Miglioramento delle prestazioni della pompa con gusci di contenimento in ceramica
Una delle variabili chiave che influiscono sulle prestazioni e sulla durata di una pompa è la tenuta dell'albero. Gli anelli di tenuta o le cartucce sono soluzioni comuni, ma i giunti magnetici possono fornire una maggiore efficienza. La ceramica avanzata, in particolare l'ossido di zirconio FZM, si sta rivelando un materiale utile nell'industria delle pompe per migliorare l'efficienza energetica, la resistenza alla corrosione e le prestazioni.
Nelle pompe a trascinamento magnetico, non vi è alcun collegamento meccanico tra il rotore della pompa e il motore. Invece, l'azionamento viene trasmesso attraverso magneti rotanti. I gusci di contenimento vengono utilizzati tra i magneti esterni collegati al motore e i magneti interni collegati al rotore della pompa. Questa soluzione può fornire una tenuta senza perdite, migliorando la sicurezza della pompa durante il pompaggio di fluidi aggressivi.
Un'ulteriore considerazione di sicurezza è il materiale per il guscio di contenimento. Durante il funzionamento, i metalli comunemente usati generano calore, innescato dall'induzione magnetica. Questo calore aggiuntivo non è consentito quando si pompano sostanze termosensibili e provoca un rapido surriscaldamento della pompa in caso di guasto del liquido di raffreddamento. Il calore aggiuntivo può anche contribuire all'evaporazione del mezzo pompato e alla cavitazione.
Applicazioni del mondo reale
In un caso di studio, diverse pompe sono state inviate alla fabbrica per la revisione dopo due anni di funzionamento. Il mezzo pompato era olio caldo a 110°C (230°F) con un contenuto di terra sbiancante di circa il 5%. Tutti i componenti che trasportano il flusso, i canali di circolazione interni e le fessure strette erano stati lavati o rettificati. Tuttavia, non sono state rilevate tracce di usura sul guscio in ceramica. Pertanto, potrebbe essere reinstallato nella pompa riparata.
In un altro esempio con un diverso produttore di pompe, cuscinetti esterni difettosi hanno consentito al magnete esterno di sfregare contro il guscio di contenimento. Fatta eccezione per una pista di macinazione con una profondità di circa 0,4 millimetri (mm), il guscio di contenimento in ceramica è rimasto intatto. Pertanto, l'intera pompa poteva essere salvata e solo i cuscinetti dovevano essere sostituiti. In questa applicazione, il guscio era sottoposto a una pressione di quasi 40 bar. Anche in questo caso, il materiale ceramico ha fornito sicurezza e prestazioni grazie alle sue proprietà non magnetiche, all'elevata tenacità alla frattura e all'elevata resistenza meccanica.
Efficienza energetica con la ceramica
Inoltre, lo spazio tra i due magneti è importante per mantenere le prestazioni. Per mantenere questo spazio il più piccolo possibile, lo spessore della parete del barattolo è ridotto al minimo a circa 2-4 mm nell'area cilindrica. L'ossido di zirconio FZM può resistere ad una certa deformazione elastica grazie al suo basso modulo elastico, in modo che tutte le sollecitazioni possano essere assorbite anche a pressioni fino a 60 bar.
Applicazioni come il trasporto di oli o acido solforico non avvengono a temperatura ambiente. Spesso vengono stabiliti requisiti di temperatura in cui possono essere utilizzati solo pochi materiali. FZM può essere utilizzato a temperature fino a 450 C (842 F) senza variazioni significative. Poiché tutti i materiali si espandono a queste temperature, possono sorgere tensioni. Un vantaggio di questo materiale ceramico è il suo coefficiente di dilatazione termica, simile a quello della ghisa, che consente un'adesione affidabile al metallo. Il guscio in ceramica si espande insieme al metallo e si evitano maggiori differenze di tensione.
L'industria chimica si occupa non solo di sostanze liquide, ma anche solide e gassose, che possono essere sia esplosive che infiammabili. Per padroneggiare questo campo di applicazione, deve essere garantita la scarica delle cariche elettriche. Insieme alla Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) di Braunschweig, in Germania, sono state eseguite misurazioni approfondite per determinare la capacità di scarica elettrica secondo IEC 60093 e IEC 60167. Con l'aiuto di un rivestimento esterno aggiuntivo, la resistenza superficiale e la dispersione verso terra resistenza (RA < 106 Ω) erano significativamente al di sotto dei valori limite. Ciò significa che un guscio di contenimento in ceramica modificato può essere utilizzato a contatto con tutti i mezzi infiammabili e in qualsiasi atmosfera esplosiva.
Dal 1987, i gusci in ceramica sono stati installati nelle pompe realizzate da uno dei produttori citati in precedenza. I gusci in ceramica sono stati originariamente progettati con uno spessore della parete di 3,5 mm, migliorando sostanzialmente la distanza magnetica rispetto al design standard e consentendo una potenza di trasmissione inferiore del 30%. Con l'aiuto di un'analisi numerica delle sollecitazioni su diverse varianti costruttive in determinate condizioni di carico e al contorno, sono state determinate le dimensioni ideali. Sebbene lo spessore della parete della parte cilindrica del guscio di contenimento resista al massimo carico di pressione, non è determinante. Molto più importanti sono i progetti delle transizioni alle estremità convesse e flangiate. Ciò ha consentito di ridurre lo spessore della parete a 1,9 mm mantenendo la stessa resistenza alla pressione e garantendo la completa intercambiabilità.