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Ventillose Doppelzylinderpumpe
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Die Erfindung betrifft eine ventillose Doppelzylinderpumpe für mit
abrasiven Medien versetzte Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Mit abrasiven Medien versetzte Flüssigkeiten werden in vielen Bereichen
der Technik eingesetzt. Ein Beispiel hierfür ist das Bohren nah Erdöl. Hier wird
das Bohrloch ständig mit einem Gemisch aus Wasser, Ton, Schwerspat usw. gespült.
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Diese Mischung wird als Dünnstoff bzw. Liquid mud bezeichnet. Dieser
Dünnstoff wird mit Hilfe von Pumpen in das Bohrloch gepumpt.Als Pumpen werden überwiegend
Schlauchpumpen oder Ventilpumpen eingesetzt. Dabei müssen Drücke erzeugt werden,
die einer Förderhöhe von bis 200 m entsprechen. Aufgrund der im Wasser gelösten
Tone usw. verschleißen diese Pumpen, insbesondere deren Ventile, jedoch sehr schnell.
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Aus der Bauindustrie sind ventillose Pumpen bekannt, mit denen frisch
angemachter Beton auf große Höhaigepumpt werden
kann. Es handelt
sich dabei um sogenannte Doppelzylinderpumpen, die mit einer Rohrweiche ausgerüstet
sind. Die Rohrweiche besteht im wesentlichen aus einem S-förmig gebogenen Rohrstück,
dessen eines Ende über eine Drehverbindung mit einem Steigrohr verbunden ist, während
das freie Ende mit Hilfe eines Schwenkantriebs vor die Öffnung des auf Drücken geschalteten
Pumpzylinders geschwenkt wird.
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Vor den Öffnungen der Pumpzylinder befindet sich eine verschleißfeste
Platte, die wegen der beiden Öffnungen für die Pumpzylinder auch Brillenplatte genannt
wird. Am verschwenkbaren Ende des Weichenrohrs befindet sich außerdem ein sogenannter
Schleißring, der während des Umschaltens des Weichenrohrs praktisch drucklos auf
der Brillenplatte gleitet. Sobald bei Beginn eines Pumphubes in der Rohrleitung
Druck aufgebaut wird, wird der Schleißring an die Brillenplatte angepreßt und sorgt
für die erforderliche Abdichtung.
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Will man mit einer solchen Doppelzylinderpumpe für Beton auch Dünnstoff
oder ähnliche Medien geringer Viskosität pumpen, so stellt man fest, daß während
des Umschaltens der Rohrweiche ein mehr oder weniger großer Anteil der beim vorangegangenen
Pumphub in das Steigrohr gedrückten Flüssigkeitsmenge wieder zurücksackt.Dies ist
darauf zurückzuführen, daß die im Steigrohr stehende Flüssigkeitssäule aufgrund
ihres spezifischen Gewichts einen statischen Druck erzeugt, der für jeweils 10 m
Leitungshöhe im Falle von Wasser 1 bar, im Fall von Liquid mud 2 bar beträgt. Beim
Schwenken des Weichenrohres wird kurzzeitig der Druckraum der Steigleitung mit dem
Saugraum verbunden - negative Überdeckung. Dabei sackt die Flüssigkeit aufgrund
ihrer niedrigen Viskosität und ihres Gewichts in der Steigleitung ab. Dadurch wird
der Pumpwirkungsgrad erheblich reduziert.
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Ist der Saugraum - das ist der Raum, aus dem der jeweils auf Saugen
geschaltete Pumpzylinder die Flüssigkeit ansaugt -gegenüber der Umgebung geschlossen,
was beispielsweise dann erforderlich ist, wenn hohe Vorratstanks angeschlossen sind,
so kommen zu den Wirkungsgradverlusten noch erhebliche Druckspitzen im Saugraum
durch die zurücksackende Flüssigkeit.
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Diese Druckspitzen sind so hoch, daß das Pumpengehäuse beschädigt
wird.Die beim Pumpen von dickflüssigem Beton bewährten ventillosen Doppezylinderpumpen
mit Rohrweiche sind zum Pumpen von Medien geringer Viskosität deshalb nicht geeignet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Pumpen
so weiter zu bilden, daß auch Medien geringer Viskosität auf große Höhen gepumpt
werden können, ohne daß im abgeschlossenen Pumpengehäuse zerstörende Druckstöße
entstehen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1.
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Damit ergeben sich die Vorteile, daß die bekannten Vorzüge der Doppelzylinderpumpen
mit Rohrweiche für Beton, das sind hoher Pumpenwirkungsgrad durch völlige Abdichtung
zwischen Pumpzylinder und Weichenrohr, nur ein einziges Verschleißteil, nämlich
der Schleißring, große Störungsfreiheit, erhalten bleiben, daß aber die Menge des
zurücksackenden Mediums sehr klein bleibt, so daß auch nur sehr geringe Druckspitzen
noch auftreten können, und daß die eigentliche Pumpenfunktion nicht beeinträchtigt
wird.
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Die Merkmale des Anspruchs 2 stellen eine vorteilhafte Weiterbildung
der Erfindung für den Fall dar, daß der Schwenkmechanismus des Weichenrohrs einmal
versagen sollte. Hierbei
könnte die Gefahr bestehen, daß der auf
Drücken geschaltete Pumpkolben den Zylinderinhalt gegen die seine Öffnung abdeckende
Absperrplatte drückt, wodurch diese zumindest verbogen wird. Stimmt man die Abmessungen
der verschiedenen öffnungen und der Absperrplatte jedoch richtig aufeinander ab,
so kann in einem solchen Störungsfall das Medium in den Saugraum zurückgedrückt
werden, ohne daß etwas beschädigt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Anordnung
des Schleißrings entsprechend Anspruch 3.
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Wie schon oben erwähnt, ist der Saugraum in der Regel zur Außenwelt
hin offen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist er jedoch zur Außenwelt hin
abgeschlossen. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn das zu pumpende Medium
aus einem Vorratsbehälter mit einem gewissen über druck zur Pumpe gelangt.
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In einem geschlossenen Saugraum können noch geringe Uberdrücke entstehen,
da zwischen Absperrplatte und Brillenplatte ein geringer, den Verschleiß verhindernder
Spalt bl ibt.
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Will man das Pumpengehäuse noch leichter bauen, so wird vorteilhafterweise
im Saugraum ein schnell ansprechendes Uberdruck-Dämpfungselement angeordnet, welches
vorzugsweise als gasgefüllter Behälter ausgebildet ist. Derartige Elemente sind
in einer Vielzahl von Ausführungsformen handelsüblich.
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Vorzugsweise besteht der den Saugraum abschließende Deckel aus einer
elastischen Membran, beispielsweise einer Gummiplatte. Dadurch kann der Deckel atmen
und Druckschwankungen und Druckspitzen ausgleichen.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 einen Horizontalschnitt
durch einen Teil einer Doppelkolbenpumpe, Fig. 2 einen Querschnitt durch die Pumpe
der Fig. 1 gemäß der Linie II-II und Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere
Pumpe, ähnlich der Darstellung in Fig. 2 In Fig. 1 erkennt man die wesentlichen
Bestandteile einer Doppelkolbenpumpe mit Rohrweiche. Sie enthält zwei Pumpzylinder
1, 2 mit den entsprechenden Kolben 3,4, die von einer nicht dargestellten Hydraulik
angetrieben werden.
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Beide Pumpzylinder 1, 2 sind über Öffnungen 5, 6 mit einem Saugraum
7 in Verbindung, der vom Pumpengehäuse 8 gebildet wird.
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In der den Pumpzylindern 1, 2 gegenüberliegenden Wandung des Pumpengehäuses
8 beginnt eine Steigleitung 9, die das gepumpte Medium an die gewünschte Stelle
fördert.
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Die Verbindung zwischen der Steigleitung 9 und dem jeweils auf Drücken
geschalteten Pumpzylinder 1, 2 stellt ein Weichenchenrohr 10 her, das etwa S-förmig
gebogen ist. Das den Pumpzylindern 1, 2 benachbarte freie Ende des Weichenrohrs
10 wird von einem Schwenkmechanismus vor den jeweils auf Drücken geschalteten Pumpzylinder
1, 2 bzw. vor dessen Öffnung 5, 6 geschwenkt.
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Die Wandung des Pumpengehäuses 8 im Bereich der Öffnungen 5,6 der
Pumpzylinder 1,2 ist mit einer verschleißfesten Brillenplatte 11 belegt. Vor dem
verschwenkbaren Ende des Weichenrohrs 10 ist ein Schleißring 12 angeordnet. Dieser
Schleißring 12 gleitet beim Verschwenken des Weichenrohrs 10 praktisch
druckfrei
auf der Brillenplatte 11. Sobald jedoch in einem der beiden Pumpzylinder 1, 2 der
Pumpvorgang beginnt, wird ein solcher Druck aufgebaut, daß der Schleißring 12 an
die Brillenplatte 11 angepreßt wird und den Spalt zwischen Weichenrohr 10 bzw. Schleißring
12 und Brillenplatte 11 abdichtet. Diese Konstruktion ist dafür verantwortlich,
daß diese Art von Pumpen einen sehr hohen Pumpenwirkungsgrad hat.
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Bei der Darstellung der Fig. 1 befindet sich das Weichenrohr 10 gerade
in einer Mittelstellung. Man erkennt, daß dabei die Zylinderräume der Pumpzylinder
1, 2 miteinander Verbindung haben - negative Überdeckung. Ohne die am verschwenkbaren
Ende des Weichenrohrs 10 befestigte Absperrplatte 13 könnte das im Steigrohr 9 sich
befindende Medium in den Saugraum 7 zurücksacken.
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Dieses Zurücksacken, das nicht nur den Pumpenwirkungsgrad verschlechtert,
sondern auch - bei geschlossenem Saugraum 7 -zu hohen Druckstößen führt, die das
Gehäuse 8 zerstören können, verhindert die Absperrplatte 13. Deren Abmessungen sind
so gewählt, daB beim Umschalten des Weichenrohrs 10 von der einen Zylinderöffnung
5,6 zur anderen Zylinderöffnung 6, 5 diese Öffnungen 5,6 zum Saugraum 7 hin abgedeckt
sind. Ein geringer Spalt 14 zwischen Brillenplatte 11 und Absperrplatte 13 ermöglicht
einen praktisch verschleißfreien Betrieb. Je nach Viskosität und Abrasivität des
zu pumpenden Mediums kann die Spaltbreite eingestellt werden.
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Der Schleißring 12 ist in einer entsprechenden Öffnung in der Absperrplatte
13 verschieblich gelagert und mit einem zusätzlichen O-Ring 15 gegenüber der Absperrplatte
13 abgedichtet.
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In Fig. 2 erkennt man zunächst das Pumpengehäuse 8, welches mit einem
Deckel 17 verschlossen ist. Im Boden des Gehäuses 8 ist ein Rohrstutzen 20 angeordnet,
durch den das zu pumpende Medium von einem Vorratsbehälter in den Saugraum 7 gelangt.
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Man erkennt die beiden Öffnungen 5, 6 für die Pumpzylinder 1,2 sowie
ein Stück der Brillenplatte 11. Die Absperrplatte 13 sowie das Weichenrohr 10 sind
mit einem Schwenkantrieb 16 verbunden.
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In der gezeichneten Mittelstellung des Weichenrohrs 10 deckt die Absperrplatte
13 die Öffnungen 5,6 der Pumpzylinder weitestgehend ab. Die Formgebung der Absperrplatte
13 ist so auf die Öffnungen 5,6 der Pumpzylinder bzw. die Öffnung des Weichenrohrs
10 abgestimmt, daß beim Durchschwenken das im Steigrohr unter Druck stehende Medium
nur zu einem kleinen Teil durch den Spalt zwischen Absperrplatte 13 und Brillenplatte
11 in den Saugraum zurückströmen kann. Der mögliche Strömungsquerschnitt ist stark
reduziert.
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Die Formgebung der Absperrplatte 13 ist darüber hinaus so gewählt,
daß in den Endstellungen die Öffnung 5,6 des jeweils auf Saugen geschalteten Pumpzylinders
möglichst wenig abgedeckt wird.
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Schließlich ist die Form der Absperrplatte 13 auch so gewählt, daß
in allen Stellungen des Schwenkmechanismus 16 noch ein bestimmter freier Restquerschnitt
verbleibt. Dies ist dann von Vorteil, wenn der Schwenkmechanismus 16 ausfallen sollte.
Dann könnte der auf Drücken geschaltete Pumpzylinder das Pumpmedium mit hohem Druck
gegen die Absperrplatte 13 pressen, wodurch diese beschädigt, zum Beispiel verbogen
würde, was zu einem Ausfall der Pumpe führt.
Während die durch
die vorgenannten Maßnahme eintretende geringe Verringerung des Pumpenwirkungsgrades
ohne weiteres durch eine geringfügig höhere Maschinenleistung ausgleichbar ist,
muß die damit einhergehende Erhöhung der Druckstöße ausgeglichen werden. Hierzu
dient das im Deckel 17 eingesetzte, schnell ansprechende Überdruck-Dämpfungselement
18, welches hier als ein mit Luft gefüllter Balgzylinder ausgestattet ist, der über
ein Nachsaugventil 19 mit der Umgebungsluft in Verbindung steht.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Pumpengehäuse wurde der Deckel 17
ersetzt durch eine elastische Membran inForm einer Gummiplatte, die gleichzeitig
das Dämpfungselement ersetzt.
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Aufgrund der Materialauswahl und der Formgebung kann der Membrandeckel
atmen und so die restlichen Druckspitzen ausgleichen.