Kreiselpumpen, wo Standardlösungen versagen

Herausforderungen kommen selten allein. Das gilt auch für die Förderung von Fluiden, die herkömmliche Pumpen vor große Probleme stellen. Insbesondere Branchen wie die Chemie- und Pharmaindustrie, die Abwasserwirtschaft oder der Energiesektor kennen viele Anwendungsbereiche, in denen es gilt, gashaltige, feststoffhaltige, zähe, besonders heiße oder toxische Medien sicher und zuverlässig zu fördern. Während das Angebot verschiedener Pumpen für jedes dieser Szenarien auf den ersten Blick groß ist, erweist sich bei näherem Hinsehen, dass nur wenige technische Lösungen in der Lage sind, unter besonders herausfordernden Bedingungen langfristig zuverlässig und damit als System über den gesamten Einsatzzeitraum kostengünstig zu arbeiten.

Konstruktion und Bau von Pumpen für die genannten Bedingungen sind alles andere als trivial, weil eine Reihe technischer Anforderungen zu erfüllen ist, die nicht ohne Weiteres unter einen Hut zu bekommen sind. Es ist keineswegs übertrieben zu behaupten, dass die gesamte Pumpenbranche nach der idealen Allzwecklösung sucht.

Vorteil einer Kreiselpumpe

Zunächst einmal ist klar, dass eine Kreiselpumpe bauartbedingt Vorteile in einer Vielzahl von herausfordernden Einsatzbereichen bietet. Grundsätzlich punktet eine Kreiselpumpe mit vielen Vorteilen in zahlreichen Anwendungen. Dazu gehören die Möglichkeit einer kompakten Bauweise, die Fähigkeit, große Mengen bei vergleichsweise geringer Baugröße zu fördern sowie der geringe Verschleiß. Bei der Förderung entsprechend herausfordernder Medien ist vor allem relevant, dass eine Kreiselpumpe ohne anfällige bewegliche Teile im Förderraum auskommt.

Kreiselpumpen mit Magnetkupplung haben sich als bester Ansatz für anspruchsvolle Förderszenarien, insbesondere bei der Förderung von stark toxischen oder umweltgefährdenden Medien, etabliert. Kreiselpumpen ohne Magnetkupplung verwenden eine Wellendichtung, um die rotierende Welle mit dem Laufrad durch das Pumpengehäuse zu verbinden. Weil die Kraftübertragung zwischen Motor und Laufrad bei Kreiselpumpen mit Magnetkupplung berührungslos durch einen Spalttopf erfolgt, entfällt die Notwendigkeit einer verschleißenden Wellenabdichtung. Durch diese bauartbedingte hermetische Dichtigkeit eignen sich Kreiselpumpen mit Magnetkupplung grundsätzlich besser, um die eingangs genannten Herausforderungen zu bewältigen. Zudem sind sie wartungsärmer und somit günstiger im Betrieb.

Eine Magnetkupplung allein ist aber noch nicht der Weisheit letzter Schluss. Bei herkömmlichen Magnetpumpen kommen Lagerung und Spalttopf mit dem zu fördernden Produkt in Kontakt. Tritt ein Schaden an der Lagerung auf oder kommt es zu starker Erhitzung durch Trockenlauf, kann der Spalttopf einen Defekt bekommen, und das Produkt tritt aus. Dass es zu einem solchen Defekt kommt, geschieht schneller, als man vermutet. So erhitzt sich ein metallischer Spalttopf einer Standardpumpe mit Magnetkupplung bei einer Drehzahl von 2.900 rpm binnen weniger Minuten auf über 400 °C. Dieser Umstand macht den Einsatz von Pumpen mit Magnetkupplung gerade in Bereichen schwierig, für die die Atex-Richtlinien gelten. Denn hier müssen je nach Zoneneinteilung die einzelnen Komponenten der Pumpe gesondert elektrisch überwacht werden.

Einfache Pumpenphysik

Eine optimale Lösung des Problems besteht darin, das Fördermedium konsequent vom Bereich der Lagerung und Magnetkupplung zu trennen. Der konstruktive Clou, um dies zu erreichen, besteht darin, sich einfache physikalische Gesetze zunutze zu machen: eine vertikale Kreiselpumpe mit trockenlaufender Magnetkupplung, nur durch Gas gesperrt. Das Sperrgas sorgt dafür, dass Lagerung und Magnetkupplung weder im Betrieb noch im Stillstand mit dem Fördermedium in Berührung kommen. So ist sichergestellt, dass der hydraulische Teil und der Antriebs/Dichtungsteil vollständig voneinander getrennt sind und sich in keinem Fall gegenseitig beinflussen können. Weil sich bei der beschriebenen Konstruktion mit Sperrgas im Spalttopf zwischen der Laufradrückseite und der Antriebseinheit ein produktfreier Gasraum befindet, bleibt die Lagertemperatur auch bei Produkttemperaturen bis 400 °C relativ gering, sodass kein Kühlmedium eingesetzt werden muss.

Das physikalische Prinzip hinter der konsequenten Trennung von Fördergut und Antriebseinheit ist leicht genug zu verstehen. Die technische Umsetzung jedoch ist alles andere als trivial. Das gilt auch für eine Reihe weiterer Merkmale, die eine Pumpe für anspruchsvolle Umgebungen aufweisen sollte oder kann. Abhängig vom genauen Einsatz kann es beispielsweise erforderlich sein, dass die Pumpe selbstregelnd und trockenlaufsicher ist und kavitationsfrei fördert.

Sicher ohne Kontakt zum Fördermedium

Hier soll lediglich auf die Trockenlaufsicherheit eingegangen werden, weil sie nicht nur eine Reihe grundsätzlicher Vorteile für Belastungsfähigkeit und Wartungsfreiheit bietet, sondern das konstruktionsbedingte Pendant der konsequenten Trennung von Fördermedium und Antriebseinheit ist. Bei herkömmlichen Pumpen mit Magnetkupplung dient meistens das Fördermedium selbst als Kühl- und Lagerschmiermittel. Die Wärme aus der Magnetkupplung und den Lagern wird durch Wärmeleitung und Konvektion an das Medium abgegeben. Dieses Vorgehen ist nicht ohne Probleme, etwa wenn Feststoffe im Medium die Kühlkanäle zum Spalttopf versperren oder die Lagerung zerstören.

Bei der beschriebenen Pumpe mit strikter Trennung von Fördermedium und Antriebseinheit ist die Kühlung (ebenso wie die Überhitzung) des Antriebs durch das Fördermittel ohnehin nicht möglich. Vielmehr gilt es, die Pumpe trockenlaufsicher zu konstruieren. Die besondere Herausforderung beim Bau einer trockenlaufsicheren Pumpe mit Magnetkupplung: Der Spalttopf, der sich ja zwischen innerem und äußerem Magnetrotor befindet, muss eine wirbelstromfreie Magnetfeldübertragung ermöglichen. Ein metallischer Spalttopf jedoch würde sich aufgrund der entstehenden Wirbelströme sehr schnell sehr stark erhitzen. Das hätte die Entmagnetisierung und Minuten später den Totalausfall der Kupplung zur Folge. Für kurzzeitigen Trockenlauf wären beschichtete Gleitlager eine Option. Die beschriebene Pumpe für anspruchsvolle Umgebungen wird allerdings im dauerhaften Trockenlauf der Lager- und Magneteinheit betrieben.

Die beste Lösung für eine trockenlaufsichere Pumpe mit Magnetkupplung besteht aus der Kombination eines nicht metallischen Spalttopfs, der magnetisch induzierte Wirbelströme und die damit verbundene Erhitzung vermeidet, und fettgeschmierten Wälzlagern in einer geschlossenen Gasatmosphäre. Fettgeschmierte Wälzlager mögen nach „Low Tech“ klingen, sind aber äußerst robust und gewinnen durch die saubere Umgebung in der Gasatmosphäre zusätzlich an Langlebigkeit.

Nicht von der Stange

Die vergleichsweise aufwendige Konstruktion der beschriebenen Pumpe für anspruchsvolle Einsatzszenarien macht sich auch aufgrund einer weiteren Eigenschaft bezahlt: Durch die strenge Trennung des Produktraums vom trockenlaufenden Lager- und Magnetkupplungsbereich beschränkt sich der Korrosionsangriff auf die Hydraulik. Diese lässt sich durch Einsatz hochkorrosionsfester Edelstähle sowie Konstruktionen aus Siliziumkarbid (SiC) verhältnismäßig leicht dauerhaft gegen selbst die aggressivsten Fördermedien wie Titantetrachlorid, flüssigen Teer oder Medien mit hohem Feststoffgehalt schützen.

Eine Kreiselpumpe mit einer Kombination der beschriebenen Eigenschaften ist den anspruchsvollsten Umgebungen gewachsen. Auch wenn die zugrunde liegenden Prinzipien stets dieselben sind, erfordert beinahe jeder Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen individuelle Anpassungen. Lösungen von der Stange funktionieren dort nicht. Damit eine solche Individuallösung funktioniert und erschwinglich bleibt, sollten Unternehmen auf der Suche nach einer Pumpe für diese Umgebungen einen erfahrenen Anbieter wählen, der in der Lage ist, Lösungen auf Maß aus Standardelementen zu entwerfen und zu liefern.