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Die Erfindung betrifft Magnetpumpen. Konventionelle Pumpen (keine Magnetpumpen) werden in der Regel durch Gleitringdichtungen (GLRDs) abgedichtet. GLRDs sind zumeist nicht absolut dicht, so dass Fördermedien, wenn auch nur in geringen Mengen in die Umwelt gelangen können. Um dies zu verhindern, wurden GLRDs aus den Pumpen weitgehend eliminiert und durch eine Konstruktion mit Magnetantrieb ersetzt. So wurden vermehrt Pumpen mit einem Magnetantrieb eingesetzt (sog. Magnetpumpen).
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Bei Magnetpumpen wird das Fördermedium hermetisch zur Umwelt hin abgeschirmt, so dass keinerlei Leckagen in die Umwelt gelangen können. Magnetpumpen werden daher überall dort eingesetzt, wo folgende Medien nicht in die Umwelt gelangen sollen:
- - Giftige Medien
- - Geruchsintensive Medien
- - Gefährliche Medien
- - Teure Medien
- - Medien die mit der Umgebungsluft reagieren.
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Im Stand der Technik finden sich unterschiedliche Magnetpumpenkonstruktionen, die allerdings alle im Wesentlichen folgende Konstruktionsmerkmale gemeinsam haben:
- 1. Alle Funktionsräume (Pumpraum, Lagerraum und innerer Magnetträgerraum) sind miteinander verbunden, so dass das Fördermedium, welches eigentlich nur gepumpt werden soll, zusätzlich die Gleitlager schmiert und den Magnetträger kühlt. In den meisten Fällen haben die Fördermedien jedoch keine oder nur unzureichende Schmiereigenschaften, die für eine zuverlässige Funktion der Gleitlager notwendig wäre, um eine hohe Standzeit der Gleitlager zu erreichen.
- 2. Das Pumpenlaufrad ist über eine Welle mit dem rotierenden, angetriebenen Magnetträger verbunden. Dabei ist die Welle in Gleitlagern geführt, sowohl radial als auch axial. In sehr seltenen Fällen werden keramische Wälzlager eingesetzt.
- 3. Von einer Stelle hohen Drucks innerhalb der Pumpe führen Bohrungen und Spalträume, durch die das Medium zu den Gleitlagern und dem Spalt zwischen innerem Magnetträger und Spalttopf fließt, um diese Bereiche zu schmieren bzw. zu kühlen.
- 4. Der Antriebsmagnetträger liegt außerhalb des Mediengehäuses. Das Drehmoment wird über die Gehäusewandung des Spalttopfes durch die Magnetkräfte übertragen und treibt so, mit dem angetriebenen Magnetträger, die Pumpe an.
- 5. Der Antriebsmagnetträger wird in außenliegenden Wälzlagern geführt (bei Pumpenausführung mit Kupplung) oder bei Blockbauweise direkt mit der Welle des Antriebsmotors verbunden.
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Werden metallische Spalttöpfe (aufgrund der chemischen Beständigkeit handelt es sich dabei häufig um Hastelloy) verwendet, so induziert das rotierende Magnetfeld in diesen Wirbelströme, die mechanische Antriebsleistung in Wärmeleistung von oft mehreren Kilowatt umwandeln und dadurch einerseits den Wirkungsgrad der Pumpe mindern, andererseits über den Spalttopf auch das Fördermedium erwärmen. Reibungswärme in den Lagern sowie durch das strömende Medium selbst können bei Medien mit steiler Dampfdruckkurve - etwa verflüssigten Gasen wie Propan - bei unbedachter Auslegung zur Verdampfung derselben führen und dadurch Lager- oder anderweitige Kavitationsschäden verursachen. Da die tatsächlichen Strömungs-, Druck- und damit Temperaturverhältnisse im Spalttopf in aller Regel nicht gemessen werden können, werden diese berechnet oder mittels CFD simuliert, wobei jedoch hohe Unsicherheiten aufgrund der oft nicht detailliert genug bekannten Oberflächenrauheiten, Strömungskanalabmessungen und Fertigungstoleranzen, sowie numerischen Unwägbarkeiten bei CFD-Modellierung in Kauf genommen werden müssen. Um das Verdampfungs- und damit Pumpenschadenrisiko zu senken, werden für Medien mit steiler Dampfdruckkurve u. a. besondere Spalttopfkonstruktionen entworfen, die die Zuführung eines unempfindlicheren Sperrmediums in den Spalttopf erlauben oder eine Kühlung vorsehen.
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Konstruktion und Auslegung der Pumpe, ihres Spalttopfes und der Magnetkupplung erfordern daher wesentlich mehr Sorgfalt und Sachkenntnis als konventionelle Pumpentypen. Die Induktion von Wirbelströmen kann stark verringert oder gänzlich vermieden werden, indem der Spalttopf aus einem nichtleitenden Werkstoff wie Keramik - etwa Zirkoniumdioxid - oder Kunststoff hergestellt wird, jedoch sind diese Materialien häufig kostspielig und eignen sich für einige Fördermedien, Betriebsdrücke bzw. Betriebsbedingungen (insbesondere Druckstöße) nicht.
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Desweiteren verhindern die geringen Spaltabmessungen im Zusammenspiel mit den hohen strömungsmechanischen Wirkungen im Spalttopf die Förderung partikelbeladener Medien, die die engen Strömungskanäle verstopfen könnten. Aus demselben Grunde dürfen häufig auch keine nicht-newtonschen (rheologischen) Fluide gefördert werden. In beiden Fällen kann der Einsatz eines Sperrmediums Abhilfe schaffen, sofern es tolerierbar ist, dass das Sperrmedium anteilig mitgefördert, d. h. mit dem eigentlichen Fördermedium gemischt wird.
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Trotz der Nachteile ist die Magnetkupplungspumpe in vielen Fällen die einzige Lösung, um besonders giftige, geruchsintensive oder kostspielige Medien zu fördern, ohne einen Sondermotor (Spaltrohrmotor) zu benötigen, weshalb die bedingt durch den enormen Konstruktionsaufwand hohen Kosten dieses Pumpentyps gerechtfertigt sind und akzeptiert werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Magnetpumpe der eingangs genannten Art wesentlich zu verbessern und derart auszugestalten, dass alle Nachteile konventioneller Magnetpumpen vermieden werden. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt mit der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung zumindest einer Gleitringdichtung zwischen dem Pumpenraum und dem Magnetantrieb / Lagerung können alle vorstehenden Nachteile der herkömmlichen Magnetpumpen erst gar nicht auftreten.
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Das Pumpenmedium wird durch die produktseitige, erste Gleitringdichtung /GLRD 3 im Pumpenraum 2 gehalten und somit von der Lagerung 11, 8 und dem Magnetantrieb 10 getrennt. Feststoffhaltige oder hochviskose Medien gelangen somit nicht in die Wellenlagerung sowie in die Spalträume 19 des Spalttopfs mit Magnetantrieb 10. Es erfolgt keine Verstopfung durch partikelbeladene Medien, da das Medium nicht in die engen Strömungskanäle des Magnetantriebs und in die Lagerung gelangen kann.
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Zwischen der ersten 3 und zweiten GLRD 6 befindet sich der Sperrflüssigkeitsraum 4, der eine weitere Sperre zum Pumpmedium hin bewirkt. Die produktverträgliche, saubere Sperrflüssigkeit führt im Kreislauf A, B durch eine integrierte Pumpeinrichtung 4 über einen Sperrflüssigkeitsbehälter, in dem die Sperrflüssigkeit individuell gekühlt bzw. beheizt werden kann. Desweiteren kann der Sperrflüssigkeitsraum mit Druck so beaufschlagt werden, dass optimale Funktionsverhältnisse an den GLRD 3, 6 eingestellt werden können. Ein druckloser Betrieb der GLRD ist ebenso möglich. Zudem kann der Sperrflüssigkeitsraum hinsichtlich Druck, Temperatur und Leckagen überwacht bzw. kontrolliert werden. Die zweite GLRD 6 trennt den Sperrflüssigkeitsraum A, B zum Lager- bzw. Magnetantriebsraum D, E.
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Durch die erfindungsgemäße Platzierung einer Doppel-GLRD 3, 6 an dieser Stelle, kann die Antriebswelle, frei vom Pumpenmedium, in herkömmlichen Präzisionslagern spielfrei geführt werden. Die Wälzlager 11, 8 können so bestimmungsgemäß mit einem Leichtlauf-Öl betrieben werden. Dieses Öl fließt außerdem mittels einer integrierten Pumpvorrichtung 13 in einem Kreislauf durch den inneren Magnetabtrieb 10 und Spalttopf 12 zu einem Ölkühler und von dort aus wieder zurück zum Pumpenlagerraum.
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Bei Verwendung eines nichtmetallischen Spalttopfes ist eine Kühlvorrichtung des Ölkreislaufs nicht notwendig, aufgrund der fehlenden Aufheizung durch die Wirbelstromverluste des Magnetantriebs. Bei Fördermedien mit geringen Temperaturen können auch anstelle einer Ölschmierung, fettgeschmierte Präzisionslager verwendet werden. Der mit Öl gefüllte Lager / Magnetträger- Raum kann ebenfalls druck bzw. thermisch überwacht werden.
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Dadurch, dass das Pumpmedium vom Magnet- bzw. Lagerraum durch die Gleitringdichtung getrennt ist, können keine Verdampfungen bei Medien mit steiler Dampfdruckkurve entstehen, so dass keine Lager- oder anderweitige Kavitationsschäden auftreten können. Daher sind auch keine besonderen Spalttopfkonstruktionen notwendig. Auf Grund der Konstruktion der erfindungsgemäßen Magnetpumpe können Medien mit Feststoffpartikeln, z. B. 2 mm groß und 30 % Volumenanteil gefördert werden. Bei entsprechender Pumpenkonstruktion können auch größere Partikel förderbar sein.
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Der Förderdruck der neuen Magnetpumpe richtet sich nun nicht mehr nach der Konstruktion bzw. dem Material des Spalttopfes (in der Regel max. 10 bar) sondern nach der Auslegung der GLRD (in Standardausführung 25 bar). Bei Einsatz von Sonder-Gleitringdichtungen können auch Medien mit wesentlich höheren Drücken gefördert werden.
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Druckstöße aus dem Förderraum gelangen erst gar nicht zu dem Spalttopf, so dass keine Verformungen (bei metallischen Spalttöpfen) oder Brüche (bei keramischen Spalttöpfen) auftreten können. Gleitlagerbruch kann nicht auftreten, da keine Gleitlager vorhanden sind.
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Keine Fremdspülung oder externe bzw. interne Feststofffilter sind notwendig. Es entsteht kein unerwünschter Wärmeeintrag über die Magnetkupplung ins Fördermedium, besonders bei metallischen Spalttöpfen. Auch erfolgt keine Scheerwirkung oder anderweitige strömungsmechanische Einwirkung auf das Medium durch die Gleitlagerung und Spalttopf, weil das Medium nicht in diesen Bereich gelangt.
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Die erfindungsgemäße Pumpe kann auch nichtnewtonsche (rheologische) Fluide fördern.
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Es erfolgt kein Trockenlauf der Pumpe, da der Sperrflüssigkeitsraum zwischen den beiden Gleitringdichtungen und der mit Öl gefüllte Lagerraum selbstentlüftend aufgefüllt werden kann. Das bedeutet, dass die Pumpe auch dann nicht trocken läuft, wenn kein oder nur wenig Fördermedium in der Pumpe vorhanden ist. Die Pumpe kann auch im Teillastbetrieb (z. B. stark reduziert im Bypassmodus) ohne Zeitlimit betrieben werden ohne heiß zu laufen. Das macht Reparaturen in der Anlage flexibel und sicher.
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Die Erfindung kann bei folgenden Maschinen verwendet werden und zwar bei Kreiselpumpen, Zahnradpumpen, Kreiskolbenpumpen, Schraubenspindelpumpen, Rührwerken, Spaltrohrmotorpumpen, Be- oder Entlüftungsmaschinen / Ventilatoren, Perlmühlen, bei allen Maschinen, wo eine sich drehende Welle zum Gehäuse hin abgedichtet werden muss, z. B. auch Kompressoren und Vakuum-Pumpen.
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Folgende Doppeldichtungsanordnungen können eingesetzt werden:
- - Konzentrische Gleitringdichtungen
- - Tandem Gleitringdichtung
- - Back to Back Gleitringdichtungen
- - Face to Face Gleitringdichtungen
- - Anstelle einer Doppelgleitringdichtung kann, je nach geforderter Sicherheitsstufe und Kontrollanforderung, auch eine Einzelgleitringdichtung eingesetzt werden.
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Anstelle einer Doppelgleitringdichtung können auch, je nach Sicherheitsstufe und Kontrollanforderung, Mehrfachgleitringdichtungen sog. Sondergleitringdichtungen eingesetzt werden. Dabei werden drei, vier oder mehr GLRDs in Reihe geschaltet, um eventuell auftretende Druckleckagen abzubauen. Die Anzahl der GLRDs richtet sich dabei nach der Höhe des abzubauenden Mediendrucks und der Sicherheitsanforderung.
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Befürchtungen, dass der erfindungsgemäße Einsatz einer Einzel- bzw. Doppel-GLRD an dieser Stelle die altbekannten Probleme der herkömmlichen Pumpen wieder aufleben lässt, sind vollkommen unbegründet.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Pumpen ist bei der erfindungsgemäßen Pumpe die erste produktseitige GLRD 3 direkt hinter dem Pumpenlaufrad 2 in einem offenen Produktraum platziert, welches die eventuell anfallenden Feststoffe im Medium durch die Zentrifugalkräfte des sich drehenden Laufrades 2 von der GLRD 3 weg in den Pumpenraum befördert. So kann die Wellenlagerung 8, 11 auch bei einer Doppel-GLRD sehr nah, direkt hinter der GLRD 6, zum Laufrad hin platziert werden. Der sehr kurze Abstand zwischen Laufrad 2 und Lagerung 8, 11 verhindert eine zu große Wellendurchbiegung über das Laufrad 2 durch den sich aufbauenden hydraulischen Gegendruck druckseitig der Pumpe. Dies verhindert weitgehend unliebsame Radialbewegungen zwischen den GLRDs und verlängert somit deren Standzeiten.
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Desweiteren dichten die GLRDs in herkömmlichen Pumpen immer das Fördermedium (bei Einzel-GLRD) bzw. das Fördermedium und die Sperrflüssigkeit zur Atmosphäre hin ab. Bei den meisten frühzeitigen GLRD-Ausfällen liegt die Ursache im latenten bzw. absoluten Trockenlauf der atmosphärischen GLRD (insbesondere bei Doppel-GLRD), z. B. bei Sperrflüssigkeitsverlust, unzureichender Kühlung der GLRD, Vergasung des Sperrmediums (was praktisch einem Trockenlauf gleichkommt).
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Dies kann bei der eingesetzten GLRD nach der Erfindung nicht passieren. Alle GLRDs sind nass laufend, d. h. es gibt praktisch keine atmosphärenseitige GLRD. Bei der produktseitigen GLRD 3 liegt auf der einen Seite das Medium und auf der anderen Seite die Sperrflüssigkeit. Bei der zweiten GLRD 6 liegt auf der einen Seite Sperrflüssigkeit und auf der anderen Seite das Öl an. Ein Trockenlauf ist somit faktisch ausgeschlossen. In dieser Anordnung laufen entsprechend konstruierte GLRDs länger als die Wälzlager. Damit sind die GLRDs nicht mehr länger das Problem, wie bei der Anwendung in herkömmlichen Pumpen.
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Die wesentlich längeren Standzeiten, die höhere Betriebssicherheit durch individuelle Kontrolle der einzelnen Funktionsräume kompensieren den höheren Kostenaufwand durch eine wesentlich höhere Wirtschaftlichkeit.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen und Ausgestattungen sind nicht auf das in der Zeichnungsfigur dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Die jeweilige konstruktive Ausgestaltung ist in Anpassung an besondere Verwendungen dem Fachmann freigestellt.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Kühlung Sperrflüssigkeitsraum IN
- B
- Kühlung Sperrflüssigkeitsraum OUT
- D
- Kühlung Magnetkuppelung/Schmierung Lagerraum IN
- E
- Kühlung Magnetkuppelung/Schmierung Lagerraum OUT
- 1
- Spiralgehäuse
- 2
- Laufrad mit Pumpenwelle
- 3
- GLRD-Produktraumabdichtung
- 4
- Umwälzeinrichtung Kühlung
- 5
- GLRD-Gehäuse
- 6
- GLRD-Lagerraumabdichtung
- 7
- Gehäuse-Lagerung
- 8
- Lager
- 9
- Magnet außen mit Antriebswelle
- 10
- Magnet innen, angetriebener Magnetträger
- 11
- Lager
- 12
- Spalttopf
- 13
- Umwälzeinrichtung Kühlung Lager/Magnetantrieb
- 14
- Lagerabdichtung
- 15
- Lager
- 16
- Umwälzeinrichtung Kühlung
- 17
- Lager
- 18
- Lagerabdichtung
- 19
- Ölraum
