DE102016216012A1

DE102016216012A1 - Membranpumpe mit porösem, gewölbtem Aluminiumfilter

Info

Publication number: DE102016216012A1
Application number: DE102016216012.5A
Authority: DE
Inventors: Frank Hannemann; Sebastian Rahm; Marcus Weder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Dipl Ing Ernst Schmitz & Co KG Maschin De GmbH
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2018-03-01
Also published as: US20210293235A1; CN109790831B; EP3504439A1; WO2018036995A1; CN109790831A; EP3504439B1; US11215174B2

Abstract

Es wird eine Membranpumpe zur Fluidisierung, Bespannung und Förderung von staubförmigen Produkten, wie zum Beispiel Kohlenstaub, mit Hilfe von Innertgas mit Drücken bis 7 MPa, die ein poröses, gewölbtes Auflockerungselement aus Aluminium und gegebenenfalls eine Doppelmembran aufweist, vorgeschlagen. Bei der erfindungsgemäßen Membranpumpe mit ihrem Auflockerungselement ist sichergestellt, dass eine gleichmäßig verteilte Zuführung von Wirbelgas im unteren Bereich der Staubpumpe gegeben ist. Die Erfindung gestattet eine konstruktive Gestaltung des Staubraumes, dessen Kontur besonders vorteilhaft an die Auslenkung der Membran und gegebenenfalls an die Führungsstange der Membran angepasst ist. Hierdurch wird eine gleichmäßige und reversible Verformung der Membran mit einem nach Möglichkeit geringem Verschleiß erreicht. Nach Abschluss des Ausfördervorganges der Membranpumpe kann ein weitgehend flächiges Anliegen der Membran (3) auf die gewölbte, halbschalenförmige Auflockerungsfläche (5) erreicht werden. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung ist ein geringes Totvolumen erreichbar, was zu minimalem Staubraumvolumen (10) bei gleichzeitig hoher Fördermenge und einem geringen Hochdruckgasverlust führt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe zur Fluidisierung, Bespannung und Förderung von staubförmigen Produkten, wie zum Beispiel Kohlenstaub, mit Hilfe von Innertgas mit Drücken bis 7 MPa, die ein poröses, gewölbtes Auflockerungselement aus Aluminium aufweist.
Eine kontinuierliche und kostengünstige Dichtstromförderung bei wechselnder Staubqualität von Brennstäuben für Kohle- und Biomassevergasungsanlagen erlangt eine zunehmende Bedeutung, um zum Beispiel Vergasungsanlagen wirtschaftlicher und mit hoher Verfügbarkeit zu betreiben. Diese Zielstellung wird in besonderer Weise unter Einsatz einer Membranpumpe, wie in der Patentanmeldung DE102016201182 vom 27. 01. 2016 vorgeschlagen, erreicht. Das staubförmige Fördergut wird hierbei von unten in die Membranpumpe angesaugt, in einem nächsten Schritt bespannt und fluidisiert und nachfolgend unter Druck ausgefördert. Das Restgasvolumen im Staubraum der Membranpumpe wird nach dem Ausfördern des Fördergutes in einem letzten Schritt entspannt und der Pumpenzyklus beginnt von vorne. Aufgrund dieser zyklischen (diskontinuierlichen) Arbeitsweise werden üblicherweise mehrere Pumpenköpfe zusammengeschaltet, um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten. Hierfür werden die einzelnen Pumpenzyklen gegeneinander phasenverschoben betrieben. Filtermaterialien die den Anforderungen an Druckfestigkeit und Temperaturbeständigkeit genügen, sind zum Beispiel die in DE102012216084 beschrieben metallischen Filtrationsgewebe, Sintermetall und Sinterkunststoff. Die beschriebenen robusten Materialien sind nur in flacher oder plattenartiger Struktur und nicht in der erforderlichen Größe beziehungsweise Abmessung verfügbar. Eine mechanische Bearbeitung in andere geometrische Formen, wie zum Beispiel gewölbte Halbschalen, ist aufgrund der geforderten Filterfeinheit und der bei mechanischer Bearbeitung entstehenden Schädigungen beziehungsweise Verschmierungen der porösen Filterstruktur nicht möglich.
Aus dem Sonderdruck aus „Industriepumpen + Kompressoren", 16. Jahrgang, Heft 3 – 2010, Seiten 120–123, Vulkan-Verlag Essen mit dem Titel: "Prozesspumpen mit zustandsüberwachter redundanter Schlauchmembran-Einspannung" von Heinz M. Nägel ist eine Prozesspumpe bekannt, deren Doppelmembran auf Unversehrtheit überwacht wird mittels Koppelungsflüssigkeit und Anschluss an eine Membranbruchanzeige.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membranpumpe mit integriertem Filterelement zur Zuführung von Wirbel- und Bespannungsgas in das Druckgefäß der Membranpumpe zu schaffen, welche die Anforderungen Druckfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, ausreichende Filterfeinheit, aufwandarme Herstellbarkeit und Zusammenwirken mit der Membran zwecks hoher Membranverfügbarkeit vereint.
Die Aufgabe wird durch eine Membranpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass für die Arbeitsweise der Membranpumpe eine gleichmäßig verteilte Zuführung des Wirbelgases im unteren Bereich der Staubpumpe wesentlich ist. Bei der erfindungsgemäßen Membranpumpe mit ihrem Auflockerungselement ist sichergestellt, dass durch eine Bearbeitung zu einem gewölbten Filterelement mit einer 3-dimensionalen Formgebung etwaige Verschmierungen des Materials vermieden werden und eine gleichmäßige Porosität realisierbar ist.
Das erfindungsgemäße Auflockerungselement weist eine konstante Porosität auf, wodurch sichergestellt werden kann, dass feinste Staubpartikel während des Entspannungsvorganges des Staubraumes nicht in die Auflockerungsfläche eindringen, was während des Bespannungsvorganges eine gleichmäßig verteilte Zuführung von Wirbelgas in den Staubraum bewirkt.
Die Erfindung gestattet eine konstruktive Gestaltung des Staubraumes, dessen Kontur besonders vorteilhaft an die Auslenkung der Membran und gegebenenfalls an die Führungsstange der Membran angepasst ist. Hierdurch wird eine gleichmäßige und reversible Verformung der Membran mit einem nach Möglichkeit geringem Verschleiß erreicht.
Nach Abschluss des Ausfördervorganges der Membranpumpe kann ein weitgehend flächiges Anliegen der Membran (3) auf die gewölbte, halbschalenförmige Auflockerungsfläche (5) erreicht werden. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung ist ein geringes Totvolumen erreichbar, was zu minimalem Staubraumvolumen (10) bei gleichzeitig hoher Fördermenge und einem geringen Hochdruckgasverlust führt.
Bei einer hydraulisch angetriebenen Membranpumpe zur pneumatischen Hochdruckförderung von fluidisierten Stäuben, die mit dem erfindungsgemäßen Filterelement 5 ausgestattet ist, weist der den Staubraum umschließende Druckbehälter geringe Abmessungen mit einer minimierten Wandstärke auf, was zu einer Verringerung des Herstellungsaufwandes führt.
In einer besonderen Ausführung der Erfindung besitzt die Auflockerungsfläche 5 am tiefsten Punkt eine kreisförmige Öffnung, an der ein Staubrohr 7 befestigt ist, durch welches das staubförmige Fördergut eingefördert und ausgefördert werden kann und somit nicht in den Gasraum 13 gelangen kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand der 1 näher erläutert.
Die in 1 dargestellte Membranpumpe ist eine aus zwei druckfesten Halbschalen (1, 12) bestehende Vorrichtung, die über eine Flanschverbindung (2) gasdicht miteinander verbunden sind. Die Flanschverbindung hat neben einer einfachen Demontagemöglichkeit der Staubpumpe die zusätzliche Funktion, die Membran (3) und die Auflockerungsfläche (5) über einen Filterflansch (4) zu befestigen und einzuspannen. Durch die kugelförmige Geometrie kann somit eine vorteilhafte und für das Filtermaterial schonende Auslenkung der Membran in den Staubraum in Form eines Rotationsparaboloids erfolgen. Die Auslenkung der Membran wird dabei durch eine Krafteinwirkung der Hydraulikflüssigkeit, wie zum Beispiel in DE102016201182 beschrieben, hervorgerufen. Sprungartige Änderungen werden vermieden und nach Abschluss des Ausfördervorganges kann ein weitgehend flächiges Anliegen der Membran (3) auf die halbschalenförmige Auflockerungsfläche (5) erreicht werden. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung ist ein geringes Totvolumen erreichbar, was zu minimalem Staubraumvolumen (10) bei gleichzeitig hoher Fördermenge und einem geringen Hochdruckgasverlust führt. Um unerwünschte Bewegungen und Faltungen während des Ausfördervorganges zu vermeiden, wird die Membran über eine Führungsstange (9) in ihrer Bewegung geführt und stabilisiert. Die Führungsstange kann in besonders vorteilhafter Ausführung zusätzliche Aufgaben, wie zum Beispiel die einer Positionsbestimmung der Membran über messtechnische Stellungsgeber übernehmen.
Der Erfindung liegt weiterhin das Problem zugrunde, eine in DE 2005047583 beschriebene Dichtstromförderung durch Erzeugung einer Wirbelschicht innerhalb des Staubraumes zu erzeugen. Hierfür sorgt während des Bespannungs- und Ausfördervorganges eine homogene Gaszuführung über eine halbschalenförmige und gasdurchlässig ausgeführte Auflockerungsfläche (5). Als Filtermaterial für die Auflockerungsfläche (5) wird poröses Metall, zum Beispiel Aluminium, mit einer ausreichend kleinen Porengröße und Filterfeinheit < 20 µm verwendet. Damit kann sichergestellt werden, dass feinste Staubpartikel während des Entspannungsvorganges nicht in die Auflockerungsfläche eindringen. Für die Herstellung von porösem Metall wird flüssiges Metall, zum Beispiel Aluminium, zusammen mit granuliertem Salz in eine Halbschalenform gegossen. Salz besitzt zum Beispiel gegenüber Metallen wie Aluminium einen wesentlich höheren Schmelzpunkt und geht nicht in den flüssigen Aggregatzustand über, sondern verteilt sich gleichmäßig in der Schmelze. Nach Erstarrung des Metalls wird das Salz mit Hilfe einer salzlösenden Flüssigkeit ausgewaschen und poröses und gasdurchlässiges Metall entsteht. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht in der Möglichkeit, eine mechanische Bearbeitung vor Auswaschung der Salzkristalle durchzuführen. Dadurch ist ein Verschmieren der Poren ausgeschlossen. Die erforderliche Porosität und Filterfeinheit wird über die Größe der Salzkörner eingestellt.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Hydraulik – Halbschale (1) einen kleineren Innendurchmesser auf als der Innendurchmesser der Staub – Halbschale (12). Durch diese konstruktive Maßnahme kann die gewölbte Auflockerungsfläche (5) fixiert werden.
Um eine vorteilhafte Flanschabdichtung (2) zu erreichen, kann die Auflockerungsfläche (5) als Halbschale mit Flanschrand ausgeformt in zwei Schichten ausgeführt werden, im unteren Bereich als poröses Metall und im Flanschbereich aus Vollmaterial.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird die halbschalenförmige Gussform der Auflockerungsfläche (5) mit zusätzlichen Ringförmigen und/oder Punktförmigen Abstützelementen (8) erweitert. Damit kann die halbschalenförmige und aus porösem Metall bestehende Auflockerungsfläche (5) in die untere druckfeste und aus Vollmaterial bestehende Halbschale (12) eingepasst und befestigt werden.
In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist ein zentrales, insbesondere ringförmiges, Abstützelement 8 angeordnet, welches das Staubrohr 7 und gegebenenfalls das dazu konzentrische Gasrohr 6 umschließt.
Zwischen der aus porösem Metall bestehenden Auflockerungsfläche und der druckfesten Halbschale entsteht in vorteilhafter Weise ein Gasraum 13, der für die Verteilung des Auflockerungs- und Bespannungsgases verwendet werden kann. Die Zu- und Abführung des Auflockerungs- und Bespannungsgases erfolgt über Öffnungen 6 in der unteren druckfesten Halbschale 12.
Bei einer hydraulisch angetriebenen Membranpumpe zur pneumatischen Hochdruckförderung von fluidisierten Stäuben kommt der sicheren Abdichtung des Staubraumes vom Hydraulikraum, welche durch die Membran getrennt sind, besondere Bedeutung zu. Die Auslenkung der Membran und das damit verbundene Ansaugen und Ausfördern des staubförmigen Fördergutes wird durch das Eindrücken und Ausdrücken der Hydraulikflüssigkeit in dem oberhalb der Membran befindlichen Hydraulikraum erreicht. Innerhalb dieses Fördervorganges ist das Eindringen von Staub in die Hydraulikflüssigkeit oder von Hydraulikflüssigkeit in den Staubraum mit erheblichen Anlagenstörungen verbunden und würde zu aufwändigen Reparaturen führen.
Eine besondere Weiterbildung der Erfindung besteht in der Überwachung und Sicherstellung der Membrandichtigkeit. Hierzu wird die Membran (3) als Doppelmembran mit integriertem Drucksensor zur Leckageüberwachung ausgeführt. Damit kann eine hermetisch dichte Trennung zwischen Hydraulikraum (11) und Staubraum (10) sichergestellt und Schäden an der Membran rechtzeitig erkannt werden. Aufwändige Reparatur- und Reinigungsmaßnahmen des gesamten Staubsystems oder Hydrauliksystems werden bei Membranschäden verhindert und die Dichtheit der Membran während des Störfalles aufrechterhalten.
Bei einer Ausführung der Membran 3 als Doppelmembran sind zwei gummielastische Membranen derart gegeneinander mechanisch abgestützt angeordnet, dass zwischen den Membranen ein geschlossener Zwischenraum gebildet ist, der mittels eines Drucksensors Δp (14) überwachbar ist. Im störungsfreien Betrieb weist der Zwischenraum einen Druck auf, der niedriger ist als der Druck im Hydraulikraum oder dem Staubraum. Wird nun ein Druckanstieg in dem Zwischenraum festgestellt, wird auf eine Leckage einer der beiden Membranen der Doppelmembran geschlossen. Die beiden Membranen können dadurch punktuell gegeneinander mechanisch abgestützt angeordnet sein, dass zwischen ihnen eine Lage Kugeln angeordnet sind. Die beiden Membranen können dadurch gegeneinander mechanisch abgestützt angeordnet sein, dass zwischen ihnen eine Koppelungsflüssigkeit eingebracht ist, die mit dem Drucksensor Δp in Wirkverbindung steht.
Die gummielastische Membran kann mit einem Elastomer oder einer massiven PTFE-Mischung gebildet sein. Bei der Doppelmembran kann eine der beiden Membranen durch ein Elastomer und die andere der beiden Membranen durch eine massive PTFE-Mischung gegeben sein.
Die Erfindung ist auch durch eine Membranpumpe zur Fluidisierung und Förderung von Stäuben, gegeben, bei der

– das druckfeste Gehäuse der Staubpumpe aus zwei Halbschalen besteht, die mit einer Flanschverbindung verbunden und in die eine Membran und Auflockerungsfläche eingeflanscht sind,
– die Auflockerungsfläche schichtweise aus porösem Material im unteren Bereich und Vollmaterial im Bereich der Flanschverbindung ausgeführt ist,
– Die Auflockerungsfläche als Halbschale ausgeführt ist, Abstützelemente enthält und ein Gasraum zwischen druckfester unterer Halbschale und Auflockerungsfläche besteht.

Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.
Bezugszeichenliste

1: Druckfeste obere Halbschale, Hydraulikhalbschale
2: Behälterflansch
3: Membran
4: Filterflansch
5: Auflockerungsfläche bestehend aus porösem metallischen Filtermaterial
6: Öffnungen für Bespannungs- und Fördergas, Gasrohr
7: Innenrohr für Ein- und Austritt des Staubes, Staubrohr
8: Ringförmige, punktförmige, streifenförmige Abstützelemente
9: Membranführung / Führungsstange
10: Staubraum
11: Hydraulikraum
12: Druckfeste untere Halbschale, Staubhalbschale
13: Gasraum
14: Drucksensor Δp

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016201182 [0002, 0014]
DE 102012216084 [0002]
DE 2005047583 [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Industriepumpen + Kompressoren“, 16. Jahrgang, Heft 3 – 2010, Seiten 120–123, Vulkan-Verlag Essen mit dem Titel: “Prozesspumpen mit zustandsüberwachter redundanter Schlauchmembran-Einspannung“ von Heinz M. Nägel [0003]

Claims

Membranpumpe zur Fluidisierung und Förderung von Stäuben unter Drücken bis 7 MPa, bei der – in einem Gehäuse eine Membran (3) einen Hydraulikraum (11) von einem Staubraum (10) trennt, – das Gehäuse mit einer dem Hydraulikraum zugewandten druckfesten Hydraulik – Halbschale (1) und einer dem Staubraum zugewandten druckfesten Staub – Halbschale (12) gebildet ist, – in dem Staubraum eine Gas-durchlässige Auflockerungsfläche (5) angeordnet ist, die aus porösem Material und gewölbt ausgeführt ist, – zwischen der Staub – Halbschale (12) und der Auflockerungsfläche (5) ein Gasraum (13) zur Gaszuführung besteht, – ein Abstützelement (8) zwischen der Staub – Halbschale (12) und der Auflockerungsfläche (5) angeordnet ist.
Membranpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulik – Halbschale (1) und die Staub – Halbschale (12) mittels einer Flanschverbindung (2) verbunden sind und die Membran in die Flanschverbindung eingeflanscht ist.
Membranpumpe nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Auflockerungsfläche schichtweise aus Vollmaterial im Bereich der Flanschverbindung (4) und porösem Material im übrigen Bereich ausgeführt ist.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Staubzuführung und die Staubabführung über ein die Auflockerungsfläche durchdringendes Staubrohr (7) gegeben ist.
Membranpumpe nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführung und die Gasabführung in den Gasraum über ein das Staubrohr (7) konzentrisch umschließendes Gasrohr (6) gegeben ist.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mittels einer Führungsstange (9) in der Hydraulik – Halbschale (1) geführt ist.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführung und die Gasabführung über eine Anzahl, insbesondere > 4 gleichverteilte, Öffnungen in der Staub – Halbschale (12) gegeben ist.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführung und die Gasabführung über eine Anzahl, insbesondere > 2, Öffnungen in der Staub – Halbschale (12) gegeben ist, wobei die Öffnungen tangential an die Staub – Halbschale (12) angeschlossen sind.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Staubrohr (7) an einer kreisförmigen Austrittsöffnung der Auflockerungsfläche befestigt ist.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Staubrohr (7) mit verschleißfestem Material gebildet ist.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Staubrohr (7) an die Auflockerungsfläche (5) angeschweißt ist.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Abstützelemente (8) punktförmig ausgeführt sind.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Abstützelemente (8) streifenförmig ausgeführt sind.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Abstützelemente (8) ringförmig ausgeführt sind.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Feinheit des Filtermaterials der Auflockerungsfläche (5) < 40µm beträgt.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Feinheit des Filtermaterials der Auflockerungsfläche (5) < 20µm beträgt.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material aus einer Metallschmelze mit eingelagerten Salzkristallen, die nach der mechanischen Endbearbeitung ausgewaschen sind, hergestellt ist.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material durch Aluminium gegeben ist.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) als Doppelmembran ausgeführt ist, deren Zwischenraum mittels eines Drucksensors Δp (14) überwacht ist.
Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Anordnung, bei der sich der Staubraum (10) unter dem Hydraulikraum (11) befindet.