Kreiselpumpen Innovative Kreiselpumpen für Wärmeübertragungsanlagen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Gerd Uhrig / Dr. Jörg Kempf

Die Vorteile von synthetischen Mineralölen bei der Wärmeübertragung sind unübertroffen. Bisheriges Manko war jedoch, dass nicht die passenden Pumpen zur Verfügung standen. Eine neue Kreiselpumpe wird nun allen Ansprüchen an die Förderung synthetischer Wärmeträgeröle gerecht.

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Während lange Zeit Wasser als ideales Wärmeübertragungsmittel galt, nutzte man seit den fünfziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts mehr und mehr aliphatische Kohlenwasserstoffe – also Mineralöle – als Wärmeträger. Im Prinzip handelte es sich dabei um Schmieröle, die nach und nach in der Rezeptur verbessert und an die besonderen Anforderungen der Wärmeübertragung angepasst wurden. Die etwa um die Hälfte geringere Wärmekapazität im Vergleich zu Wasser konnte mit höheren Vorlauftemperaturen bis ca. 280 °C wettgemacht werden.

Da mit den Wärmeträgerölen drucklos sehr hohe Temperaturen gefahren werden konnten, setzte sich die Wärmeübertragungstechnik mit zentraler Wärmeerzeugung immer mehr durch, z.B. in Reaktoren der chemischen Industrie und Pharmazeutik, in der Kunststoffverarbeitung oder auch in der Lebensmittelindustrie. Zuvor musste jedoch die Pumpentechnologie zur Förderung des Wärmeträgers angepasst werden. Zwar mussten die Pumpen nun nicht mehr mit hohem Vordruck arbeiten, doch Dichtungen und Lager waren extrem hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt. Die eingesetzten Pumpen waren entweder sehr anfällig für Leckagen oder sehr teuer und mit teuren und energieineffizienten Kühlvorrichtungen für die Dichtungen ausgestattet.

Entscheidender Impuls Anfang der siebziger Jahre

Einen entscheidenden Impuls gab Anfang der siebziger Jahre die Einführung eines neuen Kreiselpumpenkonzeptes: Die Dichtung – in Kreiselpumpen normalerweise direkt hinter dem Laufrad angeordnet – wurde hinter das pumpenseitige Lager verlegt. Dieses wurde nun nicht mehr durch Lagerfett oder Schmieröl, sondern vom geförderten Wärmeträgeröl geschmiert. Der Bereich zwischen der Gehäuserückwand und dem Spülraum der Dichtung wurde als rohrförmige Wärmesperre mit geringem Querschnitt ausgebildet. Dadurch wurde die Dichtung von Medium mit einer wesentlich geringeren Temperatur (ca. 80 bis 100 °C) als in der Anlage umgeben. Auf diese Weise konnte das Wärmeträgeröl mit maximaler Vorlauftemperatur gefördert werden, ohne dass es einer – über den vom Antriebsmotor hervorgerufenen Luftstrom hinausgehenden – Kühlung der einfach ausgeführten Dichtung bedurfte.

Unrentable Betriebsweise bei Mineralölen

Die Wärmeträgertechnologie mit Mineralölen stieß jedoch an ihre Grenzen. Die kettenförmigen Kohlenwasserstoffe zersetzen sich mit der Zeit in so genannte Leichtsieder und Schwersieder. Je höher die Temperatur des Wärmeträgers, desto stärker ist die Zersetzungsrate, wobei eine Temperaturerhöhung um 10 °C ungefähr eine Verdoppelung der Zersetzungsrate bewirkt. Die Leichtsieder – kurzkettige Moleküle mit niedrigen Siedetemperaturen – können im Rohrleitungssystem in die Dampfphase übergehen. Da im Saugmund der Pumpe der niedrigste Druck im System vorliegt, führt ein zu hoher Leichtsiederanteil dazu, dass die Pumpe in Kavitation läuft. Dadurch wird nicht nur die Pumpe durch Schwingungen und Trockenlauf und in der Folge Leckage und Lagerausfall stark in Mitleidenschaft gezogen, sondern die Kavitation führt auch zur Verminderung oder gar zum Zusammenbruch der Förderleistung. In der Folge steigt die Filmtemperatur im Wärmetauscher des Brenners stark an, da nicht genügend Öl zur Kühlung nachfließt, und die Zersetzungsrate ist noch höher – ein Teufelskreis setzt ein.

Die Schwersieder treten in bitumenartiger Konsistenz bis hin zu extrem harten Verkokungsprodukten auf. Sie können sich zum einen auf den Innenflächen der Wärmetauscher ablagern und dort den Wärmeübergang verschlechtern, was bis zur Zerstörung des Wandmaterials führen kann. Zum anderen können sie als harte Partikel zu Funktionsstörungen und Verschleiß bei Pumpen und Armaturen führen. Die Grenztemperatur für eine typische Mineralölanlage liegt bei ca. 270 °C. Je mehr sich die Temperatur auf 300 °C zu bewegt, desto kritischer wird es. Bei 300 °C muss ein mineralisches Wärmeträgeröl typischerweise alle ein bis zwei Jahre ausgetauscht werden – eine sehr unrentable Betriebsweise, besonders wenn man die Stillstandzeiten der Anlage berücksichtigt.

Verstärkter Trend zu synthetischen Ölen

Auf diese Herausforderungen hat die chemische Industrie mit der Entwicklung synthetischer Wärmeträgeröle reagiert. Diese basieren meist auf Aromaten, die chemisch deutlich stabiler als die kettenförmigen Aliphate sind. Seit Ende der achtziger, Anfang der neunziger Jahre zeigt sich ein verstärkter Trend zur Verwendung von synthetischen Wärmeträgerölen in Wärmeträgeranlagen. Diese Medien zeichnen sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit bis über 350 °C und/oder durch hohe Wärmeübertragungsfähigkeiten und niedrige Viskositäten innerhalb eines breiten Temperaturspektrums aus. Letztere Eigenschaft führte zur steigenden Verbreitung von Heiß/Kalt-Anlagen, mit denen sowohl erhitzt als auch gekühlt werden kann.

Bei synthetischen Wärmeträgern zur Verwendung in der Dampfphase handelt es sich um eutektische Gemische mit einphasigem Aggregatzustand (es gibt einen Siedepunkt, keinen Siedebereich). Damit ist eine exakte Temperatursteuerung durch Regelung des Verdampfungsdruckes möglich. Zu erwähnen wären noch Wärmeträger auf Silikonölbasis, die nicht ganz so gute Wärmeübertragungseigenschaften wie die Aromate haben, mit denen aber besonders hohe Anwendungstemperaturen drucklos erreicht werden können.

Vom Gesichtspunkt der Lebenszykluskosten macht der Einsatz synthetischer Wärmeträgeröle sehr oft Sinn, obwohl der Anschaffungspreis oft deutlich höher als bei mineralischen Ölen liegt. In vielen Fällen macht der verringerte Wartungsaufwand der temperaturbeständigeren synthetischen Wärmeträger den Mehrpreis bei der Anschaffung mehr als wett. Bis 300 °C gelten hochwertige synthetische Öle quasi als wartungsfrei.

Höchstleistungen von der Pumpe gefordert

Trotz dieser Vorteile werden immer noch die meisten Wärmeübertragungssysteme mit Wärmeträgern auf Mineralölbasis betrieben. Als Grund werden meist die höheren Beschaffungskosten für den Wärmeträger angegeben. Behindernd wirkt auch die Tatsache, dass sich die Markt dominierenden, preiswerten Pumpen mit luftgekühlten Wellenabdichtungen der ersten Generation zur Förderung niedrigviskoser Wärmeträgermedien nur bedingt eignen.

Zwei Eigenschaften synthetischer Wärmeträgeröle machen die Förderung mit herkömmlichen Pumpen problematisch: die niedrige Viskosität und die geringe Schmierfähigkeit. Das pumpenseitige, mit dem Fördermedium geschmierte Lager muss in der Lage sein, auch bei Viskositäten bis hinunter zu 0,2 cSt sicher zu funktionieren. Bei der Wellenabdichtung macht insbesondere die geringe Schmierwirkung synthetischer Öle Probleme. Die tribologische Belastung der Gleitpartner der eingesetzten Gleitringdichtungen ist besonders hoch. Kommt es zu kurzzeitigem Trockenlauf, insbesondere durch gelöste Gase, die im Dichtungsraum ausperlen, kann die Dichtfläche deutlich geschädigt werden – die Dichtung leckt.

Großflächige Schmierung macht’s möglich

Mit der Baureihe Allheat hat Allweiler eine Wärmeträgerpumpe auf den Markt gebracht, die den Ansprüchen an die Förderung synthetischer Wärmeträgeröle vollkommen gerecht wird. Dabei wird das Grundprinzip der ersten Generation beibehalten. Die Dichtung benötigt keinerlei Fremdkühlung. Das Geheimnis liegt in der besonderen Ausführung der Lagerung, die als Gleitlager gestaltet ist, und des Dichtungsraumes. Im Betrieb mit dünnflüssigen synthetischen Wärmeträgerölen ist aufgrund der Lagergeometrie der Schmierfilm im Lager oft so gering, dass es zu Kantenläufern und damit zu Überhitzung und Trockenlauf im Lager kommen kann. Im Gegensatz dazu sorgt bei der Allheat eine besondere Lagergeometrie und insbesondere die kippbewegliche Aufhängung des Lagers dafür, dass die Gleitpartner immer großflächig und mit ausreichendem Schmierfilm aufeinander gleiten. Im Normalfall arbeitet das Gleitlager der Allheat verschleißfrei. Der Dichtungsraum der Allheat ist so gestaltet, dass ein evtl. auftretender Gasring um die Dichtung abgestreift wird. Ausgasungen können in einer beruhigten Zone gesammelt und sicher entlüftet werden, ohne dass sie die Gleitflächen der Dichtung in Mitleidenschaft ziehen.

Darüber hinaus weist der Lagerträger der Pumpe durch eine besondere Fachwerkstruktur eine sehr hohe mechanische Festigkeit auf, die insbesondere in Hochtemperaturanlagen, in denen starke Wärmedehnungen und damit Kräfte auftreten, für einen einwandfreien Lauf wichtig ist. Die Konstruktion ist in einer einheitlichen Ausführung geeignet für alle Wärmeträgeröle bis 350 °C und für Heißwasser bis 207 °C. Die im Oktober letzten Jahres auf der WTT Expo vorgestellte Allheat 1000 fördert im optimalen Betriebspunkt 1000 m3/h auf 80 m. Bei 20 °C Temperaturspreizung lässt sich damit eine Wärmeleistung von 10 MW übertragen. Dabei ist es gelungen, diese Förderleistung mit einem kompakten Aggregat der Größe 200-250 bei 2900 1/min zu erreichen. Die Pumpe ist dadurch günstig in der Anschaffung, genügt aber gleichzeitig höchsten Sicherheitsansprüchen, da die Belastung von Lagern und Dichtung auf ein Minimum reduziert wurde.

Der Autor ist Mitarbeiter der Allweiler AG, Radolfzell.

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