Zahnradpumpe

Relevante Energieformen

Endenergieform	Nutzenergieform	Nebenenergieform(en)
Mechanische Arbeit	Druck	Thermische Energie (Reibungswärme)

Kurzbeschreibung

Prozessparameter:

Hubvolumen: 4–63, 5–250, 80–500 cm³
Nenndruck (DB-Druckbereich): 250–170, 320, 210–120 bar
Nenndrehzahl (DB-Drehzahlbereich): 4.0–2,3. 3.6–1.5, 0.87–0.15 bar
Leistung im DB: 7.5–45, 4–193, 6.6–18.2 kW
Maschinenmasse/Leistung im DB: 0.12–0.37, 1.3–0.82, 0.6–2.1 kg/kW
Wirkungsgrad: 0,75–0,85 (bis 0,9, wenn mehrhubig)
Hubring aus hochfestem Stahl

DB = Dauerbetrieb

Zahnrad- und Zahnringpumpen weisen zwei um ortsfest liegende Achsen drehende Zahnräder auf; der durch Zähne, Zahnlücken und die Gehäusewände gebildete Verdrängungsraum ändert mit der Drehung der Räder und dem Zahneingriff sein Volumen, wodurch die Förderung zustande kommt. Die resultierende Förderstrompulsation hängt in ihrer Größe und Frequenz von der Verzahnungsgeometrie und der Zahl der Zahneingriffe pro Umdrehung ab. Förderstrompulsation hat Druckpulsation zur Folge, daraus resultiert Schallemission, stark bei der Außenzahradpumpe weniger stark bei der Innenzahnrad- und der Zahnringpumpe. (Dubbel)

Funktionsskizze

Jahobr, Gear pump animation, CC0 1.0

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

$V_{Innen/Aussenverzahnung} = \Pi mzbc$

$V_{Zahnring} = z (A_{max} - A_{min})b$

$V_{schraubenspindel} = \frac{\Pi}{4} (D^2 - d^2) sD^2 ( \frac{\alpha}{2} - \frac{sin(s\alpha)}{4}) s$

$cos (\Alpha) = z(D + d) /2D$

z: Zähnezahl Innen/Außenrad
A_max: größte Verdrängungsfläche
A_{: min}: kleinste Verdrängungsfläche
s: Steigungshöhe eines Spindelgangs

m: Modul
b: Zahnbreite
c: Zahnhöhe
D/d:Spindelaußen-/Spindelwellen-Ø

Energetische Kennwerte

Bauart	Außenzahnradpumpe	Innenzahnradpumpe	Schraubenspindelpumpe
Nennleistung oder vergleichbarer Wert	von: 160 bar / 0,4 cm³ bis: 250 bar / 1200 cm³	von: – / 0,4 cm³ bis: 350 bar / 1200 cm³	von: – / – bis: 310 bar / 150 cm³
Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Auslastung	ja
Nutzbarer Anteil an Verlustleistung vorhanden?	k.A.
Wirkungsgrad	Volumetrisch: >0,9; hydraulisch-mechanisch: ~0,9; gesamt: 0,8–0,85	Wirkungsgrad bei 0,9	k.A.

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart	Außenzahnradpumpe	Innenzahnradpumpe	Schraubenspindelpumpe
Investkosten/kW	spezifische Kosten in Euro/kW / Leistungsaufnahme in kW

Technologische Kennwerte

Bauart	Außenzahnradpumpe	Innenzahnradpumpe	Schraubenspindelpumpe
Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen)	zwei der oben genannten Aspekte	zwei der oben genannten Aspekte	zwei der oben genannten Aspekte
Gefährdungspotential (niedrige Drücke und Temperaturen, keine giftigen oder explosiven Stoffe)	geringes Gefährdungspotential	geringes Gefährdungspotential	geringes Gefährdungspotential
Systemkomplexität	robuste Bauweise,einfach durch Laien zu bedienen	robuste Bauweise,einfach durch Laien zu bedienen	robuste Bauweise,einfach durch Laien zu bedienen
Weitere technologische Kennwerte	Robust, gute Notlaufeigenschaften, selbstsaugend	geringe Volumenstrompulsation

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Energetischer Impact	Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger))
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
		Grad der Prozessentkopplung	Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess)
		Möglichkeit des Energieträgerwechsels	Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein)
		Umrüstaufwand	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Erschließungskosten der Maßnahme	Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden)
		Spezifische Wandlerkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Abrufkosten der Maßnahme	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)	sehr stark fallabhängig

Entwicklungstendenz

Forschungsprojekt: Untersuchung und Weiterentwicklung von Antriebsstrangkonzepten mobiler Arbeitsmaschinen

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

geringe Anschaffungskosten
hohe Leistungen bei kompaktem Bauraum
leicht austauschbar
geringe Pulsation des Förderstroms (Innenzahnradpumpe)

Nachteile

Leistungsdichte sinkt mit steigender Zähnezahl
geringe Zähnezahlen führen auf Grund des Eingriffs zur Geräuschemission

Anwendungsbeispiele

Kleine bis mittlere Traktoren zur Versorgung des Hydraulikkreislaufs

Literaturverzeichnis

Matthies, Hans Jürgen; Renius, Karl Theodor (1984): Einführung in die Ölhydraulik. Teubner-Verlag, Stuttgart

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht