Kryopumpen-Auswahl: Kreiselpumpe gegen Kolbenpumpe

Die Auswahl einer Kryopumpe beginnt mit einer Frage: Brauchen Sie Durchfluss oder Druck. Kreiselpumpen fördern hohe Durchflussmengen bei moderatem Förderdruck und eignen sich für Massentransfer und das Abpumpen von Tankwagen. Kolbenpumpen liefern hohen Druck bei geringerem Durchfluss und eignen sich für die Flaschenfüllung. NPSH, Abkühlung und Einsatzzyklus entscheiden dann die Details.

Viele kryogene Anlagen benötigen überhaupt keine Pumpe. Allein der Tankdruck kann Flüssigkeit fördern, wenn der benötigte Förderdruck moderat und die Entfernung kurz ist, und das ist meist die einfachere und günstigere Lösung.

Dieser Leitfaden erklärt, wann eine Pumpe notwendig wird, wie sich die beiden Pumpenfamilien unterscheiden, warum sich Kavitation bei kryogenem Einsatz anders verhält, und was Sie spezifizieren sollten, damit ein Lieferant die richtige Maschine vorschlagen kann.

Brauchen Sie überhaupt eine Kryopumpe?

Ein Kryotank kann Flüssigkeit allein mit seinem eigenen Dampfdruck herausdrücken. Der Druckaufbaukreislauf entnimmt Flüssigkeit vom Boden des Tanks, verdampft sie und führt Gas in den Dampfraum zurück, wodurch der Tankdruck steigt und Flüssigkeit unter eigenem Druck ausströmt. Die Grenze liegt darin, dass der Tankdruck den MAWP des Behälters nicht überschreiten darf, sodass der verfügbare Förderdruck durch die Druckklasse begrenzt ist, und eine Erhöhung des Tankdrucks erwärmt die Flüssigkeit und verbraucht Produkt.

Druckförderung reicht meist aus, wenn der benötigte Förderdruck deutlich unter dem MAWP des Tanks liegt, der Durchflussbedarf moderat und diskontinuierlich ist, die Leitungsverluste gering sind und der Empfangsbehälter bei niedrigerem Druck als der Versorgungstank steht.

Eine Pumpe wird notwendig, wenn

• Der benötigte Förderdruck über dem liegt, was die Druckklasse des Tanks liefern kann
• Sie Hochdruckflaschen oder -bündel befüllen
• Sie in kurzer Zeit hohen Durchfluss benötigen, etwa beim Abpumpen von Tankwagen nach Zeitplan
• Sie einen Hochdruckverdampfer für die Gasversorgung bei erhöhtem Druck versorgen
• Wiederholter Druckaufbau zu viel Produkt verbrauchen würde
• Der Empfangsbehälter auf ähnlichem oder höherem Druck als der Versorgungstank steht

Wenn die Begrenzung die Druckklasse des Tanks ist und nicht der Durchfluss, prüfen Sie dies, bevor Sie eine Pumpe spezifizieren. Unser Leitfaden zu MAWP und Druckklasse bei Kryotanks erklärt, wie der Förderdruck am Tank festgelegt wird.

Was unterscheidet Kreisel- und Kolben-Kryopumpen?

Eine Kreiselpumpe nutzt ein rotierendes Laufrad, um der Flüssigkeit kinetische Energie zuzuführen, die am Auslass zu Druck wird. Eine Kolbenpumpe nutzt einen Kolben oder Plunger, um pro Hub ein festes Volumen gegen den am Auslass anstehenden Druck zu verdrängen. Dieser Unterschied bestimmt alles Weitere.

Kreisel-Kryopumpen

• Geeignet für hohen Durchfluss bei moderatem Förderdruck, mit gleichmäßigem, kontinuierlichem Fluss und geringer Pulsation
• Typische Einsätze: Massentransfer, Entladen von Tankwagen und ISO-Containern, Tank-zu-Tank-Transfer, Versorgung von Nieder- und Mitteldruckverdampfern
• Der Durchfluss variiert mit dem Systemwiderstand, mehrstufige Bauformen erhöhen die Förderhöhe, wo eine Stufe nicht ausreicht
• Mechanisch in der Regel einfacher, mit weniger Verschleißteilen im Flüssigkeitspfad

Kolben-Kryopumpen

• Geeignet für hohen Förderdruck bei geringerem Durchfluss, mit pulsierendem Fluss, den die Rohrleitungsplanung berücksichtigen muss
• Verdrängerprinzip, daher wird der Durchfluss durch Hub und Drehzahl festgelegt, nicht durch den Förderdruck
• Typische Einsätze: Flaschen- und Bündelfüllung, Hochdruckgasversorgung über einen Verdampfer, Füllung von Rohrbündelwagen
• Erfordert ein Sicherheitsventil am Auslass, da eine Verdrängerpumpe gegen ein geschlossenes Ventil kontinuierlich weiter Druck aufbaut
• Mehr Verschleißteile, sodass Dichtungs- und Packungswartung Teil des Betriebsplans ist

Manche Stationen nutzen beide Bauarten, da eine Maschine, die beide Einsätze abdecken soll, meist keinen davon gut erfüllt.

Was bestimmt die Kryopumpen-Auswahl für einen gegebenen Einsatz?

Die Auswahl ist ein Gespräch über den Betriebspunkt, nicht über die Pumpe. Definieren Sie, was das System leisten muss, und die Maschine ergibt sich daraus. Die folgenden Parameter sind das, wonach ein Lieferant fragen wird.

• Betriebsmedium: LIN, LOX, LAR, LNG oder LCO2, da sich Eigenschaften und Werkstoffanforderungen unterscheiden
• Benötigte Durchflussrate, durchschnittlich und maximal, und ob der Durchfluss kontinuierlich oder chargenweise erfolgt
• Benötigter Förderdruck am Verbrauchsort, nicht an der Pumpe
• Saugbedingungen: Tankdruck, Füllstandsbereich und Geometrie der Saugleitung
• Einsatzzyklus: Dauerbetrieb, häufige Starts oder gelegentliche Nutzung, sowie die akzeptable Abkühlzeit
• Antriebsanordnung, elektrische Versorgung und Ex-Zoneneinteilung des Standorts

Zwei dieser Punkte verdienen besondere Betonung. Der Spitzendurchfluss und nicht der Durchschnittsdurchfluss bestimmt die Maschinengröße, und der am Verbrauchsort benötigte Druck, nach Abzug der Leitungs- und Verdampferverluste, bestimmt die erforderliche Förderhöhe. Der Sauerstoffbetrieb bringt eigene Regeln mit sich: medienberührte Teile müssen sauerstoffverträglich und sauerstoffrein sein, mit nur zugelassenen Schmierstoffen und Dichtungen, wie unser Leitfaden zu Sicherheit und Auswahl von Flüssigsauerstofftanks erklärt.

Was ist NPSH, und warum ist Kavitation im kryogenen Betrieb wichtig?

NPSH steht für Net Positive Suction Head, die Marge zwischen dem Druck der an der Pumpensaugseite ankommenden Flüssigkeit und ihrem Dampfdruck bei dieser Temperatur. Verschwindet diese Marge, siedet die Flüssigkeit in der Pumpe, und die entstehenden und wieder kollabierenden Dampfblasen stören den Durchfluss. Das ist Kavitation, und sie zerstört die Leistung und beschädigt die Maschine.

Der kryogene Betrieb macht dies aus einem Grund schwieriger als bei Wasser: Die Flüssigkeit im Tank steht bereits an oder nahe ihrem Siedepunkt für den Tankdruck. Sie ist bereits gesättigt, sodass schon ein kleiner Wärmeeintrag oder Druckabfall auf dem Weg zur Pumpe eine Verdampfung in der Saugleitung auslösen kann. Warnzeichen im Betrieb sind Geräusche und Vibrationen an der Pumpe, instabiler oder fallender Förderdruck sowie ein Rückgang des Durchflusses ohne Änderung des Bedarfs.

• Verfügbares NPSH wird vom System bestimmt: Tankdruck, Flüssigkeitshöhe über der Pumpe und Saugleitungsverluste
• Erforderliches NPSH wird von der Pumpe bestimmt und stammt vom Hersteller für die gewählte Maschine und Drehzahl
• Das verfügbare NPSH muss das erforderliche NPSH über den gesamten Betriebsbereich mit Marge überschreiten
• Die Pumpe möglichst unterhalb des Flüssigkeitsstands im Tank montieren, damit die statische Höhe zu Ihren Gunsten wirkt
• Die Saugleitung kurz, gerade, großzügig dimensioniert und vakuumisoliert halten
• Eine Entlüftungs- oder Rückführleitung vorsehen, damit Dampf in der Saugleitung zurück zum Tank entweichen kann
• Den ungünstigsten Fall prüfen, üblicherweise den niedrigsten Tankstand bei höchstem Durchfluss

Ein Zielkonflikt in der Konstruktion ist erwähnenswert: Eine Erhöhung des Tankdrucks erhöht das verfügbare NPSH, hebt aber auch die Sättigungstemperatur an, und wärmere Flüssigkeit verdampft leichter. Die Antwort ist ein richtig ausgelegtes Saugsystem, nicht einfach mehr Tankdruck.

Warum benötigt eine Kryopumpe eine Abkühlung vor dem Start?

Eine Kryopumpe bei Umgebungstemperatur würde die erste ankommende Flüssigkeit sofort zum Sieden bringen, sodass die Maschine Dampf statt Flüssigkeit fördert, keinen nutzbaren Durchfluss erzeugt und beschädigt werden kann. Die Abkühlung kühlt die Pumpe und ihre Saugleitung auf Flüssigkeitstemperatur, bevor sie startet, und schützt die Maschine auch mechanisch, da sich kryogene Bauteile beim Abkühlen zusammenziehen und die Spiele für den kalten Zustand ausgelegt sind.

• Das Saugventil öffnen und Flüssigkeit bei geöffneter Entlüftungs- oder Rückführleitung durch die Pumpe strömen lassen
• Beim Abkühlen entstehenden Dampf zurück zum Tank entlüften lassen, nicht in die Druckleitung
• Warten, bis Flüssigkeit statt Dampf im Rücklauf ankommt, was anzeigt, dass der Pumpenkörper kalt ist
• Erst dann den Antrieb starten, und die vom Hersteller vorgegebene Abkühlzeit einhalten

Die Abkühlzeit ist ein realer Betriebskostenfaktor. An einer Station mit häufigen kurzen Transfers verringert das erneute Abkühlen vor jedem Start den Durchsatz, was oft dazu führt, die Pumpe kalt zu halten oder den Einsatz aufzuteilen. Dasselbe Prinzip gilt für den Tank bei der Erstbefüllung, behandelt in unserem Leitfaden zur Inbetriebnahme von Kryotanks.

Welche Einsätze übernehmen Pumpen in Abfüllstationen und beim Entladen?

Entladen von Tankwagen und ISO-Containern

Das Entladen ist ein Einsatz mit hohem Durchfluss, moderatem Druck und einer Zeitvorgabe, da das Fahrzeug wartet. Manche Straßentankwagen führen eine eigene Pumpe mit, sodass der Empfangsstandort möglicherweise keine benötigt. Klären Sie daher frühzeitig, ob das liefernde Fahrzeug pumpt oder auf Druckförderung setzt. Stellt der Standort die Pumpe, ist eine Kreiselpumpe meist die übliche Wahl, wie unsere Übersicht zu ISO-Tankcontainern für den kryogenen Transport erklärt.

Flaschen- und Bündelfüllung

Das Füllen von Hochdruckflaschen ist der klassische Einsatz für Kolbenpumpen. Die Pumpe erhöht den Flüssigkeitsdruck, ein Hochdruckverdampfer wandelt ihn in Gas um, und das Gas füllt die Flaschen. Der Durchfluss ist moderat, der Druck hoch, und der Einsatz ist repetitiv, sodass ein Sicherheitsventil am Auslass unverzichtbar ist.

LNG-Stationen und Prozessversorgung

LNG-Stationen unterscheiden sich stark. Manche verlassen sich allein auf Tankdruck und einen Verdampfer ohne Pumpe, andere nutzen eine Pumpe für die Abgabe oder zur Versorgung eines Hochdruck-Regasifizierungsskids, wobei für die Anlage die Ex-Zoneneinteilung gilt. Unsere Checkliste für LNG-Satellitenstationsausrüstung behandelt den vollständigen Umfang.

Was sollte rund um die Pumpe noch spezifiziert werden?

Eine Pumpe ist eine Komponente in einem System. Die meisten gemeldeten Pumpenprobleme an kryogenen Standorten lassen sich eher auf die Saugleitung, die Steuerung oder das Betriebsverfahren zurückführen als auf die Maschine selbst.

• Vakuumisolierte oder gut gedämmte Saugleitung, großzügig dimensioniert und kurz gehalten
• Entlüftungs- oder Rückführleitung zum Tank für Abkühlung und Dampfabgabe
• Sicherheitsventil am Auslass, zwingend bei Verdrängerpumpen
• Überdruckschutz an jedem Leitungsabschnitt, der an beiden Enden abgesperrt werden kann, da eingeschlossene kryogene Flüssigkeit sich erwärmt und ausdehnt
• Absperrventile, die Wartung ohne Entleerung des Tanks ermöglichen
• Instrumentierung für Saug- und Förderdruck sowie Drehzahlregelung, wo variabler Durchfluss benötigt wird

Beziehen Sie die Pumpe in den Wartungsplan des Standorts ein, statt sie separat zu behandeln. Unser Wartungsplan für Kryotanks behandelt die Intervalle für die umliegende Anlage, einschließlich der Empfehlung, alle 6 bis 12 Monate eine Vakuummessung durchzuführen.

Wie unterstützt KAF Cryogenics die Kryopumpen-Auswahl?

KAF Cryogenics liefert die Anlagen rund um die Pumpe: Lagertanks für LIN, LOX, LAR, LNG, LCO2 und LPG, Luftverdampfer und Prozessanlagen, MicroBulk-Tanks und Transportanlagen. Das ist für die Kryopumpen-Auswahl relevant, weil Druckklasse des Tanks, Sauganordnung und Verdampferaufgabe die Pumpenanforderung überhaupt erst festlegen. Werden diese richtig ausgelegt, reduziert das oft den Pumpeneinsatz und macht eine Pumpe manchmal ganz überflüssig.

• Druckklasse des Tanks, abgestimmt auf den vom Prozess tatsächlich benötigten Förderdruck
• Verdampferkapazität, dimensioniert auf den Gasbedarf und die Umgebungsbedingungen an Ihrem Standort
• Tanklayout und Anschlusspositionen, die eine kurze, verlustarme Saugleitung ermöglichen
• Anlagen neu nach Spezifikation, oder zertifizierte Gebrauchtanlagen, die inspiziert, zerstörungsfrei geprüft sowie vakuum- und druckgeprüft sind, mit Dokumentendossier und schriftlicher Garantie
• Zertifizierung passend zum Zielmarkt: PED 2014/68/EU mit EN 13458, oder ASME, wo das US-Regelwerk gilt
• Lieferung ab Lager innerhalb von Wochen bei zertifizierten Gebrauchtanlagen, gegenüber Monaten bei einer Neuanfertigung

Senden Sie uns den Einsatzfall: Medium, Durchfluss, Druck am Verbrauchsort, und was die Station leisten muss. Wir sagen Ihnen, wie Tank- und Verdampferseite aussehen sollten und wo eine Pumpe ihren Platz verdient.

Häufig gestellte Fragen

Weiterführende Artikel

• MAWP und Druckklasse bei Kryotanks
• Sicherheit und Auswahl von Flüssigsauerstofftanks
• ISO-Tankcontainer für den kryogenen Transport
• Checkliste für LNG-Satellitenstationsausrüstung
• Wartungsplan für Kryotanks
• Luftverdampfer und Prozessanlagen