DE19752337A1 - Der Förderung eines Mediums dienende Pumpenanordnung ohne Fremdantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung zur Förderung eines insbesondere flüssigen Mediums, bei welcher unter Verzicht auf einen Fremdantrieb für die Förderpumpe die Ausnutzung eines vorhandenen und sonst ungenutzten Energiepotentials als Antrieb erfolgt.

Ein Anwendungsfall für eine derartige Pumpenanordnung ist beispielsweise die Hebung von Grubenwässern aus untertägigen Bergbaubetrieben, für die mit Blick auf die oft erhebliche Teufe entsprechende Antriebsleistungen für die Förderpumpen vorzuhalten sind. Andererseits steht im Bereich der Frischwasserversorgung der untertägigen Betriebe ein hydrostatisches Energiepotential zur Verfügung, wobei der sich aus dem geodätischen Höhenunterschied zwischen der Frischwasserversorgung von Übertage und der Frischwasserentnahme Untertage ergebende Druckanstieg vor der Frischwasserentnahme abgedrosselt werden muß; damit bleibt das zur Verfügung stehende Energiepotential ungenutzt. Ein vergleichbarer Anwendungsfall ist - ebenfalls im Untertagebergbau - hinsichtlich der Untertage installierten Wetterkühlanlagen gegeben, denen von Übertage Kaltwasser zugeführt, und von denen Warmwasser im Kreislauf wieder zurückgepumpt werden muß. Auch hier stellt das Übertage eingespeiste Kaltwasser ein erhebliches Energiepotential zur Verfügung.

Ähnliche Problemstellungen sind aber auch in anderen industriellen Prozessen gegeben, bei denen einerseits unter hohem Druck stehende und vor dem Einsatz auf ein niedrigeres Druckniveau abzudrosselnde Medien zur Verfügung stehen, andererseits aber in weiteren Teilbereichen entsprechende Förderleistungen für andere Medien zu erbringen sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Pumpenanordnung zur Verfügung zu stellen, bei der ein zur Verfügung stehendes Energiepotential als Antrieb für eine Förderpumpe nutzbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung nachgestellt sind.

Gemäß der Erfindung ist eine Pumpenanordnung vorgesehen, bei welcher zum Antrieb einer Förderpumpe ein unter hohem Druck stehendes Antriebsmedium unter Zwischenschaltung eines eine Strömungsumkehr bewirkenden Umschaltventils über die Förderpumpe geführt ist, wobei die Förderpumpe als doppelwirkende Kolbenpumpe mit zwei jeweils Einlaß- und Auslaßöffnungen für das zu fördernde Medium aufweisenden Förderkammern sowie mit wenigstens einer davon getrennten, und mit zwei mit dem Umschaltventil verbundenen Anschlüssen zur beidseitigen Beaufschlagung eines linear verschiebbaren Doppelkolbens mit dem Antriebsmedium versehenen Antriebskammer ausgebildet ist, und wobei die Antriebskammer der Kolbenpumpe über das signalgesteuerte Umschaltventil einerseits mit dem Hochdruckbereich (HD-Bereich) für das zuströmende Antriebsmedium und andererseits mit einem Niederdruckbereich (ND-Bereich) des abströmenden Arbeitsmediums verbindbar ist. Mit der Erfindung ist der Vorteil verbunden, daß auf einen Fremdantrieb für die Förderpumpe und den damit verbundenen Energieaufwand verzichtet werden kann. Aufgrund der Ausbildung der Förderpumpe als doppelwirkende Kolbenpumpe und des dadurch verwirklichten Linearantriebs ist auch ein linearer Volumenstrom des zu fördernden Mediums sichergestellt, so daß auf bei Pumpenanordnungen anderer Art sonst erforderliche Ausgleichsmaßnahmen wie beispielsweise Mehrzylindrigkeit, Differentialkolben oder Ausgleichsbehälter verzichtet werden kann.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kolbenpumpe zwei getrennte Kolbenkammern aufweist und der Doppelkolben an seinen Enden jeweils einen in der zugeordneten Kolbenkammer geführten und die jeweilige Kolbenkammer in die Förderkammer und in die Antriebskammer unterteilenden Kolbenbund aufweist; dabei ist insbesondere vorgesehen, daß die jeweiligen Antriebskammern der beiden Kolbenkammern einander benachbart und die jeweiligen Förderkammern außenliegend angeordnet sind. Hiermit ist insbesondere bei der Förderung eines mit Feststoffen belasteten oder kontaminierten Mediums sichergestellt, daß die im Bereich der Antriebskammern liegenden Kolbenstangendichtungen feststofffrei gehalten sind. Gleichzeitig stehen die Kolbendichtungen auf der von dem Antriebsmedium beaufschlagten Seite steht unter Überdruck, was infolge des Spaltstromes das Eindringen von Partikeln in die Kolbenstangendichtungen unterdrückt.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kolbenpumpe eine zentrale Antriebskammer und zwei außenliegende Förderkammern aufweist und der Doppelkolben einen in der Antriebskammer hin- und herbeweglichen Kolbenbund aufweist und mit den Enden seiner Kolbenstange bis in die beiden Förderkammern reicht. Da bei dieser Anordnung das Flächenverhältnis von Arbeitskolben zu Antriebskolben gleich ist, ergeben sich antriebs- und förderseitig gleiche Volumenströme. Soweit vorgesehen ist, daß der Querschnitt der in die Förderkammern reichenden Kolbenstange geringer als der Querschnitt der Förderkammern bemessen ist, ergibt sich in vorteilhafter Weise ein berührungsfreier Lauf des als Arbeitskolben wirkenden Endes der Kolbenstange in der zugeordneten Förderkammer, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnungen der betreffenden Förderkammer jeweils freiliegen und nicht von der Kolbenbewegung überstrichen werden.

Es kann vorgesehen sein, daß das Umschaltventil als Drehkolbenschaltarmatur ausgebildet ist, wobei zum Antrieb des Umschaltventils ein Druckluftantrieb oder ein elektromotorischer Antrieb vorgesehen sein kann.

Zum Ausgleich von durch Reibungsverluste bzw. Dichteunterschiede zwischen Antriebsmedium und zu förderndem Medium bedingten Druckverlusten kann nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen sein, daß dem Umschaltventil in dem HD-Bereich für das Antriebsmedium eine Druckerhöhungspumpe vorgeschaltet ist.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf die Verwendung einer Pumpenanordnung zur Hebung von Grubenwässern als zu förderndes Medium aus Untertage-Betrieben des Bergbaus, wobei das aufgrund der Teufe ein hydrostatisches Energiepotential aufweisende Frischwasser der Kolbenpumpe als Antriebsmedium zugeführt ist.

Ebenso ist die Verwendung einer Pumpenanordnung zur Kreislaufführung von Kalt- und Warmwasser für Untertage installierte Wetterkühlanlagen gegeben, wobei das aufgrund der Teufe ein hydrostatisches Energiepotential aufweisende Kaltwasser der Kolbenpumpe als Antriebsmedium zugeführt ist und die Förderkammern der Kolbenpumpe an die Leitungen für das rückzufördernde Warmwasser angeschlossen sind.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben, welche nachstehend beschrieben sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Pumpenanordnung in einer schematischen Schaltübersicht,

Fig. 2 die Förderpumpe gemäß Fig. I in einer anderen Ausführungsform,

Fig. 3 die Umschaltarmatur gemäß Fig. 1 in einer Einzeldarstellung,

Fig. 4 den Gegenstand der Fig. 3 im Schnitt IV-IV in Fig. 3.

Wie sich aus der in Fig. 1 dargestellten Gesamtschaltung der Pumpenanordnung ergibt, ist eine Förderpumpe 10 vorgesehen, die als doppelwirkende Kolbenpumpe ausgebildet ist und zwei Kolbenkammern 11 aufweist, in denen außenliegend Einlaßöffnungen 12 bzw. Auslaßöffnungen 13 für das zu fördernde Medium angeordnet sind; die Einlaßöffnungen 12 sind jeweils mit Ansaugleitungen 17 für das zu fördernde Medium, beispielsweise Grubenwasser, verbunden, wobei die Auslaßöffnungen 13 an eine Förderleitung 16 für das zu fördernde Grubenwasser angeschlossen sind. In die Leitungen 16 und 17 sind jeweils zugeordnete Einlaßventile 14 bzw. Auslaßventile 15 eingeschaltet. Die Förderleitung 16 führt zu einer Auffangmöglichkeit 18 für das gehobene Grubenwasser, wobei parallel zu der Anordnung der Förderpumpe 10 noch eine Hauptgrubenwasserpumpe 19 vorgesehen ist, die alternativ oder gleichzeitig für die Hebung der Grubenwässer in Betrieb stehen kann.

Antriebsseitig ist die Förderpumpe 10 an die von Übertage kommende Frischwasserleitung 20 angeschlossen, die insoweit dem Hochdruck-Bereich des Antriebsmediums zuzurechnen ist. Von der Frischwasserleitung 20 führt eine Leitung 21 zu einem doppelwirkenden Umschaltventil 22, welches seinerseits über Leitungen 23 mit der Förderpumpe 10 zur Beaufschlagung mit Antriebsmedium verbunden ist und andererseits über wegführende Leitungen 24 an den Niederdruckbereich der Frischwasserleitung 20 angeschlossen ist; innerhalb der Frischwasserleitung 20 sind deren Hochdruck-Bereich und deren Niederdruck-Bereich durch eine Anordnung von Druckreduzierventilen 28 voneinander getrennt. Dem Umschaltventil 22 ist ferner ein Steuerventil 25 für den Umschaltvorgang zugeordnet, wobei das Steuerventil 25 über Signalleitungen 27 an die Umschaltzeitpunkte im Bereich der Förderpumpe erfassende Sensoren angeschlossen ist; Leitungen 26 dienen der Versorgung des Umschaltventils 22 mit Energie zur Durchführung der Umschaltung, beispielsweise über zu beaufschlagende Druckluft.

In den Kolbenkammern 11 der Förderpumpe 10 ist ein Doppelkolben mit einer Kolbenstange 30 angeordnet, an deren Ende jeweils ein Kolbenbund 31 in der zugeordneten Kolbenkammer 11 geführt ist; der jeweilige Kolbenbund 31 unterteilt die Kolbenkammer 11 in eine außenliegende Förderkammer 32 mit den zugeordneten Einlaßöffnungen 12 und Auslaßöffnungen 13 für das zu fördernde Medium und eine innenliegende Antriebskammer 33, wobei jede Antriebskammer 33 einen Anschluß 34 für die zum Umschaltventil 22 führende Leitung 23 aufweist.

Zum Betrieb der Förderpumpe 10 führt das Umschaltventil 22 der Antriebskammer 33 der einen Kolbenkammer 11 über die durch das Umschaltventil miteinander verbundenen Leitungen 21, 23 unter Hochdruck stehendes Antriebsmedium zu, so daß sich der mit Hochdruck beaufschlagte Kolbenbund 31 des Doppelkolbens im Hinhub bewegt und das Auspressen der Förderkammer 32 bewirkt; gleichzeitig führt der in der anderen Kolbenkammer 11 laufende Kolbenbund 31 einen Rückhub aus, bei welchem er einerseits das in der zugeordneten Antriebskammer 33 anstehende Antriebsmedium über den Anschluß 34 und die Leitung 23 dem Umschaltventil 22 zuführt, welches bezüglich dieses Leitungsstranges eine Verbindung der Leitung 23 zu der Niederdruck-Leitung 24 hergestellt hat; gleichzeitig führt der Rückhub des betreffenden Kolbenbundes 31 zu einem Ansaugen von Grubenwasser in die zugeordnete Förderkammer 32. Aufgrund der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens ergibt sich eine entsprechend lineare Fördercharakteristik.

Wie sich hierzu aus Fig. 3 entnehmen läßt, ist das Umschaltventil 22 als ein zwei Schaltstellungen ermöglichendes Drehkolbenventil mit sechs Anschlüssen ausgebildet, bei welchem auf einer Antriebswelle 39 zwei Drehkolben 40 angeordnet sind, die über an ihnen ausgebildete Ausfräsungen 41 in der erforderlichen Schaltstellung jeweils die zugeordneten Leitungsverbindungen herstellen; die beiden Drehkolben 40 sind dabei auf der Antriebswelle 39 so versetzt, daß der eine Drehkolben 40 eine Verbindung der zur Förderpumpe führenden Leitung 23 mit der Hochdruck-Leitung 21 des Frischwassersystems herstellt, während gleichzeitig der andere Drehkolben 40 die an ihm angeschlossene Leitung 23 mit der Niederdruck-Leitung 24 des Frischwassersystems koppelt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten alternativen Ausführung der Förderpumpe 10 ist eine zentrale Antriebskammer 35 vorgesehen, die durch außenliegende Trennwände 36 gegen die außenliegend anschließenden Förderkammern 32 der Förderpumpe 10 abgetrennt ist; in der Antriebskammer 35 ist ein zentraler Kolbenbund 37 auf einer Kolbenstange 30 angeordnet, die zu beiden Seiten des zentralen Kolbenbundes 37 die jeweiligen Trennwände 36 durchdringt und bis in die außenliegenden Förderkammern 32 reicht. Bei der durch die wechselseitige Beaufschlagung der beiden Anschlüsse 34 mit unter Hochdruck stehendem Antriebsmedium herbeigeführten hin- und hergehenden Bewegung der Kolbenstange 30 wirken deren Enden jeweils als Arbeitskolben für die Auspreß- und Ansaugbewegung innerhalb der Förderkammern 32. Da die Stoffgrenze zwischen dem zu fördernden Medium und dem Antriebsmedium im Bereich der Führungen 38 der Kolbenstange 30 durch die Trennwände 36 liegen, sind größere Geschwindigkeiten bei der Bewegung der Kolbenstange 30 möglich, und es ergibt sich keine Zugbeanspruchung der Antriebskolben- bzw. Arbeitskolbenkonstruktion.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und der Zeichnung offenbarten Merkmale des Gegenstandes dieser Unterlagen können einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (12)

1. Pumpenanordnung zur Förderung eines Mediums, bei welcher zum Antrieb einer Förderpumpe (10) ein unter hohem Druck stehendes Antriebsmedium unter Zwischenschaltung eines eine Strömungsumkehr bewirkenden Umschaltventils (22) über die Förderpumpe (10) geführt ist, wobei die Förderpumpe (10) als doppelwirkende Kolbenpumpe mit zwei jeweils Einlaß- und Auslaßöffnungen (12, 13) für das zu fördernde Medium aufweisenden Förderkammern (32) sowie mit wenigstens einer davon getrennten und mit zwei mit dem Umschaltventil (22) verbundenen Anschlüssen (34) zur beidseitigen Beaufschlagung eines linear verschiebbaren Doppelkolbens mit dem Antriebsmedium versehenen Antriebskammer (33, 35) ausgebildet ist, und wobei die Antriebskammer (33, 35) der Kolbenpumpe über das signalgesteuerte Umschaltventil (22) einerseits mit dem Hochdruckbereich (HD-Bereich) für das zuströmende Antriebsmedium und andererseits mit einem Niederdruckbereich (ND-Bereich) des abströmenden Arbeitsmediums verbindbar ist.

2. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Kolbenpumpe (10) zwei getrennte Kolbenkammern (11) aufweist und der Doppelkolben an seinen Enden jeweils einen in der zugeordneten Kolbenkammer geführten und die jeweilige Kolbenkammer (11) in die Förderkammer (32) und in die Antriebskammer (33) unterteilenden Kolbenbund (31) aufweist.

3. Pumpenanordnung nach Anspruch 2, bei welcher die jeweiligen Antriebskammern (33) der beiden Kolbenkammern (11) einander benachbart und die jeweiligen Förderkammern (32) außenliegend angeordnet sind.

4. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Kolbenpumpe (10) eine zentrale Antriebskammer (35) und zwei außenliegende Förderkammern (32) aufweist und der Doppelkolben einen in der Antriebskammer hin- und herbeweglichen Kolbenbund (37) aufweist und mit den Enden seiner Kolbenstange (30) bis in die beiden Förderkammern (32) reicht.

5. Pumpenanordnung nach Anspruch 4, bei welcher der Querschnitt der in die Förderkammern (32) reichenden Kolbenstange (30) geringer als der Querschnitt der Förderkammern (32) bemessen ist.

6. Pumpenanordnung nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die Kolbenstange (30) in in den Trennwänden (36) zwischen der zentralen Antriebskammer (35) und den Förderkammern (32) angeordneten Führungen (38) verschiebbar geführt ist.

7. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher das Umschaltventil (22) als Drehkolbenschaltarmatur ausgebildet ist.

8. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher das Umschaltventil (22) druckluftbetätigt ist.

9. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher das Umschaltventil (22) elektromotorisch betätigt ist.

10. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher dem Umschaltventil (22) in dem HD-Bereich (Leitung 20, 21) für das Antriebsmedium eine Druckerhöhungspumpe (45) vorgeschaltet ist.

11. Verwendung einer Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Hebung von Grubenwässern als zu förderndes Medium aus Untertage-Betrieben des Bergbaus, wobei das aufgrund der Teufe ein hydrostatisches Energiepotential aufweisende Frischwasser der Kolbenpumpe (10) als Antriebsmedium zugeführt ist.

12. Verwendung einer Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, zur Kreislaufführung von Kalt- und Warmwasser für Untertage installierte Wetterkühlanlagen, wobei das aufgrund der Teufe ein hydrostatisches Energiepotential aufweisende Kaltwasser der Kolbenpumpe (10) als Antriebsmedium zugeführt ist und die Förderkammern (32) der Kolbenpumpe (10) an die Leitungen für das rückzufördernde Warmwasser angeschlossen sind.