Wie eine 37 kW Direktkolbenpumpe mit 4.100 bar mehr leistet als eine 37 kW Druckübersetzerpumpe mit 6.000 Bar

Ein direktes Kopf-an-Kopf-Rennen zeigt, dass bei linearem abrasiven Wasserstrahlschneiden die Schneidgeschwindigkeit einer 4.100 bar Direktkolbenpumpe mit 37kW Motor identisch oder sogar höher ist, als der Vorschub bei Nutzung einer 6.000 bar hydraulischen Druckübersetzungspumpe mit gleicher Antriebsleistung. Dies gilt für die Mehrheit an Materialien und Dicken und auch für stärkere Pumpen, sofern die Abrasivflussmenge bei beiden Systemen gleich gewählt wird. Als Grundregel kann man sagen, dass bei gleicher elektrischer Leistungsaufnahme und bei gleicher Abrasivmenge die Direktkolbenpumpe immer schneller arbeitet als eine hydraulische Druckübersetzerpumpe. Die unten stehende Tabelle 1 zeigt typische Testergebnisse, die durch Anwender bestätigt wurden.

Geschwindigkeitsvergleich bei Trennschnitten (mm/min.)
4.100 bar gegen 6.000 bar bei gleicher Stromaufnahme und Abrasivflussmenge
Schnittgeschwindigkeit mm / min

Warum ist dies so?
Warum kann ein Schneidsystem mit weniger Druck schneller schneiden als ein Hochdrucksystem, wo doch jeder weiß, dass „das Geheimnis der schnelleren Vorschübe in der Erhöhung des Wasserdrucks liegt“? Faktisch zeigen aktuelle Schneidversuche und reale Industrieanwendungen, dass die Idee mit immer höherem Druck immer schneller schneiden zu können nur ein Mythos ist.

In Wahrheit gehen immer mehr erfahrene Anwender, die bereits 6.000 bar Systeme ausprobiert haben, wieder zurück zum klassischen 3.800 bis 4.100 bar System - um eine Produktionsbeschleunigung bei reduzierten Betriebskosten, geringeren Stillstandzeiten und höherem Profit zu realisieren. Lesen Sie hier warum:

Einige Grundlagen aus der Physik
Die Annahme, steigender Druck erhöhe die Schnittgeschwindigkeit ignoriert die folgenden drei Grundlagen des abrasiven Wasserstrahlschneidens:

1. Höherer Druck reduziert die Durchflussrate
Die Kraft / Leistung ist proportional zum Druckaufbau eines Wasserflussvolumens (Leistung = Volumenstrom x Druck x konst): bei gleicher elektrischer Leistungsaufnahme (Pumpenantrieb in kWh) resultiert eine Druckerhöhung immer in einer Abnahme des Volumenstroms / Durchflussmenge (andere Bedingungen konstant). In der Physik gibt es keine Resultate ohne Nebeneffekte. Dies bedeutet, eine Hochdruckpumpe muss eine kleinere Wasserdüse nutzen. So muss z.B. eine 37 kW Druckübersetzerpumpe, die normalerweise mit einer 0,38 mm Düse bei 4.100 bar arbeitet, bei 6.000 bar zwingend eine 0,25 mm Düse nutzen.

2. Der Abrasivsand macht den Schnitt
Bei abrasiven Wasserstrahlschneidsystemen wird der Schnitt durch den Abrasivsand als Schneidmittel erzeugt, nicht durch das Wasser. Der einzige Sinn des Wassers besteht in der Beschleunigung der scharfkantigen Abrasiv-Partikel zu einem gebündelten Strahl, um das zu schneidende Material abtragen zu können. Der dünnere Wasserstrahl, der aus einem 6.000 bar Hochdruckpumpensystem kommt, kann für das Reinwasserschneiden (z.B. für die Lebensmittelindustrie oder für Schaumstoff) effektiver sein – er kann aber weniger abrasiven Schneidsand mitnehmen und beschleunigen als ein 4.100 bar Wasserstrahl bei gleicher Antriebsleistung.

3. Effizienz schlägt Druck
Direkt angetriebene Kolbenpumpen sind von Natur aus wesentlich effizienter bei der Übertragung von Motorleistung in Schneidleistung an der Düse, da sie nicht wie Druckübersetzerpumpen unter den Verlusten eines Hydrauliksystems leiden. Dies bedeutet, dass ein höherer Prozentsatz der Stromaufnahme des Pumpenantriebes tatsächlich als Schneidenergie an der Düse ankommt und somit weniger Strom in Wärme umgesetzt und verschwendet wird. Eine 37 kW Direktkolbenpumpe kann 33,5 kW Schneidenergie an die Düse bringen, eine gute Druckübersetzerpumpe hingegen nur 26 kW. Diese 28 % Leistungssteigerung hat eine enorme Auswirkung auf die Schneidgeschwindigkeit.

Die Kombination dieser drei Faktoren ist der Grund, weshalb eine 3.800 – 4.100 bar Direktkolbenpumpe bei Schneidtests und im praktischen Betrieb die Leistung einer 6.000 bar Druckübersetzerpumpe übertrifft.

Betriebs- und Wartungskosten
Erfahrene Nutzer von 6.000 bar Systemen haben bestätigt, was schon immer vermutet wurde: Die Betriebs- und Wartungskosten eines 6.000 bar Systems sind wesentlich höher als die eines 3.800 – 4.100 bar Systems. Nicht nur die Pumpenwartungskosten sind aufgrund der kürzeren Lebensdauer der Komponenten und des häufigeren Wechsels der Dichtungen höher, auch die gesamte Kostenbilanz ist deutlich schlechter als viele Nutzer annehmen.

Für Einige war es eine echte Überraschung, dass das Mischrohr einer 6.000 bar Düse eine deutlich reduzierte Standzeit hat. Üblicherweise empfehlen Hersteller solcher Mischrohre nur noch die höchste (und teuerste) Qualität Ihrer Mischrohre für ein 6.000 bar System – aber auch wenn diese „besten“ Mischrohre installiert werden, wird eine Standzeit von 30 Stunden schon als ein sehr guter Wert angesehen.

Hochdruck ist der natürliche Feind aller Rohrsysteme, nicht nur wegen der Drucklast auf die Komponenten, sondern wegen der Dauerschwingfestigkeit. Komponenten wie Rohre, Ventile, Armaturen und Verschraubungen die 6.000 bar Druck ausgesetzt werden, haben eine kürzere Lebensdauer und sind anfällig für unvorhersehbare Ermüdungsbrüche. Dies hat den zweifach negativen Effekt, dass sich die Wartungskosten erhöhen und ungeplante Betriebsausfälle zunehmen.

Ein zusätzliches Übel: versucht ein Anwender seine Wartungskosten zu reduzieren indem er ein 6.000 bar System mit geringerem Druck betreibt, muss er feststellen, dass er immer noch durch die kleinere Düse begrenzt ist – das Hydrauliksystem einer Druckübersetzerpumpe reduziert die Durchflussrate und kann nicht schnell genug „pumpen“ um ausreichend Volumen für eine normal große Düse zu erzeugen. Nun hat er eine Pumpe mit hohen Betriebskosten, mit wenig Leistung und eine unterdimensionierte Düse – und all dies endet in einer deutlich reduzierten Schneidgeschwindigkeit. Seine einzige Lösung für dieses Problem: Eine neue Pumpe kaufen, die für einen höheren Volumenstrom bei 4.100 bar ausgelegt ist.

Kosten für Schneidmittel / Abrasiv
Ein weiterer Mythos der 6.000 bar Systeme geht davon aus, man könne die Kosten für Abrasiv-Schneidmittel reduzieren. Hier sollte man die Frage stellen: “Im Vergleich zu was werden die Abrasivkosten reduziert?” Die Daten der Tabelle 1 zeigen deutlich die Geschwindigkeitsvorteile eines 4.100 bar Systems im Vergleich zu einem 6.000 bar System, wenn die Abrasivflussmenge konstant bei einem sinnvollem und wirtschaftlichem Level gehalten wird.

In einzelnen Projekten kann die Geschwindigkeit oberste Priorität sein, auch wenn sich hierdurch die Betriebskosten erhöhen. Für solche Fälle hat das bewährte 3.800 – 4.100 bar System den Vorteil einer großen Düse, die – sofern gewünscht - auch eine Erhöhung der Abrasivmenge zulässt.

Beispiel aus Tabelle 1: Bei einer 37 kW Direktkolbenpumpe kann durch reine Erhöhung der Abrasivflussmenge von 360 gr/min auf 450 gr/min die Schneidgeschwindigkeit z.B. in 50 mm Aluminium bereits um 10 % erhöht werden – sicherlich sinnvoll für Fälle, in denen die Geschwindigkeit wichtiger ist als die Betriebskosten. Der Nutzer eines 3.800 – 4.100 bar Systems muss die höhere Abrasivflussmenge nicht nutzen – falls gewünscht kann er jedoch diese Möglichkeit nutzen und die Kosten hierfür schon im Vorfeld sehr genau planen und festlegen.

Was bestimmt die wirkliche Leistung eines Wasserstrahlschneidsystems?
Der Schlüssel zu schnellem und wirtschaftlichem Wasserstrahlschneiden liegt nicht in ultra-ultra Hochdruckpumpen – dies zeigen Testdaten und bestätigen erfahrene Nutzer. In Wirklichkeit ist bei gleicher Stromaufnahme und gleicher Abrasivmenge eine Druckerhöhung nur die Ursache für steigende Betriebskosten und höherer Maschinenausfallrate. Das Geheimnis für betriebssicheres und wirtschaftlich günstiges Wasserstrahlschneiden liegt in der Nutzung von sehr effizienten Direkt-Kolbenpumpen bei bewährten 3.800 – 4.100 bar – für schnellstes Schneiden bei geringsten Kosten.

Quelle: Dr. John Olsen, OMAX Corp.