DE3509072C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von Förderaggregaten für den Transport von Flüssigkeiten und/oder Gasen in Rohrleitungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In vielen Bereichen der Technik kommt der Förderung von Flüssigkeiten und/oder Gasen eine große Bedeutung zu, und als ein Beispiel seien hier die Eindampfanlagen im Bereich der Molkereiwirtschaft genannt.

Für den Transport bzw. für die Förderung werden allgemein Förderaggregate in Verbindung mit Rohrleitungen einge­ setzt, wobei etwa Zentrifugalpumpen, Verdrängerpumpen oder auch Wasserringpumpen (Vakuumpumpen) zu nennen sind.

Grundsätzlich bereitet der Transport von Flüssigkeiten zwar keine technischen Schwierigkeiten, allerdings mit Ausnahme der bekannten Kavitation, deren schädliche Ein­ wirkungen auf das jeweilige Förderaggregat und auch auf die Rohrleitungen immer noch ein gravierendes Problem darstellen.

Der Begriff Kavitation (Hohlsogbildung, Hohlraumbildung) beschreibt eine Erscheinung, die dann auftritt, wenn der Druck in einer Flüssigkeit z. B. infolge zu großer Ge­ schwindigkeit an einigen Stellen auf den Verdampfungs­ druck absinkt. Die dabei entstehenden Dampfblasen stürzen bei höherem Druck wieder zusammen, und die damit ver­ bundenen "Schläge" führen zu erheblichen Beanspruchungen des Förderaggregates und der Rohrleitungen.

Es können sich also - insbesondere bei Flüssigkeiten, deren Betriebstemperaturen nahe am Siedepunkt liegen - bei Unterschreitung des Siedepunktes Dampfblasen bilden. Nach der durch das Förderaggregat hervorgerufenen Druck­ erhöhung wird der Siededruck wieder überschritten, die Dampfblasen fallen zusammen, und es tritt die schädliche Kavitation ein (vgl. KSB "Kreiselpumpenlexikon" 2. Auf­ lage, Seite 121-122 und Fuchslocher/Schulz "Die Pumpen", Springer Verlag 1965, Seite 100-109).

In der Praxis macht sich die Kavitation durch ein Anstei­ gen des Geräuschpegels sowie durch einen unruhigen Lauf des Förderaggregates bemerkbar. Dabei kann auch ein soge­ nanntes pulsierendes Arbeiten auftreten. Einhergehend da­ mit werden die Förderbedingungen erheblich verschlechtert, so daß der Wirkungsgrad des Förderaggregates absinkt. Schließlich kann die Kavitation sogar zur Materialzer­ störung führen (vgl. die voranstehend genannten Litera­ turstellen).

Um den geschilderten schädlichen Wirkungen der Kavi­ tation zu begegnen, hat man sich bisher in der Praxis meistens damit beholfen, bestimmte Meßgrößen, wie die Temperatur der Flüssigkeit oder das Niveau bzw. die Zu­ laufhöhe zu kontrollieren und in Abhängigkeit dieser Größe eine manuelle Einstellung des Förderaggregates vorzunehmen. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß ein solches Verfahren sehr aufwendig ist und zudem auch un­ ter der Gefahr einer Ungenauigkeit leidet.

Da sich die Kavitation unter anderem durch Erhöhung des Geräuschpegels äußert, sind auch schon Meßeinrichtungen mittels eines Mikrofones bekanntgeworden (Brüel & Kjaer "Technical Review" No. 4 - 1980). Jedoch ist diese Meß­ methode nicht zuverlässig genug und außerdem auch zu störempfindlich.

Durch die deutsche Offenlegungsschrift 32 36 815 ist auch schon eine Überwachungs- und Kontrolleinrichtung an Rohrleitungen zum Transport von Flüssigkeiten zur Unter­ drückung von Kavitation bekanntgeworden. Während man sich bisher darauf beschränkt hat, physikalische Größen wie die Temperatur oder das Flüssigkeitsniveau zu messen, wird dort vorgeschlagen, mittels eines Druckaufnehmers in Form einer Meßmembran mit Foliendehnungsmeßstreifen die Kavitation direkt zu messen. Unter Verwendung eines Mikroprozessors, der die gemessenen Kavitationswerte verarbeitet, läßt sich die Drehzahl einer Zentrifugal­ pumpe verändern, bis ein optimaler Betriebszutand ohne jegliche Kavitation eintritt.

Durch die bekannte Überwachungs- und Kontrolleinrichtung gemäß der Deutschen Offenlegungsschrift 32 36 815 wird zwar gegenüber dem bisherigen manuellen Verfahren ein bedeutsamer Fortschritt erzielt, allerdings kann auch dieses Verfahren in der Praxis noch nicht vollständig überzeugen.

Hier greift nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zu­ grunde liegt, ein Verfahren zur Regelung von Förderaggregaten für den Transport von Flüssigkeiten und/oder Gasen in Rohrleitungen zu schaffen, welches die schädlichen Wirkungen der Kavitation weitgehend ausschaltet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Verfahren dadurch, daß das För­ deraggregat in Abhängigkeit von der gemessenen Kavitation so eingestellt wird, daß eine minimale Restkavitation verbleibt.

Die Erfindung beschreitet den neuartigen Weg, ganz be­ wußt eine gewisse minimale Restkavitation beizubehal­ ten. Während man bisher - wenn auch in unzulänglicher Weise - darauf bedacht gewesen ist, die Kavitation mög­ lichst vollständig zu beseitigen, sieht die Erfindung also überraschend die Maßnahme vor, eine - allerdings kontrollierbare - minimale Restkavitation durchaus zu­ zulassen.

Diesem verblüffenden Verfahrensschritt liegt die Überle­ gung zugrunde, die an sich schädliche Störgröße "Kavita­ tion" während des Betriebes in geringem Maße beizubehalten, damit die Störgröße sozusagen jederzeit unter Kontrolle bleibt. Die Restkavitation kann ohne weiteres so gering gewählt werden, daß schädliche Nebenwirkungen auf das Förderaggregat und auf die Rohrleitungen nicht zu befürch­ ten sind. Es genügt, wenn die Restkavitation meßtechnisch gerade noch erfaßbar ist.

Ein bedeutsamer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die vorgesehene laufende Erfassung bzw. Messung der Ka­ vitation es erlaubt, das Förderaggregat abzuschalten, wenn die gemessene Kavitation einen schädlichen und vor­ gebbaren Kavitationsgrenzwert überschreitet. Es wird also im Grunde ein sich vollständig selbst regulierendes System geschaffen, bei welchem die Fördermengen in Anpassung an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen so geregelt werden, daß eine manuelle Überwachung entfallen kann. Bei Überschreiten eines kritischen Grenzwertes kann die entsprechende Anlage selbsttätig abgeschaltet werden.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die "Selbstregulierung" dadurch, daß in Abhängigkeit der ge­ messenen Kavitation die Drehzahl einer als Förderaggregat eingesetzten Pumpe entsprechend geregelt wird. Die Erfindung läßt sich aber auch ebenso dahingehend einsetzen, daß die gemessene Kavitation herangezogen wird, um etwa ein Drosselventil - und damit die Förder­ menge - zu beeinflussen.

In zweckmäßiger Ausgestaltung läßt sich die Erfindung auch bei Wasserringpumpen einsetzen. Bisher wurde dort bei Auftreten einer schädlichen Kavitation die Frischwasser­ zufuhr erhöht oder es wurde zusätzliches Ballastgas oder Luft vorgesehen, um der schädlichen aufgetretenen Kavitation entgegenzuwirken. Bei Anwendung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens lassen sich nun der Frischwasser­ verbrauch und auch der Einsatz von Ballastgas oder Luft nicht nur einschränken, sondern letzteres sogar vollständig vermeiden, da die Pumpendrehzahl soweit herunterge­ regelt werden kann, bis die Kapazität der Pumpe mit dem Gas-/Luftanfall übereinstimmt und die Kavitation akzep­ tabel ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und der Zeichnung zu entnehmen.

Nachfolgend wird die Erfindung zum besseren Verständnis anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. eine schematische Prinzipdar­ stellung des Flüssigkeitsweges einer mehrstufigen Eindampfungsanlage,

Fig. 2 und 3 jeweils eine Teil-Schnittdar­ stellung einer Rohrleitung mit einer Meßeinrichtung für die Kavitation,

Fig. 4 ein Diagramm zur Verdeutlich­ ung unterschiedlicher Betriebs­ zustände, und

Fig. 5 ein Diagramm zur Verdeutlichung des vorgesehenen Betriebszustan­ des mit einer Restkavitation.

In Fig. 1 ist schematisch eine mehrstufige Eindampfungs­ anlage 10 dargestellt. Die in einer ersten Stufe in einem Flüssigkeitsbehälter 12 angesammelte Flüssigkeit wird mittels einer Zentrifugalpumpe 16 in einen Flüssigkeits­ behälter 14 einer weiteren Stufe gefördert. Dort besitzt die Flüssigkeit einen Flüssigkeitsstand (Niveau) 20.

Mittels einer Zentrifugalpumpe 18 erfolgt eine weitere Förderung der Flüssigkeit durch eine Rohrleitung 22. Auf der Druckseite der Zentrifugalpumpe 18 bzw. der Rohrleitung 22 erfolgt nun an einer Rohrverzweigung 24 eine Messung der Kavitation. Die Meßwerte werden einem Mikroprozessor 26 zugeführt, welcher über einen Frequenzumformer 28 ei­ nen Elektromotor 30 zur Verstellung der Drehzahl der Zen­ trifugalpumpe 18 beeinflußt.

Es liegt also insgesamt ein Regelkreis vor, wobei die Drehzahl der Zentrifugalpumpe 18 derart geregelt wird, daß eine minimale Restkavitation beibehalten wird (was nachfolgend noch unter Bezugnahme von Fig. 4 und 5 näher erläutert wird).

Der nähere Aufbau der Rohrverzweigung 24 - also der Meß­ stelle für die Kavitation - wird aus Fig. 2 und 3 deut­ lich. Im Bereich der Rohrwandung der Rohrleitung 22 be­ inhaltet die Rohrverzweigung 24 eine Meßmembrane 32 mit aufgeklebten Foliendehnungsmeßstreifen 34. Zum Trennen und zum Isolieren der Meßmembrane 32 von der Rohrleitung 22 sind flexible Dichtungen 36 im Bereich einer Bör­ delscheibe 38 vorgesehen, die als Auflage für die flexi­ blen Dichtungen 36 dient. Aus Gründen der besseren Über­ sichtlichkeit der Zeichnung ist eine an sich notwendige Klemmvorrichtung zum Verspannen der flexiblen Dichtungen 36, der Meßmembrane 32 in den Fig. 2 und 3 nicht dar­ gestellt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei die Meßmembrane 32 gewölbt angeordnet ist, um sowohl bei Vakuum als auch bei Überdruck die erforderliche mecha­ nische Beständigkeit zu gewährleisten.

Fig. 4 zeigt in einem Meßdiagramm unterschiedliche durch die jeweils ermittelten Spannungen U - über der Zeit t aufgetragen - charakterisierte Betriebszustände.

In dem mit I bezeichneten Bereich ist eine Kavitation 42 vorhanden, während durch den Bereich II eine Pulsation 44 gekennzeichnet wird.

Der Bereich "III" stellt den Normalbetrieb 46 dar, der innerhalb des Bereiches IV nochmals gesondert als in der eingangs genannten Deutschen Offenlegungsschrift 32 36 815 als optimaler Betriebszustand 48 bezeichneter Zustand an­ gegeben ist.

Der Bereich V gibt eine Füllkurve 50 wieder, d. h. es ist ein Zustand dargestellt, wie er sich beim Füllen der saug­ seitigen Seite der Zentrifugalpumpe 18 in Fig. 1 nach ei­ ner nicht ausreichenden Veränderung der Drehzahl einstellt, wenn der Flüssigkeitsstand 20 des Flüssigkeitsbehälters 14 ansteigt.

Das Diagramm 52 in Fig. 5 zeigt den mit der Erfindung ver­ wirklichten Betriebszustand, bei welchem eine minimale Restkavitation 54 ganz bewußt beibehalten wird, und zwar abweichend von dem in Fig. 4 im Bereich IV dargestellten Betriebszustand 48.

In Versuchen konnte festgestellt werden, daß z. B. die Zentrifugalpumpe 18 in Fig. 1 - dort ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit der Zeichnung die Regelung nur in einer Stufe dargestellt - bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren immer in der Nähe des optimalen Be­ triebspunktes gefahren wird, der sich durch einen maxi­ malen Wirkungsgrad auszeichnet. Als unmittelbare Folge davon sind minimal mögliche Zulaufhöhen für die Flüssig­ keitsbehälter 12 und 14 zu erwähnen, was sich in mehr­ stufigen Milcheindampfanlagen durch reduziertes Flüssig­ keitsvolumen, kürzere Durchlaufzeiten mit geringerer Produktschädigung und niedriegerer Produktviskosität bemerkbar macht.

Wenn beispielsweise in Fig. 1 die Anlage zu einem Auf­ füllen des Flüssigkeitsbehälters 14 führt, wodurch der Druck ansteigt, ergibt sich eine niedrigere Kavitation. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt in diesem Fall eine Regelung in dem Sinne, daß die Drehzahl der Zentrifugalpumpe 19 erhöht wird, so daß die bewußt ge­ wählte Restkavitation 54 beibehalten wird.

Wegen der erhöhten Drehzahl wird auch mehr gefördert, d. h. dem Auffüllen des Flüssigkeitsbehälters 14 wird un­ mittelbar entgegengetreten, so daß eine minimale Zulauf­ höhe erhalten bleibt. Das damit verbundene geringe Niveau 20 gewährleistet eine relativ geringe Totzeit bzw. Ver­ weilzeit der Flüssigkeit.

Ein weiterer bedeutsamer Vorteil der Erfindung ist bei Förderaggregaten gegeben, deren Drehzahl verändert wer­ den kann. Da die Möglichkeit der Messung der Kavitation vorgesehen ist, läßt sich ohne weiteres ein Kavitations­ grenzwert festlegen, bei welchem die Anlage abgeschaltet wird bzw. ein Alarm gegeben wird.

Bei Verwendung einer Wasserringpumpe als Förderaggregat gestattet die Erfindung in vorteilhafter Weise eine er­ hebliche Einschränkung des Frischwasserverbrauches und des Einsatzes von Ballastgas oder Luft, da die Pumpen­ drehzahl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren soweit herun­ ter geregelt wird, bis die Kapazität der Pumpe mit dem Gas-/Luftanfall übereinstimmt und die Kavitation auf die Restkavitation 54 heruntergedrückt ist.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regelung von Förderaggregaten für den Transport von Flüssigkeiten und/oder Gasen in Rohr­ leitungen, wobei als einzige Ausgangsgröße für die Re­ gelung die Kavitation stromabwärts dem Förderaggregat gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Förder­ aggregat (18) in Abhängigkeit von der gemessenen Kavi­ tation (42; 54) so geregelt wird, daß eine meßtechnisch gerade noch erfaßbare Restkavitation (54) verbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restkavitation ( 54) in Anpassung an die beim Transport jeweils vorhandenen unterschiedlichen Betriebs­ bedingungen auf entsprechend verschiedene Werte einge­ stellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Förderaggregat (18) abgeschaltet wird, wenn die gemessene Kavitation (42) einen einstellbaren Kavitationsgrenzwert überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Alarm gegeben wird, wenn die gemessene Kavitation (42) einen einstellbaren Kavitationsgrenz­ wert überschreitet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitation mittels eines Druckaufnehmers gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitation mittels mindestens einer in der Rohr­ wandung der Rohrleitung (22) angeordneten Meßmembran (32) mit Foliendehnungsmeßstreifen (34) gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Messung der Kavitation im Druckaufnehmer entstehende elektrische Spannung (U) einem Mikroprozessor (26) zur Auswertung zu­ geführt wird, und daß der Mikroprozessor (26) das Förder­ aggregat (18) regelt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Förderaggregat eine Zentrifugalpumpe (18) ver­ wendet wird, und daß die Drehzahl der Zentrifugalpumpe (18) durch den Mikroprozessor (26) geregelt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Förderaggregat eine Verdrängerpumpe verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Förderaggregat eine Wasserringpumpe (Vakuumpumpe) verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikropro­ zessor (26) die Ventileinstellung eines Drosselventils in der Rohrleitung (22) beeinflußt.