CN112049806A - 输送装置，方法以及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于流体、尤其水或空气的输送装置(100)，该输送装置具有电泵(110)和能调节的阀(120)，其中，所述电泵(110)和所述能调节的阀(120)流体串联地布置，并且所述输送装置(100)具有抽吸侧(102)和压力侧(104)，其特征在于，设置有至少一个信号处理装置(200)，该信号处理装置构造为用于顺序地操控所述电泵(110)和所述能调节的阀(120)来减少电流消耗。本发明还涉及一种用于运行用于流体、尤其水或空气的输送装置(100)的方法和一种具有这种输送装置的液压或气动系统(300)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于流体、尤其水或空气的输送装置，该输送装置具有电泵和可调节的阀，其中，该电泵和可调节的阀流体串联地布置，并且该输送装置具有抽吸侧和压力侧。此外，本发明涉及一种用于运行这种用于流体、尤其水或空气的输送装置的方法，该输送装置具有电泵和可调节的阀，其中，该电泵和可调节的阀流体串联地布置，并且该输送装置具有抽吸侧和压力侧。本发明还涉及一种液压系统或气动系统，尤其是加热设备、冷却设备或淡水站。
背景技术
随着进行调节的循环泵在供热系统或供水系统中的出现，由于能量效率低，过去常见的节流切换装置被泵和阀取代。在节流切换装置的情况下，使用可持续不断地调节的阀来减小恒定地在最大特征曲线上运行的泵的体积流量。如今，循环泵一般借助集成到泵中的自主调节装置被这样调节，使得在运行期间例如泵的抽吸侧区域中的压力与泵的压力侧区域中的压力之间的压力差保持大致恒定(所谓的Δp恒定的泵调节装置)。即使在具有Δp恒定的泵调节装置的泵中也存在节省电能的需求。
由EP 2 985 536 A1已知一种在气动系统或液压系统中用于泵机构的调节方法。在这种调节方法中，可以根据至少一个在液压系统中感测到的物理变量(例如压力差，绝对压力，温度，阀开度等)来改变泵机构的转速。基于区段式单调函数，从在测量技术上所感测的变量生成误差信号，基于该误差信号相应地调节泵机构的转速。但是，未设置对阀开度的主动作用。
发明内容
本发明首先涉及一种用于流体、尤其水或空气的输送装置，该输送装置具有电泵和可调节的阀，其中，该电泵和可调节的阀流体串联地布置，并且该输送装置具有抽吸侧和压力侧。在此设置有至少一个信号处理装置，该信号处理装置构造为用于顺序地操控电泵和可调节的阀来减少电流消耗。
由此，尤其通过减少构造有电泵和可调节的阀的输送装置的能量消耗，可以实现能量效率的较大提高。与泵的Δp恒定的传统调节相比，借助顺序的输送装置，能够实现运行所需电能的高达70％的节省潜力。在本说明书的上下文中，术语“顺序操控或者说调节”定义了通过同时调设泵的转速和阀开度来影响流过输送装置的体积流量。
优选，信号处理装置具有第一调节器，其中，电泵和可调节的阀可彼此独立地借助第一调节器来调节。由此，能够顺序地调节电泵和可调节的阀。
优选，信号处理装置具有第二调节器，该第二调节器用于根据至少一个传感器对第一调节器进行上级调节。由此，可以根据输送装置的区域中的流体的至少另一物理参量(例如温度，压力，压力差，流速，体积流量等)来调节输送装置。
在一个技术上有利的扩展方案中，所述至少一个传感器构造为用于感测在输送装置的区域中的流体的至少一个物理特性。由此，例如可以在输送装置的抽吸侧或者说在流经输送装置之前或在输送装置的压力侧或者说在流经输送装置之后感测例如在输送装置的区域中的流体的温度、压力、流速等。
根据另一构型，可以借助第一调节器产生用于调节电泵的电的泵信号和用于调节可调节的阀的电的阀信号。由此确保了可在技术上简单地实现的、电泵和可调节的阀的可顺序操控性和调节性。
优选，可调节的阀配属有伺服马达，该伺服马达可以借助由第一调节器生成的电的阀信号来操控。由此，可以以简单的方式实现对阀的持续的可调节性。
此外，本发明涉及一种用于运行用于流体、尤其水或空气的输送装置的方法，该输送装置具有电泵和可调节的阀，其中，该电泵和可调节的阀流体串联地布置，并且该输送装置具有抽吸侧和压力侧。借助信号处理装置顺序地操控电泵和可调节的阀来降低电流消耗。
因此，输送装置的能量效率得到较高的提高，与泵的Δp恒定或者说压力恒定的调节相比，该能量效率的提高可以高达70％。
在一个有利的扩展方案的情况下，借助第一调节器产生电的泵信号和电的阀信号用于彼此独立地调节电泵和可调节的阀。由此能够持续和并行地操控和/或调节电泵和可调节的阀。
根据另一构型，借助与至少一个传感器耦合的第二调节器产生电调节信号用于第一调节器的上级调节。由此，可以根据流体的任一物理参量(例如温度，压力，压力差，流速等)来改变经过输送装置的体积流量。
在顺序过渡的区域中，阀信号优选变为最大，而泵信号变为大于零。由此能够实现输送装置的顺序运行。顺序过渡优选处于调节信号的10％至90％之间，优选处于约50％处。在此，这样选择顺序过渡的位置，使得相对于呈第二调节器形式的上级调节装置的调节信号产生输送装置的尽可能线性的体积流量特性。如果可调节的阀AV的工作范围例如从0l/h延伸直至约2800l/h，并且电泵的工作范围从0l/h延伸到6400l/h(参见图3)，则顺序过渡S应根据以下关系式S＝AV/AP选择为43.75％。泵信号为零仅相应于泵的最小可能转速，而不相应于泵的关断状态。在本说明书的上下文中，术语“调整量(Modulation)”定义了对电泵输送功率的调节，这尤其借助泵的电驱动马达的转速改变来进行。
在该方法的一个扩展方案中，从电泵的额定运行点起，在流体的最大体积流量并在可调节的阀完全打开的情况下，首先减小对电泵的调整量，直到达到最小体积流量，然后在达到最小体积流量之后才持续地进一步关闭可调节的阀，直至达到预给定的体积流量。由此，以简单的方式实现由输送装置对体积流量的顺序调节。在此，用于输送装置的预给定的体积流量理论上可以减小到零值或至少减小到接近零的值。为了从预给定的体积流量起重新提高输送装置的体积流量Q，反转上述过程，首先再次将可调节的阀持续进一步打开，直到达到最小体积流量，在此之后在可调节的阀完全打开的情况下才提高对电泵的调整量，直到再次达到电泵的额定运行点。
此外，本发明提供一种具有至少一个上述输送装置的液压或气动系统，尤其是加热设备、冷却设备或淡水站。
由于所述输送装置，能够显着节能地运行液压或气动系统。
附图说明
在下面的描述中，参考附图中所示的实施例更详细地阐述本发明。在此示出：
图1本发明输送装置的示意性连接图，
图2配备有图1的输送装置的示例性液压系统或气动系统、尤其是加热设备或淡水站的俯视图，
图3图1的输送装置的特征曲线族，和
图4图1的输送装置的调节信号示意性地分为独立的泵信号和阀信号的曲线图。
具体实施方式
图1示出了用于如水或正常空气那样的未示出的流体的示例性输送装置100。输送装置100还具有抽吸侧102以及压力侧104。输送装置100优选设置为在液压系统或气动系统、例如淡水站或加热设备中使用，但不限于此。优选，电泵110和可持续调节的阀120串联地位于输送装置100的抽吸侧102和压力侧104之间。阀120优选具有电动伺服马达122，所述电动伺服马达用于借助阀120连续地调节流体的体积流量Q的通流量。流体的体积流量Q从抽吸侧102起直至压力侧104流经输送装置100。要指出的是，在图1中所示的输送装置100的构型仅具有示例性属性，而不应视为对本发明的限制。例如，泵110和阀120也可以互换，即以相反的顺序布置。
在此，电子数字信号处理装置200优选具有第一调节器130和第二调节器132，其中，第二调节器132处于第一调节器130的上级。在此示例性地，第一调节器130例如由第二调节器132的上级电调节信号144来调节或者说引导。优选，借助第一调节器130可以产生电的泵信号140和电的阀信号142，用于独立地调节电泵110并借助电动伺服马达122调节可持续调节的阀120。泵110优选配属有未示出的电驱动马达，该电驱动马达的转速n可以借助信号处理装置200来调节，用于对泵110进行调整量或者说用于改变泵110的输送功率。优选，第二调节器132还配属有至少一个传感器160，该传感器构造为用于感测处于输送装置100的压力侧104的区域中的流体的至少一个物理特性。在此，传感器160仅示例性地实施为温度传感器162用于感测输送装置100的压力侧104的区域中的温度θ。例如，与温度θ成比例的电(温度)测量信号164被传输给第二调节器132。替代地或附加地，也可以借助传感器160感测在压力侧104或抽吸侧102的区域中的流体压力、流体流速、流体体积流量Q等，使得也可以根据这些参量借助处于第一调节器130上级的第二调节器132来调节输送装置100。
信号处理装置200优选构造为用于顺序地操控和/或调节电泵110和可持续调节的阀120来减少输送装置100的电流消耗。按照下面详细阐述的方法，借助信号处理装置200顺序地操控电泵110以及可持续调节的阀120来减少输送装置100的电流消耗。从电泵110在流体的最大体积流量Q最大情况下的额定运行点起，在可调节的阀120完全打开的情况下，首先减小对电泵110的调整量或者说减小有效输送功率，直至达到最小体积流量Q最小。在达到最小输送流量Q最小之后才连续地进一步关闭可调节的阀120，直至达到预给定的(额定)体积流量Qs(参见图3，尤其附图标记210、226、230、236)。
理论上，通过借助信号处理装置200进行的顺序调节可以将用于输送装置100的预给定的体积流量Qs减小直至零值或至少减小直至接近零的值。为了从预给定的体积流量Qs起重新提高输送装置100的体积流量Q，上述过程反向进行，并且首先再次持续地进一步打开可调节的阀120，直到达到体积流量Q最小。在此之后才在阀120完全打开的情况下再次提高对电泵110的调整量，直到再次达到电泵110的额定运行点(参见图3，尤其附图标记210、226、230、236)。本发明的顺序调节的特征在于阀调节和泵调节的这种在时间上错开的使用。由于泵110和阀120的这种在时间上相继进行的操控和/或调节，与用于加热循环、淡水站、加压水供给等的泵的Δp恒定或者说压力恒定的传统调节相比，提高了能量效率并且伴随与此地输送装置100的电能消耗减少高达70％。
该情况应借助基于简化假设的大致计算来阐明。电泵的瞬时电功率消耗由以下公式得出：
(1)P电＝(ρ·g·Q·H)/(η液压·η机械·η电)
在此，公式符号P电代表以瓦特为单位的电功率，ρ代表以千克/立方米为单位的要泵送的流体的密度，g代表以米/平方秒为单位的重力加速度，Q代表以立方米/秒为单位的要泵送的流体的体积流量，H代表以米为单位的输送高度，η液压代表泵110的液压效率，η机械代表泵110的机械效率，η电代表泵110的电效率。
在确定的体积流量Q的情况下，可以假设效率η液压，η机械和η电的乘积第一近似地与泵110的转速n无关，使得可以通过以下公式近似算出泵110的功率消耗：
(2)
在采暖、通风和空调技术领域从业的技术人员充分熟悉用于在淡水站、加热设备的加热循环等中输送流体的泵的所谓Δp恒定或者说压力恒定的调节的详细功能方式，使得在这点上为了描述的简洁明了可以省去对该调节方法的技术细节的详细阐述。为了计算输送装置的顺序调节与Δp恒定或者说压力恒定的调节相比的节能潜力百分比Ep的表格值，按照关系式(2)以及以下公式以第一近似足以比较在不同体积流量Q的情况下的输送高度H顺序和HΔp恒定：
(3)
在此，P电,顺序是在应用顺序调节方法时要使用的泵的电驱动功率，P电,Δp恒定相应地是在使用Δp方法时泵的电功率。H顺序是在顺序调节的情况下的输送高度，HΔp恒定是在使用Δp恒定或者说压力恒定的调节方法时的输送高度。
下面的表格在使用公式(2)和(3)的情况下根据输送流量Q和输送高度HΔp恒定和H顺序总结了根据本方法的顺序调节与先前已知的自主Δp恒定或者说压力恒定的调节相比的节能潜力百分比Ep。
| 体积流量Q[m<sup>3</sup>/h] | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 输送高度H<sub>Δp恒定</sub>[m] | 6.2 | 6.2 | 6.2 | 6.2 | 6.2 | 6.2 |
| 输送高度H<sub>顺序</sub>[m] | 1.6 | 1.5 | 1.5 | 2.5 | 4.8 | 5.5 |
| 节能潜力E<sub>P</sub> | ～74％ | ～76％ | ～76％ | ～60％ | ～23％ | ～11％ |
由该表格获知以下结果，与Δp恒定或者说压力恒定的传统调节相比，通过根据本方法对输送装置100的顺序调节所得到的节能潜力约为70％。
图2示出了示例性的液压或气动系统300，尤其是具有图1的输送装置的加热设备或淡水站。液压或气动系统300优选配备有图1的输送装置100，用于在空调技术领域中使用。系统300例如可以是加热设备302，淡水站304等。在将系统300构型为加热设备302的情况下，该加热设备如分别用相反的箭头320、322象征性地表示那样具有用于被加热的流体的管状流入部310(Vorlauf)和用于在流经加热循环之后被冷却的流体的管状回流部312(Rücklauf)。对于系统300构造为淡水站304的情况，该淡水站具有压力侧314和抽吸侧316，用于供应和排出流体。
图3示出了图1的输送装置100的示例性特征曲线族。在特征曲线族210中，在横坐标上以立方米/每小时为单位绘制了体积流量Q的绘图，而纵坐标以米为单位示出了图1的输送装置100的对应输送高度H。输送装置100的泵110的最大调整量216在体积流量Q为0m3/h的情况下从大约10m的输送高度H起直到拐点218是近似水平的。在拐点218的区域中，在输送高度H为10m的情况下泵110的输送流量Q约为3.5m3/h。从具有10m输送高度H的拐点218起，在体积流量Q为11m3/h的情况下最大的调整量216线性下降直至0m的输送高度H。
最小调整量220从约1.7m的输送高度H起在输送流量Q约为0m3的情况下稍微弯曲下降直至0m的输送高度并且下降直至约4.3m3/h的输送流量。在输送装置的额定运行点226中，输送流量Q最大为6.4m3/h，输送高度H为6.2m。Δp恒定的调节曲线244从0输送流量Q和6.2m的输送高度H起平行于横坐标延伸直至额定运行点226。Δp可变的调节曲线246从0输送流量Q起在输送高度H为3m的情况下线性地升高直到额定运行点226。Δp恒定的调节曲线244代表输送装置或者说泵的Δp恒定或者说压力恒定的传统调节，而Δp可变的调节曲线246代表输送装置或者说泵的压力可变的常规调节。
能仅通过借助转速变化改变泵的调整量或者说改变泵110的输送功率而实现的输送高度H以及体积流量Q借助一个(泵)变化特征曲线240(代表多个未示出的(泵)变化特征曲线)来表示。因此，其它(泵)变化特征曲线由(泵)变化特征曲线240在特征曲线族210内沿双箭头190的方向的位移得到。相应地，能仅通过借助输送装置对阀位置或者说阀开度进行调整量而实现的输送高度H以及体积流量Q通过(阀)变化特征曲线242表示。其它(阀)变化特征曲线也通过(阀)变化特征曲线242在特征曲线族210内沿双箭头192的方向的位移得到。
此外，特征曲线族210示出特征曲线236，该特征曲线在输送装置的阀完全打开的情况下产生，并且该特征曲线从0m的输送高度H起在体积流量Q约为1m3/h的情况下抛物线形地延伸直至额定工作点226。在输送高度H约为1.2m的情况下，特征曲线236的最小体积流量Q最小约为2.7m3/h，而在特征曲线236上或在额定运行点226中的最大体积流量Q最大处于体积流量约为6.4m3/h并且输送高度为6.2m处。在最小体积流量Q最小和最大体积流量Q最大之间，输送装置的泵的常规工作特征曲线230与特征曲线236基本一致地延伸，该特征曲线236在阀完全打开的情况下得到。在此，仅示例性预给定的(额定)体积流量Qs在输送高度为1.7m的情况下为0.5m3/h。与本发明的顺序调节无关地，由泵110和阀120构成的串联连接始终具有提供预给定的体积流量Qs或者说通过改变体积流量Q影响确定的物理参量(例如输送装置100的区域中的温度θ)的任务。示例性图示说明地，在输送装置100的压力侧的区域中的温度θ被影响。一般，可以在配属于输送装置100的装置上影响配属于输送装置100的物理参量。如上所述，在此可以影响输送装置100的任意物理参量，例如温度、压力和/或流速。此外，可以在输送装置100的抽吸侧和/或压力侧的区域中进行影响。配属于输送装置100的装置例如可以是缓冲存储器和/或热交换器。
图4示出了图表400，其中将图1的输送装置的调节信号示意性地划分为独立的泵信号和阀信号。图表400包括左侧坐标402和右侧坐标404以及在它们之间延伸的横坐标406。泵信号140以百分比的形式绘制在左侧坐标402上，并且阀信号142也以百分比的形式绘制在右侧坐标404上。由泵信号和阀信号的相加式叠加组成的(总)调节器信号也以百分比形式绘制在水平横坐标上(尤其参见图1，附图标记140、142、144)。用虚线表示的顺序过渡420指的是在借助可调节的阀仅实现的伺服运行与电泵方面的输送功率的依次调节之间的过渡，反之亦然。等于0的泵信号在此相应于泵的驱动马达的最小转速n，而不相应于状态“泵关断”或者不相应于完全关断的非激活的泵。
在这里示出的图表400中，顺序过渡420仅说明性地在调节信号为50％的情况下进行。泵信号140在调节信号的0％和50％之间等于零，并且自50％的调节信号起线性地上升到100％。与此不同，阀信号142在0％和50％的调节信号之间线性上升直至100％，并且直到100％的调节信号都保持恒定在100％的值。根据具体的结构条件，尤其根据泵和阀的组合，有利地可以是，在图表400中在与50％的调节信号不同的位置上使顺序过渡420,S相应于阀的工作区域和输送装置的总工作范围来进行。例如，如果阀覆盖0和约2800l/h之间的总工作范围并且输送装置的总工作范围从0到约6400l/h，那么根据关系式得到优化的顺序过渡420或者说S(4)S＝(2800l/h)/(6400l/h)，该顺序过渡使输送装置具有43.75％的优化节能运行。
Claims (12)
1.一种用于流体、尤其水或空气的输送装置(100)，该输送装置具有电泵(110)和能调节的阀(120)，其中，所述电泵(110)和所述能调节的阀(120)流体串联地布置，并且所述输送装置(100)具有抽吸侧(102)和压力侧(104)，其特征在于，设置有至少一个信号处理装置(200)，该信号处理装置构造为用于顺序地操控所述电泵(110)和所述能调节的阀(120)来减少电流消耗。
2.根据权利要求1所述的输送装置，其特征在于，所述信号处理装置(200)具有第一调节器(130)，其中，所述电泵(110)和所述能调节的阀(120)能彼此独立地借助所述第一调节器(130)来调节。
3.根据权利要求2所述的输送装置，其特征在于，所述信号处理装置(200)具有第二调节器(132)，该第二调节器用于根据至少一个传感器(160)对所述第一调节器(130)进行上级调节。
4.根据权利要求3所述的输送装置，其特征在于，所述至少一个传感器(160)构造为用于感测在所述输送装置(100)的区域中的流体的至少一个物理特性。
5.根据权利要求2所述的输送装置，其特征在于，能借助所述第一调节器(130)产生用于调节所述电泵(110)的电的泵信号(140)和用于调节所述能调节的阀(120)的电的阀信号(142)。
6.根据权利要求5所述的输送装置，其特征在于，所述能调节的阀(120)配属有伺服马达(122)，该伺服马达能借助由所述第一调节器(130)生成的所述电的阀信号(142)来操控。
7.一种用于运行用于流体、尤其水或空气的输送装置(100)的方法，该输送装置具有电泵(110)和能调节的阀(120)，其中，所述电泵(110)和所述能调节的阀(120)流体串联地布置，并且所述输送装置(100)具有抽吸侧(102)和压力侧(104)，其特征在于，借助信号处理装置(200)顺序地操控所述电泵(110)和所述能调节的阀(120)来降低电流消耗。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，借助第一调节器(130)产生电的泵信号(140)和电的阀信号(142)用于彼此独立地调节所述电泵(110)和所述能调节的阀(120)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，借助与至少一个传感器(160)耦合的第二调节器(132)产生用于对所述第一调节器(130)进行上级调节的电的调节信号(144)。
10.根据权利要求7至9之一所述的方法，其特征在于，在顺序过渡(400,S)的区域中，所述阀信号(142)变为最大，而所述泵信号(140)变为大于零。
11.根据权利要求7至10之一所述的方法，其特征在于，从所述电泵(110)的额定运行点(226)起，在所述流体达到最大体积流量(Q最大)并在所述能调节的阀(120)完全打开的情况下，首先减小对所述电泵(110)的调整量，直到达到最小体积流量(Q最小)，在达到所述最小体积流量之后才持续地进一步关闭所述能调节的阀(120)，直至达到预给定的体积流量(Qs)。
12.一种液压或气动系统(300)，尤其是加热设备(302)、冷却设备或淡水站(304)，其特征在于，设置有至少一个按照权利要求7至9之一所述的输送装置(100)。
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