DE102019219430A1 - Gleitringdichtungsanordnung mit Leckagemessung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung, umfassendeine Gleitringdichtung (2) mit einem rotierenden Gleitring (3) und einem stationären Gleitring (4), welche zwischen sich einen Dichtspalt (5) definieren, einen Messraum (6), welcher mit dem Dichtspalt (5) in Fluidverbindung steht, wobei eine über den Dichtspalt (5) auftretende Leckage (9) in den Messraum (6) zuführbar ist, eine in den Messraum mündende Zufuhrleitung (17) zur Zuleitung eines Trägermediums, wobei ein erster Massenstrom (M1) des Trägermediums größer ist als ein zweiter Massenstrom (M2) der Leckage (9), eine Fördervorrichtung (7) zur Förderung des Trägermediums in den Messraum (6), eine erste Konzentrations-Messvorrichtung (8) zur Bestimmung von Bestandteilen des sich im Messraum (6) befindlichen Mediums, und eine Auswertungseinheit (10), welche eingerichtet ist, basierend auf dem Ergebnis der Konzentrations-Messvorrichtung (8) eine Leckage (9) zu bestimmen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung mit einer exakten Leckagemessung, insbesondere von flüchtigen Komponenten eines abzudichtenden Produkts.
• Gleitringdichtungsanordnungen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Gleitringdichtungsanordnungen dienen dabei zur Abdichtung von Flüssigkeiten und/oder Gasen. Bei vielen derartigen abzudichtenden Produkten können hierbei sehr geringe, nicht tropfende Leckagen durch einen Dichtspalt zwischen den Gleitringen der Gleitringdichtungsanordnung austreten. Da derartige nicht tropfende Leckagen flüchtig sind und somit nur noch als Gas vorliegen, ist es schwierig, zu erkennen, dass derartige gasförmige Stoffe durch die Gleitringdichtung lecken. Da die Leckagemengen häufig sehr klein sind, wird eine derartige Leckage im Betrieb häufig nicht erkannt. Trotzdem kann es auch durch geringe Mengen von toxischen, gasförmigen Stoffen zu Schädigungen der Umwelt und/oder von Menschen, welche sich in der Nähe der abzudichtenden Maschine aufhalten, kommen.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtungsanordnung bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellung eine sichere Erfassung von sehr geringen, gasförmigen Leckagemengen ermöglicht.
• Dies wird erfindungsgemäß durch eine Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
• Die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass ein besonders einfach und kostengünstiger Aufbau vorgeschlagen wird, bei dem trotzdem geringste Mengen von gasförmiger Leckage, die über einen Dichtspalt zwischen einem rotierenden und einem stationären Gleitring einer Gleitringdichtung hindurchtritt, erfassbar sind. Weiterhin kann erfindungsgemäß eine kontinuierliche,sehr kostengünstige Überwachung der Gleitringdichtungsanordnung ermöglicht werden, sodass über eine gesamte Nutzungsdauer des Gleitringdichtungsanordnung auch minimalste Leckagen erfassbar sind. Ein Aufbau der Gleitringdichtungsanordnung bleibt dabei trotzdem sehr einfach und kompakt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Gleitringdichtungsanordnung zusätzlich zur Gleitringdichtung einen Messraum aufweist, welcher mit dem Dichtspalt in Fluidverbindung steht. Eine über den Dichtspalt auftretende Leckage kann dadurch in den Messraum zugeführt werden. Ferner umfasst die Gleitringdichtungsanordnung eine in den Messraum mündende Zufuhrleitung zur Zuleitung eines Trägermediums. Dabei ist ein erster Massenstrom M1 des Trägermediums größer als ein zweiter Massenstrom M2 der Leckage. Der erste Massenstrom M1 ist dabei vorzugsweise um den Faktor 10 bis 100 größer als der zweite Massenstrom M2. Weiterhin ist eine Fördervorrichtung zur Förderung des Trägermediums in den Messraum vorgesehen. Im Messraum befindet sich eine erste Konzentrations-Messvorrichtung zur Bestimmung von Bestandteilen des sich im Messraum befindlichen Mediums. Weiterhin ist eine Auswertungseinheit vorgesehen, welche eingerichtet ist, basierend auf den Ergebnissen der Konzentrations-Messvorrichtung eine Leckage über den Dichtspalt zu bestimmen. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Erfassung von sehr geringen, nicht tropfenden Leckagen, welche bisher im Stand der Technik nicht erfasst wurden. Der erste Massenstrom M1 des Trägermediums ist dabei sehr viel größer als der zweite Massenstrom M2 der nicht tropfenden Leckage. Ein Volumen des Messraums ist dabei nicht übermäßig groß. Der Messraum ist vorzugsweise ein ringförmiger Messraum.
• Die Auswertungseinheit ist vorzugsweise eingerichtet, den zweiten Massenstrom M2 der Leckage zu bestimmen. Dadurch kann eine quantitative Größe für den zweiten Massenstrom M2 angegeben werden. In einer ungefähren Näherung gilt dabei: $$\text{M}2\approx \left({\text{c}}_{\text{x}}-{\text{c}}_{\text{x}0}\right)·\text{M}\mathrm{1,}$$

  

  wobei
  c_x die Konzentration des Leckagegases zum Messzeitpunkt,
  c_x0 Konzentration des Leckagegases zum Messstart,
  M1 der Massenstrom des Trägermediums und M2 der Massenstrom des Leckagegases ist. Dabei ist M2 << M1.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Gleitringdichtungsanordnung ferner eine Durchflussmessvorrichtung, welche in der Zufuhrleitung angeordnet ist. Dadurch kann eine einfache und exakte Bestimmung des ersten Massenstroms M1 des Trägermediums ermöglicht werden.
• Weiter bevorzugt ist der Messraum unmittelbar an einer Rückseite des stationären Gleitrings angeordnet. Dadurch kann eine kompakte Bauweise der Gleitringdichtung beibehalten werden und ein Fluidpfad für die Leckage vom Dichtspalt in den Messraum kann kurz sein, sodass eine schnelle Erfassung einer möglicherweise auftretenden, nicht tropfenden Leckage möglich ist.
• Besonders bevorzugt die Gleitringdichtungsanordnung ferner eine zweite Konzentrations-Messvorrichtung, welche in der Zufuhrleitung des Trägermediums angeordnet ist. Durch die zweite Konzentrations-Messvorrichtung ist es möglich, dass Gase des Trägermediums sicher bestimmt werden können. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn eine Leckage des abzudichtenden Produkts über die Gleitringdichtung gleich einem im Trägermedium vorhandenen Gas ist. Dadurch kann ein verfälschendes Ergebnis durch das möglicherweise im Trägermedium vorhandene gleiche Gas wie die Leckage vermieden werden. Vorzugsweise ist die Auswertungseinheit dann eingerichtet, basierend auf den Signalen der ersten und zweiten Konzentrationsvorrichtung eine Leckage mit hoher Sicherheit zu bestimmen.
• Vorzugsweise umfasst die Gleitringdichtungsanordnung ferner eine Wellenhülse, auf welcher der rotierende Gleitring und die Fördervorrichtung angeordnet ist. Dadurch können zwei Fördervorrichtungen vorgesehen werden oder alternativ kann auf die Fördervorrichtung in der Zufuhrleitung verzichtet werden.
• Die Fördervorrichtung ist vorzugsweise ein Lüfter oder ein Verdichter oder dergleichen.
• Weiter bevorzugt ist eine Umlenkeinrichtung vorgesehen, welche in einem Fluidpfad vom Dichtspalt zum Messraum angeordnet ist. Die Umlenkeinrichtung ist dabei eingerichtet, eine Leckage über den Dichtspalt umzulenken und möglichst in eine Richtung der am Messraum angeordneten Konzentrations-Messvorrichtung zuzuführen. Dadurch kann eine sicherere Erfassung der nichttropfenden, kleinen Leckage ermöglicht werden.
• Die Umlenkeinrichtung ist vorzugsweise an einem rotierenden Bauteil der Gleitringdichtungsanordnung, insbesondere der Wellenhülse, angeordnet. Die Umlenkeinrichtung kann dabei vorzugsweise eine Umlenkung von 90 Grad ermöglichen und insbesondere eine Umlenkung in Radialrichtung ermöglichen.
• Vorzugsweise ist die Konzentrations-Messvorrichtung ein Gaschromatograph, insbesondere ein Gaschromatograph in Dünnschichtbauweise.
• Alternativ ist die Konzentrations-Messvorrichtung ein nanoelektromechanischer Sensor (NEMS) oder insbesondere ein optisches und/oder akustisches System zur Gasanalyse. Der NEMS ist ein Sensorchip mit einer Vielzahl von Nanodrähten, bei denen eine Änderung eines elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit eines Umgebungsmediums auftritt. Die Widerstandsänderungen hängen von den Molekülen des umgebenen Gases ab und sind somit für einzelne Moleküle charakteristisch und wiedererkennbar. Dieses Muster wird in den Sensorchip eingelernt und kann innerhalb von Sekunden wiedererkannt werden.
• Weiter bevorzugt umfasst die Gleitringdichtungsanordnung eine Tandemdichtung mit zwei Gleitringdichtungen, welche in Reihe axial nacheinander angeordnet sind, wobei der Messraum vorzugsweise zwischen den beiden Gleitringdichtungen positioniert ist.
• Die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung eignet sich insbesondere zur Erfassung von Kohlenwasserstoffen und kann vorzugsweise im Bereich der Erdöl- und Gasindustrie verwendet werden.
• Es sei angemerkt, dass es weiter bevorzugt auch möglich ist, dass die Auswertungseinheit direkt an der Konzentrations-Messvorrichtung angeordnet ist. Basierend auf dem Messergebnis, wenn eine Konzentration einer Leckage erfasst wurde, wird bevorzugt eine Warnmeldung oder dergleichen ausgegeben, um eine Wartung der Gleitringdichtungsanordnung zu ermöglichen.
• Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
• 1 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
• 2 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine Gleitringdichtungsanordnung 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
• Die Gleitringdichtungsanordnung 1 umfasst eine Gleitringdichtung 2 mit einem rotierenden Gleitring 3 und einem stationären Gleitring 4, welche zwischen sich einen Dichtspalt 5 definieren.
• Die Gleitringdichtung 2 dichtet dabei einen Produktbereich 13 von einem Atmosphärenbereich 14 ab.
• Der rotierende Gleitring 3 ist auf einer Welle 16 angeordnet und rotiert mit dieser. Der stationäre Gleitring 4 ist an einem Gehäuse 15 fixiert. X-X bezeichnet eine Mittelachse der Welle 16.
• Ein Messraum 6 mit einem vorbestimmten Volumen ist benachbart zur Gleitringdichtung 2 angeordnet. Der Messraum 6 grenzt dabei unmittelbar an eine Rückseite 41 des stationären Gleitrings 4.
• Eine Zufuhrleitung 17 zur Zuführung eines Trägermediums mündet dabei an den Messraum 6. In der Zufuhrleitung 17 ist eine Fördervorrichtung 7 in Form eines Ventilators oder dergleichen angeordnet. Die Fördervorrichtung 7 fördert dabei das Trägermedium mit einem konstanten ersten Massenstrom M1 in den Messraum 6. Dadurch wird im Messraum 6 ein konstanter Druck aufrechterhalten.
• Im Messraum 6 ist ferner eine Konzentrations-Messvorrichtung 8 angeordnet, welche beispielsweise ein Gaschromatograph in Dünnschichtbauweise sein kann.
• Zur exakten Bestimmung des ersten Massenstroms M1 des Trägermediums ist in der Zufuhrleitung 17 weiter bevorzugt ein Durchflussmesser 18 angeordnet.
• Um zu verhindern, dass eine nicht tropfende, kleine Leckage 9 unmittelbar entlang der Welle 16 in Richtung zur Atmosphärenseite gefördert wird, ist an der Welle 16 eine Umlenkeinrichtung 11 angeordnet. Die Umlenkeinrichtung 11 lenkt dabei einen zweiten Massenstrom M2 der Leckage 9 um 90 Grad in Radialrichtung um. Dadurch wird eine ausreichende Vermischung zwischen dem ersten Massenstrom M1 und dem zweiten Massenstrom M2 erreicht, sodass eine sichere Erfassung der möglicherweise auftretenden kleinen, gasförmigen Leckagen 9 im Messraum 6 durch die Konzentrations-Messvorrichtung 8 möglich ist.
• Die Konzentrations-Messvorrichtung 8 ist mit einer Auswertungseinheit 10 verbunden, welche eingerichtet ist, basierend auf dem Ergebnis der Konzentrations-Messvorrichtung 8 eine Leckage 9 zu bestimmen.
• Das Trägermedium kann beispielsweise Luft sein oder alternativ auch reiner Stickstoff. Die Gleitringdichtungsanordnung 1 wird dabei vorzugsweise dazu verwendet, Kohlenwasserstoffe, welche die nicht tropfende, kleine Leckage bilden, zu erfassen.
• Da das Volumen des Messraums 6 konstant ist und auch ein Druck im Messraum 6 bekannt ist oder gegebenenfalls gemessen werden kann, kann der zweite Massenstrom M2 der Leckage mit folgender Gleichung ungefähr bestimmt werden, da insbesondere der zweite Massenstrom M2 der Leckage sehr viel kleiner ist als der erste Massenstrom M1 des Trägermediums:
• M2 ≈ (c_x - c_x0) · M1, hierbei ist c_x die aktuelle Konzentration des Leckagegases zum Messzeitpunkt und c_x0 die Konzentration des Leckagegases zu einem Startzeitpunkt der Messung.
• 2 zeigt eine Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
• Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind beim zweiten Ausführungsbeispiel der rotierende Gleitring 2 und die Umlenkeinrichtung 11 auf einer Wellenhülse 12 angeordnet. Ferner ist ein Flügel 70 einer Fördervorrichtung 7 ebenfalls auf der Wellenhülse 12 angeordnet.
• Dadurch wird bei einer Rotation der Welle 16 der Flügel 70 mitbewegt, sodass eine Förderung vom Trägermedium aus der Zufuhrleitung 17 in den Messraum 6 möglich ist. Es sei angemerkt, dass hierbei entlang des Umfangs der Wellenhülse 12 mehrere Flügel 70 angeordnet sein können. Somit kann auf eine separate Fördervorrichtung in der Zufuhrleitung 17 verzichtet werden. Dadurch kann insbesondere ein Aufbau der Gleitringdichtungsanordnung 1 weiter vereinfacht werden und auf den Aufwand für eine separate Fördervorrichtung in der Zufuhrleitung verzichtet werden. Ferner ist eine erste Konzentrations-Messvorrichtung 8 im Messraum 6 und eine zweite Konzentrations-Messvorrichtung 8' in der Zufuhrleitung 17 angeordnet. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, sodass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
• Bezugszeichenliste

1

Gleitringdichtungsanordnung

2

Gleitringdichtung

3

rotierender Gleitring

4

stationärer Gleitring

5

Dichtspalt

6

Messraum

7

Fördervorrichtung

8

erste Konzentrations-Messvorrichtung

8'

zweite Konzentrations-Messvorrichtung

9

Leckage

10

Auswertungseinheit

11

Umlenkeinrichtung

12

Wellenhülse

13

Produktbereich

14

Atmosphärenbereich

15

Gehäuse

16

Welle

17

Zufuhrleitung

18

Durchflussmesser

41

Rückseite des stationären Gleitrings

70

Flügel der Fördervorrichtung

M1

erster Massenstrom des Trägermediums

M2

zweiter Massenstrom der Leckage

X-X

Mittelachse der Welle

Claims (10)

1. Gleitringdichtungsanordnung, umfassend • eine Gleitringdichtung (2) mit einem rotierenden Gleitring (3) und einem stationären Gleitring (4), welche zwischen sich einen Dichtspalt (5) definieren, • einen Messraum (6), welcher mit dem Dichtspalt (5) in Fluidverbindung steht, wobei eine über den Dichtspalt (5) auftretende Leckage (9) in den Messraum (6) zuführbar ist, • eine in den Messraum mündende Zufuhrleitung (17) zur Zuleitung eines Trägermediums, wobei ein erster Massenstrom (M1) des Trägermediums größer ist als ein zweiter Massenstrom (M2) der Leckage (9), • eine Fördervorrichtung (7) zur Förderung des Trägermediums in den Messraum (6), • eine erste Konzentrations-Messvorrichtung (8) zur Bestimmung von Bestandteilen des sich im Messraum (6) befindlichen Mediums, und • eine Auswertungseinheit (10), welche eingerichtet ist, basierend auf dem Ergebnis der Konzentrations-Messvorrichtung (8) eine Leckage (9) zu bestimmen.
2. Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Auswertungseinheit (10) eingerichtet ist, eine Größe des zweiten Massenstroms (M2) der Leckage (9) zu bestimmen, insbesondere mit der Gleichung $$\text{M}2\approx \left({\text{c}}_{\text{x}}-{\text{c}}_{\text{x}0}\right)·\text{M}\mathrm{1,}$$

   

   wobei M1 der Massenstrom des Trägermediums, M2 der Massenstrom der Leckage, c_x die Konzentration des Leckagegases zur Messzeit, und c_x0 die Konzentration des Leckagegases zum Messstart ist.
3. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Durchflussmessvorrichtung (18), welche in der Zufuhrleitung (17) angeordnet ist, um eine Größe des ersten Massenstroms (M1) zu bestimmen.
4. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messraum (6) unmittelbar benachbart zur Gleitringdichtung (2) an einer Rückseite (41) des stationären Gleitrings (4) angeordnet ist.
5. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine zweite Konzentrations-Messvorrichtung (8), welche in der Zufuhrleitung (17) angeordnet ist.
6. Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 5, wobei die Auswertungseinheit (10) eingerichtet ist, basierend auf den Signalen der ersten und zweiten Konzentrations-Messvorrichtung (8) eine Menge der Leckage (9) zu bestimmen.
7. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassen eine Wellenhülse (12), auf welcher der rotierende Gleitring (3) und die Fördervorrichtung (7) geordnet sind.
8. Gleitringdichtungsanordnung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Umlenkeinrichtung (11), welche in einem Fluidpfad vom Dichtspalt (5) der Gleitringdichtung (2) zum Messraum (6) angeordnet ist.
9. Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 8, wobei die Umlenkeinrichtung an einem rotierenden Bauteil der Gleitringdichtungsanordnung angeordnet ist.
10. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite Konzentrations-Messvorrichtung (8) ein Gaschromatograph oder ein optisches oder akustisches System zur Gasanalyse ist oder ein nanoelektromechanisches System (NEMS).

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