Vier häufige Ursachen für Überhitzung von Roots-Pumpen

Die Beurteilung einer überhitzten Roots-Pumpe vor Ort wird häufig auf “Motorleistung zu gering” reduziert, aber bei Roots-Pumpen (mechanischen Boosterpumpen) haben Rotor und Pumpenkammer eine berührungsfreie Passung; sie verdichten kein Gas, sondern fördern es nur von der Niederdruck- zur Hochdruckseite. Die Wärme entsteht durch die Arbeit der Druckdifferenz. Bei der Suche entlang dieser Linie decken vier Ursachen die meisten Fälle ab: zu große Druckdifferenz, falscher Startzeitpunkt, unzureichende Kühlung/Wärmeabfuhr sowie Anomalien bei Schmierung und Spalt.

1. Zu große Druckdifferenz: Die Wärme entsteht durch die Druckdifferenz

Roots-Pumpen haben keine innere Verdichtung; der Druck auf der Austrittsseite ist höher als auf der Eintrittsseite. Diese Druckdifferenz wird durch den von der Vorpumpe aufgebauten Gegendruck bestimmt; je größer die Druckdifferenz, desto mehr Arbeit wird bei gleichem Saugvermögen an diesem Punkt verrichtet. Abschätzung nach isothermer Verdichtung:

P = p₁ × S × ln(p₂ / p₁)

Rechenbeispiel: LC2600, Eintritt 10 mbar (1 kPa), Verdichtungsverhältnis 4, Saugvermögen 2600 m³/h entsprechend 0.722 m³/s.

P = 1000 Pa × 0.722 m³/s × ln4 ≈ 1.0 kW.

Bei derselben LC2600, Eintritt 30 mbar (3 kPa), Verdichtungsverhältnis 3:

P = 3000 × 0.722 × ln3 ≈ 2.4 kW.

Der Motor hat nur 7.5 kW; 2.4 kW stecken bereits in der Druckdifferenz. Dieser Anteil erzeugt kein Saugvermögen, sondern nur Wärme.

Warum die Druckdifferenz größer wird, liegt meist an der Vorpumpe: Bei der LC-Serie der Roots-Pumpen wird das Saugvermögensverhältnis für kontinuierliche Prozesse mit 2~3 ausgelegt; über 4 liegt man nahe an der Obergrenze. LC2600 (2600 m³/h) mit V0630B (630 m³/h) ergibt 4.1-fach; nur intermittierende Evakuierung wird empfohlen. Emulsion des Öls in der Vorpumpe, verstopfte Ansaugfilter und Leckagen in der Rohrleitung senken das tatsächliche Saugvermögen der Vorpumpe, wodurch das Verdichtungsverhältnis steigt.

Ein weiterer oft übersehener Punkt: Im Niederdruckbereich ist der Massenstrom des Gases klein. Bei 10 mbar entsprechen 2600 m³/h einem Massenstrom von etwa 0.0086 kg/s; um 1.0 kW Wärme über das Gas selbst abzuführen, wäre eine Erwärmung um etwa 116 K erforderlich (geschätzt mit c_p ≈ 1.005 kJ/(kg·K)). Das Gas kann nur wenig Wärme abführen; die Wärme wird nahezu vollständig über Pumpengehäuse und Kühlung abgeführt. Sobald die Druckdifferenz zu groß wird, zeigt sich das an der Temperatur.

2. Falscher Startzeitpunkt: Roots-Pumpe zugeschaltet, bevor der Eintrittsdruck erreicht ist

Eine Roots-Pumpe darf nicht direkt aus Atmosphäre starten. Wird sie bei einem Eintrittsdruck von noch mehreren hundert mbar zugeschaltet, wirkt die Druckdifferenz direkt auf die Rotoren; Strom und Temperaturanstieg schießen gemeinsam hoch. Üblich ist, dass die Vorpumpe das System zuerst auf 10~30 mbar evakuiert und danach die Roots-Pumpe startet; steuerungstechnisch wird eine Verriegelung über den Eintrittsdruck realisiert, die erst bei erreichtem Druck freigibt. Der Druckmessumformer wird auf der Eintrittsseite der Roots-Pumpe installiert, nicht am Ausgang der Vorpumpe, sonst wird der Gegendruck statt des Eintrittsdrucks gemessen.

3. Kühl- und Wärmeabfuhrbedingungen nicht erfüllt

Luftgekühlte Modelle: Staub auf den Kühlrippen, unzureichende Belüftung des Maschinenraums und hohe Umgebungstemperatur reduzieren die Kühlleistung.
Wassergekühlte Modelle: zu geringe Wassermenge, hohe Vorlauftemperatur und Verkalkung/Verunreinigung des Wasserkreislaufs senken die Wärmeaustauscheffizienz. Durchfluss und zulässigen Druck gemäß den Anforderungen der Einheit prüfen; ist die Austrittswassertemperatur dauerhaft hoch, zuerst den Wasserkreislauf prüfen.
Abschaltreihenfolge: Zuerst die Roots-Pumpe stoppen, dann die Vorpumpe, damit die Vorpumpe das Restgas aus der Kammer absaugt und Wärme abführt; bei umgekehrter Reihenfolge staut sich die Wärme in der Pumpenkammer.

4. Anomalien bei Schmierung und Spalt

Bei den Modellen der LC-Serie unterscheiden sich die Ölmengen an drei Stellen; bei Ölmangel erwärmen sich zuerst Zahnräder und Lager, die Wärme wird dann auf die Pumpenkammer übertragen:

Modell	Öldichtungskammer	Getriebegehäuse	Getrieberaum
LC250 / LC500	0.125 L	0.15 L	—
LC1200	0.125 L	2.4 L	1.25 L
LC2600 / LC4200	0.45 L	6.5 L	3.5 L

Zu geringe Ölmenge, Ölalterung und Verkokung verschlechtern Schmierung und Wärmeabfuhr gleichzeitig. Eine weitere Ursache ist ein zu kleiner Spalt: Staub und kondensierbare Gase gelangen in die Pumpenkammer und setzen sich an Rotoren und Kammerwänden ab; der Spalt wird verringert, es kommt zu Reibungswärme. Diese Art der Überhitzung geht üblicherweise mit zunehmendem Geräusch und Vibration einher; die Pumpe muss zur Prüfung abgeschaltet werden.

Ablauf der Fehlersuche vor Ort

Eintrittsdruck und Austrittsdruck erfassen, das tatsächliche Verdichtungsverhältnis berechnen und mit dem Auslegungswert vergleichen;
Vorpumpe prüfen: Ist das Saugvermögen gesunken, ist das Öl emulgiert, ist der Filter verstopft;
Temperaturen messen: Getriebegehäuse, Lagerstellen, Auslass; die heißeste Stelle suchen, um die Wärmequelle zu lokalisieren;
Bei wassergekühlten Ausführungen Durchfluss sowie Ein- und Austrittswassertemperatur prüfen; bei luftgekühlten Ausführungen Kühlrippen und Maschinenraumtemperatur prüfen;
Nach dem Abschalten Ölstand und Ölqualität prüfen; die Kammer öffnen und auf Fremdkörper sowie Spuren von Rotorreibung achten.

Der Austausch gegen einen stärkeren Motor löst das Problem nicht: Ein größerer Motor ändert nichts an der Wärme aus der Druckdifferenz und verdeckt zusätzlich ein unzureichendes Saugvermögen der Vorpumpe.

Bei der Auslegung den Temperaturanstieg konsequent mitrechnen

Zuerst das Modell nach dem Arbeitsdruckpunkt auswählen, dann das Saugvermögen der Vorpumpe am selben Druckpunkt prüfen. Das Saugvermögensverhältnis wird für kontinuierliche Prozesse mit 2~~3 ausgelegt; 3~~4 nur für intermittierende Evakuierung verwenden. Die im Prozess möglicherweise größte Druckdifferenz mit 1.3 multiplizieren und als Prüfpunkt verwenden; nicht dicht an der zulässigen Druckdifferenz auslegen. Für Komplettaggregate können je nach Betriebsbedingungen Vakuumpumpenaggregate konfiguriert werden; Evakuierungszeit und Einheitenumrechnung lassen sich vorab mit dem Auswahlrechner abschätzen. Einige Modelle sind für 60Hz-Regionen nicht geeignet; vor der Bestellung bitte die geeigneten Modelle und Ausführungen mit uns abstimmen.

Häufig gestellte Fragen

Ab welcher Austrittstemperatur einer Roots-Pumpe gilt diese als anomal?

Es gibt keinen einheitlichen Zahlenwert; entscheidend sind der zulässige Wert des Modells und der gemessene Trend. Zuerst das tatsächliche Verdichtungsverhältnis berechnen und mit dem Auslegungswert vergleichen; liegt die Austrittstemperatur unter gleichen Bedingungen um mehr als 10℃ über dem Wert bei Inbetriebnahme, sind Saugvermögen der Vorpumpe, Kühlbedingungen und Ölstand zu prüfen.

Kann eine Roots-Pumpe gleichzeitig mit der Vorpumpe aus Atmosphäre starten?

Nein. Wird sie bei einem Saugdruck von noch mehreren hundert mbar zugeschaltet, wirkt die Druckdifferenz direkt auf die Rotoren, Strom und Temperaturanstieg steigen gemeinsam. Üblich ist, dass die Vorpumpe zuerst auf 10~30 mbar evakuiert und die Roots-Pumpe dann über eine Druckverriegelung freigegeben wird.

Überhitzt eine LC2600 mit V0630B bei einem Saugvermögensverhältnis von 4.1 im Dauerbetrieb?

Das liegt nahe an der Obergrenze; nur intermittierende Evakuierung wird empfohlen. Bei großer Druckdifferenz kann der Rotor nach Wärmeausdehnung mit der Pumpenkammer kollidieren. Für kontinuierliche Prozesse nach 2~3 abstimmen, zum Beispiel LC1200 (1200 m³/h) mit V0630B (630 m³/h).

Kann mehr Öl Überhitzung verhindern?

Nein. Die Ölmenge richtet sich nach der vorgeschriebenen Füllmenge im Datenblatt, zum Beispiel LC1200 Getriebegehäuse 2.4 L, Getrieberaum 1.25 L, LC2600 Getriebegehäuse 6.5 L. Zu viel Öl führt zu Ölschlagen und Wärmeentwicklung sowie mehr Ölnebel; zu wenig Öl lässt zuerst Zahnräder und Lager überhitzen.

Kann nach einer Überhitzung ein stärkerer Motor eingebaut werden?

Nein. Die Wärme entsteht durch die Arbeit der Druckdifferenz; ein stärkerer Motor reduziert die Wärme aus der Druckdifferenz nicht und verdeckt zudem ein unzureichendes Saugvermögen der Vorpumpe. Zuerst das Verdichtungsverhältnis berechnen, dann Vorpumpe, Kühlung und Schmierung prüfen.