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
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
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:
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
Wie aus
Der stationäre Gleitring
Um den Dichtspalt
Das Sperrmedium
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
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
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
Wie die dargestellten Versuche somit verdeutlichen, reduziert das graphenhaltige Schmiermittel
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)
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---|---|---|---|
DE102014205300.5A DE102014205300A1 (en) | 2014-03-21 | 2014-03-21 | Mechanical seal assembly with graphene-containing lubricant |
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DE102014205300.5A DE102014205300A1 (en) | 2014-03-21 | 2014-03-21 | Mechanical seal assembly with graphene-containing lubricant |
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DE102014205300A1 true DE102014205300A1 (en) | 2015-10-08 |
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DE102014205300.5A Withdrawn DE102014205300A1 (en) | 2014-03-21 | 2014-03-21 | Mechanical seal assembly with graphene-containing lubricant |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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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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-
2014
- 2014-03-21 DE DE102014205300.5A patent/DE102014205300A1/en not_active Withdrawn
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R016 | Response to examination communication | ||
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