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"Austragspumpe"
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Austragspumpe Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Dichten
des antriebsseitigen Wellenzapfens einer Austragspumpe für Schmelze flüssige Polymere,
auf ein Verfahren zur Uberwachung der Leckage derartiger Austragspumpen und auf
eine Austragspumpe für schmelzeflüssige Polymere mit Sperrflüssigkeitsdichtung nach
den Patentansprüchen 1, 3 und 19.
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Austragspumpen sind Förderpumpen für hochviskose Medien, die bei der
Produktion und Verarbeitung von Thermoplasten zum Fördern der Schmelze bei hohen
Gegendrücken bis zu mehr als 300 bar dienen. Derartige Austragspumpen sind insbesondere
für Polyamide, Polyäthylenterephthalat, Polypropy7en, Polystyrol anwendbar (vgl.
z. B. Chemiefasern 1980, Heft 9, Seite 670).
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Derartige Austragspumpen sind vorzugsweise Zahnradpumpen. Ein besonderes
Problem dieser Austragspumpen stellt die Abdichtung des mit dem Antriebsmotor verbundenen
Wellenzapfens dar. Man hat hierfür bereits Sperrflüsigkeiten eingesetzt, welche
unter hohem Druck in das Stopfbuchsgehause geleitet werden. Hierdurch läßt sich
die Leckage im Bereich der Dichtung jedoch lediglich vermindern, da der'Druck der
Sperrflüssigkeit niedriger als der Druck der thermoplastischen Schmelze sein muß,
um ein Druckgefälle vom Pumpenraum nach außen bestehen zu lassen.
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Mengenmäßig ist diese Leckage ohne Bedeutung. Sie wird jedoch zum
Problem, wenn die Schmelze sich abkühlt und erstarrt, oder wenn die austretende
Schmelze verkrackt und einen-erhöhten Verschleiß der Lager und Dichten bewirkt.
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Die in den Ansprüchen 1, (' And 5 angegebene erfindungsgemäße Lösung
dieses Problems sieht vor, daß zur Abdichtung der Austragspumpe eine Sperrflubsigkeit
verwandt wird, welche das auszutragende Polymere auch im abgekiihlten Zustand völlig
zu lösen vermag. Als derartiges Lösungomittel sind bekannt Tetraäthylenglykol
für
Polyamid und Butandiol oder Glykol für Polyester. Es liegt im Bereich des Könnens
eines chemischen Durchschnittsfachmanns, für andere auszutragende Polymere, insbesondere
Polypropylen und Polystyrol geeignete Lösungsmittel ausfindig zu machen.
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Die Anwendung eines Lösungsmittels für das Polymere als Sperrflüssigkeit
hat den Vorteil, daß auch die zugelassene Leckage der Polymerschmelze keine Schädigungen
der Dichtungen mehr hervor rufen kann, da die Sperrflüssigkeit die geringen Leckageströme
ständig in Lösung hält. Es ist aber andererseits auch unschädlich, wenn geringe
Mengen der Sperrflüssigkeit in den Innenraum der Pumpe-gelangen, da das Lösungsmittel
mit der thermoplastlschen Schmelze zu einer homogenen Masse vermischt und gelöst
wird. Aus diesem Grunde ist bevorzugt vorgesehen, daß der Dichtbereich druckentlastet
wird, und zwar vorzugsweise dadurch, daß der Dichtbereich durch einen Kanal mit
der Saugseite der Pumpe verbunden wird. Bei Anwendung dr Austragspumpe zum-Austragen
der Schmelze aus einem Reaktorgefäß ergeben sich hierdurch im Dichtbereich sogar
Unterdrücke gegenüber der äußeren Umgebung, so daß ein Druckgefälle von außen nach
innen besteht, wenn -wie weiterhin als vorteilhaft vorgeschlagen - die Sperrflüssigkeit
unter einem den Saugdruck der Pumpe geringfügig übersteigenden Druck steht.
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Die Sperrflüssigkeit wird der Dichtung derart zugeführt, daß die Welle
gegenüber dem Stopfbuchsgehäuse zunächst durch eine mechanische Dichtung abgedichtet
wird, und daß die Sperrflüssigkeit in den hinter der Dichtung entstehenden Ringraum
zwischen Welle und Gehäuse gegeben wird. Die Dichtung war bisher als Gleitring ausgeführt.
Es wird jedoch hiermit als bevorzugt vorgeschlagen, daß die Dichtung ein als robust
bekanntes Stopfbuchspaket ist. Eine erfindungsgemäße Besonderheit besteht darin,
daß zwei Stopfbuchspakete mit Abstand voneinander vorgesehen werden. In den zwisch'en-den
Stopfbuchspaketen entstehenden S ,grauem wird die Sperrflüssigkeit
eingegeben.
Die Stopfbuchspakete werden in dem Ringraum durch Federn gegeneinander abgestützt,
so daß die beiden Stopfbuchs pakete vom Achsende her axial vorgespannt und belastet
werden können. In diesem Falle wird die Stopfkraft durch die zwischen geschalteten
Federn vom einen Paket auf das andere übertragen.
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Bevorzugt werden Federn mit begrenztem Federweg verwandt, was insbesondere
dadurch bewerkstelligt werden kann, daß in den Federn ein Zapfen liegt, der um ein
vorgegebenes Maß kürzer als die Feder ist. Die Verwendung derartiger Federn hat
den Vorteil, daß die Dichtung auch dann noch wirksam ist, wenn die erfindungsgemäß
vorgesehene Druckentlastung der Dichtstelle ausfällt. Zu diesem Ausfall kann es
insbesondere dann kommen, wenn der Druckentlastungskanal z. B. durch darin erstarrte
Schmelze verstopft ist. In diesem Falle gerät die dem Zahnrad zugewandte Stopfbuchspackung
unter den erhöhten Druck der Hochdruckseite der Austragspumpe und wird dadurch gegen
das Wellenende gedrückt. Sie kann sich dabei jedoch nur um den zugelassenen Federweg
verhältnismäßig leicht gegen die Federkraft bewegen.
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Anschließend ist die Stopfbuchspackung wieder zwischen dem Stopfflansch
am Wellenende, der hierauf folgenden zweiten Stopfbuchspackung und dem den Federweg
begrenzenden Zapfen fest eingespannt und damit dicht.
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Die Gefahr eines Druckaufbaus in der Entlastungszone der Wellenabdichtung
wird dadurch vermindert, daß dort ein Abschaber vorgesehen wird, welcher evtl. eintretende,
stagnierende und dabei erstarrende Schmelzereste abschabt und in Bewegung hält.
Zum gleichen Zweck kann alternativ vorgesehen werden, daß im Dichtungsbereich die
Welle und die Bohrung des Stopfbuchsgehäuses exzentrisch zueinander angeordnet werden,
so daß sich - in der Einbaulage der Pumpe - unten ein engster Spalt mit einem erhöhten
dynamischen Druck bildet, welcher für ein Umwälzen der Schmelze gerade in dem von
Ablagerungen besonders gefährdeten unteren Bereich sorgt.
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Bei dieser Anordnung ist im oberen Bereich der Bohrung - dort, wo
die Exzentrizität zwischen Welle und Bohrung den größten Wert annimmt - der Entlastungskanal
zur Niederdruckseite hin angeordnet.
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Da die Austragspumpen hoch erhitzt werden, kann es notwendig sein,
die Sperrflüssigkeit zu kühlen, zum einen, um die Packungen zu schonen, zum anderen,
um eine chemische Zersetzung der Sperrflüssigkeit zu vermeiden.
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Die Sperrflüssigkeit wird dem Ringraum aus einem mit dem Ringraum
kommunizierenden Vorratsbehälter zugeführt. Dabei kann der Vorratsbehälter offen
sein Falls die Sperrflüssigkeit unter einem etwas höheren Druck stehen soll, kann
das System von Vorratsbehälter und Ringraum jedoch auch geschlossen sein.
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Zur Kühlung der Sperrflüssigkeit wird bevorzugt am Ringraum zwischen
den Stopfbuchspackungen eine Falleitung für die Zufuhr und eine Steigleitung für
die Wegführung der Sperrflüssigkeit angeschlossen, und zwar derart, daß in dem Leitungssystem
infolge eines Temperaturunterschiedes ein Naturumlauf erfolgt.
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Brfindungsgemäß wird schließlich vorgesehen, daß die Dichtigkeit der
Austragspumpe dadurch überwacht wird, daß - sofern es sich um ein offenes System
handelt - der Füllstand des Vorratsbehälters oder - sofern es sich um ein geschlossenes
System handelt - der Druck des Systems überwacht wird Hierzu sei bemerkt, daß bei
einem Ansteigen des Drucks der Schmelze im Dichtungsbereich Schmelze in den das
Lösungsmittel enthaltenden Ringraum austreten und dort in Lösung gehen wird. Dadurch
tritt eine Volumenvergroßerung des Lösungsmittel-Polymergemisches ein, die man direkt
oder über den damit verbundenen Druckanstieg messen und z. B. zur Erzeugung eines
Alarmsignals~nutzbar machen kann.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungabeispiels
beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 den schematischen Längsschnitt durch eine als Zahnradpumpe
ausgeführte Austragspumpe; Fig. 2 als Detail den Dichtungsbereich der Antriebswelle
im Axialschnitt; Fig. 3 die Federn im Bereich der Stopfbuchspackungen;
| Fig. 4 8" und |
| Fig. 4 a ein Detail des Di chtungs bereiches nach Fig. 2 |
| bzw. |
| Fig. 5 und jeweils im Axial- und Querschnitt. |
| Fig. 5 a |
In Fig. 1 ist der Längsschnitt durch eine Zahnradpumpe zur Veranschaulichung ihres
Aufbaus dargestellt. Das Gehäuse 1 ist von einer Heizmittelkammer 2 umgeben. Bei
dem Heizmittel kann es sich um eine erhitzte Flüssigkeit oder um Dämpfe handeln,
die an den Wandungen des Gehäuses 1 kondensieren und dabei ihre K.ondensationswärme
abgeben. Von den beiden miteinander kämmenden Zahnrädern 3 und 4 wird das Zahnrad
3 durch die Welle 7 angetrieben. Beide Lahnräder sind auf den Wellen 7 bzw. 8 drehfest
gelagert. Bei der eingezeichneten Drehrichtung der Zahnräder fördert die Zahilradpumpe
in Richtung der eingezeichneten Pfeile, so daß bei 5 die Saugseite der Pumpe und
bei 6 die Druckseite der Pumpe ist. Auf der Druckseite 6 der Pumpe ist noch ein
Kanal 35 angeschlossen, der in die Lagerbuchsen integriert ist und auf welchen bei
der Beschreibung der Fig. 2 später näher eingegangen wird.
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Die getriebene Welle 7 tritt asz dem Gehäuse heraus und ist mit einem
- nicht dargestellten - Antriebsmotor gekuppelt.
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Die Figuren 2, 4 und 5 zeigen im Detail die Gleitlager und die Abdichtung
der Antriebswelle 7 im Bereich des mit dem Antriebsmotor gekuppelten Antriebszapfens
9.
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In Fig. 2 ist das Zahnrad 3 auf der Antriebswelle 7 dargestellt.
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Unmittelbar links und rechts neben dem Zahnrad 3 befindet sich die
Gleitlagerung der Welle 7 in der Lagerbuchse 10 bzw. dem Lagerdeckel 10.1. Die Ritzelwellen
7, 8 mit den Zahnrädern 3, 4 sind zur Aufnahme der Axialkräfte im Lagerdeckel 10.1
bzw. im Lagergehäuse 10 abgestützt. In der bevorzugten Ausführungsform ist zwischen
Lagergehäuse 70 und Gehäusedeckel 14 ein Düsenring 13 vorgesehen, der zwischen dem
Gleitlager und der Wellendichtung einen Spalt definierter Weite und somit einen
definierten Leckagefluß zuläßt. An das Gleitlager schließt sich die Entlastungszone
15 an. Zur Erklärung sei erwähnt, daß nicht vermieden werden kann, damit flüssige
Schmelze, die unter einem Druck von z. B.
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30u bar steht, durch das Gleitlager in die Entlastungszon'e 15 geliegt.
Yunktion der Entlastungszone 15 ist die Druckentlastung der Leckageströme durch
einen- Entlastungskanal 16. Der Entlastungskanal 16 verbindet die SntlastungszDne
15, d.h. den'Ringspalt zwischen Wolle 7 und Gehäusedeckel 14 mit der Saugseite 5
der Pumpe und führt mithin die Leckageströme aus dem Bereich der-Entlastungszone
15 zurück auf die Einlaßseite 5 der Pumpe. Der Druck der in der Entlastungszone
15 befindlichen Schmelze entspricht also im wesentlichen dem Druck auf der Saugseite
5 der Pumpe zuzüglich dem Druckverlust im Entlastungskanal 16.-Der Wellenzapfen
9 der Antriebswelle 7 wird zum Antriebsmotor hin durch Stopfbuchspackungen abgedichtet.
Hierzu ist auf den Gehäusedeckel 14 das Stopfbuchsgehäuse 12, ein rohrförmiger Körper,
gesetzt. In ihm befindet sich eine erste Stopfbuchspackung 17 mit mehreren Packungsringen,
sodann ein Ringraum 27, der in Achsrichtung von mehreren - in ihren Einzelheiten
in Fig. 3 dargestellten
umfangsverteilten Federn 20 überbrückt
wird und sodann eine zweite Stopfbuchspackung 18 mit weiteren Packungsringen. Durch
Stopfflansch 19 werden die Stopfbuchsringe von der Antriebsseite her zusammengepreßt,
wobei die Stopfkräfte von Packung 18 auf Packung 17 durch die Federn 20 übertragen
werden. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, sind die Federn zwischen Federköpfen 22 eingespannt.
Die Federköpfe 22 weisen Bolzen 21 auf, welche den freien Federweg begrenzen und
bei einer zu starken Zusammendrückung der Federn 20 für eine formschlüssige Kraftübertragung
Sorge tragen.
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Der Ringraum 27 ist über die Leitung 23 mit einem Vorratsbehälter
24, der die Sperrflüssigkeit enthält, kommunizierend verbunden, so daß die Sperrflüssigkeit
im Ringraum 27 lediglich unter dem Druck der Flüssigkeitssäule, d.h. unter dem Druck
von wenig mehr als 1 bar, z. B. 1,1 bar steht. Der Vorratsbehälter 24 besitzt eine
Meßskala 25 und außerdem einen Schwimmer 26, der beim Erreichen eines bestimmten
FlüHsigkeitsstandes die eiektriech.n Kontakte 28 schließt und hierdurch ein Signal
erzeugt.
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Die Stopfbuchspackung 18 dient der Abdichtung des mit der Sperrflüssigkeit
gefüllten Ringraumes 27 gegenüber dem freien Ende des Wellenzapfens 9.
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In Fig. 2 ist weiterhin mit einem gestrichelten Linienzug ein Naturumlaufsystem
für die Sperrflüssigkeit angedeutet. Es besteht aus dem Vorratsbehälter 24, an dem
el ne Falleitungyangeschlossen ist, die zu dem Ringraum 27 zwischen den Stoptbuchspackungen
17 und 18 führt.
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Etwa diametral gegenüber Ist am Ringraum 27 eine Steigleitung 31 angeschlossen,
die wieder zu dem Vorratsbehälter 24'führt. Durch die Temperaturunterschiede der
Sperrflüssigkeit in der Steig- und Fallleitung und die daraus resaitierenden Dichteunterschiede
erfolgt im System ein Naturumlauf, wobei die Sperrflüssigkeit sich im Ringraum 27
aufheizt und im Vorratshehälter 24 - entsprechend dessen Fassungsvermögen - mehr
oder weniger stark abkühlen kann.
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Wie bereits bei der Beschreibung von Fig. 1 erwähnt worden ist, ist
auf der Pumpendrúckseite 6 ein in die Lagerbuchsen integrierter Kanal 35 angeschlossen,
durch den Polymerschmelze unter hohem Druck durch das angeschlossene Leitungssystem
in die im Lagergehäuse 10 bzw. im Lagerdeckel 10.1 angeordneten, als Drosselstrecken
36, 37 ausgebildeten Axialnuten gepreßt wird.
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Von. hier werden die Ringflächen 35 und 34 der Lagerbuchsen bzw.
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alternativ die Stirnflächen des Zahnrades 3 mit Druck beaufschlagt,
wobei bei symmetrischer Kraftwirkung das Zahnrad 3 zwischen den axialen Begrenzungswänden
"schwimmt" und ein Anlaufen an einer der Wände vermieden wird. Hierdurch wird die.
Reibung vermindert und in Verbindung hiermit ebenfalls der Verschleiß und die erforderliche
Antriebsleistung. Bei dem beschriebenen System der Spaltregelung stellt sich eine
Gleichgewichtsstellung des Zahnrades 3 in Abhängigkeit von dem Druckverlust in den
Drosselspalten selbsttätig ein, d.h. wenn das Zahnrad 5 nach rechts verstoben wird,
so erhöht sich im Drosselabschnitt 37 wegen der grijßeren Kanallänge der Druckverlust,
so daß, der an der Ringflächt 35 anstehende Druck abfällt und das Zahnrad 5 in die
Gleichgewichtslage zurückverschoben wird.
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Im übrigen wird noch darauf hingewiesen, daß der im Lagerdeckel 10.1
gelagerte Wellenzapfen 11 1 abgeschrägt ist. Durch diese Neigug der Stirnfläche
11.2 gegenüber der Normalebene entsteht beim Umlauf der Wt-lle eine Pumpwirkung,
die insbesondere eine Stagnation und Zersetzung der dorthin gelangten Schmelze verhindert
und einen zu:ätzlichen Druck aufbaut. Entsprechend diesem Druckanstieg im Drusselabschnitt
57 ist die Ringfläche 53 kleiner als die Ringflächt 34 zu dimensionieren.
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in den Figuren 4 und 5 sind im Detail Maßnahmen dargestellt, die verhindern,
daß sich in der Entlastungszone 15 Schmelze in Toträumen sammelt. Als Totraum besonders
gefährdet ist der - in Einbaulage - untere Teil der Entlastungszone 15. Nach Fig.
4 und Fig. 4 a wird vorgesehen, daß der Wellenzapfen 9 im Bereich der Entlastungszone
mit einem Abschaber 29 versehen wird, welcher dafür sorgt,
daß
die Schmelze nicht zum Stillstand kommt. Es kann sich hierbei z. B. um eine einfache,
als Maschinenelement bekannte Paßfeder handeln. In Fig. 5 und Fig. 5a ist als alternative
Maßnahme vorgesehen, daß der Gehäusedeckel 14 den Wellenzapfen 9 im Bereich der
Entlastungszone 15 exzentrisch umgibt, so daß sich unten ein engster Spalt 30 ausbildet.
Infolge der Drehung des Wellenzapfens 9 entsteht im Bereich dieses engsten Spaltes
30 ein erhöhter dynamischer Druck, der zum Durchspülen des engsten Spaltes 30 beiträgt
und Schmelzeablagerungen verhindert.
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Zur weiteren Erklärung sei erwähnt, daß die Bezugszeichen in den Figuren
4 und 5 sich auf die in Fig. 2 dargestellten Elemente der Austragspumpe beziehen.
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Bevor nun die Funktion der Austragspumpe beschrieben wird, ist darauf
hinzuweisen, daß die erfindungsgemäß verwandte Sperrflüssigkeit ein Lösungsmittel
für das auzutragende Polymere darstellt.
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Geeignete Lösungsmittel kann der Fachmann für jedes auszutragende
Polymere angeben. Da die Austragspumpe während ihrer Lebenszeit im allgemeinen nur
für ein einziges Produkt eingesetzt wird, kommt auch nur ein einziges Sperrmittei
zur Anwendung. Dabei wirkt sich insbesondere positiv aus, daß erfjndungsgemäß das
Sperrmittel unter keinem nellnenswerten Druck in Vergl t'i ch zum Pumpenaus1i'druck
steht und daher keine Sperrmittelleckage zu befürchten ist.
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Zu dem Ausgleichsbehälter 24 sei noch erwähnt, daß dieser auch geschlossen
sein kann. In diesem Falle würde der Schwimmer durch einen Druckaufnehmer ersetzt,
der beim Uber6chreiten eines testimmten zulässigen Druckes ein Signal abgibt.
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Durch die Verwendung von Stopfbl;chspaketen wird gewährleistet, daß
eine gute, nachstellbare und gegen Verschmutzung unempfindliche Dichtung mit langer
Standzeit gewährleistet ist. Wegen der Druckentlastung der Schmelze im Bereich der
Entlastungszone 15
besteht kein Druckgefälle der Schmelze in Richtung
des Ringkanals 27. Andererseits besteht für die Spe.rrflüssigkeit ein -wenn auch
nur geringes - Druckgefälle vom Ringkanal 27 in Richtung der Entlastungszone 15,
so daß dort allenfalls geringe Mengen der Sperrflüssigkeit in die Schmelze gelangen
konnen.
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Diese geringen Mengen der Sperrflüssigkeit bewirken, daß eventuell
in die Stopfbuchspackung 17 gelangte Schmelzereste gelöst und ständig beseitigt
wsrden. Hierdurch wird erreicht, daß die Sto1>fbuchspackungen ständig gereinigt
und in Funktion gehalten werden. Insbesondere kann vermieden werden, daß Schmelzereste
in Bereich der Stopfbuchspackungen verkracken und aushärten und dadurch die Stopfbuchspackung
unbrauchbar machen.
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Wenn nun durch Schmelzeablagerungen im Bereich der Entlastungszone
15 und insbesondere durch Verstopfung des Entlastungskanals 16 der Schmelzedruck
im Bereich der Entlastungszone 15 ansteigt, könnte ein geringer Schmelzerest durch
die Stopfbuchspackung 17 in den Ringraum 27 eintreten und/oder die Stopfbuchspackung
17 wird gegen die Kraft der Federn 20 (in Fig. 2) nach rechts verschoben. In beiden
Fällen ändert sich die Füllhöhe im Vo.rratsbehälter 24. Diese Füllhöhenänderung
ist an der Skala 25 abzulesen und wird über Schwimmer 26 und die Kontakte 28 bzw.
- falls der Vorratsbehälter geschlossen ist - durch einen Druckgeber erfaßt.
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Das erzeugte Signal kann Anlaß zum Stillsetzen oder zum Instandsetzen
der Pumpe geben. Die Pumpe wird jedoch auch in diesem Falle nicht undicht. Vielmehr
ist dadurch, daß der Federweg der Federn ?0 durch die Bolzen 21 begrenzt ist, gewährleistet,
daß infolge des erhöhten Drucks in der Entlastungszone 15 auch eine erhöhte Stopfkraft
auf die Stopfbuchspackungen 17 und 18 ausgeübt wird. Dadurch wird die Dichtwirkung
der Stopfbuchspackungen dem erhöhten Druck angepaßt. Die Pumpe kann in Betrieb bleiben
bit die Gesamtanlage für die Kunststofferzeugung bzw. Kunststoffverarbeitung turnusmäßig
oder aus anderen Gründen außer Betrieb gesetzt wird.
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BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG 1 Gehäuse 2 Heizmittelraum 3 getriebenes
Zahnrad 4 mitlaufendes Zahnrad 5 Einlaßseite, Saugseite der Pumpe 6 Auslaßseite,
Druckseite der Pumpe 7 Antriebswelle 8 Abtriebswelle 9 Wellenzapfen 10 Gleitlagergehäuse,
Gleitlagerbereich der Welle 7, Lagerbuchse 10.1 Lagerdeckel mit Lagerbuchse 11 Lagerbereich
der Welle 11.1 Wellenzapfen 11.2 abgeschrägte Stirnfläche des Wellenzapfens 12 Stopfbuchsgehäuse
13 Düsenring 14 Gehäusedeckel, Gehäuse 15 Entlastungszone, Druckentlastung 16 Entlastungskanal,
Kanal 17 erste Stopfbuchspackung 18 zweite Stopfbuchspackung 19 Stopfflansch 20
Feder 21 Bolzen, Zapfen 22 Federkopf 23 Zuleitung 24 Vorratsbehälter 25 Skala 26
Schwimmer
27 Ringraum, Ringkanal 28 Kontakt 29 Abschaber 30 engster
Spalt 31 Steigleitung bei Umlaufsystem für Sperrflüssigkeit 32 Falleitung 33 Ringfläche,
Ringspalt 34 Ringfläche, Ringspalt 35 Kanal 36 Kanalabschnitt, Drosselstrecke 37
Kanalabschnitt, Drosselstrecke