Feinabrasive Flüssigkeiten in Verdrängerpumpen

Was ist ein fein abrasives Fluid?

Eine abrasive Flüssigkeit ist eine Flüssigkeit, die einen erhöhten Verschleiß im Fluidsystem verursacht, indem sie Oberflächen durch physikalische Wechselwirkung erodiert. Die Erosion kann durch die einfache Strömung über eine Oberfläche oder durch die abrasiven Partikel, die das Zusammenspiel der internen Komponenten in einer Pumpe stören, entstehen.

Bei den Partikeln kann es sich um große Verunreinigungen handeln, wie sie z. B. in Abwasseranwendungen vorkommen, oder um fein integrierte Pigmente in der Flüssigkeit, die absichtlich eingebracht werden. Dazu gehören Farbpigmente, Tintenpigmente, gelöster Kohlenstoff, Metallpigmente und Schokolade (wenn sie in Milch, Sirup usw. gelöst ist). Dieser Artikel befasst sich speziell mit gelösten Schleifpartikeln mit einer Größe von weniger als 1 mm.

Übliche Partikel, die Abrieb verursachen

Je härter die Feststoffpartikel sind, desto problematischer sind sie natürlich für den Pumpenverschleiß. Harte Pigmente wie Titandioxid (TiO2) (Härte von 6 auf der Mohs-Skala) können ungehärtete, zusammenwirkende Metallteile schnell abnutzen. Aber auch weiche Pigmente können nichtmetallische Komponenten wie Kunststoffzahnräder oder Gummirückschlagventile verschleißen. Wenn möglich, sollten alle beweglichen Teile härter sein als die gepumpten Partikel. Die Auswahl der härtesten Materialien ist jedoch mit Kosten verbunden, die möglicherweise nicht notwendig sind. Daher ist es wichtig, die Flüssigkeit zu verstehen und dies den Pumpeningenieuren klar mitzuteilen.

Die Größe der Partikel hat ebenfalls Einfluss auf die Wahl der optimalsten Pumpe. Pumpen, die mit ultraharten Materialien wie Aluminiumoxid (Al2O3) hergestellt wurden, können verstopfen, wenn die Pigmentgröße größer ist als das Spiel in der Pumpe. Pumpen, die aus weichen Komponenten wie Kunststoff oder Gummi bestehen, sind zwar toleranter gegenüber großen Partikeln, reagieren aber dennoch empfindlich auf abrasiven Verschleiß.

Auswirkung der Viskosität

Die Viskosität der Flüssigkeit wirkt sich auf die Abrasivität der Flüssigkeit/Pigment Kombination aus. Flüssigkeiten mit höherer Viskosität entwickeln einen robusteren Flüssigkeitsfilm, der die Pigmente abfedert. Dies gilt es insbesondere für die Auslegung für hydrodynamische (Gleit-)Lager zu berücksichtigen. Die Viskosität spielt eine geringere Rolle, wenn ein absichtlicher mechanischer Kontakt zwischen Komponenten erforderlich ist, wie z. B. bei der Verzahnung.

Betriebsbedingungen

Studien haben gezeigt, dass der Abriebverschleiß mit dem Quadrat der Drehzahl zusammenhängt. Aus diesem Grund schlagen viele Pumpenhersteller vor, die Pumpe zu überdimensionieren und mit einer niedrigeren Drehzahl zu betreiben. Dies ist nicht ideal für hydrodynamische Lager und interne Leckagen. In der Regel ist jedoch der abrasive Verschleiß das Hauptproblem und die anderen Auswirkungen können in Kauf genommen werden werden.

Pumpentyp

Die Wahl des Pumpentyps ist für abrasive Flüssigkeiten von großer Bedeutung. Rotierende Verdrängerpumpen haben in der Regel einen Komponentenkontakt. Fällt die Wahl auf diese Pumpen, so sind für abrasive Flüssigkeiten harte Materialien erforderlich wie:

• Keramiken (Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid)
• Hartmetalle (Wolframkarbid)
• Gehärtete Stähle
• Harte Beschichtungen

Jedes Material bedingt Kompromisse in Herstellbarkeit, Kosten, Korrosionsbeständigkeit usw. Auch die Art der Pumpe wirkt sich auf die verfügbaren Materialien aus. Für Außenzahnradpumpen können beispielsweise keine Keramikzahnräder verwendet werden, da die scharfen Kanten ausbrechen würden.

Bei Pumpen, die Elastomere im Strömungsweg verwenden, wie z. B. Membranpumpen, gibt es oft keinen Kontakt zwischen den Bauteilen. Das weiche Elastomer wird jedoch allein durch das abrasive Material, das mit hoher Geschwindigkeit um die Kanten fließt, erodiert. Darüber hinaus ist der charakteristische gepulste Fluidfluss dieser Pumpen mit bestimmten Anwendungen, wie z. B. dem kontinuierlichen Tintenstrahldruck, ohne teure Pulsationsdämpfer nicht vereinbar.

Dichtungen

Feine Schleifmittel sind für Gleitdichtungen katastrophal. Gleitringdichtungen bestehen naturgemäß aus weichen Materialien, die gegen harte Materialien gleiten. Kleine abrasive Partikel gelangen leicht zwischen die Gleitflächen und verschleißen das weiche Dichtungsmaterial schnell.

Eine Lösung ist die Verwendung von Magnetkupplungen, wie sie in magnetisch gekoppelten Zahnradpumpen zu finden sind. Diese sind eine hervorragende Lösung für abrasive Flüssigkeiten, vorausgesetzt, die Partikel sind klein und nichtmagnetisch.