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Verfahren zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen -Druckes eines
in einem offenen Leitungssystem befindlichen, insbesondere inkompressiblen Mediums
bei unterschiedlichen Durchsatz desselben sowie Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufrechterhaltung eines
bestimmten, einstellbaren Druckes eines insbesondere inkompressiblen Medåums, das
sich in einem Leitungssystem befindet und diesem Leitungssystem in unterschiedlichen
Mengen entnommen wird.
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Bei der TrinkwassSer-Versorgung wird beispielsweise Wasser
in
zeitlich stark schwankenden Mengen dem 'Versorgungsleitungssystem entnommen. Trotz
unterschiedlicher Entnahmemengen ist es jedoch erforderlich, da ein bestimluter
Druck innerhalb bestimmter Grenzen eingehalten wird.
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Auch bei anderen Gelegenheiten besteht die Notwendigkeit, Flüssigkeiten
in zeitlich stark schwankenden Mengen, jedoch bei gleichbleibendem Druck, zur Verfügung
stellen zu können.
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Zur Bereitstellung unterschiedlicher, zeitlich stark schwankender
Wassermengen mit konstante Druck, insbesondere bei der 1rinkwasser-Versorgung, wurden
bislang im wesentlichen zwei Methoden angewandt: Die eine Methode beruhte auf der
Speicherung einer derart großen Wassermenge in einem IIochbehalter, daß mit Sicherheit
Spitzenentnahmen an Wasser ohne Erschöpfung des wasservorrates entnommen werden
können, wobei der Druck von der Höhendifferenz des Hochbehälters gegenüber der Entnahmestelle
bestimmt wird, und wobei der Hochbehälter derart ausgelegt ist, daß ein absinken
des Wasserstandes in dem Hochbehälter selbst zu keiner wesentlichen Druckveränderung
führt, was dadurch erreicht werden kann, daß die Höhendifferenz zwischen dem höchsten
Wasserstand und dem niedrigsten Wasserstand in dem Hochbehälter beispielsweise nicht
mehr als 5 m beträgt, durch welche Maßnahme ein maximaler Druckunterschied von 0,5
atü eingehalten werden kann. Wie leicht zu erkennen, haben derartige
Hochbehälter
erhebliche Ausmaße und können aus diesem Grunde bei beschränkten raumverhältnissen
nicht eingesetzt werden. Lerartige Hochbehälter werden mittels kontinuierlich arbeitender
Pumpen gefüllt, was dadurch' möglich ist, daß der Hochbehälter als Puffer bei unterschiedlich
starker Wasserentnahme fungiert.
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Eine weitere bekannte Methode, unterschiedlich große Wassermenge bei
im wesentlichen konstanten Druck bereitstellen zu können, besteht darin, in einem
geschlossenen Vorratsbehälter wiederum eine der kurzzeitig möglichen maximalen Entnahme
entsprechende Wassermenge zu speichern, wobei nun dieser behälter im Gegensatz zu
einem Hochbehalter nach augen abgeschlossen ist und einen Gasraum aus vorzugsweise
Luft beinhaltet, gegen dessen druck der Vorratsbehälter wiederum durch ein Pumpsystem
kontinuierlich mit einer bestimmten Wassermenge beschickt wird. Dabei muß der Gasraum
über dem in den Behälter gepumpten wasser so ausgelegt sein, daß einmal der erforderliche
Wasserdruck durch das komprimierte Gas erreicht wird und zum anderen das eingeschlossene
und komprimierte Gas zwischen dem höchsten und dem niedrigsten in den Behalter vorgesehenen
Wasserstand eine bestimmte, zulässige Druckdifferenz nicht iberschritten wird, was
bedingt, daß das Gasvolumen gegentiber dem von dem bevorrateten Wasser eingeno
L.menen
Raum verhältnismäßig groß sein muß. Je größer der Gesrauu. gegenüber dem von dem
Wasser eingenommenen Raum ist, um so geringer kann die Lruckdifferenz bei unterschiedlichem
Wasserstand durch unterschiedliche Wasserentnahme in dem Behälter gehalten werden.
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Beiden oben beschriebenen Methoden der fasserversorgung mit konstantem
Druck haftet der Nachteil an, daß ein erheblicher Ilatzbedarf für die .asserbevorratung
erforderlich ist. Bei der Wasservorsorgung mittels eines Bevorratungssystems, das
zur Druckerzeugung mit einem eingeschlossenen Gas arbeitet, sind außerdem noch Maßnahmen
wegen bestehender Explosionsgefahr zu treffen sowie eine standige íIartung vorzusehen,
was sowohl die Herstellungskosten als auch die Unterhaltskosten derartiger Wasserversorgungssysteme
in die Höhe treibt. Ebenso mussen Maßnahmen getroffen werden, daß in dem abgeschlossenen
Vorratsbehälter ein maximaler Wasserstand nicht überschritten werden kann, und daß
zur weiteren Sicherung Uterdruckventile vorgesehen werden, die bei Überschreiten
eines bestimmten, maximal zulässigen Druckes ansprechen und für einen Abbau des
tberdruckes sorgen.
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Weiterhin ist denkbar, eine Wasserversorgung mit konstantem Druck
mittels einer bezüglich ihrer Förderleistung regelbaren Pumpe, z.B. einer Kreiselpumpe
entsprechender
Leistung, vorzusehen.' Eine Pumpe der vorbeschriebenen
müßte jedoch in ihrer Leistung so ausgelegt sein, daß sie mit Sicherheit auch den
höchstmöglichen Hasserbedarf zu decken in der Lage ist. Da der höchstmögliche Wasserbedarf,
beispielsweise bei der Trinkwasser-Versorgung, in der Regel jedoch nur ein- oder
zweimal innerhalb von 24 Stunden kurzzeitig anfällt, dann jedoch erheblich unter
dem mittleren Wasserverbrauch liegt, müßte eine derartige Pumpe fast ständig im
Teillastbereich betrieben werden, was äußerst unwirtschaftlich ist, da der Wirkungsgrad
von «reiselpumpen im Teillastbereich sehr schlecht ist. Zudem sind Pumpen großer
Leistung teuer in der Anschaffung.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, die vorbeschriebenen Systeme
zur Wasserversorgung mit konstantem Druck anhaftenden Nachteile, wie hoher Raumbedarf,
Wartungsintensivität sowie hohe Anschaffungs- und Betriebskosten, zu beseitigen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß. zwei oder mehrere
Pumpen in Kaskade zusammengeschaltet werden, wobei die erste Pumpe bezüglich ihrer
Förderleistung in Abhängigkeit des Druckes in dem Leistungssystem in der Weise regelbar
ist, daß bei einer augenblicklichen Wasserentnahmemenge der vorgegebene Druck in
dem Leitungssystem
aufrechterhalten wird, und daß immer dann, wenn
die erste leistungsgesteuerte Pumpe an der Grenze ihrer Förderleistun, angelangt
ist, eine höchstens gleiche, vorzugsweise jedoch eine geringere Förderleistung als
die leistungsgesteuerte erste Pumpe aufeisende nächste Pumpe zugeschaltet wird,
und daß die leistungsgesteuerte Pumpe durch den sich aufgrund der Zuschaltung der
nächsten Pumpe ergebenden höheren Druck in dem Leitungssystem soweit in ihrer Förderleistung
heruntergeregelt wird, daß bei der augenblicklichen Wasserentnahmemenge der vorgegebene
Druck eingehalten wird und umgekehrt.
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Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.
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In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 die Schaltung einer druckabhängig
geregelten Ereiselpumpe, Fig. 2 zeigt den Aufbau und die Schaltung von drei in Kaskade
geschalteten Pumpen gemäß der Erfindung, während Fig. 3 eine zeitlich gesteuerte,
zyklische Umschaltung von vier in Kaskade geschalteten Pumpen zeigt.
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Lit 1 und 2 ist in Fig. 1 ein Leitungssystem bezeichnet, in das eine
vorzugsweise als ikreiselpumpe ausgebildete Pumpe 3 eingeschaltet ist, die durch
einen Motor 4 angetrieben wird, der über ein Regelgerät 5 in Abhängigkeit dea durch
einen Meßwertaufnehmer 6 erfaßten Druckes in dem Zwei-g 2 des beitungssystemes geregelt
wird.
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Durch einen derartigen Aufbau einer Pumpanlage läßt sich auch bei
unterschiedlichen Entnahmemengen des in dem Leitungssystemgeförderten Mediums ein
in bestimmten Grenzen konstanter Druck aufrechterhalten. Sinne solche Pumpanordnung
ist jedoch immer dann unvorteilhaft, wenn hohe kurzzeitige Spitzenentnahmen des
geförderten Mediums auftreten, weil in diesem Falle die Pumpe mit ihrer Förderleistung
auf diese maximale Spitzenentnahme ausgelegt sein muß und dadurch den größten Teil
ihrer Betriebszeit im Teillastbereich läuft, in dem Ereiselpumpen einen schlechten
Wirkungsgrad besitzen.
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Durch die in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße Zusammenschaltung mehrerer
Pumpen wird dieser Nachteil vermieden.
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In Fig. 2 ist mit 1o die Zuleitung und mit 11 die Ableitung eines
Leitungssystems bezeichnet, in das die Pumpen 12, 13 und 14 eingeschaltet sind.
Sämtliche Pumpen sind parallelgeschaltet und eingangsseitig mit der Zuleitung 9
und
ausgangsseitig mit der l'vbleitung 11 des Leitungssystems verbunden. Der Druck in
der Ableitung 11 wird durch ein Manometer 15 erfaßt, das den gemessenen inert als
elektrische Größe auf einen Regler 16 gibt, der einmal den Mntriebsmotor 17 der
Pumpe 12 in Abhängigkeit des gemessenen Druckes drehzahlmäßig steuert und der andererseits
eine Schaltanlage 18 betätigt, wenn die Pumpe 12 die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit
erreicht hat, wodurch eine nächste der Pumpen 13 und/oder 14 zugeschaltet wird.
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Bei Zuschaltung einer der Pumpen 13 oder 14 durch die Schaltanlage
18 wird der Druck in der Ableitung 11 erhöht und infolgedessen gibt das Manometer
15 einen entsprechenden elektrischen Impuls an den Regler 16, der daraufhin in der
Weise in Tätigkeit tritt, daß der Antriebsmotor 17 der Pumpe 12 in seiner Drehzahl
soweit heruntergeregelt wird, daß der geforderte Druck in der Abl;eitung 11 aufrechterhalten
bleibt, während eine oder beide der nachgeschalteten Pumpen 13 bzw. 14 mit ihrer
vollen Förderleistung arbeiten.
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Der Schaltvorgang bei der erfindungsgemäßen Pumpstation geht so vor
sich, daß mit steigender Entnahme des geförderten Mediums aus der Ablltung 11 durch
den dadurch in dieser Leitung entstehenden Druckrückgang die Förderleistung der
Pumpe 12 durch den Meßwertgeber 15 in Verbindung
mit dem Regelgerät
16, das den Antriebsmotor 17 der Pumpe 12 steuert, die Förderleistung dieser Pumpe
hochgeregelt wird, bis diese in der ähe ihrer Leisttungsmaximus angelangt ist, Erhöht
sich weiterhin die Wasserentnahme, so wird durch den Regler 16, der einen entsprechenden
Schalt impuls an die Schaltanlage 18 gibt, die nächste Pumpe 13 eingeschaltet Durch
die Einschaltung der Pumpe 13 erhöht sich nun der Druck in der Ableitung 11, weshalb
der Meßwertgeber 15 entsprechende Impulse an das Regelgerät 6 gibt, wodurch bewirkt
wird , daß die Drehzahl des Antriebsmotors 1? der Pumpe 12 soweit zurückgeht, daß
die gemeinsame Flrderleistung der beiden eingeschalteten Pumpen 12 und 13 bei der
augenblicklich gegebenen Wasserentnahme zu Aufrechterhaltung des in dem Leitungssystem
11 gewünschten Druckes ausreicht. Sinkt dieser Druck jedoch aufgrund weiterer Wasserentnahme
ab, wird die Förderleistung der Pumpe 12 durch die Regelorgane 15 und 16 wieder
hoch geregelt bis zu dem Punkt, wo die Pumpe 12 ihre maximale Leistung erreicht.
Sinkt nun der Druck in der Leitung 11 bei größer werdender Wasserentnahme wieder
ab, obwohl die Pumoe 12 mit voller Leistung arbeitet, so wird aufgrung eines Steuerimpulses
des Regelgerätes 16 auch die nächste Pumpe 14 durch die Schaltange 18 zugeschaltet,
was dann zur Folge hat, daß infolge des Druckanstieges in der Leitung 11 die Förderleistung
der
Pumpe 12 durch die Regelschaltung 15 und 16 so weit zurückgenou)men
wird, daß der gewünschte Druck in der Leitung 11 aufrechterhalten bleibt.
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Die Gesamtförderleistung der Pumpen 12, 13 und 14 muß dabei so ausgelegt
sein, daß die maximal vorgesehene Wasserentnahme gedeckt werden kann. Weiter ist
zu beachte, daß die nachgeschalteten Pumpen 43 und 14 in ihrer Förderleistung unter
der maximalen Förderleistung der gerepelten Pumpe '52 liegt, dc7. andernfalls diese
Pumpe nicht in er Lage ist die mit voller Leistung zugeschalteten Pumpen 13 und
14 in ihrer plötzlich einsetzenden Förderleistung abzufangen.
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Gebt nun die Waseserentnahme aus der Leitung 11 zurück, so s ielt
sich der vorbeschniebene Vorgang in umgekehrter Reihenfolge ab, indern nu@ zunächst
die Förderleistung der Pumpe 12 durch das Regelgerät 16 bis an eine unterste Grenze
heruntergeregelt wird. Geht nun die Entnahme aus der Leitung @@ weiter zurück, so
daß sich der Druck in der Leitung erhöht, wird zunachst eine der Pumpen 13 oder
14 abgeschaltet, worauf infolge des Druckabfalls in der Leitung 11 die Förderleistung
der Pumpe 12 über die Regelvorrichtung 15, 16 so hoch geregelt wird, daß bei der
augenblicklichen Entnahmemenge aus der Leitung 11 der gewünschte Druck vorhanden
ist. In gleicher Weise
wird bei weiterer Verringerung der Entnahme
aus der LeItung 11 auch noch die zweite nicht leistungsgeregelte Pumpe abgeschaltet,
so daß nunmehr wiederum allein die Pumpe 12 mit entsprechender Leistung arbeitet.
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Dadurch, daß immer nur eine Pumpe (die Pumpe 12) in ihrem Teillastbereich
arbeitet, während die anderen Pumpen 13 und 14 entweder voll zugeschaltet oder voll
abgeschaltet sind, erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad der Pumpanlage erheblich.
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Das Regelgerät 16 weist eine Brückenschaltung auf, in deren einem
Zweig ein zur Einstellung eines gewünschten Druckes veränderlicher .t;'iderstand
und in derem anderen Zweig ein durch das Manometer 15 veränderlicher zweiter Widerstand
als Ist-tSertgeber des in der Leitung 11 herrschenden Druckes sich befindet. In
dieser Brückenschaltung erfolgt nun ein Ist-Soll-Wertvergleich statt, mit dessen
Hilfe die Leistung der Pumpe 12 durch Veränderung der Drehzahl des antriebsmotors
17 gesteuert wird.
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Bei der Zusarjmenschaltung mehrerer Pumpen in Kaskade, bei der die
nachgeschalteten Pumpen nur in größeren zeitlichen Abständen eingeschaltet werden,
besteht die Gefahr, daß diese nachgeschalteten Pumpen die aus Kostengründen im allgemeinen
aus Gußeisen bestehen, während ihrer
Stillegung durch das in ihrem
Gehäuseinnere befindliche, in der Regel aggresive Medium korrodieren und dadurch
so fest gehen, daß sie nach Einschaltung von alleine nicht anlaufen, sondern hierzu
zusätzlicher Maßnahmen bedürfen und im allgemeinen nur gewaltsam durchgetreten werden
können. Zur Vermeidung von Korrosionsschäden bei über längere Zeit stillstehenden
Pumpen ist bei der erfindungsgemäßen Pumpanlage eine beitautomatik 19 vorgesehen,
mittels derer in kurzen Abständen eine kurzzeitige Einschaltung der nachgeschalteten
Pumpen 13 und 14 möglich ist.
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Eine weitere Möglich eit zur Verbinderung von Korrosionsschäden bei
stsillie@enden Pumpen ist in Fig. 3 aufgezeigt, bei der eine zeitabhangig gesteuerte,
zyklische Umschaltung der in Kaskade zusammengeschalteten Pumpen erfolgt.
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Die zyklischeUmschaltung erfolgt dabei in der weise, daß zunächst
die Pumpe 21 dem Regler direkt zugeordnet ist, während die umpn 22, 23 und 24 als
nachgeschaltete Pumpen fungieren. Die erste zyklische Umschaltung führt dazu, daß
nunmehr die Pumpe 22 dem Regler direkt zugeordnet ist, während die Pumpen 23, 24
und 21 als nachgeschaltete Purpen fungieren. Ein zweiter zyklischer Schaltschritt
ordnet nunmehr die Pumpe 23 unmittelbar dem Regler zu, während die Pumpen 24, 21
und 22 nachgeschaltet sind. Ein dritter zyklischer Schaltschritt ordnet nunmehr
die Purpe 24 unmittelbar dem Regler zu,
während die Pumpen 21,
22 und 23 als nachgeschaltete Pumpen über die Schaltanlage 28 geschaltet werden.
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Ein vierter zyklischer Schalt schritt führt wieder zu der Zuordnung,
bei der die Pumpe 21 unmittelbar mit dem Regler verbunden ist, während die nachgeschalteten
Pumpen 22, 23 und 24 über die Schaltanlage 18 geschaltet werden.