Sicherheit aus dem Baukasten

Neue Magnetkupplungspumpen mit selbstansaugender Variante

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16.03.2017 Hermetische Pumpen liegen weiter im Trend. Bei Magnetkupplungspumpen ist es allerdings der unbeabsichtigte Trockenlauf, auf den die meisten Ausfälle zurück gehen. Mit einer völlig neuen Pumpenreihe hat sich Sondermann auf die Fahnen geschrieben, die Kosten auch in diesem Fall deutlich zu drücken – und in selbstansaugender Ausführung kann die Pumpe sogar zur Restentleerung genutzt werden.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Bei der Konstruktion der neuen Magson-Magnetkupplungspumpen waren niedrige Lebenszykluskosten ein wichtiges Entwicklungsziel.
  • Als Baukasten aufgebaut, werden für verschiedene Baugrößen gleiche Teile verwendet, die sich im Schadensfall leicht austauschen lassen.
  • In der selbstansaugenden Variante tolerieren die Pumpen auch zeitweise den Trockenlauf und können zur Oben- oder Restentleerung von Behältern eingesetzt werden.

Bild: Sondermann

Weil Trockenlauf eine der Hauptursachen für Ausfälle bei Magnetkupplungspumpen ist, hat sich Sondermann für die neuen Magson-Baureihen einige konstruktive Kniffe einfallen lassen. Bild: Sondermann

2: Aufbau der normalansaugenden Pumpen der Baugruppen 4 bis 6. Bild: Sondermann

Aufbau der normalansaugenden Pumpen der Baugruppen 4 bis 6. Bild: Sondermann

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Die Magnetgekuppelte Kreiselpumpe Magson MAS verfügt über einen in das Pumpengehäuse
integrierten Ansaugbehälter und kann dadurch selbstansaugend
arbeiten. Bild: Sondermann

Funktionsweise der selbstansaugenden Variante: a) Vor der Erstinbetriebnahme muss die Pumpe einmalig mit Flüssigkeit befüllt werden Bild: Sondermann

Funktionsweise der selbstansaugenden
Variante:
Vor der Erstinbetriebnahme muss die Pumpe einmalig mit Flüssigkeit befüllt werden
Bild: Sondermann

b) Beim Ansaugen wird das Zweiphasengemisch (Medium/Luft) gefördert, die Flüssigkeit in der unteren Gehäusekammer verhindert den Trockenlauf Bild: Sondermann

Beim Ansaugen wird das Zweiphasengemisch (Medium/Luft) gefördert, die Flüssigkeit in der unteren Gehäusekammer verhindert den Trockenlauf
Bild: Sondermann

c) Förderbetrieb Bild: Sondermann

Förderbetrieb
Bild: Sondermann

d) Stopp: Wird die Pumpe ausgeschaltet, fließt das Medium zurück in Richtung Tank, das Pumpengehäuse wird aber nicht leergehebert. Bild: Sondermann

Stopp: Wird die Pumpe ausgeschaltet, fließt das Medium zurück in Richtung Tank, das Pumpengehäuse wird aber nicht leergehebert.
Bild: Sondermann

„Pumpen sterben nicht von alleine, sondern sie werden getötet“, scherzt Christian Vogt, Verkaufsleiter bei Pumpenanbieter Sondermann. Absicht ist allerdings nie zu unterstellen, wenn in der Pumpenwerkstatt des Kölner Herstellers eine Magnetkupplungspumpe zur Reparatur ansteht, bei der sich die Achsaufnahme der Kunststoffkonstruktion aufgrund der entstehenden Reibungswärme verformt hat.  Aufgrund ihres Konstruktionsprinzips können bei einer normalsaugenden, magnetgekuppelten Kunststoffpumpe je nach Ausführung bereits zwei Minuten Trockenlauf genügen, um die Pumpe zum Reparaturfall werden zu lassen. Und dieser entsteht, wenn auf der Saugseite nicht mehr ausreichend Medium  ansteht, das heißt beispielsweise dann, wenn ein Vorlagebehälter leerläuft, ein Ventil versehentlich geschlossen wurde oder ein Filter verstopft ist.

Aber auch das Fördern gegen ein geschlossenes Ventil bekommt der Kunststoffpumpe nicht gut – sie dreht dann quasi im eigenen Saft; das im Pumpengehäuse verbleibende Medium heizt sich auf und die Wärme entfaltet ihre zerstörerische Kraft. Die Folge sind nicht nur Reparaturkosten mit entsprechendem Aufwand für Aus- und Einbau, sondern vor allem Anlagenstillstände und Produktionsausfälle, die entsprechende Kosten nach sich ziehen. Und gerade Kunststoffpumpen mit kleiner Leistung sind häufig von Hersteller zu Hersteller sehr individuell aufgebaut, so dass die Instandhalter beim Prozessbetreiber unter Umständen die unterschiedlichsten Ersatzteile bevorraten müssen, wenn sie Pumpen verschiedener Baugrößen und von verschiedenen Herstellern betreiben. Auch die dabei entstehenden Kosten addieren sich zu den Lebenszykluskosten einer Pumpe auf.

Niedrigere Lebenszykluskosten als Entwicklungsziel

Diese Gesamtkosten zu reduzieren, lautete deshalb das übergeordnete Ziel, das sich der Pumpenanbieter Sondermann bei der Entwicklung seiner neuen Magson-Pumpen gesetzt hatte. Dafür wertete das Unternehmen nicht nur Anwendungen aus über 50 Jahren aus, sondern auch die Schadensbilder aus der eigenen Reparaturwerkstatt. Entstanden ist ein Baukastensystem für zwei Baureihen – einer normal saugenden (Magson MA) und einer selbstansaugenden Variante (Magson MAS) –  bei dem sich viele Teile unkompliziert austauschen lassen. Für drei verschiedene Baugruppen im Leistungsbereich zwischen 160 und 510 l/min werden beispielsweise die gleiche Achse und das gleiche Lager verwendet, innerhalb der Baugruppen dann für alle Baugrößen der gleiche Spalttopf. Und für alle Baugrößen mit gleichem Motor kommt der gleiche Antriebsmagnet zum Einsatz. Nicht nur der Anwender profitiert so von geringeren Ersatzteilkosten, sondern auch die Produktion beim Hersteller wird einfacher und kostengünstiger.

Dazu trägt auch eine veränderte Produktionstechnik bei: Eine höhere Präzision im Spritzguss ermöglicht nun die Herstellung von Pumpengehäuse, Laufrad-Magneteinheit und dem Spalttopf mit so geringen Fertigungstoleranzen, dass ein nachträglicher zerspanender Bearbeitungsschritt entfällt. Und der Verzicht auf die spanabhebende Bearbeitung hat auch positive Effekte für den Betrieb – das liegt vor allem an der Zusammensetzung des polymeren Werkstoffs: In der Regel bestehen die Kunststoffteile aus Polypropylen (PP), dem für die mechanische Festigkeit Glasfasern zugesetzt werden. „Wird die Oberfläche eines solchen Spritzgussteils bearbeitet, werden die Glasfasern teilweise freigelegt, und es entstehen punktuell Keimzellen für einen chemischen Angriff – die Beständigkeit sinkt“, erklärt Christian Vogt. In der Folge kann es insbesondere beim Fördern von Säuren dazu kommen, dass der in die Laufrad-Einheit integrierte innere Magnet korrodiert. Um dem entgegenzuwirken, wird die Ummantelung des Innenmagneten der neuen Magson komplett ohne Glasfaser gespritzt. Aufgrund ihrer höheren chemischen Beständigkeit kann die neue Pumpe in der PP-Ausführung nun auch aggressive Medien in höherer Konzentration fördern.

Für noch höhere Anforderungen gibt es allerdings auch Ausführungen, bei denen die medienberührten Teile aus Fluorkunststoff bestehen. Das bisher  eingesetzte PVDF hat Sondermann durch ETFE ersetzt. „ETFE hat einen viel größeren Einsatzbereich. Mit ihm lassen sich Säuren in einer noch höheren Konzentration fördern. Außerdem kann man mit ETFE auch Laugen fördern. Das geht mit PVDF gar nicht. Einem Anwender, der sowohl Säuren wie Laugen pumpen muss, bringt ETFE ein großes Plus in Sachen Flexibilität und Sicherheit “, weiß Vogt.

Verbesserte Hydraulik, austauschbare Achsaufnahme

Auch bei der Hydraulik hat der Hersteller Möglichkeiten zur Verbesserung genutzt. Bei Vollkunststoffpumpen im niedrigen Leistungsbereich sind bislang meist einfache, runde Gehäuse der Standard. Mit einem neuen Spiralgehäuse, wie es auch bei leistungsstarken Kreiselpumpen zum Einsatz kommt, wird ein höherer Wirkungsgrad erreicht. Außerdem hat sich der Hersteller zusammen mit seinem japanischen Kooperationspartner Gedanken über die saugseitige Anströmung gemacht. Wo die Keramikachse bislang vor der Laufradebene endete, ragt sie nun konisch zulaufend in Richtung Saugleitung aus dem Laufrad heraus. Dadurch wird die anströmende Flüssigkeit besser im Laufrad verteilt. Zudem wurde die Achsaufnahme so gestaltet, dass das Fördermedium durch sie hindurchströmen kann und die Achse kühlt.

Weil es vor allem die Aufnahme der keramischen Achse im Pumpengehäuse und die Aufnahme des Gleitlagers in der Laufrad-Magneteinheit  sind, die bei einem versehentlichen Trockenlauf thermisch geschädigt werden, wurde die Achsaufnahme austauschbar gestaltet und das Gleitlager mit einer zusätzlichen ETFE Hülse versehen.  Diese Hülse dient quasi als Hitzepuffer und ermöglicht es, das Gleitlager auch im Schadensfall auszutauschen. So kann man die hochwertige Laufrad-Magneteinheit und das Pumpengehäuse auch nach einem Schadensereignis weiter nutzen. Auch für den Fall eines Motordefekts wurde vorgesorgt: der komplette Antrieb kann am Stück getauscht werden, ohne die Pumpe von der Anlage zu trennen (Back-pullout-Design) – diese bleibt während der Reparatur hermetisch dicht.

Selbstansaugende Variante trotzt zeitlich begrenztem Trockenlauf

Um Trockenlauf und Kavitation zu vermeiden, werden Kreiselpumpen in der Regel am tiefsten Punkt einer Anlage entweder auf oder unter dem Bodenniveau eines Vorlagebehälters installiert. Kommt es allerdings zu einer Pumpenhavarie oder -leckage, besteht die Gefahr, dass der Behälter in die Umwelt leerläuft. Um dies zu verhindern, sind aufwendige Sicherheitsmaßnahmen notwendig. Bei besonders aggressiven oder gefährlichen Stoffen, wie sie in der Chemie häufig verwendet werden, strebt man deshalb die Obenentleerung an. Aufgrund der oben beschriebenen Trockenlauf-Problematik sind herkömmliche magnetgekuppelte Kreiselpumpen dafür nicht geeignet.

Mit der Magson MAS wurde nun eine selbstansaugende Variante vorgestellt, in deren Pumpengehäuse ein Ansaugbehälter integriert wurde. Der Ansaugbehälter besteht aus mehreren Kammern und wird vor der ersten Inbetriebnahme mit Flüssigkeit befüllt. Das Laufrad und die Ansaugkammern sind so konstruiert, dass Luft evakuiert und ein Zweiphasengemisch ohne Schaden gefördert werden kann. Laufrad und Lagerung werden über die Flüssigkeit in der unteren Gehäusekammer auch beim Ansaugen von Luft mit Medium versorgt. Wird die Pumpe ausgeschaltet, fließt das Medium durch die Saugleitung zurück in Richtung Tank. Die internen Kammern bilden dabei einen Syphon, wodurch sichergestellt wird, dass der Ansaugbehälter nicht leergehebert wird. Weil dabei keine Ventile verwendet werden, besteht kein Ausfallrisiko. Die Konstruktion erlaubt über viele Minuten einen Betrieb mit Luft in der Ansaugleitung . „Weil die Pumpe durch die integrierten Kammern nicht trockenläuft, kann sie sowohl zur Obenentleerung, als auch zur Restentleerung von Behältern eingesetzt werden“, beschreibt Christian Vogt einen weiteren Anwendungsfall.
Die selbstansaugende Variante ist bis auf das Gehäuse identisch aufgebaut wie die normal saugende Variante. D. h., ab Baugruppe 4 (160 l/min) können die Pumpen durch Einsatz des MAS-Gehäuses in eine selbstansaugende Kreiselpumpe umgebaut werden. Für den Anschluss an den Prozess liefert der Hersteller die Pumpen mit drehbaren Losflanschen und zusätzlich mit Gewindeadaptern aus. Für den Antrieb kommen IEC-Normmotoren zum Einsatz, die für den Betrieb mit Frequenzumrichter serienmäßig mit Kaltleiter ausgestattet sind. Die bis 0,55 kW erhältlichen Wechselstrom-Motoren werden dagegen mit einem thermischen Überlastschutz (Bi-Metall) geliefert, um eine Überlastung – beispielsweise durch Fördern mit zu hohen Mediumsdichten  – zu verhindern.

„Obwohl wir eine Lieferzeit von ein bis zwei Wochen anstreben, wird jede Pumpe bei uns vor der Auslieferung geprüft, und der Anwender erhält mit der Pumpe auch das Prüfprotokoll“, so Vogt: „Schon aufgrund des Arbeitsschutzes beim Umgang mit gefährlichen Stoffen sehen wir einen wachsenden Markt für hermetisch dichte Pumpen. Deshalb werden wir unser Angebot in Zukunft weiter ausbauen.“

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Homepage des Anbieters.

Heftausgabe: März 2017
Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK

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Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK
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