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Die Erfindung betrifft eine Dickstoffpumpe mit einer Fördereinheit und einer Zuführeinheit, bei der die Fördereinheit beispielsweise als Zweizylinderkolbenpumpe und die Zuführeinheit als Förderschnecke ausgebildet ist.
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Dickstoffpumpen dieser Art haben sich seit vielen Jahren bewährt um beispielsweise Klärschlämme zu transportieren, Reststoffe aus Bergwerken abzutransportieren oder Industrieöfen zu beschicken.
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Beim Ansaughub einer Kolbenpumpe ist es oft der Fall, dass mit dem zu fördernden Dickstoff auch Luft in die Förderkolben angesaugt wird, wodurch die Förderleistung der Dickstoffpumpe verringert wird. Wenn eine Dickstoffpumpe neben dem zu fördernden Dickstoff beispielsweise 20% Luft angesaugt hat, ist der Füllungsgrad der Pumpe mit 80% definiert.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, den Füllungsgrad einer Zweizylinderkolbenpumpe durch eine Geschwindigkeitssteuerung des Antriebs der als Förderschnecke ausgebildeten Zuführeinheit zu regulieren, indem durch einen höheren Ausgangsdruck der Zuführeinheit mehr Dickstoff in die Fördereinheit gepresst wird, da sich dadurch die Menge der von der Fördereinheit angesaugten Luft reduzieren lässt.
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Es ist ferner bekannt, den Antrieb der Zuführeinheit so zu regeln, dass die Zuführeinheit einen gewissen Volumenüberschuss gegenüber der Zylinderkolbenpumpe hat, um der Kolbenpumpe immer ausreichend Dickstoff zuzuführen.
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Aus der
EP 0 562 398 B1 ist bekannt, den Füllungsgrad der Fördereinheit einer Dickstoffpumpe nach dem Ansaugvorgang der Kolbenpumpe messtechnisch zu erfassen um aus dem Fördervolumen der Fördereinheit und dem Füllungsgrad die effektive (Ist-) Fördermenge der Dickstoffpumpe zu berechnen.
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Die US 2010 / 0 260 615 A1 bezieht sich auf eine Verdrängungs-Pumpenanordnung zur Förderung von viskosem Material und insbesondere auf eine Pumpenanordnung zur Förderung von viskosem Material mit drei oder mehr miteinander verbundenen Pumpen.
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Die
DE 42 06 576 A1 betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur messtechnischen Bestimmung des Förderstroms von Fördergut, das mittels einer Kolbendickstoffpumpe durch eine Förderleitung transportiert wird.
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Die
US 5 839 883 A beschreibt eine Dickstoffpumpe mit einer Fördereinheit und einer Zuführeinheit, bei der die Zuführeinheit als Doppelförderschnecke ausgebildet ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine weitere Optimierung des Zusammenspiels der Zuführeinheit und der Fördereinheit einer Dickstoffpumpe um bei wechselnden Betriebszuständen und Förderleistungen eine möglichst energie- und fördermengeneffiziente Funktion der Dickstoffpumpe zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch eine Dickstoffpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zum Betreiben einer Dickstoffpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale auch in beliebiger und technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und somit weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.
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Eine erfindungsgemäße Dickstoffpumpe umfasst eine Fördereinheit mit einem Pumpvolumen, einem Zuführkanal zum Ansaugen des Dickstoffes und einem Auslass, eine Steuervorrichtung, die einen Füllungsgrad der Fördereinheit mittels einer Messvorrichtung ermittelt und aus dem Pumpvolumen der Fördereinheit und dem ermittelten Füllungsgrad die Ist-Fördermenge der Fördereinheit bestimmt, eine Zuführeinheit mit einem Antrieb, die der Fördereinheit den Dickstoff über den Zuführkanal zuführt, wobei die Steuervorrichtung den Antrieb der Zuführeinheit in Abhängigkeit des Füllungsgrades der Fördereinheit steuert und eine Eingabeeinheit, wobei über die Eingabeeinheit eine Soll-Fördermenge und ein Soll-Füllungsgrad der Fördereinheit einstellbar ist und die Steuervorrichtung den Antrieb der Zuführeinheit so steuert, dass die Fördereinheit bei einer Änderung der eingestellten Soll-Fördermenge den Soll-Füllungsgrad einhält.
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Bei einer Dickstoffpumpe gemäß der Erfindung wird der Fördereinheit, die den Dickstoff in einen Auslass pumpt, mittels einer Zuführeinheit der Dickstoff über einen Zuführkanal zugeführt. Der Füllungsgrad der Fördereinheit wird bevorzugt mit Sensordaten einer Messvorrichtung von einer Steuervorrichtung ermittelt. Wenn der Füllungsgrad der Fördereinheit von einem, an einer Eingabeeinheit eingestellten, Soll-Füllungsgrad abweicht, wird über die Steuervorrichtung die Antriebsleistung der Zuführeinheit erhöht oder reduziert, was eine Änderung des Füllungsgrades der Fördereinheit zur Folge hat. Gemäß der Erfindung wird bei einer Änderung der Soll-Fördermenge an der Eingabeeinheit der Dickstoffpumpe der Antrieb der Zuführeinheit so gesteuert, dass der gewünschte Soll-Füllungsgrad eingehalten wird.
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Bei einer Dickstoffpumpe gemäß der Erfindung ist die Zuführeinheit mit dem Antrieb bevorzugt so dimensioniert, dass der theoretisch mögliche Durchsatz der Zuführeinheit etwas höher, beispielsweise um etwa 40%, als die maximal mögliche Fördermenge der Fördereinheit ist. Damit wird sichergestellt, dass der Fördereinheit immer ausreichend Dickstoff zugeführt werden kann.
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Vorteilhafterweise startet beim Anlaufen der Fördereinheit, für die eine Soll-Fördermenge vorgegeben wurde, die Zuführeinheit mit einem definierten Leistungsüberschuss. Damit die Zuführeinheit beim Anlaufen der Dickstoffpumpe nicht mit voller Leistung startet und dann zum Erreichen des optimalen Füllungsgrades heruntergeregelt werden muss, kann beim Start der Dickstoffpumpe aus der Soll-Fördermenge der Fördereinheit eine vorläufige optimale Antriebsleistung der Zuführeinheit ermittelt werden. Diese Antriebsleistung kann beispielsweise so hoch sein, dass die Zuführeinheit einen definierten Volumen- bzw. Leistungsüberschuss von 20% gegenüber der Fördereinheit hat, mit dem dann der Fördereinheit der Dickstoff zugeführt wird. Damit bleibt ausreichend Spielraum nach oben und nach unten um die Antriebsleistung der Zuführeinheit im Sinne der Erfindung bis zum Erreichen des Soll-Füllungsgrades nachzuregeln.
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Der optimale Füllungsgrad einer Dickstoffpumpe kann insbesondere in Abhängigkeit des zu pumpenden Dickstoffes und der Art der Zuführung in gewissem Maße variieren. Es ist nur selten anzustreben einen Füllungsgrad der Fördereinheit von 100% zu erreichen, weil dafür ein unverhältnismäßig hoher Druck der Zuführeinheit benötigt werden würde, um der Fördereinheit den zu pumpenden Dickstoff zuzuführen. Neben einem hohen Energieverbrauch könnte dies u.U. auch dazu führen, dass im Zuführkanal zwischen der Zuführeinheit und der Fördereinheit eine Verstopfung auftritt, wenn die Zuführeinheit durch hohen Druck versucht, einen zu hohen Füllungsgrad der Fördereinheit zu erreichen. Außerdem würde unter Umständen der Verschleiß der Zuführeinheit bei einem zu hohen Füllungsgrad der Fördereinheit stark zunehmen.
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In der Praxis hat sich herausgestellt, dass der optimale Füllungsgrad zwischen etwa 70% und 90 % variieren kann, damit die Pumpe in ihrem optimalen Arbeitsbereich pumpt. Der für den zu pumpenden Dickstoff optimale Füllungsgrad kann an der Dickstoffpumpe über eine Eingabeeinheit voreingestellt werden. Auch bei einer Änderung der Soll-Fördermenge der Dickstoffpumpe wird der Antrieb der Zuführeinheit so gesteuert, dass der gewünschte Füllungsgrad möglichst genau eingehalten wird. D.h. wenn beispielsweise der Füllungsgrad 85% betragen soll, aber ein Füllungsgrad der Fördereinheit von 90% ermittelt wurde, wird die Antriebsleistung der Zuführeinheit solange reduziert, bis bei den folgenden Pumphüben der Fördereinheit der Füllungsgrad 85% beträgt. Umgekehrt, wenn der bei einem Soll-Füllungsgrad von 85% ermittelte Ist-Füllungsgrad 80% beträgt, wird die Antriebsleistung der Zuführeinheit entsprechend erhöht.
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Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann eine Untergrenze (Wmin) für den Füllungsgrad an der Dickstoffpumpe voreingestellt werden. Wenn beispielsweise ein Soll-Füllungsgrad von 80% voreingestellt wurde, aber durch eine Verstopfung im Bereich der Zuführeinheit auch ein minimaler Füllungsgrad Wmin, der beispielsweise mit 60% definiert wurde, nicht erreicht werden kann, wird die Pumpe abgeschaltet oder ein Alarmsignal ausgelöst, damit der Zustand der Maschine von einer Zentrale oder vom Bedienpersonal vor Ort kontrolliert und ggfs. eine Verstopfung oder andere Störung beseitigt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Regelungsgeschwindigkeit für die Steuerung des Antriebes der Zuführeinheit einstellbar, d.h. die Antriebsleistung der Zuführeinheit kann schneller oder langsamer herauf- oder heruntergefahren werden, bis der Soll-Füllungsgrad erreicht ist. Dies hat den Vorteil, dass z.B. bei Dickstoffen, bei denen bekannt ist, dass sich ein Soll-Füllungsgrad gut einstellen lässt, auch eine schnelle Nachregelung der Zuführeinheit einstellbar ist. Besteht hingegen die Gefahr, dass bei einer schnellen Nachregelung der optimale Füllungsgrad schnell über- oder unterschritten wird, ist eine langsamere Regelungsgeschwindigkeit vorteilhaft, damit sich der Soll-Füllungsgrad über einen gewünschten Zeitraum einstellt, ohne dass die Antriebsleistung der Förderschnecke unnötig oft hoch- und heruntergeregelt werden muss.
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Erfindungsgemäß wird beim Erreichen des Soll-Füllungsgrades die dazugehörige optimale Antriebsleistung ermittelt und aus dem Verhältnis der Fördermenge der Dickstoffpumpe und der ermittelten Leistung der Zuführeinheit eine Überschussleistung der Zuführeinheit ermittelt, die für das Erreichen des Soll-Füllungsgrades notwendig ist.
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Wenn dann die Soll-Fördermenge der Dickstoffpumpe nach oben oder unten verändert wird, wird diese Überschussleistung auf den neuen Soll-Fördermengenwert übertragen. Das heißt, wenn sich bei einer zunächst eingestellten Soll-Fördermenge von beispielsweise 1 m3/h eine Antriebsleistung der Zuführeinheit als optimal herausgestellt hat, die 15 % über diesem Wert liegt (d.h. ein theoretischer Durchsatz der Zuführeinheit von 1,15 m3/h), dann wird bei einer Umstellung der Soll-Fördermenge auf beispielsweise 2 m3/h für die Dickstoffpumpe die Zuführeinheit auf einen theoretischen Durchsatz von 2 m3/h*1,15 = 2,3 m3/h Antriebsleistung hochgeregelt. Die Geschwindigkeit der Fördereinheit wird zeitgleich in diesem Beispiel verdoppelt um die Erhöhung der Fördermenge von 1 auf 2 m3/h zu erzielen.
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Wenn die Fördereinheit als zyklisch arbeitende Zylinder-Kolben-Pumpe ausgeführt ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, nach dem Anlaufen der Fördereinheit erst einige Pumphübe abzuwarten, bis sich ein relativ konstant bleibender Ist-Füllungsgrad der Förderzylinder eingestellt hat und erst dann damit zu beginnen, die Antriebsleistung der Zuführeinheit nachzuregeln, bis der Soll-Füllungsgrad erreicht ist.
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Die Anzahl der Pumphübe bis zum Nachstellen der Antriebsleistung der Zuführeinheit wird vorteilhafterweise zwischen zwei und sechs Pumphüben variieren und kann an der Dickstoffpumpe über eine Eingabeeinheit vom Bedienpersonal vorgewählt werden. Die Anzahl der Pumphübe kann nach Bauart, Größe der Fördereinheit und der Art des zu pumpenden Dickstoffes auch höher sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Dickstoffpumpe wird für jeden Pumpvorgang ein Füllungsgrad der Fördereinheit mittels einer Messvorrichtung ermittelt und aus dem Volumen der Fördereinheit und dem ermittelten Füllungsgrad die Ist-Fördermenge der Fördereinheit bestimmt und der Antrieb der Zuführeinheit in Abhängigkeit des Füllungsgrades der Fördereinheit angesteuert. Hierbei sind eine Soll-Fördermenge und ein Soll-Füllungsgrad der Fördereinheit einstellbar und der Antrieb der Zuführeinheit wird so angesteuert, dass bei einer Änderung der eingestellten Soll-Fördermenge der Soll-Füllungsgrad eingehalten wird.
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Vorteilhafterweise wird beim Erreichen des Soll-Füllungsgrades die für den Antrieb der Zuführeinheit notwendige Leistung ermittelt und aus dem Verhältnis der Fördermenge der Fördereinheit und der ermittelten Leistung des Antriebs der Zuführeinheit eine Überschussleistung der Zuführeinheit ermittelt.
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Anhand der Zeichnungen werden im Folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigten Ausführungsvarianten beschränkt. Insbesondere umfasst die Erfindung, soweit es technisch sinnvoll ist, beliebige Kombinationen der technischen Merkmale, die in den Unteransprüchen aufgeführt oder in der Beschreibung als erfindungsrelevant beschrieben sind.
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Es zeigen:
- 1: Eine schematische Ansicht einer Dickstoffpumpe gemäß der Erfindung
- 2: Eine schematische Draufsicht einer Fördereinheit einer Dickstoffpumpe gemäß der Erfindung
- 3: Eine schematische Seitenansicht einer Dickstoffpumpe mit Fördereinheit und Zuführeinheit beim Ansaugvorgang der Fördereinheit
- 4 Eine schematische Seitenansicht einer Dickstoffpumpe mit Fördereinheit und Zuführeinheit am Ende des Ansaugvorgangs
- 5 Eine schematische Seitenansicht einer Dickstoffpumpe mit Fördereinheit und Zuführeinheit am Ende eines Komprimierungsvorganges
- 6 Eine schematische Seitenansicht einer Dickstoffpumpe mit Fördereinheit und Zuführeinheit während des Pumpvorganges der Fördereinheit
- 7 Ein Fördermengen/Antriebsdiagramm der Fördereinheit und der Zuführeinheit gemäß der Erfindung bei verschiedenen Förderleistungen
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1 zeigt eine schematisierte Ansicht einer Dickstoffpumpe 10 mit einer Fördereinheit 20, und einer Zuführeinheit 30, die beispielsweise als Förderschnecke ausgebildet sein kann. Andere Formen der Zuführeinheit wären denkbar, z.B. eine Zuführung mittels eines Trichters, der zur Erhöhung des Durchsatzes mit einer Rütteleinrichtung ausgestattet ist. Wenn die Zuführeinrichtung 30 als Förderschnecke ausgebildet ist, kann sie aus einer einzigen Förderschnecke bestehen oder aus zwei parallel laufenden Förderschnecken (Doppelförderschnecke). In der Regel ist die Zuführeinheit 30 ein Stetigförderer, der der Fördereinheit 20 den Dickstoff unter gleichmäßigem Druck zuführt. Bei der Fördereinheit 20 kann es sich beispielsweise um eine Einzylinder-Kolbenpumpe oder eine Kolbenpumpe mit zwei oder mehr Pumpzylindern handeln. Für eine bessere Übersichtlichkeit werden in der folgenden Beschreibung die Begriffe „Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe“ für die Fördereinheit 20 und „Förderschnecke“ für die Zuführeinheit 30 verwendet.
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Der von der Dickstoffpumpe 10 zu pumpende Dickstoff wird der Förderschnecke 30 zunächst über eine Einfüllöffnung 33 zugeführt. Die Förderschnecke 30 verfügt über einen hydraulischen Antrieb 31 und eine schneckenförmige Wendel 32. Der Dickstoff wird durch eine Drehbewegung der Wendel 32 in die Richtung des Zuführkanales 11 zur Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 gepresst.
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Die Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 saugt den Dickstoff über den Zuführkanal 11 von der Förderschnecke an und pumpt ihn mit hohem Druck durch das Druckventilgehäuse 25c (s.2) in den Auslass 21, der beispielsweise an eine Förderleitung angeschlossen ist, wodurch der Dickstoff an seinen eigentlichen Bestimmungsort gepumpt wird.
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Die Dickstoffpumpe 10 verfügt des Weiteren über eine Hydraulik-Antriebseinheit 43 mit einem Antriebsmotor 43a, beispielsweise einem Elektro- oder Verbrennungsmotor, der eine Hydraulikpumpe 43b, für den Antrieb der Zwei-Zylinder-Dickstoffpumpe 20, und eine Hydraulikpumpe 43c, für den Antrieb der Förderschnecke 30, antreibt. An der Hydraulik-Antriebseinheit 43 befindet sich zudem eine Ventileinheit 43d, die von der Steuervorrichtung 40 gesteuert wird, mit der beispielsweise die Drehrichtung des Antriebes 31 der Förderschnecke 30 gesteuert wird. Die Durchflussmengen der Hydraulikpumpen 43b und 43c werden über Steuerleitungen der Steuervorrichtung 40 jeweils getrennt gesteuert. An der Zwei-Zylinderkolbenpumpe 20 ist ein Hydrauliksteuerblock 44 angeordnet, der von der Hydraulikpumpe 43b mit Hydrauliköl versorgt wird. Der Hydrauliksteuerblock 44 steuert die Funktionen der Hydraulikzylinder 28a, b (Vor, Zurück, Neutral) sowie die Hydraulikzylinder (Offen, Zu, Neutral) der Ein- und Auslasstellerventilantriebe (11e,f; 12e,f).
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Am Antriebsmotor 31 der Förderschnecke 30 ist ein Drehzahlsensor 34 angeordnet, dessen Drehzahlsensorsignal über eine Sensorleitung 35 zur Steuervorrichtung 40 geleitet wird. Aus dem Sensorsignal des Sensors 34 kann die Steuervorrichtung 40 den theoretischen Durchsatz der Förderschnecke 30, d.h. die Menge an Dickstoff, den die Förderschnecke 30 im Idealfall transportieren würde, wenn an dem Zuführkanal 11 zur Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 kein Gegendruck anstehen würde, ableiten. Die Förderschnecke 30 ist so dimensioniert, dass der theoretisch mögliche Durchsatz bei der Höchstdrehzahl der Förderschnecke ca. 50-100% höher ist, als die von der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 zu erbringende maximale Pumpleistung. Damit wird sichergestellt, dass die Förderschnecke immer eine ausreichende Menge an Dickstoff im Zuführkanal 11 zur Verfügung stellen kann.
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Wie in 2 dargestellt, verfügt die Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 über Positionssensoren 26 a, b an den Auslasstellerventilantrieben 12e, f und Förderkolben-Endlagesensoren 14a, b deren Signale von der Steuervorrichtung 40 verarbeitet werden. Die FörderkolbenEndlagensensoren 14a, b für die elektrohydraulische Umschaltung (EHU) der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 haben zunächst die Funktion, eine Annäherung der Förderkolben 24a,b an den hinteren Bereich der Förderzylinder 27a,b frühzeitig zu detektieren. Basierend auf diesen Sensorsignalen reduziert die Steuervorrichtung 40 über die Hydraulikpumpe 43b die Leistung der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20, wobei die Förderkolben 24a,b ihre Bewegungsrichtung zunächst beibehalten. Hier nicht dargestellte Umschaltvorrichtungen an den Förderzylindern 24a,b, gesteuert vom Hydrauliksteuerblock 44, sorgen dafür, dass die Bewegungsrichtung der Förderzylinder 24a,b umgeschaltet wird, wenn die Förderkolben 24a,b am hinteren Ende der Förderzylinder 27a,b ankommen. Mit Hilfe der FörderkolbenEndlagensensoren 14a,b, der Positionssensoren 26a,b und der FüllungsgradBestimmungseinrichtung 41, die ein Teil der elektronischen Steuervorrichtung 40 ist, wird der Füllungsgrad, und damit auch die effektive Fördermenge, der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 ermittelt, wie im Zusammenhang mit den weiteren Zeichnungen noch näher erläutert wird.
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Die Steuereinheit 40 ist zudem mit einer Eingabeeinheit 42 verbunden, bei der sich unter anderem eine Soll-Fördermenge Fsoll und ein Soll-Füllungsgrad Wsoll für die Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 eingeben lassen.
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Die in 2 dargestellte Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 verfügt über Hydraulikzylinder 28a,b mit Kolben 22a,b und Kolbenstangen 23a,b, die die Förderkolben 24a,b der Förderzylinder 27a,b der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 antreiben. Die Kolbenstangen 23a,b führen durch einen Wasserkasten 13, der die Rückseite der Förderkolben 24a,b zu Kühlungs-, Schmier- und Reinigungszwecken mit Wasser versorgt. Da beide Förderkolben 24a,b gegenparallel arbeiten, ändert sich praktisch der Wasserstand im Wasserkasten 13 nicht, da das Wasser bei der Bewegung der Kolben 24a,b zwischen diesen ständig hin und hergeschoben wird. Am Wasserkasten 13 sind zwei Sensoren 14a,b angeordnet, die detektieren, wenn einer der Förderkolben 24a,b beim Ansaugen des Dickstoffes seine hintere Endlage nahezu erreicht hat.
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Bei dem in der 2 dargestellten Zustand hat der Förderkolben 24a gerade seine hintere Endlage erreicht und mittels des Sensors 14a wird dieser Zustand an die Steuervorrichtung 40 übermittelt.
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Auf der linken Seite von 2 sind zwei Saugventilgehäuse 25a,b mit Einlassöffnungen 11a,b dargestellt, die an den nicht dargestellten, von oben herangeführten Zuführkanal 11 angeschlossen sind. Die Saugventilgehäuse 25a,b sind zu den Förderzylindern 27a,b hin offen, so dass die Förderkolben 24a,b bei ihrem Ansaughub den Dickstoff über die Zuführöffnungen 11a,b ansaugen können. An der linken Seite verfügen die Saugventilgehäuse 25a,b jeweils über Auslassöffnungen 12a,b die mittels Auslassventilteller 12c,d und Auslasstellerventilantriebe 12e,f geöffnet und geschlossen werden können. Die Auslasstellerventilantriebe 12e,f sind beispielsweise hydraulische Stelleinrichtungen (Hydraulikzylinder) die von dem Hydrauliksteuerblock 44 angesteuert werden. An den Auslasstellerventilantrieben 12e,f befinden sich die oben erwähnten Positionssensoren 26a,b, die die Position (bzw. eine Annäherung) von Kolben 12g,h der Auslasstellerventilantriebe 12e,f detektieren.
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In 3 ist eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Dickstoffpumpe 10 mit der Zuführeinheit 30, die bereits im Zusammenhang mit 1 näher beschrieben wurde, dargestellt. In dieser Ansicht befindet sich der in 2 unten dargestellten Förderzylinder 27b der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 mit dem Förderkolben 24b im Ansaughub. Das heißt, der Förderkolben 24b bewegt sich nach rechts und saugt den von der Förderschnecke 30 über den Zuführkanal 11 zugeführten Dickstoff in den Förderzylinder 27b, während das Einlasstellerventil 11d geöffnet und das Auslasstellerventil 12d geschlossen ist.
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In 4 ist der Anfang der Füllungsgradmessung für einen Zylinder der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 dargestellt. Der Förderkolben 24b befindet sich in seiner Endposition, die vom Förderkolbenendlagensensor 14b detektiert wurde. Der angesaugte Dickstoff ist hier gestrichelt dargestellt und füllt einen Teil des Förderkolbens 27b und des Saugventilgehäuses 25b aus. Oberhalb des Dickstoffes D befindet sich angesaugte Luft L. Der Hydraulikzylinder 28b beginnt nun den Förderkolben 24b über die Kolbenstange 22b nach links zu schieben während die jeweiligen Ein-/Auslassöffnungen 11b, 12b sowohl vom Auslassventilteller 12d als auch vom Einlassventilteller 11d verschlossen sind. Die Einlassöffnung 11b wird hierbei vom Druck des Einlasstellerventilantriebs 11f verschlossen gehalten, während die Auslassöffnung 12b über den Auslassventilteller 12 d durch den Gegendruck des bereits in den Auslass 21 gepumpten Dickstoff D (dargestellt durch die zwei nach rechts gerichteten Pfeile im Druckventilgehäuse 25c) gegen die Auslassöffnung 12b gepresst wird.
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Die Luft L im Förderzylinder 27b bzw. dem Saugventilgehäuse 25b wird nun in einem Komprimierungsvorgang zusammen- bzw. herausgepresst bis, wie in 5 dargestellt, nur noch Dickstoff D bzw. stark komprimierte, jetzt nicht mehr darstellbare Luft L, in diesem Bereich vorhanden ist. Der von dem Förderkolben 24b im Förderzylinder 27b und im Saugventilgehäuse 25b aufgebaute Druck (dargestellt durch die beiden nach links gerichteten Pfeile im Saugventilgehäuse) entspricht nun dem Gegendruck durch den bereits gepumpten Dickstoff im Druckventilgehäuse 25c. Wenn der Förderkolben 24b weiter in Richtung des Saugventilgehäuses 25b geschoben wird, wird der Druck im Saugventilgehäuse 25b grösser als der Gegendruck des Dickstoffes im Druckventilgehäuse 25c und der Auslassventilteller 12d wird zusammen mit dem Auslasstellerventilkolben 12h nach links gedrückt, d.h. die Auslassöffnung 12b wird freigegeben.
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Dadurch, dass der Kolben 12h beim Öffnen der Auslassöffnung 12b an dem Positionssensor 26b vorbei geschoben wird, erkennt die Steuerelektronik ab welchem Zeitpunkt praktisch nur noch Dickstoff, aber kein nennenswertes Luftvolumen mehr im Förderzylinder 27b und dem Saugventilgehäuse 25b vorhanden ist und der eigentliche Fördervorgang beginnt.
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Der Förderkolben 24b fördert nun, wie in 6 dargestellt, durch die Auslassöffnung 12b den Dickstoff in den Auslass 21 bis der Förderkolben 24b seine linke Endposition erreicht hat. Gleichzeitig wandert der hier nicht dargestellte Förderkolben 24a (s. 2) der Pumpeinheit im Ansaugbetrieb nach rechts, bis er in den Bereich des Förderkolbenendlagensensors 14a kommt, wodurch der Beginn der Fördermengenmessung auf der zweiten Pumpeinheit ausgelöst wird.
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Die Füllungsgradbestimmungseinrichtung 41 kann aus der Gesamtzeit, die der Förderkolben 24b für einen Pumpvorgang benötigt und der Zeit, die vom Anfang des Pumphubes für die Vorkomprimierung bis zum Auslösen des Positionssensors 26b benötigt wird, den Ist-Füllungsgrad Wist der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 bestimmen.
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Aus dem ermittelten Füllungsgrad Wist und dem bekannten Volumen (Pumpvolumen) des Förderzylinders 27b, lässt sich dann die Fördermenge der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 für einen Pumphub ableiten. Wenn beispielsweise die beiden Volumina (Förderkolben und Saugventilgehäuse) zusammen 0,4 m3 betragen, ein Füllungsgrad von 90% ermittelt wird und die Pumpe für einen Pumpzyklus (d.h. die Zeit, die ein Kolben benötigt von einer Endlage aus wieder in dieselbe Endlage zurückzukehren) 30 Sekunden benötigt, pumpt ein Kolben in 30 Sekunden (0,4m3 * 0,9) = 0,36 m3 Dickstoff und in der Stunde bei 120 Pumphüben (0,36 m3 * 120) = 43,2 m3/h. Beide Pumpzylinder zusammen erreichen damit eine Fördermenge von (2*43,2 m3/h) = 86,2 m3/h.
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Damit bilden die Förderkolbenendlagensensoren 14a,b zusammen mit den Auslass-Positionssensoren 26a,b und der Füllungsgradbestimmungseinrichtung 41, die die Daten dieser Sensoren für die Füllungsgradbestimmung verwendet, eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Füllungsgrades.
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Alleine durch eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Förderzylinder der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 lässt sich eine proportionale Erhöhung der Förderleistung F der Dickstoffpumpe 10 in der Regel nicht erreichen, da der Füllungsgrad W der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 in der Regel geringer wird, wenn die Leistung bzw. Drehzahl der Förderschnecke 30 nicht nachgeregelt wird. Um den Füllungsgrad W der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 bei einer Veränderung der Soll-Fördermenge Fsoll gemäß der vorliegenden Erfindung einzuhalten, wird der Antrieb 31 der Förderschnecke 30 so gesteuert, dass der Soll-Füllungsgrad Wsoll eingehalten wird.
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Beim Anlaufen der Dickstoffpumpe 10, bei der eine bestimmte Soll-Fördermenge Fsoll bei einem bestimmten, auf den zu pumpenden Dickstoff abgestimmter Soll-Füllungsgrad Wsoll erreicht werden soll, wird die Förderschnecke mit einem definierten Leistungsüberschuss starten. D.h. wenn beispielsweise eine Soll-Fördermenge Fsoll von 50m3/h gewünscht ist, was beispielsweise der halben Leistung der Dickstoffpumpe entspricht, wird der Antrieb 31 der Förderschnecke 30 zunächst so angesteuert, dass sie den Förderzylindern 27a,b der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 zunächst ein Volumen von 60m3/h (berechnet ohne Gegendruck) zuführt, obwohl die Förderschnecke 30 theoretisch in der Lage wäre, beim Anfahren wesentlich mehr Dickstoff in den Zuführkanal 11 zu fördern.
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In der Praxis hat sich erwiesen, dass die Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 eine gewisse Anlaufzeit bzw. eine gewisse Anzahl von Pumphüben benötigt, bis sich ein konstanter Füllungsgrad Wist in den Förderzylindern 27a,b einstellt. Deshalb ist es nicht sinnvoll, vom ersten Pumphub nach dem Anlaufen der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 den Füllungsgrad zu ermitteln und die Drehzahl der Förderschnecke 20 nachzuregeln, da sich u.U. starke Drehzahlsprünge und ein Überschwingen beim Regeln ergeben könnten. Aus diesem Grund wird der Füllungsgrad Wist der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 bevorzugt erst nach einer voreingestellten Anzahl von Pumphüben ermittelt und der Antrieb 31 der Förderschnecke 30 dann entsprechend nachgeregelt, um den voreingestellten Soll-Füllungsgrad Wsoll zu erhalten. Die Anzahl der Pumphübe, bis die Regelung der Förderschnecke 30 wirksam wird, ist sinnvollerweise z.B. zwischen zwei und sechs Pumphüben begrenzt, um beim Betrieb der Anlage nicht sinnvolle Voreinstellungen durch das Bedienpersonal zu vermeiden.
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Ferner hat sich herausgestellt, dass ein Füllungsgrad von Wsoll =100 % unrealistisch ist und zu einer überproportional hohen Leistungsaufnahme der Förderschnecke 30 führt, deshalb ist der einstellbare Füllungsgrad der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 nach oben hin begrenzt. Diese Grenze liegt beispielsweise bei Wsoll= 90 % Füllungsgrad. Es hat sich auch als sinnvoll erwiesen, den einstellbaren Soll-Füllungsgrad nach unten hin zu begrenzen, damit das Bedienpersonal beim regulären Betrieb der Anlage keinen übermäßig niedrigen Soll-Füllungsgrad einstellen kann, der ebenfalls zu einer uneffektiven Arbeitsweise der Dickstoffpumpe führen kann. Ein praxisgerechter unterer Soll-Füllungsgrad kann beispielsweise bei 70% liegen.
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Es kann ferner vorkommen, dass beispielsweise durch eine Verstopfung im Einlasstrichter 33 der Förderschnecke 30, in den Förderschneckenwendeln 32 oder dem Zuführkanal 11 oder auch einfach durch fehlendes Fördergut auch bei einer starken Erhöhung der Drehzahl bzw. der Antriebsleistung der Förderschnecke 30 die Einhaltung des eingestellten Soll-Füllungsgrades Fsoll nicht möglich ist, bzw. der Ist-Füllungsgrad stark abfällt. Um eine uneffiziente Arbeitsweise der Dickstoffpumpe 10 und eventuell auch dadurch bedingte auftretende Schäden zu vermeiden, ist ein unterer Füllungsgrad Wmin an der Eingabeeinheit 42 der Steuervorrichtung 40 einstellbar. Sollte trotz einer hohen Drehzahl bzw. hohen Antriebsleistung der Förderschnecke 30 dieser Mindest-Füllungsgrad Wmin erreicht oder unterschritten werden, wird ein Alarmsignal ausgelöst, damit die Dickstoffpumpe 10 vom Bedienpersonal untersucht werden kann oder es erfolgt die automatische Abschaltung der Dickstoffpumpe 10.
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Die Nachregelgeschwindigkeit für die Verstellung der Antriebsleistung ist ferner einstellbar. Hierfür können an der Eingabeeinheit ein Verstärkungsfaktor (KP), der die Regelungsgeschwindigkeit beeinflusst und die Nachstellzeit Kl, die ein Maß dafür ist, wie stark die zeitliche Dauer der Ist-Füllungsgradabweichung in die Regelung eingreift, vorgegeben werden.
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Damit kann die Nachregelgeschwindigkeit an den zu pumpenden Dickstoff angepasst werden. Z.B. kann es bei einem dünnflüssigen Dickstoff angebracht sein, eine eher niedrige Regelungsgeschwindigkeit einzustellen um ein Überschwingen der Regelung zu verhindern und bei dickflüssigen Dickstoffen eine höhere Regelgeschwindigkeit vorzugeben, um eine zügige Veränderung des Füllungsgrades zu erreichen.
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In 7 sind in einem Diagramm zwei unterschiedliche Fälle aufgetragen, bei der eine Erhöhung der Pumpleistung von Fsoll = 30% auf Fsoll=80% erfolgt.
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Die Förderleistung F der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 ist mit einer durchgehenden Linie von links unten nach rechts oben dargestellt. Wie bereits weiter oben erwähnt, arbeitet die Förderschnecke 30 immer mit einem etwas höheren theoretischen Durchsatz, um einen ausreichenden Druck des Dickstoffes im Zuführkanal 11 sicherzustellen, damit die Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 nicht zu viel Luft ansaugt und der Soll-Füllungsgrad Wsoll eingehalten werden kann.
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Die Drehzahl der Förderschnecke 30 kann über den Antrieb 31 von der Steuervorrichtung 40 über die Hydraulikpumpe 43c so variiert werden, dass sie beispielweise entlang der links im Diagramm dargestellten senkrechten Pfeile langsam hoch- bzw. heruntergeregelt wird, bis der eingestellte Füllungsgrad Wsoll der Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe 20 erreicht ist.
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In dem ersten Fall (von Punkt A zu Punkt B) hat sich bei einer Soll-Fördermenge Fsoll von 30% der Gesamtleistung der Dickstoffpumpe 10 bei dem zu pumpenden Dickstoff ein Leistungsüberschuss von ca. 20% bei der Förderschnecke (Zuführeinheit) 30 eingestellt, um den voreingestellten Füllungsgrad Wsoll (der hier beispielsweise 80% betragen könnte) einzuhalten. Bei einer Änderung der Soll Fördermenge Fsoll = 30% auf Fsoll=80% der Maximalförderleistung der Dickstoffpumpe 10 wird von der Steuervorrichtung 40 die Antriebsleistung für den Antrieb 31 der Förderschnecke 30 jetzt genau um den Wert erhöht, der bei einer 80%igen Förderleistung notwendig ist, um den voreingestellten Füllungsgrad auch bei dieser Gesamtförderleistung möglichst genau zu erhalten. Diese Erhöhung der Leistung bzw. Drehzahl der Förderschnecke 30 ist in diesem Diagramm mit dem dicken gestrichelten Pfeil von Punkt A nach Punkt B dargestellt.
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In einem zweiten Fall hat sich eine Überschussleistung von ca. 40 % bei einer Förderleistung von Fsoll = 30% eingestellt. Das könnte im Vergleich zu dem ersten Fall zum Beispiel daran liegen, dass der zu pumpende Dickstoff einen höheren Zuführdruck im Zuführkanal 11 benötigt um die Soll-Fördermenge Fsoll einzuhalten oder dass bei dem gleichen zu pumpenden Dickstoff ein höherer Füllungsgrad Wsoll vorgegeben wurde, der eine höhere Drehzahl der Förderschnecke 30 notwendig macht. Auch in diesem Fall wird eine Erhöhung der Soll-Fördermenge von 30% auf 80% eingegeben und die Leistung des Antriebs 31 der Förderschnecke 30 wird von dem Punkt C zum Punkt D entlang des fett gepunkteten Pfeiles in dem Diagramm erhöht, um bei der eingestellten Förderleistung Fsoll den voreingestellten Füllungsgrad Wsoll von vorneherein möglichst genau zu erreichen.
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Durch diese Vorgehensweise ist gewährleistet, dass die Dickstoffpumpe 10 auch bei geänderten Sollwertvorgaben schnell die neuen gewünschten Betriebszustände erreicht, ohne dass z.B. die Leistung der Förderschnecke 30 unnötig lange nachgeregelt werden muss.
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Die Dickstoffpumpe und die dazugehörige Sensorik können sehr unterschiedlich und abweichend von dieser Beschreibung aufgebaut sein, ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen. So können die Endlagensensoren 14a,b als mechanische, induktive oder kapazitive Schalter aufgebaut sein. Die Messung der Position der Förderkolben kann auch durch bekannte Wegmesssysteme, z.B. magnetorestriktive Positionssensoren, ermöglicht werden. Damit ließe sich die hier dargestellte Erfindung für Zwei-Zylinder-Kolbenpumpen verwenden, deren Kolben nicht gegenparallel arbeiten, sondern individuell gesteuert werden, was, entsprechend gesteuert, zu einem kontinuierlicheren Dickstoffförderstrom am Auslass 21 führt. Die Sensoren 26a,b können, wie hier dargestellt, an den Hydraulikzylindern der Auslasstellerventile angebracht sein, aber beispielsweise auch direkt die Position der Auslassventilteller 12c,d erfassen. Alternativ zu den Sensoren 26a,b könnte auch eine Druckdifferenzmessung zwischen den Saugventilgehäusen 25a,b und dem Druckventilgehäuse 25c für die Füllungsgradbestimmung vorgenommen werden.
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Als Antrieb für die Förderschnecke könnte zudem alternativ auch ein entsprechend gesteuerter Elektromotor Anwendung finden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Dickstoffpumpe
- 11
- Zuführkanal
- 11a,b
- Einlassöffnungen
- 11 c,d
- Einlasstellerventile
- 11 e,f
- Einlasstellerventilantriebe
- 12a,b
- Auslassöffnungen
- 12 c,d
- Auslasstellerventile
- 12e,f
- Auslasstellerventilantriebe
- 13
- Wasserkasten
- 14a,b
- Förderkolbenendlagensensor
- 20
- Fördereinheit / Zwei-Zylinder-Kolbenpumpe
- 21
- Auslass
- 22a,b
- Kolben Hydraulikzylinder
- 23a,b
- Kolbenstangen
- 24a,b
- Förderkolben
- 25a,b
- Saugventilgehäuse
- 25c
- Druckventilgehäuse
- 26a,b
- Auslass-Drucksensoren
- 27a,b
- Förderzylinder
- 28a,b
- Hydraulikzylinder
- 30
- Zuführeinheit / Förderschnecke
- 31
- Antrieb Förderschnecke
- 32
- Förderschnecke
- 33
- Zuführöffnung
- 34
- Drehzahlmesser Antrieb Förderschnecke
- 35
- Sensorleitung
- 36
- Hydraulikleitungen Antrieb Förderschnecke
- 40
- Steuervorrichtung
- 41
- Füllungsgradbestimmungseinrichtung
- 42
- Ein-/Ausgabeeinrichtung
- 43
- Hydraulik-Antriebseinheit
- 43a
- Antriebsmotor
- 43b
- Hydraulikpumpe Fördereinheit
- 43c
- Hydraulikpumpe Zuführeinheit
- 43d
- Steuerung Antrieb Förderschnecke
- 44
- Hydrauliksteuerblock Fördereinheit
- Fsoll
- Soll-Fördermenge
- Wsoll
- Soll-Füllungsgrad
