Fachartikel ALLMAG : Betriebserfahrung bei der Produktion von Polyester mit einer Kreiselpumpe, bei der es keine Welle mehr gibt Vor etwas mehr als 2 Jahren wurde von Fa. Allweiler in Radolfzell eine Kreiselpumpe mit Magnetantrieb vorgestellt, deren Gehäuseabmessungen und hydraulische Daten ISO 2858 entsprechen. Soweit im Süden Deutschlands nichts Neues". Neu ist aber daß es sich hierbei um eine Pumpe handelt, in welcher es keine störende Welle mehr gibt, die durch ihre Einfachheit im Aufbau besticht und die Ihre Zuverlässigkeit in zahllosen Einsatzfällen bereits unter Beweis gestellt hat. Die Entwicklung der hier vorgestellten Konstruktion trägt zum einen den Erfordernissen internationaler Planungsfirmen im chemischen Anlagenbau nach möglichst kostengünstigen Aggregaten Rechnung. Sie entstand allerdings insbesondere aufgrund langjähriger Betriebserfahrungen von und intensiven Meinungsaustauschs mit Betreibern chemischer Produktionsanlagen. Diese sind für jeden Konstrukteur von Kreiselpumpen von immenser Bedeutung, da er selbst selten in der Lage sein wird, praktische Betriebserfahrungen im täglichen Einsatz zu sammeln so wie dies bei einem Betreiber der Fall ist. Wenn diese Erfahrungen genutzt und moderne heute zur Verfügung stehende Berechnungs- und Konstruktionshilfsmittel wie beispielsweise Mehrphasen-Strömungssimulationen und 3D-CAD Systeme richtig eingesetzt werden, dann ist der Weg zu technischer Innovation vorprogrammiert. Jetzt liegt es nur noch daran mit genügend Mut herkömmliche Konventionen zu Verlassen und ein avantgardistisches Produkt entstehen zu lassen. Der nachfolgende Bericht beschreibt den prinzipiellen Aufbau der Pumpe und schildert die Erfahrungen, die bei der Förderung von Grundstoffsuspension mit bis zu 50 Gewichts-% Feststoffanteilen mit einer Baugröße 32-200 gemacht wurden.
Aufbau der Pumpe: Bild 1: Schnittzeichnung ALLMAG 1. Neue Hydraulik Bei der hier gezeigten Darstellung handelt es sich um ein einstufiges, direktgekuppeltes Blockaggregat mit axialem Eintritt. Das symmetrische Laufrad ist zwischen zwei Spaltringen gelagert, welche die Funktion von Gleitlagern übernehmen. Die Spaltringe sind aus alpha-gesintertem Siliziumkarbid hergestellt. Direkt an das Laufrad wird der innere Magnetrotor befestigt. Die Magnete selbst sind mittels eines Schutzmantels aus Edelstahl vor Kontakt mit dem zu fördernden Medium geschützt. Der Spalttopf wird mit einem Flansch und einer Grafitdichtung mit dem Gehäusedeckel verklemmt und abgedichtet. Der Außenrotor wird direkt auf die Antriebswelle des Motors verschraubt und der Motor selbst wird mittels Motorlaterne an die Pumpe montiert. So entsteht eine kompakte Einheit, die in der Regel bis ca. 30 kw Antriebsleistung Verwendung findet. Die Vorteile einer solchen Bauart liegen auf der Hand. Bild 2: Vergleich Normpunkt zu Punkt besten Wirkungsgrades bei ALLMAG
Bild 2 zeigt das Kennfeld der Baugröße 32-200. Als Dreiecke dargestellt sind zwei Betriebspunkte: Links (grün) der sogenannten Normpunkt. Nach ISO 2858 wird für diese Baugröße bei 2-poligen Motoren, einer Drehfrequenz von 50 Hz und einem Laufrad Nenndurchmesser von 200 mm eine Fördermenge 3 von 12,5 m /h und eine Förderhöhe von 50 m empfohlen. Rechts (rotbraun) ist der Punkt besten Wirkungsgrades (Qopt) der ALLMAG bei Laufrad 3 Durchmesser 200 mm gezeigt. Das Optimum liegt bei 35,4 m /h und einer Förderhöhe von 48,7 m. Durch Verwendung einer solchen Hydraulik ergibt sich ein Baugrößenvorteil, d.h. es können bei gleichen Förderaufgaben kleinere Pumpen eingesetzt werden als die nach Norm empfohlenen. Dies senkt Anschaffungskosten für komplette Aggregate. Nachteilig beim Einsatz derartiger Hydrauliken werden oft folgende Auswirkungen empfunden: a) Höhere Strömungsgeschwindigkeit im Saugstutzen: Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit im Saugstutzen erhöht u.u. den NPSH Kurvenverlauf der Pumpe, was sich nachteilig auswirken kann. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß durch optimierte Parametrisierung der Geometrie des Spiralgehäuses und des Laufrads (Schaufelanzahl, Schaufeldicke, Schaufelwinkel, Zungenlänge des Spiralgehäuses, Minderung der Rückzirkulation vom Laufrad Austritt zur Saugseite) die NPSH-Werte einer solchen Hydraulik nicht unbedingt schlechter sein müssen. b) Höhere Strömungsgeschwindigkeit im Druckstutzen Gerne vergessen wird bei dieser Argumentation, daß bei Einbindung in die Rohrleitung i.d.r. sowieso eine Erweiterung eingebaut werden muß, um die in der Anlagentechnik üblichen absoluten Strömungsgeschwindigkeiten von 1,5...2,5 m/s zu realisieren. Außerdem ist die Strömungsgeschwindigkeit in der Spirale höher als die am Druckstutzen. c) Höhere Lagerbelastung Es ist bekannt, daß die am Laufrad wirkende Radialkraft bei Kreiselpumpen ansteigt, je weiter der Betriebspunkt links oder rechts vom Punkt besten Wirkungsgrades liegt. Die daraus resultierenden radialen Reaktionskräfte auf die Gleitlager erhöhen sich zwangsläufig und ihre maximal zulässigen Werte sind durch die Tragfähigkeit der Gleitlager begrenzt. Bei fliegend gelagerten Laufrädern übernimmt das dem Laufrad am nächsten angeordnete Lager den größten Anteil dieser Kraft. Je länger hierbei der Hebelarm zwischen Mitte Laufrad und erstem Lager, um so höher die Reaktionskraft.
d) Schlechtere Wirkungsgrade durch höhere Teillast Je weiter links der Betriebspunkt einer Pumpe vom Punkt besten Wirkungsgrades liegt, um so schlechter wird ihr Wirkungsgrad. Man spricht in einem solchem Fall vom Betrieb bei Teillast. Wenn es nun gelingt durch Strömungsoptimierungen und unter Einsatz moderner Rechenmethoden den Wirkungsgradverlauf möglichst steil verlaufen zu lassen, so kann eine solche Pumpe durchaus im Teillastbereich schon in etwa gleiche Wirkungsgrade erreichen wie herkömmliche Konstruktionen im Punkt besten Wirkungsgrades. Als Folge hieraus ergibt sich daß der Wirkungsgrad im Optimum einer modernen Konstruktion höher ist als bei herkömmlichen Pumpen. In dem hier gezeigten Beispiel beträgt der Wirkungsgrad der (teillastigen!) ALLMAG im Normpunkt bereits 45 % was viele Chemiepumpen herkömmlicher Bauart und gleicher Baugröße erst nahe des Optimums erreichen. 2. Reduzierung der resultierenden Radialkräfte in den Gleitlagern: Die in Bild 3 schematisch dargestellte Lagerung des Laufrads (mittengelagert) verdeutlicht die durch die Radialkraft erzeugten, durch kürzeste Hebel-wirkungen reduzierten und auf beide Gleitlager gleichmäßig verteilten resultierenden Reaktionskräfte. Bild 3: Radialkraft und resultierende Reaktions- kräfte in den Gleitlagern bei ALLMAG 3. Axialschubausgleich Durch... symmetrische Gestaltung des Laufrades gleichen Durchmesser der Gleitlager angepasste Radseitenräume Wegfall der Pumpenwelle nicht in den Saugstutzen vorgezogene Laufradschaufeln...ergibt sich ein nahezu vollständiger Ausgleich des durch hydraulische Druckverhältnisse und Reaktionskräfte entstehenden Axialschubs. Der durch Guss- und Fertigungstoleranzen bedingte noch verbleibende Restschub wird durch entsprechend gestaltete Lagerhülsen aufgenommen. Dabei ist es unerheblich, in welche Richtung der Restschub wirkt, da die Gleitlager symmetrisch sind.
4. Hydrodynamische Schmierung der Gleitlager h 0 F R Ra dial kra ft Gleitlager mit kleinem ø Gleitlager bei ALLMAG resultierende Schmierfilmhöhe h 0 Bild 4: Schematische Darstellung Tragfähigkeit Gleitlager bei ALLMAG 5. Strömungsführung F R Die Gleitlager sind mit einem sehr großen Nenndurchmesser ausgeführt. Bei gleicher Drehfrequenz erreicht man eine höhere Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Hülse als bei Lagern mit kleineren Durchmessern (siehe Bild 4). Bei gleich großen Reaktionskräften ergibt sich somit eine wesentlich höhere Schmierfilmdicke bzw. wesentlich höhere Tragzahl. Höhere Reaktionskräfte, wie sie insbesondere bei wenig Fördermenge, Anfahren gegen geschlossenen Druckschieber oder bei Betrieb rechts vom besten Wirkungsgrad entstehen, können besser aufgenommen werden. Selbst bei schlecht schmierenden Medien und Betrieb nahe Null Fördermenge wird noch eine hydrodynamische Schmierung aufrechterhalten. Bei gleichen Förderaufgaben (Q, H, Rho) ergeben sich in etwa gleich große Radialkräfte bei allen Chemiepumpen. Durch die groß dimensionierten Gleitlager bei ALLMAG stellt sich jedoch ein wesentlich höherer Schmierfilm ein als bei kleineren Lagern. Bild 5: Strömungsführung bei ALLMAG
In Bild 5 ist die Berechnung des Strömungsverlaufs in der Pumpe bei einer Förder- 3-1 menge von 70 m /h und 2900 min gezeigt. Deutlich sieht man wie die Geschwindigkeit der Strömung im Saugstutzen (linke Seite) vor Eintritt in die Schaufeln reduziert wird (gelbe und grünliche Flächen). Es zeigt ebenfalls den vom Laufrad durch das rechte Gleitlager zurück zirkulierenden Spülstrom wie er in den Bereich des Schaufeleintritts vordringt und dort wieder mit dem von der Saugseite zuströmenden Produkt vermischt wird. 6. Minimierung der Rückströmung Dort, wo sich üblicherweise der Bereich der Spaltringe befindet, muß bei Konstruktionen mit fliegend gelagertem Laufrad ein genügend großer Spalt zwischen Laufrad und Spiralgehäuse gehalten werden, da sich unter der am Laufrad angreifenden Radialkraft die Welle biegt und das Laufrad nicht am Gehäuse anstreifen darf. Durch diesen Spalt strömt vom Laufradaustritt eine Teilmenge zur Saugseite zurück. Bei ALLMAG sind die Gleitlager an die Position der Spaltringe getreten. Entsprechend DIN 31652 werden Gleitlager mit einem Spiel von ca. 1,3...1,5/1000 vom Nenndurchmesser ausgeführt was weniger als 1/5 der sonst üblichen Spiele beträgt. Dementsprechend ist die Rückströmung vom Laufradaustritt zur Saugseite auf ein Minimum begrenzt. Die Folge ist ein Anstieg des hydraulischen Wirkungsgrades und eine geringere Leistungsaufnahme des Aggregats. Bei Förderung von feststoffbeladenen Medien kann im Bereich der Spaltringe oft Abrasion des Laufrads und des Spiralgehäuses beobachtet werden. Im Laufe der Zeit wird der Spalt immer größer und die Leistungsaufnahme des Motors steigt weil sich der hydraulische Wirkungsgrad der Pumpe durch erhöhte Rückströmung verschlechtert. Abhilfe kann durch Verwendung von Spaltringen erreicht werden, die einen hohen Widerstand der Abrasion entgegensetzen. Bei ALLMAG befinden sich in diesem Bereich Gleitlager aus Silizium Karbid, welche eine sehr hohe Verschleißfestigkeit besitzen. 7. Reduziertes Massenträgheitsmoment des Innenrotors Bei Kreiselpumpen mit Magnetantrieb muss sichergestellt sein, daß die Magnetkupplung beim Anfahren nicht abreißt, d.h. dass sich die Magnetfelder zwischen Innenrotor und Außenrotor nicht verlieren. Dies kann dann geschehen, wenn der Antriebsmotor zu schnell hochfährt und der Innenrotor bedingt durch zu hohe Massenträgheit nicht schnell genug folgen kann. Bei ALLMAG ist diese Gefahr gemindert, da der Innenrotor eine reduzierte Masse besitzt weil keine Welle mehr vorhanden ist.
8. Eliminerung von Bauteilen Die hier gezeigte Konstruktion besitzt - keine Welle, - keine Wälzlager im Lagerträger, - keine Abdichtungen im Lagerträger, - keine elastische Wellenkupplung, - keinen Kupplungsschutz. Die Nutzen für Montage, Betrieb und Instandhaltung sind offensichtlich: Niedrigere Aggregatekosten bei der Erstbeschaffung Problemlose Aufstellung vor Ort Weniger Ausrichtarbeiten bei Montage, dadurch weniger Fehlerquellen vor Inbetriebnahme Wenige Bauteile, dadurch weniger Ausfallursachen während des Betriebs, planmäßige Ölwechsel müssen nicht mehr durchgeführt werden und damit entfällt das Pflegen von Schmiermittellisten sowie die Beschaffung, das Recycling und die Entsorgung von Schmieröl Die Pumpe im praktischen Einsatz: Die Firma Kosa GmbH & Co. KG produziert z. B. an ihrem Standort Offenbach in drei hochmodernen Produktionsanlagen jährlich rund 140.000 Tonnen Dimethylterephthalat (ein Rohstoff für die Polyester-Produktion) und etwa 270.000 Tonnen Polyestergranulat. Insgesamt befinden sich etwa 1.000 einstufige Chemie-Kreiselpumpen an diesem Standort. In einem der Produktionsbereiche wird in einem Mischbehälter eine Suspension mit einem Rührwerk in Schwebe gehalten und diese Rühraufgabe wird zusätzlich mittels Kreislaufzirkulation durch eine Chemie-Kreiselpumpe (mit Standby Pumpe) unterstützt. Eine bestimmte Teilmenge wird dabei dem Kreislauf kontinuierlich
entnommen und in einem anderen Bereich der Anlage weiter verwendet. Die Problemstelle in diesem System waren bisher die Abdichtungen der Pumpenwellen mittels einfachwirkenden Gleitringdichtungen, deren durchschnittliche Standzeiten zwischen 6...8 Wochen betrugen. Nach diesen Intervallen mussten die Dichtungen gewechselt werden weil sich Produktablagerungen auf den Gleitflächen bildeten und die Leckagen nicht mehr akzeptable Werte erreichten. Verschiedene Dichtungstypen einschließlich teuerer Stationärdichtungen sowie unterschiedliche Gleitwerkstoffe wurden ausprobiert, aber es wurden keine zufriedenstellende Standzeiten erreicht. Um endgültig Abhilfe zu schaffen zog man in Erwägung, doppeltwirkende Gleitringdichtungen mit entsprechenden Versorgungssystemen einzubauen als zeitgleich die von ALLWEILER neu entwickelte ALLMAG im Rahmen einer Tagung des Verbands der Chemischen Industrie (VCI) der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Die Argumente überzeugten sehr schnell und es wurde beschlossen eine Probepumpe einzubauen. Vereinbart wurde, dass nach einem Zeitraum von ca. 9 Monaten die Pumpe geöffnet werden sollte um gemeinsam den Zustand zu begutachten. Ausschlaggebend für den Einsatz einer ALLMAG waren aus Sicht des Betriebes vor allem folgende Gegebenheiten: 1) Es gibt keine, die Strömung störende, Welle mehr. 2) Die Gleitlager - und hier vor allen Dingen das topfseitige sind definiert geschmiert, d.h. es gibt keine Bohrungen zur Unterstützung der Schmierung, die sich durch Produktablagerungen zusetzen und den Schmierstrom unterbrechen könnten. 3) Es wird keine Fremdspülung mit sauberem Produkt benötigt um den Bereich der Lager und des Magnetantriebs sauber zu halten. Die Betriebsdaten sind wie folgt: Fördermedium Glykol Suspension 3 Fördermenge ca. 3 m /h Förderhöhe Drehzahl 14 m Temperatur 40 C Dichte Feststoffanteil 1450 min-1 3 1800 m /kg ca. 50 Gewichts-% Korngröße ca. 0,5 µm Pumpentyp ALLMAG 32-200 110/40
Im Februar 2000 wurde die Pumpe eingebaut und im Oktober begutachtet. Die gesamte Laufzeit betrug 6500 Betriebsstunden mit insgesamt 48 Stunden Stillstandszeit. Folgender Befund wurde aufgenommen: Gleitlager: Bild 6: Gleitlager Saugseite ALLMAG 32-200 Bild 7: Gleitlager Topfseite ALLMAG 32-200 Beide Gleitlager sind in einwandfreiem Zustand. Es gibt keine Anzeichen von Mangelschmierungen, Überlastungen oder sonstige Beeinträchtigung der Funktion durch andere Einflussfaktoren wie beispielsweise Produktablagerungen. Verbindungsstelle Laufrad / Innenrotor (Topfseite) Bild 8: Verbindungsstelle Laufrad/Innenrotor ALLMAG 32-200 Die Gleitlager sind axial und radial über reibschlüssige Verbindungen verspannt. Dies bedingt einen konstruktiven Spalt zwischen Pumpenlaufrad und Magnet- Innenrotor, in welchem Produktreste in Form von Ablagerungen vorgefunden wurden, die jedoch die einwandfreie Funktion beider Bauteile nicht nachteilig beeinflussen.
Verbindungsstelle Laufrad / Haltering (Saugseite) Bild 8: Verbindungsstelle Laufrad/Innenrotor ALLMAG 32-200 Auch in dem konstruktiv bedingten Spalt zwischen Haltering und Laufrad befinden sich geringe Produktablagerungen, die aber auch an dieser Stelle keine negativen Auswirkungen auf die sichere Funktion der Pumpe haben. Beide Spalte an den Verbindungsstellen Laufrad zu Innenrotor als auch Laufrad zu Haltering wurden durch Verbesserungsmaßnahmen reduziert und können im Bedarfsfall durch Verwendung von beispielsweise Loctite vollständig verschlossen werden. Toleranzhülsen Zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmeausdehnungen zwischen Edelstahl und Siliziumkarbid kommen Spannringe im Bereich der Gleitlager zur Anwendung. In Bild 10 sind Ablagerungen auch an einem Spannring zu sehen, die jedoch ebenfalls die Funktion dieser Bauteile nicht negativ beeinflussen. Auch diese Ablagerungen können durch vollständiges Verschließen der Spalte vermieden werden. Bild 10: Spannring ALLMAG 32-200 Restliche Bauteile...in praktisch neuem Zustand. Fazit: Die bei einer Korngröße von 0,5 µm zu erwartenden Ablagerungen in den konstruktionsbedingten Spalten wie sie bei allen Kreiselpumpen zwangsläufig vorhanden sind haben keinerlei negative Auswirkungen auf die Betriebssicherheit der ALLMAG. Die in diesem Bericht beschriebene Pumpe wurde am 13. November 2000 wegen erneuten Ausfalls der Gleitringdichtung der Reservepumpe wieder eingesetzt und läuft bis zum Zeitpunkt der Verfassung dieses Berichts (Mitte April 2001) ohne Ausfall.
Kostenersparnisse Die im nachfolgenden (vereinfachte) Aufstellung der Kosten zeigt die Einsparung durch Einsatz der Magnetpumpe gerechnet über 5 Jahre: Betriebskostenkalkulation für 5 Jahre Chemiepumpe ALLMAG Anschaffungskosten...Pumpe freie Welle 4.000 DM 6.500 DM...Kupplung + Kupplungsschutz 250 DM 0 DM...Motor 800 DM 800 DM...Grundplatte 600 DM 0 DM Gesamt Anschaffungskosten 5.650 DM 7.300 DM Energiekosten Hydr. Wirkungsgrad in % 25,9 26 Q/Qopt in % 32,5 23,5 Wellenleistung ohne Verlustleistung in kw 4,26 4,2 Leistungsaufnahme Gleitringdichtung in kw 0,05 0 Verlustleistung Magnetkupplung in kw 0 0,4 Gesamt-Wellenleistung in kw 4,31 4,6 Gesamt-Energiekosten/Jahr 1 ) 4.311 DM 4.645 DM Wartungskosten pro Jahr Reparaturkosten (inkl. Teile + Lohn) 15.000 DM 0 DM Gesamtkosten in 5 Jahren...inkl. Anschaffungskosten) 102.205 DM 29.725 DM Ersparnis in 5 Jahren 72.480 DM Trotz höherer Teillast bei ALLMAG ist der hydraulische Wirkungsgrad in etwa gleich, jedoch wirken sich die erhöhten Wirbelstromverluste der Magnetpumpe im Vergleich zur Reibleistung der Gleitringdichtung negativ auf die Energiekosten aus. Der Differenzbetrag über 5 Jahre beträgt aber insgesamt nur DM 1.670,-, was weniger ist als die Kosten einer Reparatur für eine Pumpe mit Gleitringdichtung. Der Verfasser dankt Herrn Horst Häfner, Supply & Distribution Manager Technical Warehousing Procurement der KoSa GmbH & Co. KG für die Unterstützung beim Einsatz der Pumpe in oben beschriebener Applikation sowie bei der Verfassung dieses Berichts.