DE102014205300A1 - Mechanical seal assembly with graphene-containing lubricant - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung, umfassend einen rotierenden Gleitring (2) und einen stationären Gleitring (3), welche zwischen sich einen Dichtspalt (4) definieren, wobei im Dichtspalt (4) ein flüssiges Medium (9) angeordnet ist und wobei das flüssige Medium ein graphenhaltiges Material (10) umfasst.The invention relates to a mechanical seal assembly comprising a rotating seal ring (2) and a stationary seal ring (3) defining between them a sealing gap (4), wherein in the sealing gap (4) a liquid medium (9) is arranged and wherein the liquid medium a graphene-containing material (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung, bei der ein graphenhaltiges Material umfassendes Schmiermedium im Dichtspalt angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gleitringdichtungsanordnung sowie die Verwendung eines graphenhaltigen Materials als Schmiermedium einer Gleitringdichtungsanordnung.The present invention relates to a mechanical seal arrangement in which a lubricating medium comprising graphene-containing material is arranged in the sealing gap. Furthermore, the invention relates to a method for operating a mechanical seal assembly and the use of a graphene-containing material as the lubricant of a mechanical seal assembly.

Bei flüssigkeitsgeschmierten Gleitringdichtungsanordnungen ist ein flüssiges Schmiermedium im Dichtspalt zwischen dem rotierenden und dem stationären Gleitring angeordnet. Der Schmierfilm im Dichtspalt sichert dabei die Funktionsfähigkeit der Gleitringdichtungsanordnung. Grundsätzlich kann der Schmierfilm vom abzudichtenden Medium oder einem Fremdmedium (Sperrmedium) aufgebaut werden. Als Sperrmedium werden häufig Öle oder vollentsalztes Wasser verwendet. Hauptziel des Schmierfilms zwischen den Gleitflächen der Gleitringe ist dabei, möglichst die Reibung zu reduzieren. Hierbei besteht ein ständiges Bestreben in der Industrie, die Reibung im Dichtspalt so gering wie möglich zu halten.In fluid-lubricated mechanical seal assemblies, a liquid lubricant is disposed in the sealing gap between the rotating and stationary seal rings. The lubricating film in the sealing gap ensures the functionality of the mechanical seal assembly. In principle, the lubricating film can be built up from the medium to be sealed or a foreign medium (blocking medium). As a barrier medium oils or deionized water are often used. The main aim of the lubricating film between the sliding surfaces of the slip rings is to reduce the friction as possible. There is a constant effort in the industry to keep the friction in the sealing gap as low as possible.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Gleitringdichtungsanordnung bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit einen möglichst kleinen Reibungskoeffizienten in einem Dichtspalt zwischen Gleitflächen von Gleitringen bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide a mechanical seal assembly and method for operating a mechanical seal assembly which, with a simple structure and simple, inexpensive manufacturability, provides the smallest possible coefficient of friction in a sealing gap between sliding surfaces of slip rings.

Diese Aufgabe wird durch eine Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Die Unteransprüche zeigen jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved by a mechanical seal assembly having the features of claim 1 and a method having the features of claim 9 and a use having the features of claim 11. The dependent claims each show preferred developments of the invention.

Die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass ein Reibungskoeffizient im Dichtspalt zwischen Gleitflächen von Gleitringen weiter reduziert werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass im Dichtspalt ein flüssiges Medium angeordnet ist, welches ein graphenhaltiges Material umfasst. Mit anderen Worten ist im Dichtspalt eine Graphensuspension angeordnet, wodurch ein Reibungskoeffizient im Vergleich mit einem gleichen flüssigen Medium ohne graphenhaltiges Material signifikant reduziert werden kann. Erfindungsgemäß wurde nun überraschenderweise gefunden, dass die Verwendung von graphenhaltigem Material mit einem flüssigen Medium ein hervorragendes Schmiermittel für eine Gleitringdichtungsanordnung bereitstellt. Dies ist um so erstaunlicher, da üblicherweise Feststoffe im Schmiermittel den Reibungskoeffizienten erhöhen. Die Verwendung eines graphenhaltigen Schmiermittels verbessert zudem die Trockenlaufeigenschaft der Gleitringdichtungsanordnung, wenn beispielsweise eine Schmiermittelzufuhr unterbrochen ist. Ein weiterer überraschender Vorteil beim Betrieb der Gleitringdichtungsanordnung mit einem flüssigen Medium mit graphenhaltigem Material ergibt sich im Bereich der Mischreibung. Die Mischreibung liegt zwischen der reinen Festkörperreibung, bei welcher sich die Gleitflächen berühren, und der reinen Flüssigkeitsreibung, bei welcher sich die Gleitflächen nicht mehr berühren. Bei der Mischreibung berühren sich die Gleitflächen punktuell, wobei ein Schmiermedium zwischen den Gleitflächen vorhanden ist. Die Mischreibung ist bei Gleitringdichtungsanordnungen deshalb von grosser Bedeutung, da dabei eine Leckage über den Dichtspalt minimiert ist. Bei reiner Flüssigkeitsreibung wird der Spalt zwischen den Gleitringen so gross, dass eine erhöhte Leckage vorhanden ist. Bei zu hohem Festkörperreibungsanteil ergibt sich ein hoher Verschleiß an den Gleitflächen. Daher ergeben sich bei Gleitringdichtungsanordnungen viele Anwendungsfälle, in welchen die Gleitringdichtungsanordnung bevorzugt im Bereich der Mischreibung betrieben wird. Weiterhin ergibt sich erfindungsgemäß durch die Verwendung des graphenhaltigen Materials im Schmiermittel zwischen den Gleitflächen auch keinerlei negativer Effekt bei der Flüssigkeitsreibung.The mechanical seal assembly according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that a coefficient of friction in the sealing gap between sliding surfaces of slip rings can be further reduced. This is inventively achieved in that in the sealing gap, a liquid medium is arranged, which comprises a graphene-containing material. In other words, a graphous suspension is arranged in the sealing gap, whereby a friction coefficient can be significantly reduced in comparison with a same liquid medium without graphene-containing material. It has now surprisingly been found, according to the invention, that the use of graphene-containing material with a liquid medium provides an excellent lubricant for a mechanical seal assembly. This is all the more surprising, since usually solids in the lubricant increase the coefficient of friction. In addition, the use of a graphene-containing lubricant improves the dry-running property of the mechanical seal assembly when, for example, lubricant supply is interrupted. Another surprising advantage in the operation of the mechanical seal assembly with a liquid medium with graphene-containing material results in the field of mixed friction. The mixed friction lies between the pure solid friction, in which the sliding surfaces touch, and the pure liquid friction, in which the sliding surfaces no longer touch. In mixed friction, the sliding surfaces touch at points, with a lubricant between the sliding surfaces is present. The mixed friction is therefore of great importance in the case of mechanical seal assemblies, since leakage through the sealing gap is minimized. With pure liquid friction, the gap between the slip rings becomes so large that increased leakage is present. Excessive solids friction results in high wear on the sliding surfaces. Therefore, in mechanical seals many applications arise in which the mechanical seal assembly is preferably operated in the field of mixed friction. Furthermore, according to the invention, the use of the graphene-containing material in the lubricant between the sliding surfaces also does not result in any negative effect on fluid friction.

Das graphenhaltige Material ist vorzugsweise Graphen in Form von reinem Graphen und/oder Graphenoxid und/oder technisch reduziertes Graphenoxid (TRGO) und/oder funktionales Graphen (Graphen mit angehängten weiteren Molekülen oder weiteren angehängten Atomen).The graphene-containing material is preferably graphene in the form of pure graphene and / or graphene oxide and / or technically reduced graphene oxide (TRGO) and / or functional graphene (graphene with attached further molecules or other attached atoms).

Eine besonders gute Reduzierung der Reibung im Dichtspalt wird erreicht, wenn das graphenhaltige Material eine flächige Anordnung aufweist und nicht z. B. zu einem einlagigen Nanoröhrchen gerollt ist. Die flächige Struktur des graphenhaltigen Materials kann sich im Betrieb im Dichtspalt hervorragend parallel zu den Gleitflächen anordnen, so dass eine Reibung im Dichtspalt weiter reduziert wird.A particularly good reduction of the friction in the sealing gap is achieved when the graphene-containing material has a planar arrangement and not z. B. rolled into a single-layer nanotube. During operation, the planar structure of the graphene-containing material can be arranged excellently parallel to the sliding surfaces, so that friction in the sealing gap is further reduced.

Besonders bevorzugt ist ein Anteil des graphenhaltigen Materials im flüssigen Medium in einem Bereich von 0,05 bis 0,6 Gew.-%, und insbesondere 0,1 Gew.-%. Sinkt der Anteil des graphenhaltigen Materials unter 0,05 Gew.-%, ist der erfindungsgemäße Vorteil einer Reduzierung der Reibung im Dichtspalt nicht mehr gegeben. Liegt der Anteil des graphenhaltigen Materials über 0,6 Gew.-%, verschlechtert sich der Reibkoeffizient wieder. Ist der Anteil des graphenhaltigen Materials im Schmiermedium zu groß, wird ein hochviskoses Schmiermedium erhalten, welches die Reibung im Dichtspalt erhöht.Particularly preferred is a proportion of the graphene-containing material in the liquid medium in a range of 0.05 to 0.6 wt .-%, and in particular 0.1 wt .-%. If the proportion of graphene-containing material drops below 0.05% by weight, the advantage according to the invention of reducing the friction in the sealing gap is no longer present. If the proportion of the graphene-containing material is more than 0.6% by weight, the coefficient of friction deteriorates again. If the proportion of the graphene-containing material in the lubricating medium is too great, a highly viscous lubricating medium is obtained which increases the friction in the sealing gap.

Das flüssige Medium im Dichtspalt, welches das graphenhaltige Material umfasst, ist vorzugsweise Wasser. Hierbei werden sehr niedrige Reibungskoeffizienten im Bereich von 0,02 erreicht. Besonders bevorzugt ist das flüssige Medium im Dichtspalt Reinstwasser. Reinstwasser ist ein speziell gereinigtes Wasser, welches keine Fremdstoffe enthält. Reinstwasser weist dabei eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 1,1 μS/cm bei 20°C auf. Reinstwasser wird beispielsweise auch in Kraftwerken verwendet. Alternativ ist das flüssige Medium Öl. The liquid medium in the sealing gap, which comprises the graphene-containing material, is preferably water. Here, very low friction coefficients in the range of 0.02 are achieved. Particularly preferably, the liquid medium in the sealing gap ultrapure water. Ultrapure water is a specially purified water that contains no foreign substances. Ultrapure water has an electrical conductivity of less than or equal to 1.1 μS / cm at 20 ° C. Ultrapure water is also used in power plants, for example. Alternatively, the liquid medium is oil.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens einer der Gleitringe, vorzugsweise beide Gleitringe, eine Diamantbeschichtung. In Verbindung mit diamantbeschichteten Gleitflächen werden besonders niedrige Reibungskoeffizienten erreicht. Ferner wird durch die Verwendung der diamantbeschichteten Gleitflächen auch eine Trockenlaufeigenschaft der Gleitringdichtungsanordnung weiter verbessert.According to another preferred embodiment of the present invention, at least one of the slip rings, preferably both slip rings, comprises a diamond coating. In conjunction with diamond-coated sliding surfaces, particularly low friction coefficients are achieved. Further, by the use of the diamond-coated sliding surfaces, a dry running property of the mechanical seal assembly is further improved.

Weiter bevorzugt umfasst wenigstens einer der Gleitringe als Gleitringmaterial Wolframcarbid oder Siliziumcarbid, welches gegebenenfalls bevorzugt eine Diamantbeschichtung aufweisen kann.More preferably, at least one of the sliding rings comprises, as a sliding ring material, tungsten carbide or silicon carbide, which optionally may preferably have a diamond coating.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Gleitringdichtungsanordnung ferner ein Versorgungssystem, insbesondere eine Sperrdruckanlage, zum Zuführen eines Sperrmediums zum Dichtspalt. Das Sperrmedium ist dabei das flüssige Medium mit graphenhaltigem Material. Somit kann durch Verwendung eines graphenhaltigen Sperrmediums eine Gleitringdichtungsanordnung mit hervorragenden tribologischen Eigenschaften bereitgestellt werden.According to a further preferred embodiment of the invention, the mechanical seal assembly further comprises a supply system, in particular a barrier pressure system, for supplying a barrier medium to the sealing gap. The barrier medium is the liquid medium with graphene-containing material. Thus, by using a graphene-containing barrier medium, a mechanical seal assembly having excellent tribological properties can be provided.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gleitringdichtungsanordnung, wobei im Dichtspalt zwischen den Gleitringen ein flüssiges Schmiermittel mit graphenhaltigem Material vorhanden ist. Das flüssige Schmiermittel mit graphenhaltigem Material zirkuliert vorzugsweise in einem geschlossenen Kreislauf, beispielsweise einer Sperrdruckanlage.Furthermore, the present invention relates to a method for operating a mechanical seal assembly, wherein in the sealing gap between the slip rings, a liquid lubricant with graphene-containing material is present. The liquid lubricant containing graphene-containing material preferably circulates in a closed circuit, for example a barrier pressure system.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von graphenhaltigem Material als Schmiermittel in einem Dichtspalt einer Gleitringdichtungsanordnung. Das graphenhaltige Material wird dabei vorzugsweise in einer Suspension, insbesondere mit vollentsalztem Wasser, verwendet. Weiter bevorzugt wird das graphenhaltige Material in Verbindung mit einem Sperrmedium der Gleitringdichtungsanordnung verwendet. Das graphenhaltige Schmiermittel kann auch bei schon bestehenden Gleitringdichtungsanordnungen verwendet werden.Furthermore, the present invention relates to the use of graphene-containing material as a lubricant in a sealing gap of a mechanical seal assembly. The graphene-containing material is preferably used in a suspension, in particular with demineralized water. More preferably, the graphene-containing material is used in conjunction with a barrier medium of the mechanical seal assembly. The graphene-containing lubricant can also be used in already existing mechanical seal arrangements.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:Hereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:

1 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, 1 a schematic sectional view of a mechanical seal assembly according to an embodiment of the invention,

2 ein schematisches Diagramm, welches einen Vergleich zwischen einem graphenhaltigen Schmiermedium und einem Schmiermedium gemäß dem Stand der Technik darstellt und 2 a schematic diagram illustrating a comparison between a graphene-containing lubricating medium and a lubricating medium according to the prior art and

3 eine schematische, perspektivische Ansicht des im Dichtspalt verwendeten graphenhaltigen Materials. 3 a schematic, perspective view of the graphene-containing material used in the sealing gap.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Gleitringdichtungsanordnung 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.The following is with reference to the 1 to 3 a mechanical seal assembly 1 according to a preferred embodiment of the invention described in detail.

Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 einen rotierenden Gleitring 2 und einen stationären Gleitring 3, welche zwischen sich einen Dichtspalt 4 definieren. Der rotierende Gleitring 2 ist über ein Mitnehmerelement 6 mit einer Wellenbuchse 5 verbunden, wobei die Wellenbuchse 5 gemeinsam mit einer Welle 7 rotiert.How out 1 it can be seen comprises the mechanical seal assembly 1 a rotating seal ring 2 and a stationary slip ring 3 , which between them a sealing gap 4 define. The rotating seal ring 2 is about a driver element 6 with a shaft bushing 5 connected, with the shaft bushing 5 together with a wave 7 rotates.

Der stationäre Gleitring 3 ist an einem Gehäuse 11 angeordnet. Ferner sind als Nebendichtungen 12, 13 O-Ringe vorgesehen.The stationary seal ring 3 is on a housing 11 arranged. Furthermore, as secondary seals 12 . 13 O-rings provided.

Um den Dichtspalt 4 mit einem Sperrmedium 9 zu versorgen, ist eine Sperrdruckanlage 14 vorgesehen. Die Sperrdruckanlage 14 umfasst eine Pumpe 17 und einen Vorratsbehälter 18 und stellt einen Sperrmediumkreislauf bereit. Das Sperrmedium wird über eine Zufuhrleitung 15 zum Dichtspalt 4 zugeführt und eine Rückleitung erfolgt über eine Abfuhrleitung 16. Die Pfeile in 1 deuten dabei die Zirkulation des Sperrmediums 9 im geschlossenen Kreislauf an.To the sealing gap 4 with a barrier medium 9 to supply is a barrier pressure plant 14 intended. The barrier pressure system 14 includes a pump 17 and a reservoir 18 and provides a barrier medium circuit. The barrier medium is via a supply line 15 to the sealing gap 4 supplied and a return line via a discharge line 16 , The arrows in 1 indicate the circulation of the barrier medium 9 in a closed circuit.

Das Sperrmedium 9 ist ein flüssiges Medium, beispielsweise vollentsalztes Wasser, welches ein graphenhaltiges Material 10 umfasst. Der Begriff graphenhaltiges Material umfasst dabei Graphen in Form von reinem Graphen, Graphenoxid, technisch reduziertes Graphenoxid und/oder funktionales Graphen, bei dem weitere Moleküle oder Atome angehängt sind. Das Sperrmedium 9 ist somit eine graphenhaltige Suspension. Ein Gewichtsanteil des graphenhaltigen Materials liegt dabei in einem Bereich von 0,05 bis 0,2 Gew.-%.The barrier medium 9 is a liquid medium, for example deionized water, which is a graphene-containing material 10 includes. The term graphene-containing material includes graphene in the form of pure graphene, graphene oxide, technically reduced graphene oxide and / or functional graphene, in which further molecules or atoms are attached. The barrier medium 9 is thus a graphene-containing suspension. A weight proportion of the graphene-containing material is in a range of 0.05 to 0.2 wt .-%.

Die Gleitringe können dabei jeweils eine Diamantbeschichtung aufweisen, welche in bekannter Weise auf die Gleitflächen der Gleitringe aufgebracht werden kann.The slip rings can each have a diamond coating, which in known Way can be applied to the sliding surfaces of the seal rings.

Das in 3 dargestellte graphenhaltige Material ist ein technisch reduziertes Graphenoxid, welches über ein zweistufiges Verfahren herstellbar ist. Hierfür wird, ausgehend von einem Graphitmaterial das Graphit oxidiert, wodurch Graphitoxid erhalten wird. Das Graphitoxid wird anschließend thermisch reduziert, so dass das thermisch reduzierte Graphenoxid (TRGO) erhalten wird. Hierdurch können insbesondere Sauerstoff und Sauerstoff enthaltende Moleküle an das graphenhaltige Material chemisch angebunden werden.This in 3 shown graphene-containing material is a technically reduced graphene oxide, which is produced via a two-stage process. For this purpose, starting from a graphite material, the graphite is oxidized, whereby graphite oxide is obtained. The graphite oxide is then thermally reduced to give the thermally reduced graphene oxide (TRGO). In this way, in particular, molecules containing oxygen and oxygen can be chemically bound to the graphene-containing material.

2 zeigt ein Diagramm eines Vergleichs des erfindungsgemäßen graphenhaltigen Sperrmediums mit einem graphenfreien Sperrmedium. Genauer zeigt das Diagramm von 2 zwei Versuchsreihen, wobei über der Zeit t in Minuten ein Reibungskoeffizient R dargestellt ist. Die Vergleichsversuche wurden dabei zum einen mit vollentsalztem Wasser durchgeführt, dessen Reibkoeffizient in 2 durch die Kurve B dargestellt ist. Als Vergleich wurde ein Sperrmedium, bestehend aus vollentsalztem Wasser mit einem Anteil von Graphenoxid von 0,1 Gew.-% verwendet, dessen Kurve in 2 mit dem Buchstaben A gekennzeichnet ist. Beide Gleitringe waren dabei mit einer Diamantbeschichtung versehen. 2 shows a diagram of a comparison of the graphene-containing barrier medium according to the invention with a graphene-free barrier medium. More precisely, the diagram of 2 two series of experiments, over the time t in minutes, a coefficient of friction R is shown. The comparative experiments were carried out on the one hand with demineralized water whose coefficient of friction in 2 represented by the curve B. As a comparison, a barrier medium consisting of deionized water with a proportion of graphene oxide of 0.1 wt .-% was used, whose curve in 2 marked with the letter A. Both slip rings were provided with a diamond coating.

Die Vergleichsversuche wurden bei unterschiedlichen Drehzahlen n in 1/min und bei unterschiedlichen axialen Kräften F in Newton (N) durchgeführt. Die Versuche wurden hierbei zuerst mit einer relativ kleinen Drehzahl von ungefähr 40 1/min über eine Zeitdauer von ca. 90 Minuten durchgeführt und anschließend wurde die Drehzahl n auf ca. 800 1/min über ungefähr weitere 60 Minuten erhöht. Weiterhin wurde während der Versuche auch eine Axialkraft F verändert. Zu Beginn der Versuche wurde eine Axialkraft F im Bereich von 100 N über ca. 15 Minuten aufrecht erhalten. Anschließend wurde die Axialkraft F konstant bis zu einem Wert von 700 N erhöht. Anschließend wurde die Axialkraft F wieder auf den Wert von ungefähr 100 N konstant zurückgenommen.The comparative experiments were carried out at different speeds n in 1 / min and at different axial forces F in Newton (N). The experiments were first carried out at a relatively low speed of about 40 1 / min over a period of about 90 minutes and then the speed n was increased to about 800 1 / min for about another 60 minutes. Furthermore, an axial force F was changed during the experiments. At the beginning of the experiments, an axial force F in the range of 100 N was maintained for about 15 minutes. Subsequently, the axial force F was constantly increased up to a value of 700 N. Subsequently, the axial force F was again reduced to the value of about 100 N constant.

In 2 ist dabei die Kurve des Reibungskoeffizienten des graphenhaltigen Schmiermittels (vollentsalztes Wasser mit Graphenoxid) mit A bezeichnet und als durchgehende Linie dargestellt. Im Vergleich dazu ist die Kurve des graphenfreien Schmiermittels (ausschließlich vollentsalztes Wasser) mit B bezeichnet und als gestrichelte Linie dargestellt. Wie unmittelbar aus 2 ersichtlich ist, weist die Kurve A des graphenhaltigen Schmiermittels bei geringen Drehzahlen n im Bereich von ungefähr 40 1/min einen Gleitreibungskoeffizienten R im Bereich von 0,02 auf. Im Gegensatz dazu liegt der Gleitreibungskoeffizient R des vollentsalzten Wassers, welches kein Graphen enthält, in einem Bereich von etwas über 0,04. Hierbei ändert sich der Gleitreibungskoeffizient auch bei Ausüben einer zusätzlichen Axialkraft F nur unwesentlich. Wenn die Drehzahl n deutlich erhöht wird, wie in 2 ab einer Zeit t von ungefähr 90 Minuten, erhöht sich der Gleitreibungskoeffizient R des graphenhaltigen Schmiermittels A sprunghaft auf einen Wert von etwas über 0,05. Das kein Graphen enthaltende vollentsalzte Wasser (Kurve B) weist bei der hohen Drehzahl n von ungefähr 800 1/min einen Gleitreibungskoeffizienten R von ungefähr 0,06 auf.In 2 is the curve of the friction coefficient of the graphene-containing lubricant (demineralized water with graphene oxide) denoted by A and shown as a solid line. In comparison, the graph of the grapheless lubricant (excluding demineralized water) is designated B and shown as a dashed line. As immediately out 2 As can be seen, the curve A of the graphene-containing lubricant has a coefficient of sliding friction R in the range of 0.02 at low speeds n in the range of approximately 40 rpm. In contrast, the sliding friction coefficient R of the demineralized water containing no graphene is in a range of slightly over 0.04. In this case, the sliding friction coefficient changes only insignificantly even when an additional axial force F is exerted. When the speed n is increased significantly, as in 2 from a time t of about 90 minutes, the sliding friction coefficient R of the graphene-containing lubricant A increases abruptly to a value of slightly above 0.05. The non-graphene-containing deionized water (curve B) has a coefficient of sliding friction R of about 0.06 at the high speed n of about 800 rpm.

Während der Zeit t zwischen 0 und 90 Minuten wird die Gleitringdichtungsanordnung im Bereich der sogenannten Mischreibung betrieben. Hierbei ist zwar Schmiermittel zwischen den Gleitflächen vorhanden, jedoch berühren sich die Gleitflächen noch punktuell. Dieser Betriebszustand ist besonders bevorzugt, da niedriger Verschleiß bei geringer Leckage und kleinstem Gleitringkoeffizienten auftritt. Ab dem Zeitpunkt t > 90 min geht die Gleitringdichtungsanordnung in die reine Flüssigkeitsreibung über. Hierbei bildet sich ein vollständiger Schmierfilm zwischen den Gleitflächen, wobei, wie aus 2 ersichtlich ist, bei der reinen Flüssigkeitsreibung kein negativer Effekt des graphenhaltigen Schmiermittels vorhanden ist.During the time t between 0 and 90 minutes, the mechanical seal assembly is operated in the area of so-called mixed friction. Although there is lubricant between the sliding surfaces, however, the sliding surfaces still touch each other at certain points. This operating condition is particularly preferred since low wear occurs with low leakage and smallest slip ring coefficient. From the time t> 90 min, the mechanical seal assembly is in the pure liquid friction. This forms a complete lubricating film between the sliding surfaces, where, as out 2 it can be seen that there is no negative effect of the graphene-containing lubricant in pure liquid friction.

Wie die dargestellten Versuche somit verdeutlichen, reduziert das graphenhaltige Schmiermittel 9 den Reibungskoeffizienten R auf einen Wert von ungefähr 0,02. Dies wird insbesondere auch im Bereich der bevorzugten Mischreibung erreicht. Ein derartiger Wert ist bei flüssigkeitsgeschmierten Gleitringdichtungen bisher nicht erreicht worden. Hierbei hat auch eine zusätzliche Axialkraft F nur marginale negative Auswirkungen auf den hervorragenden Reibungskoeffizienten. Auch bei höheren Drehzahlen n wird nach einer Einschwingungsphase unmittelbar nach Erhöhung der Drehzahl ein niedrigerer Reibungskoeffizient als im Vergleich mit einem graphenfreien Schmiermittel erreicht. Dieser liegt mit ungefähr 0,05 immer noch in einem hervorragenden Bereich für flüssigkeitsgeschmierte Gleitringdichtungen. Somit kann durch die Verwendung des graphenhaltigen Materials im Schmiermittel auf überraschende Weise ein Reibungskoeffizient, insbesondere bei niederen Drehzahlen, unter einen Wert von 0,02 gedrückt werden, was bisher in dieser Form bei flüssigkeitsgeschmierten Gleitringdichtungen nicht möglich war. Erfindungsgemäß kann somit durch Verwendung eines graphenhaltigen Schmiermittels insbesondere auch eine Lebensdauer der Gleitringdichtungen signifikant verbessert werden.As the experiments shown thus illustrate, reduces the graphene-containing lubricant 9 the coefficient of friction R to a value of about 0.02. This is achieved in particular in the field of preferred mixed friction. Such a value has not yet been achieved in liquid-lubricated mechanical seals. In this case, an additional axial force F has only marginal negative effects on the excellent friction coefficient. Even at higher speeds n, a lower coefficient of friction is achieved after a transient phase immediately after increasing the rotational speed than in comparison with a graphene-free lubricant. At around 0.05, this is still in an excellent range for fluid-lubricated mechanical seals. Thus, by using the graphene-containing material in the lubricant, surprisingly, a coefficient of friction, especially at low speeds, can be suppressed to a value of 0.02, which was previously not possible with liquid-lubricated mechanical seals in this form. According to the invention can thus be significantly improved by using a graphene-containing lubricant in particular a life of the mechanical seals.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
GleitringdichtungsanordnungThe mechanical seal assembly
22
Rotierender GleitringRotating seal ring
33
Stationärer GleitringStationary slip ring
44
Dichtspaltsealing gap
55
Wellenbuchseshaft sleeve
66
Mitnehmerelementdogging
77
Wellewave
88th
Abzudichtendes MediumMedium to be sealed
99
Sperrmediumbarrier medium
1010
Graphen in flächiger StrukturGraphene in a planar structure
1111
Gehäusecasing
12, 1312, 13
O-RingeO-rings
1414
SperrdruckanlageBlocking pressure system
1515
Zufuhrleitungsupply line
1616
Abfuhrleitungdischarge line
1717
Pumpepump
1818
Vorratsbehälterreservoir

Claims (12)

Gleitringdichtungsanordnung, umfassend – einen rotierenden Gleitring (2) und einen stationären Gleitring (3), welche zwischen sich einen Dichtspalt (4) definieren, – wobei im Dichtspalt (4) ein flüssiges Medium (9) angeordnet ist und – wobei das flüssige Medium ein graphenhaltiges Material (10) umfasst.Mechanical seal assembly comprising - a rotating seal ring ( 2 ) and a stationary sliding ring ( 3 ), which between them a sealing gap ( 4 ), - wherein in the sealing gap ( 4 ) a liquid medium ( 9 ) and wherein the liquid medium is a graphene-containing material ( 10 ). Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das graphenhaltige Material Graphen in Form von reinem Graphen und/oder Graphenoxid und/oder technisch reduziertem Graphen und/oder funktionalem Graphen umfasst.Mechanical seal assembly according to claim 1, characterized in that the graphene-containing material comprises graphene in the form of pure graphene and / or graphene oxide and / or technically reduced graphene and / or functional graphene. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das graphenhaltige Material eine flächige Anordnung aufweist.Mechanical seal arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the graphene-containing material has a planar arrangement. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des graphenhaltigen Materials im flüssigen Medium in einem Bereich von 0,05 bis 0,6 Gew.-% liegt.Mechanical seal arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a proportion of the graphene-containing material in the liquid medium is in a range of 0.05 to 0.6 wt .-%. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium Wasser oder Öl ist.Mechanical seal arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid medium is water or oil. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Gleitringe (2, 3), vorzugsweise beide Gleitringe, eine Diamantbeschichtung aufweisen.Mechanical seal arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the sliding rings ( 2 . 3 ), preferably both slip rings, have a diamond coating. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Gleitringe Wolframcarbid oder Siliziumcarbid als Gleitringmaterial umfasst.Mechanical seal arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the sliding rings comprises tungsten carbide or silicon carbide as a sliding ring material. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Versorgungssystem (14) zum Zuführen eines Sperrmediums zum Dichtspalt (4), wobei das Sperrmedium das flüssige Medium mit graphenhaltigem Material ist.Mechanical seal assembly according to any one of the preceding claims, further comprising a supply system ( 14 ) for supplying a barrier medium to the sealing gap ( 4 ), wherein the barrier medium is the liquid medium containing graphene-containing material. Verfahren zum Betreiben einer Gleitringdichtungsanordnung (1) mit einem rotierenden Gleitring (2) und einem stationären Gleitring (3), welche zwischen sich einen Dichtspalt (4) definieren, wobei im Dichtspalt (4) ein flüssiges Schmiermittel mit einem graphenhaltigen Material vorhanden ist.Method for operating a mechanical seal assembly ( 1 ) with a rotating sliding ring ( 2 ) and a stationary sliding ring ( 3 ), which between them a sealing gap ( 4 ), wherein in the sealing gap ( 4 ) a liquid lubricant is present with a graphene-containing material. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Schmiermittel mit graphenhaltigem Material in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert.A method according to claim 9, characterized in that the liquid lubricant circulates graphite-containing material in a closed circuit. Verwendung von graphenhaltigem Material als Schmiermittel in einem Dichtspalt (4) einer Gleitringdichtungsanordnung (1).Use of graphene-containing material as lubricant in a sealing gap ( 4 ) a mechanical seal assembly ( 1 ). Verwendung nach Anspruch 11, wobei das graphenhaltige Material mit einem flüssigen Medium, insbesondere einem Sperrmedium der Gleitringdichtungsanordnung, eine Suspension bildet.Use according to claim 11, wherein the graphene-containing material forms a suspension with a liquid medium, in particular a barrier medium of the mechanical seal arrangement.
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DE102016111508A1 (en) * 2016-06-23 2017-12-28 Netzsch Pumpen & Systeme Gmbh Comminution device and method for lubricating a mechanical seal of a comminution device

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