Neuartiger Antrieb für leckagefreie Kreiselpumpen

Mit der Vorstellung der Pumpe Taifun, einer Chemie-Normpumpe aus Kunststoff mit dauermagneterregtem Synchronmotor, ist dem Hersteller die Kombination der Vorteile von Magnet- und Spaltrohrpumpe...

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Mit der Vorstellung der Pumpe Taifun, einer Chemie-Normpumpe aus Kunststoff mit dauermagneterregtem Synchronmotor, ist dem Hersteller die Kombination der Vorteile von Magnet- und Spaltrohrpumpe gelungen. Das neue Aggregat weist somit hervorragende chemische Beständigkeit und hohe Sicherheit auf. Weil für das neue Antriebskonzept ein Frequenzumrichter notwendig ist, steht über die Drehzahlregelung stets das gesamte Kennfeld zur Verfügung.Leckagefreie Kreiselpumpen haben für die chemische Industrie eine überragende Bedeutung gewonnen. Bisher erschöpften sich die integrierten Antriebssysteme solcher Pumpen allerdings auf den asynchronen Spaltrohrmotor und die permanent-magnetische Kupplung. Ein neuartiger Antrieb überrascht nun selbst Experten. Die Vereinigung der bisherigen Konzepte führte zu einem synchronen Spaltrohrmotor, der größere radiale Spaltmaße ohne Wirkungsgradverluste überbrückt. Die nicht-metallische Kreiselpumpe Taifun der Wernert-Pumpen GmbH, Mülheim an der Ruhr, ist die weltweit erste Kreiselpumpe, die diese Technik konsequent umsetzt.Die Rotoren (einschließlich Laufrad) leckagefreier Kreiselpumpen werden im zu fördernden Medium gelagert und durch eine feste hermetische Wandung von der Umwelt getrennt. Der innere Rotor wird dann in jedem Fall durch die Wandung hindurch mit magnetischer Kraft angetrieben. In der Art und Weise, wie diese magnetischen Kräfte erzeugt und übertragen werden, unterscheiden sich die beiden Antriebskonzepte für solche Pumpen nach heutigem technischen Stand wie folgt:Bild 1 zeigt schematisch den Antriebsstrang der Magnetkupplungspumpe. Charakteristisch ist der hohe Aufwand, mit dem die Energie zum Laufrad transportiert wird. Zunächst wandelt ein asynchroner E-Motor die elektrische Energie in mechanische um. Über insgesamt vier Kugellager wird diese dann auf den äußeren, permanent-magnetischen Treiber übertragen. Bei der Übertragung des Drehmomentes auf den inneren Rotor (ebenfalls permanent-magnetisch) durch den zumeist metallischen Spalttopf entstehen Wirbelstromverluste. Es bedarf noch weiterer zweier Gleitlager, bis die Energie am Ziel angelangt ist, am Laufrad der Pumpe.Bild 2 gibt das Schema einer asynchronen Spaltrohrmotorpumpe wieder. Hier wird der gesamte elektrische Rotor in der zu fördernden Flüssigkeit gelagert und wiederum durch äußere Spulengruppen angetrieben. Dies führt zu einer sehr kompakten Bauweise mit minimalem mechanischen und elektrischen Aufwand. Es entstehen allerdings nicht unerhebliche Wirbelstromverluste in Spaltrohr und Rotor.Magnetgekuppeltr Antrieb mit Spaltrohrmotor kombiniertIm Bereich der nicht-metallischen (oder auch Kunststoff-) Pumpen, die in der chemischen Industrie überragende Bedeutung haben, war bisher nur die sicherheitstechnisch unterlegene magnetgekuppelte Pumpe bekannt. Sie erlaubt aufgrund der synchronen Energieübertragung das Überbrücken von radialen Spalten von einigen Millimetern, die im nicht-metallischen Bereich erforderlich sind. Allerdings wird beim Bruch des Spalttopfes die zu fördernde Flüssigkeit in die Umgebung freigesetzt, was ein nicht unerhebliches Sicherheitsrisiko birgt. So lag immer schon der Gedanke nahe, eine Spaltrohrmotorpumpe mit universell chemisch beständiger Kunststoffauskleidung zu entwickeln. Dies ist jedoch unmöglich, weil - neben anderen Gründen - die im Asynchronbetrieb durch Wirbelströme erzeugte hohe Wärmeleistung über Kunststoffbeschichtungen nicht abgeführt werden könnte. Eine solche Pumpe würde in kürzester Zeit innerlich verschmoren. Damit wollte sich eine junge Generation von Entwicklungsingenieuren bei Wernert-Pumpen nicht abfinden. Irgendwann kam ihnen die zündende Idee: Der äußere Magnettreiber einer Magnetkupplungspumpe wird entfernt und durch eine geeignete Spulenanordnung ersetzt. Es entsteht ein in die Pumpe integrierter Synchronmotor mit dauermagnetischer Erregung, der keinerlei innere Wirbelströme und damit Wärmequellen erzeugt - ideal für Kunststoffpumpen. Weil eine solche Pumpe keinen Wellendurchtritt aufweist, kann sie mit einer zusätzlichen, vollständig geschlossenen Metallhaut umgeben werden. Die zweifache hermetische Dichtheit wird möglich. Bild 3 zeigt eine solche Pumpe schematisch. Die Anordnung der Magnete und der Spulengruppen gibt Bild 4 wieder. Prinzipiell muß das elektromagnetische System mit Wechselströmen weit über der Netzfrequenz von 50 Hz versorgt werden, ein Betrieb am Frequenzumrichter ist also erforderlich.PFA-Auskleidung schützt vor KorrosionNach der erfolgreichen Erprobung eines Prototyps wurde das marktreife Produkt einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt, die Taifun 32-200, eine Hochsicherheits-Chemienormpumpe nach ISO 2858/DIN EN 22858. Die Gehäuseteile sind durch eine besonders diffusionsdichte PFA-Auskleidung gegen Korrosion geschützt. Auch die übrigen mediumsberührten Teile und alle Dichtungen sind aus chemisch universell beständigen Werkstoffen gefertigt, wie etwa die mehrere Millimeter dicken Spaltrohre aus Siliziumcarbid. Nach Angaben des Herstellers ist die Pumpe vollkommen gasdicht und überstand erfolgreich einen mehrtägigen Helium-Leckage-Test. Damit eignet sie sich insbesondere auch zur Förderung toxischer Medien. Die Taifun 32-200 wird an die jeweilige Förderaufgabe im Bereich 3 bis 36 m3/h und bis 80 m Förderhöhe über die Einstellung der Drehzahl am Frequenzumrichter angepasst. Wenn dabei Drehzahlen von bis zu 5000 min-1 erreicht werden, macht die Taifun ihrem Namen alle Ehre. Das nur 140 mm durchmessende Laufrad aus massivem PTFE weist besonders strömungsgünstige, dreidimensionale Schaufelprofile auf und führt die Pumpe auf ein beachtliches Wirkungsgrad-Niveau. Das Interesse an der neuartigen Pumpe ist riesengroß - mit solch einer Innovation in der Antriebstechnik hatte niemand in der Branche gerechnet. Sie bietet alles: universelle chemische Beständigkeit, höchste Sicherheit - und über Drehzahlregelung ist stets das gesamte Kennfeld verfügbar. Für Mitte 2001 strebt der Pumpenhersteller die PTB-Zulassung an. Ein weiterer Meilenstein bei der Markteinführung wäre damit erreicht und führte die Taifun direkt in die Großchemie, die auf diese Zulassung drängt. Die Taifun wird zukünftig in weiteren Baugrößen angeboten. Dem Angaben des Unternehmens zufolge soll dabei ein abgestimmtes hydraulisches Pumpensystems entstehen, das alle Notwendigkeiten eines modernen Werkstandards bietet:- Wenige Baugrößen in kompakter Bauweise ohne Varianten und mit festem Laufraddurchmesser.- Chemisch universell einsetzbar für korrosive und/oder toxische Flüssigkeiten bis 150 °C.- Lokale Förderdaten werden über die energetisch günstige Drehzahlregelung angepasst.- Wirksamer Pumpenschutz durch komfortable Umrichter.- Ex-Schutz des Antriebes (PTB-Antrag in Vorbereitung). Der Pumpenhersteller gibt sich optimistisch: Die Taifun kann für die chemische Industrie - bei Bewährung in der Praxis - die Kreiselpumpe der Zukunft werden. Durch ihre hochkorrosionsgeschützte Bauweise und chemische Beständigkeit vereint die neue Pumpe alle Vorteile der Magnetkupplungspumpe und der Spaltrohrmotorpumpe in sich und vermeidet zugleich deren jeweilige Nachteile. Für eines hat die Taifun bereits jetzt gesorgt: Für frischen Wind in der Pumpenbranche. Ob sich das neue leckagefreie Aggregat gegen die etablierte Technik durchesetzen kann, muss sich in absehbarer Zukunft zeigen.