Pumpenanlagen: Auf der sicheren Seite

Dipl.-Ing. Jan Fischer

Gerade die Entladung von Tankwagen stellt besondere Aufgaben an die Saugfähigkeit und den NPSHR-Wert von Pumpen. Wegen der aus Sicherheitsgründen auf DN 80 begrenzten Nennweite der Tankwagenentleerungsstutzen, sind die Strömungswiderstände in der Saugleitung relativ groß, so dass der NPSHA-Wert der Anlage sehr niedrig ist. Dementsprechend niedrig muss der NPSHR-Wert der Pumpe sein. Um die Strömungsbedingungen trotzdem noch so günstig wie möglich zu gestalten, ist die Beruhigungsstrecke vor der Pumpe, also ein gerades Rohrleitungsstück ohne Störungen der Strömung, sehr lang ausgeführt.

Die Anforderungen an die Pumpen werden gegebenenfalls durch die physikalischen Eigenschaften der zu fördernden Flüssigkeiten noch verschärft, zum Beispiel wenn es sich um leicht siedende Medien wie Flüssiggase handelt. Insbesondere in Anlagen, in denen die Saug- bzw. Zulaufleitung zur Pumpe der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, besteht dann die Möglichkeit der Verdampfung der Flüssigkeit vor der Pumpe. Die so entstehenden Dampfblasen müssen von der Pumpe mit gefördert werden.

Ein Beispiel sind Pumpen in Tanklagern für Flüssiggase oder andere leicht siedende Flüssigkeiten. Wegen der einfacheren Ins-tallation werden die Pumpen meist zentral aufgestellt. Dies bedeutet lange, der Sonneneinstrahlung ausgesetzte Saug- bzw. Zulaufleitungen für die Pumpen. Die dadurch bedingte Erwärmung, in Kombination mit zumindest bei geringem Füllstand im Tank niedriger Zulaufhöhe, bewirkt oft ein Verdampfen bzw. Ausgasen der Flüssigkeit in der Leitung. In diesen Fällen ist es erforderlich, Pumpen einzusetzen, die eine größere Dampf- bzw. Gasmenge mitfördern können.

Bei Förderleistungen bis zu 35 m³/h bietet sich deswegen die Verwendung von Seitenkanalpumpen an. Um einen niedrigen NPSHA-Wert der Pumpe zu erreichen, sind beispielweise die Seitenkanalpumpen der Baureihe CEH von Sterling Sihi mit einem axialen Einlauf und saugseitig als erste Stufe mit einem so genannten NPSH-Laufrad ausgerüstet. Dieses Laufrad ist ein geschlossenes Radiallaufrad, das sich durch einen besonders großen Saugmund auszeichnet. Durch die deswegen relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit und die Vermeidung von Druckverlusten durch den axialen Einlauf lassen sich sehr niedrige NPSHA-Werte (unter 0,5 m) erreichen.

Größere Förderleistungen lassen sich mit den Kombipumpen TKH realisieren. In diesen Pumpen wird die eigentliche Zentrifugalpumpenhydraulik durch eine parallel auf der Welle mitlaufende Seitenkanalstufe ergänzt. Diese Seitenkanalstufe ermöglicht die Mitförderung von Gas- oder Dampfblasen. Außerdem können solche Pumpen, wie reine Seitenkanalpumpen, ihre Saugleitung selbst entlüften, sofern die Pumpe mit ausreichend Flüssigkeit befüllt ist. Mit diesen Pumpen, die hauptsächlich zur Förderung von Treibstoffen und Flüssiggasen eingesetzt werden, lassen sich Volumenströme bis zu 350 m³/h realisieren.

Besonders bei der Förderung leicht siedender Flüssigkeiten ist darauf zu achten, dass nicht durch die Pumpe selbst unnötig viel Wärme eingebracht wird. Nicht zuletzt durch die Anforderungen aus der TA-Luft werden zunehmend magnetgekuppelte Maschinen zur Förderung von Kohlenwasserstoffverbindungen eingesetzt. Bei der Förderung von Butadien in einem Tanklager ist beispielsweise folgender Effekt beobachtet worden: Butadien wird aus einem Behälter in den Prozess gefördert. Dazu wurden zwei magnetgekuppelte Chemienormpumpen in gleicher Weise installiert. Beide Pumpen wurden mit zweipoligem Antrieb und metallischem Spalttopf versehen, so dass über die Wirbelstromverluste Wärme eingebracht wurde. Pumpe 2 war mit einer etwas stärkeren Magnetkupplung ausgerüstet als Pumpe 1, es wurde also etwas mehr Wärme über den Spalttopf in die Pumpe eingebracht. Pumpe 1 arbeitete einwandfrei. Pumpe 2 fiel nach kurzer Zeit mit Gleitlagerschaden aus. Die Schadensanalyse ergab, dass der Lagerschaden durch Mangelschmierung verursacht wurde. Wegen der etwas höheren Wirbelstromverluste ist das Butadien in Pumpe 2 verdampft und so ist der Schmierstrom für die Lagerung zusammengebrochen. Zur Vermeidung solcher Schäden gibt es auch unter Beibehaltung der Magnetkupplung mehrere Möglichkeiten:

Solche Seitenkanalpumpen haben in der hergebrachten Gliedergehäusebauweise den Nachteil, dass es eine Vielzahl an Dichtstellen und damit potenzielle Leckagestellen gibt. Aktuelle Konstruktionen lösen dieses Problem durch eine Mantelgehäuse-konstruktion. Die CEH-Mantelgehäusepumpe ist als Prozesspumpe mit Nenndruckstufe PN 40 insbesondere für die Förderung von Flüssiggasen, Leichtsiedern und Kondensaten entwickelt worden. Durch die Mantelgehäusekonstruktion ist es relativ einfach möglich, auch höhere Nenndruckstufen zu realisieren. Lediglich das Mantelgehäuse, der Spalttopf und die Gehäuseverschraubung müssen entsprechend angepasst werden. An Grenzen stößt diese Konstruktion dann, wenn die Spalttopfwandstärke wegen des zu tragenden Drucks so dick wird, dass die Wirbelstromverluste zu groß werden. Je nach Antriebsleitung sind mit Magnetkupplungen Nenndruckstufen bis zu 100 bar noch sinnvoll zu erreichen.

Bei Seitenkanalpumpen, die auch die Fähigkeit haben, ihre Saugleitung selbst zu entlüften, sofern die Pumpe selber mit ausreichend Flüssigkeit gefüllt ist, stellt sich bei der Förderung brennbarer Flüssigkeiten die Frage nach der Atex-konformen Ausführung im Pumpeninneren. Bei der Bewertung dieser Fragestellung ist die Analogie zum Sicherheitskonzept an Flüssigkeitsringvakuumpumpen hilfreich. Letztlich funktioniert der Ansaugvorgang in der Seitenkanalpumpe nach dem gleichen Förderprinzip: durch die Betriebsflüssigkeit, also die erforderliche Befüllung der Pumpe selbst, wird ein Flüssigkeitsring aufgebaut, der mit dem Flügelrad in Nabennähe Zellen bildet, in denen das Gas bzw. die Luft gefördert wird.

In der Flüssigkeitsringvakuumpumpe wird der Explosionsschutz durch die Sicherstellung des Betriebsflüssigkeitskreislaufs gewährleistet. Mit redundantem Überwachungssystem ist hier sogar die Baumusterprüfung zur Erlangung der Konformität gemäß Gerätekategorie II 1 G für das Pumpeninnere vorhanden. Analog dazu ist festzustellen, dass auch in der Seitenkanalpumpe bei ausreichender Füllmenge das Gemisch innerhalb der Pumpe so fett ist, dass eine Explosion ausgeschlossen werden kann. Unter der Voraussetzung, dass der Füllstand der Pumpe überwacht wird, ist also auch die selbstansaugende Seitenkanalpumpe in explosionsgefährdeten Bereichen sicher zu betreiben. Die Seitenkanalpumpen werden im Allgemeinen mit Konformitätserklärung gemäß Kategorie Ex II 2 G geliefert, sind also geeignet zum Einsatz in Zone 1. Dies gilt auch für das Pumpeninnere. Da die Seitenkanalpumpe nur in der Startphase für kurze Zeiträume Gas/Luft mitfördert, ist die Definition für Zone 0 im Pumpeninneren nicht erfüllt. Zone 0 ist dann anzusetzen, wenn explosionsfähiges Gemisch ständig oder über lange Zeiträume vorhanden ist. Die genannte Gerätekategorie Ex II 2 G der Seitenkanalpumpe ist also für den sicheren und richtlinienkonformen Einsatz der Pumpe hinreichend.

Halle 8.0, Stand D20

cav 436

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