WO2014053290A1 - Doppelspalttopf und verfahren zur überwachung eines doppelspalttopfs - Google Patents

Abstract

Doppelspalttopf, insbesondere zum Einbau in eine Magnetkupplungsanordnung, mit einem Innentopf (1) und einem Außentopf (2), deren Wände einen Zwischenraum (Z) mit einem zylindrischen Bereich einschließen, wobei der zylindrische Bereich mit einer insbesondere festen Einlage aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere einer Grafiteinlage (3) ausgefüllt ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Zwischenraum (Z) ein isoliertes Thermoelement, welches insbesondere als Thermoelementdraht (4) ausgebildet ist, aufweist.

Description

Doppelspalttopf und Verfahren zur

Überwachung eines Doppelspalttopfs

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Doppelspalttopf, insbesondere zum Einbau in eine Magnetkupplungsanordnung und ein Verfahren zur Überwachung eines Doppelspalttopfs.

Derartige Spalttöpfe finden Verwendung als Bauteil in Magnetkupplungen in Pumpen, Rührwerken, Lüftern, Mischern, Zentrifugen, etc. welche insbesondere in der chemischen Industrie und in der Reaktortechnik im Umgang mit aggressiven, giftigen oder explosiven Fördermedien eingesetzt werden.

In der europäischen Patentanmeldung EP 0 286 822 A2 ist ein doppelschaliger Spalttopf für einen Magnetpumpenantrieb beschrieben, bei dem sich ein Innen- und ein Außentopf im Bereich ihrer zylindrischen Mantelflächen berühren. Zwischen den beiden Mantelflächen ist ein sogenanntes Wegenetz angeordnet, welches eine Art Kanalnetz für ein Überwachungsmedium darstellt, mit welchem die Unversehrtheit der beiden Topfschalen überwacht werden kann.

Auch in der europäischen Patentanmeldung EP 1 777 414 A1 ist ein doppelschaliger Spalttopf für einen Magnetpumpenantrieb beschrieben, zwischen dessen beiden Schalen ein Kanalnetz für ein flüssiges Medium derart angeordnet ist, dass es den Zwischenraum zwischen dem Außentopf und dem Innentopf ausfüllt. Diese Anordnung soll die Wärmeleitfähigkeit zwischen den Töpfen gewährleisten, sodass anfallende Wärme zuverlässig über den Innentopf an das von der Pumpe zu fördernde Medium abgegeben werden kann. Die genannten Systeme haben jedoch Nachteile. So führen die systembedingt entstehenden Wirbelströme der rotierenden Magnetkupplung zu einer Temperaturerhöhung im Spalttopf. Die Erwärmung des Innentopfes kann hierbei durch einen inneren, zirkulierenden Flüssigkeitsstrom abgeführt werden. Die Wärme des Außentopfes kann jedoch nicht ausreichend abgeführt werden. Dies ist einerseits auf die nicht ausreichende Abstrahlung an die Atmosphäre und andererseits auf die niedrige Wärmeleitfähigkeit der luftgefüllten Zwischenräume zwischen Innen- und Außentopf zurückzuführen. Bei übermäßiger Erwärmung kann es deshalb zu Verformungen des Außentopfes kommen. Um hier eine Verbesserung zuschaffen und eine höhere Wärmeleitfähigkeit zwischen Innen- und Außentopf zu erreichen, wird in dem Wegenetz ein flüssiges Medium mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingebracht. Dies hat aber den Nachteil, dass dadurch ein Zugang für das flüssige Medium, eine entsprechende Entlüftung und ggf. ein weiterer Überwachungsanschluss benötigt werden. Da Flüssigkeiten im Allgemeinen inkompressibel sind, muss die Einsatztemperatur stark eingeschränkt werden oder der sich durch die Erwärmung bildende Druck zwischen den beiden Töpfen durch eine aufwändige Druckentlastungsmaßnahme kompensiert werden. Nur dann ist eine korrekte Drucküberwachung des Zwischenraumes zwischen dem Außentopf und dem Innentopf möglich und eine Verformung des Innenbzw. Außentopfes durch Überlastung zu verhindern. Nachteilig bei diesen Systemen ist auch, dass sie aufwändige Messapparaturen und zusätzliche Anschlüsse im Bereich des Spalttopflansches erfordern. Auch das Temperaturgefälle zwischen Innen- und Außentopf und die Druckbeaufschlagung des Zwischenraums werden nachteilig gesehen.

Der in dem Sonderdruck der Fa. Burgmann (Dr.-Ing. Bertold Matz, Dipl.-Ing. Hans Georg Scherer:„Grundlagen der Magnetkupplung. Funktionsweise und Auslegung", Sonderdruckreihe Fa. Burgmann 56D) beschriebene doppelwandige Spalttopf ist nur bei sehr niedrigen Wirbelstromverlusten einsetzbar, da der mit Luft gefüllte Zwischenraum zwischen dem Innen- und dem Außentopf eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt und es so zu einem großen Anstieg der Temperatur des Außentopfes kommen kann. Um dies zu vermeiden muss eine ausreichend große Menge an Kühlflüssigkeit durch den Zwischenraum zirkulieren, um die Wirbelstromverluste abzuführen.

Es sind auch doppelwandige Spalttöpfe bekannt, in deren Zwischenraum zur Überwachung der Unversehrtheit der Spalttöpfe ein überwachtes Vakuum erzeugt wird. Hierbei ist stets der Dampfdruck des Fördermediums zu beachten. Die Übertragungsleistung bzw. das Drehmoment einer Magnetkupplung wird stark beeinflusst durch den Spalt zwischen dem Innen- und Außenmagneten bzw. von dem Verhältnis zwischen Magnetspalt und Rotordurchmesser. Je kleiner der Spalt zwischen den Magneten, desto größer ist das übertragbare Drehmoment bei gleichbleibendem Rotordurchmesser, während die Kosten für das Magnetmaterial annähernd gleich bleiben. Der Reduzierung des Magnetspaltes sind aus sicherheitstechnischen Gründen Grenzen gesetzt. Die Spalte zwischen dem Spalttopf und den Innen- und Außenmagneten sind so zu wählen, dass unter allen Betriebsbedingungen ein sicherer Betrieb ohne Anlaufen der Magnetkupplung an den Spalttopf gewährleistet ist.

Neuerdings spielt der Sicherheitsgedanke gerade bei der Forderung hochgefährlicher und toxischer Fördermedien eine immer wichtigere Rolle. Der Trend geht dahin, dass bei solchen Fördermedien eine zweite Barriere dafür sorgen soll, dass bei einem Spalttopfschaden kein Fördermedium zur Atmosphäre hin austritt. Wie schon beschrieben gibt es hierzu unterschiedliche Ansätze, die alle mehr oder weniger mit Nachteilen behaftet sind.

Die DE 603 19 668 T2 beschreibt ein Herstellungsverfahren eines rückseitigen Gehäuses bzw. Spalttopfs aus zwei Schichten eines thermoplastischen Materials mit oder ohne faserförmige Verstärkungsmaterialien.

In der DE 37 04 671 A1 wird ein Wegenetz bzw. eine netzartige Gewebematte beschrieben, die bei einem schadhaften Innentopf das Medium zu einer außen liegenden Anzeigevorrichtung führen soll. Die Funktion dieses Systems ist wie schon beschrieben für Spalttöpfe aus Metall nicht praktikabel.

Aus der US 6,293,772 ist ein zweilagiger formschlüssiger Aufbau eines Spalttopfes aus Kunststoff bekannt, welcher zur Absicherung der Korrosions- und Druckbeständigkeit dient. Zur weiteren Festigkeitssteigerung ist der Spalttopfboden zwischen den beiden Schichten mit einer formschlüssigen metallischen Einlage versehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spalttopf vorzuschlagen, bei dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden oder zumindest stark verringert werden und mit welchem eine Überwachung eines Doppelspalttopfes auf sicheren Betrieb möglich ist. Die Aufgabe wird gelöst mit einem Spalttopf gemäß Anspruch 1 , nämlich einem Doppelspalttopf, insbesondere zum Einbau in eine Magnetkupplungsanordnung, mit einem Innentopf und einem Außentopf, deren Wände einen Zwischenraum mit einem zylindrischen Bereich einschließen, wobei der zylindrische Bereich mit einer insbesondere festen Einlage aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere einer Grafiteinlage ausgefüllt ist. Die im Betrieb der Kupplung entstehende Temperaturerhöhung des Außentopfes durch die Wirbelstromverluste kann aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Grafit sehr gut nach innen an den Innentopf abgeleitet werden und durch den im Inneren der Pumpe zirkulierenden Flüssigkeitsstrom des Fördermediums abgeführt werden. Darüber hinaus hat Grafit eine hohe chemische Korrosionsbeständigkeit gegenüber nahezu allen denkbaren Fördermedien.

In der Erfindung weist die Grafiteinlage des Doppelspalttopfs ein isoliertes Thermoelement, welches insbesondere als Thermoelementdraht ausgebildet ist, auf. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass für den Fall einer Leckage im Innentopf und im Außentopf die Isolierung des Thermoelements angegriffen bzw. diese durch einen chemischen Angriff aufgelöst wird, die abisolierte blanke Stelle des Thermoelements, bzw. Thermoelementdrahts entweder am Innen- oder Außentopf anliegt. Dadurch kommt es zu einem Überschlag, welcher messtechnisch ausgewertet werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Thermoelement über einen Leiter mit einer Anschlussbuchse verbunden, welche zur Kommunikation mit einer Messeinrichtung geeignet ist. Der mit dem Thermoelement verbundene Leiter kann aus dem Zwischenraum nach außen gezogen und für Überwachungszwecke zu einer Messeinrichtung geführt werden. Hiermit können mit dem Thermoelement vorteilhafterweise z. B. nachfolgende Überwachungen durchgeführt werden: die zuvor genannte Leckageüberwachung, Drahtbruch durch einen beschädigten Innenoder Außentopf, hervorgerufen z. B. durch einen schleifenden Innen- oder Außenmagneten und ein Temperaturanstieg in der Kupplung. Der (Norm-)Widerstand wird im zusammengebauten Zustand bei Raumtemperatur ermittelt bzw. kalibriert. Jede Temperaturänderung hat auch eine Widerstandsänderung zur Folge.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird ein Verfahren zur Überwachung eines Doppelspalttopfs mit einem Thermoelement, welches insbesondere als Thermoelementdraht ausgebildet ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 3 vorgeschlagen. Dieses Verfahren stellt vorteilhafterweise eine einfache und ökonomische Betriebsweise eines Doppelspalttopfs sicher.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Schnittbild einer Pumpe aus dem Stand der Technik, in welcher ein in einer Magnetkupplung angeordneter Doppelspalttopf dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Doppelspalttopf in perspektivischer Teilschnittdarstellung.

Fig. 3 zeigt den Doppelspalttopf gemäß Fig. 2 in einem durch seine Längsachse laufenden Schnitt.

Fig. 4 zeigt eine Einzelheit des Doppelspalttopf gemäß Fig. 3 links oben, stark vergrößert im Schnitt, wobei die Details der erfindungsgemäßen Anordnung hervorgehoben dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Magnetkupplung M gemäß dem Stand der Technik, eingebaut in einer Kreiselpumpe KP. Das Fördermedium der Pumpe wird durch einen Doppelspalttopf S hermetisch gegen die Atmosphäre abgedichtet. Es ist keine Wellendurchführung nach außen vorhanden. Die erforderliche Antriebsleistung wird vom (nicht gezeigten) Motor über Außenmagnete AM auf eine innere Magnetkupplung und damit auf das Laufrad LR der Pumpe übertragen. Innere IM und äußere AM Magnete sind per Feldlinien kraftschlüssig verbunden und laufen synchron zueinander. Es ist kein Schlupf vorhanden. Die Motordrehzahl entspricht der Kupplungsdrehzahl. Da die magnetischen Feldlinien den standardmäßig metallischen Spalttopf S schneiden, entstehen aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Werkstoffes Wirbelstromverluste, die sich in Wärme umsetzen und zu einem Anstieg der Spalttopftemperatur führen. Diese Temperaturerhöhung muss durch einen inneren Zirkulationsstrom abgeführt werden.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Doppelspalttopf S, mit einer Innenwand 1 und einer Außenwand 2, deren Wände einen Zwischenraum Z mit einem zylindrischen Bereich einschließen. Fig. 3 zeigt den Doppelspalttopf gemäß Fig. 2 in einem durch seine Längsachse laufenden Schnitt.

In dem in Fig. 4 gezeigten Ausschnitt des Doppelspalttopfs gemäß Fig. 3 sind die Details einer vorteilhaften Weiterbildung eines erfindungsgemäßen doppelwandigen Spalttopfs stark vergrößert dargestellt. Der Bereich Z zwischen dem Innentopf 1 und dem Außentopf 2 - also der Zwischenraum Z, den Innentopf 1 und Außentopf 2, bzw. deren zylindrische Wände einschließen - wird beispielsweise mit einer festen Grafit- einlage 3 ausgefüllt. Grafit hat den Vorteil einer hohen Wärmeleitfähigkeit und der chemischen Korrosionsbeständigkeit gegenüber fast allen Medien. In diese feste Grafiteinlage 3 ist z. B. ein sehr dünner isolierter Thermoelementdraht 4 eingebracht, bzw. z. B. eingewoben, der aus dem zylindrischen Bereich Z nach außen herausgeführt und für Überwachungszwecke in eine Anschlussbuchse 6 geführt wird, von welcher aus eine Verbindung zu einer (nicht gezeigten) Überwachungseinrichtung geschaffen werden kann. Eine Kabeldurchführung ist nach außen über zwei Dichtungen 5 abgesichert.

Das Material des äußeren Spalttopfs 2 kann anstatt aus Metall auch aus Kunststoff oder faserverstärktem Kunststoff bestehen. Die beispielsweise, feste Grafiteinlage 3 kann auch aus einem in den Zwischenraum Z eingebrachten Pulver bestehen, welches in einem geeigneten Verfahren verfestigt wird.

Mit dieser Anordnung können über das Thermoelement bzw. den Thermoelementdraht 3, 4 vorteilhafterweise z. B. nachfolgende Überwachungen durchgeführt werden: die zuvor genannte Leckageüberwachung, Drahtbruch durch einen beschädigten Innen- oder Außentopf, hervorgerufen z. B. durch einen schleifenden Innen- oder Außenmagneten, sowie ein Temperaturanstieg in der Kupplung. Der (Norm-) Widerstand wird im zusammengebauten Zustand bei Raumtemperatur ermittelt bzw. kalibriert. Jede Temperaturänderung hat auch eine Widerstandsänderung zur Folge.

Wird die Isolierung des Thermoelementdrahtes 3, 4 angegriffen bzw. löst sich diese durch einen chemischen Angriff auf, liegt die abisolierte blanke Stelle des Drahtes entweder am Innentopf 1 oder am Außentopf 2 an. Es kommt zu einem elektrischen Überschlag, welcher messtechnisch ausgewertet werden kann. Es ist ein Drahtbruch durch einen beschädigten Innentopf 1 oder Außentopf 2, hervorgerufen z.B. durch einen schleifenden Innen- oder Außenmagnet, detek- tierbar.

Messung eines Temperaturanstiegs: Der Widerstand wird im zusammengebauten Zustand bei Raumtemperatur ermittelt bzw. kalibriert. Jede Temperaturänderung hat auch eine Widerstandsänderung zur Folge. Bei der beispielhaften in Fig. 3 und 4 gezeigten Konstruktion sind der Innentopf 1 , der Außentopf 2 und die Grafiteinlage 3 kraftschlüssig miteinander verbunden. Die durch die Wirbelstromverluste entstehende Temperaturerhöhung des Außentopfes 2 kann aufgrund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit der festen Zwischenschicht 3 nach innen abgeleitet werden und weiter durch den im Inneren der Pumpe zirkulierenden Flüssigkeitsstrom abgeführt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Doppelspalttopf, insbesondere zum Einbau in eine Magnetkupplungsanordnung, mit einem Innentopf (1 ) und einem Außentopf (2), deren Wände einen Zwischenraum (Z) mit einem zylindrischen Bereich einschließen, wobei der zylindrische Bereich mit einer insbesondere festen Einlage aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere einer Grafiteinlage (3) ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (Z) ein isoliertes Thermoelement, welches insbesondere als Thermoelementdraht (4) ausgebildet ist, aufweist.

2 . Doppelspalttopf nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (4) über einen Leiter (7) mit einer Anschlussbuchse (6) verbunden ist, welche zur Kommunikation mit einer Messeinrichtung geeignet ist.

3. Doppelspalttopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (3) aus einem pulverförmigen Material besteht, welches nach dem Einfüllen verfestigt werden kann.

4. Verfahren zur Überwachung eines Doppelspalttopfs mit einem Thermoelement, welches insbesondere als Thermoelementdraht (4) ausgebildet ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoelementdraht (4) mit einer Messeinrichtung für Überwachungszwecke verbunden ist.

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