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Wärmeträger: Auf Höchstleistung getrimmt

Kreiselpumpe
Wärmeträger: Auf Höchstleistung getrimmt

Mit der Allheat 1000 steht für Wärmeträgeranlagen im World-Scale-Format eine Wärmeträgerpumpe zur Verfügung, die bei hoher Förderleistung (1000 m3/h auf 80 m im optimalen Betriebspunkt) kompakt baut, einfach zu warten ist und dabei höchsten Anforderungen an die Betriebssicherheit gerecht wird. Dazu wurde ein Pumpenkonzept auf Basis einer Drehzahl von 2900 min-1 entwickelt.

Stefan Werner, Gerd Uhrig

Allweiler stellte auf der WTT-Expo im Oktober 2007 erstmals die Allheat 1000 vor. Diese Kreiselpumpe ist speziell dafür konstruiert, in World-Scale-Anlagen größere Mengen Thermalöl über größere Entfernungen zu fördern. Die maximale Förderhöhe beträgt 100 m, die maximale Fördermenge 1 450 m3/h. Wie alle Allheat-Pumpen benötigt auch die Allheat 1000 keine externe Kühlung. Die Pumpe fördert Thermalöle bis 350 °C.
Bei der Entwicklung dieser Pumpen lag die Zielsetzung zugrunde, die gewünschte Leistung mit einem möglichst kompakten Aggregat zu erreichen. Dies spart zum einen Platz in der Anlage. Zum anderen hält es die Investitionskosten und damit die Gesamtkosten (Total Cost of Ownership, TCO) niedrig. Daher erreicht die Allheat 1000 ihre Leistungen anders als herkömmliche Wärmeträgerpumpen mit ähnlichen Leistungen nicht dadurch, dass bestehende kleinere Pumpen um Baugrößen mit größeren Laufraddurchmessern ergänzt wurden. Stattdessen ist die Pumpe von vornherein konstruktiv auf höhere Drehzahlen bis 2900 min-1 ausgelegt. So wird z. B. bei 50 Hz und 2900 min-1 eine Fördermenge von 1000 m3/h auf 80 m im optimalen Betriebspunkt erreicht. Der maximale Laufraddurchmesser beträgt lediglich 280 mm. Der Einsatz im 60-Hz-Betrieb wird zur Zeit untersucht.
Bei vergleichbarer Förderleistung treten in Pumpen mit hoher Drehzahl ungewöhnlich höhere hydraulische Kräfte auf, die beherrscht werden müssen. Zudem entsteht im Lager und in der Wellendichtung eine erhöhte Reibungswärme, die abgeführt werden muss. Schließlich steigt der NPSH-Wert bei höheren Drehzahlen, was eine hydraulische Optimierung des Laufrads erfordert. Um die Pumpe nicht nur kompakt zu konstruieren, sondern auch die zuverlässige und wartungsarme Funktion bei Höchstleistung und im Dauerbetrieb sicherzustellen, musste der Hersteller daher neue Wege in der Entwicklung und der Prüfung gehen.
Empirische Prüfung
In Zusammenarbeit mit der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Gestaltung in Kons-tanz wurde ein Trockenprüfstand entwickelt, um die hydraulischen Kräfte und die Temperaturentwicklung im Gleitlager bei unterschiedlichen Drehzahlen und damit Krafteinwirkungen auf die Welle empirisch zu prüfen. Ein Telematiksystem mit berührungslosem Messverfahren erfasste exakt die Auswirkungen der Radialkräfte. Die Abstände im Gleitlager wurden über Wirbelstromverfahren mit einer Genauigkeit im µ-Bereich erfasst.
Diese empirische Prüfung ergänzte und verifizierte die FEM-Berechnungen, die der Konstruktion zugrunde lagen. Im Prüfstand wurde schrittweise untersucht, wie Werkstoffe und konstruktive Details die Temperatur und damit die Belastung des Gleitlagers bei unterschiedlichen Radialkräften auf der Welle und unterschiedlichen Fördermedien (synthetisches Thermalöl und Wasser) beeinflussen. In der Folge dieser mechanischen Belastungstests wurde die Einschubeinheit mehrfach optimiert. Dies umfasste die Dimensionen von Gleitlager und Welle, die Optimierung der kippbeweglichen Lagerung der Welle und die Werkstoffpaarung im Lager. Kippbewegliche Lager sind ein Kennzeichen aller Pumpen der Allweiler-Allheat-Baureihe. Im Gegensatz zu fest eingepressten Lagern kann sich das kippbewegliche Lager Verformungen der Welle anpassen. Dies vermeidet Punktbelastungen, sichert die konstante Schmierung und erhöht damit die Lebensdauer der Lager. Eine optimierte Gehäusegestaltung sorgt mit einem zusätzlich außen montierten Lüfter für eine optimale Wärmeabfuhr und mindert die thermische Belastung des Lagers, sodass Lager und Dichtung nicht gekühlt werden müssen. Die Allheat 1000 arbeitet daher nahezu verschleißfrei. Ihr Dichtungsraum ist so gestaltet, dass ein eventuell auftretender Gasring um die Dichtung abgestreift wird. Ausgasungen sammeln sich in einer beruhigten Zone und werden entlüftet, ohne die Gleitflächen der Dichtung anzugreifen.
Durch eine Lagerhülse auf der Welle mit spezieller thermischer Härtung wurde eine höhere Tragfähigkeit des Gleitlagers erreicht. Zusätzliche FEM-Berechnungen untersuchten die Verformung der Lagerbuchse bei unterschiedlichen Wandstärken und unterschiedlichen Geometrien und optimierten diese. Die Prüfungen umfassten auch verschiedene konstruktive Lösungen, um einen gleichmäßigen Schmierfilm über die gesamte Auflagefläche herzustellen. Das Ergebnis ist eine besondere Schmiergeometrie außerhalb der belasteten Flächen. Dieses konstruktive Detail garantiert eine optimale Schmierung bei höchsten Belastungen und ist gleichzeitig unempfindlich gegen Schmutzpartikel im Medium. Die aufgebrauchten Kräfte lagen bei diesen Prüfungen mit über 7000 N deutlich höher als die im Betrieb erreichten Maximalwerte.
Unter realen Bedingungen
In einem zweiten Prüfschritt wurde das fertige Aggregat unter realen Einsatzbedingungen in einem hydraulischen Prüfstand im mehrmonatigen Dauerbetrieb gefahren und weiter optimiert. Dieser spezielle Thermalölprüfstand ermöglicht, alle Pumpenzustände unter realen Bedingungen zu simulieren. Bei Mediumstemperaturen bis 430 °C werden Temperaturen, Druck und Schwingungsverhalten an mehreren Stellen der Pumpen aufgenommen und protokolliert.
Die Ergebnisse beider Prüfungen – im Trocken- und im Thermalölprüfstand – zeigen, dass die Allheat 1000 nicht nur ein kompaktes, sondern auch sehr sicheres und zuverlässiges Hochleistungsaggregat mit niedrigen Gesamtkosten ist.
Einsatzbereiche
Ein Einsatzgebiet der Allheat ist u.a. in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit ORC-Modulen (Organic Rankine Cycle). Ein Anwender in diesem Bereich ist die Maxxtec AG (Sinsheim). Das Unternehmen beschäftigt sich intensiv mit der Erzeugung thermischer und elektrischer Energie aus nachwachsenden Energieträgern, die in Feuerungsanlagen verbrannt werden. Aus den heißen Abgasen wird die Wärme in eine Wärmeübertragungsanlage ausgekoppelt und zu einem ORC-Modul übertragen, wo die thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei wird synthetisches Thermalöl über die Biomassefeuerung auf 300 °C bis 330 °C erwärmt. Mit Hilfe dieses Thermoöls erfolgt dann in einem Wärmetauscher die Verdampfung des organischen Arbeitsmediums. Der Einsatz wellendichtungsloser Pumpen scheidet aufgrund der hohen Gesamtkosten (hoher Stromverbrauch und hohe Investitionskosten) in der Regel aus.
Der Dauereinsatz bei relativ hoher Betriebstemperatur, wie auch der Einsatz synthetischer Wärmeträger mit niedriger Viskosität stellen bereits eine technische Anforderung dar, die herkömmliche Standard–Industrienormpumpen nur bedingt erfüllen. Darüber hinaus ist bei der Auswahl der Pumpen zu berücksichtigen, dass eine permanente Überwachung durch entsprechend qualifiziertes Betriebspersonal nicht gewährleistet ist. Weitere Einsatzbereiche sind die Kunststoff- und Textilherstellung sowie die chemische Industrie.
cav 454

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