DE102017203959A1

DE102017203959A1 - Verfahren zum Betrieb einer drehzahlvariablen Umwälzpumpe sowie Umwälzpumpe zur Verfahrensausführung

Info

Publication number: DE102017203959A1
Application number: DE102017203959.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Eckl; Patrick Hauck; Stefan Laue; Joachim Schullerer
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2018-09-13
Also published as: EP3592981B1; CN110382874B; RU2019131529A; JP2020510153A; RU2760277C2; BR112019018597A2; WO2018162290A1; RU2019131529A3; EP3592981A1; CN110382874A; BR112019018597B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer drehzahlvariablen Umwälzpumpe, insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe, wobei die Pumpensteuerung wenigstens eine physikalische Pumpenbetriebsgröße sensorisch erfasst und unmittelbar oder mittelbar gegen wenigstens einen hinterlegten Referenzwert vergleicht, um die Montageposition der Pumpe zu bewerten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer drehzahlvariablen Umwälzpumpe, insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe.
Die akustischen Eigenschaften einer Heizungsumwälzpumpe spielen beim Kauf eine wichtige Rolle. Eine zu hohe Geräuschentwicklung kann sich im ungünstigsten Fall durch das Rohrleitungssystem bis in die Wohnräume übertragen, was dann vom Endverbraucher als störend empfunden wird. Zudem bedeutet eine zu hohe Geräuschemission der Umwälzpumpe einen signifikanten Wettbewerbsnachteil.
Die Ursache für einen zu hohen Lärmpegel während des Pumpenbetriebs kann an der Pumpe selbst oder aber an der gewählten Einbauvariante der Pumpe innerhalb des Heizkreislaufs liegen. Typische Umwälzpumpen gestatten mehrere unterschiedliche Einbauvarianten, um eine bessere Flexibilität im Hinblick auf die Gegebenheiten und Platzverhältnisse am Montageort zu haben. Für den Monteur ist es jedoch vorab kaum erkennbar, welche Einbauvariante hinsichtlich der Betriebslautstärke die Beste ist. Im ungünstigsten Fall fällt die Betriebsschwingung der Pumpe auf die Eigenfrequenz des Systems aus Pumpe und Rohrleitungen, was zu einer deutlichen Zunahme der Geräuschemission führt. Abhilfe kann in diesem Fall die Änderung der Einbauvariante schaffen.
Wünschenswert ist in diesem Zusammenhang eine automatische Erkennung einer nicht optimalen Einbauvariante. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, ein Verfahren zum Erkennen einer ungünstigen Einbauvariante aufzuzeigen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird für eine drehzahlvariable Umwälzpumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, vorgeschlagen, die Pumpensteuerung um eine entsprechende Routine zur Erkennung einer ungünstigen Einbauvariante zu erweitern, wonach wenigstens eine physikalische Pumpenbetriebsgröße sensorisch erfasst wird und unmittelbar oder mittelbar gegen wenigstens einen hinterlegten Referenzwert verglichen wird. Das Vergleichsergebnis kann für eine Bewertung der Einbauvariante herangezogen werden, insbesondere dahingehend, ob die Einbauvariante nachteilig im Hinblick auf die Geräuschemission im Pumpenbetrieb ist. Bei der Umwälzpumpe handelt es sich typischerweise um eine Kreiselpumpe.
Dabei besteht die Möglichkeit eines unmittelbaren Vergleichs, bei dem die gemessene physikalische Pumpenbetriebsgröße unmittelbar gegen eine entsprechende Referenzgröße verglichen wird. Ein mittelbarer Vergleich umfasst Ausführungsbeispiele, gemäß denen die Messgröße zunächst weiter verarbeitet und wenigstens eine daraus abgeleitete Größe gegen eine passende Referenzgröße verglichen wird.
Als geeignete Pumpenbetriebsgröße eignet sich jede physikalische Größe, die eine Charakterisierung des Pumpenverhaltens, d.h. der Geräuschemission zulässt. In der Einleitung wurden bereits negative Effekte aufgezeigt, die zu einer unvorhersehbaren Zunahme der Geräuschemission führen können, insbesondere das Aufeinanderfallen der Eigenfrequenz des Systems aus Pumpe und Rohrleitung mit der Betriebsschwingung der Pumpe. Besonders geeignet sind demzufolge physikalische Größen, die eine Aussage hinsichtlich der Betriebsschwingung der Pumpe zulassen. Als konkretes Beispiel wird die Bestimmung eines Beschleunigungswertes vorgeschlagen, insbesondere die Beschleunigung des geförderten Fördermediums und/oder die Beschleunigung des angetriebenen Pumpenlaufrades und/oder die Beschleunigung des Pumpengehäuses. Der Beschleunigungswert sollte in möglichst unmittelbarer Nähe zum Laufrad erfasst werden. Messbar sind die Beschleunigungswerte mittels eines integrierten Beschleunigungssensors der Umwälzpumpe, der vorzugsweise am Pumpengehäuse in unmittelbarer Nähe zum Laufrad sitzt.
Die messtechnische Erfassung der verwendeten physikalischen Pumpenbetriebsgröße kann entweder kontinuierlich während des Pumpenbetriebs erfolgen oder aber jedoch auf ein definierbares Messintervall beschränkt sein, gegebenenfalls mit Messwiederholungen in zufälligen oder periodischen Abständen.
Bei einer Abweichung der gemessenen Pumpenbetriebsgröße von einem entsprechenden zugeordneten Referenzwert, insbesondere um einen definierbaren Betrag, kann die Pumpensteuerung eine visuelle und/oder akustische Signalisierung vornehmen, um den Endverbraucher oder Monteur auf die Problematik der Einbauvariante hinzuweisen, idealerweise in Kombination mit einem Vorschlag für eine alternative bessere Einbauvariante.
Denkbar ist es auch, dass der erfasste Wert der Pumpenbetriebsgröße zunächst weiter verarbeitet wird. Insbesondere ist es vorstellbar, dass anhand der gemessenen physikalischen Pumpenbetriebsgröße das Schwingungsverhalten der physikalischen Betriebsgröße ermittelt wird. Dazu ist es notwendig, dass die Pumpenbetriebsgröße über einen bestimmten Zeitraum erfasst wurde, um letztendlich auf das Schwingungsverhalten der Größe schließen zu können. Das Schwingungsverhalten wird bspw. mittels Fast Fourier Transformation (FFT) aus dem Zeitverlauf des gemessenen Beschleunigungswertes gewonnen.
Vorstellbar ist es in diesem Zusammenhang ebenfalls, dass wenigstens eine, das ermittelte Schwingungsverhalten charakterisierende Größe gegen einen passenden, in der Pumpensteuerung hinterlegten Referenzwert der charakteristischen Größe verglichen wird, um die Bewertung der Einbauvariante vorzunehmen. Als charakterisierende Größe wird sinnvollerweise die Amplitude und/oder die Frequenz der ermittelten Schwingung vorgeschlagen. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Schwingungsamplitude gegen eine Referenzamplitude verglichen wird und eine Signalisierung hinsichtlich der nicht optimalen Einbauvariante an den Endverbraucher dann erfolgt, falls die erfasste Amplitude um einen bestimmten Betrag höher ist als die Referenzamplitude.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können der oder die Referenzwerte abhängig vom aktuellen Betriebspunkt der Pumpe sein. Der aktuelle Betriebspunkt einer Umwälzpumpe ist durch den Schnittpunkt zwischen Anlagenkennlinie und Regelkennlinie der Pumpe definiert. Da die Geräuschentwicklung der Pumpe maßgeblich vom gewählten Betriebspunkt abhängt, wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vorgeschlagen, für eine Vielzahl an Betriebspunkten zugeordnete individuelle Referenzwerte zu definieren und in der Pumpensteuerung bereitzuhalten. Die Pumpensteuerung wählt dann in Abhängigkeit des aktuellen eingeregelten Betriebspunktes den passenden Referenzwert aus und vergleicht aktuelle Messwerte mittelbar oder unmittelbar mit dem ausgewählten Referenzwert.
Ein oder mehrere geeignete Referenzwerte werden im Vorfeld, idealerweise während der Pumpenentwicklung, erzeugt. Eine Referenzpumpe wird dazu innerhalb eines Testfeldes in unterschiedlichen Einbauvarianten eingesetzt. Für jede Einbauvariante wird die Referenzgröße für unterschiedliche Betriebspunkte gemessen und gespeichert. Im Nachgang werden die Referenzwerte derjenigen Einbauvariante als finale Referenzwerte ausgewählt, die im Prüfstand die geringste Geräuschemission zeigen.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die vorliegende Aufgabe auch durch eine Umwälzpumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, mit einem drehzahlvariablen Pumpenantrieb und einer Pumpensteuerung gelöst, die zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Demzufolge ergeben sich für die Umwälzpumpe dieselben Vorteile und Eigenschaften wie sie bereits im Vorfeld anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich dargelegt werden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet. Bei der Umwälzpumpe handelt es sich typischerweise um eine Kreiselpumpe.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Pumpe vorzugsweise wenigstens einen Beschleunigungssensor umfassen, denkbar ist auch ein anderweitiger Sensor, der eine mittelbare Erfassung des Beschleunigungswertes gestattet.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung der Einbausituation einer Umwälzpumpe und
2: ein Signaldiagramm des erfassten Beschleunigungswertes.

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Erkennen einer ungünstigen Einbauvariante einer Heizungsumwälzpumpe 10. Dieses Verfahren wird in die Pumpensteuerung implementiert und setzt voraus, dass die Pumpe 10 über einen Beschleunigungssensor 11 verfügt, der die Beschleunigung des Pumpengehäuses möglichst nahe am Pumpenlaufrad erfasst. Der Pumpenaufbau ist schematisch in 1 angedeutet.
Ferner zeigt die 1 schematisch die Anbindung der Umwälzpumpe 10 an einer Gebäudewand 1. Die Einbaustelle ist hier als Feder-Dämpfer-System 12 dargestellt. Die Art des Einbaus hat einen Einfluss auf die Steifigkeits- und Dämpferparameter und verändert dadurch die Eigenfrequenz sowie die zugehörige Amplitude.
Die eigentliche Umsetzung des Verfahrens basiert auf zwei vorbereitenden Schritten. Im ersten Vorbereitungsschritt wird eine optimale Einbauvariante definiert. Dafür werden während der Entwicklungsphase unterschiedliche Einbauvarianten im Prüffeld umgesetzt und jeweils das Schwingungsverhalten und die Akustik in mehreren Betriebspunkten erfasst.
Im zweiten Vorbereitungsschritt wird anhand der Messdaten eine der Varianten als optimal bewertet. Für diese Variante werden die vom Beschleunigungssensor 11 detektierten charakteristischen Werte zur Beschreibung des Schwingungszustandes (zum Beispiel Amplitude, Frequenz) bei mehreren Betriebspunkten in einer Matrix hinterlegt. Der Schwingungszustand, d.h. das Amplitude-Frequenz-Diagramm des Schwingungsverhaltens, wird mittels Fast Fourier Transformation aus dem Zeitverlauf des gemessenen Beschleunigungswertes gewonnen.
Diese Daten werden letztendlich im lokalen Speicher der Pumpensteuerung implementiert. Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt dann während des Pumpenbetriebs. Die Pumpe 10 erfasst mit ihrem Beschleunigungssensor 11 die Beschleunigung des Pumpengehäuses über die Zeit. Mittels Fast Fourier Transformation werden die charakteristischen Schwingungswerte bestimmt und mit den zuvor als optimal detektierten Referenzwerten verglichen. Falls die Schwingungsamplitude im Prozess deutlich höher ist als die zuvor als optimal detektierte Amplitude, wird die Pumpe 10 dies erkennen und dem Anwender mitteilen. Diese Information kann der Anwender dann nutzen, um die Einbauvariante der Pumpe 10 gegebenenfalls zu optimieren.
Ein Beispiel für das Schwingungsverhalten unterschiedlicher Einbauvarianten ist in 2 dargestellt, die das mittels FFT aus dem Signalverlauf des Beschleunigungssensors 11 ermittelte Frequenz-Amplituden-Diagramm für zwei unterschiedliche Einbauvarianten zeigt. Einbauvariante 2 zeigt bei bestimmten Frequenzen eine deutlich geringere Schwingungsamplitude als Einbauvariante 1. Hier ist der Einfluss der in 1 dargestellten Steifigkeits- und Dämpferparameter der jeweiligen Einbauvariante (gemäß 1) auf den Frequenzgang des im Betrieb vom Beschleunigungssensor erfassten Messwertes zu erkennen.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer drehzahlvariablen Umwälzpumpe, insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung wenigstens eine physikalische Pumpenbetriebsgröße sensorisch erfasst und unmittelbar oder mittelbar gegen wenigstens einen hinterlegten Referenzwert vergleicht, um die Einbauposition der Pumpe zu bewerten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der physikalischen Betriebsgröße um die erfahrene Beschleunigung des geförderten Fördermediums und/oder des angetriebenen Pumpenlaufrades und/oder des Pumpengehäuses handelt, wobei die Beschleunigung idealerweise mittels wenigstens eines integrierten Beschleunigungssensors der Umwälzpumpe während des Pumpenbetriebs erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Pumpenbetriebsgröße kontinuierlich oder periodisch oder innerhalb eines definierbaren Messintervalls erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der gemessenen Pumpenbetriebsgröße von dem wenigstens einen Referenzwert eine visuelle oder akustische Signalisierung durch die Pumpensteuerung erfolgt, um den Nutzer auf eine nicht optimale Einbauposition hinzuweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung aus der gemessenen physikalischen Pumpenbetriebsgröße das Schwingungsverhalten der physikalischen Pumpenbetriebsgröße ermittelt, insbesondere mittels Fast Fourier Transformation.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine das Schwingungsverhalten charakterisierende Größe gegen einen entsprechenden, in der Pumpensteuerung hinterlegten Referenzwert der charakteristischen Größe für die Bewertung der Einbauposition verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der die Schwingung charakterisierenden Größe um die Amplitude und/oder Frequenz der Schwingung handelt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsamplitude gegen eine Referenzamplitude verglichen wird und eine Signalisierung erfolgt, falls die erfasste Amplitude um einen bestimmten Betrag höher ist als die Referenzamplitude.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Referenzwerte abhängig vom aktuellen Betriebspunkt der Pumpe sind und in der Pumpensteuerung für eine Vielzahl an Betriebspunkten zugeordnete individuelle Referenzwerte bereitgehalten werden, wobei die Pumpensteuerung in Abhängigkeit des aktuellen Betriebspunktes den passenden Referenzwert für den Abgleich mit dem Messwert heranzieht.
Umwälzpumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe, mit einem drehzahlvariablen Pumpenantrieb und einer Pumpensteuerung zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpe vorzugsweise wenigstens einen Beschleunigungssensor umfasst.