Amélioration des performances de la pompe avec des coquilles de confinement en céramique
L'une des variables clés affectant les performances et la durée de vie d'une pompe est l'étanchéité de l'arbre. Les bagues d'étanchéité ou les cartouches sont des solutions courantes, mais les accouplements magnétiques peuvent offrir une plus grande efficacité. La céramique avancée, en particulier l'oxyde de zirconium FZM, s'avère être un matériau utile dans l'industrie des pompes pour améliorer l'efficacité énergétique, la résistance à la corrosion et les performances.
Dans les pompes à entraînement magnétique, il n'y a pas de connexion mécanique entre le rotor de la pompe et le moteur. Au lieu de cela, l'entraînement est transmis par des aimants rotatifs. Des coques de confinement sont utilisées entre les aimants externes connectés au moteur et les aimants internes connectés au rotor de la pompe. Cette solution peut fournir une étanchéité sans fuite, ce qui améliore la sécurité de la pompe lors du pompage de fluides agressifs.
Une considération de sécurité supplémentaire est le matériau de l'enveloppe de confinement. Lors du fonctionnement, les métaux couramment utilisés génèrent de la chaleur, déclenchée par induction magnétique. Cette chaleur supplémentaire n'est pas autorisée lors du pompage de substances thermosensibles et entraîne une surchauffe rapide de la pompe en cas de panne de liquide de refroidissement. La chaleur supplémentaire peut également contribuer à l'évaporation du fluide pompé et à la cavitation.
Applications du monde réel
Dans une étude de cas, plusieurs pompes ont été envoyées à l'usine pour révision après deux ans de fonctionnement. Le milieu pompé était de l'huile chaude à 110°C (230°F) avec une teneur en terre décolorante d'environ 5 %. Tous les composants porteurs de flux, les canaux de circulation internes et les espaces étroits avaient été rincés ou meulés. Cependant, aucune trace d'usure n'a pu être détectée sur la coque en céramique. Par conséquent, il pourrait être réinstallé dans la pompe réparée.
Dans un autre exemple avec un autre fabricant de pompes, des roulements extérieurs défectueux ont permis à l'aimant extérieur de frotter contre la coque de confinement. À l'exception d'une piste de meulage d'une profondeur d'environ 0,4 millimètre (mm), l'enveloppe de confinement en céramique est restée intacte. Ainsi, toute la pompe a pu être sauvée et seuls les roulements ont dû être remplacés. Dans cette application, la coque était sous une pression de près de 40 bars. Encore une fois, le matériau céramique offrait sécurité et performance grâce à sa propriété non magnétique, sa ténacité élevée à la rupture et sa résistance mécanique élevée.
Efficacité énergétique avec la céramique
De plus, l'écart entre les deux aimants est important pour maintenir les performances. Afin de maintenir cet espace aussi petit que possible, l'épaisseur de paroi de la boîte est minimisée à environ 2 à 4 mm dans la zone cylindrique. L'oxyde de zirconium FZM peut résister à une certaine déformation élastique en raison de son faible module d'élasticité, de sorte que toutes les contraintes peuvent être absorbées même à des pressions allant jusqu'à 60 bars.
Les applications telles que le transport d'huiles ou d'acide sulfurique ne se font pas à température ambiante. Souvent, les exigences de température sont définies là où seuls quelques matériaux peuvent être utilisés. FZM peut être utilisé à des températures allant jusqu'à 450 C (842 F) sans changements significatifs. Étant donné que tous les matériaux se dilatent à ces températures, des tensions peuvent survenir. L'un des avantages de ce matériau céramique est son coefficient de dilatation thermique, similaire à celui de la fonte, permettant une adhésion fiable au métal. La coque en céramique se dilate avec le métal et des différences de tension plus importantes sont évitées.
L'industrie chimique traite non seulement des liquides, mais aussi des substances solides et gazeuses, qui peuvent toutes deux être explosives et inflammables. Afin de maîtriser ce domaine d'application, la décharge des charges électriques doit être garantie. En collaboration avec le Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) à Braunschweig, Allemagne, des mesures approfondies ont été effectuées pour déterminer la capacité de décharge électrique selon CEI 60093 et CEI 60167. Avec l'aide d'un revêtement externe supplémentaire, la résistance de surface et la fuite à la terre résistance (RA < 106 Ω) étaient nettement inférieures aux valeurs limites. Cela signifie qu'une enveloppe de confinement en céramique modifiée peut être utilisée au contact de tous les fluides inflammables et dans toutes les atmosphères explosives.
Depuis 1987, des coquilles en céramique ont été installées dans les pompes fabriquées par l'un des fabricants mentionnés précédemment. Les coques en céramique ont été conçues à l'origine avec une épaisseur de paroi de 3,5 mm, améliorant considérablement la distance magnétique par rapport à la conception standard et permettant une puissance de transmission inférieure de 30 %. À l'aide d'une analyse numérique des contraintes sur différentes variantes de construction dans des conditions de charge et aux limites données, les dimensions idéales ont été déterminées. Bien que l'épaisseur de paroi de la partie cylindrique de l'enveloppe de confinement supporte la charge de pression maximale, elle n'est pas déterminante. Les conceptions des transitions vers les extrémités convexes et à bride sont beaucoup plus importantes. Cela a permis de réduire l'épaisseur de paroi à 1,9 mm tout en conservant la même résistance à la pression et en assurant une interchangeabilité complète.