Schäden vermeiden Temperaturüberwachung von Kreiselpumpen mit Permanentmagnetkupplung Ing. Harry Schommer Vor allem aus zwei Gründen ist es erforderlich, sich mit den Temperatur- und Druckverhältnissen innerhalb hermetisch dichter Kreiselpumpen und möglichen Überwachungseinrichtungen vertraut zu machen. Zum einen kann es bei Temperaturerhöhung zum Trockenlauf der Gleitlager kommen, zum anderen besteht bei Betrieb der Pumpe ohne Befüllung die Gefahr, dass die Magnete überhitzen, da keine Wärmeabfuhr im Spalttopfbereich vorhanden ist.    Kreiselpumpen in hermetisch dichter Ausführung, ohne Wellendurchführung zur Atmosphäre, haben in Gleitlagern geführte Pumpenwellen, d.h., die Wellenlagerung ist im Fördermedium positioniert. Als Lagermaterial hat sich nach heutigem Stand der Technik allgemein Siliziumkarbid durchgesetzt. Erst Siliziumkarbid hat aufgrund seiner ausgezeichneten tribologischen Eigenschaften, seiner hohen Verschleißfestigkeit und seiner nahezu unbegrenzten chemischen Beständigkeit, die weite Verbreitung von Pumpen mit Magnetkupplungen in allen Bereichen der  chemischen Industrie ermöglicht. Obwohl man im Zusammenhang mit SiC-Lagerungen von flüssigkeitsgeschmierten Lagern spricht, ist festzuhalten, dass diese Lager keine Schmierung im herkömmlichen Sinne benötigen. Es sind in der Regel keine Schmiernuten vorhanden, und es gibt keinen definierten Flüssigkeitsstrom durch die relativ engen Lagerspalte. Ähnlich wie bei Gleitringdichtungen wird auch hier lediglich ein stabiler Flüssigkeitsfilm zwischen den Gleitflächen benötigt. Kommt es aufgrund unzulässiger Temperaturerhöhung innerhalb der Pumpe zur Siedetemperaturüberschreitung und damit zur Verdampfung des Fördermediums zwischen den Gleitflächen, wird dieser Film zerstört. Dies führt zu örtlichem Trockenlauf der Gleitlager und damit zum Ausfall der Lagerung mit den entsprechenden Folgeschäden, wenn dieser Betriebszustand nicht durch eine zuverlässig arbeitende Temperaturüberwachung verhindert wird. Probleme entstehen ferner bei Trockenlauf, d.h. bei Betrieb der Pumpe ohne Befüllung mit Fördermedium. Zwar können diamantbeschichtete SiC-Gleitlager derartige Betriebszustände ohne Schaden überstehen, da hierbei keine hydraulischen Kräfte wirken, jedoch kommt es zu Überhitzung der Magnete, da keine Wärmeabfuhr im Spalttopfbereich vorhanden ist. Abb. 1 Temperaturverhalten Temperaturverhalten in Chemienormpumpen mit Magnetkupplungen Interne Zirkulation In hermetisch dichten Pumpen mit Magnetkupplung und metallischen Spalttöpfen entstehen im Betrieb Wirbelströme, die sich in Wärme umsetzen und zu einem entsprechenden Anstieg der Temperatur des Fördermediums im Spalttopfbereich führen. Zur Vermeidung unzulässiger Temperaturerhöhung ist diese Wärme durch einen internen Kühl- bzw. Zirkulationsstrom abzuführen. Zur Führung diese Zirkulationsstromes, der als Teilstrom vom Hauptförderstrom abgezweigt wird, und durch den Spalt zwischen internem Rotor und Spalttopf fließt, gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten. Nach Abb. 1 wird der Zirkulationsstrom auf der Druckseite hinter dem Laufrad entnommen, in den Raum zwischen die Gleitlager geleitet und durch die Pumpenwelle über die Rückenschaufeln auf der Rotorrückseite wieder zur Druckseite zurückgeführt. Durch diese Anordnung wird der Gleitlagerbereich und der Spalttopf mit nahezu dem vollen Pumpendruck beaufschlagt, so dass der Gasbildung durch Erwärmung des Produktes in diesen Bereichen entgegengewirkt wird. An der Stelle der kritischen Temperaturerhöhung herrscht der maximale Druck P4. Es ist ferner zu beachten, dass hier kein erwärmtes Medium zurück zur Saugseite bzw. zum Laufrad fließt, so dass keine negative Beeinflussung des NPSH-Wertes stattfindet, d.h., derartige Pumpen verhalten sich NPSH-neutral. Bei Pumpen ohne Rotorrückenschaufeln bzw. Hilfslaufrad wird der erwärmte Teilstrom durch das Druckgefälle innerhalb der Pumpe von der Druckseite zur Saugseite, d.h. zurück zum Laufradeintritt, geführt. Dies führt zumindest bei Pumpen zur Förderung siedender Medien zu Problemen, wenn keine ausreichenden NPSH-Reserven vorhanden sind, um den erwärmungsbedingten Anstieg des NPSH-Wertes der Pumpen auszugleichen.   Kreiselpumpen mit Permanentmagnetkupplung und metallischen Spalttöpfen im Einsatz   Temperaturerhöhung, Mindestförderstrom Abb. 1 zeigt ferner, wie sich die Temperatur in einer Chemienormpumpe (Baugröße 50/200, 2.900 upm, Kupplungsverlustleistung 3,0 kW, Fördermedium Wasser) verhält. Bei Beurteilung des Temperaturverlaufes ist zu beachten, dass der durch den Magnetraum fließende Teilstrom nur von der Geometrie der Rückenschaufeln am Rotor und der Drehzahl abhängig ist. D.h., unabhängig von jeweiligen Förderstrom und der Förderhöhe fließt ein konstanter Zirkulationsstrom, der die Verlustwärme aufnimmt und in den Hauptförderstrom leitet. Abb.2 Temperaturerhöhung Da sich die Magnetverlustleistung einer gegebenen Magnetkupplung während des Betriebes mit konstanter Drehzahl nicht ändert, ergibt sich im Bereich rechts vom Mindestförderstrom eine nahezu konstante Temperaturerhöhung ΔT. Bei Unterschreitung des Mindestförderstromes steigen die Temperaturen jedoch erheblich an. Dies ist der Grund, weshalb diese Pumpen ohne zusätzlichen Bypass nicht gegen geschlossenen Druckschieber arbeiten können. Die Praxis hat gezeigt, dass ein Großteil von Gleitlagerschäden auf Nichtbeachtung dieser Tatsache zurückzuführen ist. Zahlreiche Messungen an solchen Pumpen mit verschiedenen Baugrößen, Rotordurchmessern, Spalttopfwerkstoffen und Drehzahlen haben ergeben, dass eine direkte Beziehung zwischen dem Förderstrom Q, der Magnetverlustleistung PV und der Temperaturerhöhung ΔTSP im Spalttopf besteht. Diese Zusammenhänge sind in Abbildung 2, bezogen auf die Förderung von 20°C warmem Wasser, dargestellt. Die tatsächliche Temperaturerhöhung im Spalttopf bei Förderung anderer Medien errechnet sich dann produktbezogen. Mit der bekannten Eintrittstemperatur TE ergibt sich die Spalttopftemperatur T. Zulässige Spalttopftemperatur Bei Förderung leicht siedender Medien bzw. von Produkten, deren Dampfdruck in etwa dem Zulaufdruck PS entspricht, ist der Zusammenhang von Spalttopftemperatur, Spalttopfdruck, und Siedepunkt des Fördermediums unbedingt zu beachten, um Siedepunktüberschreitung im Spalttopf mit Sicherheit auszuschließen. Diese Zusammenhänge sind in Abb. 3 dargestellt. Abb. 3 Spalttopftemperatur, Dampfdruckkurve Grundsätzlich muss gewährleistet sein, dass die Drucküberlagerung ΔPSP im Spattopf während des Betriebes höher ist, als der erwärmungsbedingte Dampfdruckanstieg ΔPD des Fördermediums. Zur Bestimmung der zulässigen Spalttopftemperatur TZUl ist daher gemäß Abbildung der Dampfdruckkurve des Fördermediums heranzuziehen. Aus dem Schnittpunkt von Spalttopfdruck im Auslegungspunkt der Pumpe mit der Dampfdruckkurve ergibt sich die Siedetemperatur TD und mit einer entsprechenden Sicherheitsmarge ΔTS schließlich die zulässige Spalttopftemperatur TZUl, die jedoch immer größer sein muss, als die rechnerische Spalttopftemperatur TSP, um Verdampfung zu vermeiden. Entscheidend für die Sicherheit gegen Siedepunktüberschreitung ist somit die mögliche Drucküberlagerung ΔPSP im Spalttopfbereich. In Pumpen mit interner Zirkulation von Druckseite zurück zur Druckseite, über die spalttopfseitigen Rückenschaufeln (bzw. Hilfslaufrad) wird der Spalttopf mit ca. 80% der Pumpenförderhöhe, zusätzlich zum Eintrittsdruck PS, druckbeaufschlagt. Für diese Pumpenbauart errechnet sich der Spalttopfdruck pSP wie folgt: Psp = ps + Δpsp [bar] Der Druckanstieg Δpsp errechnet sich aus der Auslegungsförderhöhe H und der Dichte Q des Fördermediums. Für Pumpenbauarten mit Zirkulationsstromführung von der Druckseite zur Saugseite sind die entsprechenden Δpsp-Werte geringer, genaue Werte sind vom Pumpenhersteller zu erfragen bzw. dem Pumpendatenblatt zu entnehmen.   Abb. 4 Dampfdruckkurve von NH3 Abb. 5 Temperaturfühler PT100   Temperaturüberwachung Kreiselpumpen mit Magnetkupplungen gelten nicht als elektrische Betriebsmittel. Niveauwächter  oder Temperaturüberwachungseinrichtungen werden für diese Pumpen von der PTB bzw. vom TÜV nicht vorgeschrieben, auch wenn es sich um Installationen im Ex-Bereich mit explosionssicheren Antriebsmotoren handelt. Geht man jedoch von den in den letzten Jahren gesammelten Erfahrungen im Einsatz derartiger Pumpen aus, so stellt man fest, dass neben Wälzlagerschäden die Überschreitung der zulässigen Spalttopftemperatur als Hauptursache bei Betriebsstörungen infrage kommt. Folgen dieser Temperaturüberschreitung sind Kavitation im Spalttopfbereich und Trockenlauf der Gleitlagerung durch örtliche Verdampfung des Fördermediums. Unzulässige Temperaturerhöhungen können ausgelöst werden durch Unterschreitung des Mindestförderstromes bzw. Betrieb gegen geschlossenen Schieber, durch Blockieren des inneren Rotors, Verstopfung der Zirkulationskanäle und Festsetzung von Feststoffen zwischen Rotor und stationärem Spalttopf. Es wird daher empfohlen, Magnetkupplungspumpen durch Temperaturfühler zu überwachen, so dass derartige Maschinen automatisch abgeschaltet werden, bevor größere Schäden auftreten können. Abb. 6 Spalttopfoberflächentemperatur PT100-Temperaturfühler Zur laufenden Überwachung werden daher bevorzugt Widerstandsthermometerfühler PT100 zur Registrierung der Spalttopfoberflächentemperatur eingesetzt, wobei diese Art der Absicherung jedoch nicht als Trockenlaufschutz geeignet ist. Ebenso wenig kann hiermit eine Beschädigung des  Spalttopfes durch Außenmagnete bei ausgeschlagener Wälzlagerung vermieden werden. Die PT100-Temperaturfühler besitzen einen Messwiderstand aus Platin, der bei 0°C einen Widerstand von 100 Ohm aufweist. Temperaturveränderungen an der Messstelle bewirken eine Änderung des Widerstandes und damit der angelegten Spannung. Die Spannungsänderung wird in einem nachgeschalteten Regler so verarbeitet, dass bei Überschreitung einer vorgegebenen Grenztemperatur der Antriebsmotor stillgesetzt wird. Abbildung 5 zeigt einen herkömmlichen PT100-Temperaturfühler, der den bisherigen Anforderungen an derartige Fühler in besonderem Maße gerecht wird. Der Schutzrohrboden ist flach ausgeführt, so dass ausreichend Kontakt zur Spalttopfoberfläche gegeben ist. Das Fühlerelement ist direkt auf dem Schutzrohrboden befestigt. Eine Druckfeder sorgt dafür, dass der Schutzrohrboden ständigen Kontakt mit der Spalttopfoberfläche hält. Der Temperaturfühler ist im Rücklauf des internen Zirkulationsstromes zur Abführung der Magnetverlustwärme angeordnet. Derartige Fühler arbeiten zuverlässig bei mit Medium gefüllter Pumpe und schützen gegen Siedepunktüberschreitung des Mediums im Spalttopfbereich, hervorgerufen durch unzulässige Temperaturerhöhungen. Auf die Probleme, Pumpen mit Temperaturfühlern gemäß Abbildung 5 gegen Trockenlauf zu schützen, wurde bereits früher hingewiesen. Es wurde festgestellt, dass bei leeren Pumpen, d.h. unter Trockenlaufbedingungen, die Spalttopfoberflächentemperatur T1 gemäß Abbildung 6 im Zentrum der Magnetkupplung wesentlich von der Oberflächentemperatur an der Messstelle T2 abweicht. Die Ursache hierfür ist darin zu sehen, dass die im Zentrum der Magnetkupplung auftretenden Wirbelströme den Spalttopf in diesem Bereich sehr schnell auf erhebliche Temperaturen aufheizen, während die schlechte Wärmeleitfähigkeit der metallischen Spalttopfwerkstoffe (1.4571 bzw. Hastelloy) verhindert, dass diese Temperaturerhöhung rechtzeitig vom Temperaturfühler an der Messstelle T2 erfasst wird. Der Einbau des PT100 im Rücklauf des Zirkulations- bzw. Kühlstromes ist nur möglich bei Pumpen mit Rotorrückenschaufeln oder Hilfslaufrad. Zusätzliche Probleme ergeben sich bei Förderung leicht siedender Medien, wenn der PT100 im Vorlauf des internen Zirkulationsstromes angeordnet wird (Zirkulation zur Saugseite). In diesem Falle wird eine Temperaturerhöhung erst registriert, wenn sich bereits die komplette Pumpe entsprechend erwärmt hat - zu spät, um Siedepunktüberschreitung auszuschließen.  Abb.7 Temperaturüberwachung MAG-SAFE 1 Spalttopf, 2 Treibender Magnet, 3 Verbindungsdraht, 4 Thermoelemente, 5 Anschlussbuchse, 6 Gewindebohrung zur Aufnahme des Anschlusssteckers, 7 Anschlussstecker, 8 Verstärker, Ausgang 4 bis 20 mA, 9 Anlaufsicherung MAG-SAFE-  Thermoelement Abbildung 7 zeigt die MAG-SAFE-Temperaturüberwachung, die im Gegensatz zu Abbildung 5 die Temperatur direkt an der Wärmequelle überwacht, indem sie die tatsächlichen zwischen den Magneten entstehenden Temperaturen nach dem Wirkungsprinzip eines Thermoelementes erfasst und in ein lineares Ausgangssignal von 4 bis 20 mA umwandelt. Damit lässt sich über einen entsprechenden Grenzwertgeber jede gewünschte Abschalttemperatur im Bereich zwischen -50 und 250°C einstellen. Hierdurch ergeben sich gegenüber der herkömmlichen Temperaturüberwachung nach Abbildung 5 im wesentlichen folgende Vorteile: •  Gemäß Abbildung 6 extrem schnelle Reaktion auf alle auftretenden Temperaturerhöhungen, d.h. rechtzeitige Abschaltung auch bei Trockenlauf. In Verbindung mit diamantbeschichteten Gleitlagern, die durch ihre Notlaufeigenschaften Trockenlaufsituationen bis zur Aktivierung des MAG-SAFE ohne Probleme überstehen, ist hier ein zuverlässiger Schutz gegen Gleitlagerschäden gegeben. • Da der Spalttopf mit den darin induzierten Wirbelströmen die eigentliche Wärmequelle darstellt, wird eine Temperaturveränderung bereits registriert, bevor sie sich auf die Temperatur des Fördermediums im Spalttopf auswirkt. Siedepunktüberschreitungen bei korrekt eingestellter Grenztemperatur sind somit ausgeschlossen. • Unzulässige Spalttopfoberflächentemperaturen im Ex-Bereich sind ausgeschlossen.  • Die Durchflussrichtung des internen Zirkulationsstromes hat keinen Einfluss auf die Temperaturanzeige. • Bei ausgeschlagener Wälzlagerung rotiert die äußere Magnetkupplung, bedingt durch eine gewisse Restunwucht, exzentrisch und läuft am gesamten Umfang der Anlaufsicherung an. Der treibende Magnet schert den Verbindungsdraht 3 ab, wenn dieser Betriebszustand nicht rechtzeitig bemerkt wird und entsprechender Verschleiß an der Anlaufsicherung auftritt. D.h. die Maschine wird abgeschaltet, bevor es zu einer  Beschädigung des Spalttopfes kommt. 4557 Seitenaufrufe seit 01.10.2004