DE19942867A1

DE19942867A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Pumpen von Fluid unter Verwendung einer Pumpe mit einem konstanten Durchsatz beim Ansaugen oder Fördern

Info

Publication number: DE19942867A1
Application number: DE19942867A
Authority: DE
Inventors: Francois Couillard; Andre Renot
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1998-09-09
Filing date: 1999-09-08
Publication date: 2000-03-23
Also published as: FR2783021B1; GB9920980D0; JP2000087846A; GB2344141A; US6244838B1; GB2344141B; FR2783021A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen von Fluid in Leitungen, unter Verwendung einer Pumpe mit wenigstens zwei Pumpeinheiten für Fluid vom hin- und hergehenden Typ, an diesen Leitungen. DOLLAR A Die Pumpeinheit (PU1, PU2) umfaßt einen Zylinder (2) sowie einen im Zylinder hin- und hergehenden Kolben (1), unter der Wirkung von Antriebseinrichtungen (M), bei Regelung durch ein Steuerorgan (PC) mit zwangsweisen Verschiebungsgesetzen für die beiden Kolben (f(t), g(t)), die zweckmäßig bezüglich einander phasenversetzt sind, um einen ersten Arbeitsmode entsprechend entweder im wesentlichen konstanter Ansaugmenge oder im wesentlichen konstanter Fördermenge zu erhalten. Man läßt diese Pumpe im gleichen Kreis entsprechend dem komplementären Arbeitsmode durch eine Umkehrung der Verschiebungsrichtung der Kolben derart arbeiten, daß den Kolben Bewegungsgesetze (-f(t), -g(t)) auferlegt werden, die symmetrisch zu denen entsprechend dem ersten Arbeitsmode sind. Eine solche Pumpe ermöglicht es, beliebig einem der Kriterien zu genügen: konstante Ansaugmenge oder konstante Fördermenge, je nachdem, was am Ort der Kreise, wo sie eingesetzt ist, gefordert wird. DOLLAR A Anwendung: Insbesondere auf dem Gebiet der Chromatographie.

Description

Die Erfindung betrifft eine reversible Pumpe für Fluide, die mit konstantem Durchsatz sowohl beim Ansaugen wie beim Fördern ar beiten kann und richtet sich auch ein eine solche Pumpe verwen dendes hydraulisches System.

Sie befaßt sich insbesondere mit einer reversiblen Pumpe mit zwei Pumpelementen in hin- und hergehendem Betrieb, die in Reihe oder parallel zueinander verbunden sind und die bei konstantem Durchsatz sowohl beim Ansaugen wie beim Fördern in einem Zirku lationssystem für Fluide arbeiten kann, wie man es bei verschie denen Industrietypen findet. Die Pumpe nach der Erfindung findet Anwendungen insbesondere in den Systemen der Chromatographie.

Stand der Technik

Unterschiedliche Pumpentypen können verwendet werden, um flüssi ge Gemische in Zirkulation zu versetzen. Bekannt sind beispiels weise im Hin- und Hergang arbeitende Pumpen (Kolbenpumpen), die im allgemeinen zwei lineare Pumpeinheiten mit hin- und hergehen der Bewegung, die parallel angeordnet sind, kombinieren.

Nach der Ausführungsform der Fig. 1 umfaßt jede der beiden der parallelen Einheiten eine kolbenbildende Stange 1, die in einem Zylinder 2 gleitet, der vermittels eines in einer Richtung wir kenden, in der Saugphase öffnenden Ventils 4 mit einer Ein trittsleitung 3 kommuniziert, die aus einem ersten T-Stück der Verteilung T1 einer Flüssigkeit L stammt. Die beiden Einheiten PU1, PU2 stehen ebenfalls über eine Austrittsleitung 5 und ver mittels Ventilen 6, die in der Förderphase öffnen, mit einem zweiten T der Verteilung T2 in Verbindung. Die beiden Einheiten PU1, PU2 sind zur Phasenverschiebung durch Motoren M, geregelt durch ein Regelorgan PC, gesteuert, derart, daß die Saugphase der einen im wesentlichen der Förderphase der anderen entspricht.

Verschiedene Arten von Antriebsmitteln M können verwendet wer den.

Das mehr oder weniger tiefe Eindringen jeder Stange 1 in ihren Zylinder 2 kann beispielsweise (Fig. 3) durch Translation einer Schnecke 7 sichergestellt werden, die sich gegen den Kopf des Kolbens 1 vermittels eines Kugelradiallagers 8 abstützt. Die Translationsmittel für die Schnecke umfassen beispielsweise eine Schneckenmutter 9, die an die Schnecke 7 angepaßt ist und die beispielsweise im hohlen Rotor eines Elektromotors 10, der fest ist und von ihr in Drehung versetzt wird, lagert. Man wechselt die Translationsrichtung der Schnecke, indem man den Drehsinn des Motors bei jedem Halbzyklus des Pumpens umkehrt.

Nach einer zweiten Ausführungsform (Fig. 4) wird das mehr oder weniger tiefe Eindringen der Stange 1 in das Gehäuse 2 sicherge stellt durch die Drehung einer Nocke 11, die sich gegen den Kopf des Kolbens 1 abstützt und deren Achse 12 in Drehung durch einen Motor 13 angetrieben wird. Das mehr oder weniger tiefe Eindrin gen des Kolbens 1 in den Innenhohlraum des Gehäuses 2 wird er halten, indem man die Exzentrizität Δ der Nocke auf ihre Achse verändert. In dem einen oder anderen Fall wird der Antrieb des Motors 13 gesteuert durch einen Hilfsrechner PC.

Die Geschwindigkeit jedes Kolbens 1 vermindert sich bei Hubende. Das gleiche gilt somit für die Menge, die gefördert wird. Will man, daß die Fördergesamtmenge der beiden Einheiten PU1, PU2 (Fig. 1) im wesentlichen konstant ist, ist es notwendig, daß die Summe der Geschwindigkeiten der beiden Kolben konstant bleibt und daß damit die Einheit PU2 beispielsweise ihre Förderphase beginnt, bevor die erste Einheit PU1 noch nicht ganz geendet hat. Während des relativ kurzen Teils jedes Zyklus', wo die beiden Einheiten gleichzeitig fördern, ist der Saugdurchsatz Null, was zum Ergebnis hat, daß der Pumpendurchsatz bei Ansau gung pulsiert.

Bei einer Pumpe mit zwei Einheiten PU1, PU2, die in Reihe an geordnet sind (Fig. 2), saugt die Einheit PU1 Fluid aus einem Speicher R über eine Leitung TE, an der ein erstes Rückschlag ventil V1 zwischengeschaltet ist. Sie fördert durch ein zweites Rückschlagventil V2 hindurch zur Einheit PU2. Diese fördert das gepumpte Fluid durch eine Leitung TS gegen den Austritt der Pumpe. Wenn sich der Kolben 1 der Einheit PU1 in der Förderphase befindet und er ein Volumen ΔV zur abströmseitigen Einheit PU2 treibt, dann steuert man den Rücklauf des Kolbens 1 der Einheit PU2 derart, daß er ein Volumen ΔV_s = ΔV/2 ansaugt, indem er es an dem durch die erste Einheit PU1 geförderten Volumen entnimmt. Das gegen die Leitung TS gedrückte Volumen ist also gleich ΔV/2. Wenn der Kolben 1 der gleichen ersten Einheit PU1 in die Saug phase unter Schließen des Ventils V2 geht, geht der Kolben 1 der zweiten Einheit PU2 in die Förderphase und schiebt gegen die Leitung TS das Volumen ΔV_s = ΔV/2, das vorher angesaugt wurde, aus. Der über die Leitung TS verdrängte Durchsatz ist konstant unter der Bedingung, daß die Bewegungsgesetze, die auf die zwei Kolben anwendbar sind, derart gewählt werden, daß die Summe ihrer jeweiligen Geschwindigkeiten dauernd konstant bleibt. Ein Beispiel für eine Pumpe dieses Typs ist beschrieben in der FR 2 726 332 (US 5,755,561) der Anmelder.

Definition der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen von Fluid in einem Kreis, der die Verwendung in diesem Kreis einer Pumpe mit wenigstens zwei hin- und hergehenden Pumpeinheiten für Fluid verwendet, die je einen Zylinder und einen Kolben umfassen, der im Zylinder verschiebbar ist, mit, für die Kolben Bewegungs- oder Verschiebungsgesetzen, die zweckmäßig bezüglich einander phasenverschoben auferlegt sind, um einen ersten entsprechenden Arbeitsmode entweder mit im wesentlichen konstanter Ansaugmenge oder mit im wesentlichen konstanter Fördermenge zu erhalten.

Das Pumpverfahren zeichnet sich dadurch aus, daß man die Pumpe im gleichen Kreis entsprechend einem zweiten Arbeitsmode - kom plementär zum ersten Mode - durch eine Inversion der Verschie bungsrichtung der Kolben derart arbeiten läßt, daß ihnen Ver schiebungsgesetze aufgezwungen werden, die symmetrisch denen entsprechend dem ersten Mode sind.

Das Fluidpumpsystem in den Leitungen nach der Erfindung umfaßt wenigstens eine Pumpe, die mit wenigstens zwei Fluidpumpeinhei ten der hin- und hergehenden Bauart bzw. Kolbenpumpen ausgestat tet ist, die je einen Zylinder und einen im Zylinder hin- und hergehenden Kolben umfassen. Es umfaßt Mittel der alternativen Verschiebung oder Bewegung der beiden Kolben, einer Ausbildung derart, daß den Kolben der Pumpeinheiten jeweils Bewegungs- oder Verschiebungsgesetze (f(t), g(t)) als Funktion der Zeit t auf erlegt werden, die jeweils zweckmäßig bezüglich einander phasen versetzt sind, um einen ersten Arbeitsmode der Pumpe mit kon stantem Saugdurchsatz oder im wesentlichen konstantem Förder durchsatz zu erhalten.

Das Pumpsystem zeichnet sich dadurch aus, daß es Umkehrungsmit tel umfaßt, die auf die Verschiebungsmittel der beiden Kolben wirken, um Verschiebungsgesetze (-f(t), -g(t)), die symmetrisch zu den vorhergehenden sind, aufzuerlegen und für die erste Pumpe einen zweiten Arbeitsmode komplementär zum ersten Arbeitsmode mit konstanter Förder- oder im wesentlichen konstanter Saugmenge zu erhalten.

Nach einer Verwirklichungsform umfassen die umkehrbaren Verschiebungsmittel für jeden Kolben einen Schnecke, die alter nativ parallel zu ihrer Achse durch einen Antriebsmotor verscho ben wird sowie ein Steuerorgan, um abwechselnd den Drehsinn des Antriebsmotors in Übereinstimmung mit dem gewählten Arbeitsmode zu ändern.

Nach einer anderen Ausführungsform umfassen die Umsteuerungs mittel für die Bewegung jedes Kolbens Profilnocken, die in Dre hung durch ein und den gleichen Motor versetzt werden sowie ein Steuerorgan, um den Motor als Funktion des gewählten Arbeits modes zu steuern bzw. zu regeln.

Das Pumpsystem kann mehrere Pumpen umfassen, die beispielsweise auf verschiedenen Leitungen einer Anordnung von Leitungen in stalliert sind sowie eine Regelvorrichtung, die so ausgelegt ist, daß sie für jede der Pumpen den ersten oder den zweiten Arbeitsmode derart wählt, daß bestimmte Zirkulationsbedingungen in der Gesamtheit der Leitungen eingehalten werden.

Nach einem Ausführungsbeispiel umfaßt das Pumpsystem mehrere Pumpen in einem Kreis sowie auf Fluidinjektions- und/oder Injek tionszweigen, wobei die Regelvorrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Motoren der unterschiedlichen Pumpen derart steuert, daß die Summe der Volumina der injizierten Fluide bei konstantem Durchsatz nach dem zweiten Arbeitsmode im wesentlichen gleich der Summe der Volumina der Fluide ist, die bei konstantem Durch satz entsprechend dem ersten Arbeitsmode abgezogen wurden.

Andere Merkmale und Vorteile des Verfahrens und des Systems nach der Erfindung ergeben sich beim Lesen der nachstehenden Be schreibung einiger nicht als begrenzend anzusehender Ausfüh rungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, in de nen:

Fig. 1 schematisch einen ersten Typ für Pumpen mit Hin- und Hergang mit zwei parallel geschalteten Einheiten zeigt;

Fig. 2 zeigt schematisch einen zweiten Typ für Pumpen mit hin- und hergehender Bewegung mit zwei parallelen Einheiten;

Fig. 3 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Kolbens, der durch eine Schnecke bewegt wird;

Fig. 4 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines Pumpenkolbens, der über eine Nocke angetrieben wird;

Fig. 5 ist ein Beispiel für die jeweiligen Bewegungsgesetze der Kolben der Pumpeinheiten der Fig. 1, die zweckmä ßig bezüglich einander phasenverschoben sind, derart daß man eine konstante Fördermenge erhält und

Fig. 6 zeigt schematisch eine Schleife, wie man sie bei spielsweise in der Chromatographie einsetzt, wo die Pumpen nach der Erfindung verwendet werden können, um genau die Mengenanforderungen einhalten zu können.

Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Betrachten wir beispielsweise eine Pumpe wie sie in der Fig. 1 schematisiert ist, wo die beiden parallel liegenden Pumpeinhei ten PU1, PU2 durch Antriebsmittel der Fign. 3 oder 4 gemäß Ver schiebungsgesetzen f(t) und g(t) bewegt werden, wie in Fig. 5 dargestellt. Die beiden Funktionen f(t) und g(t) sind bezüglich einander derart versetzt, daß die Förderphasen nicht vollständig zeitlich getrennt sind. Man erhält so eine konstante Fördermen ge, wenn die Summe der Ableitungen f'(t) und g'(t) dieser beiden Funktionen konstant bleibt. Während des Zeitintervalls d wo die beiden Kolben sich in der gleichen Richtung verschieben, ist die Saugmenge ganz offensichtlich gleich Null.

Das Pumpverfahren nach der Erfindung besteht im wesentlichen gemäß den nachstehend zu beschreibenden Fällen darin, die Dre hung des oder jedes Antriebsmotors der Nocken oder der Schnecken der Pumpen (Fig. 1 oder 2) derart zu steuern, daß man den Kolben Verschiebungsgesetze f(t) und g(t) in einer Richtung und sym metrische Verschiebungsgesetze -f(t) und -g(t) in der entgegen gesetzten Richtung verleiht, wobei die Folge derart ist, daß in der ersten Richtung man beispielsweise eine Förderung bei kon stanter Menge und in der entgegengesetzter Richtung ein Ansaugen bei konstanter Menge erhält und dies für ein und die gleiche Pumpe, ohne in irgendeiner Weise ihre Anschlüsse an der Leitung, wo sie angebracht ist, zu modifizieren. Im ersten Fall wird die Saugmenge Schwankungen aufweisen, im anderen Fall wird die För dermenge Fluktuationen bzw. Schwankungen aufweisen.

Die Verwendung einer solchen Pumpe ist vorteilhaft aufallen Gebieten, wo allein eines der Kriterien konstante Ansaugmenge oder konstante Fördermenge wichtig sind. Dies ist der Fall in hydraulischen Systemen, wo die bestimmten Zirkulationsbedingun gen der Fluide vorgegeben sind: Zirkulation von verschiedenen Fluiden mit festen Sollwertmengen für unterschiedliche Mengen an ein oder mehreren Stellen für einen günstigen Verlauf eines ablaufenden Prozesses.

So kann man beispielsweise die Trennsysteme vom Typ mit bewegli chem simulierten Bett nehmen wie beispielsweise beschrieben in den französischen Patentschriften FR 2 651 149 (US 5,114,590) oder FR 2 762 793 (US 5,902,486). Wie in Fig. 6 schematisiert, umfaßt ein solches System eine Anordnung von Kolonnen oder Ko lonnenfraktionen, die in Reihe geschaltet sind und eine ge schlossene Schleife bilden. Längs dieser Schleife sind Injek tionspunkte e1, e2 für ein zu trennendes Gemisch und ein Lö sungsmittel oder Desorbens verteilt sowie Punkte s1, s2 zum Abziehen der Fluide: Extrakt und Raffiant begrenzen unterschied liche Zonen. Die Fluide werden an den Injektionspunkten e1, e2 vermittels der Pumpen P1, P2 eingeführt. Die Fluide werden an den Abzugspunkten s1 bzw. s2 über die Pumpen P3 und P4 abgezo gen.

Bei einem solchen System ist es wichtig, daß die Injektionen und Extraktionen bei sehr konstanten und nicht pulsierten Mengen ausgeführt werden. Verwenden kann man die oben beschriebenen Pumpen, wenn man für jede hiervon den geeigneten Steuermode am Ort, wo sie im Zweig liegt, wählt.

So wählt man an den bei e1, e2 ankommenden Zweigen für die Pum pen P1, P2 den zweckmäßigen Mode, um ein Verdrängen bei konstan tem Durchsatz, der nicht pulsiert ist, zu erhalten, wobei die eventuellen Pulsationen am Eintritt dieser beider Pumpen keinen Einfluß auf die Funktion der Schleife haben. An den Punkten s1, s2 abgehenden Zweigen wählt man für die Pumpen P3, P4 einen Arbeitsmode, wo es dagegen die Saugmenge ist, die genau konstant und nicht pulsiert ist. Die eventuellen Pulsationen an ihren Austritten haben keinen Einfluß auf die Funktion der Schleife.

In der Schleife ist eine Zirkulationspumpe PS installiert, die einen konstanten Durchsatz sowohl beim Saugen wie beim Fördern hat. Man kann beispielsweise eine Pumpe mit drei Pumpeinheiten verwenden, wie in der französischen Patentschrift FR 2 768 189 der Anmelder beschriebenen Art verwenden.

Claims

1. Verfahren zum Pumpen von Fluid in Leitungen, die Verwen dung an diesen Leitungen einer Pumpe mit wenigstens zwei Pump einheiten für Fluide vom hin- und hergehenden Typ (PU1, PU2) umfassend, die je einen Zylinder (2) und einen im Zylinder ver schiebbaren Kolben (I) aufweisen, bei - für die beiden Kolben - zwangsweise auferlegten Verschiebungsgesetzen (f(t), g(t)), die zweckmäßig bezüglich einander phasenversetzt sind, um einen ersten Arbeitsmode entsprechend entweder einer im wesentlichen konstanten Saugmenge oder einer im wesentlichen konstanten För dermenge zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß man die Pumpe im gleichen Kreis entsprechend dem komplementären Arbeitsmode durch eine Umkehr der Verschiebungsrichtung der Kolben derart arbeiten läßt, daß den Kolben Verschiebungsgesetze (-f(t), -g(t)) auferlegt werden, die symmetrisch zu denen entsprechend dem ersten Arbeitsmode sind.

2. System zum Pumpen von Fluiden in Leitungen, die wenigstens eine Pumpe mit wenigstens zwei Pumpeinheiten für Fluide der hin- und hergehenden Bauart (PU1, PU2) umfaßt, die je über einen Zylinder (2) und einen im Zylinder (1) verschiebbaren Kolben verfügen, Mittel für eine hin- und hergehende Bewegung der bei den Kolben, die so ausgelegt sind, daß sie jeweils den Kolben der Pumpeinheiten Verschiebungsgesetze (f(t), g(t)) zwangsweise als Funktion der Zeit t auferlegen, die bezüglich einander pha senversetzt sind, um einen ersten Arbeitsmode der Pumpe bei konstanter Saugmenge oder im wesentlichen konstanter Fördermenge zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß es Umkehrmittel umfaßt, die auf die Verschiebungsmittel der beiden Kolben einwirken, um diesen Bewegungsgesetze (-f(t), -g(t)) zu erteilen, die sym metrisch zu den vorhergehenden sind und um einen zweiten kom plementären Arbeitsmode der Pumpe mit konstanter Fördermenge oder im wesentlichen konstanter Saugmenge zu erhalten.

3. Pumpsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zur Umkehrung der Bewegung jedem Kolbens (1) eine Schnecke (7) umfassen, die hin- und hergehend parallel zur ihrer Achse durch einen Antriebsmotor (10) verschiebbar ist und ein Steuerorgan (PC), um abwechselnd die Drehrichtung des Antriebs motors in Übereinstimmung mit dessen gewähltem Arbeitsmode zu verändern.

4. Pumpsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Umkehrung der Verschiebebewegung jedes Kolbens (1) Profilnocken (11) aufweisen, die durch einen Motor (13) in Drehung versetzt werden sowie ein Steuerorgan (PC), um den Motor (13) als Funktion des gewählten Arbeitsmodes zu steuern.

5. Pumpsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß es mehrere Pumpen (P) umfaßt, die beispiels weise an verschiedenen Leitungen einer Gruppe von Leitungen installiert sind sowie eine Regelvorrichtung (14), die so ausge legt ist, daß sie für jede der Pumpen den ersten oder zweiten Arbeitsmode wählt, derart, daß die vorbestimmten Zirkulations bedingungen in der Gruppe von Leitungen eingehalten werden.

6. Pumpsystem nach Anspruch 5, mehrere Pumpen (P1-P5) in einem Kreis (L) und auf Fluidinjektions- und/oder Fluidextrak tionszweigen umfassend, wobei die Regelvorrichtung (14) so aus gelegt ist, daß sie die Motoren der verschiedenen Pumpen derart steuert, daß die Summe der injizierten Fluide mit konstantem Durchsatz entsprechend dem zweiten Arbeitsmode im wesentlichen gleich der Summe der Volumina der abgezogenen Fluide bei kon stantem Durchsatz entsprechend dem ersten Arbeitsmode wird.