Arten von Verdrängerpumpen

Verdrängerpumpen fördern Flüssigkeiten, indem sie ein bestimmtes Volumen in einer Kammer einschließen und es vom Einlass zum Auslass befördern. Im Gegensatz zu Kreiselpumpen, die auf Geschwindigkeit angewiesen sind, um einen Förderstrom zu erzeugen, liefert jede Umdrehung bzw. jeder Hub einer Verdrängerpumpe ein vorhersehbares Volumen, unabhängig vom nachgelagerten Druck. Dieser grundlegende Unterschied macht Verdrängerpumpen zur Standardwahl für hochviskose Flüssigkeiten, präzise Dosierung und Anwendungen, bei denen die Förderstromkonstanz wichtiger ist als das reine Fördervolumen.

Es gibt zwei Arten von Verdrängerpumpen – Drehkolbenpumpen und Kolbenpumpen – und innerhalb dieser beiden Kategorien hat die Industrie unterschiedliche Pumpenkonstruktionen entwickelt, die für verschiedene Medien, Drücke und Prozessanforderungen optimiert sind. Die Wahl des falschen Typs führt zu vorzeitigem Verschleiß, ungenauer Dosierung oder Systemausfällen. Dieser Leitfaden beschreibt jeden Verdrängerpumpentyp anhand seines Funktionsprinzips, seiner Konstruktion, seiner Leistungsmerkmale und seiner Eignung für konkrete Anwendungen und bietet Ingenieuren und Einkäufern die technische Grundlage für die korrekte Pumpenauswahl.

Was ist eine Verdrängerpumpe?

Eine Verdrängerpumpe arbeitet nach einem einfachen mechanischen Prinzip: Ein bewegliches Element – ​​sei es ein Zahnrad, eine Schaufel, eine Schraube, ein Kolben oder eine Membran – erzeugt im Pumpengehäuse sich ausdehnende und zusammenziehende Hohlräume. Dehnt sich der Hohlraum auf der Saugseite aus, wird Flüssigkeit angesaugt. Zieht er sich auf der Druckseite zusammen, wird Flüssigkeit herausgedrückt. Das pro Zyklus verdrängte Volumen bleibt konstant, daher ist die Fördermenge direkt proportional zur Drehzahl und weitgehend unabhängig vom Förderdruck.

Diese Betriebscharakteristik verleiht Verdrängerpumpen mehrere charakteristische Merkmale. Die Fördermenge bleibt auch bei sich änderndem Systemwiderstand stabil, was für Dosier- und Messanwendungen entscheidend ist. Sie fördern hochviskose Medien, die Kreiselpumpen nicht effizient bewegen können. Die meisten Modelle sind selbstansaugend, d. h. sie können Luft ohne externe Hilfe aus den Saugleitungen entfernen. Da sie diskrete Fördermengen fördern, erzeugen sie je nach Pumpentyp einen pulsierenden Förderstrom unterschiedlicher Stärke.

Die folgende Tabelle vergleicht Verdrängerpumpen mit anderen wichtigen Pumpenkategorien, um zu verdeutlichen, wo Verdrängerpumpen in das übergeordnete Klassifizierungssystem einzuordnen sind.

Arten von Verdrängerpumpen

Alle Verdrängerpumpen basieren auf demselben Grundprinzip – dem Einschließen und Verdrängen eines bestimmten Flüssigkeitsvolumens pro Zyklus – erreichen dies jedoch durch grundlegend unterschiedliche mechanische Bewegungen. Die Branche unterscheidet zwei Arten von Verdrängerpumpen, je nachdem, wie sich das Verdrängungselement bewegt: Rotations- und Hubkolbenpumpen.

Rotationspumpen nutzen rotierende Elemente – Zahnräder, Nocken, Schrauben oder Schaufeln –, die das Fluid kontinuierlich vom Einlass zum Auslass befördern. Hubkolbenpumpen hingegen arbeiten mit einer linearen Hin- und Herbewegung – Kolben, Stößel oder Membranen –, die das Fluid abwechselnd durch Rückschlagventile ansaugen und ausstoßen. Dieser Unterschied in der Bewegungsart bestimmt alles, von der Förderstrompulsation und der Druckfähigkeit bis hin zum Wartungsaufwand und der Medienverträglichkeit.

Drehkolbenpumpen

Rotationsverdrängerpumpen fördern Flüssigkeiten durch die kontinuierliche Rotation eines oder mehrerer Elemente in einem präzise gefertigten Gehäuse. Die Flüssigkeit tritt in die Pumpe ein, sammelt sich im Spalt zwischen dem rotierenden Element und der Gehäusewand und wird durch die Rotation des Elements vom Saug- zum Druckbereich transportiert. Da die Bewegung kontinuierlich und nicht intermittierend ist, erzeugen Rotationsverdrängerpumpen einen gleichmäßigeren Förderstrom mit geringeren Pulsationen als ihre Kolbenpumpen-Pendants.

Gemeinsame Merkmale von Drehkolbenpumpen sind ihre kompakte Bauweise im Verhältnis zur Förderleistung, ihre Selbstansaugfähigkeit, ihr leiser Betrieb und ihre Eignung für viskose Medien. Sie arbeiten im Allgemeinen mit niedrigeren Drücken als Kolbenpumpen, bieten aber bei gleicher Stellfläche höhere Fördermengen. Die fünf Haupttypen von Drehkolbenpumpen sind Zahnradpumpen, Flügelzellenpumpen, Schraubenpumpen, Drehkolbenpumpen und Schlauchpumpen.

Zahnradpumpe

Zahnradpumpen sind die am weitesten verbreiteten Drehkolbenpumpen in industriellen Anwendungen. Sie fördern Flüssigkeiten, indem sie diese zwischen den ineinandergreifenden Zahnrädern und dem Pumpengehäuse einschließen und sie dann entlang des Zahnumfangs vom Einlass zum Auslass transportieren. Beim erneuten Eingriff der Zähne auf der Auslassseite wird die Flüssigkeit in die nachgelagerte Rohrleitung gepresst.

Es gibt zwei Bauarten. Außenzahnradpumpen verwenden zwei identische, ineinandergreifende Zahnräder, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen und von einer einzigen Welle über das andere angetrieben werden. Innenzahnradpumpen verwenden ein kleineres Zahnrad (Zwischenrad), das sich in einem größeren Hohlrad dreht, wobei eine halbmondförmige Trennwand die Saug- und Druckzone voneinander trennt.

Zahnradpumpen eignen sich hervorragend für die Förderung hochviskoser Flüssigkeiten – tatsächlich verbessert sich ihr volumetrischer Wirkungsgrad mit steigender Viskosität, da dickflüssigere Flüssigkeiten die Spalte zwischen Zahnrädern und Gehäuse besser abdichten. Der typische Viskositätsbereich reicht je nach Modell und Drehzahl von 1 cP bis über 1.000.000 cP.

Vorteile: präziser, drehzahlproportionaler Durchfluss (ideal für die Dosierung), selbstansaugend, reversible Durchflussrichtung, kompakte Bauweise, relativ kostengünstig. Nachteile: nicht geeignet für abrasive oder feststoffhaltige Medien (Zahnräder weisen geringe Toleranzen auf), erzeugt bei sehr hochviskosen Medien und hohen Drehzahlen Wärme, festes Fördervolumen bedeutet keine Durchflussregulierung ohne Drehzahländerung.

Typische Anwendungsgebiete sind der Transfer von Schmieröl, die Dosierung von Harzen und Klebstoffen, die Handhabung von Heizöl, die Chemikaliendosierung, die Polymerverarbeitung und hydraulische Energiesysteme.

Betriebshinweis: Zahnradpumpen benötigen das Fördermedium zur Schmierung der Zahnräder und der Gehäusebohrung. Trockenlauf oder Betrieb mit schlecht schmierenden Medien führen zu schnellem Verschleiß. Die Ansaugbedingungen müssen sorgfältig überwacht werden – unzureichender Einlassdruck verursacht Kavitation und beschleunigt die Beschädigung der Zahnradoberfläche.

Flügelzellenpumpe

Flügelzellenpumpen nutzen flache, federbelastete Schaufeln, die in Nuten eines rotierenden Rotors montiert sind. Der Rotor ist exzentrisch in einem kreisförmigen Gehäuse angeordnet. Durch die Rotation des Rotors drücken Zentrifugalkraft und Federdruck die Schaufeln nach außen gegen die Gehäusewand und bilden so abgedichtete Kammern zwischen benachbarten Schaufeln. Diese Kammern dehnen sich auf der Saugseite aus (Ansaugen von Flüssigkeit) und ziehen sich auf der Druckseite zusammen (Ausstoßen von Flüssigkeit).

Flügelzellenpumpen fördern einen gleichmäßigen, pulsationsarmen Durchfluss und eignen sich besonders für Anwendungen, die mittleren bis hohen Druck bei relativ geringen Fördermengen erfordern. Sie werden häufig in der Kraftstoffförderung, in der Servolenkung von Kraftfahrzeugen, in Hydrauliksystemen und in Kühlsystemen von Hochdruckreinigungsgeräten eingesetzt.

Vorteile: Gleichmäßiger Förderstrom mit sehr geringer Pulsation, selbstansaugend, hohe Saughöhe, kompakte Bauweise und geringe Geräuschentwicklung. Nachteile: Die Schaufelspitzen sind Verschleißteile und müssen regelmäßig ausgetauscht werden; die Leistung verschlechtert sich bei abrasiven oder partikelhaltigen Medien; bei sehr hohen Viskositäten sind sie weniger effizient als Zahnradpumpen.

Flügelzellenpumpen können in solche mit festem Fördervolumen (konstante Exzentrizität) und solche mit variablem Fördervolumen (einstellbare Exzentrizität) eingeteilt werden, wobei der variable Typ in hydraulischen Leistungsanwendungen häufiger anzutreffen ist als bei der Förderung von Prozessflüssigkeiten.

Betriebshinweis: Flügelzellenpumpen reagieren empfindlich auf die Reinheit des Fördermediums. Partikel im Medium beschleunigen den Verschleiß der Flügelspitzen und der Gehäusebohrung, was zu einem Verlust des volumetrischen Wirkungsgrades führt. Die Medientemperatur muss überwacht werden – zu hohe Temperaturen erweichen das Flügelmaterial und beeinträchtigen die Dichtwirkung. Saubere, niedrig- bis mittelviskose Fördermedien gewährleisten die beste Leistung und längste Lebensdauer.

Schraubenpumpe

Schraubenpumpen nutzen eine oder mehrere spiralförmige Schrauben, die sich in einem präzise gefertigten Gehäuse drehen, um Flüssigkeit axial entlang des Schraubengewindes zu fördern. Die Flüssigkeit füllt die spiralförmigen Nuten am Saugende und wird in einem kontinuierlichen, abgedichteten Förderkanal zum Druckende transportiert. Die Schrauben komprimieren die Flüssigkeit nicht – sie transportieren sie lediglich. Daher erzeugen Schraubenpumpen den gleichmäßigsten Förderstrom aller rotierenden Verdrängerpumpen mit nahezu pulsationsfreier Leistung.

Drei Bauformen dominieren den Markt. Einschneckenpumpen (auch Exzenterschneckenpumpen genannt) nutzen einen spiralförmigen Rotor, der sich in einem doppelhelixförmigen, elastomeren Stator dreht und so fortschreitende, abgedichtete Hohlräume erzeugt. Zweischneckenpumpen verwenden zwei ineinandergreifende, gegenläufig rotierende Schnecken. Das Fördermedium wird in den Zwischenräumen zwischen den Schneckenwindungen und dem Gehäuse transportiert. Dreischneckenpumpen verwenden eine Antriebsschnecke und zwei Leerlaufschnecken. Das Fördermedium wird in den Kanälen zwischen den drei ineinandergreifenden Schnecken transportiert.

Vorteile: extrem gleichmäßiger, nahezu pulsationsfreier Förderstrom; fördert hochviskose und scherempfindliche Medien ohne Leistungsverlust; geeignet für Medien mit Feststoffanteilen (Einschneckenpumpen); leiser Betrieb; hohe Saugleistung. Nachteile: höhere Kosten als Zahnradpumpen; Statorverschleiß bei Einschneckenpumpen (insbesondere bei abrasiven Medien); höherer Wartungsaufwand beim Schneckenwechsel.

Typische Anwendungsgebiete: Rohöltransfer, Polymerverarbeitung, Lebensmittelverarbeitung (Schokolade, Tomatenmark), Klärschlamm, Chemikaliendosierung, Schiffstreibstoff und Schmiersysteme.

Betriebshinweis: Bei Einschneckenpumpen ist der elastomere Stator das primäre Verschleißteil und reagiert empfindlich auf chemische Beständigkeit, Temperatur und abrasive Stoffe. Die Wahl der Drehzahl ist entscheidend – zu hohe Drehzahlen bei hochviskosen Medien führen zu übermäßiger Wärmeentwicklung im Stator. Bei Zwei- und Dreischneckenpumpen ist die Einhaltung der korrekten Schneckensteuerung und des einwandfreien Lagerzustands unerlässlich, um Metall-auf-Metall-Kontakt zu vermeiden.

Drehkolbenpumpe

Drehkolbenpumpen nutzen zwei oder mehr gegenläufige, flügelförmige Rotoren, die sich synchron in entgegengesetzte Richtungen drehen, ohne sich zu berühren. Die Flüssigkeit tritt in die Pumpe ein, während sich die Flügel am Einlass voneinander wegdrehen, sammelt sich in den Zwischenräumen zwischen Flügeln und Gehäuse und wird zum Auslass transportiert, wo die ineinandergreifenden Flügel die Flüssigkeit herausdrücken.

Der wesentliche strukturelle Unterschied zwischen einer Drehkolbenpumpe und einer Zahnradpumpe besteht darin, dass sich die Drehkolben nie berühren – sie werden von externen Zahnrädern angetrieben. Dank dieser berührungslosen Konstruktion eignen sich Drehkolbenpumpen für hygienische Anwendungen, da im medienberührten Bereich kein Metall-auf-Metall-Verschleiß auftritt und die Pumpen ohne Demontage CIP- (Clean-in-Place) und SIP-Reinigung (Sterilize-in-Place) durchgeführt werden können.

Die Rotorkonfigurationen umfassen zweilappige (zwei Lappen pro Rotor), dreilappige (drei Lappen) und mehrlappige Ausführungen. Dreilappige Rotoren erzeugen einen gleichmäßigeren Durchfluss mit geringerer Pulsation. Zweilappige Rotoren bewältigen höhere Fördermengen pro Umdrehung und können größere weiche Feststoffe transportieren.

Vorteile: Hervorragend geeignet für hygienische Anwendungen, CIP/SIP-kompatibel, fördert weiche Feststoffe und hochviskose Medien, schonend zu scherempfindlichen Flüssigkeiten, reversibel und wartungsfreundlich dank Frontlade-Bauweise. Nachteile: Höhere Pulsation als bei Schrauben- oder Zahnradpumpen, geringerer Wirkungsgrad bei niedrigviskosen Flüssigkeiten (interner Schlupf) und höhere Kosten als vergleichbare Zahnradpumpen.

Typische Anwendungsgebiete: Lebensmittelverarbeitung (Milchprodukte, Soßen, Getränke), pharmazeutische Herstellung, Kosmetik, Klärschlamm und Biotechnologie.

Betriebshinweis: Drehkolbenpumpen nutzen die Viskosität des Mediums, um ihre Förderleistung aufrechtzuerhalten. Bei dünnflüssigen, wasserähnlichen Medien nimmt die Schlupfbildung zwischen den Drehkolben und dem Gehäuse deutlich zu, was die Fördermenge reduziert. Die Steuerzahnräder müssen regelmäßig überprüft und ordnungsgemäß geschmiert werden. Die Wahl des Rotormaterials – gummiert, Edelstahl oder PTFE-beschichtet – muss dem jeweiligen Medium und den Temperaturbedingungen entsprechen.

Peristaltikpumpe

Peristaltikpumpen (auch Schlauchpumpen genannt) funktionieren, indem sie einen flexiblen Schlauch mithilfe rotierender Rollen oder Rollen zusammendrücken. Durch die Kompression des Schlauchs an einer Stelle entsteht vor der Rolle ein abgedichtetes Flüssigkeitspolster. Während sich die Rolle entlang des Schlauchs bewegt, wandert dieses Polster zum Auslass. Hinter der Rolle nimmt der Schlauch wieder seine runde Form an und erzeugt so einen Sog, der neue Flüssigkeit ansaugt.

Der grundlegende Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass die Förderflüssigkeit nur mit der Innenseite des Schlauchs in Kontakt kommt – Dichtungen, Ventile oder rotierende Teile sind dem Medium nicht ausgesetzt. Dadurch eignen sich Peristaltikpumpen ideal für die Förderung von korrosiven, abrasiven, sterilen oder scherempfindlichen Flüssigkeiten, bei denen Kontamination oder Kreuzkontamination unbedingt vermieden werden muss.

Vorteile: Vollständige Flüssigkeitsabdichtung (keine Leckagen an Dichtungen), geeignet für korrosive und abrasive Medien, ideal für sterile und hochreine Anwendungen, präzise Dosierung bei niedrigen Durchflussraten, einfacher Schlauchwechsel, selbstansaugend und trockenlaufsicher. Nachteile: Schlauch/Rohr ist das primäre Verschleißteil mit begrenzter Lebensdauer (insbesondere unter hohem Druck oder bei aggressiven Medien), Durchflussrate durch Schlauchdurchmesser begrenzt, Pulsation kann bei Einrollen-Systemen erheblich sein.

Typische Anwendungsgebiete: Dosierung im Labor, pharmazeutische Produktion, Dosierung von Chemikalien in der Wasseraufbereitung, Transfer von Bergbauschlämmen, Dosierung von Lebensmittelzutaten und Handhabung von Druckfarben.

Betriebshinweis: Die Wahl des Schlauchmaterials ist der mit Abstand wichtigste Faktor für die Leistung und Lebensdauer von Schlauchpumpen. Der Schlauch muss sowohl chemischen Angriffen durch das Fördermedium als auch mechanischer Ermüdung durch wiederholte Kompression standhalten. Naturkautschuk, Silikon, Norpren und Hypalon sind gängige Materialien, die jeweils unterschiedliche chemische und thermische Eigenschaften aufweisen. Der Betriebsdruck beeinflusst die Schlauchlebensdauer direkt – höherer Druck beschleunigt den Ermüdungsbruch.

Hubkolbenpumpen

Hubkolbenpumpen nutzen eine lineare Hin- und Herbewegung, um Flüssigkeit zu verdrängen. Ein Kolben, Plunger oder eine Membran bewegt sich in eine Richtung, um eine Kammer auszudehnen (wodurch ein Unterdruck entsteht, der Flüssigkeit durch ein Einlassventil ansaugt), und kehrt dann die Richtung um, um die Kammer zu komprimieren (wodurch die Flüssigkeit durch ein Auslassventil ausgestoßen wird). Jeder Hub fördert ein festes Volumen.

Im Vergleich zu Rotationspumpen erzeugen Kolbenpumpen höhere Drücke – manche erreichen über 1000 bar –, jedoch ist ihr Fördervolumen pulsierend, da die Flüssigkeit nur während des Förderhubs verdrängt wird. Mehrzylinderkonfigurationen (Duplex, Triplex) reduzieren die Pulsation durch überlappende Hübe. Kolbenpumpen benötigen zudem Rückschlagventile zur Richtungssteuerung, wodurch sie weniger geeignet sind für hochviskose oder feststoffhaltige Flüssigkeiten, die die Ventilsitze verschmutzen können.

Die drei Haupttypen sind Kolbenpumpen, Plungerpumpen und Membranpumpen.

Kolbenpumpe

Kolbenpumpen verwenden einen zylindrischen Kolben, der sich in einer Zylinderbohrung hin und her bewegt. Der Kolben ist durch Kolbenringe oder Dichtungen gegen die Zylinderwand abgedichtet (die Dichtung bewegt sich mit dem Kolben). Während des Ansaughubs bewegt sich der Kolben zurück, wodurch sich das Zylindervolumen ausdehnt und Flüssigkeit durch ein Einlass-Rückschlagventil angesaugt wird. Während des Druckhubs bewegt sich der Kolben vorwärts, komprimiert die Flüssigkeit und drückt sie durch ein Auslass-Rückschlagventil aus.

Kolbenpumpen gibt es in einfachwirkenden (Flüssigkeitsverdrängung nur auf einer Seite) und doppeltwirkenden (Flüssigkeitsverdrängung auf beiden Seiten des Kolbens). Doppeltwirkende Pumpen gewährleisten einen gleichmäßigeren Förderstrom, da sie Flüssigkeit in beide Hubrichtungen fördern.

Vorteile: Fähigkeit zur Erzeugung hoher Drücke (typischerweise 100–700 bar), guter volumetrischer Wirkungsgrad, ausgereifte Technologie mit breiter Verfügbarkeit und einstellbare Fördermenge über Hublänge oder Drehzahl. Nachteile: Pulsierender Förderstrom erfordert Dämpfer für empfindliche nachgeschaltete Prozesse, kontinuierlicher Dichtungsverschleiß (insbesondere bei hohen Drücken), nicht ideal für abrasive oder korrosive Medien und größerer Platzbedarf als Drehkolbenpumpen bei gleicher Fördermenge.

Typische Anwendungen: hydraulische Energiesysteme, Hochdruckreinigung und -wäsche, Kesselspeisewasser, Öl- und Gas-Bohrlochkopf-Injektion sowie Prüfstände, die eine kontrollierte Hochdruckausgabe erfordern.

Betriebshinweis: Kolbendichtungen sind die Hauptverschleißteile. Ihre Lebensdauer hängt vom Betriebsdruck, der Schmierfähigkeit des Mediums und der Temperatur ab. Der Betrieb mit trockenen oder schlecht geschmierten Medien führt zu schnellem Verschleiß der Dichtungen. Bei Anwendungen mit korrosiven Medien muss das Dichtungsmaterial sorgfältig ausgewählt werden – Standard-Elastomere können in aggressiven chemischen Umgebungen innerhalb weniger Stunden versagen. Die Einlassbedingungen sind von entscheidender Bedeutung: Unzureichender NPSH-Wert (Net Positive Suction Head) verursacht Kavitation, die Kolben, Zylinder und Ventilsitze beschädigt.

Kolbenpumpe

Plungerpumpen arbeiten nach dem gleichen Hubprinzip wie Kolbenpumpen, weisen aber einen entscheidenden strukturellen Unterschied auf: Der Plunger ist eine massive, glatte Stange, die sich durch eine feststehende Dichtung (Packung) bewegt. Bei einer Kolbenpumpe bewegt sich die Dichtung mit dem Kolben. Bei einer Plungerpumpe bleibt die Dichtung fixiert, und der Plunger gleitet durch sie hindurch. Dieser Unterschied ermöglicht es Plungerpumpen, deutlich höhere Drücke zu erreichen, da die feststehende Packung dicker und robuster ausgeführt werden kann, ohne die oszillierende Masse zu erhöhen.

Kolbenpumpen sind die bevorzugte Technologie für Anwendungen mit extrem hohem Druck. Industrielle Kolbenpumpen arbeiten üblicherweise mit Drücken von 500–1.500 bar, und spezielle Ausführungen erreichen 4.000 bar und mehr für Wasserstrahlschneidanwendungen.

Vorteile: Höchste Druckfähigkeit aller Verdrängerpumpen, exzellenter volumetrischer Wirkungsgrad auch bei extremen Drücken, Packungswechsel ohne Pumpenzerlegung (bei vielen Ausführungen) und präzise regelbare Fördermenge. Nachteile: Pulsierender Förderstrom (Triplex-Konfigurationen reduzieren dies deutlich), regelmäßige Nachjustierung und Austausch der Packung erforderlich, nicht geeignet für abrasive Medien (Partikel beschädigen die Kolbenoberfläche und zerstören die Dichtung) und höhere Kosten als Kolbenpumpen bei gleicher Fördermenge und moderaten Drücken.

Typische Anwendungen: Wasserstrahlschneiden, Hochdruckentzunderung in Stahlwerken, Chemikalieneinspritzung bei der Öl- und Gasförderung, Umkehrosmose-Speisepumpen sowie Hochdruckprüfungen und hydrostatische Prüfungen.

Betriebshinweis: Die Oberflächenbeschaffenheit des Kolbens ist entscheidend. Jegliche Riefen, Korrosion oder Lochfraß an der Kolbenoberfläche beeinträchtigen sofort die Dichtung der Packung und führen zu Leckagen und Druckverlust. In anspruchsvollen Anwendungen werden keramikbeschichtete oder vollkeramische Kolben aufgrund ihrer überlegenen Verschleißfestigkeit eingesetzt. Die Lebensdauer der Packung ist der wichtigste Wartungsaspekt – Stopfbuchsen sollten schrittweise nachgezogen und Packungssätze in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden, anstatt auf sichtbare Leckagen zu warten.

Membranpumpe

Membranpumpen nutzen eine flexible Membran (Membran), die sich hin und her biegt und so die Pumpenkammer abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht. Die Membran trennt das Fördermedium vollständig vom Antriebsmechanismus und gewährleistet so einen leckagefreien Betrieb – es gibt keine Wellendichtung, die versagen und gefährliche Medien in die Umwelt freisetzen könnte.

Es gibt zwei Hauptantriebsarten. Pneumatisch betriebene Doppelmembranpumpen (AODD-Pumpen) nutzen Druckluft, um zwei über eine gemeinsame Welle verbundene Membranen abwechselnd zu bewegen und so ein ausgeglichenes, selbstregulierendes System zu schaffen. Mechanisch angetriebene Membranpumpen verwenden eine motorbetriebene Kurbelwelle oder einen Nocken, um die Membran zu bewegen. Dies ermöglicht eine präzisere Durchflussregelung, erfordert jedoch einen Motor und einen mechanischen Antriebsstrang.

Vorteile: Die vollständig dichtungslose Konstruktion eliminiert das Risiko von Leckagen, sie eignet sich für korrosive, abrasive und partikelhaltige Medien, ist selbstansaugend mit hoher Saughöhe, kann trockenlaufen, ohne Schaden zu nehmen (AODD-Typ), ist tragbar und einfach zu installieren (AODD) und eigensicher (AODD – keine elektrischen Anschlüsse in explosionsgefährdeten Bereichen). Nachteile: Pulsierender Förderstrom, die Membran ist ein Verschleißteil mit begrenzter Lebensdauer, die Fördermenge ist im Vergleich zu Rotationspumpen begrenzt, der AODD-Typ verbraucht große Mengen Druckluft (energieintensiv), und für eine präzise Dosierung ist eine Pulsationsdämpfung erforderlich.

Typische Anwendungsgebiete: Chemikalientransfer (Säuren, Lösungsmittel, Laugen), Farb- und Beschichtungstransfer, Abwasserbehandlung, pharmazeutische Chargenverarbeitung, Handhabung von Lebensmittelzutaten und Bergbauschlämme.

Betriebshinweis: Die Wahl des Membranmaterials hat direkten Einfluss auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Pumpe. PTFE-Membranen sind gegenüber den meisten Chemikalien beständig, weisen jedoch eine geringere Dauerfestigkeit als elastomere Membranen auf. Santoprene und Buna-N bieten eine gute Dauerfestigkeit, jedoch einen begrenzten chemischen Beständigkeitsbereich. Bei AODD-Pumpen ist die Qualität der Druckluftversorgung entscheidend – Feuchtigkeit und Öl in der Druckluft können das Luftventil und die Membran beschädigen. Beim Pumpen von wasserbasierten Flüssigkeiten in kalten Umgebungen ist zudem ein Frostschutz erforderlich, da Eisbildung die Membran beschädigen kann.

Wie man die richtige Verdrängerpumpe auswählt

Die Pumpenauswahl beginnt mit dem Fördermedium, nicht mit der Pumpe selbst. Alle anderen Parameter – Druck, Fördermenge, Werkstoffe, Dichtungstyp – ergeben sich aus den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Fördermediums. Ingenieure, die zunächst Pumpenkataloge durchsehen, bevor sie ihr Fördermedium vollständig charakterisiert haben, entscheiden sich oft für eine Pumpe, die zwar auf dem Papier funktioniert, aber im praktischen Einsatz innerhalb weniger Monate ausfällt.

Beginnen wir mit den Fluideigenschaften

Die Viskosität ist der erste Filter. Unterhalb von 100 cP arbeiten die meisten Verdrängerpumpen zufriedenstellend. Zwischen 100 und 10.000 cP sind Zahnrad- und Schraubenpumpen die bevorzugte Wahl, da ihr Wirkungsgrad mit steigender Viskosität zunimmt. Oberhalb von 10.000 cP sind Innenzahnradpumpen und Exzenterschneckenpumpen in der Regel die einzigen praktikablen Optionen. Drehkolbenpumpen eignen sich gut für Flüssigkeiten mit mittlerer Viskosität, verlieren jedoch bei sehr dünn- oder sehr dickflüssigen Medien an Wirkungsgrad.

Der Feststoffgehalt ist der zweite Filter. Enthält die Flüssigkeit harte, abrasive Partikel, scheiden Zahnrad- und Flügelzellenpumpen aus – ihre eng tolerierten Oberflächen verschleißen schnell. Membranpumpen, Schlauchpumpen und Exzenterschneckenpumpen sind abrasiven Medien gegenüber unempfindlich. Drehkolbenpumpen fördern weiche Feststoffe (Lebensmittelpartikel, Schlamm), jedoch keine harten, abrasiven Stoffe.

Die chemische Beständigkeit bestimmt die Materialauswahl für alle medienberührenden Teile. Korrosive Säuren und Lösungsmittel schließen viele Standardwerkstoffe aus. PTFE-ausgekleidete Membranpumpen, fluorierte Kunststoff-ausgekleidete Magnetzahnradpumpen und Pumpen mit Keramikeinsätzen eignen sich für aggressive chemische Umgebungen. Extreme Temperaturen schränken die Materialauswahl zusätzlich ein – Elastomerdichtungen, Statoren und Membranen haben obere Temperaturgrenzen, die nicht überschritten werden dürfen.

Prozessanforderungen definieren

Die erforderliche Fördermenge schränkt die Auswahl der Pumpengröße ein. Der erforderliche Förderdruck bestimmt den Pumpentyp – Zahnrad- und Flügelzellenpumpen arbeiten typischerweise bis 25 bar, Schraubenpumpen bis 80 bar, Kolbenpumpen bis 700 bar und Plungerpumpen bis 1500 bar und darüber hinaus.

Die Dosiergenauigkeit ist bei Dosieranwendungen entscheidend. Zahnradpumpen und mechanisch angetriebene Membranpumpen bieten die höchste Genauigkeit (±1 % oder besser). AODD-Pumpen weisen die geringste Präzision auf (±5–10 %). Auch die Pulsationstoleranz sollte berücksichtigt werden: Sind nachgelagerte Prozesse empfindlich gegenüber Durchflussschwankungen, sind Schraubenpumpen und Innenzahnradpumpen aufgrund ihres gleichmäßigen Förderstroms vorzuziehen.

Berücksichtigen Sie das Betriebsumfeld

Die Klassifizierung explosionsgefährdeter Bereiche kann den Einsatz magnetgekuppelter (dichtungsloser) Pumpen erfordern, um Leckagen an der Wellendichtung vollständig zu vermeiden. Platzmangel spricht für kompakte Drehkolbenpumpen gegenüber Kolbenpumpen. Die Wartungsfreundlichkeit vor Ort sollte die Auswahl beeinflussen: AODD-Pumpen sind mit einfachem Werkzeug wartungsfähig, während Doppelschraubenpumpen geschulte Techniker und Ausrichtungsverfahren erfordern.

Die folgende Tabelle bietet eine Schnellübersicht über die wichtigsten PD-Pumpentypen.

Trends in der Verdrängerpumpentechnologie

Die Branche der Verdrängerpumpen bewegt sich gleichzeitig in drei Richtungen: Materialinnovationen für extreme Umgebungen, Verbesserungen der Antriebssystemeffizienz und intelligentere Integration mit Prozessleitsystemen.

Im Bereich der Werkstoffe ersetzen technische Polymere wie PEEK (Polyetheretherketon) und PPS (Polyphenylensulfid) traditionelle Metalle in Pumpenkomponenten, die korrosiven und hochtemperierten Medien ausgesetzt sind. PEEK-Laufräder und Isolierhülsen gewährleisten Dimensionsstabilität bei Temperaturen, bei denen sich PTFE verformen würde, und bieten gleichzeitig eine höhere chemische Beständigkeit als Edelstahl. Hastelloy-Legierungen eignen sich für Anwendungen, bei denen selbst austenitischer Standard-Edelstahl der Korrosion nicht standhält. Keramische Lager und Isolierhülsen verhindern Metall-auf-Metall-Verschleiß in Magnetkupplungspumpen und verlängern so die Lebensdauer im Dauerbetrieb in chemischen Anwendungen. Diese fortschrittlichen Werkstoffe werden bereits in der Produktion eingesetzt – beispielsweise verwendet Aulank Keramik-, PEEK-, PPS- und Hastelloy-Komponenten in seinen Zahnrad- und Flügelzellenpumpen für extreme Temperaturen und chemische Anwendungen von -196 °C bis +400 °C.

Die Antriebstechnik entwickelt sich hin zu Permanentmagnet-Synchronmotoren und Magnetkupplungen, wodurch die Wellendichtung – traditionell das störungsanfälligste Bauteil in Pumpen – entfällt. Dichtungslose Magnetantriebe erreichen absolute Leckagefreiheit, eine regulatorische und betriebliche Anforderung in der Chemie-, Halbleiter- und Pharmaindustrie. Schrägverzahnte Zahnräder in Verdrängerpumpen reduzieren die Getriebepulsationen und verlängern die Lebensdauer der Zahnräder im Vergleich zu geradverzahnten Zahnrädern.

Die Prozessintegration sieht heute vor, dass Pumpen standardmäßig frequenzgesteuert sind, nicht mehr nur optional. Die Frequenzumrichtersteuerung ermöglicht die Durchflussanpassung in Echtzeit ohne mechanische Eingriffe, verbessert die Energieeffizienz und reduziert den Verschleiß bei Teillast. Zustandsüberwachungssysteme – mit Vibrationssensoren, Temperaturfühlern und Stromverbrauchsmessung – werden in die Pumpensysteme integriert, um vorausschauende Wartung anstelle reaktiver Störungsbehebung zu ermöglichen.

Auswahl aus der Praxis: Fallbeispiele

Szenario 1: Hochtemperatur-Thermoölzirkulation bei 350 °C

Ein Hersteller von Wärmeregelungsanlagen benötigt eine Pumpe zur Zirkulation von synthetischem Thermoöl bei 350 °C durch den Reaktormantel. Die Ölviskosität sinkt bei Betriebstemperatur auf ca. 0,5 cP, und das System benötigt 5 l/min bei 3 bar mit absolut keiner Leckagetoleranz, da das Öl brennbar ist.

Bei dieser Temperatur verschleißen Elastomerdichtungen innerhalb weniger Wochen. Eine Gleitringdichtungspumpe würde eine kostspielige Doppeldichtung mit Sperrflüssigkeit erfordern. Die praktikable Lösung ist eine magnetgekuppelte Zahnradpumpe mit hochtemperaturbeständigen Magnetwerkstoffen und Keramiklagern. Die dichtungslose Konstruktion eliminiert das Leckagerisiko vollständig, die Keramiklager bewältigen die geringe Schmierfähigkeit dünnflüssigen, heißen Öls, und die Zahnradpumpenstruktur gewährleistet einen stabilen, dosierbaren Förderstrom. Diese rotierende Verdrängerpumpe wird durch die Anforderungen an absolute Dichtheit und die Temperaturbegrenzung, nicht durch Viskosität oder Druck, bestimmt.

Szenario 2: Chemische Dosierung von konzentrierter Schwefelsäure

Eine Wasseraufbereitungsanlage muss konzentrierte Schwefelsäure (98 % H₂SO₄) mit einer Dosierung von 500 ml/min ±2 % in einen Neutralisationsbehälter einleiten. Die Säure greift die meisten Metalle und Elastomere an. Der Kontakt mit den Bedienern muss unbedingt vermieden werden.

Zahnradpumpen mit PTFE- oder PFA-ausgekleideten medienberührenden Teilen sind chemisch beständig, erfordern jedoch für die Dosierung bei dieser geringen Fördermenge enge interne Toleranzen. Eine mechanisch angetriebene Membrandosierpumpe mit PTFE-Membran und Keramik-Rückschlagventilen bietet die erforderliche Genauigkeit von ±1 % und schließt gleichzeitig jegliche Leckage aus. Alternativ bietet eine magnetgekuppelte Zahnradpumpe mit Fluorpolymer-Auskleidung einen kontinuierlichen Förderstrom anstelle eines pulsierenden, was bei Prozessen mit hoher Empfindlichkeit gegenüber Durchflussschwankungen von Vorteil sein kann.

Szenario 3: Klebstoffauftrag bei 50.000 cP

Ein Klebstoffhersteller muss Schmelzklebstoff mit einer Viskosität von 50.000 cP aus einem beheizten Vorratsbehälter in Abfüllmaschinen fördern. Der Klebstoff ist sauber (frei von Feststoffen) und erfordert eine gleichmäßige Fließgeschwindigkeit für ein einheitliches Packungsgewicht. Die Temperatur beträgt 120 °C.

Bei einer Viskosität von 50.000 cP scheiden Kreiselpumpen aus – sie können diese Flüssigkeit nicht fördern. Eine Flügelzellenpumpe würde blockieren oder Kavitation aufweisen. Zur Auswahl stehen eine Innenzahnradpumpe und eine Exzenterschneckenpumpe. Beide eignen sich gut für diese Viskosität. Die Zahnradpumpe punktet durch ihre kompaktere Bauweise, die gleichmäßigere Fördermenge (geringere Pulsation als bei einer Einschneckenpumpe) und die höhere Reinheit (kein Stator-Elastomer, das Partikel in den Klebstoff abgeben könnte). Eine Innenzahnradpumpe mit Heizmantel und Magnetantrieb bietet die sauberste Lösung für diese Anwendung.

Szenario 4: Thermische Batterieprüfung mit Silikonöl bei -40 °C bis +150 °C

Ein Hersteller von Testgeräten für Elektrofahrzeugbatterien benötigt eine Pumpe zur Zirkulation einer silikonbasierten Wärmeträgerflüssigkeit durch die Testkammern der Batteriemodule. Die Viskosität der Flüssigkeit schwankt im Temperaturbereich drastisch – von über 20.000 cP bei -40 °C bis unter 5 cP bei +150 °C. Das System muss unabhängig von den Viskositätsänderungen einen stabilen Durchfluss von 2–8 l/min gewährleisten, absolut leckagefrei sein (das Testlabor ist eine Reinraumumgebung) und einen kontinuierlichen 24/7-Betrieb über Tausende von Testzyklen hinweg ermöglichen.

Diese Anwendung schließt die meisten Verdrängerpumpentypen sofort aus. Flügelzellenpumpen sind für die hohe Viskosität im kalten Bereich ungeeignet. Membranpumpen bieten nicht die für Temperaturregelkreise erforderliche Dosiergenauigkeit. Schraubenpumpen sind für diesen Fördermengenbereich überdimensioniert. Eine Gleitringdichtungspumpe birgt in einer Reinraumumgebung ein inakzeptables Leckagerisiko, wenn die Flüssigkeit bei hohen Temperaturen dünnflüssiger wird.

Die Lösung ist eine magnetisch angetriebene Zahnradpumpe mit Weittemperatur-Magnetwerkstoffen, Keramiklagern und internen Komponenten aus PEEK oder PPS. Die Zahnradpumpenkonstruktion gewährleistet einen gleichbleibenden volumetrischen Wirkungsgrad über den gesamten Viskositätsbereich – im kalten, hochviskosen Bereich verbessert sich der Wirkungsgrad sogar. Der Magnetantrieb macht die Wellendichtung überflüssig und erfüllt somit die Anforderung der absoluten Dichtheit. Die Keramiklager tolerieren sowohl das schwer schmierende, heiße Öl als auch die hohen Belastungen beim Kaltstart ohne Metall-auf-Metall-Verschleiß. In diesem Anwendungsfall erfordern die extremen Temperaturschwankungen und die Viskositätsvariation gemeinsam eine dichtungslose Rotationsverdrängerpumpe – und die Werkstofftechnik ist ebenso wichtig wie die hydraulische Auslegung.

Erfahren Sie mehr über diese Anwendung: Pumpenlösungen für thermische Prüfungen von Elektrofahrzeugbatterien.

Aulank Verdrängerpumpen-Serie

Verdrängerpumpe von Aulank Die Produktlinie umfasst Zahnrad- und Flügelzellenpumpen in Ausführungen, die für extreme Temperaturen und den Einsatz in chemischen Medien ausgelegt sind. Alle Zahnradpumpenmodelle sind mit Magnetantrieb oder Gleitringdichtung und fortschrittlichen Materialsystemen ausgestattet, darunter Keramik-Isolierhülsen, PEEK/PPS-Laufräder, schrägverzahnte Zahnräder aus 42CrMo-Stahl und Keramiklager.

Für die Abstimmung der Betriebsbedingungen und die Modellauswahl wenden Sie sich bitte an den/die Aulank-Ingenieurteam mit Angabe Ihres Medientyps, Temperaturbereichs, Durchflussrate und Druckanforderungen.

Häufig gestellte Fragen

Welche Haupttypen von Verdrängerpumpen gibt es?

Verdrängerpumpen lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Rotations- und Kolbenpumpen. Zu den Rotationspumpen zählen Zahnradpumpen, Flügelzellenpumpen, Schraubenpumpen, Drehkolbenpumpen und Schlauchpumpen – sie fördern Flüssigkeiten durch eine kontinuierliche Drehbewegung. Kolbenpumpen umfassen Kolbenpumpen, Plungerpumpen und Membranpumpen – sie nutzen eine lineare Hin- und Herbewegung mit Rückschlagventilen zur Steuerung der Förderrichtung. Insgesamt gibt es acht weit verbreitete Verdrängerpumpentypen, die in verschiedenen industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen.

Worin besteht der Unterschied zwischen Drehkolben- und Hubkolbenpumpen?

Der Hauptunterschied liegt in der Bewegung des Verdrängungselements. Bei Rotationspumpen rotieren Zahnräder, Schrauben oder Kolben kontinuierlich und erzeugen so einen relativ gleichmäßigen, pulsationsarmen Förderstrom. Bei Kolbenpumpen hingegen bewegt sich ein Kolben, Plunger oder eine Membran hin und her, was zwar einen pulsierenden Förderstrom erzeugt, aber deutlich höhere Drücke ermöglicht. Rotationspumpen werden typischerweise für viskose Flüssigkeiten und den kontinuierlichen Förderprozess bevorzugt. Kolbenpumpen eignen sich besser für Hochdruckanwendungen und die präzise Dosierung von Chemikalien. Rotationspumpen sind im Allgemeinen kompakter und leiser, während Kolbenpumpen eine höhere Druckleistung bieten – Plungerpumpen können Drücke von über 1500 bar erreichen.

Welche drei Pumpentypen gibt es?

Die drei grundlegenden Pumpenkategorien im Maschinenbau sind Verdrängerpumpen, Kreiselpumpen (rotodynamische Pumpen) und Axialpumpen. Verdrängerpumpen fördern ein bestimmtes Volumen durch das System – sie liefern einen konstanten Volumenstrom unabhängig vom Druck. Kreiselpumpen nutzen ein rotierendes Laufrad, um Geschwindigkeit in Druck umzuwandeln – ihr Volumenstrom variiert mit dem Systemwiderstand. Axialpumpen verwenden ein propellerartiges Laufrad, um große Volumenströme bei niedrigem Druck zu fördern. In der industriellen Praxis machen Verdrängerpumpen und Kreiselpumpen den Großteil der Installationen aus.

Welche Verdrängerpumpe wird am häufigsten verwendet?

Die Zahnradpumpe ist die am häufigsten eingesetzte Verdrängerpumpe in verschiedenen Industriezweigen. Ihre Beliebtheit beruht auf einer Kombination von Faktoren: einfacher Aufbau mit wenigen beweglichen Teilen, zuverlässige Leistung über einen breiten Viskositätsbereich, hohe Dosiergenauigkeit, kompakte Bauweise und vergleichsweise geringe Kosten im Vergleich zu anderen Verdrängerpumpen. Außenzahnradpumpen dominieren in der Kraftstoff-, Schmier- und Hydrauliktechnik, während Innenzahnradpumpen in der chemischen Industrie, der Lebensmittelproduktion und in Präzisionsdosieranwendungen weit verbreitet sind.

Ist eine Kreiselpumpe eine Verdrängerpumpe?

Nein. Eine Kreiselpumpe ist eine kinetische (rotodynamische) Pumpe, keine Verdrängerpumpe. Die beiden Pumpentypen arbeiten nach grundlegend verschiedenen Prinzipien. Eine Kreiselpumpe nutzt ein rotierendes Laufrad, um die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zu erhöhen und diese anschließend über ein Spiralgehäuse oder einen Diffusor in Druck umzuwandeln. Ihre Fördermenge hängt vom Systemdruck ab – mit steigendem Gegendruck sinkt die Fördermenge. Eine Verdrängerpumpe hingegen schließt ein festes Volumen ein und befördert es durch das System, sodass die Fördermenge unabhängig von Druckänderungen konstant bleibt. Kreiselpumpen eignen sich am besten für niedrigviskose, wasserähnliche Flüssigkeiten bei hohen Fördermengen, während Verdrängerpumpen für viskose Flüssigkeiten, Hochdruckanwendungen und Dosieranwendungen bevorzugt werden.

Welcher Verdrängerpumpentyp eignet sich am besten für hochviskose Flüssigkeiten?

Für hochviskose Flüssigkeiten über 10.000 cP sind Innenzahnradpumpen und Exzenterschneckenpumpen (Einschneckenpumpen) die effektivsten Optionen. Innenzahnradpumpen bieten geringe Scherkräfte, einen gleichmäßigen Förderstrom und einen mit steigender Viskosität zunehmenden Wirkungsgrad. Exzenterschneckenpumpen eignen sich besonders für viskose Flüssigkeiten mit Feststoffanteilen oder Scherempfindlichkeit. Für mittelviskose Flüssigkeiten (100–10.000 cP) sind Außenzahnradpumpen und Doppelschneckenpumpen ebenfalls gute Alternativen. Flügelzellenpumpen und Drehkolbenpumpen arbeiten im niedrigen bis mittleren Viskositätsbereich zufriedenstellend, verlieren jedoch bei sehr hohen Viskositäten an Effizienz.

Kann eine Verdrängerpumpe trocken laufen?

Die meisten Verdrängerpumpen dürfen nicht trockenlaufen. Zahnrad-, Flügelzellen-, Schrauben- und Drehkolbenpumpen benötigen das Fördermedium zur Schmierung und Kühlung ihrer Innenflächen – Trockenlauf führt zu schneller Überhitzung, Riefenbildung und Festfressen. Ausnahmen bilden pneumatische Membranpumpen (AODD-Pumpen) und Schlauchpumpen, die ohne Beschädigung trockenlaufen können, da ihre Pumpenelemente (Membran bzw. Schlauch) nicht auf Flüssigkeitsschmierung angewiesen sind. Einige spezielle Magnetkupplungspumpen verfügen über einen Trockenlaufschutz, der einen begrenzten Trockenlauf ermöglicht. Dies ist jedoch eine konstruktionsspezifische Eigenschaft und kein allgemeines Merkmal von Verdrängerpumpen.

Warum benötigen Verdrängerpumpen Druckbegrenzungsventile?

Verdrängerpumpen fördern unabhängig von den nachfolgenden Bedingungen ein festes Volumen pro Zyklus. Bei geschlossenem Auslassventil oder Verstopfung der Leitung drückt die Pumpe weiterhin Flüssigkeit in das geschlossene System, wodurch sich der Druck erhöht, bis ein Bauteil versagt – beispielsweise eine Rohrverbindung, eine Dichtung, das Pumpengehäuse oder sogar der Motor überlastet wird. Ein Druckbegrenzungsventil bietet einen Bypass, der sich bei einem voreingestellten Druck öffnet und den Förderstrom zurück zur Saugseite oder in einen Rücklaufbehälter umleitet. Dies ist eine zwingende Sicherheitsvorkehrung für alle Verdrängerpumpenanlagen. Kreiselpumpen benötigen diesen Schutz nicht, da ihr Förderstrom bei geschlossenem Ventil ohnehin auf null sinkt.