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Die
Erfindung betrifft ein Drehzahlregelgerät in fluidgekühlter Ausführung zur
Verbindung mit einem Antriebsmotor, insbesondere einem Motor eines Pumpenaggregates
zur Förderung
von Fluiden, wobei das Drehzahlregelgerät eine das Förderfluid
führende
Leitung umschließt.
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Zur
Drehzahlregelung von Pumpenaggregaten sind Drehzahlregelgeräte verschiedener
Art, wie Frequenzumformer und Spannungsregler, bekannt.
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In
der
DE 36 42 726 A1 ist
ein Pumpenaggregat zur Förderung
von Flüssigkeiten
oder Gasen beschrieben, dessen Drehzahl durch einen speziellen Spannungsregler
veränderbar
ist, der im oder am Aggregat angeordnet ist und mit diesem eine
bauliche Einheit bildet. Der Spannungsregler ist miniaturisiert ausgeführt und
wird durch direkten Kontakt mit dem Fluid gekühlt. Wird der Spannungsregler
im Pumpenaggregat angeordnet, so ist seine Oberfläche zumindest
teilweise im Strömungsweg
des geförderten Fluids
anzuordnen. Die aufwendige Miniaturisierung ist bedingt durch die
beengten Raumverhältnisse
des Motors oder der Pumpe. Die Konstruktion des Spannungsreglers
muss sich den gegebenen Raumverhältnissen
unterordnen und schließt
daher die Verwendung von Standardkomponenten aus. Des Weiteren ist
der Einsatzort des Spannungsreglers an den Einsatzort der Pumpe
gebunden.
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Bei
einer alternativen Anbringung am Aggregat, beispielsweise am saug-
oder druckseitigen Ende der Pumpe, wird der Spannungsregler durch das
umgebende Fluid gekühlt.
Es wird eine Förderleitung
durch den miniaturisierten Spannungsregler gescho ben, wodurch eine
weitere Sonderkonstruktion erforderlich wird. Diese Lösung bedingt
den zusätzlichen
Nachteil, dass eine entsprechende Überdeckung des Spannungsreglers
durch das Fluid vorhanden sein muss, die nicht immer gewährleistet
ist.
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Aus
dem Stand der Technik ist weiterhin ein Drehzahlregelgerät namens
Hydrovar Watercooled der Firma ITT Industries, INC. bekannt. Gemäß dessen
Bedienungsanleitung Nr. 210968-1 verfügt das Spezialgehäuse des
Hydrovar Watercooled auf der Unterseite über mehrere parallel verlaufende
Rohrleitungsanschlüsse
und einen rechtwinklig dazu angeordneten Rohrleitungsanschluss,
welche bedarfsweise mit der Förderleitung
einer Anlage verbunden werden. Dies hat den Nachteil einer zusätzlichen Strömungsumlenkung
und eines sehr schlechten Strömungsbeiwertes,
wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad der Anlage gravierend verschlechtert.
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Durch
die unbedingt notwendige Anpassung einer Rohrleitungsgeometrie an
die Abmessungen des Drehzahlregelgerätes ist ein Einsatz nur bei
kleinen Drücken
möglich.
Infolge der ungünstigen
Strömungsführung ist
ein Einsatz bei verunreinigten Fluiden, die zu Verschmutzungen und
Verstopfungen führen,
ungeeignet.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein vom Förderfluid gekühltes Drehzahlregelgerät für Pumpen
zur Anordnung an einer beliebigen Stelle innerhalb von strömungsführenden
Systemen zur Verfügung
zu stellen.
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Die
Lösung
sieht vor, dass das Drehzahlregelgerät an ein in die das Förderfluid
führende
Leitung unter Beibehaltung eines vorgegebenen Strömungsweges
einbaubares Rohrstück
mittels einer ein- oder mehrteiligen Befestigungsbrücke mit
Wärmeübertragung
auf das Förderfluid
angebaut ist.
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Das
Drehzahlregelgerät
ist somit einfach und störungsfrei
in das strömungsführende System
integrierbar. Dies bietet den Vorteil, dass die dimensionalen Abmessungen
und baulichen Gestaltungen der strömungsführenden Bauteile allein durch
strömungstech nische
Anforderungen des Systems und/oder durch Anlagenerfordernisse bestimmt
werden. Das Drehzahlregelgerät
ist an ein Rohrstück, beispielsweise
ein FF-Stück
mit genormten Flanschabmessungen, angebaut, das in herkömmlicher Anlagenbauweise
eingebaut wird. Aus Anlagengesichtspunkten geplante und vorgegebene
Strömungswege
werden somit beibehalten und müssen nicht
aufgrund vorgegebener Einbaubedingungen des Drehzahlregelgeräts abgeändert werden.
Dadurch ist ein leichter, auch nachträglicher Einbau des Drehzahlregelgeräts in Anlagen
möglich.
Das Rohrstück
ist problemlos an die jeweiligen Einsatzverhältnisse anpassbar und hat keinen
Einfluss auf die Bauart des Drehzahlregelgeräts. Dies bietet den Vorteil, bereits
vorhandene Geräte
einer bestehenden Produktreihe wie Frequenzumformer, die für eine wand-montierbare
und motor-montierbare Anordnung ausgelegt sind, verwenden zu können. Das Drehzahlregelgerät ist in
seiner Bauart unabhängig von
den Anlagengegebenheiten.
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Durch
die Befestigungsbrücke
und die damit bewirkte Übertragung
der Verlustwärme
des Drehzahlregelgeräts
auf das Rohrstück
und von dort auf die hindurch strömende Flüssigkeit, können bestehende Drehzahlregelgeräte auch
ohne deren üblichen
Lüfter
Verwendung finden. Damit wird auch der Einsatz in kritischen Anwendungen
ermöglicht,
in denen strenge Anforderungen an die verbleibende Oberflächentemperatur
eines Drehzahlregelgeräts eingehalten
werden müssen,
wie dies beispielsweise in explosionsgeschützten Anwendungen der Fall
ist. Die vorgeschlagene Lösung
gewährleistet
weiterhin eine zuverlässige
Trennung zwischen strömungsführendem
System und dem Elektronikbereich des Drehzahlregelgeräts, was
die Sicherheit der Anlage erhöht.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind das Drehzahlregelgerät, das Rohrstück und die
Befestigungsbrücke
als eine Einbaueinheit ausgeführt.
Dadurch ist es möglich,
Rohrstücke
mit Befestigungsbrücke
und Drehzahlregelgerät ab
Werk als montierte Kompletteinheit anzubieten. Ein Anlagenbauer
muß neben
dem ohnehin notwendigen Einbau nur noch die Verbindungen des Drehzahlregelgerätes mit
der Netzeinspeisung und mit dem Motor herstellen.
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Das
Drehzahlregelgerät
kann an beliebigen Stellen innerhalb eines strömungsführenden Systems angeordnet
sein. Es kann an einem geradlinigen Rohrstück, einem Diffusorstück, einem
Krümmerstück oder
einem anderen Anlagenteil angeordnet sein. Der Einsatzort des Drehzahlregelgeräts ist somit
flexibel und unabhängig
vom Einsatzort der Pumpe. Das Rohrstück kann in der Nähe der Pumpe angeordnet
sein, muss aber nicht. Die Wahl des Einbauortes kann sich nach anderen
Kriterien richten. Sofern sich in einer Anlage nur an bestimmten
Stellen die Gelegenheit eines Einbaus eines Drehzahlregelgeräts durch
ein Rohrstück
als günstig
erweist, kann dies in einfacher Art und Weise an dieser Stelle geschehen.
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Weiterhin
besteht das Rohrstück
aus gegenüber
dem Förderfluid
beständigen
Materialien und/oder weist Beschichtungen auf.
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Eine
andere Ausgestaltung sieht vor, dass Sensoren zur Erfassung von
Druckwerten, Temperaturwerten, Durchflusswerten, Geschwindigkeitswerten
und/oder Vibrationswerten mit dem Drehzahlregelgerät verbunden
sind und diese am Rohrstück und/oder
der Befestigungsbrücke
befestigt sind. Die Sensoren generieren Messwerte, die in Algorithmen des
Drehzahlregelgeräts
Verwendung finden, um dessen Regelverhalten mit zu gestalten und/oder
Diagnosefunktionen durchzuführen.
So ist es beispielsweise möglich,
den Durchfluss anhand der gemessenen Strömungsgeschwindigkeitswerte
zu regeln. Dazu erfolgt der Einbau des Rohrstücks einfach an der gewünschten
Messstelle.
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Zusätzliche
Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass im Innern des Rohrstücks den
Querschnitt verändernde
Konturen oder Einbauten enthalten sind. Weiterhin kann das Innere
des Rohrstücks ein
für eine
Durchflussbestimmung nach dem Wirkdruckverfahren geeignete Beeinflussung
des Strömungsverlaufs
aufweisen. Auch kann das Rohrstück als
ein Venturirohr oder ein V-Konus-Wirkdurchflussmesser ausgebildet
sein. Ein solches Rohrstück
ersetzt mit seinen Sensoren ein in strömungstechnischen Systemen oft
zusätzlich
erforderliches Durchflussmessgerät
vollständig.
Damit ist es mög lich, Messwerte
zu erhalten, die das Regelverhalten des Drehzahlregelgeräts mitgestalten.
So kann beispielsweise über
zwei Drucksensoren und ein als Wirkdurchflussmesser geeignetes Rohr
der Durchfluss bestimmt werden. Mit den Druck- und Durchflusswerten
stehen wichtige Anlagenkenngrößen zur
Verfügung,
welche dem Drehzahlregelgerät
als Grundlage seines Regelverhaltens dienen. Besonders vorteilhaft
sind in diesem Zusammenhang die kurzen Signalwege zwischen Sensoren
und dem Drehzahlregelgerät.
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Ist
das Drehzahlregelgerät
in Anlagen an unzugänglichen
Stellen angeordnet, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Drehzahlregelgerät durch
eine Fernbedienung zu bedienen. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn
ein leitungsgebundener oder drahtloser Datenaustausch zwischen Drehzahlregelgerät und weiteren
elektronischen Anlagenkomponenten erfolgt.
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Andere
Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass das Drehzahlregelgerät flüssigkeitsdicht
gekapselt ist oder dass das Drehzahlregelgerät längsflüssigkeitsdicht vergossene Kabeleinführungen
besitzt. Dadurch wird eine gegen äußere Einflüsse besonders geschützte Ausführung erreicht.
Dies ermöglicht
Anwendungen für
die überflutbare und/oder
explosionsgeschützte
Ausführungen
notwendig sind.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Befestigungsbrücke mit
einer ebenen Anschlussfläche
für die
Befestigung des Drehzahlregelgeräts
und mit einer gekrümmten
Anschlussfläche zur
Befestigung an dem Rohrstück
versehen. Durch die Anpassung der Anschlussflächen wird neben einer sicheren
Befestigung des Drehzahlregelgeräts am
Rohrstück
eine sehr gute Wärmeübertragung vom
Drehzahlregelgerät über die
ein- oder mehrteilige Befestigungsbrücke zum Rohrstück gewährleistet.
Die Verwendung von bekannten Wärmeleitpasten
unterstützt
die Wärmeübertragung.
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Die
Anschlussfläche
der Befestigungsbrücke weist
nach einer weiteren Ausgestaltung rasterförmig angeordnete Öffnungen
gleicher und/oder unterschiedlicher Form zur Durchführung von
Befestigungselementen auf. Dazu sind die Öffnungen als runde oder ovale Öffnungen
oder Schlitze ausgebildet, um durch deren Form eine Vielzahl von
Befestigungsmöglichkeiten
zu erreichen. Ein solches Befestigungsraster erlaubt die Anbringung
von Drehzahlregelgeräten
unterschiedlicher Größe an nur
einer Befestigungsbrücke.
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Weitere
Ausgestaltungen sehen vor, dass die Befestigungsbrücke ein
integraler Bestandteil des Rohrstücks ist oder dass das Rohrstück als ein-
oder mehrteiliges Formstück
mit einer oder mehreren ebenen Anschlussflächen ausgebildet ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
Folgenden näher
beschrieben. Es zeigen die
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1 eine
Ansicht auf ein an einem Rohrstück
befestigten Drehzahlregelgerät,
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2–3 Einbaubeispiele
von Drehzahlregelgeräten
in Anlagen,
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4 ein
Drehzahlregelgerät
in flüssigkeitsdicht
gekapselter Ausführung
und
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5 ein
Schnitt durch ein Rohrstück
mit daran montiertem Drehzahlregelgerät.
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Die 1 zeigt
eine Einbaueinheit bestehend aus einem Rohrstück 1 und einem daran
angebauten Drehzahlregelgerät 2,
beispielsweise in Form eines Frequenzumformers. Das Rohrstück 1 ist
ein Standardteil mit zwei Anschlussflanschen 3 und 4, welches
auch als ein sogenanntes FF-Stück
bekannt ist. Es ist über
die Anschlussflansche 3, 4 mit den übrigen Bauteilen
des strömungsführenden
Systems in bekannter Weise verbindbar. Eine Befestigungsbrücke 5 liegt
am Rohrstück 1 wärmeübertragend
an und besteht ganz oder teilweise aus einem gut wärmeleitenden
Material, beispielsweise aus Aluminium. In der Darstellung ist die
Befestigungsbrücke 5 schalenförmig ausgebildet.
Sie wird unter Verwendung von Schraubmitteln und einem gegenüberliegenden Scha lenelement 5.1 am
Rohrstück 1 gehalten.
Befestigungsbrücke 5 und
Schalenelement 5.1 liegen beidseitig am Rohrstück 1 an
und schließen
es zwischen sich ein.
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Die
Befestigungsbrücke 5 weist
auf der von der Rohrleitung 1 abgewandten Seite eine Anschlussfläche 6 mit
Befestigungsmöglichkeiten
für das
Drehzahlregelgerät 2 auf.
Die Befestigung des Drehzahlregelgeräts 2 erfolgt in üblicher
Art und Weise, beispielsweise über
Schraubverbindungen. Am Drehzahlregelgerät 2 sind Anschlüsse für eine Netzeinspeisung 7 und
für eine
Motorwicklung 8 erkennbar. Eine entstehende Verlustwärme des
Drehzahlregelgeräts 2 überträgt die wärmeleitende
Befestigungsbrücke 5 an
das Rohrstück 1 und
an ein im Rohrstück 1 befindliches
Förderfluid.
Die Kühlleistung
des Rohrstückes 1 ist
von der Temperatur des Förderfluids
und von dessen Strömungsgeschwindigkeit
abhängig.
Es ist als ein gerades Rohrstück
mit Anschlussflanschen gezeigt. Ebenso ist auch die Verwendung eines
gekrümmten
Rohrstückes
möglich.
In diesem Fall wird eine Befestigungsbrücke in einer dem gekrümmten Rohrstück angepassten
Ausführung
verwendet, welches eine geeignete Anschlussfläche für die Anbringung eines Frequenzumformers
aufweist. Als Drehzahlregelgerät 2 können Frequenzumformer
einer bestehenden Produktbaureihe Anwendung finden, die für eine Wand-
oder eine Motormontage ausgelegt sind.
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2 zeigt
ein Einbaubeispiel eines Drehzahlregelgerätes 2 in einer Anlage.
Dazu ist ein gemäß 1 gestaltetes
Drehzahlregelgerät 2 an
einem anders ausgebildeten Rohrstück 9 montiert. Das Rohrstück 9 mit
dem Drehzahlregelgerät 2 ist über einen
Anschlussflansch 10 an einem druckseitigen Anschlussflansch 11 einer
unmittelbar angrenzenden Pumpe 12 befestigt. Die Pumpe 12 wird über eine Antriebswelle 13 von
einem Motor 14 angetrieben. Das Rohrstück 9 ist im Innern
mit einer den Querschnitt verändernden
Kontur 15 versehen. Das Innere des Rohrstücks 9 weist
eine für
eine Durchflussbestimmung nach dem Wirkdruckverfahren geeignete Beeinflussung
des Strömungsverlaufs
auf.
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Am
Rohrstück 9 sind
Drucksensoren 16 und 17 an Anschlussflanschen 10 und 18 gezeigt.
Sie sind mit Leitungen 19 und 20 mit dem Drehzahlregelgerät 2 verbunden.
Durch die Verarbeitung der von den Sensoren 16, 17 gelieferten
Signale mit dem Drehzahlregelgerät 2 wird
zusätzlich
die Funktion eines Durchflussmessgerätes erlangt. Entsprechend der
Ausbildung des Rohrstückes 9 und
der verwendeten Sensoren ist eine der vielen weiteren bekannten
Methoden zur Bestimmung eines Durchflusses anwendbar, wie beispielsweise
eine magnetisch-induktive Durchflussmessung. Dadurch werden bisher separat
angeordnete Messgeräte überflüssig. Die Drucksensoren 16 und 17 und
deren zugehörige Messstellen
sind hier in die Anschlussflansche 10, 18 integriert.
Bei entsprechender Druckübertragung können die
Sensoren auch außerhalb
des Rohrstücks 9 angeordnet
sein.
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Durch
die Änderung
des Strömungsverlaufs und
die Bestimmung der Drücke
am Ein- und Austritt des
Rohres 9 ist der Durchfluss durch das Rohrstück 9 ermittelbar.
Da das Rohrstück 9 hier
direkt auf der Druckseite der Pumpe 12 angeordnet ist,
kann zur Erhöhung
der Messgenauigkeit am Rohrstückeintritt ein – hier nicht
dargestellter – Strömungsgleichrichter angeordnet
werden. Alternativ dazu kann der Strömungsgleichrichter auch als
ein separates Einbauteil zwischen Pumpe 12 und Rohrstück 9 angeordnet sein.
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Mit
den gemessenen Drücken
ist im Drehzahlregelgerät 2 ein
Durchfluss bestimmbar. Mit dem Pumpendurchfluss und dem Pumpendruck
ist der Betriebspunkt der Pumpe 12 ermittelbar. Diese Informationen
werden in dem Drehzahlregelgerät 2 und dessen
Regelalgorithmen verwertet und dienen als Grundlage für das Regelverhalten
des Drehzahlregelgerätes 2.
Somit kann bei einer Regelung auf einen bestimmten Soll-Durchfluss
mittels Drehzahlveränderung
ein Ist-Durchfluss problemlos angepasst werden.
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Wenn
die im Drehzahlregelgerät 2 entstehende
Verlustwärme
mit der Drehzahl der Pumpe 12 zunimmt, bedingt die gleichzeitig
größere Durchflussmenge
durch das Rohrstück 9 eine
bessere Wärmeabfuhr
und damit Kühlwirkung.
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3 zeigt
ein in einem strömungsführenden
System von einer Pumpe entfernt montiertes Drehzahlregelgerät 2.
Wie in 2 ist auch hier das Rohrstück 9 als ein Wirkdurchflussmessgerät ausgebildet.
Dazu weist das Rohrstück 9 im
Innern eine den Querschnitt verändernde,
hier dünn
gezeichnete Kontur 15 auf, jedoch in einem für Venturirohre
typischen Verlauf. Auch können
im Rohrstück 9 spezielle Einbauten,
wie beispielsweise bei sogenannten V-Konus-Durchflussmessgeräten bekannt,
angeordnet sein.
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In
der dargestellten Anordnung wird der Durchfluss an der Einbaustelle
des Rohrstücks 9 gemessen.
Die Messung des Druckes erfolgt über Druckmessstellen
mit exemplarisch dargestellten Drucksensoren 21 und 22.
Ebenfalls können
mehrere Druckentnahmestellen über
eine Ringkammer verbunden sein. Und im Unterschied zu den Darstellungen
der 1 und 2 ist hier ein Drucksensor 22 in
der Befestigungsbrücke 5 montiert.
Alternativ können
die Sensoren beiderseits der Befestigungsbrücke 5 im Rohrstück 9 montiert
sein. Eine Einstellung und/oder Bedienung des Drehzahlregelgerätes 2 kann
bei dessen Positionierung an unzugänglichen Anlagenstellen durch
eine Fernbedienung erfolgen.
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4 zeigt
ein Drehzahlregelgerät 23 in
flüssigkeitsdicht
gekapselter Ausführung.
An einem als ein- oder mehrteiliges Formstück ausgebildeten Rohrstück 24 mit
einer oder mehreren ebenen Anschlussflächen kann die Befestigungsbrücke als
ein integraler Bestandteil des Rohrstücks 24 ausgebildet sein.
Ebenso gut kann – wie
dargestellt – an
diesen Anschlussflächen
eine separate, leicht herstellbare, plattenförmige, wärmeübertragende Befestigungsbrücke 25 angeordnet
sein. Die plattenförmige
Befestigungsbrücke 25 ist
nur an einer Teilfläche
des Rohrstücks 24 angeordnet.
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In
der gezeigten Darstellung besitzt das Rohrstück 24 im mittleren Bereich
eine polygonale, hier sechseckige Außenkontur, an der das Drehzahlregelgerät 23 unter
Verwendung der plattenförmigen Befestigungsbrücke 25 befestigt
ist. Das Drehzahlregelgerät 23 ist
durch ein umgebendes Gehäuse 26 flüssigkeitsdicht
gekapselt. Über
daran angebrachte Kabelanschlüsse 27 und 28,
hier längsflüssigkeitsdicht
vergossen, erfolgt eine Verbindung mit einer Netzeinspeisung und
mit einem Motor. Ein Klemmbrett 29 dient zum Anschließen der
Leitungen an das Drehzahlregelgerät 23. Dazu ist ein
Teil des Gehäuses 26 als
ein dichtend angeordneter, eine Zugänglichkeit in das Gehäuseinnere
ermöglichender
Bediendeckel 30 ausgebildet. Aus Gründen einer besseren Erkennbarkeit
wurde das Gehäuse 26 teilweise
offen gezeichnet.
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In 5 ist
zur Befestigung eines Drehzahlregelgeräts 32 eine andere
Form einer Befestigungsbrücke 31 gezeigt.
Bei dem Drehzahlregelgerät 32 kann
es sich um einen Frequenzumformer aus einer bereits bestehenden
Produktreihe handeln, der beispielsweise durch Aussparen von Kühlrippen
während
einer Fertigung, hier ebenfalls verwendbar ist. Die Befestigungsbrücke 31 weist
eine ebene Anschlussfläche 33 zur
Befestigung des Drehzahlregelgerätes 32 und
eine gekrümmte
Anschlussfläche 34 zur
Befestigung an dem Rohrstück 1 mit
einem darin geführten
Förderfluid 35 auf.
Je nach gegebenen Rohrstückdimensionen,
die aus unterschiedlichen Anlagenerfordernissen resultieren, sind
andere Befestigungsbrücken
verwendbar, deren Anschlussfläche 34 dem
Rohrstück 1 angepasst
ist. Die Anschlussfläche 33 ist
an die zu befestigenden Drehzahlregelgeräte angepasst. Die Anschlussfläche 33 weist – hier nicht
erkennbar – rasterförmig angeordnete Öffnungen
unterschiedlicher Form zur Durchführung von Befestigungselementen
auf. Somit sind verschiedene Baugrößen von Drehzahlgeräten an nur
einer Befestigungsbrücke
anbringbar.
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In
der dargestellten Ausführung
ist eine Befestigungsbrücke 31 in
einem Stück
dargestellt. Ebenso gut können
auch mehrteilige Befestigungsbrücken
Verwendung finden, die aus einem Teil zur Befestigung am Rohrstück 1 und
einem Teil für
die Befestigung des Drehzahlregelgeräts 32 bestehen.
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Die
Verbindung zwischen den Befestigungsbrücken 5, 25, 31 und
den Rohrstücken 1, 9, 24 erfolgt
mit bekannten Mitteln.