Von Feindosierung bis Großmengen

Andreas Mühlbauer,

Präzise fördern mit Kolbenpumpen

Kolbenpumpen lassen sich sehr gut regeln und ihre Fördermenge lässt sich präzise einstellen. Damit eignen sich die flexiblen und robusten Geräte für viele Anwendungen von der feinsten Dosierung im Labor bis hin zu großen Fördermengen in der Industrie. 

Präzisions-Mikro-Doppelkolbenpumpen finden häufig im Laborbetrieb Verwendung. © Reichelt Chemietechnik

Pumpen finden sich in der Industrie in zahlreichen Varianten zum An- und Absaugen sowie Fördern von Flüssigkeiten und Gasen. Eine technisch wie wirtschaftlich wichtige Kategorie sind Kolbenpumpen. Ihr Prinzip ist schon sehr lange bekannt, bereits die Griechen und Römer nutzten Kolbenpumpen zum Heben von Wasser aus Brunnen und Flüssen. Heutzutage sind sie dank ihrer Zuverlässigkeit bei geringem Wartungsaufwand in vielen Labor- und Industriebereichen als Förderpumpen unverzichtbar. Dazu gehören Dosierpumpen, über die in der Pharma-, Lebensmittel- oder Chemieindustrie das Zufügen von Additiven oder Reaktionskomponenten in laufende Prozesse erfolgt, und hochpräzise arbeitende Kolbenpumpen in modernen HPLC-Anlagen und Analysenautomaten. Aber auch für die Trinkwasserversorgung, für landwirtschaftliche Bewässerungs- und Beregnungsanlagen und für die Abwasserwirtschaft sowie robuste Mörtel- und Betonpumpen für das Baugewerbe eignet sich dieser Pumpentyp.

Kolbenpumpen sind Verdrängungspumpen. Ihr grundlegendes Funktionsprinzip ist einfach: Ein Kolben wird axial in einen dazu passgenauen Zylinder gedrückt und verdrängt dabei das darin befindliche Medium. Um einen andauernden Förderprozess zu erreichen, ist der Zylinder mit zwei gegenläufig sich schließenden Ventilen ausgerüstet. Beim Herausdrücken des Mediums öffnet sich eins der beiden Ventile, das Auslassventil, während sich das andere Ventil schließt. Bei der Rückführung des Kolbens schließt sich das Auslassventil, wohingegen sich nun das zweite Ventil, das Ansaugventil, öffnet und der Zylinder sich mit dem zu fördernden Medium wieder füllt.

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Durch fortwährendes, bei modernen Pumpen elektronisch gesteuertes Hin-und-her-Bewegen des Kolbens, bei dem sich der Zylinder bei jedem Hub selbsttätig wieder füllt, kommt der anhaltende Förderprozess zustande.

Die pulsationsarme und sehr robusten Taumelkolben-Dosierpumpe eignen sich gut für den für den Dauerbetrieb. © RCT

Als einfachste Ausführung einer Kolbenpumpe ist die im Medizinbereich übliche Injektionsspritze anzusehen. Sie erfüllt das grundlegende Prinzip einer Verdrängungspumpe. Da ihr jedoch die Ventile für den Ein- und Auslass des Mediums fehlen, muss der Kolben nach jeder Leerung separat wieder gefüllt werden, bevor der nächste Fördervorgang beginnen kann. Deshalb kann ein andauernder Förderprozess nicht zustande kommen. Er ist mit dem Leeren des Kolbens beendet. Injektionsspritzen werden außerhalb des Medizinbereichs vor allem bei chemischen Laborarbeiten als praktische Dosierhilfe verwendet. Eine davon abgewandelte, technisch perfektionierte Form der Injektionsspritze ist die Kolbenhubpipette für die Dosierung von Flüssigkeiten im Mikro- und Milliliterbereich. Sie wird verkürzt auch „Mikropipette“ genannt.

Einkolben-Pumpsysteme

Einfache Pumpen arbeiten mit nur einem Kolben. Einkolben-Pumpen eignen sich zum Fördern und Dosieren von Flüssigkeiten, Suspensionen oder auch viskosen Lösungen. Durch ihre Robustheit sind sie vor allem als Chemiepumpen für den Dauerbetrieb geeignet und als Förderpumpen sowohl für geringe als auch größere Mengen geeignet.

Der Nachteil von Einkolbenpumpen ist, dass während der Wiederfüllung des Zylinders der Druck kurzzeitig absinkt, um danach, mit dem Herausdrücken des Mediums, spontan wieder anzusteigen. Hierdurch entstehen erhebliche Druckstöße in den Leitungen, die nicht nur die Dichtigkeit und Druckfestigkeit des Systems insgesamt belasten, sondern auch nur einen pulsierenden Förderstrom zulassen.

Doppelkolbenpumpen verhindern Druckschwankungen

Systeme mit Doppelkolbenpumpen weisen dagegen nur minimale bis gar keine Druckschwankungen auf, wenn die Arbeitsrhythmen, der Hub der beiden Kolben, durch mechanische oder elektronische Steuerung so aufeinander abgestimmt sind, dass während der Füllung des einen Zylinders der andere gleichzeitig entleert wird. Technisch hochentwickelte Doppelkolbenpumpen lassen auch bei hohen Drücken einen pulsationsfreien Fluss zu. Sie finden deshalb häufig als High-Tech-Förderpumpen im Bereich der Hochleistungs-Flüssigchromatographie Verwendung.

Taumelkolbenpumpen sind eine weitere Variante der Förderpumpen. Sie arbeiten ventillos und sind entfernt mit der Funktionsweise des Zweitakt-Motors vergleichbar. Während des Pumpvorgangs dreht sich der mit zwei eingefrästen, gegenüberliegenden Kanälen ausgestattete Kolben in dem Zylinder und gibt dabei entweder den Medieneinlass oder den Medienauslass frei. Die Fördermenge lässt sich bei dieser Kolbenpumpe bei gleichbleibender Drehzahl allein durch Änderung des Kolbenhubs sehr präzise und stufenlos einstellen. Dazu wird die Neigung des Pumpenkopfs verändert und damit der Kolbenhub angepasst.

Taumelkolbenpumpen wie die Mikro-Dosierpumpe E-1500-MP von Reichelt Chemietechnik (RCT) sind pulsationsarme, sehr robuste Pumpen für den Dauerbetrieb, deren Kolben und Zylinder aus Korund und alle anderen, medienberührenden Teile aus inerten Kunststoffen gefertigt sind. Damit eignen sich Taumelkolbenpumpen vor allem als Dosier- und Förderpumpen für chemisch aggressive und abrasive Medien.

Präzise Dosierung

Kolbenpumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre Robustheit und präzise Arbeitsweise aus. Sie werden in der Chemietechnik sowie als Dosier- und Förderpumpen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie sowie vielen anderen Bereichen der Industrie und Laboratorien genutzt. Die Förderleistung reicht von wenigen Millilitern pro Minute, was für analytische Anwendungen und präzise Dosierungen wichtig ist, bis zu mehreren Litern pro Minute. Damit sind Kolbenpumpen insbesondere für die Prozesstechnik von hohem Interesse.

Niederdruck-Förderpumpe für kritische Medien mit einem 24-V-Niederspannungsantrieb. © RCT

Durch die Möglichkeit der Förderung kleinster Volumina kommen Kolbenpumpen auch im Laborbereich sehr häufig zum Einsatz. Damit lassen sich anorganische oder organische Medien, aber auch viskose Lösungen, Suspensionen, dünnflüssige Schlämme und auch Pasten fördern. Ein- und Zwei-Kolbenpumpen sind über moderne, meist mikroprozessorgesteuerte Antriebe regelbar, die das Einstellen der Förderleistung ermöglichen. Der netzunabhängige Betrieb der Kolbenpumpen ist ebenfalls möglich – und damit der mobile Einsatz, wie er zum Beispiel für die Umweltanalytik oft notwendig ist.

Bei Taumelkolbenpumpen wird hingegen der Kolbenhub mechanisch verändert und so die gewünschte Förderleistung eingestellt. Um ihre Robustheit zu gewährleisten, kommen unterschiedliche Materialien für die Pumpenköpfe zum Einsatz  – so etwa resistente Kunststoffe wie PVDF, PTFE oder ETFE. Kolben und Zylinder bestehen aus inertem Sinter-Korund.

Weitere Arten von Förderpumpen für unterschiedlichste Anforderungen

Je nach Fragestellung, Anwendungsbereich und Anforderungen kommen neben den Kolbenpumpen auch andere Förderpumpen zum Einsatz. Sie unterscheiden sich durch die ihr zugrunde liegende Technik und Funktionsweise. Zu nennen sind hier beispielsweise Zahnradpumpen, Membranpumpen und Kreiselpumpen, aber auch Schlauchpumpen.

Die Taumelkolben-Mikro-Dosierpumpe E-1500-MP von Reichelt Chemietechnik. © Reichelt Chemietechnik

Zahnradpumpen und Membranpumpen unterscheiden sich technisch zwar wesentlich voneinander, gleichen aber in ihren Anwendungsbereichen den bereits aufgeführten Pumpensystemen – sowohl im Hinblick auf ihre Robustheit als auch in ihren Förderleistungen. Kreiselpumpen, die auch als Zentrifugalpumpen bezeichnet werden, sind Förderpumpen für sehr hohe Durchsätze. Sie kommen deshalb meist nur in Industrieanlagen zum Einsatz.

Schlauchpumpen, auch Peristaltikpumpen genannt, sind dagegen fast ausschließlich im Laborbetrieb zu finden. Ihre Förderleistungen bewegen sich im Bereich von wenigen Millilitern bis zu einigen hundert Millilitern in der Stunde. Sie arbeiten sehr zuverlässig und sind auch für den Dauerbetrieb geeignet. Zum Einsatz kommen sie vor allem bei der Niederdruck-Chromatographie, für Spülvorgänge oder zum Abpumpen von Prozesslösungen. Die Auswahl einer Pumpe wird immer von den praktischen Anforderungen bestimmt. Genauso wichtig ist die Frage nach der gewünschten Dosierleistung und Präzision.

Kolbenpumpen erfüllen viele von der Praxis bestimmte Anforderungen und kommen deshalb vorzugsweise in der chemischen Prozesstechnik sowie der Pharma-, Lebensmittel- und Biotechnologie zur Anwendung, wo man auf robuste und zugleich präzise Förderpumpen angewiesen ist.

Dr. Karl-Heinz Heise, Chefredakteur bei Reichelt Chemietechnik / am

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