Studie zur Effizienz von Vakuumpumpen veröffentlicht

Die unabhängige Prüforganisation TÜV Süd hat eine Studie zu ölgedichteten Schraubenvakuumpumpen im Vergleich zu ölgeschmierten Drehschiebervakuumpumpen veröffentlicht. Hier sind die Ergebnisse.

Vakuumpumpen sind wichtige Komponenten bei der Verpackung frischer Lebensmittel. Welche Vakuumpumpe erreicht den höchsten Wirkungsgrad? Ein direkter Vergleich kann diese Frage beantworten, sofern der Testaufbau sinnvoll konzipiert wurde. Eine kürzlich veröffentlichte Vergleichsstudie legt die Überlegenheit einer ölgedichteten Schraubenvakuumpumpe nahe. Allerdings kam dieses Ergebnis nur mithilfe eines Testaufbaus zustande, der sehr unrealistisch erscheint. Nun hat auch die unabhängige Prüforganisation TÜV Süd einen Vergleich der beteiligten Vakuumpumpen durchgeführt. Dabei ging es um die realitätsnahe Simulation eines industriellen Standardprozesses. Unter diesen Voraussetzungen fällt das Ergebnis klar zu Gunsten der ölgeschmierten Drehschieber-Vakuumpumpe aus.

In diesem Artikel werden zwei Vergleichstests verglichen. Der Übersichtlichkeit halber werden sie im Folgenden als Test 1 und Test 2 bezeichnet. Zur besseren Lesbarkeit wird die ölgedichtete Schraubenvakuumpumpe mit SVP und die ölgeschmierte Drehschiebervakuumpumpe mit RVVP abgekürzt.

Test 1: Bedarfsgesteuerte Steuerung vs. Volllastbetrieb

Dieser Test wurde vom Hersteller der ölgedichteten Schraubenvakuumpumpe (SVP) initiiert. Das Unternehmen ist hauptsächlich auf Kompressoren spezialisiert und die betreffende Maschine ist eine Weiterentwicklung der Kompressortechnologie. Es wurde mit einer ölgeschmierten Drehschieber-Vakuumpumpe (RVVP) von Busch Vacuum Pumps and Systems verglichen. Allerdings lässt der Testaufbau aus mehreren Gründen keinen realistischen Vergleich zu.

Der Testzyklus simulierte verschiedene vakuumgestützte Prozesse. Aber auch Produktionspausen inklusive nächtlicher Stillstandszeiten, in denen die RVVP im Gegensatz zur SVP weiterlief, gehörten selbstverständlich dazu. Im Test wurde die SVP als Teil einer Anlage mit Frequenzumrichtern und integrierter Steuerung betrieben, die in Pausen die Vakuumpumpe stoppte. Andererseits war der RVVP offenbar als isolierte Maschine angeschlossen, die kontinuierlich mit voller Leistung lief.

Test 1 verglich sprichwörtlich Äpfel mit Birnen. Die kontinuierlich laufende Vakuumpumpe verbrauchte naturgemäß mehr Strom als ihr geregeltes Pendant, das in den Pausen automatisch abgeschaltet wurde. Die RVVP hätte auch mit einem Frequenzumrichter und einer Steuerung ausgestattet sein können – Busch bietet eine solche Version dieser Vakuumpumpe an. Dies hätte ähnliche Ausgangsbedingungen geschaffen. Dies wurde offensichtlich nicht getan. Leider fehlen in der Beschreibung des Tests genaue Angaben zu solchen wesentlichen Rahmenbedingungen.

Test 2: Gleiche Bedingungen

Der zweite Vergleichstest (Abb. 1) wurde kürzlich von der unabhängigen Prüforganisation TÜV Süd durchgeführt. Es ist eine der führenden Institutionen ihrer Art. Es wurden die gleichen Vakuumpumpen wie in Test 1 verwendet. Diesmal wurde jedoch der reale Betrieb simuliert, ohne Pausen oder nächtliche Abschaltungen. Test 2 simulierte den Arbeitszyklus einer Vakuumverpackungsmaschine. Dies ist eine häufige Verwendung für Vakuumpumpen in der Industrie. Wie so oft bei solchen Anwendungen wurden beide Vakuumpumpen zusätzlich von einem identischen Vakuumverstärker unterstützt. Darüber hinaus wurden Versuchsaufbau und -ablauf von einem namhaften Hersteller von Vakuumverpackungsmaschinen überprüft und als realitätsnahe Simulation bestätigt.

Als Anwendungsbeispiel wurde eine Verpackungsmaschine mit großem Kammervolumen gewählt, wie sie bei der Verpackung von Fleisch- oder Käseprodukten zum Einsatz kommt. Typischerweise bewältigt eine solche Maschine mit automatischer Produktzuführung mehrere Takte pro Minute.

Im Test wurde die Maschine mit einer 300-Liter-Kammer und einem 11,5 Meter langen Rohrsystem zwischen Kammer, Vakuumverstärker und Vakuumpumpe simuliert. Die Kammer wurde zyklisch auf ein Vakuumniveau von 5 mbar evakuiert. Die Evakuierungszeit hing von der Leistung der Vakuumpumpen ab. Die Zeit zwischen den Evakuierungszyklen wurde auf 14 Sekunden eingestellt – eine typische Zeitspanne für Verpackungsmaschinen dieser Größe. Die erforderliche Auspumpzeit der Vakuumpumpen und deren Energieverbrauch wurden erfasst.

Eindeutige Ergebnisse

Die Ergebnisse der verschiedenen Testläufe waren durchweg eindeutig: Die Drehschieber-Vakuumpumpe (RVVP) evakuiert schneller (Abb. 2) und verbraucht weniger Energie als die Schrauben-Vakuumpumpe (SVP). Abhängig von der eingestellten Drehzahl des RVVP ergeben sich dadurch weiter verkürzte Auspumpzeiten oder erhöhte Energieeinsparungen. Beispielsweise ist der RVVP im 40-Hertz-Modus 11 Prozent schneller und spart im Vergleich 42 Prozent beim Stromverbrauch.

Neben der Abpumpzeit und dem Energieverbrauch wurden während des Tests auch das Saugvermögen und der Energieverbrauch in Abhängigkeit vom Eingangsdruck gemessen (Abb. 3). Aus diesen Messwerten wurde der spezifische Energieverbrauch (SEC) bei verschiedenen Vakuumniveaus berechnet. Dies gibt genaue Auskunft darüber, wie viel Watt nötig sind, um einen Kubikmeter Luft pro Stunde abzusaugen und ein bestimmtes Vakuumniveau zu erreichen. Auch hier ist der RVVP dem SVP in allen Vakuumstufen überlegen. Die Energieeinsparungen liegen zwischen 13 und 73 Prozent. Beim praxistypischen Vakuumniveau von 10 mbar verbraucht der RVVP 38 Prozent weniger Energie als der SVP (Abb. 3).

Eine Grundsatzfrage

Die Ergebnisse sind überraschend eindeutig. Der RVVP ist ein Klassiker der Vakuumpumpentechnik. Der hier eingesetzte R 5 RA 0630 C profitiert von jahrzehntelanger technischer Optimierung zur Vakuumerzeugung. Im Gegensatz dazu handelt es sich beim SVP grundsätzlich um einen umgebauten Kompressor. Obwohl es sowohl bei der Vakuumerzeugung als auch bei der Kompression um die Gasextraktion geht, erfordern die unterschiedlichen Ziele unterschiedliche technische Lösungen.

Bei Kompressoren beträgt das Verdichtungsverhältnis üblicherweise 1:10; Bei Vakuumpumpen liegt sie bei 1:100 bis 1:1000 – also deutlich höher. Technisch gesehen bedeutet dies, dass bei einem Schraubenkompressor die beiden Schrauben und das Gehäuse mit größeren Toleranzen gefertigt werden können. Dadurch ist die Produktion kostengünstiger und das angestrebte Verdichtungsverhältnis von 1:100 wird trotz zunehmender interner Leckagen erreicht. Dies liegt jedoch nur daran, dass dies durch eine deutlich höhere Drehzahl von etwa 7000 U/min bei Volllast ausgeglichen wird. Bei der RVVP hingegen handelt es sich um eine reine Vakuumpumpe mit Präzisionsteilen und minimalen Toleranzen, die interne Leckraten auf ein Minimum reduzieren und letztendlich ein deutlich höheres Verdichtungsverhältnis ermöglichen. Es bietet daher vom Beginn bis zum Ende der Evakuierung eine konstante Leistung bei geringem Energieverbrauch. Es läuft daher nur mit einer maximalen Drehzahl von 1000 U/min. Die geringere Drehzahl reduziert die mechanische Belastung und damit den Wartungsaufwand. Dadurch lassen sich auch deutlich längere Stillstandszeiten und geringere Maschinenlebenszykluskosten erreichen.

Beim SVP hingegen ist eine separate Druckregelung mittels Einlassregelventil erforderlich, um eine Überlastung der Vakuumpumpe im Bereich zwischen 1000 und 300 Millibar zu verhindern. Zwischen Atmosphärendruck und Grobvakuum arbeitet es mit deutlich reduzierter Leistung. Dies und die aus dem Kompressorbau übernommene Konstruktion tragen wesentlich zur Verlängerung der Auspumpzeit bei.

Genau diese Unterschiede hatten letztlich Einfluss auf die Ergebnisse des Vergleichstests.

Abschluss

Test 2 wurde unter realistischen Bedingungen durchgeführt. Äpfel wurden mit Äpfeln verglichen – das heißt, es wurden die tatsächlichen Leistungsdaten der Vakuumerzeugung gesammelt und verglichen. Die ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpe (RVVP) R 5 RA 0630 C von Busch schnitt sowohl bei der Auspumpzeit als auch beim Energieverbrauch deutlich besser ab als die ursprünglich als Kompressor konzipierte Schrauben-Vakuumpumpe (SVP). Die Testergebnisse bestätigen die Überlegenheit der meistverkauften Vakuumpumpe dieser Leistungsklasse.