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CT-Trendbericht: Magnetkupplungspumpen

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27.11.2009 Der Aufwand für die Wartung von Kreiselpumpen mit Gleitringdichtungen ist manchem Betreiber ein Dorn im Auge. Und auch der Wunsch nach komplett dichten Förderaggregaten trägt dazu bei, dass das Interesse an hermetisch dichten Alternativen weiter zunimmt. Und so lassen sich Hersteller einiges einfallen, um magnetgekuppelte Pumpen immer attraktiver und sicherer zu konstruieren. Die CT ist den aktuellen Entwicklungen nachgegangen.

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Dichtungen sind Verschleißteile – und was verschleißt, muss auch gewartet werden. In Komponenten und Maschinen verfahrenstechnischer Anlagen verursacht dies nicht nur Kosten für das Ersatzteil selbst, sondern vor allem Stillstandszeiten und der Aufwand für den Austausch schlagen negativ zu Buche. So gravierend, dass Betreiber angesichts ausgedünnter Instandhaltungsmannschaften am liebsten einen harten Schnitt machen würden und wo immer möglich, komplett auf Dichtungen verzichten. Und so verwundert es kaum, dass sich magnetgekuppelte Pumpen in den vergangenen Jahren in vielen Anwendungen als hermetisch dichte Alternative etabliert haben.

Doch wo Licht ist, gibt es auch Schatten: Während die höheren Investitionskosten noch gegen sinkende Wartungskosten gerechnet werden können, sind es vor allem der in der Regel schlechtere Wirkungsgrad und die zum Teil anfälligere Technik: Vor allem Feststoffe und kristallisierende Medien können zum Trockenlauf führen, der eben nicht nur den Ausfall einer Wellendichtung, sondern den Totalschaden einer Magnetkupplungspumpe nach sich ziehen kann. „Trockenlauf ist nach wie vor ein gravierendes Thema“, bestätigt Benedikt Dieriks, Leiter Pumpeninstandsetzung und mechanische Antriebe beim Technik-Dienstleister Infracor in Marl. Mit den bislang verfügbaren Maßnahmen wie der Temperaturmessung am Spalttopf, einer Grenzstandmessung imVorlagebehälter, der Überwachung der Stromaufnahme oder des Drucks an der Pumpe lässt sich das Problem nicht restlos lösen.
Und so liegt ein Schwerpunkt bei der Weiterentwickung der Magnetkupplungspumpen seit einigen Jahren darauf, die Toleranz gegenüber Trockenlauf zu erhöhen (Berichte dazu siehe Kasten „Download“). Knackpunkt im Wortsinn sind dabei die Gleitlager: Moderne Werkstoffe wie SiC ermöglichen heute den Trockenlauf selbst über längere Zeiträume. Die Materialien halten dabei allerdings zwar den beim Trockenlauf entstehenden hohen Temperaturen stand, doch in der Praxis kommt es dennoch immer wieder zu Lagerschäden. Die Ursache: Plötzlich wieder zur Verfügung stehendes Fördermedium führt im Lager zu einem Temperaturschock – die SiC-Beschichtung platzt ab. Beitreiber, die Trockenlauf feststellen, sollten deshalb erst die Pumpe abstellen und abkühlen lassen, bevor der Zulauf wieder hergestellt wird.
Um Verstopfungen durch Feststoffe zu vermeiden, setzt Verder Pumpen bei seiner Baureihe TB beispielsweise einen Sperrring ein, der den Bereich des Spalttopfes vom Spiralgehäuse trennt. „Dadurch können Feststoffe größer 100µm nicht in den Spalttopf geraten und dort Schäden verursachen“, erklärt dazu Produktmanager Yonas Tecleab.Der Hersteller arbeitet derzeit an selbstansaugenden Ausführungen für große Baugrößen. Wernert Pumpen hat die Gleitlager bei der Konstruktion der Monsun-Baureihe dorthin verlagert, wo beim Abriss des Zulaufstroms am längsten Flüssigkeit rotiert. Ein Notreservoir übernimmt im kritischen Betriebszustand die Schmierung der SiC-Gleitlager. Bungartz kombiniert die Magnetkupplung mit einer hydrodynamischen Dichtung und erreicht dadurch, dass die Pumpe auch bei längerem Trockenlauf eingesetzt werden kann (Berichte siehe Kasten „Download“).

Neue Spalttöpfe vermeiden Verluste

Ein weiterer Schwerpunkt der Entwicklung von Magnetkupplungspumpen ist der Einsatz nichtmetallischer Spalttöpfe. Dadurch werden Wirbelstromverluste vermieden, wodurch der Wirkungsgrad und damit die Energieeffizienz steigt. „Energieeinsparungen werden immer mehr zu einem Thema“, bestätigt Dieriks, und rückt gleich noch einen viel wichtigeren Aspekt in den Mittelpunkt: die Sicherheit. Kommt es zum Kupplungsabriss, führen Wirbelströme dazu, dass sich der Spalttopf aufheizt und in der Folge beschädigt wird. Wenn zusätzlich auch noch die magnetischen Treiber geschädigt werden, bedeutet dies in der Regel einen Totalschaden mit Produktaustritt. Durch den Einsatz moderner Kobalt-Samarium-Magnete kann das Limit von 280 °C auf 350 °C gesteigert werden.

Als Alternative zum Metall kommen Keramiken auf Basis von Zirkonoxid sowie Verbundwerkstoffe zum Einsatz. Klaus Union setzt bei der neuen SLM NVO Keramik und CFK ein. CP Pumpen stattet seine neuen MKPL-Pumpen mit Spalttöpfen aus PTFE bzw. PVDF aus, Munsch verwendet in der magnetgekuppelten Kunststoffpumpe MPC nicht mehr Spalttöpfe aus PTFE sondern aus dem diffiusionsdichteren PFA. Dickow Pumpen hat jüngst einen Spalttopf aus Peek-Composite-Werkstoff vorgestellt, dessen Wandstärken (2mm für Betriebsdruck 24 bar) den Austausch in vorhandene Konstruktionen erlauben soll. Als preiswerte Alternative zu Hastelloy oder tiefgezogenem Titan bietet der Hersteller nun auch einen gegossenen Ti-Spalttopf an. „Nur wenn die Mehrkosten in einem vertretbaren Rahmen bleiben, sind Betreiber bereit, vorhandene metallische Spalttöpfe auszutauschen“, ist sich Jürgen Konrad, Technischer Leiter beim Hersteller Dickow Pumpen, sicher. Verbesserungspotenzial sehen Praktiker vor allem in der Toleranz von Keramik gegenüber Schwingungen und Stößen (Montage) und der Temperaturbeständigkeit der Kunststoffmaterialien.

Bessere Konstruktionen durch CFD

Eine weitere Methode zur Reduzierung der Energiekosten ist der Einsatz von Software zur dynamischen Strömungssimulation (CFD). Dadurch ist es möglich, Laufräder, Spiralgehäuse und überhaupt die Strömungsführung zu optimieren. „Da die Strömung nicht stationär, sondern instationär berechnet wurde, konnten besonders hohe Wirkungsgrade realisiert werden“, erklärt Jürgen Ahlfeldt, Produktmanager bei Munsch Chemie-Pumpen. Durch die visualisierten Strömungen werden Wirbel und Ablösungen sichtbar. Ahlfeldt: „Betreiber profitieren von der CFD-Methode durch niedrigere NPSH-Werte, geringerem Verschleiß, niedrigerem Geräuschpegel und einer höheren Zuverlässigkeit, da weniger Schwingungen auftreten.“

Höhere Leistungen gefragt

„Neben höheren Temperaturgrenzen wünschen wir uns Magnetkupplungspumpen mit einer höheren Leistung“, ergänzt Benedikt Dieriks die Wunschliste der Anwender. Seine Vision: Künftig sollen auch klassische mehrstufige Kreiselpumpen durch Magnetkupplungspumpen ersetzt werden können. „Das ist bereits Stand der Technik, allerdings sollten Betreiber immer auf einen funktionierenden Achsschubausgleich zwischen Qmin und Qmax achten“, ergänzt dazu Jürgen Konrad. Einige Hersteller sehen für sich Chancen in der Erweiterung der Baugrößen: So hat beispielsweise Richter auf der Achema eine Kunststoff-Chemiemagnetpumpe mit einer Förderleistung von 600m3/h gezeigt. Iwaki ergänzt sein Programm um die einstufige MDW-Pumpe, die eine Leistung von 300m3/h und eine maximale Förderhöhe von 98m erreicht. Die bereits oben erwähnte MKPL von CP Pumpen gibt es nun auch in einer Version für Volumenströme bis 360m3 und 85m Förderhöhe.

Und noch ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt wurde nicht zuletzt auf der Achema wieder stärker in das Bewusstsein der Betreiber gerückt: Überwachungssysteme, mit denen außerplanmäßige Betriebszustände erfasst und signalisiert werden sollen. Über die jüngsten Entwicklungen bei Überwachungssystemen werden wir in einer der kommenden Ausgaben berichten.

Fazit: Magnetgekuppelte Pumpen – insbesondere solche mit Kunststoffauskleidung – liegen weiter im Trend. Ein wichtiges Entwicklungsziel bleibt weiterhin die Toleranz gegenüber Trockenlauf und feststoffhaltigen Medien. Durch den Einsatz nichtmetallischer Spalttöpfe sollen Wirbelstromverluste reduziert und dadurch der Wirkungsgrad gesteigert werden. In den vergangenen Jahren ist ein Trend hin zu größeren Leistungen bis hin zu 400m3/h zu beobachten.K

„Trockenlauf ist nach wie vor ein gravierendes Thema“
Benedikt Dieriks, Leiter Pumpeninstandsetzung und mechanische Antriebe beim Dienstleister und Industrieparkbetreiber Infracor in Marl
„Ein Sperrring zwischen Spalttopf und Spiralgehäuse verhindert, dass Feststoffe in den Spalttopf geraten“
Yonas Tecleab ist Produktmanager bei Verder
„Nur wenn die Mehrkosten vertretbar bleiben, sind Betreiber bereit, vorhandene metallische Spalttöpfe auszutauschen“
Jürgen Konrad, Dickow Pumpen

Heftausgabe: August 2009
Armin Scheuermann ,

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