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MAG-SAFE Temperaturverhalten in Pumpen mit Magnetkupplungen
In hermetisch dichten Pumpen mit Magnetkupplungen 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 Temperaturerhöhungen wird diese Wärme durch einen internen Kühlstrom abgeführt. Hierdurch wird bewirkt, dass sich im Bereich rechts vom Mindestförderstrom eine nahezu konstante Temperatur einstellt.
| PT |
= |
Betriebstemperatur |
| ΔT |
= |
Temperaturanstieg im Spalttopf |
| TSP |
= |
Spalttopftemperatur |
| Qmin |
= |
Mindestförderstrom
ΔT ≈ const. |
| TA |
= |
Temperatur im Druckstutzen |
Bei Unterschreitung des Mindestförderstromes steigen die Temperaturen jedoch erheblich an. Dies ist auch der Grund, weshalb diese Pumpen ohne zusätzlichen Bypaß nicht gegen geschlossenen Druckschieber arbeiten können.
Werden die Pumpen ohne Fördermedium betrieben (Trockenlauf), staut sich die Wärme im Spalttopf und es können in wenigen Sekunden Temperaturen von mehr als 600°C auftreten, was zur Zerstörung der Magnetkupplung führen kann, wenn dieser Betriebszustand nicht rechtzeitig erkannt wird.
Gleitlagerung, zulässige Temperatur
DICKOW-Pumpen in hermetisch dichter Ausführung haben in Gleitlagern geführte Wellen, d.h. die pumpenseitige Lagerung ist im Fördermedium positioniert, als Gleitlagerwerkstoff wird Siliziumkarbid eingesetzt. Die Gleitflächen sind mit diamantartigem Kohlenstoff beschichtet . Obwohl man im Zusammenhang mit SiC-Lagerungen von flüssigkeitsgeschmierten Lagern spricht, ist festzuhalten, dass diese Lager keine Schmierung im herkömmlichen Sinne benötigen.
Es sind keine Schmiernuten vorhanden, es gibt keinen definierten Flüssigkeitsstrom durch die relativ engen Lagerspalte, zudem haben Fördermedien wie Butan oder Methylenchlorid keine Schmiereigenschaften.
Ähnlich wie bei Gleitringdichtungen wird auch hier lediglich ein stabiler Flüssigkeitsfilm zwischen den Gleitflächen benötigt. Kommt es aufgrund unzulässiger Temperaturerhöhung im Spalttopfbereich 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. Zwar erlaubt die Beschichtung kurzzeitigen Trockenlauf bei leerer Pumpe, da hierbei keine hydraulischen Kräfte wirken. Sie bietet jedoch keinen Schutz, wenn es während des Betriebes durch Verdampfung des Mediums an den Gleitflächen unter Belastung zu örtlichem Trockenlauf kommt. |
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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 zu vermeiden.
Bei Betrieb der Pumpe herrscht im Spalttopf der Druck PSp. Die Druckerhöhung gegenüber dem Zulaufdruck PS ist abhängig vom Differenzdruck bzw. der Förderhöhe und der Pumpenkonstruktion. Aus dem Schnittpunkt von Spalttopfdruck und Dampfdruckkurve ergibt sich die maximal mögliche Spalttopftemperatur TD und mit einer entsprechenden Sicherheitsmarge die zulässige Grenztemperatur Tzul, bei der Siedepunktüberschreitung ausgeschlossen ist. Die Betriebssicherheit bei Förderung siedender Medien erfordert eine zuverlässige Überwachung der zulässigen Temperatur.
Temperaturüberwachung
Pumpen mit Magnetkupplungen gelten nicht als elektrische Betriebsmittel. Temperaturüberwachungseinrichtungen werden für diese Pumpen von der PTB bzw. vom TÜV nicht vorgeschrieben, auch wenn es sich um Installationen im Ex-Bereich handelt. Geht man jedoch von den in den letzten Jahren gesammelten Erfahrungen beim Betrieb derartiger Pumpen aus, so stellt man fest, dass Siedepunktüberschreitung im Spalttopfbereich als Hauptursache für Betriebsstörungen infrage kommt. Es wird daher empfohlen, Magnetkupplungspumpen zur Förderung verschiedener Medien mit Temperaturfühlern zu überwachen.
Die Aufgabe jeglicher Temperaturüberwachung besteht darin, die Gleitlagerung vor Trockenlauf unter Belastung zu schützen. Es ist sorgfältig zu überprüfen, ob die vorgesehenen Einrichtungen unter Berücksichtigung der Pumpenkonstruktion dieser Anforderung genügen.
PT100 - Temperaturfühler
Zu laufenden Überwachung werden zur Zeit bevorzugt Widerstandsthermometer PT100 zur Registrierung der Spalttopfoberflächentemperatur eingesetzt.
Der Hauptnachteil dieser Temperaturfühler besteht darin, dass die Temperaturen außerhalb des Magnetbereiches gemessen werden.
Dies wird besonders deutlich, wenn man den Temperaturverlauf an der Meßstelle des PT100 (T2) mit den im Zentrum der Magnete entstehenden Temperaturen (T1) unter Trockenlaufbedingungen, d.h. bei leerer Pumpe, vergleicht.
Während im Zentrum der Magnete, je nach Größe der Magnetverlustleistung, bereits nach 30 Sekunden Temperaturen von 450 - 500°C auftreten können, zeigt der PT100 erst nach langen Minuten eine geringe Reaktion.
Die Ursache für dieses Verhalten liegt darin, dass die im Zentrum der Magnetkupplung auftretenden Wirbelströme den Spalttopf in diesem Bereich sehr schnell aufheizen, während die schlechte Wärmeleitfähigkeit der metallischen Spalttöpfe verhindert, dass diese Temperaturerhöhung vom PT100 an der Meßstelle T2 erfasst wird.
Dies bedeutet, dass die Magnetverlustwärme vom Fördermedium erst zur Messstelle T2 transportiert werden muss. Trockenlaufschutz mit PT100 gemäss Abbildung ist somit nicht möglich.
Zusätzliche Probleme ergeben sich, wenn der PT100 im Vorlauf des internen Kühlstromes angeordnet ist, bzw. wenn bei abgerissener Magnetkupplung (Motor dreht leer durch) kein Kühlstrom vorhanden ist. In diesem Falle wird eine Temperaturerhöhung erst registriert, wenn sich bereits die komplette Pumpe entsprechend erwärmt hat. |
