Magnetkupplungspumpe aus Kunststoff

Mehr Sicherheit im Betrieb

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Bei der Entwicklung einer Magnetkupplungspumpe aus Kunststoff wurde der Pumpenhersteller von Pumpenbetreibern, einem unabhängigen Werkstoffinstitut aus Radolfzell und der Technischen Universität Kaiserslautern unterstützt. Die neu entwickelte MPC-Pumpe zeichnet sich durch niedrige Betriebskosten sowie eine lange Lebensdauer bei sicherem Betrieb aus und erfüllt sowohl die Vorgaben der FDA als auch die Atex-Richtlinien.

Pumpenbetreiber in der chemischen Industrie wurden vom Pumpenhersteller Munsch im Rahmen einer Marktanalyse eingehend nach ihren Wünschen und Vorstellungen zu einer idealen Kunststoffpumpe befragt. Das Befragungsergebnis zeigte die Notwendigkeit zur Entwicklung von Magnetkupplungspumpen aus Kunststoff auf. Um sicherzustellen, dass die künftigen Pumpen genau den Bedürfnissen der Anwender entsprechen, wurden erfahrene Pumpenbetreiber in die Konzeption und Entwicklung einbezogen. Das Ziel war es, Pumpen zu entwickeln, die hohe Sicherheitsreserven auch bei Fehlbedienungen oder im Störfall besitzen. Ferner sollten sie sich durch niedrige Betriebskosten und Wartungsfreiheit auszeichnen, aus FDA-konformen Werkstoffen gefertigt sein und die Vorgaben der Atex-Richtlinien erfüllen. Weiterhin wurde verlangt, dass die Pumpen nicht teurer werden als herkömmliche Konstruktionen und dass sie innerhalb weniger Arbeitstage lieferbar sind.

Werkstoffe
Betreiber und Pumpenhersteller waren sich einig, dass die Pumpen in den Werkstoffen PP, PVDF und einem chemisch universell einsetzbaren Fluorkunststoff, der die Bedingungen der FDA erfüllt, erhältlich sein müssen. Bei der Festlegung des Fluorkunststoffs standen verschiedene Qualitäten wie PTFE, PFA und das oft als gleichwertig dargestellte ETFE zur Auswahl. Recherchen des Pumpenherstellers ergaben, dass PFA, abgesehen von wenigen Ausnahmen, eine universelle chemische Beständigkeit besitzt. Im Gegensatz dazu sind bei ETFE einige Einschränkungen zu beachten. Starke Oxidationsmittel, hochkonzentrierte Säuren, starke Laugen und bestimmte Lösemittel können durch das ETFE diffundieren und zu Quellung und Rissbildung führen. Weiterhin ist die thermische Beständigkeit von ETFE geringer als die von PFA.
Das unabhängige Werkstoffinstitut Holger Döbert, Radolfzell, überprüfte und bestätigte die Recherchen des Pumpenherstellers. Gemäß der Werkstoffberatung besitzt PFA die besten Voraussetzungen als Pumpenwerkstoff. Es ist chemisch universell beständig, neigt nicht zum Quellen oder zur Rissbildung, hat eine hohe Diffusionsdichte, erfüllt die Bedingungen der FDA und die Temperatureinsatzgrenze liegt bei ca. 200 °C. Der Kunststoff PFA wurde daher von den Betreibern und dem Hersteller neben PP und PVDF als dritter Werkstoff für die neue Pumpenbaureihe ausgewählt.
Konstruktionsprinzip
Nach der Werkstofffestlegung stellten die Konstrukteure den Pumpenbetreibern zwei unterschiedliche Konstruktionsprinzipien von Magnetkupplungspumpen vor. Zum einen die Ausführung mit Achse, wie sie vor allem im US-amerikanischen Markt zu finden ist, und zum anderen die Ausführung mit Welle, wie sie hauptsächlich von der chemischen Industrie in Deutschland eingesetzt wird. Von den deutschen Fachleuten wird jedoch nach wie vor die Pumpe mit Achse kritisch beurteilt. Der Anlass zur ablehnenden Haltung beruht darauf, dass sich der saugseitige Aufnahmeträger der Achse im Saugstutzen befindet. Der freie Querschnitt des Saugstutzens verringert sich bei DN 40 oder DN 50 um bis zu 50 %. Das Saugverhalten der Pumpe verändert sich dadurch negativ, speziell bei niedrigem Siedepunkt, geringer Zulaufhöhe und hoher Produkttemperatur. Das Fördergut verdampft und die Förderung der Pumpe setzt aus. Nachdem sicher war, dass von den Pumpenfachleuten keine positive Resonanz zur Pumpe mit Achse zu erwarten sei, wurde die Konstruktion verworfen. Durch die intensive Zusammenarbeit zwischen Pumpenbetreibern und Konstrukteuren entstand schließlich die Chemienormpumpe MPC mit Magnetkupplung. Anhand einiger Bauteile wird nachfolgend aufgezeigt, wie die Ingenieure immer wieder nach konstruktiven Lösungen suchten, um die Wünsche der Betreiber zu erfüllen.
Gehäuse
Die Anforderungen an das Spiralgehäuse und den Gehäusepanzer wurden von den Pumpenbetreibern sehr präzise beschrieben: Ein strömungsgünstiges und dickwandiges Spiralgehäuse für hohe Reserven gegenüber aggressiven und abrasiven Fördermedien, das auswechselbar, lose und spannungsfrei in den Gehäusepanzer eingesetzt werden kann. Ferner dürfen bei Vakuumbetrieb keine Gehäuseverformungen entstehen.
Um solche Gehäuseelemente zu fertigen, entwickelte der Pumpenhersteller eigene Pressen, in denen u. a. PFA-Spiralgehäuse mit Wandstärken größer 10 mm hergestellt werden. Damit das Spiralgehäuse die Atex-Richtlinien erfüllt sowie den zulässigen Pumpeninnendruck und die Rohrleitungskräfte aufnehmen kann, muss es vollständig mit einem metallischen Gehäusepanzer ummantelt sein. Die Ummantelung erfolgt durch einen zweigeteilten Gehäusepanzer aus dem Werkstoff EN-JS 1025 (GGG-40.3). Dieses Konstruktionsprinzip ermöglicht den Betreibern, Spiralgehäuse oder Gehäusepanzer selbst zu wechseln. Eine getrennte Werkstoffentsorgung ist ebenfalls möglich. Normalerweise wird das Spiralgehäuse direkt auf die Grundplatte geschraubt. Bei Motoren mit höherem Achsenmaß müssen dann zum Höhenausgleich der Motor-/Pumpenwelle zusätzliche Konsolen unter den Pumpenfüßen angebracht werden. Bei der MPC entschlossen sich die Konstrukteure zu einer eleganteren Lösung. Der Gehäusepanzer wird mit zwei biegesteifen Edelstahlwinkeln auf die Grundplatte geschraubt. Ein Langloch sowie eine Bohrung im Edelstahlwinkel erlauben das Anheben der Pumpe von dem genormten Achsenmaß (h1) auf das nächsthöhere h1-Maß.
Laufrad
Die Lebenszykluskosten einer Kreiselpumpe setzen sich nach Einschätzung der Pumpenbetreiber zu 5 bis 15 % aus den Investitionskosten, zu 10 bis 20 % aus den Installationskosten, zu 30 bis 60 % aus den Energiekosten und zu 20 bis 40 % aus den Instandhaltungskosten zusammen. Aufgrund der hohen anteiligen Energiekosten und den steigenden Energiepreisen forderten die Betreiber Strömungsmaschinen mit hohen Wirkungsgraden. Um den bestmöglichen Pumpenwirkungsgrad zu erzielen, wählten die Hydrauliker bei Auslegung des Spiralgehäuses und Laufrades nicht die herkömmliche experimentelle oder analytische Methode, sondern ermittelten die Hydraulik durch numerische Simulation. Die Pumpen der MPC-Baureihe können nun bei gleicher Förderhöhe mehr Menge fördern. Das Saugverhalten verbessert sich durch niedrige NPSH-Werte und verminderte Rückströmungen im hydraulischen Teil der Pumpe reduzieren bei abrasiven Fördermedien den Verschleiß. Außerdem nimmt der Geräuschpegel ab. Ferner haben die Konstrukteure bei der MPC eine formschlüssige, drehrichtungsunabhängige Laufradbefestigung vorgesehen. Die Erfahrung zeigte, dass sich bei falscher Drehrichtung des Motors aufgeschraubte Laufräder von der Pumpenwelle lösen und dadurch teure Folgeschäden entstehen können.
Gleitlager und Spalttopf
Durch bruchempfindliche Gleitlager entstehen immer wieder wirtschaftliche Totalschäden an Magnetkupplungspumpen. Um dem vorzubeugen, haben die Ingenieure für die MPC ein Gleitlager entwickelt, das aus einfachen geometrischen, aber mechanisch hochbelastbaren Teilen wie Hülse, Buchsen und Scheiben besteht. Neben der mechanischen Belastung muss das Gleitlager beständig sein gegenüber einem korrosionschemischen Angriff und abrasiven Fördermedien. Die Forderungen wurden ebenfalls erfüllt. Die Einzelteile sind aus hochreinem Siliziumkarbid. Nach Aussage der Betreiber kann Mangelschmierung oder Trockenlauf eine Ausfallursache bei Magnetkupplungspumpen sein. Obwohl keine trockenlaufbeschichteten Gleitlager bei der MPC vorgesehen sind, entstehen aufgrund der Konstruktion bei kurzzeitigem Trockenlauf keine Pumpenschäden. Der zulässige Zeitraum des Trockenlaufens gilt im Gegensatz zu den trockenlaufbeschichteten Gleitlagern für die gesamte Lebensdauer.
Der Spalttopf trennt das Fördermedium zur Atmosphäre. Bewährt haben sich Kunststoffspalttöpfe in Verbundbauweise. Der produktberührte innere Spalttopf besteht aus chemisch beständigem Kunststoff. Der äußere kohlefaserverstärkte Spalttopf nimmt die Druckkräfte auf. Durch die Kunststoffverbundbauweise entstehen im Gegensatz zu metallischen Spalttöpfen keine Wirbelstromverluste und folglich keine Erwärmung des Fördermediums sowie keine Magnet- bzw. Wirkungsgradverluste. Aufgrund der Vorteile entschieden sich die Konstrukteure ebenfalls für diese Bauart. Besonderen Wert legten die Betreiber darauf, dass bei der PFA-Pumpe der produktberührte Spalttopf nicht aus PTFE, sondern ebenfalls aus dem wesentlich diffusionsdichteren PFA vorgesehen wird.
Eine nicht zu unterschätzende Gefahr kann von einem taumelnden Antriebsrotor, ausgelöst durch defekte Wälzlager, ausgehen. Die scharfen Kanten der Außenmagnete können einen Spalttopf aus kohlefaserverstärktem Kunststoff aufschneiden, einen aus Keramik zum Bersten bringen oder einen Spalttopf aus Edelstahl unter Funkenbildung langsam aufschlitzen. Damit Schäden dieser Art nicht auftreten, wird bei der MPC die Forderung zum Anlaufschutz erfüllt. Der Spalt zwischen Antriebsrotor und Laterne ist kleiner als der Spalt zwischen den Magneten und dem Spalttopf. Dadurch wird verhindert, dass bei einem Wälzlagerschaden die Magnete am Spalttopf anlaufen. Der induktive Näherungsschalter überwacht den Rundlauf des Antriebsrotors.
Die Wünsche der Pumpenfachleute aus den Werkstätten zur Montage und Demontage beinhalteten darüber hinaus, dass aus Sicherheitsgründen nur statisch verpresste Dichtungen eingebaut und alle Bauteile auf Block zusammengeschraubt werden. Die Montage und Demontage sollte ohne Spezialwerkzeuge möglich sein, Maßeinstellungen vermieden und wenige Bauteile, insbesondere viele Gleichteile, angestrebt werden. Die Vorspannung der statisch verpressten Dichtungen sollte nicht über das Drehmoment der Schrauben und Muttern bestimmt werden, sondern nur über einen festen, unveränderbaren metallischen Anschlag. Für eine schnelle Reparatur sollten die Ersatzteile sofort lieferbar sein.
Umfassend getestet
Über die Eigenfrequenzen einer Maschine kann man auf die Lebensdauer rückschließen. Professor Hellmann, Leiter des Lehrstuhls für Strömungs- und Verdrängermaschinen an der Universität Kaiserslautern, wurde beauftragt, ausführliche Untersuchungen zum Schwingungsverhalten der MPC durchzuführen. Damit Messungen am Spalttopf möglich waren, erfolgte der Antrieb der Magnetkupplungspumpe durch einen Keilriemen. Der Motor befand sich unterhalb der Grundplatte. Auf dem eigenen Prüfstand der Universität wurde die Pumpe sowohl unter Normalbedingungen als auch bei unterschiedlichen Störeinflüssen auf ihr Schwingungsverhalten bei Kavitation, Abriss des Förderstroms und Gasförderfähigkeit getestet. Ergänzt wurden die Testreihen durch externe Schwingungsanregungen, wie sie von Rohrleitungen, Motor, Kupplung oder Grundplatte auf die Pumpe übertragen werden. Die von unabhängiger Seite durchgeführten Testläufe an der Universität und die in der chemischen Industrie durchgeführten Feldversuche zeigten, dass mit der MPC eine Pumpe geschaffen wurde, die alle Erwartungen erfüllt.
Halle 8.0, Stand G46
cav 426

Näheres zur Magnetkupplungspumpe
Pumpenlexikon
Literatur
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