Pumpen & Armaturen Kreiselpumpen könn(t)en mehr: Eine neue Pumpengeneration vereint das Beste zweier Welten

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Die Anforderungen an Pumpen sind klar: Sicher, effizient und zuverlässig müssen die Strömungsmaschinen sein, doch korrosive Medien bringen die Arbeitspferde der Industrie ins Schwitzen. Kann man sich nur zwischen Verschleiß und Energieverlust entscheiden? Wie ausgekleidete Magnetkupplungspumpen den Fluidik-Maßstab verschieben.

Pumpen halten die Welt am Laufen: Die Strömungsmaschinen sind das Herz nahezu jeder Produktion, ohne das sprichwörtlich nichts läuft. Nicht einmal bei der Elektromobilität: Bei der Produktion der Elektrolyte für Batterien wird Flusssäure verwendet – ein ätzendes und flüchtiges Produkt mit stechendem Geruch, das sicher und zuverlässig gefördert sein will.

Sicherheit ist und bleibt eine zentrale Forderung an Pumpen- und Strömungssysteme: Nicht zuletzt nach verheerenden Unfällen wie im chinesischen Tianjin 2015, der Explosion in Ludwigshafen 2016 oder im Chemiepark Leverkusen 2021 haben Behörden und Betreiber die Anforderungen an die verwendeten Systeme nochmal erhöht. So muss jede Pumpe robust und leckagefrei sein, wenn sie korrosive oder umweltgefährdende Stoffe sicher fördern soll.

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Hier können magnetisch gekuppelte Pumpen ohne durchgehende Welle punkten. Doch natürlich nagen aggressive Fördermedien auch an diesen Strömungsmaschinen. Bauteile wie das Laufrad korrodieren, was den Wirkungsrad verschlechtert und teure Wiederbeschaffungen nach sich zieht. Abhilfe schaffen kunststoffausgekleidete Magnetpumpen, bei denen die mediumberührenden Teile etwa aus PFA oder PTFE gefertigt oder ausgekleidet sind.

Pumpen mit derartigen „inneren Werten“ eignen sich als Alternative zu „exotischen“ und damit teuren Metallwerkstoffen wie Hastelloy, Monel oder Tantal sowie für feststoffbeladene (beim Hersteller Richter Chemie-Technik etwa bis 30 Prozent), kristallisierende, toxische, heiße oder anderweitig kritische Medien.

Man kann nicht alles haben … oder doch?

Leider wird das so erzielte Plus an Standfestigkeit und Sicherheit über leicht verschlechterte Wirkungsgrade und ungünstigere NPSH-Werte erkauft: Kunststoffausgekleidete Pumpen erfordern größere interne Spaltmaße, um Platz für die Ausdehnung des Materials zu bieten. Dazu ist häufig die maximale Förderhöhe begrenzt, da die Belastbarkeit ausgekleideter Laufräder schwierig zu berechnen ist.

Das ist kein theoretisches Problem: Wird eine Pumpe zu lange außerhalb des spezifizierten Betriebsbereiches oder bei zu hohen Medientemperaturen und -dichten betrieben, kann es zum Bruch des Laufrades und dem Totalverlust der Pumpe kommen.

Was tun bei aggressiven Medien?

Es bleibt, zumindest bei aggressiven Medien, in der Praxis häufig bei einem Abwägen: Einfache und bewährte Technik mit Ausfallrisiko oder Abstriche bei der Leistung? Beides zusammen schien kaum zu haben. Und doch ginge es auch anders: Nach der intensiven Analyse der Daten bekannter Laufradbrüche haben die Ingenieure und Entwickler bei Richter Chemie-Technik ein tiefes Verständnis von den Entstehungsmechanismen derartiger Bauteilversagen. Mittels CFD konnte genau ermittelt werden, wie sich die Strömungskräfte in der Pumpe verteilen.

Damit war die Kopplung der CFD-Ergebnisse mit einer FEM-Bauteilberechnung möglich, die zur Ermittlung der Spannungsverteilung im Laufrad führte. Und nicht nur das: Die Ingenieure konnten ein Berechnungstool aufsetzen, mit dem sie mit wenigen Betriebs- und Geräteparametern zuverlässig eine Aussage über die Laufrad-Standfestigkeit treffen können.

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Mit den so gewonnenen Erkenntnissen gelang es, eine ganz neue Laufradgeometrie zu entwerfen: Dabei verteilen Zwischenschaufeln (Splitter Blades) die mechanische Belastung gleichmäßig auf mehrere Laufradschaufeln. Eine Optimierung der Geometrie sorgt im gleichen Atemzug für verbesserte Strömungseigenschaften und gleichmäßigere hydraulische Lasten; außerdem reduziert eine speziell designte Hinterkante die Druckstöße erheblich.

Ausgekleidete Pumpe überwinden Grenzen

Dazu kommt ein „Heavy Duty“-Design, bei dem die metallische Unterstützung von der Radscheibe über die Schaufeln bis in die Deckscheibe reicht. Dabei konnten die Entwickler von Erfahrungen mit Kompressoren profitieren: Hier gehören Maßnahmen, um die Sekundärströmungen im Gehäuse zu reduzieren, längst zum Alltag – immerhin sind Spalthöhe und Wirkungsgradverlust annähernd proportional.

Mit einer geschickten konstruktiven Ausgestaltung lässt sich das Spaltmaß so weit optimieren, dass der Gesamtwirkungsgrad an das Niveau vollmetallischer Pumpen heranreicht.

Ist der Gegensatz zwischen metallischen Kreiselpumpen und ausgekleideten Magnetpumpen damit obsolet? Zumindest scheint die Performance- und Sicherheitslücke deutlich kleiner geworden zu sein. Anders ausgedrückt: Das beste beider Welten wird auf diese Weise – zumindest in der Fluidik – für Anwender greifbar. Wirkungsgrad, Förderhöhe oder NPSH-Wert müssen kein Gegensatz zu Zuverlässigkeit, langen Standzeiten und Betriebssicherheit sein, sind sich die Entwickler sicher.

Das beste zweier Pumpen-Welten

Auf diese Weise helfen Pumpen heute, die Welt von morgen zu bauen – und das zuweilen wortwörtlich. So etwa beim wichtigsten Baustoff: Beton. Der künstliche Stein wird weltweit im Milliarden-Tonnen-Maßstab hergestellt. Tragischerweise ist der wichtigste Bestandteil, Zement, ein heimlicher Klimakiller mit enormen CO₂-Emissionen. Fast 2,8 Milliarden Tonnen oder zwischen sechs und neun Prozent der menschengemachten Kohlendioxidemissionen gehen auf das Konto der Zementwerke.

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Die Industrie ist sich des Problems bewusst: Bis 2050, so haben es die deutschen Hersteller verkündet, wolle man emissionsneutral werden. Für diesen Zweck arbeiten namhafte Zementfirmen in Deutschland und den USA an einer Verfahrenstechnik, bei dem CO₂ abgeschieden und wiederverwertet wird (Carbon Capture and Utilisation, CCU). Rund 60 Prozent der Emissionen ließen sich auf diese Weise einsparen, sind sich die Entwickler sicher. Was das Ganze mit Pumpen zu tun hat?

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Die verwendeten Stoffe wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid sind keine einfachen Fördermedien – kein Wunder, dass auch hier ausgekleidete Pumpen und Armaturen von Richter Chemie-Technik in entsprechenden Produktionsprozessen der Zukunft fest eingeplant sind. (dst)

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