DE2753905C2

DE2753905C2 - Dosierverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE2753905C2
Application number: DE19772753905
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. 5672 Leichlingen Ellegast; Karl Heinrich Dipl.-Ing. 4047 Dormagen Grötecke; Achim 5000 Köln Pache
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1977-12-03
Filing date: 1977-12-03
Publication date: 1983-02-17
Also published as: DE2753905A1

Description

renz vor und nach der Dosierpumpe ist.

Des erfindungsgemäßu Verfahren und die Vorrichtung sind nicht auf ein bestimmtes Mengenverhältnis A zu B oder auf bestimmte Druckbereiche beschränkt. Sie eignen sich aber ganz besonders für die »schwierigen« Fälle. In einen Hauptstrom A können sehr genau Additive B auch in einem Mengenverhältnis 1000:1 oder kleiner zudosiert werden. Es kann die Viskosität der Komponente B stark von der Viskosität von der Komponente A nach oben und unten abweichen. Es kann der Förderdruck in der Leitung für die Komponente A hoch sein, beispielsweise 100 bar oder mehr, und es kann der Druck in der Leitung A schwanken, ohne daß sich die Dosiergenauigkeit ändert Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine lange Standzeit und damit hohe Betriebssicherheit aus. Es lassen sich Komponenten zudosieren, die zur Kristallisation neigen. Auch aggressive oder heiße Komponenten können bei Berücksichtigung bekannter Werkstoffeigenschaften zugemischt werden.

Durch die Verwendung von Rotationsverdrängerpumpen, insbesondere Zahnradpumpen, ist ein regelbarer Betrieb auch unter rauhen Bedingungen gewährleistet, denn die Verunreinigungsgefahr dieses Pijmpentyps ist sehr klein. Bei der erfindungsgemäßen Betriebsweise kommt es auf einen (konstanten) Schlupf oder auf hohe Dichtigkeit des Drosselventilsitzes nicht an.

Bei der Auslegung der Dosiervorrichtung ist die Druckerhöhungspumpe so zu bemessen und die Drosselstelle in dem Steuerorgan so einzustellen, daß bei allen Betriebsbedingungen ein Teil des Stromes der Komponente B über das Steuerorgan wieder zurückgeführt wird und daß der Druck an der Zahnradpumpe mindestens so groß werden kann wie der maximal vorkommende Druck in der Leitung für die Komponente A.

An die Druckerhöhungspumpe ist besonders die Anforderung der stetigen Förderung zu stellen, welches durch eine Rotationsverdrängerpumpe (Zahnradpumpe) hinreichend erfüllt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Steuerorgan eine elastische Wand (Membran), die so empfindlich auf Druckänderungen in der Mischleitung hinter der Dosierpumpe für die Komponente B reagiert, daß die Zusammensetzung des Gemisches A und B auch bei Druckschwankungen bzw. Druckverstellungen, beispielsweise um einen Faktor 5 sich nk'ht ändert

Das erfindungsgemäße Verfahren und eine Vorrichtung sind beispielsweise in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein VerfahrenssclK'ma;

F i g. 2 einen Schnitt durch eine membrangesteuerte Drosselvorrichtung.

Der Mengenstrom der Komponente A wird bei 1 (beispielsweise mit einer Venturi-Anordnung) gemessen. Diese Meßgröße wirkt über den Regler 2 auf die Drehzahl des Motors 3 ein, der eine zwangsfördernde Rotationsverdrängerpumpe (Zahnradpumpe) 4 antreibt. Die Födermenge einer Zahnradpumpe ist nicht nur abhängig von der Drehzahl, sondern auch von der Druckdifferenz aus dem Druck Pi bei 5 und P₂ bei 6. Der bei 6 gemessene Druck ist häherüngsweise gleich dem Druck in der Leitung 8. In vielen Anwendungsfällen ist der Druck in der Leitung 8 nicht konstant. Daher wäre die alleinige Steuerung der Pumpendrehzahl bei dieser Betriebsweise nicht für eine genaue Dosierung ausreichend, weil wegen der Spaltverluste der Verdrängerpumpe 4 der Dosierfehler zu groß werden würde. Herrschen jedoch an der Pumpe 4 stets gleiche Betriebsverhältnisse, insbesondere ein konstanter, möglichst kleiner Differenzdruck zwischen Pumpenein- und -ausgang, so ist die Drehzahl der Fördermenge proportional, die Spaltverluste ändern sich nicht und brauchen nicht extra berücksichtigt zu werden. Das Steuerorgan 7 bewirkt bei richtiger Einstellung, daß die Drücke P\ und Pi näherungsweise auf gleichem Niveau

to (Druckabfall beispielsweise 0,001 bar) gehalten werden, im Mittel der Schlupf in der Dosierpumpe 4 schwindet und die Pumpe dabei ihre theoretische Fördermenge bei jeder einstellbaren Drehzahl liefert Dazu ist erforderlich, daß durch eine Vordruckpumpe 9, die von einem Motor 10 angetrieben wird, ein so hoher Druck bei einer ausreichend großen Fördermenge aufgebaut wird, daß auch bei der maximal zur Zudosierung erforderlichen Menge B immer noch ein Teilstrom über die Leitung 11 abfließt Dieser Strom wird zurückgeführt und über 12 wieder eingespeist Der Dosierstrom aus der Pumpe 4 gelangt ebenfalls in die Stellvorrichtung, wo er von dem ÜberschuBstrom in der Leitung 11 durch eine elastische Membran getrennt ist Ein differentielkv Druckunterschied zwischen den beiden FlüssigkeitsstrOmen führt dazu, daß sich die Membran in die Richtung auf den Raum mit dem niedrigeren Druck auslenkt, weil s'ch zwischen den Kräften Druckdifferenz · Membranfläche und Memb.anrückstellkraft stets ein Gleichgewichtszustand hält Auf der Vordruckseite (P\) ist an der Membran ein Ventilstößel angebracht, der auf einen Gegensitz geführt wird. Ist P₂ größer als Pi, so steigt die Kraft Druckdifferenz · Membranfläche über die Membranrückstellkraft und mindert den Durchfluß durch den Ventilsitz, wodurch der Druck auf der Vordruckseite der Membran durch den kontinuierlich nachfließenden Oberschußstrom angehoben wird. Dadurch wird die Druckdifferenz vermindert, und die erhöhte Membranrückstellkraft vergrößert die Distanz zwischen Ventilsitz und Stößel, wodurch der freie Durchtrittsquer-

schnitt für den Oberschußstrom anwächst Solange ein Oberschußstrom vorhanden ist ist das Gleicngewicht zwischen den Kräften sichergestellt Daher ist selbst dann noch eine exakte Dosierung möglich, wenn der Ventilsitz durch Verschleiß oder Verschmutzung in der

Endlage nicht dicht ist, wenn nur der Oberschußstrom größer als diese Leckage ist. Der Ventilsitz der Stellvorrichtung ist über ein Gewinde mit S'offbuchsabdichtungen in seiner Höhe relativ zur Ventilstößelruhelage einstellbar, so daß durch Vergleich von P\ und P₂

so der Punkt gefunden werden kann, an dem in der Betriebsgleichgewichtslage sich die Kraft Druckdifferenz · Membranfläche und die Membranrückstellkraft aufheben. Ein Rückschlagventil 13 dient der Absicherung. In diesem Beispiel erfolgt die Regelung ohne Zufuhr von Fremdenergie.

Di»s Steuerorgan als membrangesteuerte Drosselvorrichtung ist in der F i g. 2 besonders dargestellt. Der Strom der Komponente B, der in den Strom A über ein Rückschlagventil 13 eindosiert werden soll, wird dem Steuerorgan bei 14 zugeführt und bei 15 weitergeleitet Der vor der Dosierpumpe 4 über 11 abgezweigte Teilstrom durchströmt die Vorrichtung von 16 nach 17. Der dosierte Strom der Komponente B umfließt nur den Außenbereich der Membran 16. Der Ventilstößel 19

(ή verändert den Strömungsquerschnitt im Sitz 18.

Die folgende Abschätzung charakterisiert die Empfindlichkeit.

Die Membran habe eine Querschnittsfläche von

JO cm² und eine Federstcifigkeit von 10 N/mm. Die Druckdifferenz zwischen P\ und P₁ betrage 0.01 bar = 0,1 N/cm². Die Knift Druckdifferenz ■ Membranfläche entspräche dann J N. Dies ist im Gleichgewichtszustand auch der Betrag der Membranriickstellkraft. Die Membran würde aus der Null-Lage um einen Federweg von 3 N (Rückstellkraft) /u 10 N/mm (Federsteifigkeit) entsprechend 0,3 mm ausgelenkt. Bei einem kegeligen 45°-Sitz mit einer 2 mm 0-Bohrungals größtem freiem Querschnitt wird durch eine Hubverringerung von ca. 0,7 mm der freigegebene Querschnitt zwischen 0 und 100% geändert. Das führt dazu, daß die Hubsciiwankungen um die Gleichgewichtslage in der Größenordnung von zehntel mm liegen. Weil die Drücke in dem System durch inkompressible Stoffe übertragen werden, erfolgt die Anpassung der beiden Drucksysteme mit Schallgeschwindigkeit.

Zur Prüfung des Dosierverhaltens der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurden als Komponente B ein Hvdrauliköl mit einer Zähigkeit von 45 cP und Äthylenglykol mit einer Viskosität von 21 cP nacheinan der verwendet. Die Dosierpumpe 4 lieferte theoretisch 0,3 cm¹ je Umdrehung. Im Versuch wurde bei konstantem Stoffstrom Λ die Pumpe 4 zur Verifizierung von

, unterschiedlichen Dosierverhältnissen mit unterschiedlichen Drehzahlen zwischen 17 und 90 U/min angetrieben und dabei der Druck im Stoffstrom A für jede Meßreihe zwischen 20 bar und 100 bar verstellt. Für die verschiedenen Drehzahl- und Druckeinstellungen wur-

U) den jeweils die dosierten .Stoffmengen B gewichtsmäßig pro Zeiteinheit bestimmt. Die Auswertung zeigte, daß die Abweichung von der theoretischen Fördermenge der Dosierpumpe für alle Messungen unter 0,45% lag. Die Fehlerabweidiung erklärte sich aus der Genauig-

i-, keitsgrenze des Meßverfahrens bei dem die Proben mit einer Meßdauer von einer Minute von Hand genonimen wurden. Die stochaslischen Abweichungen konnten daher in keinen funktionalen Zusammenhang mit dem Druckniveau des jeweiligen Versuchs gebracht werden.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Verfahren zum exakten Zudcsieren einer Komponente B in einen Strom der Komponente A, wobei im Mischstrom hoher Druck bestehen kann und/oder Drucicschwankungen auftreten können, und die Dosierung der Komponente B durch eine kontinuierlich arbeitende Rotationsverdrängerpumpe erfolgt, deren Drehzahl abhängig vom Mengenstrom A gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine vorgeschaltete kontinuierlich fördernde Druckerhöhungspumpe ein Mengenstrom der Komponente B erzeugt wird, der größer oder mindestens gleich der Menge von B ist, welche die nachgeschaltete Dosierpumpe in den Strom der Komponente A liefern muß, und die überschüssige Teilmenge der Komponente B über eine Ableitungsvorrichtung auf die Saugseite der Druckerhöhungspumpe zurückgeführt wird, wobei das aus der Druckdifferenz vor und nach der Dosierpumpe gebildete Signal bewirkt, daß der Querschnitt der Drossel in der Ableitungsvorriehtung so weit vergrößert wird, daß die Druckdifferenz vor und nach der Dosierpumpe verschwindet

Z Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Fördervorrichtung für die Komponente A mit einer Meßeinrichtung zur Erfassung der Durchflußmenge von A und einer Dosiereinrichtung für die Komponente B, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung eine Druckerhöhungspumpe (9) und eine Dosierpumpe (4) ev.hält, die vorzugsweise als Rotationsverdrängerpumpen ausgebildet sind, wobei der Dosierstrom B durch den Antrieb (3) der Dosierpumpe (4) bestimmt wird, der proportional — in einstellbaren Verhältnissen — zur gemessenen Durchflußmenge (2) der Komponente A gesteuert ist, und zwischen Druckerhöhungspumpe (9) und Dosierpumpe (4) eine Abführleitung (11) mit veränderlichem Druck vorhanden ist, die über die Rückführleitung (12) wieder auf die Saugseite der Druckerhöhungspumpe (9) führt, wobei die öffnung der veränderlichen Drossel davon abhängt, wie groß die Druckdifferenz vor (5) und nach (6) der Dosierpumpe (4) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faltenbalg (20) oder eine andere elastische Membran im Gehäuse des Steuerorgans (7) zwei Flüssigkeitsströme der Komponente B trennt, wobei der Raum außerhalb des am unteren Ende verschlossenen Faltenbalges (20) von dem dtosierten Mengenstrom B durchströmt wird, wogegen der Raum innerhalb des Faltenbalges (20) bzw. oberhalb der Membran durch die Leitung (11) mit der Eingangsseite der Dosierpumpe (4) in Verbindung steht, daß der Faltenbalg (20) an seinem offenen Ende — bzw. der Membranrand — durch die Gehäuseteile des Steuerorgans dicht eingespannt ist und an dem verschlossenen unteren Ende des Ifaltenbalges im Inneren bzw. der Mitte der Oberseite der Membran ein Ventilstößel (19) befestigt ist, durch den die freie Durchtrittsfläche einer Austrittsöffnung (18) aus dem Steuerorgan (7) für den Teilstrom (11,12) veränderbar ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum exakten Zudosieren einer Komponente B in einen Strom der Komponente A, wobei im Mischstrom hoher Druck bestehen kann und/oder Druckschwankungen auftreten können und die Dosierung der Komponente B durch eine kontinuierlich arbeitende Rotationsverdrängerpumpe erfolgt, deren Drehzahl abhängig vom Mengenstrom A gesteuert wird, und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens,

Das kontinuierliche Zumischen einer Komponente B in einen Strom A durch Einspritzen ist bekannt, wobei als Dosierpumpen für die Komponente B Kolben- und zwangsfördernde Rotationsverdrängerpumpen verwendet werden. Schwierigkeiten können auftreten, wenn in einen Strom A mit verhältnismäßig hoher Viskosität ein geringer Anteil einer Komponente B ^udosiert werden solL Bei Kolbenpumpen ist wegen des diskontinuierlichen Schubes die Zudosierung ungleichmäßig. Bei zwangsfördernden Rotationsverdrängerpumpen ist die Genauigkeit häufig nicht ausreichend. Die Probleme werden erheblich vergrößert, wenn der Druck in der Leitung der Komponente A hoch ist und/oder schwankt Dabei wird die Dosiergenauigkeit von Kolbenpumpen herabgesetzt, weil der Ventilschlupf vom Druck auf der Ausgangsseite, bzw. bei Zahnradpumpen die Förderung von den Drücken an der Ein- und Ausgangsseite, der Pumpe abhängig ist

Die in der DE-AS 1013 438 beschriebene Vorrichtung zum verhältnisgleichen Zuführen eines Zusatzmit- tels zu einem strömenden Medium geht davon aus, daß der vom Hauptstrom abgezweigte Teilstrom die Menge des Zusatzmittels bestimmt Jedoch handelt es sich hierbei nicht um ein kontinuierliches Verfahren. Sobald das Volumen des Verdrängungsbehälters vom Teilstrom

B gefüllt ist ist eine Zudosierung nicht mehr möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. Verfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, womit eine exakte Zudosierung einer Komponente B in einen Strom A über lange Zeit möglich wird, auch wenn der Druck in der Leitung der Komponente A groß ist und/oder schwankt

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst daß durch eine vorgeschaltete kontinuierlich fördernde Druckerhöhungspumpe ein Mengenstrom der Kompo nente B erzeugt wird, der größer oder mindestens gleich der Menge von B ist, welche die nachgeschaltete Dosierpumpe in den Strom der Komponente A liefern muß, und die überschüssige Teilmenge der Komponente B über eine Ableitungsvorrichtung auf die Saugseite der Druckerhöhungspumpe zurückgeführt wird, wobei das aus der Druckdifferenz vor und nach der Dosierpumpe gebildete Signal bewirkt daß der Querschnitt der Drossel in der Ableitungsvorrichtung so weit vergrößert wird, daß die Druckdifferenz vor und nach der

Dosierpumpe verschwindet

Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst daß die Dosiereinrichtung eine Druckerhöhungspumpe und eine Dosierpumpe enthält die vorzugsweise als Rotationsverdrängerpumpen ausgebildet sind, wobei

der Dosierstrom B durch den Antrieb der Dosierpumpe bestimmt wird, der proportional — in einstellbaren Verhältnissen — zur gemessenen Durchflußmenge der Komponente A gesteuert ist, und zwischen Druckerhöhungspumpe und Dosierpumpe eine Abführleitung mit

veränderlichem Druck vorhanden ist, die über die Rückführleitung wieder auf die Saugseite der Druckerhöhungspumpe führt, wobei die öffnung der veränderlichen Drossel davon abhängt, wie groß die Druckdiffe-