Verbesserung der Pumpenleistung mit keramischen Spaltgehäusen
Eine der wichtigsten Variablen, die die Leistung und Lebensdauer einer Pumpe beeinflussen, ist die Abdichtung der Welle. Dichtungsringe oder Patronen sind gängige Lösungen, aber Magnetkupplungen können eine höhere Effizienz bieten. Hochleistungskeramik, insbesondere Zirkoniumoxid FZM, erweist sich in der Pumpenindustrie als nützliches Material für verbesserte Energieeffizienz, Korrosionsbeständigkeit und Leistung.
Bei magnetgetriebenen Pumpen gibt es keine mechanische Verbindung zwischen Pumpenrotor und Motor. Stattdessen wird der Antrieb durch rotierende Magnete übertragen. Zwischen den mit dem Motor verbundenen Außenmagneten und den mit dem Pumpenrotor verbundenen Innenmagneten werden Spalttöpfe verwendet. Diese Lösung kann eine leckagefreie Abdichtung bieten, was die Pumpensicherheit beim Pumpen von aggressiven Medien verbessert.
Ein zusätzlicher Sicherheitsaspekt ist das Material für den Spalttopf. Beim Betrieb erzeugen häufig verwendete Metalle Wärme, die durch magnetische Induktion ausgelöst wird. Diese zusätzliche Wärme ist beim Pumpen thermisch empfindlicher Stoffe nicht zulässig und führt bei Kühlmittelausfall zu einer schnellen Überhitzung der Pumpe. Zusätzliche Wärme kann auch zur Verdampfung des Fördermediums und zur Kavitation beitragen.
Anwendungen aus der realen Welt
In einer Fallstudie wurden mehrere Pumpen nach zwei Jahren Betrieb zur Revision ins Werk geschickt. Das gepumpte Medium war 110 °C (230 °F) heißes Öl mit einem Bleicherdegehalt von ungefähr 5 Prozent. Alle strömungsführenden Bauteile, interne Zirkulationskanäle und enge Spalten waren gespült bzw. ausgeschliffen. An der Keramikschale konnten jedoch keine Gebrauchsspuren festgestellt werden. Daher könnte es in die reparierte Pumpe wieder eingebaut werden.
In einem anderen Beispiel bei einem anderen Pumpenhersteller ließen defekte äußere Lager den äußeren Magneten am Spalttopf reiben. Bis auf eine etwa 0,4 Millimeter (mm) tiefe Schleifspur blieb der keramische Spalttopf unbeschädigt. Somit konnte die gesamte Pumpe eingespart werden und es mussten nur die Lager ausgetauscht werden. Bei dieser Anwendung stand die Schale unter einem Druck von fast 40 bar. Auch hier bot das Keramikmaterial mit seiner nichtmagnetischen Eigenschaft, seiner hohen Bruchzähigkeit und seiner hohen mechanischen Festigkeit Sicherheit und Leistung.
Energieeffizienz mit Keramik
Darüber hinaus ist der Abstand zwischen den beiden Magneten wichtig, um die Leistung aufrechtzuerhalten. Um diesen Spalt möglichst gering zu halten, wird die Wandstärke der Dose im zylindrischen Bereich auf ca. 2 bis 4 mm minimiert. FZM-Zirkonoxid kann aufgrund seines geringen Elastizitätsmoduls einer gewissen elastischen Verformung widerstehen, sodass auch bei Drücken bis 60 bar alle Spannungen aufgenommen werden können.
Anwendungen wie das Fördern von Ölen oder Schwefelsäure finden nicht bei Raumtemperatur statt. Oft werden Temperaturanforderungen gestellt, bei denen nur wenige Materialien verwendet werden können. FZM kann bei Temperaturen bis zu 450 C (842 F) ohne wesentliche Änderungen verwendet werden. Da sich alle Materialien bei diesen Temperaturen ausdehnen, können Spannungen entstehen. Ein Vorteil dieses keramischen Werkstoffs ist sein ähnlicher Wärmeausdehnungskoeffizient wie Gusseisen, der eine zuverlässige Verbindung mit Metall ermöglicht. Die Keramikschale dehnt sich zusammen mit dem Metall aus und größere Spannungsunterschiede werden vermieden.
Die chemische Industrie handelt nicht nur mit flüssigen, sondern auch mit festen und gasförmigen Stoffen, die sowohl explosiv als auch brennbar sein können. Um dieses Einsatzgebiet zu beherrschen, muss die Ableitung elektrischer Ladungen gewährleistet sein. Gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig wurden umfangreiche Messungen zur Bestimmung des elektrischen Ableitvermögens nach IEC 60093 und IEC 60167 durchgeführt. Mit Hilfe einer zusätzlichen Außenbeschichtung wurden der Oberflächenwiderstand und der Erdableitstrom ermittelt Widerstand (RA < 106 Ω) lagen deutlich unter den Grenzwerten. Damit kann ein modifizierter keramischer Spalttopf in Kontakt mit allen brennbaren Medien und in jeder explosionsfähigen Atmosphäre eingesetzt werden.
Seit 1987 werden Keramikschalen in Pumpen eines der zuvor genannten Hersteller verbaut. Die Keramikschalen wurden ursprünglich mit einer Wandstärke von 3,5 mm ausgelegt, was den magnetischen Abstand gegenüber dem Standarddesign erheblich verbessert und eine um 30 Prozent geringere Sendeleistung ermöglicht. Mit Hilfe einer numerischen Spannungsanalyse an verschiedenen Konstruktionsvarianten unter gegebenen Belastungs- und Randbedingungen wurden die idealen Dimensionen ermittelt. Die Wandstärke des zylindrischen Teils des Spalttopfes hält zwar der maximalen Druckbelastung stand, ist aber nicht entscheidend. Viel wichtiger sind die Gestaltungen der Übergänge zu den konvexen und flanschartigen Enden. Dadurch konnte die Wandstärke auf 1,9 mm reduziert werden, bei gleicher Druckfestigkeit und vollständiger Austauschbarkeit.