K S B A k t i e n g e s e l l s c h a f t

Beschreibung

Förderpumpe

Die Erfindung betrifft eine Förderpumpe mit einem drehzahlveränderbaren Antrieb, wobei die Förderpumpe als einstufige Kreiselpumpe mit in einem Laufradraum eines Pumpengehäuses (1) rotierend angeordneten Radialrad (2) zentrifugaler Bauart zur Förderung eines Fluids zwischen einem Pumpeneinlass (4) und einem Pumpenauslass (13) ausgebildet ist, das Radialrad (2) mit einem bis in den fünfstelligen Bereich von Umdre- hungen pro Minute drehzahlveränderbaren Antriebsmotor verbunden ist, das Radialrad (2) mittig angeströmt wird, mit Förderkanälen (3) versehen ist und bei einem Außendurchmesser bis zu 55 mm bei Förderhöhen bis 300 m aufweist.

Im Bereich der Forschungs- und Entwicklungsprozesse der chemischen und pharma- zeutischen Industrie besteht die Forderung nach immer schnelleren Entwicklungen zu geringeren Kosten. In der Produktion solcher Stoffe werden flexiblere, kleinere und um- weltschonendere Prozesse verlangt. Dies führt zum Einsatz verfahrenstechnischer Komponenten, die teilweise mit sehr kleinen Füllvolumina und kontinuierlichem Stoff- fluss betrieben werden. Aufgrund der Forderung eines flexiblen Einsatzes solcher AnIa- gen, ist eine gute Spülbarkeit der gesamten Anlage mit den darin montierten Aggregaten mit Hilfe von besonderen Spülmedien notwendig.

Solche Anlagen erfordern einen präzisen, konstanten, frei einstellbaren und pulsations- freien Volumenstrom von flüssigen Stoffen. Für hochpräzise kontinuierliche Volumen- ströme im Bereich von null Millilitern pro Minute bis zu einer dreistelligen Anzahl von Litern pro Stunde werden Verdrängerpumpen in Form von Mikrozahnring- und Zahnradpumpen sowie in Form von Membran- und Kolbenpumpen verwendet. Nachteil solcher Verdrängerpumpen sind die mangelhafte Zuverlässigkeit infolge Reibung zwischen den relativ zueinander bewegten, abzudichtenden Bauteilen und deren pulsierender Förderstrom. Ein dadurch bedingter Wartungsaufwand und die Kosten für Verschleiß-

teile sowie für deren Wechsel behindern schnelle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und stören einen Produktionsprozess empfindlich.

Durch die WO 2005/052365 A2 ist eine als Spaltrohrmotorpumpe ausgebildete Kreisel- pumpe zur Umwälzung superkritischer Kohlenwasserstoffe bekannt. Der Antriebsmotor verfügt über ein Spaltrohr aus PEEK ₁ innerhalb dessen ein mit einem Edelstahlüberzug geschützter Rotor angeordnet ist. Keramische Lager der Pumpenwelle und des Antriebsrotors werden von einem dem Pumpengehäuse entnommenen Teilstrom der Förderflüssigkeit geschmiert. Das offen ausgebildete Laufrad hat einen Durchmesser zwi- sehen 1 und 2 Zoll und der das Laufrad antreibende Rotor des wälzgelagerten Gleichstrommotors hat einen Durchmesser zwischen 1 ,5 und 2 Zoll. Die einstufige Pumpeinrichtung mit dem offenen Laufrad soll maximale Drehzahlen bis zu 60.000 U/min erreichen. Saugstutzen, Druckstutzen und eine dem Laufrad nachgeordnete Art von Spiralraum sind in einem äußeren Pumpengehäuseteil angeordnet, während ein inneres Pumpengehäuseteil das fliegend gelagerte Laufrad und eine Befestigung für einen drehzahlregelbaren Gleichstrom-Spaltrohrmotor als Antriebsmotor aufweist.

Nachteilig bei dieser Spaltrohrmotorkonstruktion ist die Vielzahl von Spalten, die aufgrund der komplexen Strömungsführung zwischen Pumpe und Spaltrohrmotor die Rei- nigung der Pumpe stark behindern. Da ein Teil der Förderflüssigkeit permanent den Motor und dessen Spaltraum durchströmt, entsteht durch die Reibungswärme der Wälzlager sowie die Verlustwärme des Spaltrohrmotors ein hoher Wärmeeintrag in die Förderflüssigkeit. Infolgedessen kann diese Pumpe nur in unmittelbarer Nähe zu einem nicht definierten optimalen Betriebspunkt betrieben werden. Bei einem Teillastbetrieb dieser Pumpe würde sehr schnell ein unzulässig hoher Wärmeeintrag stattfinden. Dies hätte neben einer Schädigung des Fluids auch einen Ausfall der Pumpe infolge Kavitation oder Trockenlauf zur Folge.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, zur Förderung und Dosierung von flüssigen Stoffen im Milliliter-Bereich von chemischen, pharmazeutischen und/oder kosmetischen Komponenten eine Pumpeneinheit zu entwickeln, deren Fördermenge pulsationsfrei und präzise einstellbar über einen großen Bereich für unterschiedliche Fördermedien

mit unterschiedlichen Eigenschaften variabel ist und für schnelle Produktwechsel die Pumpe leicht zu reinigen ist.

Die Lösung des Problems erfolgt mit den Merkmalen von Anspruch 1. Damit ist eine Dosierpumpe in Form einer Kreiselpumpe zentrifugaler Bauart verwirklicht. Diese ist als Förderpumpe zur Verwendung in einer verfahrenstechnischen Anlage für einen Nennbetrieb in Form eines dauerhaften Kreiselpumpen-Teillast-Betrieb mit Fördermengen im Bereich von 0 ml/min bis 7000 ml/min ausgelegt, wobei der Nennbetrieb durch eine Kreiselpumpen-Teillast-spezifische Drehzahl nq _T L ≥ 0,05 < 10 (1/min) gekennzeichnet ist und wobei der Laufradraum am Umfang mit einem oder mehreren, spitzwinklig oder tangential zum Radialradaußendurchmesser angeordneten Pumpenauslasskanälen versehen ist.

Im völligen Gegensatz zu allen geltenden Kreiselpumpen-Auslegeregeln oder - bestimmungen ist diese Kreiselpumpe für einen extremen Teillastbetrieb ausgelegt, wodurch kleine Mengen pulsationsfrei gefördert werden. Dazu weist die Förderpumpe vorzugsweise eine Kreiselpumpen-Teillast-spezifische Drehzahl nq _T L ≥ 0,05 < 3 (1/min) auf. Vorteilhaft hat sich auch die Auslegung der Förderpumpe für einen Kreiselpumpen- Teillast-Betriebbereich nq - _TL < 2,5 erwiesen. Der Außendurchmesser des Radialrades (2) kann bis zu maximal 70 mm betragen.

Gemäß weiteren Ausgestaltungen weist das Pumpengehäuse mit einem darin angeordneten Radialrad vorzugsweise ein Restvolumen kleiner 30 Milliliter auf. Dies hat den wesentlichen Vorteil einer leichten Spülbarkeit der Förderpumpe. Und infolge des gerin- gen Restvolumens und der minimalen Spaltanzahl entstehen bei einem Wechsel eines zu fördernden Fluid in der Förderpumpe nur geringe Produktverluste bei einer Reinigung oder Spülung derselben. Weiterhin ist ein Innendurchmesser vom Laufradraum maximal 4 % größer ausgebildet ist als ein Außendurchmesser des Radialrades. Und mittels einer Verkleinerung des das Radialrad umgebenden Laufradraumes erfolgt am Pumpenauslasskanal eine Vergrößerung eines dort anstehenden Staudruckes. Dabei

sind die Eintrittsöffnungen von ein oder mehreren Pumpenauslasskanälen in Form von Staurohren oder staurohrähnlich ausgebildet.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Förderpumpe ist diese mit einer Temperierein- richtung versehen, vorzugsweise für einen Nennbetrieb mit einer Kreiselpumpen- Teillast-spezifischen Drehzahl nq _T L ≥ 0,05 < 1 (1/min).

Diese verbessert eine Förderung von empfindlichen Fluiden und/oder von Fluiden mit niedrigem Siedepunkt durch die in einem großen nq _T L Bereich betreibbare Förder- pumpe.

Nach einer anderen Ausbildung ist zwischen Laufradraum und Radialrad und/oder dessen Welle eine Dichtung angeordnet. Ebenso ist eine Ausbildung möglich, bei der ein hermetisch dichter, magnetgekuppelter Antrieb ein Drehmoment auf das Radialrad ü- berträgt. Und am Pumpengehäuse, am Temperiergehäuse und/oder an einem Lagergehäuse ist eine Lagerung für die Welle angeordnet. Auch kann die Förderpumpe als ein Blockaggregat mit angeflanschten Motor ausgebildet sein.

In Abhängigkeit von einem zu verwendenden Antrieb ist die Förderpumpe durch einen Konstantfahrbetrieb oder einen Dosierbetrieb gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die

Fig. 1 eine Förderpumpe im Längsschnitt

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht auf die Pumpeneinheit, die

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht auf ein Laufrad, die

Fig. 4 ein Laufrad im Schnitt, die

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Förderpumpe und die Fig. 6 die Lage der Förderpumpe in einem nq-Diagramm

In Fig. 1 ist eine Förderpumpe in einstufiger Bauweise dargestellt. Im Pumpengehäuse 1 ist ein Radialrad 2 zentrifugaler Bauart rotierend angeordnet. Das Radialrad 2 verfügt über Förderkanäle 3 und wird durch einen Pumpeneinlass 4 mittig angeströmt. Das Radialrad 2 ist mit einem drehzahlregelbaren Antrieb 5 kräfteübertragend verbunden und weist einen Außendurchmesser DL _A auf, der bis zu 70 mm betragen kann. Das Radialrad rotiert in einem Laufradraum 6, dessen Innendurchmesser D _L RI nur maximal 4% größer ausgebildet ist als der Außendurchmesser DLA des Radialrades 2.

Das Pumpengehäuse 1 ist mit einer Temperiereinrichtung 7 versehen, die in diesem Ausführungsbeispiel in das Pumpengehäuse integriert ist. Es sind auch andere Bauformen möglich. Kühlräume 7.1 bis 7.3 umgeben den Laufradraum 6 und auch ein an das Pumpengehäuse 1 angrenzendes Dichtungsgehäuse 8. Innerhalb des Dichtungsgehäuses 8 ist als eine Art Wellendichtung eine Dichtung 9 angeordnet, die in dem Ausführungsbeispiel als ein Lippendichtring dargestellt ist. In Abhängigkeit vom verwende- ten Förderfluid kann die Dichtung 9 auch als eine Gleitringdichtung ausgebildet sein. Die Dichtung 9 kann in Abhängigkeit von der gewählten Verbindung zwischen Laufrad und einer Welle 10 des Antriebes dichtend am Laufrad 2, an einer Laufradnabe 2.1 oder an der Welle 10 anliegen. Die Temperierräume 7.1 bis 7.3 werden durch externe Mittel beaufschlagt. Dadurch werden die vom Förderfluid berührten Teile des Pumpengehäu- se zuverlässig gekühlt, da die Kreiselpumpe für einen Dauerbetrieb in einem Teillast- Betriebspunktefeld ausgelegt ist, dessen Fördermengengrenzen im Bereich von 0 Milliliter/Min, bis 3600 Milliliter/Min, bei einer Förderhöhengrenze von 20 Meter - 300 Meter liegen. Infolge der dafür notwendigen hohen Drehzahl des Antriebes 5 sind zusätzliche Kühlmittel 11 am Außenumfang des Antriebes 5 angeordnet. Und der Antrieb 5 ist kräf- teübertragend mit der Temperiereinrichtung 7 verbunden oder daran befestigt.

Die Fläche des Pumpeneinlasses 4 ist definiert durch eine in unmittelbarer Nähe des Pumpeninnenraumes gelegene Anlagefläche 12, an der eine anzuschließende Leitung für ein Förderfluid dichtend anliegt. Eine analoge Ausbildung ist an dem - hier unterhalb der Zeichenebene befindlichen, nur teilweise als Halbkreis sichtbaren - Pumpenauslass 13 vorhanden. Die Befestigung von daran anzuschließenden Pumpenleitungen - hier nicht dargestellt - erfolgt durch bekannte Mittel, beispielsweise überwurfmuttern. Durch

die unmittelbare Heranführung einer Pumpenleitung an den Laufradraum 6 und durch die geringen Durchmesserunterschiede zwischen Laufrad-Außendurchmesser DLA und Innendurchmesser D _L RI des Laufradraumes 6, ergibt sich innerhalb des Pumpengehäuses mit montiertem Radialrad für ein Förderfluid ein Restvolumen von gleich oder klei- ner 50 Milliliter. Diese sehr geringe Menge hat den Vorteil, dass bei einem Wechsel des wertvoller Förderfluide nur geringste Verluste auftreten.

Aus der Fig. 2, der perspektivischen Ansicht auf die als Einheit aufgebauten Förderpumpe, ist der Pumpeneinlass 4 und der Pumpenauslass 13 ersichtlich. Die Temperier- einrichtung 7 ist in das Pumpengehäuse 1 integriert und Pumpeneinlass 4 und Pumpenauslass 13 sind durch die Temperiereinrichtung 7 hindurchgeführt bis zum Laufradraum.

Externe Temperiermittel, beispielsweise Kühlmittel, werden durch die wahlweise ver- wendbaren axialen oder radialen Anschlüsse 14, 15 den Temperierräumen 7.1 bis 7.3 zugeführt und abgeleitet. Pumpeneinheit und Antriebsmotor 5 sind zu einer baulichen Einheit zusammengefasst und in einem Tragelement 16 gehalten. Das Tragelement 16 bietet die Voraussetzung für den modulartigen Aufbau oder Einbau in eine bestehende Anlage.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf ein Radialrad 2. Das Radialrad 2 ist scheibenförmig gestaltet und in diesem Beispiel mit einer Nabe 2.1 versehen. Innerhalb der Nabe 2.1 erfolgt eine kräfteübertragene Verbindung mit der hier nicht dargestellten Welle 10 des Antriebes 5. Innerhalb des Radialrades 2 sind Förderkanäle 3 angeordnet. Zusätzlich sind auf dem Laufradumfang 17 eine Vielzahl von Fördervertiefungen 18 angeordnet, die in Form von Sackbohrungen gestaltet sind. Mit Hilfe dieser Fördervertiefungen wird die Druckziffer des Kreiselpumpenrades verbessert. Bei einer möglichen Ausgestaltung weisen die druck- und saugseitigen Deckscheiben 19, 20 mehrere radialverlaufende Fördernuten 21 auf. Die Fördernuten 21 verbessern ebenfalls die Druck- Ziffer eines gemäß Fig. 1 in einen Laufradraum 6 eingebauten Laufrades. Das Laufrad in axialer Richtung durchdringende Ausgleichbohrungen 22 dienen zum Druckausgleich

innerhalb des Pumpengehäuses und gleichzeitig als eine Montagehilfe bei der Herstellung einer Verbindung mit dem Antrieb.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch ein Laufrad 2, bei dem vier Förderkanäle 3 Verwendung finden. Deren Durchmesser ist so abgestimmt, dass sie im Bereich des Laufradeintritts 23 einen benachbarten Förderkanal nicht schneiden. Somit ist die Beibehaltung eines definierten Laufradeintrittsdurchmessers gewährleistet. Die Tiefe T der Fördervertiefungen 18 ist in Abhängigkeit vom gewünschten Restvolumen einer fertig montierten Pumpe gewählt.

Anstelle der hier gezeigten Fördervertiefungen 18 in Form von Bohrungen kann auch jede andere Form, beispielsweise Nuten, Schlitze oder dergleichen, Anwendung finden, mit denen im Bereich des Laufrad-Außendurchmessers eine Energieübertragung möglich ist.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch die Förderpumpe. Aufgrund des großzügigen Temperierraumes 7.2, der in Wirkverbindung mit dem anderen Temperierraum steht, ist ein dauerhafter extremer Teillastbetrieb gewährleistet. Der Pumpenauslasskanal 13 kann als eine einfache Bohrung gestaltet sein oder er kann - wie dargestellt - durch einen staurohrähnlichen Einsatz 24 mit einer Eintrittsöffnung 25 gebildet sein. Letzteres ermöglicht eine einfache Anpassung.

Durch den minimierten Laufradraum 6 ergeben sich zwischen dem Außendurchmesser DL _A des Radialrades und dem einhüllenden, umgebenden Durchmesser D _LR I des Lauf- radraumes 6 eine radiale Spaltweite, die im einstelligen Millimeterbereich liegt. Bei einer ausgeführten Kreiselpumpe liegt der radiale Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse im Bereich von 2 mm. Im Bereich der axialen Laufradseiten liegt der Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse in einer analogen Größenordnung. Durch diese Gestaltung von dem ein minimales Restvolumen aufweisenden Bereiches im Gehäuse kann die Pumpe sehr schnell und zuverlässig durch ein Spülmedium gereinigt werden. Und mit geringsten Verlusten von Förderproduktteilen an geänderte Förderbedingungen oder Anlagen an-

gepasst werden. Durch die kontinuierliche Rotation des zentrifugalen Laufrades 2 ergibt sich ein pulsationsfreier Betrieb dieser Förderpumpe.

Durch den minimierten Spalt zwischen Laufrad-Außendurchmesser und Laufradraum nähert sich die Umfangskomponente des Laufrades gleichzeitig der Umfangsgeschwindigkeit an und in Kombination mit einer schrägwinklig, vorzugsweise tangential, zum Laufrad 2 angeordneten Pumpenauslass 13 ergibt sich für diese Kreiselpumpe an deren Austrittsöffnung ein maximal möglicher Staudruck. In Verbindung mit dem drehzahlgeregelten Motor sind große Förderhöhen bei einem minimalen Restvolumen innerhalb des Pumpengehäuses realisierbar.

Die berührungsfreie Anordnung des Laufrades innerhalb des Laufradraumes vermeidet dichtend aneinanderliegende Reibungsflächen. Diese Maßnahme verhindert die Erzeugung mechanischer Reibungswärme, verhindert einen Reibverschleiß sowie eine da- durch bedingte Verschmutzung einer Förderflüssigkeit mit abgeriebenen Partikeln und verbessert die Betriebssicherheit durch wesentlich verlängerte Nutzungszeiten. Außerdem werden der Reinigbarkeit entgegenwirkende Dichtspalte vermieden.

In Fig. 6 sind in einem nq Diagramm in mit durchgezogenen Linien gezeichneten Kenn- feldern die nq Werte von Kreiselpumpen denjenigen der Verdrängerpumpen gegenübergestellt. Die neue Förderpumpe deckt mit ihrem grau dargestellten Kennfeld der Kreiselpumpen-Teillast-spezifische Drehzahl nq γ _L .erstmals den Bereich zwischen diesen beiden gegensätzlichen Pumpentypen ab.

Bezugszeichenliste

1 Pumpengehäuse

2 Radialrad

2.1 = Nabe

3 Förderkanäle

4 Pumpeneinlass

5 regelbarer Antrieb

Laufradraum

7 Temperiereinrichtung

7.1 - 7.3= Kühlräume

8 Dichtungsgehäuse

9 Dichtung

10 Welle

11 Kühlmittel

12 Anlagefläche

13 Pumpenauslass

14, 15 = Anschlüsse für Temperiermittel

16 Tragelement

17 Laufradumfang

18 Fördervertiefungen

19, 20 = Deckscheibe

21 Fördernuten

22 Ausgleichsbohrungen

23 Laufradeintritt

24 Eintrittsöffnung

25 Staurohr

DLA = Außendurchmesser Radialrad 2

DLRI = Innendurchmesser Laufradraum 6