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Kleine Unterschiede mit grosser Wirkung – Auf was man beim Kauf

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Kleine Unterschiede mit grosser Wirkung – Auf was man beim Kauf von
kunststoffausgekleideten Magnetkupplungspumpen achten sollte
Von Thomas Würsch
Einleitung
Kunststoffausgekleidete Magnetkupplungspumpen werden in der pharmazeutischen und
chemischen Industrie zunehmend eingesetzt. Die Eigenschaften von Magnetkupplungspumpen
ermöglichen es heute, auf Gleitringdichtungen zu verzichten und herkömmliche Gleitringdichtungspumpen zunehmend aus ihren traditionellen Einsatzgebieten zu verdrängen.
Selbst hohe Temperaturen von bis zu 200 °C, Vakuumfestigkeit sowie Feststoffe stellen keine
Hinderungsgründe mehr dar für ausgekleidete Magnetkupplungspumpen. Verbesserte
Konstruktionen und Herstellprozesse erlauben grössere Pumpen, und bei ausgekleideten
Magnetkupplungspumpen können Fördermengen von mehr als 400 m3/h und Förderhöhen von
über 85 m problemlos bewältigt werden.
Die Spreu vom Weizen trennen
Es lohnt sich, bei kunststoffausgekleideten Magnetkupplungspumpen einen Blick auf die konstruktiven Details zu werfen, denn nicht alle Pumpen genügen anspruchsvollsten Anforderungen.
Vor allem beim Fördern von
gefährlichen Stoffen (HCl, H2SO4,
HNO3) und bei schwierigen
Anwendungen (extreme Temperaturen und/oder Drücke, Feststoffe)
lohnt es sich, das Produkt,
welchem man sein Vertrauen
schenken möchte, genauestens
unter die Lupe zu nehmen.
Auf der Suche nach besten
Lösungen sind sich Anwender der
Wichtigkeit höchster Zuverlässigkeit bei Pumpen bewusst. Sie
meiden bewusst den Bereich der
ausgekleideten technisch einfacheren Pumpen, um exakt die
Robustheit zu finden, welche ihnen
als Investitionssicherung dient und
einen langjährigen Einsatz der
Pumpen garantiert. Geht es um
höchste Qualität, trennt sich die
Spreu vom Weizen. In einer
solchen Situation gilt es für den
Beschaffer, die Eigenschaften der
verschiedenen Pumpen möglichst
genau gegeneinander abzuwägen.
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Abbildung 1
Die MKPL (MagnetKupplungsPumpe „Lined“) ist eine korrosionsfeste,
hermetisch dichte Pumpe mit Metallpanzer aus EN-GJS-400-18 (GGG 40.3)
und massiver PFA-Auskleidung.
Ein Nenndruck von PN 16 sowie eine Vakuumfestigkeit, auch bei hohen
Temperaturen bis 200 °C, erlauben ein breites Anwendungsspektrum.
Die 7 wichtigsten Entscheidungskriterien
1) „Laufrad ist nicht gleich Laufrad.“
Zentrifugalpumpenlaufräder
können offen oder geschlossen ausgeführt
werden.
Geschlossene
Laufräder
ermöglichen
meist
höhere Wirkungsgrade als offene,
was zu geringeren Stromkosten
führt und die CO2-Belastung
reduziert.
Offene
Laufräder
hingegen sind oft besser für
feststoffbeladene
Flüssigkeiten
geeignet und weisen in der Regel
auch niedrigere NPSH-Werte auf.
Nicht bei allen Fabrikaten ist die
Auswahl zwischen geschlossenen
und offenen Laufrädern möglich.
Und hat man sich einmal für einen
Laufradtyp
in
einer
Pumpe
entschieden, verliert man als
Anwender bei manchen Fabrikaten
die Möglichkeit, zukünftig bei
gleicher Pumpe einen anderen Abbildung 2
Laufradtyp einzubauen. Vergleicht Laufrad MKPL 150-125-315. Dargestellt ist das offene Laufrad mit
Schnitt durch die Mitte der Spirale. Die statische Druckman die Wirkungsgrade, so zeigt senkrechtem
verteilung in der Spirale wird angezeigt. Der Druck ist in [Pa] angegeben.
sich,
dass
Hydrauliken
mit
optimierten Stirnspielen auch bei offenen Laufrädern hohe Wirkungsgrade erreichen. Das
Verwenden von Zwischenschaufeln auf den Laufrädern verbessert die Leistung und den
Wirkungsgrad zusätzlich. Hierdurch verringern sich die Lebenszykluskosten der Pumpen auf ein
Minimum, während gleichzeitig die Umwelt weniger beansprucht wird.
2) „Lagerung ist nicht gleich Lagerung.“ Da eine Magnetkupplungspumpe hermetisch dicht nach
aussen abgeschlossen ist, entfällt die Wellendurchführung der herkömmlichen, im Lagerstuhl
gelagerten Antriebswelle in den Hydraulikraum. Damit wird diese Antriebswelle auch nicht mehr
als Lagerung für das Pumpenlaufrad verwendet. Stattdessen drehen sich die Laufräder von
Magnetkupplungspumpen in Lagern, die direkt vom zu pumpenden Medium geschmiert werden.
Die Lagerung stellt in gewisser Weise die Achillesferse aller hermetisch dichten Pumpen dar, ist
sie doch darauf angewiesen, immer vom Medium geschmiert und gekühlt zu werden. Der sogenannte „Trockenlauf“ stellt somit die grösste Gefahr für hermetisch dichte Pumpen dar, ein Fehlen
des Fluids oder ein Verstopfen der Schmierkanäle führt meistens schnell zu Lagerschäden. Hier
wird teilweise mit Kohle-Gleitlagern gearbeitet, die zwar unempfindlicher gegen Trockenlauf sind,
auf Grund der geringen Härte der Kohle jedoch auch schneller verschleissen können. Besser
geeignet und in hochwertigen kunststoffausgekleideten Pumpen heute Standard sind Gleitlager
aus gesintertem Siliziumcarbid (SSiC). Reibungsverringernde Oberflächenbeschichtungen, wie
beispielsweise die neuentwickelte FuturaSafe®, können auch hier dazu beitragen, Schäden durch
Trockenlauf zu verringern. Auch konstruktiv können Pumpenhersteller einiges tun, um die
Robustheit und Lebensdauer einer Lagerung zu erhöhen. Meist gilt: Je grösser eine Lagerung,
umso robuster ist sie. In grossen Lagerungen haben auch grosse Schmierkanäle Platz, die nicht
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so leicht verstopfen. Eine massive, einteilige Konstruktion erhöht gerade bei kunststoffausgekleideten Pumpen die Laufpräzision gegenüber zwei- oder mehrteiligen Lagerkonstruktionen. Dies
ist besonders wichtig beim Einsatz der Pumpen bei höheren Temperaturen. Ausserdem entfällt
bei einteiligen, zentral angeordneten Lagerungen das hintere, schwer zu schmierende Lager im
Spalttopf. Eine weitere Schwachstelle stellt häufig die Verdrehsicherung der Lager dar.
Keramikgerechte Konstruktionen verzichten auf bruchanfällige Mitnehmerstifte und setzen
stattdessen formschlüssige und selbstzentrierende Polygon-Verdrehsicherungen an Axialscheiben
und Gleitlagern ein. Gleichmässige und
grosse Wandstärken der SSiC-Lagerteile
ermöglichen eine gute Wärmeverteilung
innerhalb der Lagerung, was die Bruchanfälligkeit deutlich reduziert.
3) „Kunststoff ist nicht gleich Kunststoff.“
Chemische Beständigkeit, Einsatztemperatur, Diffusionsfestigkeit und Lebensdauer sind die Kriterien, nach denen die
verwendeten Werkstoffe zu beurteilen
sind. Nicht alle Kunststoffe erfüllen diese
Kriterien im gleichen Ausmass. In der
Regel weist Perfluoralkoxy (PFA) bei allen
Kriterien die besten Eigenschaften auf.
PFA ist ein fluorhaltiger Kunststoff. Durch
die Eigenschaften des im Molekül
eingebauten Edelgas-Atoms Fluor ist PFA
beständig gegen nahezu alle Chemikalien
3
und hat eine sehr hohe Temperatur- Abbildung
Dargestellt ist die Läufereinheit der MKPL-Pumpe. Im Schnitt ist
festigkeit. Reines PFA ist frei von die SSiC-Lagerung gut sichtbar.
Zusatzstoffen, zeigt ein neutrales Verhalten gegenüber der Umwelt und ist zugelassen für den Kontakt mit Lebensmitteln.
4) „Auskleidung ist nicht gleich Auskleidung.“ Bei kunststoffausgekleideten Pumpen dient die
Auskleidung als Oberflächenschutz gegen aggressive Medien. Die mechanische Festigkeit der
Pumpen wird durch das äussere metallische Pumpengehäuse gewährleistet. Idealerweise sind
Auskleidung und Metallpanzerung fest miteinander verbunden, um beste Stützung und
Vakuumfestigkeit der Auskleidung zu erreichen. Da hochwertige Fluorkunststoffe mit dem
Metallgehäuse keine Verbindung eingehen, müssen sie deshalb mechanisch „formschlüssig“ mit
ihrem Stützmantel verbunden werden. Spezielle Verankerungen sind zwar teurer in der
Herstellung, eignen sich jedoch am besten, um das Herausreissen des Kunststoffes aus dem
Gehäuse zu verhindern. Neben einer möglichst hohen Anzahl von Verankerungen entscheidet
auch ihre belastungsangepasste Verteilung über die Qualität und Lebensdauer der Auskleidung
und der Pumpe.
Massgeblich für die Güte einer Kunststoffauskleidung ist ihre Dicke. Je dicker eine Auskleidung,
umso widerstandsfähiger ist sie gegen Verschleiss und Mediumsdiffusion. Mit zunehmender Dicke
wächst jedoch auch die Neigung des Kunststoffes, unter mechanischer Belastung
„wegzufliessen“. Bei besonders robusten Pumpen ist die Auskleidungswandstärke deshalb an die
örtlich auftretenden Belastungen angepasst, um eine optimale Wandstärkenverteilung zu
erreichen. Mindestwandstärken von 3 – 5 mm gewährleisten die notwendige Diffusions- und
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Verschleissfestigkeit. Besondere Auskleidungswerkstoffe mit speziellen Diffusionseigenschaften
sind dann nicht mehr erforderlich.
5) „Spalttopf ist nicht gleich Spalttopf.“ Dem Spalttopf einer magnetgekuppelten Pumpe gebührt
besondere Aufmerksamkeit. Er trennt den aussen liegenden, trockenen Teil der Magnetkupplung
vom innen liegenden, mediumsberührten Teil ab und sorgt damit für einen der grössten Vorteile
der magnetgekuppelten Pumpen gegenüber Gleitringdichtungspumpen: der hermetischen
Dichtheit. Um ein möglichst hohes Übertragungsdrehmoment der Magnetkupplung zu erreichen,
sollten die beiden Kupplungshälften möglichst dicht beieinander angeordnet sein. Dies bedeutet
für den (drucktragenden) Spalttopf, dass er höchste Festigkeit mit möglichst dünner Wandstärke
verbinden muss. Bei kunststoffausgekleideten Pumpen ist meist auch der Spalttopf ausgekleidet.
Um keine energieverbrauchenden Wirbelströme zu erzeugen, ist die Panzerung des Spalttopfes in
der Regel jedoch nicht aus Metall. Oft wird hier ein faserverstärkter Verbundwerkstoff eingesetzt.
Für die Auskleidung des Spalttopfes gelten die gleichen Kriterien wie für die übrige Auskleidung:
Dicke und Verankerung mit der Panzerung entscheiden über Diffusionsresistenz,
Vakuumfestigkeit und Lebensdauer. Besonders robuste Pumpen weisen einen einteilig
hergestellten Verbundspalttopf auf, bei dem Auskleidung und Panzerung vollständig miteinander
verbunden sind und dadurch höchste mechanische Stabilität bieten. Als Auskleidungswerkstoff für
besonders diffusionsfeste Spalttöpfe kommt TFM™ PTFE zum Einsatz, das eine deutlich
geringere Diffusionsrate als herkömmliches PTFE aufweist.
6) „Spalttopf-Überwachung ist nicht gleich Spalttopf-Überwachung.“ Spalttöpfe von hochwertigen
Magnetkupplungspumpen können bei kritischen Anwendungen einteilig doppelwandig ausgeführt
und im Zwischenraum auf Leckage überwacht werden. Eine besonders effektive Methode ist die
Überwachung des Drucks im Zwischenraum. Die Beschädigung einer Schale des Spalttopfes führt
zu einer Druckänderung und kann so mittels Drucksensor frühzeitig erkannt werden. Die bei
diesen Spalttöpfen verwendete zweite Schale wirkt als Reserve-Spalttopf.
7) „Pumpenwelle ist nicht gleich Pumpenwelle.“ Häufig wird in kunststoffausgekleideten Pumpen
auch eine kunststoffbeschichtete Pumpenwelle eingesetzt, um das Drehmoment von der inneren
Magnetkupplungshälfte zum Laufrad zu übertragen. Werden Laufrad und Magnetrotor einfach nur
auf diese Pumpenwelle aufgeschraubt, kann sich das Laufrad bei der Drehrichtungskontrolle oder
beim Betreiben der Pumpe mit falscher Drehrichtung von der Welle abschrauben und das
Gehäuse beschädigen. Eine häufige Empfehlung, diese Schraubverbindung mit einem
Schraubensicherungsmittel zu sichern, kann bei höheren Temperaturen nicht überzeugen und
erschwert zumindest die Demontage im Wartungsfall. Besonders durchdachte Lösungen
verwenden polygonartige, formschlüssige Verbindungen und verzichten auf kritische Mitnehmerstifte oder dergleichen.
Zusammenfassung
Die Wirtschaftlichkeit einer Investition rechnet sich selten durch den Anschaffungspreis alleine.
Aussagekräftiger sind die gesamten Lebenszykluskosten, welche ein Produkt verursacht. Bei
kunststoffausgekleideten Magnetkupplungspumpen machen die Anschaffungskosten meistens
weniger als 10 % der Lebenszykluskosten aus.
Den grössten Teil der Lebenszykluskosten machen die anfallenden Energiekosten aus. Ein
geschlossenes Laufrad mit optimiertem Wirkungsgrad ermöglicht meistens eine geringere
Motorendimensionierung und damit eine Minimierung der Energiekosten.
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Die verbleibenden Kosten sind Unterhalts- und Ersatzteilkosten. Hier gilt es der Lagerung die
grösste Aufmerksamkeit zu schenken, denn die meisten Pumpenschäden sind Lagerschäden. Die
Robustheit der Lagerung wird durch ihre Materialselektion sowie ihre konstruktiven Eigenschaften
optimiert: Je grösser und robuster die Lagerung, umso länger ist ihre Lebensdauer. Doch auch
eine Auswahl des richtigen Kunststoffs, eine optimierte Verankerung der Auskleidung sowie eine
hochwertige Konstruktion des Spalttopfs helfen mit, die Lebensdauer der Pumpe zu verlängern.
Und sollte das Risiko einer Spalttopf-Leckage noch weiter minimiert werden müssen, eignen sich
technisch optimierte Spalttopfüberwachungssysteme. Zu guter Letzt kann auch bei der kunststoffbeschichteten Pumpenwelle gespart werden, denn: „Die beste Pumpenwelle ist keine
Pumpenwelle!“
Der Autor ist CEO der CP Pumpen AG, Zofingen/Schweiz.
CP Pumpen AG
Im Brühl
CH-4800 Zofingen
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Telefon
Fax
+41(0) 62 746 85 85
+41(0) 62 746 85 86
E-Mail: info@cp-pumps.com
www.cp-pumps.com
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