Ein Topf für Feinschmecker

CT-Trendbericht energieeffiziente Magnetkupplungspumpen

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17.09.2012 Dichtungslos liegt voll im Trend – angesichts der Neuentwicklungen bei Magnetkupplungspumpen, die auf der Achema im Juni zu sehen waren, lässt sich diese Aussage problemlos treffen. Dieses Jahr stand der Spalttopf als zentrales Element im Mittelpunkt der Entwicklungsanstrengungen der Pumpen- und Werktstoffhersteller. Denn am Spalttopf scheiden sich nicht nur das Medium von der Außenwelt, sondern auch die Geister der Entwickler.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Auch für hermetische Magnetkupplungspumpen ist Energieeffizienz inzwischen ein beherrschendes Thema.
  • Um Wirbelstromverluste zu vermeiden, geht der Trend zu nichtmetallischen Spalttöpfen. Karbonfaserverstärkte Kunststoffe versprechen hier höhere Druckfestigkeit bei vergleichsweise niedrigen Wandstärken. Aber auch die Kombination aus Kunststoffen und Metallen im Segmentspalttopf ist ein interessanter Ansatz.
  • Trockenlaufsichere Gleitlager sind ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt.
  • Um die Wartung und Montage zu vereinfachen, setzen einzelne Hersteller auf modularen Aufbau und Cartridge-Einheiten.

Zwischen Normalbetrieb und Katastrophe können Millimeter liegen: Der Spalttopf einer magnetgekuppelten Kreiselpumpe trennt das Medium in der Regel zuverlässig von der Außenwelt. Was mit der Bezeichnung „Topf“ nach Lowtech klingt, ist es bei näherer Betrachtung ganz und gar nicht: Die Krux liegt darin, dass der Spalttopf einerseits möglichst dünnwandig sein soll, damit die magnetische Kraftübertragung zwischen Magnettreiber auf der Antriebsseite und Magnetträger auf der Laufradwelle möglichst gut funktioniert. Andererseits muss er dem Druck im Innern der Pumpe standhalten. In der Vergangenheit wurden deshalb häufig metallische Werkstoffe – oft aufgrund der korrosiven Beanspruchung aus Hastelloy oder Titan – eingesetzt. Entscheidender Nachteil dabei: Im metallischen Spalttopf entstehen durch das rotierende Magnetfeld Wirbelstromverluste. Grund dafür ist die Induktion einer elektrischen Spannung. Der Trend geht deshalb in den vergangenen Jahren hin zu nichtmetallischen Werkstoffen wie Keramik oder Kunststoff.
Doch wie überall im Leben ist kaum ein Vorteil umsonst zu haben. Kunststoffe wie der Polyetherketon Peek halten selbst bei einer Wandstärke von mehr als drei Millimetern in der Regel nur Drücken bis 16 bar stand. Wird der Spalttopf dagegen aus dem Metall Titan gefertigt, kann die Wand bei höherer Druckfestigkeit deutlich dünner sein. Dagegen ist die Druckfestigkeit keramischer Spalttöpfe gegenüber Kunststoffausführungen wesentlich größer. Aber auch hier sind die vergleichsweise hohen Wandstärken und vor allem die Sprödigkeit des Werkstoffs auf der Minusliste. Deshalb werden insbesondere große Pumpen bislang vorwiegend mit metallischen Spalttöpfen ausgestattet. Dort schlagen Wirbelstromverluste allerdings mit fünf bis zehn Prozent zu Buche.

Ziel: magnetgekuppelte Pumpen
bis 1.000 kW Antriebsleistung

Um die steigenden Anforderungen an den Wirkungsgrad und damit die Energieeffizienz der eingesetzten Pumpen zu erfüllen, arbeiten die Pumpenhersteller deshalb intensiv an Lösungen. „Zentrales Thema bei Magnetkupplungspumpen ist die Verbesserung der Energieeffizienz. Wirbelstromverluste liegen größtenteils immer noch im zweistelligen Prozentbereich. Neue Werkstoffe reduzieren diese Verluste deutlich“, erklärt Dr. Jürgen Holdhof, Geschäftsführer bei Edur Pumpen. „Ziel ist es, große Pumpen im Bereich um 1.000 kW mit geringen Verlustleistungen zu entwickeln“, erläutert Dr. Thomas Herbers vom Anbieter Klaus Union. Denn dieser Leistungsbereich ist bislang den konventionell mit Gleitringen abgedichteten Kreiselpumpen vorbehalten.
Der Durchbruch, um mit Magnetkupplungspumpen unter Einsatz eines nichtmetallischen Spalttopfes in diesen Leistungsbereich vorzudringen, scheint nun gelungen zu sein: Der Werkstoff- und Dichtungsspezialist Greene Tweed hat ein Fertigungsverfahren (Techna3-Molding) entwickelt, bei dem Peek mit Carbonfasern verstärkt wird. Die „Xycomp“ genannten Spalttöpfe sind deutlich dünner als solche aus Kunststoff, Keramik oder doppelwandigem Metall. „Die Kombination aus Kunststoff und Carbonfasern ermöglicht ganz neue Möglichkeiten am Markt“, erläutert Philippe Allienne, Marketing Manager Petrochem & Power bei Greene Tweed. Für einen Spalttopf mit 165 mm Durchmesser und Anwendungen bis 40 bar bedeutet dies, dass das Material lediglich halb so dick ist, wie das entsprechende Bauteil aus CFK bzw. PTFE. Außerdem kann das Drehmoment gesteigert werden, wodurch schnelllaufende, energieeffiziente Pumpen gebaut werden können. Klaus Union will auf dieser Basis schnell laufende Pumpen mit einem Spalttopfdurchmesser von 310 mm realisieren.

Spalttöpfe aus Kunststoff
und Carbonfasern

Aber auch beim Wettbewerber Dickow Pumpen plant man Entwicklungen mit dem neuen Spalttopf-Material. Dort will man eine Pumpe mit 338 kW für Drehzahlen bis 1.480 1/min realisieren. Allerdings schickt der Hersteller auch eine komplett eigene Entwicklung in das Rennen um energieeffiziente Magnetkupplungen: Aus der Überlegung, die Vorteile von Metall und Keramik bzw. Faserverbundwerkstoff zu kombinieren, wurde ein Segment-Spalttopf entwickelt, bei dem Segmente oder ein Zwischenrohr aus Keramik bzw. Faserverbundwerkstoff mit hochfesten und lösbaren Schraubenbolzen verspannt werden. Um die Wirbelströme in den Bolzen zu verringern, wird ein Werkstoff mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand verwendet. „Gegenüber klassischen Sandwich-Spalttöpfen kann dadurch die Verlustleistung bei Drehzahlen bis 3.500 1/min bis zu 20 Prozent verringert werden“, erläutert Jürgen Konrad, Technischer Leiter bei Dickow Pumpen.
Auch für einen weiteren neuralgischen Punkt magnetgekuppelter Pumpen wurden zur Achema neue Lösungen vorgestellt: Das durch die Förderflüssigkeit der Pumpe gekühlte bzw. geschmierte Gleitlager. Dessen ärgster Feind heißt Trockenlauf. Um diesem zu begegnen, werden keramische Lager oder solche aus Siliziumkarbid eingesetzt. „Die Gefahr besteht allerdings darin, dass diese platzen, wenn nach einem Trockenlauf Förderflüssigkeit auf das heiße Lager trifft“, beschreibt Philippe Allienne einen Problemfall. Treffen die Lagerpartikel dann auch noch mit hoher Geschwindigkeit auf den Spalttopf, ist das eingangs beschriebene Ausfallszenario vorprogrammiert. Greene Tweed entwickelt deshalb Gleitlager aus Kohlefasern, in denen Siliziumkarbid als Matrix dient. In Tests konnten die Lager dadurch einen Trockenlauf über sieben Stunden überstehen.
Schmitt Kreiselpumpen hat für seine MPN 130-Pumpe nun ein Lager entwickelt, mit dem die Pumpe ebenfalls trockenlaufsicher aus- und nachgerüstet werden kann. Der Hersteller nutzt dazu den modularen Aufbau der Pumpe, der eine einfache Montage des neuen Lagers erlaubt.
Friatec Rheinhütte Setzt bei seinen Magnetkupplungspumpen bis 2.000 m3/h eine Cartridge-Einheit ein. Damit können alle Kernkomponenten der Magnetkupplungspumpe – zum Beispiel Gleitlager, Laufrad und Spalttopf – in wenigen Minuten ausgetauscht werden. Der Hersteller beziffert den Kostenvorteil gegenüber der üblichen Schnellwechsler-Einheit mit 25 Prozent. Überhaupt sieht der Hersteller Im Baukastenprinzip der Baureihe FNPM vor allem durch die variable Werkstoffauswahl und die hohe Standardisierung der Antriebskomponenten wesentliche Einsparpotenziale.
Richter Chemie Technik verbaut in seinen zur Achema neu vorgestellten Magnetkupplungspumpen RMI Gleitlager aus Siliziumkarbid (Safeglide Plus-Ausführung), um einen Trockenlauf bis 60 Minuten zu überstehen. Im Falle eines Wälzlagerschadens schützt ein Anlaufring den Spalttopf vor Schäden durch einen eventuell taumelnden Antriebsrotor. Ein metallfreies Doppelspalttopfsystem, medienseitig aus dickwandigem reinem PTFE (drucktragend ist ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) vermeidet Wirbelstromverluste. Ebenfalls auf eine hohe Energieeffizienz zielt die spezielle Magnetbefestigung unter der PFA-Ummantelung. Die auf den mittleren Anforderungsbereich abgestimmte Norm- und Blockpumpe ist außerdem auch FDA-konform konstruiert und kann damit für reine Medien eingesetzt werden.

Sicherheit ist wichtiger
Entwicklungsschwerpunkt

Wernert Pumpen bietet seine Magnetkupplungspumpe Monsun jetzt auch in PFA leitfähig an. Durch eine leitfähige Kunststoffbeschichtung im Inneren der Pumpe wird die Gefahr einer Explosion durch statische Funkenentladung deutlich verringert, wodurch nun auch brennbare Medien gefördert werden können. Iwaki hat sein Portfolio an magnetgetriebenen Kunststoffkreiselpumpen nach oben hin erweitert: Mit der MDW-Serie, die eine Förderleistung von 300 m3/h bei einer Förderhöhe bis 98 m erreicht, stellte der Hersteller auf der Achema seine bislang leistungsstärkste Magnetkupplungspumpe vor. Als medienberührte Teile kommen Fluorkunststoffe und Siliziumkarbid zum Einsatz. Besonderen Wert legt der Hersteller auf das hochfeste Druckgussgehäuse: Durch eine  Triple-Layer-Konstruktion im hinteren Gehäuse werden Belastungen gleichmäßig verteilt. Eine spezielle Metallachse nimmt die hohen Radialkräfte auf. Das nach hinten ausziehbare System ermöglicht die einfache Wartung und Inspektion der Pumpe, ohne die Verrohrung zu lösen.
Fazit: Die zur Achema gezeigten Weiterentwicklungen bei Magnetkupplungspumpen zeigen, dass die Pumpenbauart deutliches Potenzial hat, Kreiselpumpen mit Gleitringdichtung in Anwendungen der Chemie weitere Marktanteile abzuringen. Der Fokus liegt derzeit vor allem auf der Entwicklung neuer Spalttopfmaterialien und  -konstruktionen sowie Lösungen für trockenlaufsichere Lager. Aber auch die Aspekte Servicefreundlichkeit und größere Leistungen sind wichtige Entwicklungsziele.

 

Heftausgabe: September 2012

Über den Autor

Armin Scheuermann, Redaktion
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