Energieeffiziente Spalttopfwerkstoffe

Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Konrad

Der grundsätzliche Aufbau einer Magnetkupplung ist schnell erklärt: Das Fördermedium wird durch den Spalttopf hermetisch gegen die Atmosphäre abgedichtet. Die Antriebsleistung wird vom Motor über die Außenmagnete auf die innere Magnetkupplung übertragen. Dadurch, dass die magnetischen Feldlinien den metallischen Spalttopf schneiden, entstehen durch die elektrische Leitfähigkeit Wirbelstromverluste, die den Wirkungsgrad der Pumpe in Abhängigkeit zur Größe der Übertragungsleistung der Magnetkupplung mehr oder weniger stark negativ beeinflussen. Um die Wirbelströme zu vermeiden, sollte der Spalttopfwerkstoff bzw. die Spalttopfkonstruktion eine sehr niedrige oder am besten gar keine elektrische Leitfähigkeit besitzen. Zusätzlich sind die Randbedingungen der Explosionsschutzrichtlinie hinsichtlich elektrostatischer Aufladung zu berücksichtigen.

Das übertragbare Drehmoment der Magnetkupplung ist abhängig vom Luftspalt zwischen dem Innen- und Außenmagnet bzw. vom Verhältnis Luftspalt zu Durchmesser des Innenmagnetes. Deshalb wird die Akzeptanz energieeffizienter Spalttopfwerkstoffe stark davon abhängig sein, ob sich die Standardkonstruktion der umliegenden Bauteile ändert. Nur wenn die Mehrkosten und der Mehraufwand in einem vertretbarem Rahmen bleiben, ist betreiberseitig auch die Bereitschaft da, einen Austausch vorhandener metallischer Spalttöpfe vorzunehmen. Ideal wäre die Vorgehensweise: Alter Spalttopf raus – neuer Spalttopf rein.

Im Folgenden werden verschiedene Lösungen für den besonders energieeffizienten Einsatz von unterschiedlichen Spalttopfwerkstoffen in Magnetkupplungen vorgestellt.

Schon länger bekannt ist der keramische Spalttopf. Als Werkstoff hat sich hier ein mit MgO teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid (ZrO2) aus der Gruppe der Oxidkeramiken durchgesetzt. Für diesen Werkstoff spricht seine sehr hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, die niedrige Wärmeleitfähigkeit und die gute Temperaturwechselbeständigkeit. Aufgrund des sehr hohen spezifischen Widerstandes von 1010 Ωmm2/m werden keine Wirbelstromverluste induziert. Mit der Wandstärke von 1,9 mm und der Gestaltung der Flanschgeometrie ist ein problemloser Austausch in eine vorhandene Pumpenkonstruktion möglich. Der zulässige Betriebsdruck beträgt 16 bar mit einem Temperatureinsatzbereich zwischen -40 und +250 °C.

Auf der Achema 2009 stellte Dickow erstmalig einen Peek-Composite-Spalttopf vor. Nur mit diesem Werkstoff und dem dazugehörigen Herstellungsverfahren lassen sich Wandstärken erzielen, die eine Austauschbarkeit in vorhandene Konstrukti-onen erlaubt. Mit einer Wandstärke von 2,0 mm beträgt der zulässige Betriebsdruck 24 bar bei einer maximalen Temperatur von +150 °C. Trotz des relativ niedrigen spezifischen Widerstandes von 157 Ωmm2/m entstehen keine Wirbelstromverluste. Dies ist auf die Ausrichtung der eingebrachten Carbonfasern zurückzuführen. Umfangreiche interne und externe Tests vor Serienfreigabe haben die Anwendbarkeit bestätigt. Erste Feldtests unter realen Betriebsbedingungen laufen seit mehreren Monaten. Auch hinsichtlich der Explosionsschutzrichtlinie 94/9/EG gibt es keinerlei Einschränkungen, diesen Peek-Composite-Spalttopf in einem Gerät der Gruppe II, Kategorie 2 für den Einsatz in Zone 1 einzubauen. Der Oberflächenwiderstand Ro ist deutlich kleiner als 1011 Ω. gemäß BGR132 besteht demzufolge keine Zündgefahr.

Eine weitere Entwicklung ist der gegossene Titanspalttopf. Titan als Spalttopfwerkstoff ist schon seit längerem bekannt, jedoch nur in tiefgezogener Ausführung. Dieses Herstellungsverfahren ist sehr kostenintensiv, sodass sich dieser Werkstoff trotz seiner Vorteile bisher nicht durchgesetzt hat. Aber durch die Verwendung der gießbaren Titanlegierung Titan Grade 5 lassen sich die hervorragenden mechanischen Eigenschaften und die gute Korrosionsbeständigkeit zu einem konkurrenzfähigen Preis umsetzen. Mit einer Wandstärke von 1,0 mm können so Betriebsdrücke bis zu 60 bar realisiert werden. Durch den spezifischen elektrischen Widerstand von 1,62 Ωmm2/m werden im Vergleich zu einem Hastelloyspalttopf die Wirbelstromverluste um 30 bis 50 % reduziert.

Um die durch den Gießprozess entstehenden Mikrolunker zu beseitigen, wird die Molekularstruktur im halbzähen Zustand nochmals verändert. Dies erfolgt durch ein heiß-isostatisches Pressverfahren, in dem die Bauteile bei Temperaturen nahe dem Transitpunkt unter Schutzgasatmosphäre bis zu mehrere Stunden hohen Drücken ausgesetzt und anschließend gezielt über mehrere Stunden abgekühlt werden.

Damit die mechanische Bearbeitung so weit wie möglich reduziert wird, beträgt die gegossene Spalttopfwandstärke 1,5 mm, der Spalttopfflansch ist integriert und die Bohrungen für die Spalttopfverschraubung mitgegossen.

Schon länger bekannt ist der sogenannte Nova-Magnetics- oder Sandwich-Spalttopf. Dieser besteht im Gegensatz zu der sonst üblichen einwandigen Ausführung aus zwei Hüllen. Die innere Hülle, welche die radialen Belastungen aufnimmt, wird aus mehreren zentrierten Ringen gebildet, die durch nichtleitende Dichtelemente gegeneinander isoliert sind. Die äußere Hülle besteht aus einem geschlitzten Rohr, das die axialen Belastungen aufnimmt. Durch diese Konstruktion wird, zusammen mit der besonderen Anordnung der Magnetreihen, eine Reduzierung der Wirbelstromverluste um mehr als 50 % erreicht. Der zulässige Betriebsdruck beträgt 35 bar bei +200 °C.

Aufgrund der Spalttopfwandstärke von 7,5 mm ist ein Austausch in vorhandene Standardpumpen nur mit großem Mehraufwand möglich.

Vorsicht ist geboten, wenn Pumpen mit Nova-Magnetics-Spalttöpfen im drehzahlgeregelten Betrieb mit Frequenzumrichter eingesetzt werden sollen. Aufgrund der Belastung der äußeren Lamellen durch die Vorspannung der inneren Hülle sowie des rotierenden Magnetfeldes und dessen Anregungsfrequenz kann der Spalttopf im Eigenfrequenzbereich betrieben werden. Auf jeden Fall ist eine Eigenfrequenzanalyse des Spalttopfes notwendig, um dem Betreiber mitzuteilen, welchen Drehzahlbereich er während des Betriebes der Pumpen zu vermeiden hat.

Dickow bietet auch hierfür eine konstruktive Abänderung des Spalttopfes an. Messungen haben ergeben, dass durch diese Maßnahme die Resonanzerregung des Spalttopfes deutlich gemindert werden kann. Ein Bruch der äußeren Lamellen ist damit ausgeschlossen.

Zusammenfassend sind in der Tabelle die zur Zeit verfügbaren energieeffizienten Spalttopfwerkstoffe mit ihren technischen Daten gegenübergestellt.

Online-Info www.cav.de/1009461