Kleine Unterschiede mit grosser Wirkung Auf was man beim Kauf von kunststoffausgekleideten Magnetkupplungspumpen achten sollte

Transkript

1 Kleine Unterschiede mit grosser Wirkung Auf was man beim Kauf von kunststoffausgekleideten Magnetkupplungspumpen achten sollte Von Thomas Würsch Einleitung Kunststoffausgekleidete Magnetkupplungspumpen werden in der pharmazeutischen und chemischen Industrie zunehmend eingesetzt. Die Eigenschaften von Magnetkupplungspumpen ermöglichen es heute, auf Gleitringdichtungen zu verzichten und herkömmliche Gleitringdichtungspumpen zunehmend aus ihren traditionellen Einsatzgebieten zu verdrängen. Selbst hohe Temperaturen von bis zu 200 C, Vakuumfestigkeit sowie Feststoffe stellen keine Hinderungsgründe mehr dar für ausgekleidete Magnetkupplungspumpen. Verbesserte Konstruktionen und Herstellprozesse erlauben grössere Pumpen, und bei ausgekleideten Magnetkupplungspumpen können Fördermengen von mehr als 400 m3/h und Förderhöhen von über 85 m problemlos bewältigt werden. Die Spreu vom Weizen trennen Es lohnt sich, bei kunststoffausgekleideten Magnetkupplungspumpen einen Blick auf die konstruktiven Details zu werfen, denn nicht alle Pumpen genügen anspruchsvollsten Anforderungen. Vor allem beim Fördern von gefährlichen Stoffen (HCl, H 2 SO 4, HNO 3 ) und bei schwierigen Anwendungen (extreme Temperaturen und/oder Drücke, Feststoffe) lohnt es sich, das Produkt, welchem man sein Vertrauen schenken möchte, genauestens unter die Lupe zu nehmen. Auf der Suche nach besten Lösungen sind sich Anwender der Wichtigkeit höchster Zuverlässigkeit bei Pumpen bewusst. Sie meiden bewusst den Bereich der ausgekleideten technisch einfacheren Pumpen, um exakt die Robustheit zu finden, welche ihnen als Investitionssicherung dient und einen langjährigen Einsatz der Pumpen garantiert. Geht es um höchste Qualität, trennt sich die Spreu vom Weizen. In einer solchen Situation gilt es für den Beschaffer, die Eigenschaften der verschiedenen Pumpen möglichst genau gegeneinander abzuwägen. Abbildung 1 Die MKPL (MagnetKupplungsPumpe Lined ) ist eine korrosionsfeste, hermetisch dichte Pumpe mit Metallpanzer aus EN-GJS (GGG 40.3) und massiver PFA-Auskleidung. Ein Nenndruck von PN 16 sowie eine Vakuumfestigkeit, auch bei hohen Temperaturen bis 200 C, erlauben ein breites Anwendungsspektrum. Seite 1 / 5

2 Die 7 wichtigsten Entscheidungskriterien 1) Laufrad ist nicht gleich Laufrad. Zentrifugalpumpenlaufräder können offen oder geschlossen ausgeführt werden. Geschlossene Laufräder ermöglichen meist höhere Wirkungsgrade als offene, was zu geringeren Stromkosten führt und die CO 2 -Belastung reduziert. Offene Laufräder hingegen sind oft besser für feststoffbeladene Flüssigkeiten geeignet und weisen in der Regel auch niedrigere NPSH-Werte auf. Nicht bei allen Fabrikaten ist die Auswahl zwischen geschlossenen und offenen Laufrädern möglich. Und hat man sich einmal für einen Laufradtyp in einer Pumpe entschieden, verliert man als Anwender bei manchen Fabrikaten die Möglichkeit, zukünftig bei gleicher Pumpe einen anderen Laufradtyp einzubauen. Vergleicht man die Wirkungsgrade, so zeigt sich, dass Hydrauliken mit Abbildung 2 Laufrad MKPL Dargestellt ist das offene Laufrad mit senkrechtem Schnitt durch die Mitte der Spirale. Die statische Druckverteilung in der Spirale wird angezeigt. Der Druck ist in [Pa] angegeben. optimierten Stirnspielen auch bei offenen Laufrädern hohe Wirkungsgrade erreichen. Das Verwenden von Zwischenschaufeln auf den Laufrädern verbessert die Leistung und den Wirkungsgrad zusätzlich. Hierdurch verringern sich die Lebenszykluskosten der Pumpen auf ein Minimum, während gleichzeitig die Umwelt weniger beansprucht wird. 2) Lagerung ist nicht gleich Lagerung. Da eine Magnetkupplungspumpe hermetisch dicht nach aussen abgeschlossen ist, entfällt die Wellendurchführung der herkömmlichen, im Lagerstuhl gelagerten Antriebswelle in den Hydraulikraum. Damit wird diese Antriebswelle auch nicht mehr als Lagerung für das Pumpenlaufrad verwendet. Stattdessen drehen sich die Laufräder von Magnetkupplungspumpen in Lagern, die direkt vom zu pumpenden Medium geschmiert werden. Die Lagerung stellt in gewisser Weise die Achillesferse aller hermetisch dichten Pumpen dar, ist sie doch darauf angewiesen, immer vom Medium geschmiert und gekühlt zu werden. Der sogenannte Trockenlauf stellt somit die grösste Gefahr für hermetisch dichte Pumpen dar, ein Fehlen des Fluids oder ein Verstopfen der Schmierkanäle führt meistens schnell zu Lagerschäden. Hier wird teilweise mit Kohle-Gleitlagern gearbeitet, die zwar unempfindlicher gegen Trockenlauf sind, auf Grund der geringen Härte der Kohle jedoch auch schneller verschleissen können. Besser geeignet und in hochwertigen kunststoffausgekleideten Pumpen heute Standard sind Gleitlager aus gesintertem Siliziumcarbid (SSiC). Reibungsverringernde Oberflächenbeschichtungen, wie beispielsweise die neuentwickelte FuturaSafe, können auch hier dazu beitragen, Schäden durch Trockenlauf zu verringern. Auch konstruktiv können Pumpenhersteller einiges tun, um die Robustheit und Lebensdauer einer Lagerung zu erhöhen. Meist gilt: Je grösser eine Lagerung, umso robuster ist sie. In grossen Lagerungen haben auch grosse Schmierkanäle Platz, die nicht Seite 2 / 5

3 so leicht verstopfen. Eine massive, einteilige Konstruktion erhöht gerade bei kunststoffausgekleideten Pumpen die Laufpräzision gegenüber zwei- oder mehrteiligen Lagerkonstruktionen. Dies ist besonders wichtig beim Einsatz der Pumpen bei höheren Temperaturen. Ausserdem entfällt bei einteiligen, zentral angeordneten Lagerungen das hintere, schwer zu schmierende Lager im Spalttopf. Eine weitere Schwachstelle stellt häufig die Verdrehsicherung der Lager dar. Keramikgerechte Konstruktionen verzichten auf bruchanfällige Mitnehmerstifte und setzen stattdessen formschlüssige und selbstzentrierende Polygon-Verdrehsicherungen an Axialscheiben und Gleitlagern ein. Gleichmässige und grosse Wandstärken der SSiC-Lagerteile ermöglichen eine gute Wärmeverteilung innerhalb der Lagerung, was die Bruchanfälligkeit deutlich reduziert. 3) Kunststoff ist nicht gleich Kunststoff. Chemische Beständigkeit, Einsatztemperatur, Diffusionsfestigkeit und Lebensdauer sind die Kriterien, nach denen die verwendeten Werkstoffe zu beurteilen sind. Nicht alle Kunststoffe erfüllen diese Kriterien im gleichen Ausmass. In der Regel weist Perfluoralkoxy (PFA) bei allen Kriterien die besten Eigenschaften auf. PFA ist ein fluorhaltiger Kunststoff. Durch die Eigenschaften des im Molekül eingebauten Edelgas-Atoms Fluor ist PFA beständig gegen nahezu alle Chemikalien und hat eine sehr hohe Temperaturfestigkeit. Reines PFA ist frei von Zusatzstoffen, zeigt ein neutrales Verhalten gegenüber der Umwelt und ist zugelassen für den Kontakt mit Lebensmitteln. Abbildung 3 Dargestellt ist die Läufereinheit der MKPL-Pumpe. Im Schnitt ist die SSiC-Lagerung gut sichtbar. 4) Auskleidung ist nicht gleich Auskleidung. Bei kunststoffausgekleideten Pumpen dient die Auskleidung als Oberflächenschutz gegen aggressive Medien. Die mechanische Festigkeit der Pumpen wird durch das äussere metallische Pumpengehäuse gewährleistet. Idealerweise sind Auskleidung und Metallpanzerung fest miteinander verbunden, um beste Stützung und Vakuumfestigkeit der Auskleidung zu erreichen. Da hochwertige Fluorkunststoffe mit dem Metallgehäuse keine Verbindung eingehen, müssen sie deshalb mechanisch formschlüssig mit ihrem Stützmantel verbunden werden. Spezielle Verankerungen sind zwar teurer in der Herstellung, eignen sich jedoch am besten, um das Herausreissen des Kunststoffes aus dem Gehäuse zu verhindern. Neben einer möglichst hohen Anzahl von Verankerungen entscheidet auch ihre belastungsangepasste Verteilung über die Qualität und Lebensdauer der Auskleidung und der Pumpe. Massgeblich für die Güte einer Kunststoffauskleidung ist ihre Dicke. Je dicker eine Auskleidung, umso widerstandsfähiger ist sie gegen Verschleiss und Mediumsdiffusion. Mit zunehmender Dicke wächst jedoch auch die Neigung des Kunststoffes, unter mechanischer Belastung wegzufliessen. Bei besonders robusten Pumpen ist die Auskleidungswandstärke deshalb an die örtlich auftretenden Belastungen angepasst, um eine optimale Wandstärkenverteilung zu erreichen. Mindestwandstärken von 3 5 mm gewährleisten die notwendige Diffusions- und Seite 3 / 5

4 Verschleissfestigkeit. Besondere Auskleidungswerkstoffe mit speziellen Diffusionseigenschaften sind dann nicht mehr erforderlich. 5) Spalttopf ist nicht gleich Spalttopf. Dem Spalttopf einer magnetgekuppelten Pumpe gebührt besondere Aufmerksamkeit. Er trennt den aussen liegenden, trockenen Teil der Magnetkupplung vom innen liegenden, mediumsberührten Teil ab und sorgt damit für einen der grössten Vorteile der magnetgekuppelten Pumpen gegenüber Gleitringdichtungspumpen: der hermetischen Dichtheit. Um ein möglichst hohes Übertragungsdrehmoment der Magnetkupplung zu erreichen, sollten die beiden Kupplungshälften möglichst dicht beieinander angeordnet sein. Dies bedeutet für den (drucktragenden) Spalttopf, dass er höchste Festigkeit mit möglichst dünner Wandstärke verbinden muss. Bei kunststoffausgekleideten Pumpen ist meist auch der Spalttopf ausgekleidet. Um keine energieverbrauchenden Wirbelströme zu erzeugen, ist die Panzerung des Spalttopfes in der Regel jedoch nicht aus Metall. Oft wird hier ein faserverstärkter Verbundwerkstoff eingesetzt. Für die Auskleidung des Spalttopfes gelten die gleichen Kriterien wie für die übrige Auskleidung: Dicke und Verankerung mit der Panzerung entscheiden über Diffusionsresistenz, Vakuumfestigkeit und Lebensdauer. Besonders robuste Pumpen weisen einen einteilig hergestellten Verbundspalttopf auf, bei dem Auskleidung und Panzerung vollständig miteinander verbunden sind und dadurch höchste mechanische Stabilität bieten. Als Auskleidungswerkstoff für besonders diffusionsfeste Spalttöpfe kommt TFM PTFE zum Einsatz, das eine deutlich geringere Diffusionsrate als herkömmliches PTFE aufweist. 6) Spalttopf-Überwachung ist nicht gleich Spalttopf-Überwachung. Spalttöpfe von hochwertigen Magnetkupplungspumpen können bei kritischen Anwendungen einteilig doppelwandig ausgeführt und im Zwischenraum auf Leckage überwacht werden. Eine besonders effektive Methode ist die Überwachung des Drucks im Zwischenraum. Die Beschädigung einer Schale des Spalttopfes führt zu einer Druckänderung und kann so mittels Drucksensor frühzeitig erkannt werden. Die bei diesen Spalttöpfen verwendete zweite Schale wirkt als Reserve-Spalttopf. 7) Pumpenwelle ist nicht gleich Pumpenwelle. Häufig wird in kunststoffausgekleideten Pumpen auch eine kunststoffbeschichtete Pumpenwelle eingesetzt, um das Drehmoment von der inneren Magnetkupplungshälfte zum Laufrad zu übertragen. Werden Laufrad und Magnetrotor einfach nur auf diese Pumpenwelle aufgeschraubt, kann sich das Laufrad bei der Drehrichtungskontrolle oder beim Betreiben der Pumpe mit falscher Drehrichtung von der Welle abschrauben und das Gehäuse beschädigen. Eine häufige Empfehlung, diese Schraubverbindung mit einem Schraubensicherungsmittel zu sichern, kann bei höheren Temperaturen nicht überzeugen und erschwert zumindest die Demontage im Wartungsfall. Besonders durchdachte Lösungen verwenden polygonartige, formschlüssige Verbindungen und verzichten auf kritische Mitnehmerstifte oder dergleichen. Zusammenfassung Die Wirtschaftlichkeit einer Investition rechnet sich selten durch den Anschaffungspreis alleine. Aussagekräftiger sind die gesamten Lebenszykluskosten, welche ein Produkt verursacht. Bei kunststoffausgekleideten Magnetkupplungspumpen machen die Anschaffungskosten meistens weniger als 10 % der Lebenszykluskosten aus. Den grössten Teil der Lebenszykluskosten machen die anfallenden Energiekosten aus. Ein geschlossenes Laufrad mit optimiertem Wirkungsgrad ermöglicht meistens eine geringere Motorendimensionierung und damit eine Minimierung der Energiekosten. Seite 4 / 5

5 Die verbleibenden Kosten sind Unterhalts- und Ersatzteilkosten. Hier gilt es der Lagerung die grösste Aufmerksamkeit zu schenken, denn die meisten Pumpenschäden sind Lagerschäden. Die Robustheit der Lagerung wird durch ihre Materialselektion sowie ihre konstruktiven Eigenschaften optimiert: Je grösser und robuster die Lagerung, umso länger ist ihre Lebensdauer. Doch auch eine Auswahl des richtigen Kunststoffs, eine optimierte Verankerung der Auskleidung sowie eine hochwertige Konstruktion des Spalttopfs helfen mit, die Lebensdauer der Pumpe zu verlängern. Und sollte das Risiko einer Spalttopf-Leckage noch weiter minimiert werden müssen, eignen sich technisch optimierte Spalttopfüberwachungssysteme. Zu guter Letzt kann auch bei der kunststoffbeschichteten Pumpenwelle gespart werden, denn: Die beste Pumpenwelle ist keine Pumpenwelle! Der Autor ist CEO der CP Pumpen AG, Zofingen/Schweiz. CP Pumpen AG Im Brühl Telefon +41(0) CH-4800 Zofingen Fax +41(0) Seite 5 / 5