Was sind Trockengasdichtungen?

Im Bereich rotierender Maschinen ist die effektive Abdichtung von Prozessgasen von größter Bedeutung, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Trockengasdichtungen haben sich als weit verbreitete Dichtungslösung etabliert und bieten deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen flüssigkeitsgeschmierten Dichtungen.

Dieser Blogbeitrag befasst sich mit den Feinheiten von Trockengasdichtungen und untersucht ihr Design, ihre Funktionsprinzipien und ihre Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen.

Was sind Trockengasdichtungen?

Trockengasdichtungen sind eine Art berührungsloser Gleitringdichtung werden häufig in Kreiselkompressoren verwendet, um Prozessgaslecks entlang der rotierenden Welle zu verhindern. Diese Dichtungen funktionieren ohne Flüssigschmierung und nutzen stattdessen einen dünnen Gasfilm, um einen Spalt zwischen den Dichtflächen aufrechtzuerhalten. Diese Trennung wird durch eine Kombination aus Nuten an den Gegenringen und den hydrodynamischen Kräften erreicht, die durch die Rotation der Welle erzeugt werden.

Trockengasdichtungen bieten gegenüber herkömmlichen Nassdichtungen (mit Ölschmierung) mehrere Vorteile, darunter geringeren Energieverbrauch, geringeres Kontaminationsrisiko und verbesserte Kompressoreffizienz. Sie werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, beispielsweise in der Öl- und Gasverarbeitung, in petrochemischen Anlagen und bei Gastransportanwendungen.

Komponenten von Trockengasdichtungen

• Rotierender Ring: Der rotierende Ring ist an der Kompressorwelle befestigt und verfügt über eine präzisionsgefertigte Oberfläche mit einem spiralförmigen Rillenmuster. Dieses Muster trägt dazu bei, die hydrodynamische Auftriebskraft zu erzeugen, die erforderlich ist, um den Spalt zwischen den Dichtflächen während des Betriebs aufrechtzuerhalten.
• Stationärer Ring: Der stationäre Ring ist im Dichtungsgehäuse montiert und hat eine glatte Dichtfläche, die mit dem rotierenden Ring zusammenpasst. Er besteht normalerweise aus einem harten, verschleißfesten Material wie Siliziumkarbid oder Wolframkarbid, um den harten Betriebsbedingungen standzuhalten.
• Dichtungsgasversorgungssystem: Das Dichtungsgasversorgungssystem versorgt den Dichtungshohlraum mit einem sauberen, trockenen Gas (normalerweise Stickstoff) bei genau kontrolliertem Druck. Dieses Gas ist wichtig, um den dünnen Film zwischen den Dichtungsflächen zu bilden und eine Verunreinigung durch das Prozessgas zu verhindern. Das Dichtungsgasversorgungssystem umfasst normalerweise Filter, Druckregler und Durchflussregelventile, um die optimale Dichtungsumgebung aufrechtzuerhalten.

Zusätzlich zu diesen Primärkomponenten enthalten Trockengasdichtungen auch Sekundärdichtelemente wie O-Ringe und Dichtungen, um Leckagen zwischen den stationären Komponenten zu verhindern.

Funktionsweise von Trockengasdichtungen

Trockengasdichtungen arbeiten nach dem Prinzip der berührungslosen Spaltdichtungstechnologie. Die Dichtungswirkung wird durch einen dünnen Film aus unter Druck stehendem Gas erreicht, der zwischen den präzise gefertigten Dichtungsflächen fließt und eine Barriere bildet, die Leckagen verhindert.

Das Hochdruck-Dichtgas wird durch Öffnungen im stationären Ring in die Dichtungsschnittstelle eingespritzt. Wenn das Gas in den Spalt zwischen dem rotierenden und dem stationären Ring eintritt, dehnt es sich aus und erzeugt ein Druckprofil über den Dichtungsflächen. Dieses Druckprofil erzeugt eine Öffnungskraft, die die Flächen durch einen kleinen Spalt trennt, der normalerweise einige Mikrometer misst.

Durch die Rotation der Welle und des daran befestigten Drehrings entsteht innerhalb des Gasfilms ein hydrodynamischer Effekt. Dieser Effekt führt dazu, dass der Gasdruck radial nach außen ansteigt und so eine stabile, berührungslose Abdichtung zwischen den rotierenden und stationären Komponenten entsteht.

Um den optimalen Dichtungsspalt beizubehalten, sind Trockengasdichtungen auf das Gleichgewicht zwischen der durch das unter Druck stehende Gas erzeugten Öffnungskraft und der durch die Dichtungsfedern ausgeübten Schließkraft sowie dem Druckunterschied zwischen den Dichtungsflächen angewiesen. Das Dichtungsgasversorgungssystem liefert kontinuierlich sauberes, trockenes Gas mit einem Druck, der etwas höher ist als der des Prozessgases, um eine sichere Abdichtung zu gewährleisten und Verunreinigungen zu verhindern.

Das aus der Primärdichtung austretende Gas wird in der Sekundärdichtungskammer gesammelt und sicher abgelassen oder in den Kompressor zurückgeführt.

Arten von Trockengasdichtungen

Trockengasdichtungen gibt es in verschiedenen Konfigurationen, um den unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Die drei Haupttypen von Trockengasdichtungen sind Einzeldichtungen, Tandemdichtungen und doppelt gegenüberliegende Dichtungen.

Einzeldichtungen

Einzelne Trockengasdichtungen bestehen aus einem einzelnen Satz rotierender und stationärer Ringe. Diese Dichtungen werden typischerweise in Anwendungen mit geringeren Druckunterschieden und weniger anspruchsvollen Betriebsbedingungen eingesetzt. Einzelne Dichtungen sind kompakter und kostengünstiger als andere Arten von Trockengasdichtungen.

Das Dichtungsgas wird zwischen den rotierenden und stationären Ringen eingeführt und bildet einen dünnen Film, der den direkten Kontakt zwischen den Oberflächen verhindert. Dieser Film sorgt für einen stabilen Spalt, was eine effiziente Abdichtung ermöglicht und den Verschleiß der Komponenten minimiert.

Tandemdichtungen

Tandem-Trockengasdichtungen bestehen aus zwei Sätzen rotierender und stationärer Ringe, die in Reihe angeordnet sind. Diese Konfiguration bietet eine zusätzliche Schutz- und Redundanzebene, wodurch Tandemdichtungen für kritischere Anwendungen oder Umgebungen mit höheren Druckunterschieden geeignet sind.

Bei einer Tandemdichtungsanordnung fungiert die Primärdichtung als Hauptdichtungselement, während die Sekundärdichtung als Ersatz dient. Wenn die Primärdichtung ausfällt oder übermäßige Leckage aufweist, übernimmt die Sekundärdichtung, um die Dichtheit des Systems aufrechtzuerhalten.

Das Sperrgas wird sowohl der Primär- als auch der Sekundärdichtung zugeführt und gewährleistet so eine gleichbleibende und zuverlässige Dichtungsleistung. Tandemdichtungen bieten erhöhte Sicherheit und Zuverlässigkeit, da sie auch dann weiterarbeiten können, wenn ein Satz Dichtungskomponenten ausfällt.

Doppelte gegenüberliegende Dichtungen

Doppelt gegenüberliegende Trockengasdichtungen bestehen aus zwei Sätzen rotierender und stationärer Ringe, die in einer gegenüberliegenden Konfiguration angeordnet sind. Bei dieser Anordnung sind die Dichtflächen Rücken an Rücken positioniert, wobei das Dichtungsgas zwischen ihnen zugeführt wird.

Durch die gegenläufige Konstruktion der Doppeldichtungen wird ein Druckausgleich erreicht, der zur Minimierung der auf die Dichtungselemente wirkenden Axialkräfte beiträgt.

Der Sperrgasfluss in doppelt gegenüberliegenden Dichtungen wird durch eine Reihe von Öffnungen und Kanälen im Dichtungsgehäuse gesteuert. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des Sperrgases und trägt dazu bei, eine stabile Dichtungsschnittstelle zwischen den rotierenden und stationären Komponenten aufrechtzuerhalten.

Doppelte gegenüberliegende Dichtungen bieten eine ausgezeichnete Dichtleistung und können im Vergleich zu Einzel- und Tandemdichtungen höhere Druckunterschiede bewältigen. Sie werden häufig in anspruchsvollen Anwendungen wie Hochdruckkompressoren und -pumpen eingesetzt, bei denen eine zuverlässige Dichtleistung von entscheidender Bedeutung ist.

Vorteile von Trockengasdichtungen

Verbesserte Zuverlässigkeit

Trockengasdichtungen bieten im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungsmethoden eine deutlich höhere Zuverlässigkeit. Das berührungslose Design von Trockengasdichtungen minimiert den Verschleiß, verringert das Ausfallrisiko und verlängert die Lebensdauer der Dichtung.

Verbesserte Effizienz

Trockengasdichtungen arbeiten mit einem kleineren Abstand zwischen den rotierenden und stationären Komponenten, was zu geringeren Leckagen und einer verbesserten Dichtungseffizienz führt.

Geringere Wartungskosten

Die berührungslose Natur von Trockengasdichtungen reduziert Reibung und Verschleiß und minimiert so den Bedarf an häufiger Wartung und Teileaustausch. Dieser Vorteil führt zu geringeren Wartungskosten über die gesamte Lebensdauer der Anlage sowie zu weniger Ausfallzeiten im Zusammenhang mit Dichtungswartungsaktivitäten.

Umweltvorteile

Trockengasdichtungen bieten im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungen auf Ölbasis eine sauberere und umweltfreundlichere Dichtungslösung. Durch die Verwendung von Inertgas als Dichtungsmedium eliminieren Trockengasdichtungen das Risiko von Öllecks und Verunreinigungen und tragen so dazu bei, die Umweltbelastung der Geräte zu minimieren.

Nachteile von Trockengasdichtungen

Höhere Anschaffungskosten

Aufgrund der fortschrittlichen Technologie und der Präzisionsfertigung, die für Trockengasdichtungen erforderlich sind, sind die Anschaffungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungsmethoden häufig höher.

Empfindlichkeit gegenüber Schadstoffen

Trockengasdichtungen reagieren empfindlicher auf Verunreinigungen im Sperrgas als herkömmliche Dichtungen. Partikel, Flüssigkeiten oder andere Verunreinigungen in der Gaszufuhr können die Dichtflächen beschädigen und zu vorzeitigem Ausfall führen.

Eingeschränkter Temperaturbereich

Trockengasdichtungen haben im Vergleich zu einigen herkömmlichen Dichtungsmethoden einen eingeschränkteren Betriebstemperaturbereich. Die in Trockengasdichtungen verwendeten Materialien sind möglicherweise nicht für Anwendungen mit extrem hohen oder niedrigen Temperaturen geeignet, was ihre Verwendung in bestimmten Branchen oder Prozessen einschränkt.

Anwendungen von Trockengasdichtungen

Radialkompressoren

Trockengasdichtungen werden häufig in Kreiselkompressoren eingesetzt, insbesondere in der Öl- und Gasindustrie. Sie bieten eine zuverlässige und effiziente Abdichtung für Hochdruck- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen, gewährleisten eine optimale Kompressorleistung und minimieren Gasleckagen.

Turbomaschinen

Trockengasdichtungen werden in verschiedenen Turbomaschinen wie Dampfturbinen, Gasturbinen und Expandern eingesetzt. Sie bieten im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungstechnologien eine überlegene Dichtungsleistung, geringere Reibungsverluste und eine verbesserte Effizienz.

Petrochemische Verarbeitung

In petrochemischen Verarbeitungsanlagen werden Trockengasdichtungen in Pumpen, Mischern und anderen rotierenden Geräten eingesetzt. Sie tragen zur Aufrechterhaltung der Prozessreinheit bei, verhindern das Austreten gefährlicher oder wertvoller Flüssigkeiten und tragen zur allgemeinen Sicherheit und Effizienz der Anlage bei.

Industriegase

Trockengasdichtungen werden bei der Produktion, Lagerung und Handhabung von Industriegasen wie Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff eingesetzt. Durch ihre berührungslose Konstruktion und Kompatibilität mit verschiedenen Gasarten sind sie für die Aufrechterhaltung der Integrität und Reinheit der Gase während des gesamten Prozesses geeignet.