Magnetkupplungspumpen: nichtmetallische Spalttöpfe steigern Energieeffizienz

Die in metallischen Spalttöpfen entstehenden Wirbelströme sind der Grund für den schlechteren Wirkungsgrad von Magnetkupplungspumpen. Durch das rotierende Magnetfeld werden im Spalttopfmaterial durch Induktion Wirbelströme erzeugt, die zur Erwärmung und damit zu Leistungsverlusten führen. Je besser die elektrische Leitfähigkeit des Spalttopfmaterials, desto mehr Wärme fällt an und muss abgeführt werden. Durch den Einsatz von nichtmetallischen Spalttöpfen mit sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit werden die Wirbelstromverluste vermieden, wodurch der Wirkungsgrad von Magnetkupplungspumpen signifikant steigt.

Wie groß das Einsparpotenzial ist, verdeutlicht folgendes Beispiel: Die Wirkungsgrade herkömmlicher Magnetkupplungen liegen zwischen 90 und 97%. Für eine in der chemischen Industrie häufig eingesetzte Pumpengröße mit einer Leistung von 10kW bei 2900 min-1 kann man für die Magnetkupplung mit einem Wirkungsgrad von 90% rechnen, d.h. ca. 1kW geht in der Magnetkupplung verloren. Nimmt man für eine solche Pumpe einen 24-h-Betrieb an, besteht ein Einsparpotenzial von ca. 8800kWh pro Jahr.
Nichtmetallische Spalttöpfe, vor allem solche aus technischer Keramik und Kunststoff, werden schon seit vielen Jahren von diesem Hersteller für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt. Der Einsatzbereich ist bisher allerdings auf Grund der spezifischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe begrenzt gewesen. Die Grenzen der Standardlösungen liegen heute bei 16bar Systemdruck, 120°C Systemtemperatur und einer Übertragungsleistung der Magnetkupplung von etwa 40kW bei 2900min-1. Bei den Pumpenanwendungen geht der Trend jedoch zu immer höheren Drücken, Temperaturen und Leistungen. Deshalb wurden nun Magnetantriebe mit nichtmetallischen Spalttöpfen für Drücke bis PN40 und Leistungen bis 100kW bei 2900min-1 entwickelt.
Bei Kunststoffspalttöpfen war der Druck im wesentlichen durch das niedrige E-Modul der Werkstoffe limitiert. Bei einem Innendruck >16bar kommt es zu unzulässig großen Dehnungen. Insbesondere die radiale Dehnung ist kritisch, da der Luftspalt zwischen den zwei Magnetrotoren zur Übertragung großer Drehmomente klein sein muss. Durch Weiterentwicklungen im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe können diese Probleme gelöst werden.

Zweite Barriere verhindert Leckagen beim Bruch des Spalttopfs

Der Einsatz von Keramikspalttöpfen erfordert eine keramikgerechte Konstruktion, insbesondere im Bereich der Anbindung der Keramik an die metallischen Bauteile. Spannungsspitzen müssen vermieden und der Einfluss der unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen Metall – vor allem Edelstahl – und Keramik muss berücksichtigt werden. Die Entwicklung profitiert hier vom Einsatz moderner Finite-Elemente-Methoden, mit der es möglich ist, den Spannungszustand unter Druck- und Temperaturbelastung zu berechnen.

Bei der Entwicklung von metallischen zu nichtmetallischen Spalttöpfen darf aber die Sicherheit des Systems nicht vernachlässigt werden. Dazu dient u.a. eine zweite Barriere, die dafür sorgt, dass im Falle eines Spalttopfbruchs kein Produkt zur Atmosphäre hin austreten kann. Im einfachsten Fall wird ein Hochleistungs-Radialwellendichtring eingesetzt, der im Falle einer Spalttopfleckage einen unmittelbaren Produktaustritt über die Antriebswelle an die Atmosphäre verhindert. Messungen ergaben unter Druck Standzeiten des Dichtrings von mehreren Stunden bei laufender Welle. Sind höhere Standzeiten gefordert, kann eine gasgeschmierte Gleitringdichtung eingesetzt werden. Diese ist so konzipiert, dass die Gleitflächen im unbelasteten Zustand kaum in Kontakt miteinander kommen und somit die bewegte Luft im Dichtungsraum des Gleitrings für die Schmierung ausreicht. Erst im belasteten Zustand nach einer Spalttopfleckage dichtet die Gleitringdichtung gegen den Flüssigkeitsdruck ab. Hier können bei einem Flüssigkeitsdruck bis 30bar Standzeiten von mehreren Tagen erreicht werden.K