Kunststoffgekapselte Magnetpumpen fördern sicher und wirtschaftlich

Gegen Korrosion gefeit

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Die mit Kunststoff ausgekleideten und mit einer vollständigen metallischen Kapselung versehenen Chemiepumpen der MAM-Baureihe erschließen weite Anwendungsbereiche. Die Pumpen sind äußerst robust gebaut und erfüllen auch hohe Ansprüche an Dichtigkeit und Wartungsfreundlichkeit.

Manfred Wessel

Die MAM-Pumpen sind als magnetgekuppelte ausgekleidete Chemienormpumpen (Abb. 1) bzw.- Normblockpumpen und mit speziellen Kunststoffen ausgekleidete Kreiselpumpen in ihrer Korrosionsfestigkeit kaum zu übertreffen. Sie sind für die Förderung ausgasender, relativ reiner, giftiger, explosiver und auch umweltbelastender Medien wie Säuren, Lösemittel und Laugen ausgelegt.
Aufgrund ihrer konstruktiven Gestaltung liegen die zulässigen Grenzen für den Feststoffgehalt im Fördermedium bei 5% bei einer Partikelgröße von 0,1 mm. Die Feststoffe dürfen natürlich nicht magnetisch sein.
Die Förderwerte erreichen ca. 60 m³/h bei Förderhöhen von 38 m und Antriebsleistungen von 5,5 bis 18,5 kW. Der Drehzahlbereich liegt zwischen 1450 und 2900 min-1 bzw. zwischen 50 und 60 Hz.
Die Konstruktion und Berechnung der Metallpanzerung des Spiralgehäuses wurde mit Hilfe modernster FEM-Programme durchgeführt, um Schäden durch mögliche Stutzenbelastungen im späteren Betrieb in Anlagen von vorn herein auszuschließen.
Die Anschlußmaße in diesem Bereich sind nach der ISO 2084 gestaltet. Ebenso sind auch Anschlußmaße nach ANSI oder JIS möglich, während die drucktragenden Teile wie Gehäusepanzer, Lagerträgerlaterne und auch der Lagerträger entsprechend der Forderung der DIN ISO 5199 aus hochbelastbarem Guß hergestellt sind.
Dichtungslose Konstruktion
Diese Magnetpumpen können als dichtungslos bezeichnet werden, da sie keine Gleitringdichtung besitzen. Sie haben auch keinen Wellendurchtritt, der Pumpenraum ist hermetisch dicht von der Umwelt abgeschlossen. Motor- und Pumpenwelle sind getrennt, die Antriebsenergie wird mittels Permamentmagnetkupplung berührungslos auf das Pumpenlaufrad übertragen (Abb. 4).
Optimierter Wirkungsgrad
Auch am Spiralgehäuse selbst wurde die geometrische Gestaltung und Auslegung mit Hilfe umfangreicher computerbasierender Berechnungsmethoden ermittelt. Hierdurch konnten Druckverlust, Geräuschentwicklung und Schwingungsverhalten optimiert werden.
Das Pumpenlaufrad, das in Verbindung mit dem Spiralgehäuse maßgebend den Wirkungsgrad bestimmt, wurde mit Hilfe computerunterstützter Strömungsanalysen berechnet. In Kombination mit einem gekapselten metallischen Kern entstand ein ausbalanciertes Pumpenlaufrad, das über den gesamten Kennlinienbereich der Pumpe optimierte hyraulische und dynamische Bedingungen mit verbesserten Wirkungsgraden ermöglicht.
Medienbeständig
Aufgrund seiner nahezu universellen Chemikalienbeständigkeit würde sich als Pumpenwerkstoff PTFE anbieten. Dieser Fluorkunststoff ist jedoch nicht spritzfähig, sondern kann nur mittels sehr aufwendiger Sintertechnik verarbeitet werden. Als Ersatz für PTFE verwendet man daher die Fluorthermoplaste PVDF, PFA oder ETFE. Mit diesen Werkstoffen ist eine thermoplastische Verarbeitung wie Spritzgießen ohne Probleme möglich, und sie haben mit PTFE vergleichbare Eigenschaften. So ist Ethylentetrafluorethylen (ETFE) beständig gegen Chemikalien und Lösemittel. Polyvinylidenfluorid (PVDF) erreicht diese Beständigkeit zwar nicht und sollte beispielsweise bei rauchender Salpetersäure, Ketonen und Estern nicht eingesetzt werden, ist aber für Säuren, Laugen und aromatische, chlorierte Kohlenwasserstoffe der ideale Werkstoff. Der Fluorkunststoff PFA besitzt die gleiche hohe Chemikalienbeständigkeit wie PTFE. Die Temperaturgrenzen dieser Werkstoffe in den MAM-Pumpen sind hierbei für PVDF mit 90 °C, für ETFE mit 100 °C und für PFA mit 120 °C festgelegt.
Einsatzgrenzen von Kunststoffen
Bei der Auslegung von Kunststoffpumpen sind folgende Werkstoffwerte besonders zu beachten:
• der extrem niedrige Elastizitätsmodul,
• die Kerbschlagzähigkeit sowie
• die Zugfestigkeit.
Überschreitet man mit den auftretenden Belastungen den Bereich des Elastizitätsmodules, d. h. Spannungen und Dehnungen laufen nicht mehr proportional, fängt der Kunststoff an zu fließen. Er gibt bei konstanter Zugdruck-Spannung der Beanspruchung nach und verformt sich plastisch. Ebenso ist die ausgeprägte Wärmeausdehnung der Kunststoffe bei der Ausführung der Bauteile in den Pumpen im Hinblick auf die spätere Betriebsweise zu beachten. Die Veränderung der Wärmeformbeständigkeit einiger Kunststoffe bei thermischer Belastung muß ebenfalls bei der konstruktiven Gestaltung berücksichtigt werden.
Von besonderer Bedeutung ist auch das gewählte Verfahren zur Herstellung dieser Teile bei einer mechanischen Verarbeitung. Hier muß großer Wert auf die Einhaltung gewisser Parameter wie Spanndruck, Drehzahl und Vorschub gelegt werden, damit die gefertigten Teile den konstruktiven Vorgaben entsprechen.
Ebenso wichtig wie die konstruktive Gestaltung ist die optimale Auswahl des Werkstoffs für den jeweiligen Einsatzfall. Hier ist die chemische Beständigkeit des Kunststoffes in bezug auf das zu verpumpende Medium sowie sein Temperatur- und Verschleißverhalten zu prüfen. Der Hersteller der MAM-Pumpenbaureihe verfügt über eine sehr umfangreiche Beständigkeitsliste, in der ein Großteil der heute verfügbaren Medien mit unterschiedlichsten Konzentrationen und bei verschiedenen Temperaturen in einen Bezug zu den Kunststoffarten und auch den notwendigen Abdichtungen, also den Elastomeren, gebracht sind. Wurde für ein neues Medium noch keine Beständigkeit ermittelt, so wird im Werkslabor zunächst ein Beständigkeitstest durchgeführt. Hierbei wird über einen Zeitraum von vier Wochen eine Veränderung an der Kunststoff-Werkstoffoberfläche, eine eventuelle Gewichtszunahme und auch die Quellung des Werkstoffes beurteilt, indem Proben von unterschiedlichen Kunststoffen und Elastomeren unter Betriebstemperaturen in das noch unbekannte Medium eingelegt werden. Aus den dann ermittelten Werten wird der geeignete Kunststoff ausgewählt.
Hermetisch dicht
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades ist bei den MAM-Pumpen der Spalttopf aus nicht leitfähigen Kunststoffen hergestellt. So werden Wirbelstromverluste vermieden, eine universelle Medienbeständigkeit erreicht und hohe Kupplungswirkungsgrade ermöglicht. Der Spalttopf hat die Aufgabe, den medienberührten Teil der Pumpe hermetisch dicht gegen den Antriebsteil und damit gegen die Umwelt abzudichten (Abb. 2 und 3). Er trennt die beiden Kupplungshälften voneinander. Entscheidend ist, daß dieser Spalttopf, wie schon erwähnt, aus einem nicht leitfähigen Material hergestellt wird, da metallische Spalttöpfe zusätzliche Energie kosten. Der Grund dafür ist, daß das synchron umlaufende Magnetfeld der Magnetkupplung in elektrisch leitenden Materialien eine Feldstärke erzeugt, deren magnetische Kräfte entgegen der Drehrichtung der Kupplung wirken. Hierdurch ergibt sich eine Verlustleistung, die die Leistung der Kupplung herabsetzt. Die durch diese Wirbelstrominduktion auftretende Verlustwärme müßte also durch die Abführung eines Teilstromes gemindert werden.
Medien niedriger Dichte erreichen durch die zusätzlich auftretende Wärme schnell ihren Siedepunkt. Dadurch kann es zur Dampfblasenbildung kommen. Dies gilt besonders für Medien, die bei Wärmezufuhr zur Polymerisation, zur Kristallisation oder zum Erstarren neigen. Mit der fortschreitenden Entwicklung auf dem Gebiet der Kunststoff-Technik bieten sich hier universelle Lösungen an. Der für diese Magnetpumpen eingesetzte, mit speziellen Werkstoffen verstärkte und aus einem dem Pumpenwerkstoff entsprechenden Material hergestellte Spalttopf erreicht nicht nur einen hohen Kupplungswirkungsgrad, sondern vermeidet auch die erwähnten Nachteile.
Hier gleiten die Lager
Praktischerweise ist die Lagerung des Pumpen-Laufrades von Magnetpumpen im Fördermedium positioniert. So ist es möglich, auch die auftretende Reibungswärme in der jeweiligen Gleitlagerung durch das Fördermedium abzuführen. Als Standardwerkstoff für die Gleitlagerung hat sich bei Magnetpumpen allgemein der keramische Werkstoff Siliziumkarbid durchgesetzt. Ausschlaggebend hierfür war die universelle Korrosionsbeständigkeit und die hohe Verschleißfestigkeit von Siliziumkarbid. Gerade diese Eigenschaften sind bei den MAM-Magnetpumpen besonders gefordert.
Geheimnisvolle Kräfte
Die Entwicklung permamentmagnetangetriebener Kreiselpumpen reicht bis in die Zeit zurück, als nur Ferrit- und Aluminium-Nickel-Kobalt-Magnete zur Verfügung standen. Diese Magnetwerkstoffe haben eine Reihe von Nachteilen, wie das Entmagnetisieren bei Durchdrehen der Kupplung sowie das große Bauvolumen der Magnete zur Erzielung entsprechender Leistungsstärken. Hierdurch mußten natürlich auch entsprechend große Schwungmassen bewegt werden.
Erst als dann die Entwicklung neuartiger, intermetallischer Dauermagnete auf der Basis seltener Erden entwickelt wurden, kam es zu einem entscheidenden Durchbruch in bezug auf Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit. Aufgrund der hohen Energiedichte dieser Magnete konnten nun mit geringstem Platzbedarf hohe Leistungen übertragen werden.
Eine Entmagnetisierung durch Gegenfelder ist bei den MAM-Pumpen nicht möglich. Aufgrund der eingesetzten Magnete kann der Antrieb der Pumpen durch Direkteinschaltung erfolgen.
Halle 4, Stand 213/312
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