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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb von Pumpellanlagen.
Selbsttätige, ohne Hochbehälter arbeitende Pumpenwerke wurden bisher zumeist derart ausgeführt, dass dem veränderlichen Wasserbedarf entsprechend eine Anzahl meist gleich grosser Pumpen vorgesehen wurde, die das zu speisende Rohrnetz bei beliebigem Wasserverbrauch unter annähernd gleichbleibendem hohen Druck hielten.
Bei Fallen des Druckes im Druckluftbehälter, der zum Ausgleich der Schwankungen in die Druckleitung geschaltet wird, unter einen bestimmten Wert wird duieh einen Druekschalter die erste Pumpe eingeschaltet, bei weiter sinl : endem Druck die zweite Pumpe dazugeschaltet, bei noch grösserer Wasserentnahme und noch weiterem Sinken des Druckes tritt die dritte und schliesslich die vierte Pumpe dazu, derart, dass bei der grössten Wasserentnahme im Verbrauchsrohrnetz der niedrigste Druck von den Pumpen erzeugt wird, bei dem geringsten Wasserverbrauch hingegen der höchste Druck.
Dieses bisher übliche Verfahren besitzt den grossen Nachteil, dass die Drücke gerade in umgekehrter Weise hergestellt werden, als es dem Bedürfnis entspricht. Bei einer Wasserversorgungsanlage muss man fast stets damit rechnen, dass von der Pumpenanlage eine Hauptrohrleitung bis zum Verteilungsnetz führt. In der Hauptrohrleitung und im Verteilungsnetz sind die Reibungswiderstände zu überwinden, die bekanntlich mit dem Quadrate der Liefermenge wachsen.
Während daher bei geringem Wasserverbrauch, etwa in der Nacht, die Reibungswiderstände entsprechend klein sind, werden sie zu einem Höchstwert beim grössten Wasserverbrauch. Die ermittelte Höchstleistung muss einen Höchstbetriebsdruck ergeben, auf den alle Pumpen drücken müssen, so dass also bei normalem oder durchschnittlichemWasserverbrauch ein viel zu hoher Druck unter entsprechender Arbeitsvergeudung erzeugt wird. Anderseits wird man zur Vermeidung zu hoher Betriebskosten die Rohrleitungen hauptsächlich unter Berücksichtigung der grössten Durchflussmenge mit verhältnismässig grosser Lichtweite bemessen müssen, um für den Betriebsfall des Auftretens der grössten Widerstandhöhe den beabsichtigten effektiven Druck an der Verbrauchsstelle zu erhalten.
Man macht also hiebei den Fehler, die Rohrleitung für einen nur ganz kurze Zeit vorkommenden Ausnahmebetriebs- zustand zu bemessen, so dass sie für den am meisten vorkommenden Durchschnittswasserverbrauch, dem mit Rücksicht auf die weit grössere Betriebsstundenzahl auch die entsprechend grössere Bedeutung zukommt, in ihren Abmessungen zu gross ist, wodurch die Anschaffungskosten und damit auch die Kosten für die Verzinsung und Amortisation des Anlagekapitals und dadurch die Betriebskosten zu hoch werden.
Durch das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren wird nun erreicht, dass die gleiche Leistungsfähigkeit der Anlage bei wesentlicher Ersparnis an Anlagekosten infolge Verringerung der Rohrleitungsabmessungen erzielt und gleichzeitig an Betriebskosten bedeutend gespart wird. Diesem Arbeitsverfahren liegt der Gedanke zugiunde, dass das Rohrleitungsnetz nicht für die grösste Durchflussmenge zu berechnen ist, sondern für die während der grösstenAnzahl Stunden des Jahres in Frage kommende Liefermenge. Bei einer vorhandenen Rohrleitungsanlage mit einem zu geringen Querschnitt für den erhöhten Wasserdurchfluss kann die Anlage einer zweiten Druckrohrleitung erspart werden.
Zu diesem Zwecke wird für den Höchstwasserverbranch eine Pumpe mit grosser Liefermenge auf grosse Förderhöhe für verhältnismässig kurze Zeit in Betrieb gesetzt, wogegen für den am häufigsten vorkommenden Wasserverbrauch eine andere Pumpe mit einer Normalliefermenge auf eine kleinere Widerstandshöhe vorgesehen wird und bei vermindertem Wasserverbrauch jeweilig eine kleinere Pumpe
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mit geringerer Förderhöhe selbsttätig in Betrieb tritt, gleichzeitig aber immer die in Betrieb befindliche Pumpe ausser Betrieb gelangt.
Ist dann beispielsweise die grösste Liefermenge für nur wenige Stunden des Jahres doppelt so gross, so kann man für diese kurze Zeit auch die dabei auftretende, viermal so grosse Reibungswiderstandshöhe berücksichtigen und überwinden. Auf jeden Fall sind dabei noch immer die Jahresbetriebskosten bedeutend niedriger, wenn unter diesen Betriebskosten die Summe aus den Kosten für die Verzinsung und Amortisation, des Anlagekapitals und den Betriebsstromkosten verstanden wird. Eine weitere Eigentümlichkeit dieses Arbeitsverfahrens liegt darin, dass bei geringem Wasserverbrauch, also bei geringen Widerstandshöhen, stets nur Pumpen in Betrieb stehen, deren Druckhöhe beim günstigsten Wirkungsgrade der tatsächlich vorhandenen geringeren Gesamtwiderstandshöhe entspricht.
Es ist nun bereits bekannt geworden, bei Wasserversorgungsanlagen mit zwei Pumpen von verschiedenem Druck und verschiedener Fördermenge nach Eintritt eines ungewöhnlich hohen Wasserverbrauches durch einen in die Verteilungsleitung eingeschalteten Druckmesser die Pumpe mit grösserer Liefermenge und erhöhtem Druck einzuschalten, wobei die für den Normalbetrieb bestimmte Pumpe mit kleinerer Liefermenge und geringerem Druck durch einen zweiten Druckmesser oder einen Schwimmer ausgeschaltet wird.
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anlagen mit zwei oder mehreren Pumpen mit verschiedenen Liefermengen und Widerstandshöhen, das darin besteht, dass die Einschaltung einer dem jeweiligen Wasserverbrauch und der zugehörigen Widerstandshöhe entsprechenden Pumpe und die Ausschaltung der in Betrieb befindlichen, für einen geringeren oder grösseren Wasserverbrauch und eine entsprechende Widerstandshöhe bestimmten Pumpe von Hand aus oder selbsttätig in Abhängigkeit von der in der Zeiteinheit in das Verbrauchsnetz abfliessenden Wassermenge erfolgt.
Die Vorrichtung zur selbsttätigen Durchführung des Verfahrens besteht aus zwei oder mehreren, dasselbe Leitungsnetz speisenden Pumpen mit verschiedenen Liefermengen und Widerstandshöhen und einem für alle Pumpen gemeinsamen, zu deren Ein- und Ausschaltung dienenden Liefermengensehalter, der bei elektrisch angetriebenen Pumpen ein elektrisch-hydraulischer ist.
In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise dargestellt. In Fig. 1 ist in einem Diagramm die Wirkungsweise der gesamten Pumpenanlage sowohl nach dem üblichen Druckschaltungssystem, wie auch nach dem neuen Liefermengenschaltungssystem gezeigt. Als Abszissen sind die Liefermengen Q
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Do-B dargestellt sind. Die Liefermenge Qx ist die kleinste, bei der Anlage überhaupt vorkommende Liefermenge, die Liefermenge Q4 die grösste, nur in seltenen Fällen auftretende Verbrauehsmenge.
Bei dem Druckschaltungssystem verwendete man bisher beispielsweise vier gleiche Pumpen,
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metrische Förderhöhen erzeugen, die durch die Kurven L1, L2, L3, L4 dargestellt sind. Diese Pumpen fördern also nicht wesentlich höher, als es gemäss der Kurve Do-E der manometrischen Gesamtförderhöhe erforderlich ist. Steigt die Liefermenge von Qx bis Ql beim Betriebe mit der Pumpe I, so wird durch den Liefermengensehalter die Pumpe I aus und gleichzeitig die Pumpe 11 eingeschaltet ; steigt die Liefermenge weiter bis Qz, so wild die Pumpe II aus-und die Pumpe III eingeschaltet usf. Bei Verminderung des Abflusses in das Rohrnetz werden in gleicher Weise die nächst kleineren Pumpen einund die zu grossen selbsttätig ausgeschaltet.
Wenn daher die am häufigsten vorkommende Liefermenge etwa die der Pumpe II ist, so ist die Ersparnis an Druckhöhe, also auch an Stromverbrauch, durch die schraffierte Arbeitsfläche zwischen den Kurven Di und D2 dargestellt. Sie beträgt in dem gewählten
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Der bei der selbsttätigen Durchführung des Verfahrens erforderliche Schalter lässt sich auf vielerlei
Weise herstellen. Es gibt eine grosse Zahl von Wassermessern, die eine veränderliche Liefermenge anzeigen und die veränderliche Stellung dieser Anzeigevorrichtung kann dann auf irgendeine Weise zur Einleitung der Schaltung der einzelnen Pumpenmotoren verwendet werden.
In den Fig. 2, 3, 4 und 5 ist eine der vielfachen Ausführungsmöglichkeiten eines derartigen Schalters dargestellt. In Fig. 2 ist der hydraulisch beeinflusste Teil des Schalters S in einem lotrechten Schnitt dargestellt. Die Vorrichtung wird mit den Flanschen a und b in die Hauptabflussrohrleitung eingebaut.
Das Wasser fliesst durch das Gehäuse und durchströmt dabei einen hohlkegelförmigen Rohrstutzen e, dessen Querschnitt durch einen Kolben d von kleinerem Durchmesser als die engste Stelle des Rohr- stutzens derart vermindert wird, dass zwischen Rohrstutzen und Kolben nur eine ringförmige Durch-
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gangsfläche für den Durchtritt des Wassers übrigbleibt, so dass das Wasser eine höhere Geschwindigkeit annehmen muss.
Hiedurch entsteht ein nach oben gerichteter, auf den Kolben cl wirkender Druckunterschied, durch den das Gewicht des Kolbengestänges überwunden wird, derart, dass sich je nach der Grösse der Durehflussmenge die Kolbenstellungen-, 2,. 3 bzw. 4 ergeben. Der Kolben d ist mit einer Kolbenstange e verbunden, die oben in einer Bilchse f leiehtgehend geführt ist und am unteren Ende einen Kolben g trägt, der in einem Zylinder t sieh bewegt.
Beim Aufsteigen des Kolbens g saugt dieser das Wasser durch einen Kanal i aus dem Gehäuse ab und durch eine einstellbare Drosselschraube k kann die anangesaugte Wassermenge so geregelt werden, dass das Kolbengestänge nicht auf plötzliche Schwankungen in der Durchflussmenge sofort ausgiebig anspricht, sondern sich nur ganz langsam aufwärts oder abwärts bewegen kann. Das obere Ende der Kolbenstange e versetzt durch einen Hebel eine Welle m in Drehung.
Diese Welle m ist in der ganz mit Wasser erfüllten Kappe n (Fig. 3) gelagert und deren eines Ende tritt durch eine Stopfbüchse o aus der Kappe aus. An dem freien Ende der Welle m ist ein Steuerungs- bogenstüek p befestigt, das die elektrische Umsteuerung der einzelnen Pumpenmotoren in der bereits erwähnten Weise durchführt. Wenn in Fig. 2 der Kolben d je nach der Grösse der Durchflussmengen in einer der Stellungen 1, 2,3 oder 4 steht, so nimmt der Hebel J'die bezügliche Stellung 11, 12, 13 bzw. 14 ein und das Steuerungsbogenstück p (Fig. 5) wird dabei so bewegt, dass in der Hebelstellung 11 die Mittellinie ! lotrecht steht.
Befindet sich der Hebel l (Fig. 2) in Stellung 12, so steht die Mittellinie 2 des Steuerungsbogenstüekes in Fig. 5 lotrecht. Ebenso entspricht der Stellung 13 die lotrechte Lage der Mittellinie 3 und der Stellung 14 die lotrechte Lage der Mittellinie 4.
In dem Steuerungsbogenstück p sind die stromführenden Teile a, und a, (Fig. 4 und 5) isoliert befestigt, von denen isolierte Drähte nach aussen geführt sind. Durch eine Steuerrolle q aus Isolierstoff, die am Umfang einen Kupferring l'trägt, werden die beiden Pole al und a2 kurzgeschlossen. Die Steuerrolle $'wird durch eine Feder v, welche in einem mit dem Gehäuse starrverbundenen Federhaus untergebracht ist, stetig nach abwärts gedrückt. Die Drähte al und a2 führen vom Steuerungsbogenstück p zum Schalter 81 des Motors 21 in Fig. 6.
Bei diesem Schalter durchfliesst der positive Strom eine Magnetspule t, wodurch ein Kurzschliesser u den Motor 21 sofort unter Strom setzt und die Pumpe 1, die mit diesem Motor gekuppelt ist, in Tätigkeit gesetzt wird.
Bewegt sich das Steuerungsbogenstück aus der in Fig. 5 gezeichneten Lage heraus, so dass die Mittelachse 2 lotrecht steht, so wird in einer bestimmten Stellung entgegen der Wirkung der Feder v die Rolle q über eine isolierte Kuppe weggehoben und auf die an die Leitungen b1 und b2 angeschlossenen Kontakte gerollt, die durch den Kupferring r kurzgesehlossen werden, während gleichzeitig die Unterbrechung des über die Kontakte a1, a2 fliessenden Stromes erfolgt. Infolgedessen gelangt der Motor 21 zum Stillstand und der Motor 22, der mit der nächstgrösseren Pumpe gekuppelt ist, wird in Tätigkeit gesetzt.
In gleicher Weise werden, je nach Grösse der Durchflussmenge, in der Zeiteinheit die Pumpenmotoren 2. bzw. 21 eingeschaltet, wobei stets nur eine Pumpe arbeitet, da die vorher in Betrieb befindlich gewesene gleichzeitig ausgeschaltet wird. In Fig. 6 ist die unmittelbare Einschaltung aller Motoren ohne Vorschaltwiderstand angenommen, was aber nur bei ganz kleinen Drehstrom-Kurzsehlussanker- motoren oder Gleichstromserienmotoren zulässig ist. Bei grösseren Motorleistungen müssen natürlich besondere Selbstanlasser mit mehreren Widerstandsstufen verwendet werden, wobei aber die eigentliche Schaltung durch einen mittels Widerstands gedrosselten wattlosen Strom in der vorstehend beschriebenen Weise durchgeführt wird.
Um den richtigen Zeitpunkt der Umschaltung einstellen zu können, ist die Feder v nachstellbar, um ihren Einfluss auf das Gewicht der Rolle q verändern zu können. Gleichzeitig wird das Übergewicht des Steuerungsbogenstüekes p um die Wirkung eines verschieden grossen einstellbaren Gewichtes x vermehrt.
Während der Umschaltung wird das Wasser in das Netz aus dem Druckwindkessel W gedrückt.
(Fig.].) Von hier gelangt das Wasser durch den Liefermengenschalter S in die Druckleitung. Die Grösse des Windkessels W ist somit nur für den zugelassenen Druckabfall während der Anlassdauer des Motors zu bemessen und ergibt sich viel kleiner als bei Druckschaltungsanlagen, so dass auch hiedurch eine Kostenverminderung erzielt wird.
Um für grössere Anlagen eine grössere Steuerkraft für den Liefermengenschalter zu erhalten, kann man diesen in einer Ausführung herstellen, die in den Fig. 7 und 8 beispielsweise in doppelter Anordnung dargestellt ist. In einem zylindrischen oder zum Teil konischen Rohre c bewegt sich ein Verdränger , der für den Wasserdurehgang nur einen Ringspalt frei lässt. Das Wasser tritt bei a ein, strömt bei b aus und passiert dabei beide Verdränger cl, in deren Ringspalt eine erhöhte Geschwindigkeit eintritt.
Entsprechend dieser erhöhten Geschwindigkeit ist vor jedem Kolben, in der Bewegungsrichtung des Wassers betrachtet, ein höherer Druck als hinter dem Kolben wirksam, der durch Lenker e'und den doppelarmigen Hebel 1 auf die Steuerwelle m übertragen wird. Dabei werden die Verdränger cl durch
Stangen h in ihrer zentrischen Lage innerhalb der Rohre e geführt.
Die Steuerwelle ist durch eine Stopfbüchse 9 nach aussen geführt und trägt am freien Ende einen Gewiehtshebel x, der in der Stellung 1
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(Fig. 7), also bei der kleinsten Durehflussmenge, ungefähr senkrecht steht und sich mit der Zunahme der Durchflussmenge nacheinander in die Stellungen II, III und IV einstellt, in welchen er dem
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der Steuerwelle sitzt der Steuerhebel p, der eine Kontaktbüchse ? i bewegt (Fig. 9), die je nach ihrer Stellung die Kontakte at, a2 oder bl, b2 oder el, e, oder d1, d2 miteinander kurzschliesst. In der gezeigten Stellung sind z. B. die Kontakte c1, c2 kurzgeschlossen, was der Stellung III des Gewichtshebels x in Fig. 7 entspricht.
Die Kontakte sind in Isoliermaterial eingebettet und gemäss der Darstellung in Fig. 6 durch Kabel mit den zugehörigen Elektromotoren bzw. Anlassapparaten verbunden.
Die praktische Ausführung dieser Einrichtung ist aus den Fig. 10-12 in Seitenansicht, Draufsieht und Querschnitt ersichtlich. Der Steuerhebel p fasst mittels Rolle r1 an einer Kulisse an, die
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r"r"und r"die in Führungen laufen. Am Wagengestell sind Bürstenhalter 11 und 12 angebracht, in denen Kontaktbürsten m1 und m2 vorgesehen sind, die durch besondere, nicht dargestellte Kabel miteinander verbunden sind. Diese Kontaktbürsten sind durch Gewichte G1 und G2 belastet, um einen
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zu vermeiden, muss bei langsamer Bewegung des Steuerhebels p eine schnellere Bewegung des Wagens erfolgen.
Dies wird dadurch erreicht, dass am Wagen noch ein fünftes Rad 1'5 vorgesehen ist ; dieses Rad ist in einem einarmigen Hebel h5 gelagert, der um die Wagenaehse a5 schwingen kann und am andern Ende durch ein Gewicht Gs belastet ist.
In der Darstellung der Fig. 10-12 hat der Steuerhebel p das Bestreben, von der Stellung I auf die Stellung 77 in Fig. 7 überzugehen ; der Steuerwagen wird aber daran durch die Schraube s5 (Fig. 10) verhindert, gegen die die Rolle stösst. Dadurch wird die Feder t2 zusammengedrückt, bis die Federspannung den Widerstand der Schraube 85 überwindet. In diesem Augenblick springt die Rolle r5 über die Schraube s hinweg und der Wagen rollt plötzlich um ein solches Stück vorwärts, dass die Verbindung der Kontakte a1, a2 plötzlich unterbrochen und jene der Kontakte b1, b2 (Fig. 9) hergestellt wird. Hiedurch kommt in Fig. 6 die Pumpe 21 zum Stillstand und die Pumpe 22 in Betrieb.
Gleichzeitig haben sich in Fig. 7 die Verdränger il und der Gewichtshebel x von der Stellung I in die Stellung II bewegt. Durch Verschiebung des Gewichtes x auf dem zugehörigen Hebel kann die Grösse der Durchflussmenge an einer bestimmten festgelegten Stelle (bei d) veränderlich einreguliert werden.
Bei einer grösseren Durchflussmenge entsteht in den Rohren e, an dem durch die Verdränger d freigelassenen Spalt, auch eine grössere Geschwindigkeit und entsprechend dieser ein grösserer Druckunterschied vor und hinter dem Verdränger, wodurch dem grösser werdenden Moment des Gewichtes x das Gleichgewicht gehalten wird.
Bei den in den Fig. 5 und 10 dargestellten Schaltvorrichtungen wird durch die Steuerwelle m
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dieses Hindernisses durch die gespannte Feder ein plötzliches Vorschnellen des Kontaktorgans bis zur nächsten Kontaktbildung erfolgt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb von Pumpenanlagen mit zwei oder mehreren Pumpen mit verschiedenen Liefermengen und Widerstandshöhen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltung einer dem jeweiligen Wasserverbrauch und der zugehörigen Widerstandshöhe entsprechenden Pumpe und die Ausschaltung der in Betrieb befindlichen, für einen geringeren oder grösseren Wasserverbrauch und eine entsprechende Widerstandshöhe bestimmten Pumpe von Hand aus oder selbsttätig in Abhängigkeit von der in der Zeiteinheit in das Verbrauchsnetz abfliessenden Wassermenge erfolgt.