Kolbenpumpen

Funktionsprinzip handbetriebene Kolbenpumpe

Ventil mit Ledermanschette A)geöffnet B)geschlossen C)von unten

Eine Kolbenpumpe ist eine Pumpe zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen, wobei Gase dabei auch verdichtet werden. Dabei wird mit einem Kolben, der in einem Zylinder läuft, im ersten Takt das zu fördernde Medium durch ein Einlassventil angesaugt. Anschließend wird es durch das Auslassventil ausgestoßen. Dieses Prinzip wird auch als Verdrängerpumpe bezeichnet.

Mit Kolbenpumpen können beim Fördern von Flüssigkeiten hohe Drücke erreicht werden. Zudem ist das geförderte Flüssigkeitsvolumen genau bestimmbar (Dosierpumpe). Der Antrieb kann von Hand (zum Beispiel handbetriebene Schwengelpumpe), Elektromagneten oder durch Motoren erfolgen. Die Kolbenpumpe wurde 1649 von Otto von Guericke erfunden und diente ihm beim Versuch der Magdeburger Halbkugeln zur Herstellung eines technischen Vakuums.

Die Bedeutung des Einsatzes der Kolbenpumpen hat sich seit dem 19. Jahrhundert verschoben. Mit der Einführung der Kreiselpumpe ging der Einsatz der Kolbenpumpe bei der Förderung großer Volumen oder verschmutzter Flüssigkeiten (Trinkwasser, Abwasser) zurück. Heute werden Kolbenpumpen z. B. in Dosierpumpen, handbetriebenen Förderanlagen und zur Herstellung großer Drücke eingesetzt.

Nachteilig an Kolbenpumpen ist die prinzipbedingte Förderstrompulsation, die im angeschlossenen Leitungssystem zu intensiven Druckschwingungen (Druckpulsationen) oder mechanischen Schwingungen führen kann. Bei größeren Förderströmen werden daher mehrere – versetzt arbeitende – Zylinder vorgesehen. Alternativ können gas- oder flüssigkeitsgefüllte Pulsationsdämpfer eingesetzt werden.

Prinzip

Kolbenpumpe beim Ansaugen

Kolbenpumpe beim Ausstoßen

Eine Kolbenpumpe besteht aus

• einem Zylinder und einem Kolben
• einem Zu- und einem Ablauf
• und zwei Ventilen.

Beim Ansaugen bewegt sich der Kolben im linken Bild nach rechts. Das Einlassventil öffnet sich und das Fördermedium strömt in den Zylinder. Bei der Förderbewegung, rechtes Bild, fährt der Kolben zurück. Das Einlassventil schließt. Es öffnet sich das Auslassventil und das Fördermedium wird herausgedrückt.

Kolbenpumpe für Kraftstoffe und Additive

Beispiele

Schöpfkolbenpumpe

In Schöpfkolbenpumpen sitzt das Auslassventil im Kolben selbst. Dadurch wird das zu pumpende Material im Auschiebetakt auf die andere Seite des Kolbens befördert und von dort im nachfolgenden Ansaugtakt ausgeschoben, während gleichzeitig auf der anderen Kolbenseite neues Material angesaugt wird. Dieser Pumpentyp eignet sich zum Pumpen von hochviskosem Material und wird gerne in Fassfolgeplattenpumpen eingesetzt. Dosierpumpen basieren auf dem Prinzip der Schöpfkolbenpumpe.

Seifenspender

Seifenspender, zerlegt.

Viele Seifenspender basieren auf dem Prinzip einer Kolbenpumpe. Die beiden Bilder zeigen ein Beispiel. Der Kolben (3) sitzt verschiebbar auf der Achse (2) innerhalb des Gehäuses (4). Die hohle Achse setzt sich in den seitlichen Seifenauslass (1) fort. Beim Drücken des Kopfs (1) gibt der Kolben den Zulauf die seitlichen Löcher am unteren Ende der Achse frei. Gleichzeitig wird die Feder (5) im Gehäuse gespannt. Sie drückt die Kugel (6) nach unten und verschließt den Zulauf. Beim Loslassen des Knopfs kehren sich die Durchlass- und Schließfunktionen der Ventile um. Seife wird angesaugt und füllt das Gehäuse. Ein erneutes Drücken presst die Seife aus dem Spender.

Membranpumpe

Bei einer Membranpumpe wird das Fördermedium statt durch einen Kolben durch eine Membran angesaugt bzw. ausgestoßen. Man unterscheidet hierbei mechanisch angelenkte Membranpumpen und hydraulisch angelenkte Membranpumpen (auch: Kolben-Membranpumpen). Bei letzteren wird die Membran (typische Werkstoffe sind etwa PTFE oder Stahl) beidseitig mit Druck belastet und hat keine äußeren Kräfte abzustützen. Mit hydraulisch angelenkten Membranpumpen wurden daher bereits Drücke bis zu 3500bar erreicht.

Kolbenpumpen an Dampflokomotiven

Schematische Darstellung eines Schöpfwerks und einer Kolbenpumpe

Historische Kolbenpumpe

Dampfbetriebene Kolbenpumpen sind schwungradlose Dampfmaschinen, bei denen Antriebskolben und Arbeitskolben auf einer gemeinsamen Kolbenstange aufgekeilt sind. Kolbenpumpen arbeiten mit Volldruck, denn es gibt keine Steuerungseinrichtung, die die Dampfzufuhr während der Arbeitsbewegung absperren könnte, so dass die Expansion des Dampfes genutzt werden könnte. Die Umsteuerung erfolgt am Ende des jeweiligen Arbeitshubes, weshalb der Dampf mit Betriebsdruck aus dem Arbeitsraum entweicht. Das erzeugt das für diese Pumpen typische und bei ungenügender Dämpfung peitschende Arbeitsgeräusch. Um den Nachteil der Volldruckarbeitsweise wenigstend teilweise auszugleichen, sind Kolbenpumpen entwickelt worden, die mit Verbundwirkung arbeiten. Hat der Dampf seine Wirkung im kleineren Hochdruckzylinder getan, wird er über die Steuerung der Pumpe in den größeren Niederdruckteil geleitet, wo er weiter entspannt wird und einen Teil seiner Wärmeenergie abgeben kann. Erst nach dieser zweiten Stufe gelangt der Dampf über den Auspuff ins Freie oder er wird einer Vorwärmeinrichtung zugeführt, wo dem Dampf weitere Energie entzogen wird, um das Kesselspeisewasser vorzuwärmen.

Im Arbeitsteil der Pumpe wird entweder Luft für die Bremseinrichtungen und sonstige Hilfseinrichtungen verdichtet oder die Kolbenpumpe fördert vorgewärmtes Speisewasser in den Kessel. Auch beim Arbeitsteil der Luftpumpen ist oft eine mehrstufige Arbeitsweise zur Ausführung gekommen um den Wirkungsgrad zu verbessern.

Es sind Aggregate gebaut worden bis hin zur Doppelverbundluftpumpe, die aus zwei parallelgeschalteten Kolbenpumpen bestehen.

Weitere Bauformen

Inline-Pumpe

Die Inline-Pumpe, eine Doppelkolbenpumpe, ist eine Sonderform der Kolbenpumpe, bei der zwei Kolben in einer Hülse das Pumpenspiel erledigen. Der von einem Aktor angetriebene Druckkolben (1), fördert das durch den Einlass (3) in die Pumpe eingedrungene Medium in einer Vorwärtsbewegung mittels Gegendruck des Steuerkolbens (2) über den Auslass (4). Die Mengensteuerung wird mit der Verstellhülse (5) vorgenommen. Der Maximalhub wird durch den Abstand Einlass - Auslass gegeben. Die Einstellung kann kontinuierlich oder abgestuft erfolgen.

Eine weitere Variante ist die Schwingkolbenpumpe die auch als Variation einer Freikolbenmaschine möglich ist.

Eine Fahrradpumpe ist ebenfalls eine Kolbenpumpe. Der Kolben dichtet nur bei der Auslassbewegung den Zylinder ab und übernimmt so die Aufgabe des Einlassventils. Das Auslassventil ist nicht in der Pumpe integriert. Mit einer Fahrradpumpe lässt sich deshalb kein Luftballon aufpumpen. Als Auslassventil fungiert das Ventil des Fahrradschlauchs.

Die Axialkolbenpumpe und die Radialkolbenpumpe sind weitere Bauformen von Kolbenpumpen. Bei dieses beiden o. g. Bauformen werden Flüssigkeiten, vor allem Mineralöle und Sonderflüssigkeiten (z.B. HFA, HFC, HFD, Bohremulsion) gefördert. Das Einsatzgebiet derartiger Hydraulikpumpen ist breit gefächert: von Werkzeugmaschinen, hydraulischen Fahrantrieben (z.B. Bau- und Landwirtschaftsmaschinen) und Prüfständen bis hin zu Windkraftanlagen.

Literatur

• Klaus D Linsmeier, Achim Greis: Elektromagnetische Aktoren. Physikalische Grundlagen, Bauarten, Anwendungen. In: Die Bibliothek der Technik, Band 197. Verlag Moderne Industrie, ISBN 3-478-93224-6
• Friedrich P. Springer: "Von Agricolas 'pompen, die das wasser durch den windt gezogen' zu den Gestängetiefpumpen der Erdölförderung, Erdöl/Erdgas/Kohle, Oktober 2007, Heft 10

Weblinks

• Animiertes Modell bei leifi Physik