Hochdruckpumpen Vergleich und Gegenüberstellung

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Autor: Martin Habla, COMI GROUP

Vortrag von Martin Habla, COMI GROUP am Deutschen Schneidkongress® 25.04.2023

Historie und Übersicht über alle Themen am: Deutschen Schneidkongress® 2023 und Deutschen Brennschneidtag® 2023

Welche Hochdruckpumpe eignet sich für welche Anwendung? Vor- und Nachteile, Eigenschaften, Grenzen

Übersicht über Hochdruckpumpen

Grob gesagt wird zwischen zwei Pumpenarten unterschieden – den Druckübersetzerpumpen und den direktangetriebenen Pumpen. Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über einige der führenden Hersteller von Hochdruckpumpen:

Übersicht über Hochdruckpumpen. Quelle: BFT GmbH; Flow, Hammelmann, Hypertherm, Omax, KMT, Perndorfer, Techni, Thyssen Krupp UHDE
Übersicht über Hochdruckpumpen. Quelle: BFT GmbH; Flow, Hammelmann, Hypertherm, Omax, KMT, Perndorfer, Techni, Thyssen Krupp UHDE
Funktionsweise Druckübersetzerpumpe. Quelle: KMT
Funktionsweise Druckübersetzerpumpe. Quelle: KMT

Wie funktioniert eine Druckübersetzerpumpe?

Ein Elektromotor treibt die Axialkolbenpumpe an, wodurch Hydrauliköl in den Druckübersetzer gefördert wird. Über einen Druckspeicher, der notwendig ist, um Druckunterschiede von ca. 1.500bar auszugleichen, gelangt das Hochdruck (HD)-Wasser zum Schneidkopf. Bei geschlossenem Schneidventil befindet sich die Axialkolbenpumpe im Leerlauf.

  • Die 4.000 bar-Druckübersetzerpumpe im herkömmlichen Sinn entspricht dem Industriestandard, ist seit Jahren mit niedriger Störungsanfälligkeit im Einsatz und bedarf einer einfachen Wartung. Allerdings besitzt sie einen geringen Wirkungsgrad von ca. 60 - 67 % und es wird Hydrauliköl benötigt.
  • Vor dem Hintergrund der hohen Energiekosten stellt ein weiterer Nachteil dar, dass elektrische Energie verbraucht wird, solange sich der Axialkolbenpumpe im Leerlauf befindet.
  • Dem gegenüber hat eine Druckübersetzerpumpe mit 6.000 bar, die ähnlich zur 4.000 bar-Maschine aufgebaut ist, die Vorteile, dass sie schneller und dicker schneidet und weniger Abrasivmittel verbraucht.
  • Zu den Nachteilen der 6.000 bar-Pumpe kommen hohe Verschleißkosten an z. B. Dichtungen.
  • Ein einfacher Austausch einer 4.000 zu einer 6.000 bar-Pumpe ist nicht ohne weiteres möglich, da andere Schneidköpfe und höher ausgelegte HD-Leitungen (HD=Hochdruckleitungen) benötigt werden, was einen Mehraufwand beim Schneidtischbau bedeutet.
Funktionsprinzip Druckübersetzerpumpe mit Servoantrieb. Quelle: BFT
Funktionsprinzip Druckübersetzerpumpe mit Servoantrieb. Quelle: BFT

Während der Aufbau einer Druckübersetzerpumpe mit Servoantrieb identisch ist, liegt hier jedoch ein anderes Antriebskonzept vor: Nicht ein Elektromotor, sondern ein Servomotor treibt statt einer Axialkolbenpumpe eine Innenzahnradpumpe an. Anders als bei der elektronisch betriebenen Pumpe schaltet die Steuerung der Pumpe bei geschlossenem Schneidventil ab, sodass nahezu keine elektrische Energie verbraucht wird.

  • Anderen Modellen gegenüber bedeutet das eine Einsparung von ca. 24 % an elektrischer Energie.
  • Als weiterhin vorteilhaft erweist sich der niedrige Einstechdruck von ca. 100 bar (zum Vergleich: 400 - 500 bar bei herkömmlichen Hochdruckpumpen), was das Delaminieren des Materials vermeidet. Dadurch können bestimmte Materialien (z. B. Glasfaser, Kohlefaser) besser bearbeitet werden.
  • Die servoangetriebene Pumpe unterliegt geringeren Druckschwankungen von etwa 1 - 2 %.
  • Die Wartung ist ebenso einfach.
  • Einzig der geringe Wirkungsgrad sowie die Nutzung von Hydrauliköl stellen auch bei dieser Pumpe einen gewissen Nachteile dar.
Elektrisch angetriebenen Druckübersetzerpumpe. Quelle: Techni Waterjet
Elektrisch angetriebenen Druckübersetzerpumpe. Quelle: Techni Waterjet

Elektrisch angetriebene Druckübersetzerpumpe

Bei einer elektrisch angetriebenen Druckübersetzerpumpe treibt ein Servomotor eine Kugelumlaufspindel an, dadurch entfällt die komplette Hydraulik, sodass auch kein Hydrauliköl benötigt wird.

Neben den bereits genannten Vorteilen einer Druckübersetzerpumpe mit Servomotor ist diese besonders leise (60 dBA).

Nachteilhaft stellt sich der relativ hohe Preis dar und dass zusätzlich ein Kühlaggregat notwendig ist, was wiederum einen zusätzlichen Energieverbrauch (ca. 7 kW) bedeutet.

Direktangetriebene Hochdruckpumpe. Quelle: OMAX
Direktangetriebene Hochdruckpumpe. Quelle: OMAX

Direktangetriebene Hochdruckpumpen verwenden einen Kurbelwellenantrieb, der durch einen Servomotor angetrieben wird.

  • Mit Hilfe einer Drehzahlregelung lassen sich die Wassermenge und der Wasserdurchfluss bestimmen.
  • Diese Pumpen besitzen den einen höheren Wirkungsgrad von ca. 89 - 90 %
  • Sie erzeugen ein hohes Wasservolumen und haben mittlerweile auch sehr lange Dichtungsstandzeiten.
  • Da die Wartung sich auf den kompletten Pumpenkörper bezieht, erhöht dies im Vergleich zu den anderen Pumpen den Wartungsaufwand.

Welche Hochdruckpumpe für welche Anwendung?

Auf die Frage, ob es Hochdruckpumpen für bestimmte Anwendungen gibt, kann keine klare Antwort gegeben werden. Aber bestimmte Pumpen sind aufgrund ihrer Leistung für bestimmte Anwendungen besser geeignet als andere:

  • Hochdruckübersetzerpumpen von 11 kW – 110 kW mit entsprechenden Förderleistung von 1,1 - 11,4 Liter/min
  • Direktangetriebene Hochdruckpumpen 20 kW – 55 kW mit entsprechender Förderleistung von 2,2 – 8,4 Liter/min
  • Es gibt Purwasser- und Abrasiv-Anwendungen
    • kleine Düsendurchmesser bedeutet geringes Durchflussvolumen
    • Abrasivstrahlanwendungen erfordern größere Düsen, was ein höheres Wasservolumen bedeutet
  • Purwasseranwendungen sind typischerweise im Lebensmittelbereich und überall dort, wo weiche Materialien verarbeitet werden, im Einsatz

Die nachfolgende Abbildung zeigt, den Zusammenhang zwischen Düsengröße, Betriebsdruck, Düsenanzahl und Pumpengröße.

Welche Hochdruckpumpe für welche Anwendung? Quelle: BFT GmbH
Welche Hochdruckpumpe für welche Anwendung? Quelle: BFT GmbH

Fazit

Es gibt nicht die eine Hochdruckpumpe für den bestimmten Anwendungsfall. Bei Projekten von mehreren Schneidköpfen ist eher eine direktangetriebene Pumpe geeignet. Sind kleine Düsendurchmesser und Einzelschneidköpfe im Einsatz, eignen sich eher Druckübersetzerpumpen. Die eingesetzte Hochdruckpumpe sollte sich immer nach den Kundenbedürfnissen und den Projektanforderungen richten.

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