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Die Erfindung betrifft ein Pulsationsdämpfungssystem zum Reduzieren von Druckschwingungen in einlass- und/oder auslassseitigen Rohrleitungen, insbesondere im Ansaug- und/oder Hochdruckbereich, von Kolbenpumpen, insbesondere zur Förderung von Fluiden mit Festkörperanteilen, wie Schlamm-Förderpumpen, mit mindestens einer eine Pumpenkammer aufweisenden Kolbenpumpe, wobei die Pumpenkammer zur Förderung eines Fördermediums bzw. -fluids über einen ersten Fluidanschluss mit einem Pumpeneinlasskanal, oder auch Ansaugkanal genannt, und über einen zweiten Fluidanschluss mit einem Pumpenauslasskanal fluidisch verbunden ist.
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Solche Pulsationsdämpfungssysteme sind in zahlreichen Varianten bekannt und werden üblicherweise in Rohrleitungssystemen eingesetzt, in denen es zu - beispielsweise durch den Betrieb einer Pumpe, eines Stellglieds oder aufgrund anderer Strömungseinflüsse hervorgerufenen - Druckschwingungen oder Druckstößen kommen kann. Beispielsweise kommt es bei einem Betrieb von Kolbenpumpen prinzipbedingt durch die oszillierende Bewegung der Pumpenkolben zu ungleichförmigen Volumenströmen sowohl im Ansaugtrakt als auch am Auslass der Pumpe. Diese ungleichförmigen Volumenströme können zu Druckpulsationen führen, die negative Auswirkungen auf die Funktionsweise der Pumpe haben und im angrenzenden Rohrleitungssystem zu unerwünschten Schwingungen führen können. Im Ansaugtrakt der Pumpe können diese Pulsationen eine Kavitation hervorrufen, was einerseits zur Reduzierung des Wirkungsgrades der Pumpe und andererseits zu Schäden an der Pumpe führen kann.
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Bekannte Pulsationsdämpfer sind zumeist in einlass- und/oder auslassseitigen Rohrleitungen der Pumpe angeordnet und umfassen zumeist eine mit einem kompressiblen Gasvolumen befüllte Ausgleichs- oder Vorratskammer, die fluidisch mit dem pulsierenden, zu fördernden Fluid in Wirkverbindung steht. Diese Dämpfer wirken derart, dass eine Druckerhöhung durch eine Komprimierung des in der Vorratskammer befindlichen Gasvolumens ausgeglichen wird. Da das Gas aufgrund seiner hohen Kompressibilität im Vergleich zum Fluid dabei nur eine geringe Druckänderungen aufweist, können somit Druckpulsationen aufgrund der aufgeprägten Volumenstrompulsationen reduziert werden.
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Es sollte deutlich sein, dass unter einer einlassseitigen Rohrleitung ein Pumpeneinlasskanal bzw. eine Ansaugleitung und unter der auslassseitigen Rohrleitung ein Pumpenauslasskanal bzw. eine Hochdruckleitung zu verstehen ist, wobei der Pumpeneinlasskanal üblicherweise mit einer Fluidquelle zum Ansaugen des Förderfluids verbunden ist und der Pumpenauslasskanal einem Weitertransport des zu fördernden Fluids dient. In dem Pumpeneinlasskanal sowie dem Pumpenauslasskanal ist zur Förderung des Fluids mittels der Kolbenpumpe üblicherweise zwischen der oben genannten Vorratskammer und der Pumpenkammer in der Regel jeweils ein Rückschlagventil angeordnet. Die Pumpe kann dabei insbesondere als eine klassische Kolbenpumpe mit beispielsweise einer einzigen Pumpenkammer oder als eine Kolbenmembranpumpe mit einer eine Pumpenarbeitskammer und eine Pumpenförderkammer umfassenden Pumpenkammer ausgebildet sein. Ferner werden üblicherweise mehrere Kolben bzw. Kolbenpumpen eingesetzt, die aus einer gemeinsamen Ansaugleitung mit einem zentralen Vorratsbehälter das zu fördernde Fluid ansaugen und dieses hochdruckseitig in eine gemeinsame Hochdruckleitung hinein fördern.
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Aus der
EP 0 679 832 A1 ist beispielsweise eine Ausgestaltung eines Dämpfungssystems bekannt, bei dem zum Reduzieren von Druckpulsationen in einer Rohrleitung ein mittels einer Ausgleichskammer sowie einer darin angeordneten flexiblen Membran gebildeter Volumenänderungsbereich ausgebildet ist. Ein mittels der Membran von dem in der Rohrleitung strömenden Fluid getrenntes Volumenspeichermedium ist zum Ausgleichen eines Volumens durch eine Öffnung mit einem Druckausgleichsbehälter verbunden. Eine solche Ausgestaltung ist zwar zur Dämpfung von relativ geringen Druckschwingungen geeignet, nicht jedoch zur Dämpfung von relativ großen, insbesondere durch Kolbenpumpen erzeugte, Druckstößen.
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Darüber hinaus ist der Einsatz bekannter Pulsationsdämpfer bei zu fördernden Fluiden mit Festkörperanteilen nur bedingt möglich, da die zumeist mit einer Hauptförderleitung verbundenen Drosselwiderstände, Ausgleichskammern oder andere druckdämpfende Komponenten entweder aufgrund der geschaffenen Engstelle zu Verstopfungen neigen oder zur Vermeidung einer Verstopfung derart groß gewählt werden müssen, dass die Dämpfungswirkung deutlich abnimmt. Ferner sind die im Fluid enthaltenen Festkörperanteile oftmals sehr abrasiv, so dass eine Drosselstelle beim Durchströmen solcher Festkörper schnell verschleißen kann, was wiederum die Funktionsweise des Dämpfers negativ beeinflusst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein System zum Reduzieren von Druckschwingungen in einlass- und/oder auslassseitigen Rohrleitungen von Kolbenpumpen bereitzustellen, welches zumindest einen der oben genannten Nachteile verbessert, und insbesondere einen effektiven und langlebigen Einsatz im Bereich von Pumpen zur Förderung von Fluiden mit Festkörperanteilen ermöglicht.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Pulsationsdämpfungssystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offenbart.
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Erfindungsgemäß weist die Pumpenkammer mindestens einen weiteren Fluidanschluss, auch Dämpfungsfluidanschluss genannt, auf, mit dem die Pumpenkammer, insbesondere das darin befindliche Fluid, jeweils mit einer Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von Druckschwingungen fluidisch verbunden ist. Die Dämpfung kann insbesondere durch ein zeit- und/oder mengenreguliertes Zu- oder Ableiten eines in der Pumpenkammer befindlichen Fluids in Richtung hin zu oder weg von der Dämpfereinrichtung erfolgen. Zusätzlich kann ein in der Pumpenkammer und/oder den angrenzenden einlassseitigen und/oder auslassseitigen Rohrleitungen auftretender Druckstoß mittels der Dämpfungseinrichtung, beispielsweise durch eine Volumenänderung, „abgefangen“ werden. Somit können insbesondere bei hohen Pumpenfrequenzen die durch die oszillierende Bewegung des Kolbens hervorgerufenen und auf das Fluidmedium ausgeübten Beschleunigungseffekte, welche in der Pumpenkammer und den angrenzenden einlassseitigen und/oder auslassseitigen Rohrleitungen zu relativ hohen Beschleunigungskräften und in der Folge zu Druckpulsationen führen können, reduziert und somit Druckstöße in besonders einfacher Weise verringert werden. Das zwischen der Pumpenkammer und der Dämpfungseinrichtung strömende Fluid kann dabei vorteilhafterweise als ein inkompressibles Sperrfluid, wie beispielsweise ein Hydrauliköl, insbesondere ein Pumpenarbeitsmedium, ausgebildet sein, oder alternativ das zu fördernde Fluidmedium sein. Aufgrund dieser Ausgestaltung, insbesondere durch ein bevorzugtes an der Pumpenkammer unabhängig von dem zu fördernden Fluid wirkenden Dämpfungsfluid, eignet sich das vorliegende Pulsationsdämpfungssystem insbesondere zur Anwendung in Rohrleitungssystemen zur Förderung von Fluiden mit Feststoffanteilen.
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Vorzugsweise ist in einer zwischen der Pumpenkammer und der Dämpfungseinrichtung angeordneten Rohrleitung zumindest ein Drosselventil angeordnet. Das Drosselventil kann insbesondere zwischen der Pumpenkammer und einem mit der Pumpenkammer fluidisch verbundenen Druckraum, beispielsweise einer Volumenänderungseinrichtung oder eines Vorratsbehälters angeordnet sein. Dadurch kann zumindest ein Teil der Pulsationsenergie in Wärme umgewandelt und somit die Höhe der Druckpulsationen besonders effektiv und in vorteilhafter Weise reduziert werden. Insbesondere kann ein Druckimpuls eines Fluids, welches sich beispielsweise zumindest teilweise in der Pumpenkammer befindet und aufgrund eines sehr großen oder sehr niedrigen Drucks durch den Dämpfungsfluidanschluss in Richtung hin zu oder weg von der Dämpfungseinrichtung strömt, beim Durchströmen des Drosselventils in Wärme umgewandelt werden, sodass hierdurch insbesondere Druckpulsationen reduziert werden können. Das Drosselventil kann folglich auch als ein Teil der Dämpfungseinrichtung angesehen werden. Alternativ kann die Drossel grundsätzlich auch in einem neben- oder nachgelagerten Rohrleitungssystem angeordnet sein, welches mit der Pumpenkammer zwar nicht unmittelbar fluidisch verbunden ist, aber in Bezug auf den in der Pumpenkammer herrschenden Druck mit der Pumpe wirkverbunden ist, beispielsweise mittels einer Einrichtung zur Druckübertragung von dem in der Pumpenkammer befindlichen Fluid auf ein separates zweites Fluid.
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Vorzugsweise weist die Dämpfungseinrichtung eine Volumenänderungseinrichtung, auch Volumenausgleichseinrichtung genannt, zur Volumenänderung zumindest eines mit der Pumpenkammer fluidisch verbundenen Druckraums auf. Dadurch kann insbesondere ein in der Pumpenkammer befindliches Fluid, welches beispielsweise einem erhöhten Druck ausgesetzt ist, steuerbar durch den Dämpfungsfluidanschluss in Richtung hin zu oder weg von der Dämpfungseinrichtung geleitet oder gefördert werden. Dieses Steuern des Fluidstroms kann beispielsweise durch ein Vergrößern eines dem Dämpfungsfluidanschluss nachgelagerten Druckraums zum Freigeben eines Einströmens des Fluides von der Pumpenkammer in den Druckraum oder durch ein Verkleinern des Druckraums zum Zurück- bzw. Ausströmen des Fluides von dem Druckraum in die Pumpenkammer erfolgen. Bei dem hierbei jeweils erfolgenden Durchströmen der in der Rohrleitung zwischen der Pumpenkammer und dem Druckraum bevorzugt angeordneten Drossel kann ein auftretender Druckimpuls in Wärme umgewandelt werden, und dadurch eine Druckpulsation besonders effektiv und steuerbar reduziert werden. Es sollte deutlich sein, dass unter dem Begriff steuerbar insbesondere zu verstehen ist, dass eine Durchströmung der Drossel und eine dadurch bewirkte Druckreduzierung zeit- und mengendefiniert, bevorzugt vorhersehbar, besonders bevorzugt automatisch, erfolgen kann.
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Vorzugsweise weist die Volumenänderungseinrichtung einen Verlagerungskörper zur Volumenänderung des zumindest einen Druckraums auf, der insbesondere als verschiebbare Wand, verschiebbarer Kolben oder verlagerbare Membran ausgebildet ist. Zur Steuerung oder Regelung der Volumenänderung des Druckraums kann der Verlagerungskörper gegenüber dem druckraumseitig anliegenden Fluiddruck beispielsweise über ein federelastisches Element mit einem Gegendruck beaufschlagt sein. Besonders bevorzugt ist der Verlagerungskörper als ein Kolben, insbesondere Trennkolben, oder als eine Membran eines an sich geschlossenen Systems, wie einer Kolben-Zylinder-Einheit, ausgebildet. In einer solchen Ausgestaltung kann der auf den Kolben oder die Membran wirkende Gegendruck beispielsweise durch einen entsprechend angeordneten und druckbeaufschlagten zweiten Druckraum erfolgen. Dadurch kann die Verlagerung des Verlagerungskörpers in besonders vorteilhafter Weise, insbesondere aktiv, gesteuert werden.
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Vorzugsweise weist die Volumenänderungseinrichtung einen mit der Pumpenkammer fluidisch verbundenen ersten Druckraum und einen mittels des Verlagerungskörpers von diesem fluidisch getrennten und mit diesem in Wirkverbindung stehenden zweiten Druckraum auf. Dazu ist der zweite Druckraum vorteilhafterweise mit einem Gasvolumen gefüllt. Durch Verlagerung oder Verschiebung des Verlagerungskörpers können in relativ einfacher Weise das jeweilige Volumen des ersten und des zweiten Druckraums gegeneinander verändert werden, insbesondere kann bei Vergrößerung des ersten Druckraumvolumens das zweite Druckraumvolumen verkleinert und bei Verkleinerung des ersten Druckraumvolumens das zweite Druckraumvolumen vergrößert werden. Dadurch kann ein Strömen des in der Pumpenkammer befindlichen Fluids durch den Dämpfungsfluidanschluss in Richtung hin zu oder weg von der Dämpfungseinrichtung besonders vorteilhaft gesteuert werden, und eine besonders effiziente Dämpfung, insbesondere in dem Bereich der Drosselstelle, bewirkt werden.
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Vorzugsweise ist zur Regelung eines in dem zweiten Druckraum herrschenden Gasdrucks der zweite Druckraum unmittelbar und/oder mittelbar über ein Regelventil mit einer separaten Gasquelle fluidisch verbindbar. Dadurch ist eine besonders unabhängige und einfache Ansteuerung des an dem Verlagerungskörper anliegenden Gegendrucks ermöglicht. Die Regelung des im zweiten Druckraum herrschenden Gasdrucks kann beispielsweise mittels der zuvor genannten separaten bzw. externen Druck- bzw. Gasquelle sowie des zur Regelung dienenden Regelventils erfolgen, wobei die Ansteuerung des Regelventils über zumindest einen in dem Pumpeneinlasskanal und/oder dem Pumpenauslasskanal angeordneten Drucksensor sowie einer hierzu geeigneten PID-Regelung (Proportional-Integral-Differential-Regelung) zur Ansteuerung der Regelventile erfolgen kann. Bei der Anordnung mehrerer Volumenänderungseinrichtungen kann beispielsweise das Regelventil einer pumpeneinlassseitig angeordneten Volumenänderungseinrichtung in Abhängigkeit eines in dem Pumpeneinlasskanal herrschenden Drucks und/oder das Regelventil einer pumpenauslassseitig angeordneten Volumenänderungseinrichtung in Abhängigkeit eines in dem Pumpenauslasskanal herrschenden Drucks ansteuerbar sein. Alternativ kann das jeweilige Regelventil auch in Abhängigkeit eines in der Pumpenkammer herrschenden Drucks ansteuerbar sein, wobei hierzu der Drucksensor vorteilhafterweise im Bereich der Pumpenkammer angeordnet ist.
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Vorzugsweise steht zur Regelung eines in dem zweiten Druckraum herrschenden Gasdrucks der zweite Druckraum unmittelbar oder mittelbar mit dem in dem Pumpeneinlasskanal und/oder in dem Pumpenauslasskanal herrschenden Druck in Wirkverbindung. Beispielsweise kann der zweite Druckraum mit einem mit dem Pumpeneinlasskanal oder mit dem Pumpenauslasskanal fluidisch verbundenen Vorratsbehälter, wie einem Druckwindkessel, fluidisch verbunden sein. Dadurch kann als Druckquelle bzw. Druckmaß für das Fluid des zweiten Druckraums der in dem Pumpeneinlasskanal und/oder im Pumpenauslasskanal herrschende Druck dienen, wobei das Fluid des zweiten Druckraums bevorzugt, beispielsweise mittels einer Membran, von dem in dem Pumpeneinlasskanal oder dem Pumpenauslasskanal befindlichen Förderfluid fluidisch getrennt ist.
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Vorzugsweise weist die Dämpfungseinrichtung einen in dem Pumpeneinlasskanal und/oder in dem Pumpenauslasskanal, insbesondere auf einer der Kolbenpumpe abgewandten Fluidseite eines in dem jeweiligen Kanal angeordneten Rückschlagventils, angeordneten Vorratsbehälter mit einem Förderfluideinlass und einem Förderfluidauslass auf, wobei jeweils in dem Vorratsbehälter in einem unteren Bereich das Förderfluid und in einem oberen Bereich ein druckbeaufschlagtes, das heißt ein unter Druck stehendes, Gasvolumen angeordnet ist. Der Vorratsbehälter kann hierzu, insbesondere unter Bildung oder Einnahme eines Volumens in dem Vorratsbehälter, besonders bevorzugt als ein Volumen- und/oder Druckspeicherbehälter ausgebildet sein, in dem das Förderfluid zur Förderung vorteilhafterweise zwischenspeicherbar ist. Dies ermöglicht insbesondere bei zu fördernden Fluiden, welche Feststoffpartikel aufweisen, eine sichere und effiziente Druckübertragung von dem fördernden Fluid auf das Gasvolumen, insbesondere zu Druckausgleichszwecken. Vorzugsweise ist der Vorratsbehälter als ein Druckkessel ausgebildet. Das Gasvolumen kann beispielsweise unmittelbar oder mittelbar mit dem in dem zweiten Druckraum befindlichen Fluid in Wirkverbindung stehen. Dadurch ist insbesondere - je nach Bewegungsrichtung des Kolbens der Kolbenpumpe - durch eine Druckübertragung von dem Pumpeneinlasskanal und/oder dem Pumpenauslasskanal auf den zweiten Druckraum eine automatische Ansteuerung des Verlagerungskörpers ermöglicht. Zur Einstellung oder Regelung des in dem Vorratsbehälter herrschenden Gasdrucks kann der Vorratsbehälter unmittelbar und/oder mittelbar über ein Regelventil zumindest temporär mit einer separaten Gasquelle fluidisch verbunden sein.
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Vorzugsweise ist das Gasvolumen des Vorratsbehälters über eine Druckleitung mit dem zweiten Druckraum der Volumenänderungseinrichtung fluidisch verbunden. Dadurch kann der in dem Gasvolumen des Vorratsbehälters herrschende Druck unmittelbar auf den Verlagerungskörper wirken. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere für Förderfluide mit Feststoffpartikeln vorteilhaft und ermöglicht insbesondere eine sichere und automatische Verlagerung des Verlagerungskörpers, und dadurch letztlich eine Reduktion von Pulsationsdrücken. Beispielsweise kann ein pumpeneinlassseitig oder pumpenauslassseitig anliegender Druck des zu fördernden Mediums, insbesondere eines mit Feststoffen versetzten Fluids, auf ein mit dem zweiten Druckraum fluidisch verbundenes, insbesondere gasförmiges Fluid, in besonders einfacher und sicherer Weise übertragen werden. Dadurch ist eine - je nach Bewegungsrichtung des Kolbens der Kolbenpumpe - automatische und unmittelbare Ansteuerung des Verlagerungskörpers mittels des Druckes in dem zweiten Druckraum und folglich ein Einströmen oder Ausströmen des Fluids der Pumpenkammer in Richtung zu der oder von der Dämpfungseinrichtung unter gleichzeitiger Durchströmung einer Drosselstelle und hierbei Umwandlung eines Druckimpulses in Wärme, und somit letztlich eine automatische Dämpfung von Druckpulsationen ermöglicht.
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Vorzugsweise ist die Kolbenpumpe als eine Membran-Kolbenpumpe mit einer Pumpenarbeitskammer und einer von dieser fluidisch getrennten und mit dieser in Wirkverbindung stehenden Pumpenförderkammer ausgebildet, wobei an der Pumpenförderkammer der erste und zweite Förderfluidanschluss und an der Pumpenarbeitskammer der zumindest eine Dämpfungsfluidanschluss angeordnet ist. Hierbei kann in der Pumpenarbeitskammer ein Druckmedium vorgesehen sein, welches über den Dämpfungsfluidanschluss mit dem ersten Druckraum der Volumenänderungseinrichtung fluidisch verbunden ist. Die Pumpenarbeitskammer ist insbesondere in Bezug auf die Membran der Pumpe kolbenseitig, die Pumpenförderkammer auf der dem Kolben abgewandten Seite der Membran angeordnet. Durch diese fluidische Trennung des Förderfluids von einem Druckmedium ist insbesondere bei Förderfluiden mit Feststoffpartikeln eine besonders effiziente und sichere Reduzierung von Druckpulsationen ermöglicht. In einer alternativen Ausgestaltung, insbesondere bei einer herkömmlichen Kolbenpumpe, bilden die Pumpenarbeitskammer und die Pumpenförderkammer eine gemeinsame Pumpenkammer.
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Nachfolgend werden fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
- 1 - eine aus dem Stand der Technik bekannte Kolbenmembranpumpe;
- 2a - eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Pulsationsdämpfungssystems an einer Kolbenmembranpumpe;
- 2b - eine erweiterte Variante des Pulsationsdämpfungssystems aus 2a;
- 3 - eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Pulsationsdämpfungssystems an einer klassischen Kolbenpumpe;
- 4a - eine vierte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Pulsationsdämpfungssystems an einer klassischen Kolbenpumpe; und
- 4b - eine erweiterte Variante des Pulsationsdämpfungssystems aus 4a.
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In der 1 ist der prinzipielle Aufbau einer aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenmembranpumpe 101 mit denen sich daran anschließenden Rohrleitungen 6, 13 sowie den darin zur Förderung eines Förderbedarfs vorteilhaften Zwischenspeicherbehälter 8, 15, oder auch Vorratsbehälter genannt, gezeigt.
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Die oszillierende Bewegung des Kolbens 1 wird dabei auf ein in einer als Pumpenarbeitskammer ausgebildeten ersten Druckkammer 2 befindlichen Druckmedium 2a übertragen. Dieses Druckmedium 2a ist über eine flexible Membran 3 mit der vorliegend als Pumpenförderkammer ausgebildeten zweiten Druckkammer 4 in Bezug auf eine Druckübertragung wirkverbunden. Beide Druckkammern 2, 4 sind von einem druckfesten Gehäuse 5 umgeben. In der Pumpenförderkammer 4 befindet sich insbesondere das zu fördernde Medium 9, welches über einen Fluideinlass 6a in die Pumpenförderkammer 4 eintreten und durch einen Fluidauslass 13a aus der Pumpenförderkammer 4 austreten kann. Insbesondere kann das zu fördernde Medium 9 durch den Fluideinlass 6a aus einer Ansaugleitung 6, in der sich ein als Rückschlagventil ausgebildetes Saugventil 7 befindet, in die Pumpenförderkammer 4 angesaugt werden. In der hier vorgestellten Anordnung aus dem Stand der Technik befindet sich zusätzlich in der Saugleitung 6 der Pumpe 101 ein Vorratsbehälter 8, oder auch Druckkessel genannt, der zum Teil mit dem zu fördernden Fluid 9 gefüllt ist, und in dessen oberen Teil sich ein unter Druck stehendes Gas 10, beispielsweise Druckluft, befindet. Der Vorratsbehälter 8 ist dabei mit einer Quelle 11 verbunden, die eine gegenüber der Pumpe 101 erhöhte geodätische Höhe besitzt, um somit den erforderlichen Saugdruck zur Verfügung stellen zu können. Alternativ kann der Vorratsbehälter auch über sogenannte und vorliegend nicht dargestellte Speisepumpen beaufschlagt werden, die dann den notwendigen Saugdruck in der Ansaugleitung 6 erzeugen. Der Füllstand im Vorratsbehälter 8 wird dabei über den Druck des Gases 10 geregelt. Durch Messung der Füllstandshöhe in dem Vorratsbehälter 8 kann insbesondere über eine Regelventil 12 der Gasdruck 10 so variiert werden, dass eine vorgegebene Füllstandshöhe im Vorratsbehälter 8 möglichst genau ausgeregelt ist. Zur Einstellung bzw. Regelung des in dem Vorratsbehälter 8 herrschenden Gasdrucks ist der Vorratsbehälter 8 über eine im Bereich des Gasvolumens 10 angeordnete Pneumatikleitung sowie über das Regelventil 12 mit einer Gasquelle verbunden.
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Die Pumpenförderkammer 4 der Pumpe 101 ist über eine Auslassleitung 13, in der sich ein als Rückschlagventil ausgebildetes Druckventil 14 befindet, mit einem weiteren Vorratsbehälter 15 verbunden. Analog zur Saugseite der Pumpe 101, insbesondere zu dem daran angeordneten Vorratsbehälter 8, befindet sich im unteren Bereich des auslassseitigen Vorratsbehälters 15 ebenfalls das zu pumpend Medium 9, während sich darüber ein unter Druck befindliches Gas- bzw. Luftvolumen 17 befindet. Auch hier kann der Füllstand des Vorratsbehälters 15 über ein mit dem Luftvolumen 17 fluidisch verbindbares Regelventil 18 sowie einer sich daran anschließenden, nicht näher dargestellten Gasquelle geregelt werden. über eine Austragsleitung 19 kann der von der Pumpe 101 erzeugte Volumenstrom dann der vorgesehenen Anwendung zugeführt werden.
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Die Funktionsweise einer solchen Pumpe kann wie folgt beschrieben werden: Während der Saugphase der gezeigten Kolbenpumpe 101, bewegt sich der Kolben 1 von der in 1 gezeigten äußerst rechten Position nach links, was zu einem Absinken des Druckes in der Pumpenarbeitskammer 2 führt. Dieser Druck wird durch die flexible Membran 3, die sich zu Beginn der Saugphase in der Position 3a befindet, auf die Pumpenförderkammer 4 und somit auf das zu fördernde Fluid 9 übertragen. Sinkt der Druck in den beiden Druckkammern 2 und 4 der Pumpe unterhalb des im Vorratsbehälter 8 herrschenden Drucks, so öffnet automatisch das Saugventil 7 und das zu fördernde Medium 9 strömt vom Vorratsbehälter 8 in die Pumpenförderkammer 4.
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Sobald der Kolben 1 die in 1 gezeigte äußerst linke Position erreicht hat, so bewegt dieser sich anschließend wieder nach rechts. Dabei kommt es zu einer Kompression der beiden Fluidkammern 2 und 4. Diese Druckerhöhung führt dazu, dass das Saugventil 7 schließt und kein weiteres Medium 9 mehr angesaugt wird. Bewegt sich nun der Kolben 1 immer weiter nach rechts, so steigt der Druck in den beiden Fluidkammern 2, 4 weiter an, bis der im Vorratsbehälter 15 herrschende Druck überschritten wird. Dadurch öffnet das Druckventil 14 und die Pumpe 101 fördert das Medium 9 von der Pumpenförderkammer 4 in den Vorratsbehälter 15 bis der Kolben 1 wieder die äußerst rechte Position erreicht hat, und sich der Vorgang wiederholt.
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Durch die oszillierende Bewegung des Kolbens 1 werden Beschleunigungseffekt auf das zu fördernde Fluidmedium 9 ausgeübt, die in den Druckkammern 2 und 4, dem angrenzenden Saugrohr 6 und dem Austragsrohr 13 zu Pulsationen führen können. Zur Reduzierung dieser Pulsationen wird im Folgenden das erfindungsgemäße Pulsationsdämpfersystem 100 vorgestellt, durch das vor allem die Pulsationen, die sich beim an Saugen des Mediums 9 ausbreiten, reduziert werden können.
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Es sollte deutlich sein, dass die hier beschriebenen Ausgestaltungen einer jeweiligen Pumpe mit nur einem Kolben in der Praxis nur relativ selten vorkommen und vorliegend lediglich das Wirkprinzip dieser Pumpen-Bauart aufzeigen sollen. Üblicherweise werden Pumpen mit mehreren Kolben eingesetzt, die aus einer gemeinsamen Saugleitung mit einem zentralen Vorratsbehälter ansaugen und wiederum in eine gemeinsame Förderleistung hinein fördern. Die hier vorgestellten Prinzipien zur Positionsdämpfung können daher auf Pumpen mit beliebiger Kolbenanzahl angewendet werden.
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In der 2a ist eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pulsationsdämpfungssystems 100 gezeigt. Diese Ausgestaltung sieht beispielsweise an dem in 1 gezeigten typischen Aufbau eines Kolbenmembranpumpensystems zusätzlich eine Dämpfungseinrichtung 103 vor. Die Dämpfungseinrichtung 103 umfasst vorliegend insbesondere eine als Kolbenzylindereinheit ausgebildete Volumenänderungseinrichtung 105, oder auch Volumenverlagerungseinheit genannt. Die Volumenänderungseinrichtung 105 weist einen Zylinder 21 mit einem darin angeordneten, über einen Dämpfungsfluidanschluss 20a und eine hydraulische Verbindungsleitung 20 mit der Pumpenarbeitskammer 2 verbundenen ersten Druckraum 22 sowie einen von dem ersten Druckraum 22 mittels eines Trennkolbens 23 fluidisch getrennten zweiten Druckraum 24 auf.
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Durch diese Anordnung kann insbesondere ein Teil des in der Pumpenarbeitskammer 2 enthaltenen Druckmediums, insbesondere ein Hydrauliköl, in den ersten Druckraum 22 des Zylinders 21 ein- bzw. ausströmen. Der zweite Druckraum 24 ist über eine Druckleitung 25 mit dem Gasvolumen 10 des einlassseitig angeordneten Druckkessels 8 verbunden, sodass sich in dem zweiten Druckraum 24 ein mittlerer Druck einstellt, der den mittleren Druck im Vorratsbehälter 8 entspricht.
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Um die Pulsationen in den Pumpenkammern 2 und 4 und den angrenzenden Rohrleitungen 6 und 13 zu dämpfen, ist eine Drosselstelle 26 in die hydraulische Verbindungsleitung 20 eingebracht. Kommt es zu einer Druckerhöhung aufgrund einer Pulsationen in der Pumpenkammer 2, so führt dies zu einem Volumenstrom von der Pumpenarbeitskammer 2 in den ersten Druckraum 22, falls der Trennkolben 23 sich nicht in seiner, in 2a, rechten Endlage 28 befindet. Beim Durchströmen der Drosselstelle 26 wird ein Teil der Pulsationsenergie in Wärme umgewandelt und reduziert somit die Höhe der Druckpulsationen. Kommt es anschließend zu einer Verringerung des Druckes in der der Pumpenarbeitskammer 2, so führt der Druck in dem gasgefüllten Druckraum 24 zu einer Verschiebung des Kolben 23 und folglich zu einem Volumenstrom des Druckmediums 2a von dem ersten Druckraum 22 in die Pumpenarbeitskammer 2, wobei an der Drosselstelle 26 wiederum hydraulische Energie in Wärme umgewandelt wird, und somit die Pulsationen weiter verringert wird.
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Somit kann das System während der Saugphase permanent Pulsationsenergie in Wärme umwandeln, solange die Bewegung des Trennkolbens 23 nicht durch das Erreichen einer bzw. eines der Endanschläge bzw. Zylinderanschläge 27 oder 28 verhindert wird.
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Kommt es nach Beendigung der Saugphase zu der oben beschriebenen Kompression in der Pumpenarbeitskammer 2, so wird hierdurch der Trennkolben 23 wieder solange nach, in 2a, rechts bewegt, bis der Kolben 23 durch den Anschlag 28 gestoppt wird. Erst jetzt kann die weitere Druckerhöhung erfolgen und das zu pumpende Medium 9 über die Leitung 13 in den Vorratsbehälter gefördert werden. Während dieser Austragsphase ist der Druck in den Pumpenkammern 2 und 4 üblicherweise so groß, dass der Trennkolben 23 permanent am, in 2a, rechten Anschlag 28 verharrt.
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Bewegt sich nun der Pumpenkolben 1 wieder nach, in 2a, links, so kommt es zu einer Dekompression in den Kammern 2 und 4, das Druckventil 14 schließt wieder und beim Unterschreiten des Drucks von Medium 9 im Vorratsbehälter 8 öffnet das Saugventil 7 und das Medium 9 strömt in die Pumpenförderkammer 4. Da der Gasdruck im Druckraum 10 annähernd gleich dem Druck des im Vorratsbehälter 8 befindlichen Mediums 9 ist, kommt es auch zu einem Druckunterschied zwischen dem zweiten Druckraum 24 und dem ersten Druckraum 22 der Kolbenzylindereinheit 105. Dieser Druckunterschied beschleunigt nun den Trennkolben 23 wieder in Richtung des Anschlags 27, sodass nun der Trennkolben 23 aufgrund der Pulsationen in der Pumpenarbeitskammer 2 wieder frei oszilliert und die Drossel 26 die Pulsationen verringern kann.
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Bei der in der 2b gezeigten Anordnung ist das Pulsationsdämpfungssystem 100 gemäß 2a zusätzlich um eine Dämpfungseinrichtung 104 auf der Austragsseite der Pumpe 101 erweitert. Analog zur Dämpfung der Pulsationen während der Saugphase kann ein derartiger Dämpfer 103 auch für die Austragseite der Pumpe 101 genutzt werden. Hierbei ist die Pumpenarbeitskammer 2 über eine Druckleitung 29 mit einer zusätzlichen Volumenänderungseinrichtung 106 fluidisch verbunden. Die Volumenänderungseinrichtung 106 ist im Prinzip gleich aufgebaut wie die Volumenänderungseinrichtung 105.
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Die Volumenänderungseinrichtung 106 weist wiederum einen Zylinder 30 mit einem darin angeordneten, über einen Dämpfungsfluidanschluss 29a und eine hydraulische Verbindungsleitung 29 mit der Pumpenarbeitskammer 2 verbundenen ersten Druckraum 32 sowie einen von dem ersten Druckraum 32 mittels eines Trennkolbens 31 fluidisch getrennten zweiten Druckraum 33 auf.
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Der erste Druckraum 32 ist mit dem Druckmedium 2a gefüllt, der zweite Druckraum mit Gas bzw. Luft. Dabei ist dieses Gas bzw. der zweite Druckraum 33 über eine Druckleitung 34 mit dem Gasvolumen 17 des Vorratsbehälters 15 auf der Austragseite der Pumpe 101 verbunden. Während der Saugphase der Pumpe 101 herrschen in der Pumpenkammer 2, 4 so geringe Drücke, dass der Überdruck im Gasvolumen 17 den Trennkolben 31 bis zum einem ersten Anschlag 35 bewegt und dieser dort bis zum Einsetzen der Kompressionsphase verharrt. Beim Überschreiten des Öffnungsdrucks von Druckventil 14 wird dieses geöffnet und gleichzeitig im ersten Druckraum 32 eine Druckerhöhung generiert, wodurch eine Bewegung des Kolbens 31 nach, in 2b, rechts in Richtung des zweiten Anschlags 37 bewirkt wird. Die nun einsetzende Pulsationen im Fluid 2a bzw. insbesondere den Pumpenkammern 2 und 4 sowie Rohrleitungen 6 und 13 führt zu einer oszillierenden Bewegung des Trennkolbens 31, wobei durch die damit einhergehende Durchströmung der Drossel 36 der Druckpulsationen Energie entzogen wird und diese in Wärme umgewandelt wird.
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In der 3 ist eine weitere Anwendung des Pulsationsdämpfungssystems 100 an einer herkömmlichen bzw. klassischen Kolbenpumpe 102 gezeigt, wobei auch hierbei die in den vorangegangenen Figuren gezeigte Anordnung mit den sich an die Pumpe 102 anschließenden Rohrleitungen 6, 13, insbesondere Zuleitung 6 und Ableitung 13 für das zu fördernde Fluidmedium 2a, sowie den darin zur Förderung eines Förderbedarfs jeweils vorteilhafterweis angeordneten Zwischenspeicherbehältern 8 und 15. In Bezug auf 2b ist somit in 3 lediglich die Pumpe 102 andersartig ausgestaltet. In diesem Zusammenhang sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Art der Kolbenpumpe für die vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung ist.
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Bei der vorliegenden Kolbenpumpe wird als Medium zur Dämpfung der in der Pumpenkammer 4 und den Rohrleitungen 6 und 13 auftretenden Druck Pulsationen unmittelbar das zu fördernde Fluidmedium 2a genutzt. Hierzu kann das Fluidmedium 2a nicht nur durch die Rohrleitungen 6, 13 in bzw. aus der Pumpenkammer 4 gefördert werden, sondern auch über die an der Pumpenkammer 4 über jeweils einen Dämpfungsfluidanschluss 20a, 29a zusätzlich angeschlossenen Druckleitungen 20 und 29. Hierbei wird - im übrigen funktionsgleich wie bei der Anordnung gemäß 2b - nunmehr das in der Pumpenkammer 4 befindliche Fluidmedium 2a zur Dämpfung zusätzlich - je nach Arbeitsweise des Kolben 1, insbesondere Saugvorgang oder Druckvorgang - in Richtung hin zu oder weg von der jeweiligen einlassseitigen und auslassseitigen Dämpfungseinrichtung 103, 104 geleitet, insbesondere durch die in der jeweiligen Rohrleitung 6, 13 angeordnete Drosselstelle 26, 36 zur Dämpfung der Druckpulsationen, insbesondere durch Umwandlung der Druckenergie in Wärme.
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In den 4a und 4b ist jeweils eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Pulsationsdämpfungssystems 100 gezeigt. Bei einigen Pumpenanwendungen entfällt der bisher gezeigte Vorratsbehälter in der Saugleitung 6 und/oder in der Druckleitung 13 oder in beiden Leitungen 6, 13, wie in diesem Beispiel aufgezeigt werden soll. Dennoch kann auch bei einer solchen Pumpenanordnung das Wirkprinzip des erfindungsgemäßen Pulsationsdämpfungssystems 100 angewendet werden. Hierzu ist - wie in 4a gezeigt - der an der einlassseitigen Volumenänderungseinrichtung 105 vorgesehene zweite Druckraum 24 und - wie in 4b gezeigt - zusätzlich auch der an der auslassseitigen Volumenänderungseinrichtung 106 vorgesehene zweite Druckraum 33 jeweils über eine Druckleitung - in 4b Druckleitung 34 - über eine Regelventil 37, 38 mit einer nicht dargestellten externen Druckluftversorgung verbunden. Der in dem jeweiligen zweiten Druckraum 24, 33 anliegende Gasdruck kann folglich über das jeweilige Regelventil 37, 38 eingestellt und geregelt werden, insbesondere um den jeweiligen pneumatischen Druck im zweiten Druckraum 24, 33 an die mittleren Drücke der Saugleitung 6 bzw. Druckleitung 13 anzupassen. Hierzu kann zum Beispiel - wie in 4b gezeigt - über entsprechende Drucksensoren 39 und 40 der Druck in der jeweiligen Leitung 6, 13 oder - wie in 4a gezeigt - über zumindest einen Drucksensor 43 unmittelbar an der Pumpenkammer 4 ermittelt und über Regeleinrichtungen 41 bzw. 42 in den zweiten Druckräumen 24 und 33 automatisch angepasst werden. Neben der hier gezeigten Druckregelung mittels Drucksensoren /-aufnehmer und elektronischem Regler sind aber auch mechanische Regelventile vorstellbar, die den Hydraulikdruck in einen entsprechenden pneumatischen Druck umwandeln.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Insbesondere der Aufbau der Kolbenpumpe sowie der sich daran anschließenden Hauptrohrleitungen zum Fördern eines Fluidmediums können - ohne den Kern der Erfindung zu verändern - durchaus modifiziert sein. So ist es beispielsweise nicht zwingend erforderlich, dass in der Zuleitung ein Zwischenspeicherbehälter 8 und/oder in der Auslassleitung ein Zwischenbehälter 15 vorgesehen ist. Ferner kann die Ausgestaltung der Volumenänderungseinrichtungen 105, 106 andersartig ausgebildet sein, beispielsweise kann anstatt des Trennkolben 23, 31 eine Membran vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Pumpenarbeitskammer, Pumpenkammer, Druckkammer
- 2a
- Druckmedium, Fluid, Hydrauliköl
- 3, 3a
- Membran
- 4
- Pumpenförderkammer, Pumpenkammer, Druckkammer
- 5
- Gehäuse
- 6
- Pumpeneinlasskanal, Ansaugleitung
- 6a
- Förderfluidanschluss
- 7
- Rückschlagventil, Saugventil
- 8
- Vorratsbehälter, Druckkessel
- 9
- Fördermedium, Fluid
- 10
- Gas, Druckluft, Gasvolumen
- 11
- Quelle
- 12
- Regelventil
- 13
- Pumpenauslasskanal, Auslassleitung
- 13a
- Förderfluidanschluss
- 14
- Rückschlagventil, Druckventil
- 15
- Vorratsbehälter, Speicherbehälter
- 17
- Gas, Druckluft, Gasvolumen
- 18
- Regelventil
- 19
- Austragsleitung
- 20
- Rohrleitung, einlassseitige Dämpfungsdruckleitung
- 20a
- Dämpfungsfluidanschluss
- 21
- Zylinder
- 22
- erster Druckraum
- 23
- Verlagerungskörper, Trennkolben
- 24
- zweiter Druckraum
- 25
- Rohrleitung, Gasdruckleitung
- 26
- Drosselventil, Drossel
- 27
- erster Anschlag
- 28
- zweiter Anschlag
- 29
- Rohrleitung, auslassseitige Dämpfungsdruckleitung
- 29a
- Dämpfungsfluidanschluss
- 30
- Zylinder
- 31
- Verlagerungskörper, Trennkolben
- 32
- erster Druckraum
- 33
- zweiter Druckraum
- 34
- Rohrleitung, Gasdruckleitung
- 35
- erster Anschlag
- 36
- Drosselventil, Drossel
- 37
- zweiter Anschlag
- 100
- Druckpulsationsdämpfungssystem
- 101
- Kolbenmembranpumpe
- 102
- Kolbenpumpe
- 103
- Dämpfungseinrichtung
- 104
- Dämpfungseinrichtung
- 105
- Volumenänderungseinrichtung
- 106
- Volumenänderungseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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