Von der hydrodynamischen Dichtung zur trockenlaufenden Magnetklupplungspumpe

In der Chemie eingesetzte Kreiselpumpen bestehen aus der Hydraulik mit Laufrad und Gehäuse sowie der Dichtungs- und Lagereinheit. Diese müssen für den jeweiligen Anwendungsfall ausgewählt und kombiniert werden. Wenn der Betreiber die Förderaufgabe richtig spezifiziert, übernimmt der Pumpenhersteller in der Regel die Auswahl der richtigen Pumpenhydraulik sowie der Wellendichtung. Zusätzliche Regel-, Steuer- und Überwachungskomponenten bilden dann zusammen das Pumpen-Fördersystem, das die Förderaufgabe ohne Gefährdung der Umwelt und mit größtmöglicher Betriebssicherheit erfüllen muss.

Eine Analyse der Kosten über die gesamte Laufzeit – die sogenannten Lebenszykluskosten – zeigt, dass der Anteil der Anschaffungs- und Installationskosten nur bei 20 bis 30 % der Gesamtkosten liegt. Den größten Kostenblock bilden Wartung, Betrieb und Energieeinsatz. Die Schäden an Pumpsystemen sind bis zu 90 % auf Fehlauslegung und -bedienung zurückzuführen. Hier sind speziell Kavitation sowie Trockenlauf der Dichtungs- und Lagereinheiten zu nennen. Deshalb müssen Pumpsysteme richtig ausgewählt sowie installiert werden und sollten die Zulaufbedingungen sorgfältig spezifiziert werden.
Aufgabe der Dichtungssysteme ist es, die rotierende Welle zur Umgebung hin abzudichten. Die Art der einzusetzenden Dichtung hängt dabei von mehreren Faktoren ab: Einerseits sollen die Betriebs- und Wartungskosten minimiert werden, zum anderen müssen die vom Gesetzgeber zugelassenen Emissionswerte (MAK-Wert) sicher eingehalten werden. Ein Maß für die Gesundheitsgefahren ist auch der Homel-Wert, der von 0 (ungefährlich) bis 4 (sehr gefährlich) reicht. Die möglichen Dichtungen sind Stopfbuchse, Einzelgleitringdichtung, Doppelgleitringdichtung, Magnetkupplung und Spaltrohrmotor sowie die in der Regel in Kombination mit einer Stopfbuchse eingesetzte hydrodynamische Abdichtung.
Übersteigen die Emissonen bei der Abdichtung mit Stopfbuchse, hydrodynamischer Dichtung oder Einzelgleitringdichtung (EGLRD) die zulässigen Werte (z.B. TA-Luft), können doppelt wirkende Gleitringdichtungen (DGLRD) eingesetzt werden. Doch die dafür erforderlichen Sperrsysteme sind aufwendig und die Wartungskosten in der Regel hoch. Hier kann der Einsatz magnetgekuppelter Pumpen eine sinnvolle Alternative sein. Eine weitere Variante, die sich durch geringe Betriebs- und Wartungskosten auszeichnet, ist die ebenfalls für solche Anwendungen zugelassene gasgeschmierte DGLRD. Diese kommt insbesondere bei Vertikalpumpen in schwierigen Förderaufgaben zum Einsatz.
Die Magnetkupplungs- (MCP) und Spaltrohrmotorpumpe (CMP) arbeitet im Gegensatz zur DGLRD nicht unabhängig vom Fördermedium. Das Medium umströmt den Spalttopf und die Gleitlager. Feststoffe, gashaltige und magnetisierbare Medien können mit MCP bzw. CMP deshalb nur mit Zusatzmaßnahmen, wie z.B. Fremdspülung, gefördert werden. Bei der Betrachtung der Lebenszykluskosten müssen zudem die hohen Energieverluste durch induzierte Wirbelströme und Viskositätseinflüsse berücksichtigt werden.
Eine aktuelle Studie zeigt die Anteile der verschiedenen Abdichtungsarten für Pumpen in einem Chemiepark: 48% EGLRD, 27% DGLRD, 19% MCP, 6% CMP. Mit Stopfbuchsen und hydrodynamisch gedichtete Pumpen wurden in dieser Studie nicht betrachtet.

Hydrodynamische Dichtung arbeitet reibungsfrei

Bei Zentrifugalwellendichtungen wird die am Laufradrücken vorliegende Förderflüssigkeit durch Reibung mitgenommen und in eine Drehbewegung versetzt. Durch Rückenschaufeln auf der Rückseite des Laufrads wird dieser Effekt verstärkt und die Drehzahl des rotierenden Flüssigkeitsringes kann bis zu 90 % der Pumpendrehzahl erreichen. Der rotierende Flüssigkeitsring reduziert den am Außendurchmesser anliegenden Druck in Richtung Welle bis auf den Umgebungsdruck. Bei richtiger Auslegung liegt dann während des Pumpenbetriebs keine Flüssigkeit am Wellendurchtritt an. Eine reibende Wellendichtung ist dann überflüssig.

Anders sieht die Situation dagegen bei einem Stillstand aus: Dann ist diese Art der Dichtung unwirksam. Deshalb ist in diesem Zustand eine Stillstandsabdichtung notwendig. Das Bild oben zeigt eine Horizontalpumpe, bei der die hydrodynamische Dichtung mit einem Fliehkraftsystem kombiniert ist. Sobald die Pumpe gestartet wird und die hydrodynamische Dichtung den Wellendurchtritt entlastet, wird die Welle axial in Richtung der Saugseite der Pumpe verschoben. Dadurch wird die hier eingesetzte konische Stopfbuchspackung radial von der Welle getrennt. Die Stillstandsabdichtung ist dann während des Pumpenbetriebs vollkommen reibungsfrei.
In Kombination mit Stopfbuchsen eignen sich solche Dichtungssysteme sehr gut für Pumpen, die in der Düngemittel- und Papierindustrie eingesetzt werden. Dort fördern sie feststoffhaltige, nicht toxische Produkte und haben typischerweise hohe Jahres-Pumpenlaufzeiten. Da hydrodynamische Dichtungssysteme verschleißfrei und ohne Sperrflüssigkeiten arbeiten, haben sie niedrige Lebenszykluskosten – sie können mehrere Jahre mit geringem Wartungsaufwand betreiben werden. Von Nachteil ist allerdings der gegenüber klassischen Kreiselpumpen um ca. 2 % höhere Energiebedarf. Deshalb sind sie in der Regel auf Anwendungen beschränkt, in denen andere Abdichtsysteme versagen oder wo extrem hohe Laufzeiten verlangt werden.

Kombination: Hydrodynamik mit Magnetkupplung

Eine neue Variante entsteht durch die Kombination der reibungsfreien hydrodynamischen Dichtung mit der hermetischen Dichtung einer Magnetkupplung. Die Pumpe ist trockenlaufsicher, Lager und Magnetkupplung laufen vollkommen trocken. Dazu wird das Laufrad einer Vertikalpumpe mit Rückenschaufeln versehen, wodurch die hydrodynamische Abdichtung entsteht. Der obere Teil der Pumpe, der die Magnetkupplung beinhaltet, wird dadurch vollständig vom Pumpenförderdruck entlastet. In diesem Fall ist der Spalttopf aus einem Werkstoff gefertigt, der nicht elektrisch leitfähig ist. Dadurch werden Wirbelströme und die daraus folgende Wärmeentwicklung vermieden.

Als Lager werden Wälzlager verwendet. Um den Eintritt von Produktdämpfen in die Lager- und Dichtungseinheit zu verhindern, empfiehlt es sich, unterhalb der Lagerung gezielt Stickstoff einzuleiten. Während des Pumpenstillstandes verhindert das entstandene Gaspolster, dass Produkt eintritt – auch dann, wenn die Stickstoffeinspeisung unterbrochen wird. Diese vertikale Pumpenausführung ist uneingeschränkt trockenlaufsicher. Die hermetische Abdichtung funktioniert unabhängig vom Produkt. Sie eignet sich insbesondere für sehr schwierig abzudichtende Medien. Im Vergleich zu herkömmlichen Magnetpumpen mit metallischen Spalttöpfen und Gleitlagern hat die Pumpe – insbesondere bei zähen Flüssigkeiten – einen besseren Wirkungsgrad. Gegenüber Normpumpen mit Einzelgleitringdichtungen ist der Wirkungsgrad allerdings schlechter.

Energiebedarf optimiert

Um das reibungsfreie Dichtungssystem von der Vertikalpumpe auf die Horizontalpumpe (Bild oben rechts) zu übertragen, wird zwischen Lagerung und Pumpenhydraulik ein Rückführungs-Labyrinthsystem eingeführt. Dieses dient dazu, Flüssigkeit von Feststoff sowie Flüssigkeit von Gasanteilen zu trennen. Die Sicherheit des Dichtsystems kann durch die Überwachung der Stickstoffmenge sicher gestellt werden. Ein steigender Stickstoffverbrauch signalisiert dabei einen Schaden. Durch die hydraulische Entlastung liegt am trockenen Spalttopf nur der Zulaufdruck an. Wird die Gaszuführung durch einen Feuchtesensor überwacht, wird die Sicherheit einer Magnetkupplungspumpe mit Doppelspalttopf erreicht.

Fazit: Durch die beschriebenen konstruktiven Maßnahmen ist die hydrodynamisch gedichtete Magnetkupplungspumpe uneingeschränkt trockenlauffähig. Im Gegensatz zu den Standard-Magnetkupplungspumpen kann sie ohne Zusatzmaßnahmen für fast alle förderbaren Flüssigkeiten eingesetzt werden. Durch die wirbelstromfreie Magnetfeldübertragung und die eingesetzten Wälzlager erreicht diese Pumpe den hohen Gesamtwirkungsgrad einer Normpumpe mit Einzelgleitringdichtung. Gleichzeitig zeichnet sie sich durch sehr geringe Wartungs- und Betriebskosten aus.