Zwei Wärmeträgermedien – eine Pumpe

Der Autor: Gerd Uhrig Manager Wärmeträgertechnik, Allweiler

Die Heat 11 GmbH & Co. KG in Bielefeld ist auf Wärmeübertragungsanlagen nahezu jeder Art spezialisiert. Zunehmend spiele auch die Wärmerückgewinnung eine große Rolle, so die aktuellen Erfahrungen von Dietmar Hunold, einem der Geschäftsführer des Unternehmens.

Je nach Anforderungen muss der Betreiber eine grundsätzliche Entscheidung treffen: Wasser oder Öl als Medium? Und wenn Öl, dann: mineralisches oder synthetisches Öl? Oberhalb von +200 °C wird wegen des Dampfdrucks überwiegend Öl eingesetzt; dieses kann bis auf +350 °C drucklos gefahren werden. Damit kommt die gesamte Anlage mit deutlich geringeren Wandstärken aus. Zudem ist Öl im Gegensatz zu Wasser nicht korrosiv. Wasser als Medium führt dagegen schon bei +200 °C zu einen Druck von 16 bar, bei +250 °C zu einem Druck von 40 bar.

Sind Temperaturen von über +350 °C und bis +400 °C, etwa bei der Bodenaufbereitung oder der Herstellung von Halbleitern und gedruckten Schaltungen, nötig, kommt nur noch synthetisches Öl infrage.

Zentral in jeder Anlage sind die eingesetzten Pumpen. Sie fördern das im Kessel erwärmte Medium zu den Verbrauchern. Die hohen Temperaturen des Mediums stellen dabei besondere Anforderungen an die Dichtungssysteme der Pumpen. „Aus meiner jahrelangen Erfahrung haben sich Allweiler-Pumpen hier bewährt“, so Hunold. Daher finden sich in den meisten Anlagen aus Bielefeld Wärmeträger-Kreiselpumpen des süddeutschen Herstellers.

Je nach erforderlichem Druck sind diese in den Druckstufen PN16, PN25 und insbesondere für den Einsatz mit Medien unter hohem Dampfdruck auf Anfrage auch bis PN40 erhältlich. Spezifische Werkstoffe wie Sphäroguss GGG 40.3 werden eingesetzt, wenn das Medium auf weniger als -10 °C gekühlt wird. Werden, wie etwa in PET-Anlagen, sehr hohe Förderleistungen benötigt, kommt die Allheat 1000 zum Einsatz. Diese Pumpe liefert bei einer maximalen Förderhöhe von 100 m bis zu 1450 m3/h.

Ähnlich wie bei der Entscheidung über das Medium muss der Betreiber eine weitere grundsätzliche Entscheidung treffen: Gleitringdichtung oder Magnetkupplung. Gleitringdichtungen weisen konstruktiv bedingt immer Verschleiß auf und müssen deshalb regelmäßig gewartet werden. Pumpen mit Magnetkupplung sind jedoch teurer in der Anschaffung und weisen gegenüber Gleitringdichtungspumpen einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad auf. Aus beiden Gründen falle die Entscheidung zu 80 % auf Pumpen mit Gleitringdichtungen, so Hunold.

Grundsätzlich stellen synthetische Wärmeträgeröle spezielle Anforderungen an die Pumpen. Verglichen mit mineralischen Ölen ist die Schmierfähigkeit dieser Öle geringer.

Noch vorhandene Leichtsieder belasten das System und die Pumpen zusätzlich. Sie führen zu geringerer Förderleistung. Dies erhöht die Heizflächenbelastung im Brenner, was zur schnelleren Zersetzung des Wärmeträgers und damit zu noch mehr Leichtsiedern führt. Spezielle konstruktive Lösungen müssen dies kompensieren. Ein großer Dichtungsraum und die Möglichkeit, Gase in der Pumpe zu sammeln und von dort aus leicht zu entfernen, sind für die Standzeit und die zuverlässige Funktion entscheidend.

Zusätzlich müssen Lager und Dichtung exakt aufeinander, auf die geringe Viskosität und die Anwendung insgesamt abgestimmt sein. Kohlenstofflager in Kombination mit nicht entlasteten Gleitringdichtungen und SiC-Lager zusammen mit entlasteten Dichtungen haben sich hier bewährt. Mit SiC-Lagern und entlasteten Dichtungen werden die Pumpen auch beständiger gegen Schlämme und andere Verschmutzungen im Öl.

Schließlich lässt sich die Standzeit der Dichtungen und die Leckagesicherheit mit Quenchvorlagen nochmals deutlich steigern. Mit einem Quench sinkt die Temperatur an den Gleitringdichtungen noch weiter und es ist ausgeschlossen, dass Leckageflüssigkeit beim Austritt aus der Dichtung oxidiert und die Funktion der Dichtung damit beeinträchtigt.

Darüber hinaus ermöglicht dieses Prinzip auch die Verwendung nicht­hermetischer Pumpen bei kritischeren Medien, da bei Verwendung eines unkritischen Quenchmediums eine starke Verdünnung des Fördermediums erreicht wird, die mit der Wirkung einer entsprechenden doppeltwirkenden Gleitringdichtung vergleichbar ist. Aus betriebswirtschaftlicher Sicht ergibt sich zu den hermetischen Pumpen der Vorteil, dass die Leistungsaufnahme geringer ist, da keine erhöhten Reibungs- und Wirbelstromverluste bei der Kraftübertragung entstehen

Darüber hinaus sind die Lager der Allheat- Pumpen konstruktiv spezifisch an die Anforderungen wenig schmierender, synthetischer Öle angepasst: In einer besonderen Lagergeometrie sind die Lager nicht eingepresst, sondern kippbeweglich angeordnet. Diese besondere Lagergeometrie erlaubt einen bis zu dreifachen Winkelversatz gegenüber herkömmlichen eingepressten Lagern. Dies vermeidet Punktbelastungen und verlängert damit die Lebensdauer. Eine größere Lagerfläche garantiert schließlich, dass der Schmierfilm immer zuverlässig aufgebaut wird und erhalten bleibt. Für alle Hochtemperaturanwendungen und speziell für Anlagen, in denen starke Heiß-Kalt-Unterschiede auftreten, sind doppeltkardanische Kupplungen angebracht. Diese fangen auch hohe mechanische Belastungen sicher ab.

Die Pumpen der Baureihe Allheat fördern sowohl niedrigviskose, synthetische Wärmeträgeröle bis +400 °C als auch Heißwasser bis +207 °C in identischer Materialausführung. Die Aggregate sind als flexibles Baukastensystem entwickelt. Je nach Anwendung sind Grundplatten-, Block- und Inlineversionen erhältlich.

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