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Die
Erfindung betrifft eine Förderpumpe mit einem drehzahlveränderbaren
Antrieb, wobei die Förderpumpe als einstufige Kreiselpumpe
mit in einem Laufradraum eines Pumpengehäuses (1)
rotierend angeordneten Radialrad (2) zentrifugaler Bauart zur
Förderung eines Fluids zwischen einem Pumpeneinlass (4)
und einem Pumpenauslass (13) ausgebildet ist, das Radialrad
(2) mit einem bis in den fünfstelligen Bereich
von Umdrehungen pro Minute drehzahlveränderbaren Antriebsmotor
verbunden ist, das Radialrad (2) mittig angeströmt
wird, mit Förderkanälen (3) versehen
ist und bei einem Außendurchmesser bis zu 55 mm bei Förderhöhen
bis 300 m aufweist.
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Im
Bereich der Forschungs- und Entwicklungsprozesse der chemischen
und pharmazeutischen Industrie besteht die Forderung nach immer schnelleren
Entwicklungen zu geringeren Kosten. In der Produktion solcher Stoffe
werden flexiblere, kleinere und umweltschonendere Prozesse verlangt. Dies
führt zum Einsatz verfahrenstechnischer Komponenten, die
teilweise mit sehr kleinen Füllvolumina und kontinuierlichem
Stofffluss betrieben werden. Aufgrund der Forderung eines flexiblen
Einsatzes solcher Anlagen, ist eine gute Spülbarkeit der
gesamten Anlage mit den darin montierten Aggregaten mit Hilfe von
besonderen Spülmedien notwendig.
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Solche
Anlagen erfordern einen präzisen, konstanten, frei einstellbaren
und pulsationsfreien Volumenstrom von flüssigen Stoffen.
Für hochpräzise kontinuierliche Volumenströme
im Bereich von null Millilitern pro Minute bis zu einer dreistelligen
Anzahl von Litern pro Stunde werden Verdrängerpumpen in
Form von Mikrozahnring- und Zahnradpumpen sowie in Form von Membran-
und Kolbenpumpen verwendet. Nachteil solcher Verdrängerpumpen sind
die mangelhafte Zuverlässigkeit infolge Reibung zwischen
den relativ zueinander bewegten, abzudichtenden Bauteilen und deren
pulsierender Förderstrom. Ein dadurch bedingter Wartungsaufwand
und die Kosten für Verschleiß teile sowie für
deren Wechsel behindern schnelle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten
und stören einen Produktionsprozess empfindlich.
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Durch
die
WO 2005/052365
A2 ist eine als Spaltrohrmotorpumpe ausgebildete Kreiselpumpe zur
Umwälzung superkritischer Kohlenwasserstoffe bekannt. Der
Antriebsmotor verfügt über ein Spaltrohr aus PEEK,
innerhalb dessen ein mit einem Edelstahlüberzug geschützter
Rotor angeordnet ist. Keramische Lager der Pumpenwelle und des Antriebsrotors
werden von einem dem Pumpengehäuse entnommenen Teilstrom
der Förderflüssigkeit geschmiert. Das offen ausgebildete
Laufrad hat einen Durchmesser zwischen 1 und 2 Zoll und der das Laufrad
antreibende Rotor des wälzgelagerten Gleichstrommotors
hat einen Durchmesser zwischen 1,5 und 2 Zoll. Die einstufige Pumpeinrichtung
mit dem offenen Laufrad soll maximale Drehzahlen bis zu 60.000 U/min
erreichen. Saugstutzen, Druckstutzen und eine dem Laufrad nachgeordnete
Art von Spiralraum sind in einem äußeren Pumpengehäuseteil
angeordnet, während ein inneres Pumpengehäuseteil
das fliegend gelagerte Laufrad und eine Befestigung für
einen drehzahlregelbaren Gleichstrom-Spaltrohrmotor als Antriebsmotor
aufweist.
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Nachteilig
bei dieser Spaltrohrmotorkonstruktion ist die Vielzahl von Spalten,
die aufgrund der komplexen Strömungsführung zwischen
Pumpe und Spaltrohrmotor die Reinigung der Pumpe stark behindern.
Da ein Teil der Förderflüssigkeit permanent den
Motor und dessen Spaltraum durchströmt, entsteht durch
die Reibungswärme der Wälzlager sowie die Verlustwärme
des Spaltrohrmotors ein hoher Wärmeeintrag in die Förderflüssigkeit.
Infolgedessen kann diese Pumpe nur in unmittelbarer Nähe
zu einem nicht definierten optimalen Betriebspunkt betrieben werden.
Bei einem Teillastbetrieb dieser Pumpe würde sehr schnell
ein unzulässig hoher Wärmeeintrag stattfinden.
Dies hätte neben einer Schädigung des Fluids auch
einen Ausfall der Pumpe infolge Kavitation oder Trockenlauf zur
Folge.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, zur Förderung und
Dosierung von flüssigen Stoffen im Milliliter-Bereich von
chemischen, pharmazeutischen und/oder kosmetischen Komponenten eine Pumpeneinheit
zu entwickeln, deren Fördermenge pulsationsfrei und präzise
einstellbar über einen großen Bereich für
unterschiedliche Fördermedien mit unterschiedlichen Eigenschaften
variabel ist und für schnelle Produktwechsel die Pumpe
leicht zu reinigen ist.
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Die
Lösung des Problems erfolgt mit den Merkmalen von Anspruch
1. Damit ist eine Dosierpumpe in Form einer Kreiselpumpe zentrifugaler Bauart
verwirklicht. Diese ist als Förderpumpe zur Verwendung
in einer verfahrenstechnischen Anlage für einen Nennbetrieb
in Form eines dauerhaften Kreiselpumpen-Teillast-Betrieb mit Fördermengen
im Bereich von 0 ml/min bis 7000 ml/min ausgelegt, wobei der Nennbetrieb
durch eine Kreiselpumpen-Teillast-spezifische Drehzahl nqTL ≥ 0,05 ≤ 10 (1/min)
gekennzeichnet ist und wobei der Laufradraum am Umfang mit einem
oder mehreren, spitzwinklig oder tangential zum Radialradaußendurchmesser
angeordneten Pumpenauslasskanälen versehen ist.
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Im
völligen Gegensatz zu allen geltenden Kreiselpumpen-Auslegeregeln
oder -bestimmungen ist diese Kreiselpumpe für einen extremen
Teillastbetrieb ausgelegt, wodurch kleine Mengen pulsationsfrei
gefördert werden. Dazu weist die Förderpumpe vorzugsweise
eine Kreiselpumpen-Teillast-spezifische Drehzahl nqTL ≥ 0,05 ≤ 3
(1/min) auf. Vorteilhaft hat sich auch die Auslegung der Förderpumpe
für einen Kreiselpumpen-Teillast-Betriebbereich nqTL < 2,5 erwiesen.
Der Außendurchmesser des Radialrades (2) kann
bis zu maximal 70 mm betragen.
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Gemäß weiteren
Ausgestaltungen weist das Pumpengehäuse mit einem darin
angeordneten Radialrad vorzugsweise ein Restvolumen kleiner 30 Milliliter
auf. Dies hat den wesentlichen Vorteil einer leichten Spülbarkeit
der Förderpumpe. Und infolge des geringen Restvolumens
und der minimalen Spaltanzahl entstehen bei einem Wechsel eines
zu fördernden Fluid in der Förderpumpe nur geringe
Produktverluste bei einer Reinigung oder Spülung derselben.
Weiterhin ist ein Innendurchmesser vom Laufradraum maximal 4% größer
ausgebildet ist als ein Außendurchmesser des Radialrades.
Und mittels einer Verkleinerung des das Radialrad umgebenden Laufradraumes
erfolgt am Pumpenauslasskanal eine Vergrößerung
eines dort anstehenden Staudruckes. Dabei sind die Eintrittsöffnungen
von ein oder mehreren Pumpenauslasskanälen in Form von
Staurohren oder staurohrähnlich ausgebildet.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Förderpumpe ist diese mit
einer Temperiereinrichtung versehen, vorzugsweise für einen
Nennbetrieb mit einer Kreiselpumpen-Teillast-spezifischen Drehzahl nqTL ≥ 0,05 ≤ 1 (1/min).
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Diese
verbessert eine Förderung von empfindlichen Fluiden und/oder
von Fluiden mit niedrigem Siedepunkt durch die in einem großen
nqTL Bereich betreibbare Förderpumpe.
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Nach
einer anderen Ausbildung ist zwischen Laufradraum und Radialrad
und/oder dessen Welle eine Dichtung angeordnet. Ebenso ist eine
Ausbildung möglich, bei der ein hermetisch dichter, magnetgekuppelter
Antrieb ein Drehmoment auf das Radialrad überträgt.
Und am Pumpengehäuse, am Temperiergehäuse und/oder
an einem Lagergehäuse ist eine Lagerung für die
Welle angeordnet. Auch kann die Förderpumpe als ein Blockaggregat
mit angeflanschten Motor ausgebildet sein.
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In
Abhängigkeit von einem zu verwendenden Antrieb ist die
Förderpumpe durch einen Konstantfahrbetrieb oder einen
Dosierbetrieb gekennzeichnet.
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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
Förderpumpe im Längsschnitt
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2 eine
perspektivische Ansicht auf die Pumpeneinheit, die
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3 eine
perspektivische Ansicht auf ein Laufrad, die
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4 ein
Laufrad im Schnitt, die
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5 einen
Querschnitt durch die Förderpumpe und die
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6 die
Lage der Förderpumpe in einem nq-Diagramm
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In 1 ist
eine Förderpumpe in einstufiger Bauweise dargestellt. Im
Pumpengehäuse 1 ist ein Radialrad 2 zentrifugaler
Bauart rotierend angeordnet. Das Radialrad 2 verfügt über
Förderkanäle 3 und wird durch einen Pumpeneinlass 4 mittig
angeströmt. Das Radialrad 2 ist mit einem drehzahlregelbaren Antrieb 5 kräfteübertragend
verbunden und weist einen Außendurchmesser DLA auf,
der bis zu 70 mm betragen kann. Das Radialrad rotiert in einem Laufradraum 6,
dessen Innendurchmesser DLRI nur maximal
4% größer ausgebildet ist als der Außendurchmesser
DLA des Radialrades 2.
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Das
Pumpengehäuse 1 ist mit einer Temperiereinrichtung 7 versehen,
die in diesem Ausführungsbeispiel in das Pumpengehäuse
integriert ist. Es sind auch andere Bauformen möglich.
Kühlräume 7.1 bis 7.3 umgeben
den Laufradraum 6 und auch ein an das Pumpengehäuse 1 angrenzendes
Dichtungsgehäuse 8. Innerhalb des Dichtungsgehäuses 8 ist als
eine Art Wellendichtung eine Dichtung 9 angeordnet, die
in dem Ausführungsbeispiel als ein Lippendichtring dargestellt
ist. In Abhängigkeit vom verwendeten Förderfluid
kann die Dichtung 9 auch als eine Gleitringdichtung ausgebildet
sein. Die Dichtung 9 kann in Abhängigkeit von
der gewählten Verbindung zwischen Laufrad und einer Welle 10 des
Antriebes dichtend am Laufrad 2, an einer Laufradnabe 2.1 oder
an der Welle 10 anliegen. Die Temperierräume 7.1 bis 7.3 werden
durch externe Mittel beaufschlagt. Dadurch werden die vom Förderfluid
berührten Teile des Pumpengehäuse zuverlässig
gekühlt, da die Kreiselpumpe für einen Dauerbetrieb
in einem Teillast-Betriebspunktefeld ausgelegt ist, dessen Fördermengengrenzen
im Bereich von 0 Milliliter/Min. bis 3600 Milliliter/Min. bei einer
Förderhöhengrenze von 20 Meter–300 Meter
liegen. Infolge der dafür notwendigen hohen Drehzahl des
Antriebes 5 sind zusätzliche Kühlmittel 11 am
Außenumfang des Antriebes 5 angeordnet. Und der
Antrieb 5 ist kräfteübertragend mit der
Temperiereinrichtung 7 verbunden oder daran befestigt.
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Die
Fläche des Pumpeneinlasses 4 ist definiert durch
eine in unmittelbarer Nähe des Pumpeninnenraumes gelegene
Anlagefläche 12, an der eine anzuschließende
Leitung für ein Förderfluid dichtend anliegt.
Eine analoge Ausbildung ist an dem – hier unterhalb der
Zeichenebene befindlichen, nur teilweise als Halbkreis sichtbaren – Pumpenauslass 13 vorhanden.
Die Befestigung von daran anzuschließenden Pumpenleitungen – hier
nicht dargestellt – erfolgt durch bekannte Mittel, beispielsweise Überwurfmuttern.
Durch die unmittelbare Heranführung einer Pumpenleitung
an den Laufradraum 6 und durch die geringen Durchmesserunterschiede
zwischen Laufrad-Außendurchmesser DLA und
Innendurchmesser DLRI des Laufradraumes 6,
ergibt sich innerhalb des Pumpengehäuses mit montiertem
Radialrad für ein Förderfluid ein Restvolumen
von gleich oder kleiner 50 Milliliter. Diese sehr geringe Menge
hat den Vorteil, dass bei einem Wechsel des wertvoller Förderfluide
nur geringste Verluste auftreten.
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Aus
der 2, der perspektivischen Ansicht auf die als Einheit
aufgebauten Förderpumpe, ist der Pumpeneinlass 4 und
der Pumpenauslass 13 ersichtlich. Die Temperiereinrichtung 7 ist
in das Pumpengehäuse 1 integriert und Pumpeneinlass 4 und Pumpenauslass 13 sind
durch die Temperiereinrichtung 7 hindurchgeführt
bis zum Laufradraum.
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Externe
Temperiermittel, beispielsweise Kühlmittel, werden durch
die wahlweise verwendbaren axialen oder radialen Anschlüsse 14, 15 den Temperierräumen 7.1 bis 7.3 zugeführt
und abgeleitet. Pumpeneinheit und Antriebsmotor 5 sind
zu einer baulichen Einheit zusammengefasst und in einem Tragelement 16 gehalten.
Das Tragelement 16 bietet die Voraussetzung für
den modulartigen Aufbau oder Einbau in eine bestehende Anlage.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht auf ein Radialrad 2. Das Radialrad 2 ist
scheibenförmig gestaltet und in diesem Beispiel mit einer
Nabe 2.1 versehen. Innerhalb der Nabe 2.1 erfolgt
eine kräfteübertragene Verbindung mit der hier
nicht dargestellten Welle 10 des Antriebes 5.
Innerhalb des Radialrades 2 sind Förderkanäle 3 angeordnet.
Zusätzlich sind auf dem Laufradumfang 17 eine
Vielzahl von Fördervertiefungen 18 angeordnet,
die in Form von Sackbohrungen gestaltet sind. Mit Hilfe dieser Fördervertiefungen
wird die Druckziffer des Kreiselpumpenrades verbessert. Bei einer
möglichen Ausgestaltung weisen die druck- und saugseitigen
Deckscheiben 19, 20 mehrere radialverlaufende
Fördernuten 21 auf. Die Fördernuten 21 verbessern
ebenfalls die Druckziffer eines gemäß 1 in
einen Laufradraum 6 eingebauten Laufrades. Das Laufrad
in axialer Richtung durchdringende Ausgleichbohrungen 22 dienen
zum Druckausgleich innerhalb des Pumpengehäuses und gleichzeitig
als eine Montagehilfe bei der Herstellung einer Verbindung mit dem
Antrieb.
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4 zeigt
einen Schnitt durch ein Laufrad 2, bei dem vier Förderkanäle 3 Verwendung
finden. Deren Durchmesser ist so abgestimmt, dass sie im Bereich
des Laufradeintritts 23 einen benachbarten Förderkanal
nicht schneiden. Somit ist die Beibehaltung eines definierten Laufradeintrittsdurchmessers gewährleistet.
Die Tiefe T der Fördervertiefungen 18 ist in Abhängigkeit
vom gewünschten Restvolumen einer fertig montierten Pumpe
gewählt.
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Anstelle
der hier gezeigten Fördervertiefungen 18 in Form
von Bohrungen kann auch jede andere Form, beispielsweise Nuten,
Schlitze oder dergleichen, Anwendung finden, mit denen im Bereich
des Laufrad-Außendurchmessers eine Energieübertragung
möglich ist.
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5 zeigt
einen Querschnitt durch die Förderpumpe. Aufgrund des großzügigen
Temperierraumes 7.2, der in Wirkverbindung mit dem anderen Temperierraum
steht, ist ein dauerhafter extremer Teillastbetrieb gewährleistet.
Der Pumpenauslasskanal 13 kann als eine einfache Bohrung
gestaltet sein oder er kann – wie dargestellt – durch
einen staurohrähnlichen Einsatz 24 mit einer Eintrittsöffnung 25 gebildet
sein. Letzteres ermöglicht eine einfache Anpassung.
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Durch
den minimierten Laufradraum 6 ergeben sich zwischen dem
Außendurchmesser DLA des Radialrades
und dem einhüllenden, umgebenden Durchmesser DLRI des
Laufradraumes 6 eine radiale Spaltweite, die im einstelligen
Millimeterbereich liegt. Bei einer ausgeführten Kreiselpumpe
liegt der radiale Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse im
Bereich von 2 mm. Im Bereich der axialen Laufradseiten liegt der Spalt
zwischen Laufrad und Gehäuse in einer analogen Größenordnung.
Durch diese Gestaltung von dem ein minimales Restvolumen aufweisenden
Bereiches im Gehäuse kann die Pumpe sehr schnell und zuverlässig
durch ein Spülmedium gereinigt werden. Und mit geringsten
Verlusten von Förderproduktteilen an geänderte
Förderbedingungen oder Anlagen an gepasst werden. Durch
die kontinuierliche Rotation des zentrifugalen Laufrades 2 ergibt
sich ein pulsationsfreier Betrieb dieser Förderpumpe.
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Durch
den minimierten Spalt zwischen Laufrad-Außendurchmesser
und Laufradraum nähert sich die Umfangskomponente des Laufrades
gleichzeitig der Umfangsgeschwindigkeit an und in Kombination mit
einer schrägwinklig, vorzugsweise tangential, zum Laufrad 2 angeordneten
Pumpenauslass 13 ergibt sich für diese Kreiselpumpe
an deren Austrittsöffnung ein maximal möglicher
Staudruck. In Verbindung mit dem drehzahlgeregelten Motor sind große Förderhöhen
bei einem minimalen Restvolumen innerhalb des Pumpengehäuses
realisierbar.
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Die
berührungsfreie Anordnung des Laufrades innerhalb des Laufradraumes
vermeidet dichtend aneinanderliegende Reibungsflächen.
Diese Maßnahme verhindert die Erzeugung mechanischer Reibungswärme,
verhindert einen Reibverschleiß sowie eine dadurch bedingte
Verschmutzung einer Förderflüssigkeit mit abgeriebenen
Partikeln und verbessert die Betriebssicherheit durch wesentlich
verlängerte Nutzungszeiten. Außerdem werden der
Reinigbarkeit entgegenwirkende Dichtspalte vermieden.
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In 6 sind
in einem nq Diagramm in mit durchgezogenen Linien gezeichneten Kennfeldern die
nq Werte von Kreiselpumpen denjenigen der Verdrängerpumpen
gegenübergestellt. Die neue Förderpumpe deckt
mit ihrem grau dargestellten Kennfeld der Kreiselpumpen-Teillast-spezifische
Drehzahl nqTL erstmals den Bereich zwischen
diesen beiden gegensätzlichen Pumpentypen ab.
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- 1
- Pumpengehäuse
- 2
- Radialrad
- 2.1
- Nabe
- 3
- Förderkanäle
- 4
- Pumpeneinlass
- 5
- regelbarer
Antrieb
- 6
- Laufradraum
- 7
- Temperiereinrichtung
- 7.1–7.3
- Kühlräume
- 8
- Dichtungsgehäuse
- 9
- Dichtung
- 10
- Welle
- 11
- Kühlmittel
- 12
- Anlagefläche
- 13
- Pumpenauslass
- 14,
15
- Anschlüsse
für Temperiermittel
- 16
- Tragelement
- 17
- Laufradumfang
- 18
- Fördervertiefungen
- 19,
20
- Deckscheibe
- 21
- Fördernuten
- 22
- Ausgleichsbohrungen
- 23
- Laufradeintritt
- 24
- Eintrittsöffnung
- 25
- Staurohr
- DLA
- Außendurchmesser
Radialrad 2
- DLRI
- Innendurchmesser
Laufradraum 6
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/052365
A2 [0004]