Wenn jeder Tropfen zählt

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1 Fachartikel Wenn jeder Tropfen zählt Hermetisch dichte Kreiselpumpen in besonderer Bauart Seit in den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts der Umwelt- und Gesundheitsschutz immer stärker ins Bewusstsein der Bevölkerung und der Politik gerückt ist, hat ein Segment des Marktes für Kreiselpumpen zunehmend an Bedeutung gewonnen: Hermetisch dichte Kreiselpumpen werden immer da eingesetzt, wo die Explosivität, die Toxizität oder das Geruchsbelästigungspotential der zu fördernden Medien dies erfordert. Mit einer neuen Konstruktion von Magnetkupplungspumpen ist es nun gelungen, eine hermetische Förderlösung zu schaffen, die bei geringen Investitionskosten eine hohe Betriebssicherheit und lange Laufzeiten ermöglicht. Stand der Technik bei hermetisch dichten Pumpen sind Spaltrohrmotorpumpen und Pumpen mit magnetischen Übertragungskupplungen. Magnetkupplungspumpen haben den Vorteil, dass Sie mit handelsüblichen Normmotoren betrieben werden können. Das Drehmoment wird durch permanentmagnetische Kräfte von einer äußeren Antriebseinheit auf den Rotor im Inneren der Pumpe übertragen. Die im Fördermedium befindliche innere Einheit wird durch einen Spalttopf zwischen den beiden Hälften der Magnetkupplung statisch gegenüber der Umgebung abgedichtet. Bei Spaltrohrmotorpumpen gehört der Motor zur Pumpe dazu. Der Rotor des Motors ist ein Teil des Innenrotors der Pumpe und wird durch ein Spaltrohr druckdicht vom Stator isoliert. Spaltrohrmotorpumpen sind meist mit hohen Anschaffungskosten verbunden und brauchen besondere Fachkenntnis für Wartung und Instandsetzung. Im allgemeinen wird Spaltrohrmotorpumpen eine höhere Betriebssicherheit zugesprochen, da das druckdichte Gehäuse des Motors eine zweite Barriere darstellt, die bei Penetration des Spaltrohres den Austritt von Fördermedium verhindert. Nicht nur bei schwierigen z.b. abrasiven oder zum Stocken neigenden Medien werden meist zusätzliche Hilfseinrichtungen wie Trockenlaufwächter oder Fremdspülungen eingesetzt. Spaltrohrmotorpumpen haben deshalb in der chemischen Verfahrenstechnik deutlich längere Laufzeiten zwischen zwei Reparaturen als Gleitringdichtungspumpen. Beide Prinzipien Spaltrohrmotor und Magnetkupplung erfordern, dass der Innenrotor der Pumpen durch vom Fördermedium geschmierte Gleitlager gelagert ist. Die Empfindlichkeit der Gleitlager, die Erosionsanfälligkeit von Spalttöpfen und Spaltrohren und die notwendige Spülstromführung zur Spülung der Lager und des Spalttopfes begrenzen die Einsetzbarkeit der genannten Lösungen.

2 Um die Vorteile magnetgekuppelter Pumpen gegenüber Spaltrohrmotoren besser nutzen zu können, zielt die Entwicklung deshalb auf höhere Betriebssicherheit. Ein weiterer Trend macht magnetgekuppelte Pumpen zunehmend auch zu ernsthaften Konkurrenten von Pumpen mit normalen Wellendichtungen: die Reduzierung der Herstellungskosten. Mit der Einführung einer neuen Konstruktion ist es nun gelungen, beiden Trends mit einer Baureihe zu genügen. Die Entwicklung der hier vorzustellenden Konstruktion trägt den Erfordernissen internationaler Planungsfirmen im chemischen Anlagenbau nach möglichst kostengünstigen und zuverlässigen Aggregaten Rechnung. Sie entstand insbesondere aufgrund langjähriger Betriebserfahrungen von und intensiven Meinungsaustauschs mit Betreibern chemischer Produktionsanlagen. Eine Prozesspumpe ist den unterschiedlichsten Störeinflüssen ausgesetzt:von außen wirkende Kräfte, die durch das Rohrleitungssystem auf die Pumpe übertragen oder durch Verspannung der Pumpe bei der Montage bzw. unter Temperatureinwirkung hervorgerufen werden, können zur Überlastung der Gehäuseteile, der Lagerung oder der mechanischen Kupplung zum Motor führen. Schwingungen und Vibrationen können die Lager, bestimmte Gehäusestellen und die Wellenquerschnitte gefährden. Abrasive Partikel im Medium bedrohen die Funktionsfähigkeit der Lager und können bei ungenügender Berücksichtigung im Design zur Erosion und Leckage des Spalttopfes führen. Wenn Medien nahe am Siedepunkt gefördert werden oder wenn die Pumpe unzureichend gefüllt angefahren wird, kann es zu Trockenlauf in den Lagern und im Spalttopf kommen. Beides kann zur Überhitzung und Schädigung der betroffenen Bereiche führen. Manche Medien neigen zur Verklebungen oder Verkrackungen, die zu erhöhter Reibungswärme oder sogar zur Blockierung des Innenrotors führen können Die neue Konstruktion begegnet den genannten Gefahren durch Konzepte der aktiven Sicherheit, die in einem einfachen Aufbau verwirklicht sind. Dadurch kann gleichzeitig ein günstiges Preisniveau erzielt werden. Einstufige Kreiselpumpe mit Magnetkupplung in neuartiger Konstruktion

3 Bei der Konstruktion wurde auf alles verzichtet, was zur Kraftübertragung und zur Förderung des Mediums nicht unbedingt nötig ist: Die Pumpe besitzt keine Welle. Der Innenrotor der Magnetkupplung ist direkt am Laufrad angeflanscht. Das Laufrad ist symmetrisch quasi doppelflutig ausgeführt. Zusammen mit der symmetrischen Gestaltung der Radseitenräume sorgt diese konstruktive Maßnahme für minimierte Axialkräfte auf die Lager. Zusatzmaßnahmen zum Ausgleich von axial wirkenden Kräften, wie Rückenschaufeln (fördern die Verschleißwirkung im Spalttopf) am inneren Magnetrotor oder Ausgleichsscheiben, sind nicht notwendig. Zwei Gleitlager aus Siliziumkarbid sind ebenfalls symmetrisch beiderseits des Laufrades angeordnet. Die auf das Laufrad wirkenden Radialkräfte werden somit optimal auf die Lager verteilt und damit deren Belastung minimiert. Die Lagerung der neuen Konstruktion verfügt durch diese Maßnahmen über eine außergewöhnliche Robustheit. Zusätzlich bilden die Lagerspalte die Dichtspalte zwischen Druck- und Saugseite im Inneren der Pumpe. Der enge Spalt ist verschleißfrei: herkömmliche Schleißringe sind überflüssig, metallischer Kontakt zwischen Laufrad und Gehäuse ist ausgeschlossen eine gute Voraussetzung für den Einsatz in explosionsgefährdeten Anlagen. Die besonderen Pumpenspalten bewirken darüber hinaus geringe Fördermengenverluste zwischen Druck- und Saugseite der Pumpe. Gemeinsam mit der computerunterstützt optimierten Hydraulik führt dies zu einem sehr hohen hydraulischen Wirkungsgrad auch im Teillastbereich. Besonderes Sicherheitskonzept Die Pumpe wurde bewusst als Blockausführung konzipiert. Nicht nur, weil dies die preiswertere Alternative zu einer Grundplattenausführung ist, sondern auch weil die Einwirkung äußerer Kräfte auf die Pumpe dadurch wie bei Spaltrohrmotorpumpen minimiert wird. Eine Kupplungsausrichtung ist nicht notwendig und stellt somit auch keine Fehlerquelle dar. Durch eine besonders robuste Gestaltung des Gehäuses ausgelegt mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente (FEM) ist eine Unterstützung der Laterne bzw. des Motors nicht unbedingt notwendig. Auch hier entfällt die Gefahr der Verspannung durch äußere Kräfte und die Gefährdung durch Rohrleitungskräfte ist minimiert. Die maschinendynamische Auslegung des Aggregates mit Hilfe der FEM hat zu einer gegenüber Schwingungen sehr unempfindlichen Konstruktion mit minimierter Resonanzgefahr geführt. Dauerschwingbrüche von Wellen können nicht auftreten. Die besondere Lagerung ist ein weiteres wichtiges Element der aktiven Sicherheit. Die optimale Verteilung der Laufradkräfte auf die beiden Lager aus verschleißfestem Siliziumkarbid in Kombination mit der besonders großen Tragfläche minimiert die Lagerbelastung und erhöht zusätzlich die Verschleißfestigkeit ein wichtiger Schutz bei kurzzeitigem Trockenlauf. Der große Lagerdurchmesser resultiert in sehr hoher

4 Tragfähigkeit: Auch bei teillastiger Förderung niederviskoser Medien wird ein stabiler Schmierfilm in den Gleitlagern aufgebaut. Schematische Darstellung der Tragfähigkeit der Gleitlager herkömmlicher Magnetkupplungspumpen und der neuen Konstruktion. Da die Lager gleichzeitig den Pumpenspalt bilden, ist das Schmiermedium im Lagerspalt weitgehend drucküberlagert. Zusammen mit der geringen Wärmeentwicklung im Lager bietet dies einen wirksamen Trockenlaufschutz bei der Förderung von Medien nahe am Siedepunkt. Der einfache, wellenlose Aufbau des Innenrotors ermöglicht die kürzest mögliche Spülstromführung zur Kühlung des Spalttopfes und der Lager. Dies wird erreicht, ohne dass der Spalttopf zur Aufnahme von Lagern dient und dadurch durch mechanische Kräfte und Schwingungen gefährdet wäre. Der Spalttopf ist somit weitgehend schwingungsfrei und muss lediglich die Druckkräfte des Fördermediums aufnehmen. Die kurze Spülstromführung hat mehrere Vorteile: Lager und Spalttopf werden optimal gekühlt, die Temperaturerhöhung im kühlenden Medium bleibt äußerst gering wichtig für temperaturempfindliche Medien. Die fehlenden Toträume im Spülkanal bieten einen optimalen Schutz sowohl gegen Ansammlungen von abrasiven Partikeln als auch vor Verkrackungen und Verklebungen im Medium. Der besonderen Gefährdung des Spalttopfes durch abrasive Partikel wird durch weitere Maßnahmen begegnet: Feststoffe werden durch die Zentrifugalwirkung des Laufrades weitestgehend vom Spülmedium abgetrennt, bevor dieses durch das hintere SiC-Lager zum Spalttopf geleitet wird.

5 Verbleibende Reststoffe werden durch eine patentierte Spülstromführung durch die Gleitlager feinst zermahlen und somit ihre abrasive Wirkung stark gemildert. Eine Drallbrecherrippe auf dem Boden des Spalttopfes reduziert die Medienrotation an dieser Stelle und schützt dadurch diesen besonders gefährdeten Bereich zusätzlich. Mit den dargestellten Maßnahmen ist es gelungen, eine Magnetkupplungspumpe zu konstruieren, die in ihrer Betriebsbereitschaft und -sicherheit Spaltrohrmotorpumpen gleichgesetzt werden kann. Dies wurde bei einer Analyse der Betriebszeiten von Pumpen mit Gleitringdichtung, Spaltrohrmotorpumpen und anderen Magnetkupplungspumpen in einem großen Chemiewerk bestätigt. Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass die neue Konstruktion auch ohne aufwändige Hilfsvorrichtungen die Laufzeiten von Spaltrohrmotorpumpen erreicht. Analyse der durchschnittlichen Laufzeiten zwischen zwei Reparaturen unterschiedlicher Pumpenbauarten in einem großen Chemiewerk. Andererseits konnte die Konstruktion auf einem Kostenniveau realisiert werden, dass dasjenige von Pumpen mit Gleitringdichtung nur geringfügig übersteigt.