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Regelung von zur Versorgung eines Verbraucher- oder Umwälznetzes dienenden Kreiselpumpen
Auf allen Gebieten der Flüssigkeitsförderung ergibt sich das Grundproblem, neben einem statischen Druck einen von der jeweiligen Verbrauchsmenge abhängigen Rohrreibungswiderstand mittels einer Pumpe zu überwinden, wobei oft ein sehr weiter Betriebsbereich vorliegt. Ein charakteristisches Beispiel ist die Trink- und Gebrauchswasserversorgung, neuerdings aber auch die Heizungstechnik, in der durch die modernen Regelungsmethoden ebenfalls mehr oder weniger weite Betriebsbereiche entstehen können.
In solchen Pumpenanlagen müssen, wenn sie automatisch geregelt werden sollen, notgedrungen Überschussdrücke in Kauf genommen werden, die dadurch entstehen, dass die Charakteristik des Rohrleitungswiderstandes (Rohrkennlinie) einerseits und die Förderstrom-Förderhöhen-Abhängigkeit der Kreiselpumpe (Pumpenkennlinie) anderseits gegensinnig verlaufen. Dabei hat die Rohrkennlinie stets eine mit zunehmendem Förderstrom ansteigende, die Pumpenkennlinie dagegen eine fallende Form. Es liegt auf der Hand, dass unter diesen Voraussetzungen ein Übereinstimmen des geforderten Netzdruckes mit dem von der Pumpe dargebotenen Druck - bei konstanter Pumpendrehzahl-nur in einem einzigen Betriebspunkt, nämlich dem Schnittpunkt der beiden Kennlinien, möglich ist.
An diesen grundsätzlichen Verhältnissen ändert sich im Prinzip durch Wahl der verschiedenen automatischen Steuerungsarten von Pumpenanlagen nichts, soferne dabei, wie bisher meist üblich, mit konstanter Antriebsdrehzahl für die Kreiselpumpe gearbeitet wird.
Die Erfordernisse einer Flüssigkeits-Förderanlage sind darstellbar in Form der sogenannten Rohrkennlinie : diese ist bestimmt durch die Grösse des benötigten statischen Druckes in der Anlage einerseits und durch die Form der Rohrkennlinie selbst, die stets eine quadratische Parabel ist. An der Rohrkennlinie lässt sich ablesen, welcher Druckbedarf bei einem bestimmten Förderstrom herrscht, wenn der dabei auftretende Strömungswiderstand überwunden und der Verbraucher mit dem gewünschten statischen Druck versorgt werden soll.
Die Leistung einer Kreiselpumpe wird durch die Pumpenkennlinie sichtbar gemacht, die im selben Diagramm eingetragen werden kann wie die Rohrkennlinie. Die Abszisse stellt dann zugleich den Verbrauch im Netz und den Förderstrom der Pumpe dar, während die Ordinate gleichzeitig den benötigten Druck (SOLLDRUCK) und den von der Pumpe tatsächlich dargebotenen Druck (ISTDRUCK) zeigt.
DasDiagramm in Fig. l zeigt, dass bei unveränderlichen Rohr- und Pumpenkennlinien nur im Schnittpunkt 1 beider Kennlinien der Überschussdruck den Wert Null annimmt ; nur in diesem Punkt stimmen SOLL- und IST-Druck überein. In einem Rohrnetz mit konstanter Rohrkennlinie, in dem der Förderstrom frei veränderlich ist (z. B.
Umwälzsystem) führt ein Überschussdruck stets zu einer automatischen Verän-
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gegeben sind, muss ein durch die Abweichung dieses Förderstromes vom Verbrauch entstehender Überschussdruck weggedrosselt werden, was in der Regel beim Verbraucher durch entsprechendes Drosseln der Entnahmearmatur geschieht ; dadurch tritt-hydraulisch gesehen-ein Steilerwerden der Rohrkennlinie ein (strichlierte Kurve), womit der Schnittpunkt mit der Pumpenkennlinie sich nach II verlagert, wenn Qu der eben herrschende Verbrauch ist. Die Anpassung an einen bestimmten Förderstrom Qjj erfolgt also dadurch, dass die Rohrkennlinie durch Drosselung an die Pumpenkennlinie angepasst wird.
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Alle bisher bekannten vollautomatischen Steuerungsarten von Pumpenaggregaten gingen von obiger Voraussetzung aus und bedienen sich entweder des von der Pumpe erzeugten Druckes (gleich dem in der Anlage herrschenden Netzdruck) oder des an einer bestimmten Stelle herrschenden Förderstromes als Schaltimpuls zur Einleitung eines Schaltvorganges, wobei jedoch auf den durch die Rohrkennlinie gegebenen jeweiligen Druckbedarf nicht oder nur insoweit Rücksicht genommen wurde, dass die durch den Schaltvorgang hervorgerufene Änderung der Pumpen- (Summen) -Kennlinie der Rohrkennlinie möglichst angepasst sein sollte ; die Verlagerung des Pumpenbetriebspunktes auf den genauen, dem Netzzustand entsprechenden Förderstromwert blieb Jedoch dem beschriebenen Anpassungsmechanismus (RohrkennlinienVeränderung durch Netzdrosselung) überlassen.
Optimale Wirtschaftlichkeit konnte dabei nur durchgeeignete Wahl der für die verschiedenen Schaltstufen gültigen Pumpen- (Summen)-Kennlinien sowie durch die Wahl des jeweils passenden Steuerungssystems angestrebt werden, wobei aber die Möglichkeit, die Höhe der Überschussdrücke auf ein Minimum zu beschränken, durch Fragen der Pumpentypenreihung, Verlässlichkeit des Steuerungssystems, Platz- und Preisfragen oft ungünstig beeinflusst wurden. (Von zeitabhängigen Steuerungen, die ja keine unmittelbar zustandsabhängige Steuerungen sein können, ist hier abgesehen.) Im Endergebnis musste stets die in weitenverbrauchsbereichen herrschended ! fferenz zwischen SOLL- und ISTDRUCK hingenommen werden, ja diese ist sogar, z.
B. bei druckabhängigen Steuerungen, teilweise überhaupt Voraussetzung und Ausgangspunkt für das Steuerungssystem.
Die Fig. 2 und 3 zeigen die Wirkungsweise der verschiedenen, bisher bekannten Steuerungssysteme von Pumpenanlagen für grössere Betriebsbereiche : BeiDruck- undStufendruckschaltung bedient man sich der zu diesem Zweck im Netz erzeugten Überschussdrücke. Mittels eines Windkessels, der über einerbestimmtenNutzwassermenge einen auf einen ent- sprechendenDruckvorgespannten Luftpolster enthält, wird das Verbrauchernetz versorgt. Sinkt der Kesseldruck auf den Einschaltdruck, so läuft eine Pumpe an und füllt denWindkessel unter gleichzeitiger Druckerhöhung wieder bis zum Ausschaltdruck auf, wobei sie gleichzeitig das Netz versorgt. Dieses Spiel wiederholt sich mit mehr oder weniger grosser Schalthäufigkeit.
Wird der Netzverbrauch so gross, dass der Kessel durch die Pumpe - neben der Verbrauchsdeckung - nicht mehr ganz aufgefüllt werden kann, so arbei-
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lich, die nächste Pumpe - bei dauernd weiterlaufender erster Pumpe-dann zu, wenn der Einschaltdruck der ersten Pumpe unterschritten wird, und schaltet bei einemAusschaltdruck ab, der etwas unter dem Ausschaltdruck der ersten Pumpe liegt. DieseAbstufung ist nötig, um ein gleichzeitiges Ein- oder Ausschalten beider Pumpen zu verhüten. Diese Notwendigkeit der Schaltdruckabstufung führt daher zu einer zusätzlichen Erhöhung der Schaltdrücke bei Systemen mit mehreren Pumpenaggregaten, wie aus Fig. 2 ersehen werden kann.
Diese durch die relativ grossen Überschussdrücke unangenehme Notwendigkeit, Pumpen und Netz für hohe Maximaldrücke zu bemessen, wird bei der sogenannten Verbrauchs-Stufendruckschaltung umgangen.
Dabei werden - wie inFig. 2 strichliert eingezeichnet - dieeingestelltenSchaltdrückeverbrauchsabhängig verändert, u. zw. bei steigenden Förderströmen erhöht. Dies geschieht durch den Wirkdruck eines Venturirohres mittels eines geeigneten Schaltgerätes (Verbrauchsdruckschalter). Das Ergebnis ist bei richtiger Bemessung des Venturirohres eine weitgehende Anpassung der erzeugten Pumpendrücke an den durch die Rohrkennlinie dargestellten Netzdruckbedarf. Auch bei dieser Verbrauchsdruckschaltung jedoch entstehen zumindest diejenigen Überschussdrücke, die durch die jeweils benötigten Ausschaltdrücke geboten sind. Die Differenz zwischen Aus-und Einschaltdruck ist dabei meist erheblich, da dadurch das Netzvolumen des Windkessels entsprechend verringert werden kann.
Die in Fig. 3 dargestellte Verbrauchsumschaltung verzichtet als solche auf einen Windkessel und wirkt rein verbrauchsabhängig so, dass bei einem bestimmten Förderstrom eine Pumpe zu-oder abschaltet. Dabei ist in der Darstellung die Frage des Grundlastbetriebes, d. h. das Zustandekommen eines Förderstromes bei zunächst stillstehenden Pumpen vernachlässigt. Zu diesem Zweck können Förderströme aus vorhandenen Netzen, Hochbehältern oder Windkesselanlagen verwendet werden. Häufig wird auch die zeitabhängige oder auch (windkessellos) netzdruckabhängigeEinschaltung zunächst der ersten Pumpe gewählt.
Wesentlich ist jedoch, dass auch bei dieser rein verbrauchsabhängigen Schaltung Überschussdrücke entstehen, u. zw. wegen des gegensinnigen Verlaufes der Rohr- bzw. Pumpenkennlinien. Schliesslich sei noch die klassische Hochbehälterschaltung erwähnt, bei der eine Pumpenanlage den Behälterinhalt ergänzt und die Netzversorgung vom Behälter aus erfolgt. Wohl arbeitet die Pumpe dabei stets gegen einen annähernd konstanten Gegendruck, der sich aus dem geodätischen Höhenunterschied zwischen Pumpe und Behälter- wasserstand zuzüglich Rohrreibungswiderstand ergibt ; doch muss der Behälter so hoch liegen, dass neben
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dem statischen Druck auch noch der höchstvorkommende Rohrreibungswiderstand des Verbrauchemetzes gedeckt werden kann.
Wie in Fig. 3 strichliert eingezeichnet, ergeben sich auch daraus wieder Druck- überschüsse im Bereich kleinerer Verbrauchsmengen.
Diese, wie gezeigt bei allen bekannten Pumpensteuerungsarten entstehenden, unerwünschten Überschussdrücke haben verschiedene Nachteile ; sie verschlechtern die Wirtschaftlichkeit einer Anlage, weil für sie Energie aufgewendet und bezahlt werden muss ; sie verursachen Schwierigkeiten bei der Versorgung ältererVerbrauchernetze, weil alle Einrichtungen mit Drücken belastet werden, für die sie unter Umständen nicht geeignet sind. In solchen Fällen bringen die nötigen Druckminderungseinrichtungen zusätzliche Anlage- und Wartungskosten. Weiters machen sie erhöhte Aufwendungen in der Pumpenanlage selbst nötig (Pumpen-und. Motorgrösse, Windkesselbetriebsdruck usw.), denen keinerlei Nutzungswert, dagegen erhöhte Wartung und Verschleiss gegenübersteht.
Als Lösung wäre also anzustreben, stets nur denjenigen Pumpendruck zu erzeugen, der gemäss Rohrkennlinie jeweils benötigt wird. Dies ist bei einer Kreiselpumpe dann möglich, wenn die Pumpenkennlinie variabel ist ; letzteres ist-z. B. bei gleichbleibend er Laufradform-durch Veränderung der Pumpen- drehzahl erreichbar und in Fig. 4 graphisch dargestellt. Diese Form der Regelung von Kreiselpumpen ist bekannt und wird in der Praxis entweder in relativ grober Abstufung mittels polumschaltbarer Antriebsmotoren oder stufenlos mittels Schleifringläufer- oder Kommutatormotoren oder mittels stufenlos regelbaren Getrieben verwirklicht.
Die Steuerung eines polumschaltbaren Motors kann vollautomatisch erfolgen, wieder aber nur unter Inkaufnahme von Überschussdrücken mit allen damit verbundenen Nachteilen.
Eine vollautomatische, stufenlose Drehzahlregelung von Kreiselpumpen zur Erzielung des gemäss einer Rohrkennlinie jeweils erforderlichen, über einen weiten Betriebsbereich jedoch variablen Druckes, ist bisher unbekannt ; derartige Drehzahlregulierungen erfolgten bisher stets entweder von Hand aus unter Erfüllung der Forderung, stets nur den erwünschten Druck zu erzeugen, oder vollautomatisch unter Inkaufnahme von Über- schussdrücken.
So kann z. B. einnormaler Druckschalter zur Drehzahlregelung einer Pumpe derart verwendet werden, dass bei Überschreitung eines bestimmten Netzdruckes eine Drehzahlherabsetzung und damit eine ISTDRUCK-Verminderungbisaufeinenunteren (Ausschalt-)Wertherbeigeführtwird.AuchdieWahleinerabgestuften Schaltung kann damit in engeren Grenzen erreicht werden, wenn eine Verbrauchsstufendruckschal- tung gewählt wird. Eine annähernd stufenlose Anpassung des ISTDRUCKES an den jeweiligen SOLLDRUCK, also die Vermeidung von Überschussdrücken in den Bereichen zwischen den Schnittpunkten der in jeder Schaltstufe gültigen Kennlinien, ist damit jedoch nicht möglich.
Dazu kommt, dass bei normal abgestuften Schaltvorgängen durch die immer vorhandene, oft erhebliche Drucksteigerung durch Anlaufen der nächsten Pumpe oder Umschaltung auf eine höhere Drehzahl bzw. durch die Drucksenkung beim gegenläufigen Schaltvorgang, Druckstösse in Netz kommen, die-besonders in Heizungssystemen - sehr störend sein können.
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pumpen von der Voraussetzung aus, die Pumpenkennlinie entsprechend dem Bedarf automatisch zu ver- ändern, damit stets nur der gerade benötigte Druck (SOLLDRUCK) erzeugt wird.
Gemäss der Erfindung wird dieses Ziel bei einem Verbraucher- oder Umwälznetz dadurch erreicht, dass die Angleichung des Netzdruckes an den SOLLDRUCK fortlaufend selbsttätig mittels eines Reglers erfolgt, der unter der Einwirkung der Differenz von ISTDRUCK und SOLLDRUCK die Drehzahl steuert, wobei der ISTDRUCK dem an. einergewähltenMessstelleauftretendenNetzdruck entspricht und der SOLLDRUCK von einer an der gleichen Messstelle abgenommenen förderstromabhängigen Messgrösse, z. B. dem Wirkdruck eines Venturirohres, einer Messblende od. dgl., abgeleitet wird.
Den Ähnlichkeitsgesetzen entsprechend, ergeben sich bei drehzahlgeregelten Pumpen an Stelle der konstanten Pumpenkennlinie Kennlinien-Scharen (bei sprunghafter Drehzahlveränderung) bzw. KennlinienFelder (bei stufenloser Drehzahlregelung), innerhalb denen jeder beliebige Betriebspunkt gefahren werden kann. Dies ist so zu verstehen, dass jeder auf einer beliebigen Rohrkennlinie innerhalb der KennlinienFelder liegende Betriebspunkt zum Schnittpunkt mit einer durch ihn führenden Pumpenkennlinie gemacht werden kann, u. zw. nach Herbeiführung der geeigneten Pumpenkennlinie durch Drehzahlverstellung
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der in der Anlage herrschende SOLL- bzw.
IST-Druck ununterbrochen und selbsttätig miteinander verglichen und es wird bei Auftreten einer Differenz zwischen den beidenWerten ein Schaltvorgang eingeleitet, der die Drehzahlverstelleinrichtung (z. B. Verstellmotor eines Drehzahlwandlers) des Pumpenantriebsaggregates betätigt und damit die Pumpendrehzahl so lange verändert, bis die Differenz zwischen SOLLund IST-Druck wieder auf den Wert Null sinkt (Fig. 5).
Dabei ist zu beachten, dass es sich-auf das Pumpenaggregat bezogen-nicht umEin-oderAusschal-
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tungen handelt, sondern lediglich um meist kleine Drelizahlveränderungen : dadurch werden Druckstösse und mechanische sowie thermische zusätzliche Beanspruchungen von Pumpe und Antriebsmotor vermieden.
Der ununterbrochene Vergleich des SOLLDRUCKES mit dem ISTDRUCK kann auf verschiedene Art erfolgen. Beim ISTDRUCK handelt es sich um den einfachen Netzdruck (=Pumpendruck), beim SOLL- DRUCK dagegen um einen Wert, der nicht direkt messbar ist, sondern erst aus einer förderstromabhängigen Grösse abgeleitet werden muss. Zum Beispiel kann der messbare Wirkdruckeines Venturirohres durcl entsprechende mechanische, hydraulische oder elektrische Übersetzung in eine Massgrösse umgewandel werden, die dem SOLLDRUCK entspricht, wobei die Veränderlichkeit des Wirkdruckes und die Veränderlichkeit des SOLLDRUCKES ähnlichen Gesetzmässigkeiten gehorchen und durch eine für eine bestimmte Anlage gleichbleibende Konstante einander angepasst werden können.
Im folgenden wird ein rein mechanischer Vergleichsdruckschalter beschrieben' (Fig. 6) :
Der SOLLDRUCK wird vom Wirkdruck eines Venturirohres abgeleitet. Der Form der jeweiligen Rohrkennlinie entsprechend ; hat dieser Wirkdruck durch Wahl eines entsprechenden Venturirohrwirkquerschnittes eine geeignete Grösse und eine durch eine quadratische Parabel darstellbare Abhängigkeit vom jewei- ligen Durchfluss. DerWirkdruck bzw. die beiden, den Wirkdruck erzeugenden. von den beiden Messstelle des Venturirohres abgenommenen + und - Drücke beaufschlagen die beiden Seiten einer verhältnismässig grossen Membran 1, die mit einem Schaltanker 2 verbunden ist.
Entsprechend der Grösse des Wirk druckes entsteht dadurch eine auf den Schaltanker wirkende Schaltkraft, die in ihrer Grösse ebenfalls ein Funktion des Quadrates des Förderstromes ist und damit der Forderung entspricht, wonach die SOLLDRUCK Schaltkraft als Funktion des Förderstromes sich nach einer der Rohrkennlinie ähnlichen Kurve verändert muss.
Auf dem gleichen Schaltanker ist eine zweite, kleinere Membran 3 angeordnet, auf die direkt de Netzdruck (ISTDRUCK) wirkt und damit eine Schaltkraft erzeugt, die dem ISTDRUCK entspricht, jedoch in entgegengesetzter Richtung zur SOLLDRUCK-Schaltkraft wirkt.
Vorausgesetzt richtige Übersetzung des Wirkdruckes in dieSOLLDRUCK-Schaltkraft, werdensich bei de Kräfte aufheben, solange sie gleich gross sind, der ISTDRUCK also die Grösse des SOLLDRUCKES hat Ist dies nicht der Fall, so kommt es zum Überwiegen einer der beiden Schaltkräfte ; die daraus entstehen de Restkraft bewirkt gegen die Kraft einer Feder 4'einen Schaltweg nach der einen oder der ander Richtung, je nachdem, ob der SOLLDRUCK oder der ISTDRUCK überwiegt. Mittels einer geeigneten Kon taktanordnung (z. B. Quecksilber-Schaltrohr 5) wird bei Überschreiten eines bestimmten Schaltweges ei : entsprechendersteuerstromkreis 6,7 bzw. 6,8 geschlossen, durch den ein Verstellmotro die Drehzahl verstellung des Pumpenantriebes auslöst.
Durch die daurch bewirkte Pumpenkennlinienveränderung gleicb sich der ISTDRUCK dem SOLLDRUCK an, bis die Differenz zwischen beiden einen Mindestwert unter schreitet ; dadurch heben sich die Schaltkräfte im Schalter wieder gegenseitig auf und der Schalter kehr in seine Ruhestellung zurück.
Zu berücksichtigen ist dabei der statische Ruhedruck der Anlage, der in sehr einfacher Weise durc Veränderung der Vorspannung der Feder 4 im Schalter mittels einerSchraubmuffe 8 einstellbar ist.
Die Form der SOLLDRUCK-Schaltkraft-Charakteristik, die für die richtige Funktion dieser Schaltun von ausschlaggebender Bedeutung ist, und mit der Rohrkennlinie übereinstimmen muss, hängt von folgen den Faktoren ab : Zunächst ist schon der Wirkdruck des Venturirohres durch dessen Wirkdurchmesser beein flussbar. Seine hydraulischen Eigenschaften lassen sich in seiner Kennzahlkonstanten a zusammenfas sen, die nach der Formel a=E. 2 v a = Venturirohr-Kennzahl (konstant) b = Wirkdruck (cm Fl. S.) v = Förderstrom (ms/min) die direkte Errechnung des Wirkdruckes ermöglicht. Weiters ist das Übersetzungsverhältnis im SchaltE selbstvonBedeutung,dassichausdemVerhältnisderWirkflächenderbeidenMembranenfundF (cm1 ergibt.
Schliesslich beeinflusst die Form der Rohrkennlinie das Zusammenarbeiten aller Schaltungsteile Sie ist gekennzeichnet durch die Konstante c aus der Formel
H = ho + hw ; hw = c. V2
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H : erforderlicher Druck (SOLLDRUCK) ho= statischer Druck (Ruhedruck) hw= Rohrreibungswiderstand c = Rohrkennlinien-Konstante.
Es ergibt sich abgeleitet die Formel
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wobei der Wert loo. L als Schalterkonstante C bezeichnetwerden kann. Bei Kenntnis des Wertes die-
F ser Konstanten lässt sich somit sofort das für eine Rohrkennlinie gemäss der Rohrkennlinien-Konstanten c passende Venturirohr errechnen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regelung von zur Versorgung eines Verbraucher-oder Umwälznetzes-z. B. Trinkwasserversorgung oder Heizungsumwälzung-dienenden Kreiselpumpen, deren Antrieb durch drehzahlveränderliche Aggregate erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dassdieAngleichungdesNetzdruckesandenSOLL- DRUCK fortlaufend selbsttätig mittels eines Reglers erfolgt, der unter der Einwirkung der Differenz von ISTDRUCK und SOLLDRUCK die Drehzahl steuert, wobei der ISTDRUCK dem an einer gewählten Messstelle auftretenden Netzdruck entspricht und der SOLLDRUCK von einer an der gleichen Messstelle abgenommenen förderstromabhängigen Messgrösse, z. B. dem Wirkdruck eines Venturirohres, einer Messblende od. dgl., abgeleitet wird.