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Die
Erfindung betrifft eine Pumpenvorrichtung mit einem Pulsator als
Antriebselement für einen Hauptpumpenkopf, der in einer
Förderleitung liegt und dessen Arbeitsraum saugseitig mit
einem Rückschlagventil und druckseitig mit einem Druckventil versehen
ist.
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Pumpen
dieser Art sind aus
EP
0919724 B1 und
EP
1898093 A1 bekannt. Hierbei wird ein in der Förderleitung
liegender Hauptpumpenkopf von einem weiteren Pumpenkopf angetrieben,
der als Pulsator bezeichnet wird. Eine derartige Pumpenvorrichtung
wird auch als „Remote Head”-Pumpe bezeichnet.
Eingesetzt werden derartige Pumpenvorrichtungen typischerweise zum
Pumpen von Flüssigkeiten mit hohem Festsstoffanteil und
hohen Temperaturen. Die bekannten Pumpen können jedoch
bei besonders aggressiven Fördermedien, wie beispielsweise überkritischen
wässrigen Lösungen, nicht ohne weiteres eingesetzt
werden, insbesondere wenn Prozesse mit sehr großem Durchsatz
unter hohen Temperaturen und hohen Drücken vorliegen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpenvorrichtung der
eingangs genannten Art anzugeben, die zum Pumpen von aggressiven
Fördermedien mit hoher Temperatur eingesetzt werden kann,
und die dennoch bei geringen Kosten mit hoher Zuverlässigkeit
arbeitet.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Arbeitsraum des Pulsators über
eine mit Fördermedium gefüllte Pendelleitung unmittelbar
mit dem Arbeitsraum des Hauptpumpenkopfes in der Weise in Verbindung
steht, dass der Pulsator oszillierend Fördermedium aus
der Förderleitung in den Arbeitsraum des Hauptpumpenkopfes
ansaugt oder aus dem Arbeitsraum drückt, und dass der Arbeitsraum
des Pulsators über ein Entlüftungsventil mit der
Saugseite der Förderleitung verbunden ist.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung liegt somit darin, dass der Pulsator
einen Hauptpumpenkopf beaufschlagt, der prinzipiell wie ein Kolbenpumpenkopf ausgebildet
ist, ohne dass jedoch ein Kolben erforderlich ist. Auf diese Weise
kann als Pumpenkopf ein für hohe Temperaturen und Drücke
geeignetes Standardbauteil verwendet werden, welches durch die Kombination
mit einer Standard-Membranpumpe insgesamt eine kostengünstige
Alternative zu den bekannten Lösungen darstellt, wobei
das Prinzip einer „Remote Head”-Pumpe beibehalten
wird. Der Verschleiß wird ferner dadurch verringert, dass
eventuell im Fördermedium vorhandene Partikel nicht mit
dem Arbeitsraum des Pulsators in Berührung kommen, da die
Flüssigkeit in der Pendelleitung nur im Umfang des Pumpenhubs
hin und her bewegt wird, und sich nur geringfügig mit frisch
angesaugter Flüssigkeit mischt. Der Pulsator kann in Membran-
oder Schlauchmembranbauweise sowie in Kolben- oder Plungerbauweise
ausgeführt sein. Wenn es sich bei dem Pulsator um eine
Membranpumpe handelt, gelangen Partikel nicht zur Membran. Da auch
hohe Temperaturen im Fördermedium im Verlauf der Pendelleitung
abnehmen, können Membranpumpen mit kostengünstigen
Kunststoff-Membranen, beispielsweise aus PTFE, auch bei hohen Drücken
und hohen Temperaturen in der Förderleitung eingesetzt
werden. Daher sind erfindungsgemäße Pumpenvorrichtungen
besonders gut zum Fördern von Biomasse bei der Herstellung
von Biokraftstoff geeignet.
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Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass sich aufgrund der Entlüftung
Gase aus dem Fördermedium oder Lufteinschlüsse
nicht in dem Pumpenraum des Pulsators ansammeln können,
sondern in den Prozess zurück geführt werden.
Bevorzugt liegt der Eintritt in die saugseitige Förderleitung
zu diesem Zweck oberhalb des Entlüftungsventils, so dass
die Gase selbsttätig aus dem Arbeitsraum austreten. Alternativ kann
eine Zwangsbelüftung, beispielsweise mit einem zeit- und/oder
druckgesteuerten Ventil, vorhanden sein.
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Um
die Membranpumpe noch weiter temperaturmäßig zu
entlasten, besteht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darin,
dass die Pendelleitung mit einer Kühlung versehen ist.
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Es
erweist sich ferner als vorteilhaft, dass die Pendelleitung von
der Membranpumpe zum Hauptpumpenkopf hin fallend ausgerichtet ist.
Die Partikel verbleiben somit im Bereich des Hauptpumpenkopfes und
werden in die Förderleitung zurückgeführt.
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Alternativ
kann es vorteilhaft sein, dass die Pendelleitung mit einer Senke
als Aufnahmeraum für Feststoffteilchen im Fördermedium
versehen ist. Es wird also in der Pendelleitung ein Bereich vorgesehen,
der unterhalb des Arbeitsraums der Membranpumpe liegt, so dass die
Partikel sich aufgrund der Schwerkraft dort ansammeln und nicht
in den Arbeitsraum des Pulsators gelangen.
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Es
ist zweckmäßig, dass der Arbeitsraum des Pulsators
mit einem Ausgleichsmedium zum Ausgleich von Leckageschwund beaufschlagt
ist, so dass ein Durchströmen der Pendelleitung und ein Wandern
von Feststoffteilchen zum Pulsator verhindert werden.
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Um
den Pulsator noch weiter gegen Feststoffteilchen aus dem Fördermedium
zu schützen, besteht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung darin, in der Pendelleitung einen Trennkolben anzuordnen.
Durch diese Maßnahme wird der dem Pulsator zugeordnete
Teil der Pendelleitung von dem Teil getrennt, welcher dem Hauptpumpenkopf zugeordnet
ist.
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Eine
geringe Antriebsleistung wird dadurch erreicht, dass ein doppelt
wirkender Pulsator und zwei gegensinnig angesteuerte Pumpenkreise
vorhanden sind, was besonders beim Einsatz bei Rezirkulationsprozessen
vorteilhaft ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen
weiter erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 einen
Vertikalschnitt durch eine erste Ausführung einer Pumpenvorrichtung;
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2 ein
Schaltbild einer aus zwei Pumpenvorrichtungen nach 1 zusammengesetzten Pumpenkonfiguration;
und
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3 eine
Einzelheit einer zweiten Ausführung einer Pumpenvorrichtung.
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Gemäß 1 weist
eine Pumpenvorrichtung 1 eine als Pulsator dienende Membranpumpe 10,
einen Hauptpumpenkopf 11 und eine Pendelleitung 12 auf.
Der Hauptpumpenkopf 11 hat einen Eingang 13 und
einen Ausgang 14 zum Einbau in eine Förderleitung,
deren Druckseite mit 5 und deren Saugseite mit 15 bezeichnet
sind. Eingangsseitig (saugseitig) ist ein Rückschlagventil 16 und
ausgangsseitig (druckseitig) ein Druckventil 17 vorhanden.
Die Förderrichtung ist mit Pfeil 6 gekennzeichnet.
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Konstruktiv
entspricht der Hauptpumpenkopf 11 zwar einem Pumpenkopf
einer Kolbenpumpe. Er weist jedoch keinen Kolben auf. Sein Arbeitsraum 18 ist
vielmehr unmittelbar über die Pendelleitung 12 mit einem
Arbeitsraum 20 der Membranpumpe 10 verbunden.
Die Membranpumpe 10 ist nur mit einem einzigen Anschluss 7 für
die Pendelleitung 12 versehen. Sie weist keine Pumpenventile
auf. Es ist lediglich ein Anschluss 8 für eine
Entlüftung mit einem Entlüftungsventil 9 (2)
und ein Anschluss 4 für ein Nachfüllreservoir 30 (2)
vorhanden. Somit bewirkt der Hub der Membranpumpe 10 über
die Flüssigkeitssäule in der Pendelleitung 12 die
Förderung im Hauptpumpenkopf 11.
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Die
Pendelleitung 12 ist mit Förderflüssigkeit 21 gefüllt.
Sie führt über einen Steuereingang 22 des Hauptpumpenkopfes 11 zum
Arbeitsraum 20 der Membranpumpe 10. Die Pendelleitung 12 ist
mit einer Kühlung versehen, die von einem mit Kühlflüssigkeit
beaufschlagten Kühlmantel 23 gebildet wird. Auf diese
Weise kann eine Temperaturabsenkung von beispielsweise ca. 360°C
am Hauptpumpenkopf 11, wie sie typischerweise die zu fördernde
Bio-Masse bei der Bio-Kraftstoffherstellung aufweist, auf ca. 100°C
an der Membranpumpe 10 vorgenommen werden.
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Da
die Pendelleitung 12 die Förderflüssigkeit 21 enthält,
welche auch Feststoffteilchen 24 aufweisen kann, ist ein
Abschnitt 25 in der Pendelleitung 12 vorhanden,
der von der Membranpumpe 10 zum Hauptpumpenkopf 11 hin
abfällt, und der unmittelbar in den Arbeitsraum 18 des
Hauptpumpenkopfes 11 mündet. An ihrer tiefsten
Stelle liegt die Pendelleitung 12 somit auf dem Niveau
des Arbeitsraums 18 des Hauptpumpenkopfes 11.
Die Feststoffteilchen 24 verbleiben dadurch aufgrund der
Schwerkraft im Arbeitsraum 18 des Hauptpumpenkopfes 11 und
gelangen nicht in den Arbeitsraum 20 der Membranpumpe 10.
Sie werden vielmehr der druckseitigen Förderleitung 5 zugeführt.
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Die
Membranpumpe 10 weist eine Membran 26 auf, die
hydraulisch über einen Membransteuerraum 27 angesteuert
wird. Als Membranwerkstoff eignet sich vorzugsweise PTFE. Alternativ
können auch Elastomere, metallische Werkstoffe oder Verbundwerkstoffe
eingesetzt werden. Der Membransteuerraum 27 wird mit einem
Kolben 28 beaufschlagt, der von einem Motor 29 (2)
angetrieben wird. Zum Ausgleich von Leckagen ist ein mit einem Ausgleichsmedium
gefülltes Nachfüllreservoir 30 vorhanden,
das über ein gesteuertes Ventil 31 (2)
Ausgleichsmedium in den Arbeitsraum 20 der Membranpumpe 10 abgibt.
Die Zuführung ist in 2 mit 32 bezeichnet.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 wird nachfolgend
die Funktion der Pumpenvorrichtung beschrieben. Die in 2 dargestellten
Konfiguration weist einen doppelt wirkender Pulsator mit zwei Pumpenvorrichtungen,
wie sie in 1 veranschaulicht sauf. Die Pumpenvorrichtungen
sind in zwei gegensinnig angesteuerten Zweigen A, B parallel geschaltet.
Zunächst wird ein Pumpvorgang anhand eines Zweiges beschrieben.
In einem Ausgangszustand ist der Kolben 28 in die Membransteuerkammer 27 eingefahren
und die Membran 26 ist in den Arbeitsraum 20 der
Membranpumpe 10 ausgebaucht. Die Pendelleitung 12 und
der Arbeitsraum 18 des Hauptpumpenkop fes 11 sind
mit Förderflüssigkeit vollständig gefüllt.
Das Rückschlagventil 16 und das Druckventil 17 sind
geschlossen.
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Wird
der Kolben 28 ausgefahren, bewirkt dies ein Abflachen der
Membran 26 und einen Unterdruck im Arbeitsraum 20 der
Membranpumpe 10. Der Unterdruck wirkt über die
Pendelleitung 12 im Arbeitsraum 18 des Hauptpumpenkopfes,
so dass das Rückschlagventil 16 öffnet
und Förderflüssigkeit von der Saugseite der Förderleitung 15 angesaugt
wird. Beim folgenden entgegengesetzten Hub des Kolbens 28 wird
beim Ausbauchen der Membran 26 Druck im Arbeitsraum 20 der
Membranpumpe 10 erzeugt, der über die Pendelleitung 12 auf
den Arbeitsraum 18 des Hauptpumpenkopfes 11 wirkt.
Der Druck bewirkt ein Schließen des Rückschlagventils 16 und
ein Öffnen des Druckventils 17, so dass Förderflüssigkeit 21 in
die druckseitige Förderleitung 5 gepumpt wird.
Durch oszillierende Bewegung des Kolbens 28 erfolgt auf
diese Weise eine kontinuierliche Förderung.
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Durch
die gegensinnige Ansteuerung zweier Hauptpumpenköpfe 11 mittels
doppelt wirkendem Pulsator 10, der vorzugsweise in Membranbauart ausgeführt
ist, überlagern sich die Pump- und Saugvorgänge
mit den zwei Kreisen A und B derart, dass insbesondere bei Rezirkulationsprozessen
mit hohem Systemdruck und relativ niedrigem Differenzdruck zwischen
Saug- und Druckleitung nur eine geringe Leistung für den
antreibenden Motor erforderlich ist. Alternativ kann jeder Hauptpumpenkopf 11 mit
einem einfach wirkenden Pulsator gleich- oder gegensinnig angesteuert
werden.
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In 3 ist
als Einzelheit eines zweiten Ausführungsbeispiels ein Abschnitt
einer Pendelleitung 12' veranschaulicht. Zur Trennung der
Flüssigkeitssäule in der Pendelleitung 12' ist
ein gemäß Doppelpfeil 34 längsverschiebbar
gelagerter Trennkolben 32 in der Pendelleitung 12' angeordnet.
Eventuell vorhandene Feststoffteilchen 24 verbleiben dadurch
in einem Bereich 32 auf Seiten des Hauptpumpenkopfes 11 und
können nicht in einen Bereich 33 auf Seiten der
Membranpumpe gelangen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0919724
B1 [0002]
- - EP 1898093 A1 [0002]