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Magnetkupplungen So reduzieren Sie Energiekosten bei der Abdichtung mit Magnetkupplungen

Autor / Redakteur: Robert Rusp, Kerstin Bechtel / Dr. Jörg Kempf

Magnetkupplungen zur hermetischen Abdichtung von Pumpen, Rührwerken und Gebläsen werden schon seit Langem in vielen Chemie- und Raffinerieanlagen eingesetzt. Schärfere Emissionsregulierungen und die meist geringeren Instandhaltungskosten begünstigen diesen Trend. Auf der Suche nach mehr Effizienz und der Erweiterung des Einsatzspektrums rücken hocheffiziente Spalttopfmaterialien immer stärker in den Vordergrund. Die richtige Auswahl spielt hier eine entscheidende Rolle.

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Abb. 1: Aufbau eines Nova-Magnetics-Spalttopfes
Abb. 1: Aufbau eines Nova-Magnetics-Spalttopfes
( Bild: Burgmann )

Magnetkupplungen dichten das Prozessmedium hermetisch gegen die Atmosphäre ab. Dabei wird das Drehmoment mittels eines rotierenden Magnetfeldes durch den Spalttopf hindurch auf die Pumpenwelle übertragen. Besteht der Spalttopf aus einem elektrisch leitfähigen Material, werden durch das rotierende Magnetfeld so genannte Wirbelströme induziert. Diese werden in Wärme umgewandelt und führen damit gerade bei größeren Antriebsleistungen und Drehzahlen zu nicht unerheblichen Leistungsverlusten von bis zu 15 Prozent. Weitere Einflussgrößen auf die Wirbelstromverluste sind die Wandstärke und die elektrische Leitfähigkeit des Spalttopfmaterials.

Mit dem geringeren Systemwirkungsgrad ist ein höherer Energieverbrauch verbunden, der leicht 10 kW und mehr betragen kann. Durch den durch die Wirbelströme verursachten Wärmeeintrag erhöht sich die Temperatur an den innenliegenden Magneten und im Lagerbereich, was die maximal zulässige Prozesstemperatur signifikant reduziert, da Standard-Magnete bei Temperaturen von >250 °C entmagnetisiert werden. Darüber hinaus reduziert sich die Lebensdauer der Lager mit steigender Temperatur. Es besteht ebenfalls die Gefahr, dass sich das Prozessmedium über den Siedepunkt hinaus erwärmt, was zu Druckschwankungen im System bis hin zum Abriss des Schmierfilms im Lager und damit zu Trockenlauf führen kann. Normalerweise wird die Wärme durch das zirkulierende Prozessmedium abgeführt, was bei trockenlaufenden Anwendungen, z.B. oben angetriebene Rührwerke oder Gebläse, jedoch nicht möglich ist.

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Die Wirbelstromverluste sind somit nicht nur ein Kostentreiber bei den Betriebskosten, sondern auch ein Sicherheitsrisiko. Zusätzlich schränkt die Temperaturerhöhung durch Wirbelstromverluste den Einsatzbereich in explosionsfähiger Umgebung (Atex) ein.

Keramik oder Kunststoff?

Zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Wirbelstromverlusten gibt es verschiedene Alternativen, zum einen den Einsatz von Materialien mit einer sehr niedrigen Leitfähigkeit, z.B. Keramik oder Kunststoff, oder zum anderen eine Segmentierung des Spalttopfes (Nova-Magnetics), womit Wirbelstromverluste drastisch reduziert werden können.

Aus dem Bereich der technischen Keramiken wird vor allem Zirkoniumoxid eingesetzt. Durch die sehr geringe elektrische Leitfähigkeit werden Wirbelstromverluste vermieden. Dieses Material hat eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und kann bei Temperaturen von bis zu 300 °C eingesetzt werden. Die Wärmeausdehnung ist ähnlich der von Metall und im Vergleich zu Siliziumcarbid ist es etwas weniger spröde. Trotzdem kommt es während der Montage immer wieder vor, dass der Spalttopf beschädigt wird. Ein Nachteil bisher ist die relativ geringe Druckeinsatzgrenze von maximal 16 bar bei Standardwandstärken.

Der Einsatz von Kunststoffen kann ebenfalls die Entstehung von Wirbelströmen verhindern. Die Einsatzgrenzen eines massiven Kunststoffspalttopfes sind allerdings hinsichtlich des maximalen Druckes (bis 16 bar) begrenzt. Deshalb werden faserverstärkte Materialien, z.B. kohlefaserverstärktes PEEK, bevorzugt eingesetzt. Damit können mittlerweile sogar Betriebsdrücke bis zu 40 bar und Prozesstemperaturen bis zu 120 °C abgedichtet werden. Kunststoff hat auch Vorteile in der Handhabung bei der Montage, da er unempfindlich gegen Stöße ist.

Spalttöpfe aus Keramik oder PEEK-Composite kommen häufig bei Anwendungen mit hohen Drehzahlen und Drehmomenten bis zu 400 Nm zum Einsatz. Vor allem, wenn kein Kühlmedium zur Verfügung steht, z.B. bei Rührwerken mit Obenantrieb oder Lüftern, sind sie oft die einzige Alternative.

Wenn die Anforderungen steigen

Können aufgrund von höheren Anforderungen weder Keramik- noch Kunststoff-Spalttöpfe eingesetzt werden, dann sind die Nova-Magnetics Spalttöpfe in Segment-Bauweise eine gute Alternative. Der Spalttopf ist zweilagig aufgebaut, wobei der innere Teil die Radialkräfte aufnimmt und aus einzelnen Ringen besteht, die durch PTFE-Dichtungen elektrisch voneinander isoliert und abgedichtet sind. Der äußere Teil ist geschlitzt ausgeführt und nimmt die Axialkräfte auf (siehe Abb. 1). Um eine eventuell auftretende Anregung der Stege in ihrer Eigenfrequenz durch den Motor auszuschließen, wird die Auslegung entsprechend gewählt. Bedingt durch die patentierte Segmentierung werden Wirbelströme um etwa 80 Prozent gegenüber Hastelloy (siehe Abb. 2) reduziert. Die Kosten sind durch die vergleichsweise aufwändige Konstruktion allerdings etwas höher als bei den beiden vorher genannten Alternativen. Durch den Einsatz metallischer Werkstoffe ist die Druckfestigkeit sehr gut, sodass die Druckgrenze im Standardbereich bei 45 bar und im Nicht-Standard Bereich bei 100 bar liegt. In Einzelfällen wurden sogar schon Drücke bis 1000 bar abgedichtet. Kundenspezifische Konstruktionen, z.B. doppelwandige Ausführungen für besonders gefährliche Prozessmedien oder zum Einbau von Sensoren sind möglich. Bei Kunststoff- oder Keramik-Spalttöpfen sind kundenspezifische Lösungen nicht so einfach umzusetzen, da jede Abweichung vom Standard zu hohen Werkzeugkosten führt.

Beispielrechnungen

Nachdem die sicherheitstechnischen Vorteile und die höhere Energieeffizienz der hier aufgezeigten Spalttopf-Alternativen klar auf der Hand liegen, stellt sich für den Betreiber natürlich noch die Frage, ob sich diese auch wirtschaftlich rechnen. Die Diagramme in Abb. 3 und Abb. 4 zeigen an zwei Beispielen, wann – ausgehend von den höheren Anschaffungskosten für wirbelstromarme bzw. -freie Spalttöpfe – der ROI (return on invest) erreicht ist: in vielen Fällen schon unter einem Jahr.

Die hier dargestellten Kosten beinhalten die Investitionskosten für den Spalttopf und die Energiekosten für die Wirbelstromverluste.

Mit den hier vorgestellten alternativen Werkstoffen zu metallischen Spalttöpfen, wird der Einsatz von Magnetkupplungen wieder attraktiver. Potenzial zur Weiterentwicklung liegt noch in der – meist integrierten – Lagerung. Durch die Unterbrechung der Antriebswelle bei magnetgekuppelten Pumpen wird meist eine mediumgeschmierte Gleitlagerung aus Siliziumcarbid eingesetzt. Dort gilt es in Zukunft, das Verhalten bei Trockenlauf, bei feststoffhaltigen Medien und unter starken Axial- bzw. Radialkräften zu verbessern.

Denkbar sind faserverstärkte Werkstoffe wie Siliziumcarbid-Compoundmaterialien oder die Beschichtung der Kontaktflächen mit Diamant (Diamond Faces). Auch konstruktive Verbesserungen, z.B. die Optimierung des Kraftflusses von den Siliziumcarbid in die metallischen Anschlussteile, die Trennung von Axial- und Radiallager und die Optimierung der Mediumsströmung im Lager, ermöglichen eine signifikante Erhöhung der maximalen Lagerkräfte.

Die Autoren sind Mitarbeiter der Burgmann Industries GmbH & Co. KG, Wolftratshausen.

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