oder kolbenbetriebene Anlage infrage. Ein geringer Volumenstrom allein bestimmt weder die Druckgrenzen noch die Bauart des Systems.

Ein aufschlussreiches Gegenbeispiel ist die Xenon-Konfiguration von PDC Machines PDC-3-1000-2500(50). PDC gibt 12 Nm³/h, einen Austrittsdruck von 3.000 psig/207 barg und einen 5 hp/3.7 kW-Motor an, außerdem VCR-Verschraubungen, für Sauerstoff gereinigte Prozessleitungen und eine geschlossene Wasserkühlung. Dies ist ein von einem Lieferanten angegebener Xenon-Anwendungsfall, keine unabhängig geprüfte Kennlinie und keine Definition von Miniaturgeräten.

Das Beispiel vergleicht die Beschaffungsgrenze für Geräte mit geringer Förderleistung mit Annahmen zum industriellen Druckbereich und zeigt, dass ein geringer Volumenstrom durchaus mit hohem Druck einhergehen kann. Zubehör und Qualifikationen in diesem PDC-Fall belegen diese Merkmale nicht für Pangeng, einen im Einzelhandel angebotenen Membran-Druckluftkompressor oder ein anderes Gas. Weitere Informationen zum Verdichteraufbau und einen allgemeinen Vergleich finden Sie unter Auswahl von Membran- und Hubkolbenverdichtern.

Was Sie vor einer Angebotsanfrage senden sollten

Die Betriebsanforderungen sollten die angebotene Konfiguration mit dem Abnahmenachweis verknüpfen. Die Verfahrenstechnik legt Gas und Betriebsbereich fest, die Beschaffung koordiniert das Angebot. Die Beschaffung verantwortet den kaufmännischen Leistungsumfang. Betrieb und Qualitätssicherung gewährleisten die Installations- und Abnahmenachweise während des gesamten Prozesses. Nutzen Sie das Dokument von der Angebotsanfrage bis zur Abnahme als Beschaffungsinstrument, um zu verhindern, dass ein unvollständiges Angebot als vollständiges System angeboten wird.

Das Beispiel dient der Veranschaulichung. Es wurde trockene Luft als Anforderung angegeben. Dies darf jedoch nicht als gemessene Leistung oder Leistungsgarantie eines Lieferanten verstanden werden. Für den N86 dürfen keine Leistungsannahmen getroffen werden.

Wie können Sie die Kompetenz eines Lieferanten für kleine Verdichter prüfen?

Fordern Sie Nachweise zur angebotenen Artikelnummer an: Werkstoffe, Motornennleistung, Leistungskennlinie, zugelassenes Gas, Betriebsanleitung und vorgeschlagenes Abnahmeverfahren. Prüfen Sie, ob Angebot und Begleitunterlagen dieselbe Konfiguration beschreiben. Eine Kennlinie für die gesamte Produktfamilie oder der Betriebsnachweis eines anderen Kunden lässt Unterschiede offen. Unterscheiden Sie die Fertigungskompetenz für ein Produkt von einer konkreten Betriebsgarantie. Bei einer Zertifizierung müssen Inhaber, Geltungsbereich und Relevanz ersichtlich sein; bei einem Patent der Inhaber und die betreffende Technologie. Der öffentliche Patentnachweis von Wanner zu einem Membranbruch betrifft beispielsweise eine hydraulische Flüssigkeitspumpe und belegt nicht, dass ein anderer Lieferant diese Funktion besitzt oder anbietet. Fragen Sie, wer für die Prüfung des angebotenen Gasbetriebs verantwortlich ist und welche Unterlagen bei der Abnahme geliefert werden. So erhält die Beschaffung konkrete Vergleichsgrundlagen, ohne allgemeine Marketingaussagen als nachgewiesene Förderaufgabe eines Kleingeräts zu behandeln.

Einzelhandelsangebote für Bauteile von Gast oder Thomas können bei der Identifizierung einer Produktfamilie helfen. Das konkrete Angebot benötigt dennoch eine eigene Dokumentation. Ein Unternehmensprofil kann diese nicht ersetzen. Die Unternehmensinformationen von Pangeng beschreiben die Entwicklung und Fertigung von Verdichtern. Besprechen Sie die konkrete Förderaufgabe, um die Eignung der angebotenen Geräte festzustellen.

Dokumentieren Sie Änderungen an Artikelnummer, Leistung oder Abmessungen eines Geräts genau. Halten Sie die vom Lieferanten mitgeteilten Abweichungen ausdrücklich fest. Die Beschaffungsunterlagen müssen es der Wareneingangsabteilung ermöglichen, Änderungen, akzeptierte Abweichungen und die endgültige Konfiguration einer kundenspezifischen Lösung zu erkennen.

Installation und Abnahme: die vollständige Baugruppe nachweisen

Es sollte nachgewiesen werden, dass die gelieferte Baugruppe die festgelegten Leistungs- und Anforderungen an den Betrieb erfüllt. Die Kennwerte einer unvollständigen Pumpe bestimmen nicht automatisch die Förderleistung der installierten Anlage. Weitere Anforderungen wie Stromversorgung, Kühlung und Steuerung sind zu ermitteln und zu berücksichtigen, bevor die Prüfanforderungen vereinbart werden.

Das öffentlich zugängliche ISO-1217-Kurzdokument beschreibt Abnahmeverfahren für Verdrängungsverdichter zur Bestimmung von Volumenstrom und Leistung, einschließlich Betriebs- und Prüfbedingungen. Die maßgebliche Methode, Ausgabe und Anwendbarkeit sind mit den verantwortlichen Parteien zu vereinbaren; das Katalogkurzdokument qualifiziert keine bestimmte Miniaturpumpe.

Änderungen sollten erst nach dem Nachweis der geforderten Bedingungen abgenommen werden. Eine Abweichung kann eine andere Frage beantworten, etwa bei Verwendung eines anderen Gases, Weglassen eines Filters oder erforderlicher Kühlung durch eine externe Quelle. Es muss klar sein, was die Prüfbedingung nachweist, was sie voraussetzt und was sie ausschließt. Die Prüfergebnisse und Prüfbedingungen sind zusammen mit der abgenommenen Konfiguration aufzubewahren. Bei einer Änderung der Anwendung sind die Abnahmebedingungen und Prüfeinrichtungen neu zu bewerten, statt sich auf die ursprünglichen Bedingungen und die ursprüngliche Abnahme zu verlassen.

„PTC 19.1, Prüfunsicherheit, enthält Leitlinien zur objektiven Bestimmung der Qualität von Prüfdaten.“

Ronald H. Dieck, Präsident, Ron Dieck Associates, Inc., zitiert in der Übersicht zu den Performance Test Codes der ASME. Die Aussage betrifft die Qualität von Prüfdaten im Allgemeinen, nicht die Zulassung eines Verdichtermodells.

Für anwendbare US-amerikanische Systeme zur Wasserstoffversorgung von Verbraucheranlagen behandelt OSHA 1910.103 geeignete Werkstoffe und Zubehörteile sowie den Nachweis, dass installierte Rohrleitungen, Rohre und Anschlüsse bei maximalem Betriebsdruck gasdicht sind. Der dort festgelegte Geltungsbereich und die Ausnahmen sind maßgeblich; die Vorschrift ist keine weltweite Zertifizierungsanforderung für jeden kleinen Verdichter. Innerhalb dieses Geltungsbereichs sind Rohrleitungen aus Gusseisen ausgeschlossen. Der qualifizierte Systemplaner muss die Anforderungen für die konkrete Installation bestimmen.

Häufig gestellte Fragen