Pompy HERMETIC z mokrym wirnikiem silnika do zastosowań wysokotemperaturowych w przemyśle chemicznym

Dla dokładnego wyregulowania lub bieżącego dopasowywania wymaganych poziomów temperatur konieczne jest pośrednie doprowadzanie ciepła przez ciecze robocze – nośniki ciepła. Ciecz taka transportuje ciepło, krążąc w zamkniętym obiegu pomiędzy źródłem ciepła a odbiornikiem ciepła. Krążenie cieczy podtrzymywane jest przez pompę cyrkulacyjną.  

W temperaturach roboczych do  200°C cieczą roboczą jest z reguły woda. Wynika to z jej wysokiej pojemności cieplnej i przyjazności dla środowiska naturalnego. Jednak, ze względu na silny wzrost prężności pary wodnej w temperaturach powyżej  200°C, od tej wartości temperatury stosuje się zamiast wody organiczne ciecze robocze. Te jednak bywają problematyczne: wiele z nich jest szkodliwych dla środowiska lub też stwarza zagrożenie pożarem i wybuchem, np. jeśli temperatura zapłonu medium jest niższa o temperatury roboczej to w razie przecieku może powstać samozapalna mieszanina. Wysokie temperatury wymagają starannego doboru i montażu wyposażenia obiegów grzewczych. W odniesieniu do pomp za najbezpieczniejsze rozwiązanie uważa się bezdławnicowe agregaty pompowe.

Przy pompowaniu cieczy procesowych w instalacjach technologicznych pompy są często konfrontowane z ekstremalnymi warunkami pracy. Wysokim temperaturom mogą towarzyszyć także wysokie ciśnienia, rzędu kilkuset bar. Problemy w realizacji zadania transportowego może też powodować wysoka temperatura krzepnięcia danej cieczy, wymagająca specjalnych, często bardzo kosztownych rozwiązań dla ogrzewania pompy. Obecność w cieczy ciał stałych, jak przykładowo katalizatory, może być bardzo poważnym wyzwaniem dla uszczelnień mechanicznych wału, jakie są stosowane w znormalizowanych pompach chemicznych.

W zastosowaniach wysokotemperaturowych technika pompowa musi sprostać poważnym narażeniom mechanicznym. Wskutek wysokich temperatur korpusy pomp rozszerzają się, co skutkuje obciążeniem króćców pompy znacznymi siłami i momentami od przyłączonych do nich rurociągów.  

Przy temperaturach do +320 °C stosowane są z reguły znormalizowane pompy chemiczne, ustawione na stopkach na płycie fundamentowej, oddzielone od konwencjonalnego silnika przegrodą termiczną. Jeśli przy tym – jak się to często praktykuje – rezygnuje się z kompensatorów, to w temperaturach ponad +320 °C siły i momenty z systemu rurociągów przenoszą się bezpośrednio na króćce pompy. Może to powodować odkształcenia korpusu pompy, nawet aż do jej zniszczenia. Wytrzymałość koprpusu pompy musi więc wystarczać dla przeniesienia tych obciążeń. Z drugiej strony można zapewnić termiczne rozszerzanie korpusu pompy równomiernie w górę i w dół przez osiowe usytuowanie podpór (stopek pompy), jak to przewiduje standard API 685. Dlatego dla temperatur powyżej +320 °C do maks. +450 °C korzystniejszym rozwiązaniem jest często koncepcja pompy bezdławnicowej, zgodnej ze standardem API 685.

Wyzwaniem dla znormalizowanym pomp chemicznych jest niezbędna przegroda termiczna pomiędzy pompą a silnikiem. W przypadku wysokich temperatur są do tego konieczne gabaryty znacznie większe w porównaniu z bezdławnicowymi agegatami pompowymi. Dalszą zaletą konstrukcji bezdławnicowych jest eliminacja problemu z przeciekami na dławnicy wału. Pompy z mokrym wirnikiem silnika zapewniają dodatkową ochronę: dzięki podwójnej przegrodzie hermetycznej, nawet w przypadku zniszczenia osłonki hermetycznej wirnika silnika, ciecz tłoczona nie wydostanie się na zewnątrz. Brak zużywających się i podatnych na awarie uszczelniaczy z pierścieniami ślizgowymi zwiększa bezpieczeństwo procesu, zwłaszcza w przypadku reakcji z użyciem katalizatorów. Integralna i kompaktowa konstrukcja monoblokowa nie wymaga żadnego osiowania wałów. Mechaniczne sprzęgło i jego osłony, jak też często kosztowna konstrukcja płyt fundamentowych i łożyskowań są zbędne. Pompa jest zmontowana współosiowo w jedną całość z silnikiem, co eliminuje wibracje powodowane odkształceniami termicznymi i wynikające stąd uszkodzenia łożyskowań.

Pompy z mokrym wirnikiem silnika, pomyślane do stosowania w warunkach ekstremalnych, stosuje się wszędzie tam, gdzie trzeba tłoczyć ciecze i gazy o bardzo wysokim potencjale zagrożeń w ekstremalnych temperaturach. W tych całkowicie hermetycznych pompach wirowych konstrukcji monoblokowej napęd jest przenoszony elektromagnetycznie na wirnik silnika, osadzony na wspólnym wale z wirnikiem pompy i oddzielony od stojana hermetyczną osłonką w szczelinie między wirnikiem a stojanem. Część strumienia tłoczonej cieczy jest odprowadzana do chłodzenia silnika i smarowania dwóch łożysk hydrodynamicznych jednakowej konstrukcji. Po opłynięciu wirnika ten strumień częściowy jest zawracany poprzez drążony wał na stronę tłoczną wirnika pompy. Dla zastosowań wysokotemperaturowych HERMETIC proponuje dwa różne rozwiązania konstrukcyjne: pompy z mokrym wirnikiem silnika z chłodzeniem obcym i pompy z mokrym wirnikiem silnika z wystarczającym chłodzeniem własnym.

W tej koncepcji pompa i silnik z mokrym wirnikiem są od siebie oddzielone małą wstawką, jako przegrodą termiczną. Zapobiega ona przepływowi ciepła z pompy do silnika. Wyrównanie ciśnienia między częścią hydrauliczną pompy a komorą wirnika silnika następuje poprzez ciasną lecz długą szczelinę pierścieniową. W samym silniku umieszczony jest pomocniczy wirnik pompujący, który powoduje cyrkulację cieczy z komory wirnika silnika przez usytuowaną wokół silnika lub zamontowaną osobno chłodnicę zewnętrzną. Ciecz ta odbiera ciepło odpadowe, wytwarzające się w silniku. W ten sposób powstają dwa obiegi cieczy o różnych poziomach temperaturowych. Obieg roboczy można dopuścić dla temperatur do +480 °C, podczas gdy ciecz chłodząco-smarująca, przepływająca we wtórnym obiegu chłodzenia silnika, będzie miała temperatury znacznie niższe, rzędu +60 °C do +80 °C. Dzięki temu można uzwojenie silnika wykonać z bardziej trwałą izolacją klasy H (uzwojenie H-180, do 180 °C). Wyrównanie ciśnień w szczelinie pierścieniowej przegrody termicznej nie powoduje praktycznie żadnej wymiany cieczy między obu obiegami. Dzięki zastosowaniu osobnego obiegu chłodzącego nie ma potrzeby wstępnego schładzania odbieranego z wysokotemperaturowego obiegu hydraulicznego strumienia częściowego do poziomu temperaturowego dopuszczalnego dla normalnych silników z mokrym wirnikiem i następnie odprowadzanie tego chłodnego strumienia cieczy do obiegu hydraulicznego, co powodowałoby duże straty energii. Ten wariant chłodzenia można stosować tak w jedno- jak i wielostopniowych pompach z mokrym wirnikiem silnika. Zależnie od przeznaczenia i warunków eksploatacji pompy w tym wykonaniu można wyposażać w płytowe lub wiązkowe wymienniki ciepła. Jeśli woda chłodząca jest niedostępna, to można stosować także chłodnice suche różnej konstrukcji. Dostępne są w tym celu zwykłe chłodnice ulowe z wentylatorem, montowane nad agregatem pompowym lub na płycie fundamentowej. Przy większych mocach pomp stosuje się wolnostojące systemy chłodnic suchych z wentylatorami osiowymi.

Jeśli odpowiedniej jakości ciecz do chłodzenia silnika nie jest dostępna w wystarczającej ilości lub wcale, trzeba posłużyć się innym rozwiązaniem konstrukcyjnym. W przypadku niektórych czynników tłoczonych konieczne jest ponadto przez uruchomieniem wstępne podgrzanie cieczy, zarówno w pompie, jak i w silniku z mokrym wirnikiem. Wymagane przy tym temperatury podgrzania z reguły pozostają w obszarze wykraczającym poza maksymalnie dopuszczalną temperaturę dla wspomnianej uprzednio izolacji uzwojeń klasy H. Trzeba w tych wypadkach stosować silniki z wirnikiem mokrym z uzwojeniem specjalnym z izolacją klas  R i C (uzwojenie R-220, uzwojenie C-400). Te tak zwane „silniki wysokotemperaturowe“ pozwalają łatwo realizować różnorodne zadania  transportowe w obszarze wysokotemperaturowym. Jako materiał izolacyjny stosuje się ceramikę silikonową, przy czym przez odpowiednie zabiegi zapobiega się utlenianiu drutu miedzianego. Uzwojenia tego rodzaju są w stanie wytrzymywać temperatury trwałe +450 °C na czołach zezwojów. Pozwala to na ekonomiczną eksploatację pomp z temperaturami cieczy tłoczonych do +400 °C. Centryczne użebrowanie korpusu silnika poprawia chłodzenie silników z mokrym wirnikiem silnika z chłodzeniem własnym przez naturalną konwekcję.

HERMETIC Pumpen GmbH, jako specjalista od pomp z mokrym wirnikiem silnika oferuje różne typoszeregi pomp nadających się do zastosowań wysokotemperaturowych. Program produkcji obejmuje pompy z chłodzeniem własnym dla gazu płynnego, cieczy łatwowrzących i kondensatów, pompy z chłodzeniem obcym dla gorących organicznych olejów diatermicznych oraz cieczy grzewczych, łącznie z wariantami wykonania według standardu API 685. Zakres parametrów obejmuje temperatury cieczy do +480 °C, ciśnienia systemowe do 120 MPa i moce napędowe do 690 kW. 

Istotna część składowa wysokoefektywnych silników z mokrym wirnikiem - hermetyczna osłonka wirnika - to jedna z technologicznych specjalności firmy HERMETIC, wytwarzana metodą wyciskania ze stopu na bazie niklu. Silnik z mokrym wirnikiem w wykonaniu z odpornym na ciśnienie okapturzeniem odpowiada wymaganiom ochrony przed wybuchem według dyrektywy 2014 / 34 / EU.