Der Konstrukteur Juni 2006

Die 2. Generation homogener PTFE-Membranen erlaubt neue Konstruktionen und hat eine hohe Biegewechselfestigkeit

Bild 2: Diagramm HS-Werkstoffe Abrieb bei unterschiedlichen Temperaturen und Feuchtigkeiten; Auftagegewicht: F = 30 N; Gleitgeschwindigkeit v = 3,5 m/s; Prüfdauer = 24 h; Nadellagerlaufring gehärtet; A-D = 22 mm Bild 3: Diagramm HS-Werkstoffe Abrieb trocken und Dampf/Wassergemisch Auftagegewicht: F = 20 N; Prüfdauer = 24 h; Gleitgeschwindigkeit v = 2,2 m/s; D = 14 mm Bild 4: Aufbau des Dichtsystems bestehend aus federunterstützten Nutringen als Primär- und Sekundärabdichtung

Hochdruckpumpen für professionelle Reinigungsanlagen bzw. Hochdruckhandreiniger sind ein hart umkämpfter Markt. Daher waren hier PTFE Dichtsysteme bislang zu teuer. Es wurden vor allem Dichtungen aus FPM- bzw. NBR-Elastomergewebe eingesetzt. Steigende Anforderungen wie höhere Pumpendrücke, höhere Förderleistungen der Pumpen oder die Verwendung von Heißwasser sowie von aggressiven Reinigungsmedien zwangen namhafte Pumpenhersteller nach neuen Dichtungssystemen zu suchen.

Besonders geeignet für den Einsatz in Pumpen von Reinigungsgeräten sind Dichtungen aus modernen PTFE Werkstoffen. Die wichtigsten Eigenschaften des Werkstoffes PTFE sind eine nahezu universelle Chemikalienbeständigkeit (z. B. gegen aggressive Reinigungszusätze), Einsatztemperaturen von -250 °C bis +250 °C, keine Wasseraufnahme, unbegrenzt witterungsbeständig, kein altern und hohe Antiadhäsivität. Durch Kombination geeigneter PTFE-Basiswerkstoffe mit unterschiedlichen Füllstoffen organischer und anorganischer Art ist es möglich, den PTFE Compound speziell für die in der Anwendung geforderten Aufgaben abzustimmen. Für Anforderungen im Trockenlauf oder die Abdichtung von wässrigen oder lösungsmittelhaltigen Medien wurden spezielle PTFE Compounds wie HS21037, HS22111 und auch HS22106 entwickelt. Mit diesen Mischungen ist es gelungen, die Eigenschaften einer hohen Verschleißfestigkeit mit einer hohen Druckstandsfestigkeit zu vereinen (Bilder 2 und 3).

Auslegung der Dichtungen

Die in den Reinigern verwendeten Hochdruckpumpen sind als axial wirkende Plungerkolbenpumpen ausgeführt. Die Zylinderköpfe der Pumpen für die professionellen Reiniger bestehen aus Messing, die Plunger werden aus Keramik gefertigt. Die Dichtungen werden in separate Dichtungsträger ebenfalls aus Messing verbaut. Mit dieser Methode ist es möglich, die Pumpen abhängig vom Bedarf mit unterschiedlichen Dichtsystemen auszurüsten. Hochdruckreiniger die für den Heißwasserbereich spezifiziert sind, werden mit Federunterstützten Nutringen ausgerüstet. Für den weniger kritischen Betrieb mit Kaltwasser kommen nach wie vor Dichtungen aus Elastomer-Gewebewerkstoffen zum Einsatz.
In Hochdruckpumpen haben die verwendeten Dichtungen folgende Anforderungen zu erfüllen: Drücke bis 400 bar, hohe Hubfrequenzen bis 50 Hz, Hublängen der Plungerkolben von 5 bis 10 mm (je nach Art der Pumpe), die Plungerkolben werden in massiver Keramik gefertigt - Oberflächenrauheit R 1 - 1,5 µm, geforderte Standzeit der Dichtungen 1500 h (Betrieb mit Heißwasser), max. Mediumstemperatur 90 °C; Dauertemperatur für Heißwasser 80 °C.
Abgedichtet werden diese extremen Bedingungen mit einem zweistufigen Dichtsystem. Das heißt eine spezielle Primärdichtung für hohe Drücke und eine Sekundärdichtung zum Dichten gegenüber der Umgebung.
Bei der Auslegung der Primärdichtung wurde besonders auf einen optimalen Kraftfluss bei der Aufnahme der abzudichtenden hohen Drücke wert gelegt, somit können die daraus resultierenden Scherbelastungen von der Dichtung optimal aufgenommen werden. Die Sekundärdichtung hingegen hat bei gleicher Hubfrequenz nur noch einen sehr geringen Druck von 1 bis max. 3 bar abzudichten. Dabei wird der Raum zwischen Primär- und Sekundärdichtung ständig gespült (Bild 4).
Um gerade bei den Sekundärdichtungen die geforderten Standzeiten zu erreichen ist eine gleichmäßige Anpresskraft der Dichtlippe über die gesamte Laufzeit wichtig. Dies wird durch die Geometrie der Federunterstützten Nutringe und ein entsprechendes Design der verwendeten Federn bzw. Federwerkstoffe erreicht. Kommt es an der Sekundärdichtung zu Leckage so wirkt sich dies unmittelbar auf den Verschleiß der Dichtung aus. Wasser verdunstet, Kalk scheidet sich auf den Plungerkolben ab, was unmittelbar zu höherem Verschleiß führt.
Die Anforderungen an den Dichtwerkstoff für die Sekundärdichtung sind eine geringe Abriebfestigkeit im Einsatz mit Wasser sowie im reinen Trockenlauf. Ebenfalls eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Mikropartikel, die im Wasser vorhandenen sein können. Für die Primärdichtung ist eine hohe Druckfestigkeit (geringe Deformation unter Last) sowie sehr hohe Verschleißbeständigkeit gefordert.

Verbesserte Betriebseigenschaften

Mit dem Einsatz dieses Dichtsystems in Hochdruckpumpen werden Laufzeiten von mehr als 1500 him Dauerbetrieb erzielt, womit die Kundenanforderungen erfüllt werden. Beim Betrieb der Hochdruckpumpen mit "Kaltwasser" ist nach 1500 h Laufzeit nur äußerst geringer Verschleiß erkennbar. Die verwendeten PTFE Compounds haben eine universelle Medienbeständigkeit somit muss keine Rücksicht auf den Einsatz von Reinigungszusätzen genommen werden. Wenn Pumpen versehentlich ohne Wasser, d.h. im Trockenlauf betrieben werden, hat dies keinen negativen Einfluss auf die Lebensdauer der Dichtung. Ein entscheidendes Plus für den Einsatz von PTFE-Dichtungen!
Generell erhöhen sich die technischen Anforderungen hinsichtlich Druck, Temperatur, und Gleitgeschwindigkeit oder es herrschen tribologisch schwierig beherrschbare Zustände wie Mangelschmierung in den Anwendungen. Um auch für erschwerte Einsatzbedingungen gute Dichtungslösungen anbieten zu können, sind immer wieder neue Ideen bezüglich Dichtungsdesign und Entwicklung von geeigneten Werkstoffen gefordert. Durch Dauerlauftests der Dichtungen auf speziellen Prüfständen ist es möglich auch schwierige Einsatzbedingungen vom Kunden nachzustellen.