DE3923722C2 - Kombination von Verdrängerpumpe, insbesondere Kolbenpumpe, und Verdrängermotor, insbesondere Kolbenmotor - Google Patents
Kombination von Verdrängerpumpe, insbesondere Kolbenpumpe, und Verdrängermotor, insbesondere KolbenmotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kombination von Verdrängerpumpe,
insbesondere Kolbenpumpe, mit mittels Einlaß- und Auslaß-
Ventilanordnung gesteuertem, durch fluidisches oder hydrau
lisches Druckmedium antreibbarem Verdrängermotor, insbeson
dere Kolbenmotor, mit in Gleichtakt oder mit gleicher Takt
frequenz arbeitenden zwangsgekoppelten oder gemeinsamen Ver
drängern oder Kolben für Pumpe und Motor.
Aus der GB-A 14 87 053 ist eine solche Kombination von Kol
benpumpe und Kolbenmotor mit miteinander fest verbundenen
Kolben bekannt. Die Steuerung der Einlaß- und Auslaßven
tilanordnung des Kolbenmotors erfolgt mittels Annäherungs
schalter, die von den Pumpenkolben in deren Endlagen betä
tigt werden, so daß die Kolbenarbeitsräume des Motors im
Gleichtakt zu den Pumpenhüben mit Druckmedium in der richti
gen Richtung beaufschlagt oder vom Druckmedium entlastet
werden. Die Annäherungsschalter arbeiten elektrisch, insbe
sondere induktiv, und betätigen ein elektrisches Stellaggre
gat für die Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung des Kolbenmo
tors.
Aus der DE 36 00 341 A1 ist es bekannt, die Regelung des
Förderstromes einer Pumpe derart vorzunehmen, daß der Ein
fluß der Kompressibilität des Pumpmediums auf den Volumen
strom ausgeglichen wird.
Wenn eine Pumpe gegen eine größere Druckdifferenz arbeitet,
wird das Druckventil erst mit einer gewissen zeitlichen Ver
zögerung nach Beginn des Druckhubes der Pumpe öffnen. Dies
beruht darauf, daß der Pumpenkolben zunächst einen Teilhub
zur Vorkompression des im Kolbenarbeitsraum eingeschlossenen
Pumpmediums ausführen muß, bevor der Druck im Kolbenarbeits
raum ausreicht, das Druckventil der Pumpe zu öffnen. Je nach
Gegendruck auf der Druckseite der Pumpe kann das Druckventil
etwas früher oder später öffnen. Dies ist gleichbedeutend
damit, daß das im Verlauf des Druckhubes zur Druckseite der
Pumpe ausgeschobene Pumpmedium unterschiedliche Volumen hat.
Bei unverändert bleibender Hubfrequenz der Pumpe würde sich
dementsprechend der erzeugte Volumenstrom verändern.
Diesem Effekt wird gemäß der DE 36 00 341 A1 entgegenge
wirkt, indem erfaßt wird, welchen Hubweg der Pumpenkolben
während des Vorkompressionshubes, d. h. zwischen Beginn des
Druckhubes und Öffnungspunkt des Druckventiles, ausführt. Zu
diesem Zweck erfolgen Druckmessungen am Pumpenaggregat.
Es gibt eine Vielzahl von Verfahren bzw. Prozessen, bei de
nen ein fluidisches bzw. hydraulisches Medium auf erhöhten
bzw. hohen Druck gebracht werden muß, um eine erwünschte
Veränderung des Mediums zu erzielen. Zur Herstellung ent
sprechender Drücke werden Pumpen eingesetzt, die das jewei
lige Medium gegen Druck zu fördern vermögen. Bei derartigen
Verfahren bzw. Prozessen ist es des öfteren möglich und un
ter dem Gesichtspunkt eines geringen Energie
bedarf es auch erwünscht, einen Teil des unter erhöhtem
bzw. hohem Druck stehenden fluidischen bzw. hydraulischen
Mediums nach Durchführung des jeweiligen Verfahrens bzw.
Prozesses zur Energieerzeugung heranzuziehen, indem das
Druckmedium unter Leistung von mechanischer Arbeit
entspannt wird. Dazu können ventilgesteuerte Verdränger
bzw. Kolbenmotoren eingesetzt werden.
Ein typisches Beispiel eines derartigen Prozesses ist die
Gewinnung von salzfreiem bzw. trinkbarem Wasser aus salzhalti
gem Meerwasser mittels des Verfahrens der sogenannten Umkehr
osmose. Dabei wird das salzige Meerwasser unter hohem Druck
(ca. 70 bis 80 bar) einer Umkehrosmose-Anlage zugeführt,
die im wesentlichen aus einer Hochdruckkammer und einer
Niederdruckkammer besteht, wobei die beiden Kammern vonein
ander durch spezielle Membranen abgetrennt werden, welche
bei hinreichender Druckdifferenz zwischen Hochdruck- und
Niederdruckkammer den Durchtritt von Wasser aus der Hoch
druck- in die Niederdruckkammer ermöglichen, dabei jedoch
das Salz des Meerwassers in der Hochdruckkammer zurück
halten. Dementsprechend kann aus der Niederdruckkammer
als Filtrat der umgekehrten Osmose entsalztes bzw. trink
bares Wasser abgeführt werden, während aus der Hochdruck
kammer als Konzentrat fortwährend Salzwasser mit gegenüber
dem Meerwasser erhöhtem Salzgehalt entfernt werden muß.
Dieses unter dem hohen Druck stehende Salzwasser wird
einem Verdränger- bzw. Kolbenmotor (Wassermotor) zugeführt,
um einen Teil der für das Verpumpen des Meerwassers auf
gewendeten Energie zurückzugewinnen, bevor das Salzwasser
mit geringem Druck dem Meer oder einer sonstigen Verwendung
zugeführt wird.
Bei dem geschilderten Verfahren der umgekehrten Osmose
wird aus dem zugeführten Meerwasser volumenmäßig zu
ca. 40% entsalztes bzw. trinkbares Wasser und zu ca. 60%
Salzwasser mit erhöhtem Salzgehalt erzeugt. Dementsprechend
kann mittels des Wassermotors theoretisch bis zu ca. 60%
der von der Pumpe benötigten Leistung zurückgewonnen werden,
denn nur ca. 40% der Pumpenleistung wird unmittelbar für
den Durchtritt des Filtrates, d. h. den entsalzten bzw.
trinkbaren Wassers, durch die Membran unter Trennung vom
Salz benötigt.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, Pumpe und Wasser
motor mit gemeinsamen bzw. miteinander zwangsgekoppelten
Verdrängern bzw. Kolben anzuordnen, derart, daß jeweils
ein Arbeitshub des Wassermotors mit dem Druckhub der Pumpe
zusammenfällt. Auf diese Weise erzeugt der Wassermotor
jeweils unmittelbar beim Betrieb der Pumpe einen Teil des
Leistungsbedarfes der Pumpe, d. h. die Kombination aus
Pumpe und Wassermotor benötigt insgesamt nur eine Antriebs
leistung, die gegenüber dem Leistungsbedarf der Pumpe um
die Leistung des Wassermotors vermindert ist.
Bisherige Kombinationen von Verdränger- bzw. Kolbenpumpe
und ventilgesteuertem Verdränger- bzw. Kolbenmotor sind
konstruktiv unerwünscht aufwendig.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ohne Beschränkung
auf bestimmte Anwendungen Kombinationen von Verdränger
bzw. Kolbenpumpen und Verdränger- bzw. Kolbenmotoren mit
besonders einfacher Konstruktion, insbesondere hinsicht
lich der Steuerung der Ventile des Motors, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen
den Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen
nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden ventilgesteuerten
fluidischen bzw. hydraulischen Motor, welcher zur Erzeugung
mechanischer Arbeit zwischen einer fluidischen bzw. hydrau
lischen Druckseite bzw. -quelle und einer Niederdruckseite
angeordnet ist, immer mit einer nach dem Verdrängerprinzip
arbeitenden Pumpe zu kombinieren und den pulsierenden Druck
im Pumpenarbeitsraum zur Betätigung der Motorventile auszu
nutzen.
Dies kann einerseits dadurch erfolgen, daß der pulsierende
Druck im Pumpenarbeitsraum ein damit verbundenes, nach dem
Verdrängerprinzip arbeitendes Antriebsaggregat für die
Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung des Motors betätigt.
Andererseits ist es prinzipiell auch möglich, Saug- und
Druckventile der Pumpe mit den Motorventilen zwangsweise
zu koppeln, d. h. die durch die Druckpulsation ausgelösten
Ventilhübe der Pumpenventile steuern die Motorventile.
Hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung wird auf
die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung besonders
bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der Zeichnung
verwiesen.
Dabei zeigt
Fig. 1 eine Kombination einer Kolbenpumpe mit
einem Wassermotor in Verbindung mit
einer Anlage für die umgekehrte Osmose
zur Erzeugung von Trinkwasser aus
Meerwasser, wobei die Pumpe zur Förderung
des Meerwassers dient und der pulsierende
Druck im Pumpenarbeitsraum zum Antrieb
eines Verdrängeraggregates zur Betätigung
der Ventile des Motors ausgenutzt wird,
Fig. 2 einen Wassermotor, welcher mit einer nur
sehr geringe Förderleistung aufweisenden
Pumpe kombiniert ist, um den pulsierenden
Druck im Pumpenarbeitsraum zur Steuerung
der Motorventile ausnutzen zu können,
Fig. 3 eine Pumpen-Motor-Kombination, bei der
der zu- und abschaltbare Motor dazu dient,
das Pumpmedium mit unterschiedlichem Druck
und Volumenstrom zu fördern,
Fig. 4 eine Kombination einer Kolbenpumpe mit
einem Wassermotor in Verbindung mit einer
Anlage für die umgekehrte Osmose, wobei
die Pumpenventile mit den Motorventilen
zwangsgekoppelt sind, indem für die
Ventile von Motor und Pumpe gemeinsame
Schließkörperaggregate angeordnet sind,
und
Fig. 5 einen Wassermotor, der in prinzipiell
gleicher Weise wie in Fig. 4 mit einer
Pumpe kombiniert ist, welche jedoch
nur eine sehr geringe Förderleistung
aufweist und im wesentlichen nur zur
Ventilbetätigung dient.
Gemäß Fig. 1 ist in einem doppeltwirkenden Kolben-
Zylinder-Aggregat ein Kolben 2 verschiebbar geführt
und mittels einer an ihm fest angeordneten Kolbenstange
3 - sowie in der Regel über ein nicht dargestelltes
Kurbeltriebwerk - mit einem nicht dargestellten
Antriebsaggregat gekoppelt.
Aufgrund der einseitigen Anordnung der Kolbenstange 3
besitzt der Kolben 2 auf seinen Stirnseiten Wirkflächen
unterschiedlicher Größe, d. h. auf der von der Kolben
stange 3 abgewandten Seite eine kreisscheibenförmige
Wirkfläche mit dem Durchmesser D und auf der Seite
der Kolbenstange 3 eine ringscheibenförmige Wirkfläche
mit dem Außendurchmesser D und dem Innendurchmesser d,
welcher dem Durchmesser der Kolbenstange 3 entspricht.
Der Kolben 2 trennt innerhalb des Kolben-Zylinder-
Aggregates 1 zwei Kolbenarbeitsräume 4 und 5 voneinander
ab. Dabei bildet der Kolben 2 zusammen mit dem Kolben
arbeitsraum 4 auf der von der Kolbenstange 3 abgewandten
Kolbenseite eine Pumpe mit dem nur schematisch dargestell
ten Saugventil 6 sowie dem ebenfalls nur schematisch
dargestellten Druckventil 7. Saug- und Druckventil 6, 7
arbeiten in üblicher Weise nach Art eines Rückschlagven
tiles, d. h. das Saugventil 6 läßt lediglich eine Strömung
in den Kolbenarbeitsraum 4 zu, während das Druckventil 7
nur ein Ausströmen des Pumpmediums aus dem Kolbenarbeits
raum 4 ermöglicht.
Zusammen mit dem anderen Kolbenarbeitsraum 5 bildet der
Kolben 2 einen hydraulischen Motor bzw. Wassermotor.
Dazu kann der Kolbenarbeitsraum 5 über eine Einlaß- und
Auslaßleitung 8 sowie eine Einlaß-und Auslaß-Ventilanordnung
9 entweder mit einem Hochdruckanschluß 10 oder mit einem
Niederdruckanschluß 11 verbunden werden. Dazu wird die
Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 in weiter unten
dargestellter Weise derart gesteuert, daß der Kolben
arbeitsraum 5 mit dem Hochdruckanschluß 10 verbunden ist,
wenn der Kolben 2 seinen Arbeitshub ausführt, d. h. sich
in Fig. 1 nach rechts bewegt; während des Ausschiebehubes,
d. h. wenn sich der Kolben 2 in Fig. 1 nach links bewegt,
ist die Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 so geschaltet,
daß der Kolbenarbeitsraum 5 mit dem Niederdruckanschluß 11
kommuniziert.
Die Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 besitzt einen
Ventilarbeitsraum 12, welcher den zu seiner Längsachse
im wesentlichen rotationssymmetrischen Ventilkörper 13
aufnimmt. Der Ventilkörper 13 besitzt zwei voneinander
beabstandete kegelstumpfförmige Dichtflächen 14′ und 14′′,
welche mit entsprechend konusförmigen Sitzflächen 15′ und
15′′ an axial gegenüberliegenden Endseiten des Ventilarbeits
raumes 12 zusammenwirken.
In der in Fig. 1 nach rechts verschobenen Endlage sitzt
der Ventilkörper 13 mit seiner Dichtfläche 14′ auf der
Sitzfläche 15′ auf, so daß eine im Ventilgehäuse 16
angeordnete, an der Sitzfläche 15′ axial in den Ventil
arbeitsraum 12 mündende Bohrung 17 vom Ventilarbeitsraum
12 abgetrennt ist.
In seiner in Fig. 1 nach links verschobenen Endlage sitzt
der Ventilkörper 13 mit seiner Dichtfläche 14′′ auf der
Sitzfläche 15′′ auf, so daß eine an der Sitzfläche 15′′
axial in den Ventilarbeitsraum 12 mündende, zur Bohrung 17
gleichachsige Bohrung 18 gegenüber dem Ventilarbeitsraum
12 abgesperrt ist.
Der Ventilkörper 13 ist in den Bohrungen 17 und 18 jeweils
mit axialen Fortsätzen 19′ bzw. 19′′ in Achsrichtung ver
schiebbar geführt. Die Fortsätze 19′ und 19′′ sind mit
Axialnuten versehen, um eine Verbindung zwischen Bohrung 17
und Ventilarbeitsraum 12 bei von der Sitzfläche 15′ abge
hobener Dichtfläche 14′ des Ventilkörpers 13 bzw. eine
Verbindung zwischen der Bohrung 18 und dem Ventilarbeits
raum 12 bei von der Sitzfläche 15′′ abgehobener Dichtfläche
14′′ des Ventilkörpers 13 zu ermöglichen.
Je nach dem, ob der Ventilkörper 13 seine eine oder andere
Endlage einnimmt, ist also die radial in den Ventilarbeits
raum 12 einmündende Einlaß- und Auslaßleitung 8 entweder
mit der Bohrung 17 sowie dem damit kommunizierenden
Hochdruckanschluß 10 oder mit der Bohrung 18 verbunden,
die zum Niederdruckanschluß 11 führt.
Der Ventilkörper 13 ist mittels einer Betätigungsstange 20
mit einem Tellerkolben 21 verbunden, dessen Querschnitt im
Vergleich zum Querschnitt des Ventilkörpers 13 relativ
groß ist. Der Tellerkolben 21 teilt innerhalb des Ventil
gehäuses 16 zwei Kolbenarbeitsräume 22 und 23 voneinander
ab. Der Kolbenarbeitsraum 23 ist mit der Bohrung 17 und
dementsprechend auch mit dem davon abzweigenden Hochdruck
anschluß 10 verbunden. Der Kolbenarbeitsraum 22 kommuniziert
über eine Steuerleitung 24 mit dem als Arbeitsraum einer
Pumpe angeordneten Kolbenarbeitsraum 4 des Kolben-Zylinder-
Aggregates 1.
Zwischen dem Kolben-Zylinder-Aggregat 1 und der Einlaß- und
Auslaß-Ventilanordnung 9 ist eine Anlage für Umkehrosmose
25 angeordnet. Diese nur schematisch wiedergegebene Anlage
25 besitzt eine Hochdruckkammer 26 sowie eine davon mittels
einer Membrane 27 abgetrennte Niederdruckkammer 28.
Im dargestellten Beispiel soll die Anlage für Umkehrosmose
25 zur Meerwasserentsalzung, d. h. zur Erzeugung von salz
freiem bzw. trinkbarem Wasser aus Meerwasser, eingesetzt
werden. Dazu wird der Hochdruckkammer 26 mittels der im
Kolben-Zylinder-Aggregat 1 vom Kolben 2, vom Kolbenarbeits
raum 4 und vom Saugventil 6 sowie vom Druckventil 7 gebilde
ten Pumpe Meerwasser aus einem Reservoir 29 über eine
Druckleitung 30 zugeführt, an der ein Druckbegrenzungs
ventil 31 angeordnet sein kann, um eine eventuelle
Überbeanspruchung der Membran 27 durch zu hohen Druck
zu verhindern. Aufgrund des Druckgefälles zwischen der
Hochdruckkammer 26 und der Niederdruckkammer 28 wird die
Membrane 27 von Wasser durchsetzt, wobei jedoch aufgrund
der besonderen Struktur der Membrane 27 das Salz in der
Hochdruckkammer 26 zurückgehalten wird. Bezogen auf das
Volumen des über die Druckleitung 30 zugeführten Meer
wassers kann jeweils ein Anteil von ca. 40% entsalztem
bzw. trinkbarem Wasser gewonnen werden, d. h. etwa 40%
des der Hochdruckkammer 26 zugeführten Volumens durch
setzen als Filtrat die Membran 27 in Form von salzfreiem
bzw. trinkbarem Wasser, welches sodann dem Reservoir 32
zugeleitet wird.
Das auf der Hochdruckseite der Membran 27 zurückbleibende
Konzentrat, d. h. Salzwasser mit gegenüber dem Meerwasser
erhöhtem Salzgehalt, welches bezogen auf die Menge des
über die Druckleitung 30 zugeführten Meerwassers einen
Anteil von ca. 60% darstellt, wird über eine Leitung 33
aus der Hochdruckkammer 26 zum Hochdruckanschluß 10 der
Einlaß- und Auslaßventilanordnung 9 geleitet. Dabei arbeitet
die Einlaß- und Auslaßventilanordnung 9 derart, daß das
unter hohem Druck stehende Salzwasser jeweils während des
Druckhubes der durch den Kolben 2, den Kolbenarbeitsraum 4
sowie das Saugventil 6 und das Druckventil 7 gebildeten
Pumpe in den Kolbenarbeitsraum 5 des Kolben-Zylinder-
Aggregates geleitet wird, so daß der Druckhub der vorge
nannten Pumpe durch den Arbeitshub des Wassermotors unter
stützt wird, welcher innerhalb des Kolben-Zylinder-
Aggregates 1 von dem Kolben 2 sowie dem Kolbenarbeitsraum
5 und der von der Einlaß- und Auslaßventilanordnung 9
gesteuerten Einlaß- und Auslaßleitung 8 gebildet wird.
Während des Druckhubes der vorgenannten Pumpe herrscht
nämlich im Kolbenarbeitsraum 4 des Kolben-Zylinder-
Aggregates 1 ein entsprechend hoher Druck, welcher sich
über die Steuerleitung 24 in den Kolbenarbeitsraum 22
des Tellerkolbens 21 der Einlaß- und Auslaßventilanordnung
9 fortpflanzt. Beim Saughub dieser Pumpe herrscht dagegen
im Kolbenarbeitsraum 4 sowie in dem damit über die Steuer
leitung 24 verbundenen Kolbenarbeitsraum 22 ein Unterdruck.
Im Kolbenarbeitsraum 23 des Tellerkolbens 21 der Einlaß-
und Auslaßventilanordnung 9 liegt immer ein hoher Druck
vor, entsprechend dem Druck in der Druckleitung 30, der
Hochdruckkammer 26 sowie der Leitung 33. Dieser hohe Druck
kann gegebenenfalls durch einen an der Leitung 33 angeord
neten Druckspeicher 34 weitestgehend frei von Pulsationen
gehalten werden.
Da die dem Kolbenarbeitsraum 22 des Tellerkolbens 21 zuge
wandte Wirkfläche aufgrund der auf der anderen Kolbenseite
angeordneten Betätigungsstange 20 etwas größer ist als die
dem Arbeitsraum 23 zugewandte Wirkfläche und da der am Hoch
druckanschluß 10 der Einlaß- und Auslaßventilanordnung 9
vorliegende Druck über die Bohrung 17 auch das hochdruck
seitige Ende des Ventilkörpers 13 bzw. des daran angeord
neten Fortsatzes 19 beaufschlagt, überwiegen beim Druckhub
der vom Kolben 2, vom Kolbenarbeitsraum 4 sowie vom
Saugventil 6 und vom Druckventil 7 gebildeten Pumpe diejenigen
Druckkräfte, welche den Tellerkolben 21 sowie den damit
über die Betätigungsstange 20 fest verbundenen Ventilkörper
13 der Einlaß- und Auslaßventilanordnung 9 in die in Fig. 1
dargestellte Endlage zu schieben suchen, bei der der Druck
anschluß 10 der Einlaß- und Auslaßventilanordnung 9 mit der
Kammer 5 des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 kommuniziert.
Dementsprechend wird der Druckhub der vom Kolben 2, vom
Kolbenarbeitsraum 4, vom Saugventil 6 und vom Druckventil 7
gebildeten Pumpe hydraulisch unterstützen.
Beim Saughub der vorgenannten Pumpe liegt im Kolbenarbeits
raum 4 sowie im über die Steuerleitung 24 angeschlossenen
Kolbenarbeitsraum 22 des Tellerkolbens 21 der Einlaß- und
Auslaß-Ventilanordnung 9 nur ein sehr geringer Druck vor,
so daß der Druck im Kolbenarbeitsraum 23 wesentlich höher
als derjenige im Kolbenarbeitsraum 22 des Tellerkolbens 21
ist. Da der Querschnitt des Kolbens 21 auch auf der Seite
der Betätigungsstange 20 wesentlich größer als der Quer
schnitt des Ventilkörpers 13 ist, den der am Hochdruck
anschluß 10 anstehende hohe Druck in Fig. 1 nach links zu
drängen sucht, kann der im Kolbenarbeitsraum 23 ständig
vorhandene hohe Druck den Tellerkolben 21 zusammen mit dem
Ventilkörper 13 in dessen rechte Endlage verstellen, so daß
der Kolbenarbeitsraum 5 des Kolben-Zylinder-Aggregates 1
über die Einlaß- und Auslaßleitung 8 sowie die Bohrung 18
mit dem Niederdruckanschluß 11 der Einlaß- und Auslaß-
Ventilanordnung verbunden ist.
Dementsprechend führt also der Wassermotor, welcher von dem
Kolben 2 sowie dem Kolbenarbeitsraum 5 des Kolben-Zylinder-
Aggregates 1 und der von der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9
gesteuerten Einlaß- und Auslaßleitung 8 gebildet
wird, seinen Ausschiebehub aus, bei dem das zuvor in den
Kolbenarbeitsraum 5 unter Druck eingeleitete Salzwasser
weitestgehend drucklos in ein Reservoir 35 ausgeschoben
wird, wenn die auf der Seite des Kolbenarbeitsraumes 4
des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 gebildete Pumpe ihren
Saughub durchführt.
Arbeitshub des Wassermotors und Druckhub der Pumpe sowie
Ausschiebehub des Wassermotors und Saughub der Pumpe
fallen also zusammen.
Auf diese Weise kann ein Anteil der zum Antrieb der Pumpe
benötigten Leistung durch den Wassermotor zurückgewonnen
werden, so daß sich der Leistungsbedarf des mit der Kolben
stange 3 antriebsgekoppelten, nicht dargestellten Antriebs
aggregates entsprechend vermindert.
Im vorliegenden Falle können optimale Verhältnisse etwa
dann erreicht werden, wenn das Größenverhältnis zwischen
der dem Kolbenarbeitsraum 4 zugewandten kreisscheibenförmi
gen Wirkfläche des Kolbens 2 und der dem Kolbenarbeitsraum 5
zugewandten ringscheibenförmigen Wirkfläche dieses Kolbens 2
bei ca. 100 : 60 liegt. Damit wird berücksichtigt, daß von dem
der Druckleitung 30 zugeförderten Volumenstrom nur etwa 60%
zur Leitung 33 und damit zur Einlaß- und Auslaß-Ventilanord
nung 9 gelangen; die restlichen ca. 40% werden dem Reservoir
32 zugeführt.
Das genannte Größenverhältnis der Wirkflächen des Kolbens
2 wird erreicht, wenn gilt
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform besitzt
das Kolben-Zylinder-Aggregat 1 einen ersten Kolbenarbeits
raum 36, welcher wie der zugeordnete Kolben 37 einen großen
Querschnitt aufweist. Dieser Kolbenarbeitsraum 36 sowie der
Kolben 37 bilden zusammen mit der von der Einlaß- und Auslaß-
Ventilanordnung 9 gesteuerten Einlaß- und Auslaßleitung 8
einen nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Wassermotor.
Des weiteren besitzt das Kolben-Zylinder-Aggregat 1 einen
zweiten Kolbenarbeitsraum 38, welcher wie der zugeordnete
plungerartige Kolben 39 einen sehr geringen Querschnitt
besitzt. Der Kolbenarbeitsraum 38 ist gleichachsig zum
Kolbenarbeitsraum 36 angeordnet, derart, daß der Kolben 39
gleichachsig zum Kolben 37 an dessen dem Kolbenarbeitsraum
36 zugewandter Stirnseite fest angeordnet werden kann.
Der Kolbenarbeitsraum 38 ist mit einem Saugventil 6 sowie
einem Druckventil 7, welche nur schematisch dargestellt
sind, kombiniert, so daß eine Pumpe mit entsprechend dem
Querschnitt von Kolben 37 und Kolbenarbeitsraum 38 geringem
Förderstrom gebildet wird.
Der Kolbenarbeitsraum 38 der vorgenannten Pumpe ist wiederum
über die Steuerleitung 24 mit dem Kolbenarbeitsraum 22 der
Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 verbunden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist der
Hochdruckanschluß 10 der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung
9 an der Bohrung 18, d. h. auf der von dem Tellerkolben 21
abgewandten Seite des Ventilkörpers 13 vorgesehen. Der
Niederdruckanschluß 11 ist dagegen mit der Bohrung 17
zwischen Ventilkörper 13 und Tellerkolben 21 verbunden.
Die Druckleitung 30 der vom Kolbenarbeitsraum 38 und Kolben
37 sowie Saugventil 6 und Druckventil 7 gebildeten Pumpe ist
an den Hochdruckanschluß 10 der Einlaß- und Auslaß-Ventil
anordnung 9 angeschlossen, der seinerseits wiederum mit
einer Quelle 40 für Hochdruckwasser in Verbindung steht.
Der Sauganschluß der von dem Kolbenarbeitsraum 38 und dem
Kolben 39 sowie dem Saugventil 6 und dem Druckventil 7
gebildeten Pumpe ist ebenso wie der Niederdruckanschluß 11
der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 mit einem Nieder
druckreservoir 41 verbunden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform hat die
von dem Kolben 39, dem Kolbenarbeitsraum 38 und den Ventilen
6 und 7 gebildete Pumpe eine völlig untergeordnete Förder
funktion. Wesentlich ist lediglich, daß im Arbeitsraum 38
dieser Pumpe ein pulsierender Druck erzeugt wird, welcher
sich über die Steuerleitung 24 in den Kolbenarbeitsraum 22
des Tellerkolbens 21 fortpflanzt. Dementsprechend liegt im
Kolbenarbeitsraum 22 jeweils der gleiche pulsierende Druck
wie im Arbeitsraum 38 vor.
Dabei ist gewährleistet, daß die Einlaß- und Auslaßleitung
8 mit dem Druckanschluß 10 und dementsprechend mit der
Quelle 40 für Druckwasser verbunden ist, wenn sich der
Kolben 37 des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 in Fig. 2
nach links bewegt, d. h. wenn der von dem Kolben 37,
dem Kolbenarbeitsraum 36 sowie der von der Einlaß- und
Auslaß-Ventilanordnung 9 gesteuerten Einlaß- und Auslaß
leitung 8 gebildete Wassermotor seinen Arbeitshub ausführt.
Während dieses Arbeitshubes führt nämlich der Kolben 39
der Pumpe 6, 7, 38, 39 seinen Saughub aus, so daß im
Kolbenarbeitsraum 38 des Kolben-Zylinder-Aggregates 1
ebenso wie im Kolbenarbeitsraum 22 der Einlaß- und Auslaß-
Ventilanordnung 9 sehr geringer Druck bzw. Unterdruck
vorliegt. Damit wird der Ventilkörper 13 zusammen mit dem
Tellerkolben 21 vom Druck des Druckwassers am Druckanschluß
10 aus der in Fig. 2 dargestellten linken Endlage in seine
nach rechts verschobene Endlage gedrängt, d. h. die Einlaß-
und Auslaßleitung 8 ist mit dem Druckanschluß 10 verbunden
und durch den Ventilkörper 13 vom Niederdruckanschluß 11
abgetrennt.
Wenn dagegen der Kolben 37 des Kolben-Zylinder-Aggregates 1
sich in Fig. 2 nach rechts bewegt, führt der Kolben 39 im
Kolbenarbeitsraum 38 des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 den
Druckhub der von dem Kolben 39, dem Kolbenarbeitsraum 38
und den Ventilen 6 und 7 gebildeten Pumpe aus.
Dementsprechend ist im Kolbenarbeitsraum 38 ein hoher Druck
vorhanden, welcher sich über die Steuerleitung 24 in den
Kolbenarbeitsraum 22 der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung
9 fortpflanzt. Dieser Druck drängt aufgrund des großen
Querschnittes des Tellerkolbens 21 diesen Kolben 21 zusammen
mit dem Ventilkörper 13 gegen den Druck des Druckwassers in
der Bohrung 18 in die in Fig. 2 dargestellte linke Endlage,
bei der die Einlaß- und Auslaßleitung 8 von dem Hochdruckanschluß 10
der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9
abgetrennt und mit dem Niederdruckanschluß 11 dieser
Ventilanordnung 9 verbunden ist. Dementsprechend kann
der Wassermotor, welcher von dem Kolben 37, dem Kolben
arbeitsraum 36 sowie der von der Einlaß- und Auslaß-
Ventilanordnung 9 gesteuerten Einlaß- und Auslaßleitung 8
gebildet wird, das während des Arbeitshubes unter Druck
in den Kolbenarbeitsraum 36 eingeströmte Druckwasser beim
Ausschiebehub weitestgehend druckfrei dem Niederdruck
reservoir 41 zuführen.
Da bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform die
Pumpe 6, 7, 38, 39 nur einen sehr geringen Leistungsbedarf
hat, um die Einlaß- und Auslaßventilanordnung 9 in der
beschriebenen Weise steuern zu können, wird die vom Wasser
motor 8, 9, 36, 37 abgegebene Leistung nur unwesentlich
vermindert. Dabei ist zusätzlich zu beachten, daß die
Arbeit der vorgenannten Pumpe, soweit deren Leistung den
Leistungsbedarf für die Steuerung der Einlaß- und Auslaß-
Ventilanordnung 9 übersteigt, nicht verlorengeht, denn
dieser den Leistungsbedarf der Einlaß- und Auslaß-Ventil
anordnung 9 übersteigende Anteil der Pumparbeit wirkt im
Sinne einer Erhöhung der Kapazität der Quelle für Druck
wasser 40 und kann daher durch die Arbeit des Wassermotors
zurückgewonnen werden.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform hat weitest
gehende Ähnlichkeit mit der Ausführungsform nach Fig. 1.
Im Unterschied dazu gabelt sich jedoch die Druckleitung 30
in die Leitungen 30′ und 30′′, wobei die Leitung 30′ zu
einem Verbraucher 42 und die Leitung 30′′ zum Hochdruckanschluß 10
der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9
führt.
Darüber hinaus ist der Niederdruckanschluß 11 der Einlaß-
und Auslaß-Ventilanordnung 9 mit dem gleichen Niederdruck
reservoir 42 bzw. einem entsprechenden drucklosen Reservoir
verbunden wie die Saugseite der von dem Kolben 2, dem
Kolbenarbeitsraum 4 sowie den Ventilen 6 und 7 im Kolben-
Zylinder-Aggregat 1 gebildeten Pumpe.
Ein wesentlicher Unterschied gegenüber der Ausführungsform
nach Fig. 1 liegt darin, daß in der den Kolbenarbeitsraum 4
des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 mit dem Kolbenarbeitsraum
22 der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 verbindenden
Steuerleitung 24 ein Umschaltventil 43 angeordnet ist,
welches in seiner einen - dargestellten - Lage die Leitungs-
Zweige 24′ und 24′′ der Steuerleitung 24 miteinander verbin
det. In seiner anderen Lage wird der Leitungszweig 24′ der
Steuerleitung 24 abgesperrt, während der mit dem Kolben
arbeitsraum 22 der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9
verbundene Leitungszweig 24′′ mit dem Niederdruckreservoir
42 verbunden wird.
Die Funktion der Ausführungsform nach Fig. 3 ist wie folgt:
Zunächst wird davon ausgegangen, daß das Umschaltventil 43 in seiner nicht dargestellten anderen Lage steht, bei der der Kolbenarbeitsraum 22 der Einlaß- und Auslaß-Ventilanord nung 9 über den Leitungszweig 24′′ der Steuerleitung 24 ständig mit dem Niederdruckreservoir 42 verbunden ist und dementsprechend dauernd praktisch drucklos bleibt. Dies bedeutet, daß der Tellerkolben 21 sowie der Ventilkörper 13 der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 ständig in der in Fig. 3 nicht dargestellten anderen Endlage stehen, und zwar unabhängig von der Bewegungsrichtung des Kolbens 2 des Kolben-Zylinder-Aggregates 1. Der Tellerkolben 21 wird nämlich auf seiner dem Hochdruckanschluß 10 der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 zugewandten Seite ständig von einem Druck beaufschlagt, welcher dem Druck in der Druck leitung 30 weitestgehend entspricht; vom Kolbenarbeitsraum 22 werden jegliche Druckpulsationen ferngehalten, welche dem vorgenannten Druck entgegenwirken könnten.
Zunächst wird davon ausgegangen, daß das Umschaltventil 43 in seiner nicht dargestellten anderen Lage steht, bei der der Kolbenarbeitsraum 22 der Einlaß- und Auslaß-Ventilanord nung 9 über den Leitungszweig 24′′ der Steuerleitung 24 ständig mit dem Niederdruckreservoir 42 verbunden ist und dementsprechend dauernd praktisch drucklos bleibt. Dies bedeutet, daß der Tellerkolben 21 sowie der Ventilkörper 13 der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 ständig in der in Fig. 3 nicht dargestellten anderen Endlage stehen, und zwar unabhängig von der Bewegungsrichtung des Kolbens 2 des Kolben-Zylinder-Aggregates 1. Der Tellerkolben 21 wird nämlich auf seiner dem Hochdruckanschluß 10 der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 zugewandten Seite ständig von einem Druck beaufschlagt, welcher dem Druck in der Druck leitung 30 weitestgehend entspricht; vom Kolbenarbeitsraum 22 werden jegliche Druckpulsationen ferngehalten, welche dem vorgenannten Druck entgegenwirken könnten.
Da der Ventilkörper 13 ständig in seiner gemäß Fig. 3
rechten Endlage liegenbleibt, ist der Kolbenarbeitsraum 5
des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 über die Einlaß- und
Auslaßleitung 8 ständig mit dem Niederdruckanschluß 11
der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 und dementsprechend
mit dem Niederdruckreservoir 42 verbunden. Dies ist gleich
bedeutend, daß der von dem Kolben 2, dem Kolbenarbeitsraum
5 sowie der von der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9
gesteuerten Einlaß- und Auslaßleitung 8 gebildete Wasser
motor unwirksam ist und keine Arbeit zu leisten vermag,
denn die Einlaß- und Auslaßleitung 8 sowie der Kolben
arbeitsraum 5 bleiben aufgrund der genannten Stellung des
Ventilkörpers 13 ständig vom Druckanschluß 10 der Einlaß-
und Auslaßventilanordnung 9 abgetrennt.
Somit ist in dieser Stellung des Umschaltventiles 43 nur
die Pumpe wirksam, die vom Kolben 2, vom Kolbenarbeitsraum
4 und den Ventilen 6 und 7 gebildet wird. Dabei wird das
im Druckhub des Kolbens 2 durch das Druckventil 7 ausge
stoßene Pumpmedium vollständig über die Druckleitung 30
und deren Leitungszweig 30′ dem Verbraucher 42 zugeführt.
Durch den Leitungszweig 30′′ kann kein Pumpmedium fließen,
weil die Verbindung zwischen dem Druckanschluß 10 der
Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9 und der Einlaß- und
Auslaßleitung 8 durch den Ventilkörper 13 ständig gesperrt
wird.
Wird das Umschaltventil 43 nunmehr in die in Fig. 3 darge
stellte Lage umgeschaltet, so pflanzen sich die Druckpul
sationen im Kolbenarbeitsraum 4 des Kolben-Zylinder-Aggre
gates 1 wiederum über die Steuerleitung 24 in den Kolben
arbeitsraum 22 der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9
fort, so daß der Ventilkörper 13 die in Fig. 3 dargestellte
eine Endlage einnimmt, wenn sich der Kolben 2 des Kolben-
Zylinder-Aggregates 1 in Fig. 3 nachrechtsbewegt; die an
dere Endlage des Ventilkörpers 13 wird eingenommen, wenn
sich der Kolben 2 in Fig. 3 nach links bewegt.
Sobald also die von dem Kolben 2, dem Kolbenarbeitsraum 4
und den Ventilen 6 und 7 gebildete Pumpe im Druckhub arbei
tet, führt der von dem Kolben 2, dem Kolbenarbeitsraum 5
sowie der durch die Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9
gesteuerten Einlaß- und Auslaßleitung 8 gebildete Wasser
motor seinen Arbeitshub aus, wobei der Druck im Kolben
arbeitsraum 5 den Druck im Kolbenarbeitsraum 4 erhöht.
Dabei wird dem Verbraucher 42 nur ein Teil des von der
Pumpe durch das Druckventil 7 ausgestoßenen Pumpmediums
über den Leitungszweig 30′ der Druckleitung 30 zugeführt,
der andere Teil des Pumpmediums fließt beim Druckhub der
Pumpe jeweils über den Leitungszweig 30′′ sowie die Einlaß-
und Auslaß-Ventilanordnung 9 zur Einlaß- und Auslaßleitung
8 und damit in den Kolbenarbeitsraum 5 des Wassermotors.
Beim nachfolgenden Saughub der Pumpe (Kolben bewegt sich
in Fig. 3 nach links), wird der Kolbenarbeitsraum 5 des
Wassermotors über die Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung 9
in das Niederdruckreservoir 42 entleert.
Wenn der Kolben 2 des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 über
seine Kolbenstange 3 mit einem Antriebsaggregat vorgegebener
Leistung verbunden ist, wird bei unwirksam geschaltetem
Wassermotor (das Umschaltventil 43 nimmt seine nicht dar
gestellte Lage ein) dem Verbraucher 42 von der Pumpe ein
relativ großer Volumenstrom mit vergleichsweise geringem
Druck zugeführt.
Sobald der Wassermotor wirksam geschaltet ist (das Umschalt
ventil 43 nimmt die dargestellte Lage ein), kann dem Ver
braucher 42 ein kleinerer Förderstrom mit entsprechend
hohem Druck zugeführt werden.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Anlage treibt ein nicht
dargestelltes Antriebsaggregat einen Plunger 50, der mit
dem Antriebsaggregat in herkömmlicher Weise über ein
Kurbeltriebwerk antriebsgekoppelt sein kann. Der Plunger 50
ist mit einem Kolben 51, dessen Durchmesser größer als
derjenige des Plungers 50 ist, zwangsgekoppelt, wobei jedoch
die Verbindung zwischen Plunger 50 und Kolben 51 spielbehaf
tet ist, derart, daß sich Plunger 50 und Kolben 51 begrenzt
relativ zueinander verschieben können. Zur Kupplung von
Plunger 50 und Kolben 51 dient ein am Plunger 50 angeordne
ter pilzförmiger Bolzen 52, dessen Schaftbereich 52′ einen
etwas geringeren Durchmesser als die von ihm durchsetzte
Bohrung 53 im Boden des Kolbens 51 aufweist. Dementsprechend
können die vom Kolben 51 voneinander abgetrennten Kolben
arbeitsräume 54 und 55 miteinander kommunizieren, wenn der
Kolben 51 eine Lage wie in Fig. 4 einnimmt, wo der Boden
des Kolbens 51 einerseits von der zugewandten Stirnseite
des Plungers 50 und andererseits vom Kopf des Bolzens 52
beabstandet ist. Wenn sich der Kolben 51 relativ zum Plunger
50 in seine Endlagen verschiebt, wird die Bohrung 53 entweder
durch Zusammenwirken des Bodens des Kolbens 51 mit dem Kopf
des Bolzens 52 oder durch Zusammenwirken des Bodens des
Kolbens 51 mit der zugewandten Stirnseite des Plungers 50
abgesperrt.
Der Kolbenarbeitsraum 54 bildet den Arbeitsraum einer Ver
drängerpumpe P mit der Saugleitung bzw. dem Saugleitungs
anschluß 56 sowie der Druckleitung bzw. dem Druckleitungs
anschluß 57.
Der Kolbenarbeitsraum 55 bildet den Arbeitsraum eines nach
dem Verdrängerprinzip arbeitenden Wassermotors M mit der
Einlaßleitung bzw. dem Einlaßanschluß 58 sowie der Auslaß
leitung bzw. dem Auslaßanschluß 59.
Ein erstes Ventilaggregat besitzt einen Ventilkörper 60,
der mit zwei Sitzen 61 und 62 zusammenwirkt und von einer
Schließfeder 63 gegen die genannten Sitze 61 und 62 gedrängt
wird. Das Ventilaggregat mit dem Ventilkörper 60 arbeitet
einerseits als Saugventil für die Pumpe P und andererseits
als Auslaßventil für den Motor M, d. h. beim Abheben der
Dichtfläche 60′ vom Sitz 61 werden der Saugleitungsanschluß
56 und der Kolbenarbeitsraum 54 miteinander verbunden;
gleichzeitig wird eine Verbindung zwischen dem Kolben
arbeitsraum 55 und dem Auslaßanschluß 59 geschaffen,
weil die Dichtfläche 60′′ des Ventilkörpers 60 vom Sitz 62
abhebt.
Im übrigen hat der Ventilkörper 60 noch die Funktion,
den Saugleitungsanschluß 56 der Pumpe P vom Auslaßanschluß
59 des Motors M zu trennen. Dazu wirkt der Ventilkörper 60
in allen seinen möglichen Lagen dichtend mit einem den
Ventilkörper 60 umschließenden zylindrischen Gehäuseab
schnitt 64 zusammen, welcher zwischen dem Saugleitungs
anschluß 56 und dem Auslaßanschluß 59 angeordnet ist und
zwischen dem Ventilkörper 60 und dem Ventilgehäuse gebilde
te Ringräume im Zusammenwirken mit dem Ventilkörper 60
trennt.
Die Dichtflächen 60′ und 60′′ des Ventilkörpers 60 sowie
die zugeordneten Sitze 61 und 62 sind so bemessen, daß in
Schließlage des Ventilkörpers 60 der vom Druck im Kolben
arbeitsraum 54 in Schließrichtung beaufschlagte Querschnitt
des Ventilkörpers 60 größer ist als der vom Druck im
Kolbenarbeitsraum 55 am Sitz 62 in Öffnungsrichtung
beaufschlagte Querschnitt des Ventilkörpers 60.
Ein zweites Ventilaggregat besitzt ein Ventilkörperaggre
gat 65 mit einem ersten tellerartigen Ventilkörper 65′
sowie einem zweiten tellerartigen Ventilkörper 65′′ und
wird von einer Schließfeder 66 gegen den Ventilkörpern
65′ und 65′′ zugeordnete Sitze 67 und 68 gedrängt.
Das Ventilaggregat mit dem Ventilkörperaggregat 65
arbeitet für die Pumpe P als Druckventil und für den
Motor M als Einlaßventil. Wenn also der Ventilkörper 65′
von seinem Sitz 67 abhebt, wird der Kolbenarbeitsraum 54
mit dem Druckleitungsanschluß 67 verbunden; gleichzeitig
werden der Kolbenarbeitsraum 55 und der Einlaßanschluß 58
verbunden, weil der Ventilkörper 65′′ von seinem Sitz 68
abhebt.
Im übrigen verschließt der zwischen den Ventilkörpern 65′
und 65′′ angeordnete Schaft des Ventilkörperaggregates 65
eine Gehäusebohrung zwischen dem Druckleitungsanschluß 57
sowie dem Einlaßanschluß 58, d. h. diese beiden Anschlüsse
besitzen keine direkte Verbindung miteinander.
Die Durchmesser der Ventilkörper 65′ und 65′′ sowie der
zugeordneten Sitze 67 und 68 sind so bemessen, daß in
Schließlage des Ventilkörperaggregates 65 der vom Druck
am Druckleitungsanschluß 57 in Schließrichtung beaufschlag
te Querschnitt des Ventilkörpers 65′ größer ist als der
vom Druck am Einlaßanschluß 58 in Öffnungsrichtung beauf
schlagte Querschnitt des Ventilkörpers 65′′.
Die in Fig. 4 dargestellte Kombination von Pumpe P und
Motor M ist wiederum einer Anlage für Umkehrosmose 25
zugeordnet. Dazu ist der Saugleitungsanschluß 56 mit dem
Reservoir 29 für Meerwasser verbunden. Vom Druckleitungs
anschluß 57 führt eine Leitung 30, in der ein nicht dar
gestelltes Druckbegrenzungsventil angeordnet ist, zur
Hochdruckkammer 26 der Anlage für Umkehrosmose 25. Von
dieser Hochdruckkammer 26 führt die Leitung 33 zum
Einlaßanschluß 58, während von der Niederdruckkammer 28 wiederum
eine Leitung zu einem Reservoir 32 für Trinkwasser bzw.
entsalztes Wasser führt. Der Auslaßanschluß 59 ist mit
dem Reservoir 35 für das beim Prozeß der Umkehrosmose
gebildete Konzentrat verbunden.
Wenn sich der Kolben 51 in Fig. 4 nach unten bewegt,
wird pumpenseitig der Saughub und motorseitig der Ausschie
behub ausgeführt, d. h. der Ventilkörper 60 nimmt seine
Öffnungslage ein, so daß vom Reservoir 29 Meerwasser in den
Kolbenarbeitsraum 54 strömt und aus dem Kolbenarbeitsraum 55
Konzentrat zum Reservoir 35 hin ausgeschoben wird. Während
dieses Abwärtshubes des Kolbens 51 bleibt das Ventilkörper
aggregat 65 in seiner Schließlage.
Bewegt sich der Kolben 51 in Fig. 4 nach oben, so führt er
pumpenseitig den Druckhub und motorseitig den Arbeitshub aus,
wobei aus dem Kolbenarbeitsraum 54 Pumpmedium (Meerwasser)
zum Druckleitungsanschluß 57 und damit zur Leitung 30 aus
geschoben wird, während gleichzeitig über die Leitung 33
unter Druck stehendes Konzentrat von der Anlage für Umkehr
osmose 25 über den Einlaßanschluß 58 in den Kolbenarbeits
raum 55 strömt. Während dieser Phase, in der das Ventil
körperaggregat 65 seine Öffnungslage einnimmt, bleibt der
Ventilkörper 60 in seiner Schließlage.
Der Volumenstrom vom Saugleitungsanschluß 56 zum Druck
leitungsanschluß 57 ist wiederum größer als der Volumen
strom vom Einlaßanschluß 58 zum Auslaßanschluß 59, weil
der Kolben 51 im Kolbenarbeitsraum 54 mit seinem gesamten
Querschnitt wirksam arbeitet, während im Arbeitsraum 55
im wesentlichen nur die Differenz der Querschnitte von
Kolben 51 und Plunger 50 wirksam wird. Damit kann wiederum
berücksichtigt werden, daß nur ein Anteil des von der
Pumpe P geförderten Volumens als Konzentrat an der Leitung
33 zur Verfügung steht, während ein weiterer Volumens
anteil als trinkbares bzw. entsalztes Wasser zum Reservoir
32 geführt wird.
Bei seiner Hubarbeit wird der Kolben 51 vom Plunger 50
angetrieben, wobei der Plunger 50 den Kolben 51 schiebt,
wenn die Hubrichtung in Fig. 4 nach oben gerichtet ist;
bei entgegengesetzter Hubrichtung wird der Kolben 51 vom
Plunger 50 mittels des pilzförmigen Bolzens 52 gezogen.
Während des größten Teiles des Aufwärtshubes wird die
Bohrung 53 im Boden des Kolbens 51 abgesperrt, weil der
genannte Boden auf der zugewandten Stirnseite des Plungers
50 aufliegt. Während des größten Teiles des Abwärtshubes
wird die Bohrung 53 ebenfalls abgeschlossen, weil der
Boden des Kolbens 51 auf dem zugewandten Stirnrand des
Kopfes des Bolzens 52 aufsitzt.
Sobald der Plunger 50 bei seinem Abwärtshub in Fig. 4
seinen unteren Totpunkt erreicht hat und seinen Aufwärts
hub beginnt, bleibt der Kolben 51 zunächst praktisch
unbeweglich stehen, bis sich die kolbenseitige Stirnseite
des Plungers 50 auf den Boden des Kolbens 51 aufgesetzt
hat. Dementsprechend sind bei beginnendem Aufwärtshub des
Plungers 50 die Kolbenarbeitsräume 54 und 55 über die
Bohrung 53 kurzzeitig miteinander verbunden, wobei der
beginnende Aufwärtshub des Plungers 50 eine Verminderung
des Gesamtvolumens der Kolbenarbeitsräume 54 und 55
bewirkt.
Diese bei beginnendem Aufwärtshub des Plungers 50
eintretende Verringerung des Gesamtvolumens der Kolben
arbeitsräume 54 und 55 führt einerseits dazu, daß in den
Kolbenarbeitsräumen 54 und 55, die während des beginnenden
Aufwärtshubes über die Bohrung 53 miteinander kommunizieren,
Druckgleichheit eintritt, andererseits wird der Druck in
den Räumen 54 und 55 erhöht, bis der Druck ausreicht,
das Ventilkörperaggregat 65 von seinen Sitzen 67 und 68
wegzudrängen (der Ventilkörper 60 des anderen Ventilaggre
gates hat bereits beim Ende des Abwärtshubes von Plunger 50
und Kolben 51 seine Schließstellung eingenommen). Beim
weiteren Aufwärtshub des Plungers 50 setzt sich dann der
Kolben 51 auf die zugewandte Stirnseite des Plungers 50
auf und wird von demselben mitgeschleppt. Da die vorgenann
te Druckerhöhung, welche zum Abheben des Ventilkörper
aggregates 65 von seinen Sitzen 67 und 68 führt, auch im
Kolbenarbeitsraum 55 des Motors M erfolgt, ist gewähr
leistet, daß am Einlaßanschluß 58 sowie im Kolbenarbeits
raum 55 annähernd gleiche Drucke vorliegen, wenn das Ventil
körperaggregat 65 seine Öffnungslage einnimmt und der Motor M
seinen Arbeitshub ausführt. Aufgrund dieser angenäherten
Druckgleichheit vor und hinter dem Ventilkörper 65′′ können
unerwünschte Kavitationserscheinungen beim Einströmen des
unter Druck stehenden salzigen Wassers von der Leitung 33
in den Kolbenarbeitsraum 55 vermieden werden.
Sobald der Plunger 50 sowie der Kolben 51 ihren in Fig. 4
oberen Totpunkt erreichen, nimmt das Ventilkörperaggregat 65
seine Schließlage ein.
Bei dem nun beginnenden Abwärtshub des Plungers 50
verharrt der Kolben 51 zunächst in seiner in Fig. 4
oberen Endlage, bis sich der Plunger 50 so weit nach
unten bewegt hat, daß sich der Kopf des Bolzens 52
auf den Boden des Kolbens 51 aufsetzt.
Somit sind bei beginnendem Abwärtshub des Plungers 50
wiederum die Kolbenarbeitsräume 54 und 55 für eine
gewisse Zeit über die Bohrung 53 miteinander verbunden,
wodurch ein Druckausgleich zwischen den Kolbenarbeits
räumen 54 und 55 eintritt. Gleichzeitig vergrößert sich
aufgrund der Abwärtsbewegung des Plungers 50 das Gesamt
volumen der Kolbenarbeitsräume 54 und 55, wodurch der
Druck in den bei beginnendem Abwärtshub des Plungers 50
miteinander über die Bohrung 53 kommunizierenden Kolben
arbeitsräumen 54 und 55 vermindert wird. Bei dem
weiteren Abwärtshub des Plungers 50 wird dann der Kolben
51 mitgeschleppt, wobei pumpenseitig der Saughub und
motorseitig der Ausschiebehub durchgeführt wird, wobei der Ventil
körper 60 von seinen Sitzen 61 und 62 abhebt.
Da der vorgenannte Druckabfall bei beginnendem Abwärtshub
des Plungers 50 auch im Kolbenarbeitsraum 55 des Motors M
auftritt, wird erreicht, daß zum Zeitpunkt des Abhebens
des Ventilkörpers 60 von seinen Sitzen 61 und 62 annähernde
Druckgleichheit im Kolbenarbeitsraum 55 sowie am Auslaß
anschluß 59 bestehen. Dadurch können unerwünschte Kavita
tionserscheinungen beim Abheben der Dichtfläche 60′′ des
Ventilkörpers 60 vom Sitz 62 zu Beginn des Ausschiebehubes
des Motors M vermieden werden.
Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet
sich von der Ausführungsform nach Fig. 4 vor allem durch
einen anderen Kolben 51.
Nach Fig. 5 besitzt der Kolben 51 einen plungerartigen
Fortsatz 51′, welcher in allen Lagen des Kolbens 51 den
Kolbenarbeitsraum 54 durchsetzt und in einer Gehäuseführung
gleitverschiebbar und dicht geführt ist. Der Durchmesser
des plungerartigen Fortsatzes 51′ ist derart groß, daß eine
sehr schmale Ringfläche 51′′ gebildet wird; nur mit dieser
schmalen Ringfläche 51′′ kann der Kolben 51 im Kolbenarbeits
raum 54 wirksame Arbeit leisten.
Darüber hinaus sind im Kolben 51 Axial- und Radialbohrungen 69
angeordnet, welche eine Verbindung zwischen dem Kolben
arbeitsraum 54 und dem Kolbenarbeitsraum 55 ermöglichen,
wenn die Bohrung 53 an der in Fig. 5 unteren Stirnseite
des Kolbens 51 weder durch den Kopf des Bolzens 52 noch
durch die dem Kolben 51 zugewandte Stirnseite des Plungers
50 abgesperrt wird.
Des weiteren hat der Plunger 50 in Fig. 5 im Vergleich zu
Fig. 4 einen geringeren Durchmesser.
Aufgrund der angegebenen Bauweise kann die Pumpe P der
Anordnung in Fig. 5 nur einen sehr geringen Förderstrom
erzeugen, während der Motor M mit vergleichsweise sehr
großem Mediendurchsatz arbeitet.
In Fig. 5 ist der Saugleitungsanschluß 56 mit einem
Reservoir 41 für druckloses oder unter sehr geringem
Druck stehendes Wasser verbunden, ebenso wie der
Auslaßanschluß 59. Der Einlaßanschluß 58 ist mit einer Quelle 40
für Hochdruckwasser verbunden, welche auch an den Druck
leitungsanschluß 57 angeschlossen ist.
Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung kann als Wassermotor
arbeiten und das Druckgefälle zwischen der Quelle 40 für
Hochdruckwasser und dem Reservoir 41 in mechanische Arbeit
umwandeln. Dabei dient die dem Motor M zugeordnete Pumpe P
im wesentlichen nur dazu, die Ventile mit dem Ventilkörper
60 sowie dem Ventilkörperaggregat 65 zu steuern.
Aufgrund der Relativbeweglichkeit zwischen dem Plunger 50
und dem Kolben 51 kann wiederum erreicht werden, daß sich
vor dem Abheben des Ventilkörpers 65′′ vom Sitz 68 bei Beginn
des Arbeitshubes des Motors M zumindest angenäherte Druck
gleichheit an dem Einlaßanschluß 58 sowie in dem Kolben
arbeitsraum 55 eingestellt hat und Kavitationserscheinungen
vermieden werden.
Entsprechendes gilt, wenn sich der Ventilkörper 60 mit
seiner Dichtfläche 60′′ vom Sitz 62 bei Beginn des Ausschie
behubes des Motors M abhebt.
Claims (13)
1. Kombination von Verdrängerpumpe, insbesondere Kolbenpum
pe, und mittels Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung gesteuer
tem, durch fluidisches oder hydraulisches Druckmedium an
treibbarem Verdrängermotor, insbesondere Kolbenmotor, mit in
Gleichtakt oder mit gleicher Taktfrequenz arbeitenden
zwangsgekoppelten oder gemeinsamen Verdrängern oder Kolben
für Pumpe und Motor,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung (9; 60, 65) des Mo
tors (2, 5, 8, 9; 36, 37, 8, 9; M) fluidisch oder hydraulisch durch
die Druckpulsationen im Pumpenarbeitsraum (4, 38, 54) gesteu
ert oder betätigt wird.
2. Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung (9) des
Motors (2, 5, 8, 9; 36, 37, 8, 9) fluidisch oder hydraulisch
antreibbar ist, indem der Verdränger oder Kolben (21)
eines Verdränger- oder Kolbenaggregates (21, 22, 23),
welches auf der einen Seite seines Verdrängers oder
Kolbens (21) mit dem oder einem Pumpenarbeitsraum
(4, 38) verbunden oder verbindbar ist und dessen
Verdränger oder Kolben (21) ständig in Richtung dieser
einen Seite beaufschlagt oder beaufschlagbar ist, mit
der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung (9) antriebs
gekoppelt ist und sich entsprechend dem pulsierenden
Druck im Pumpenarbeitsraum (4, 38) zwischen seinen End
lagen verschiebt.
3. Kombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdränger oder Kolben (21) der Einlaß- und
Auslaß-Ventilanordnung (9) - zumindest in Kombination
mit dem Ventilkörper (13) dieser Ventilanordnung (9) -
einen doppeltwirkenden Verdränger oder Kolben mit
ungleich großen Wirkflächen bildet, daß der Pumpen
arbeitsraum (4, 38) auf der Seite der größeren Wirkfläche
angeschlossen ist, und daß auf der Seite der kleineren
Wirkfläche der im wesentlichen konstante Druck der
Druckseite von Pumpe (2, 4, 6, 7; 38, 39, 6, 7) oder Motor
(2, 5, 8, 9; 36, 37, 8, 9) anliegt.
4. Kombination nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verdränger oder Kolben
von Pumpe (2, 4, 6, 7; 38, 39, 6, 7) und Motor (2, 5, 8, 9; 36, 37,
8, 9) jeweils - mindestens - eine pumpenseitige sowie
eine motorseitige Wirkfläche besitzen.
5. Kombination nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Anlage für umgekehrte
Osmose (25) konzentratseitig ihrer Membran (27) mit dem
Druckanschluß (30) der das zu filtrierende Medium
(Filtrand) fördernden Pumpe (2, 4, 6, 7) sowie der Ein
gangsseite (10) des Einlaßventiles der Einlaß- und
Auslaß-Ventilanordnung (9) und der einen Seite oder der
der kleineren Wirkfläche des Verdrängers oder Kolbens
(21) des die Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung (9)
betätigenden Verdränger- oder Kolbenaggregates (21, 22, 23)
kommuniziert, daß für Pumpe (2, 4, 6, 7) und Motor (2, 5, 8, 9)
mindestens ein gemeinsamer Verdränger oder Kolben (2)
mit jeweils einer größeren pumpenseitigen und einer
kleineren motorseitigen Wirkfläche angeordnet ist,
daß in der einen Hubrichtung dieses Kolbens (2) die
Arbeitshübe von Pumpe (2, 4, 6, 7) und Motor (2, 5, 8, 9)
und in der anderen Hubrichtung der Saughub der Pumpe
(2, 4, 6, 7) sowie der Ausschiebehub des Motors (2, 5, 8, 9)
erfolgen, und daß das Größenverhältnis dieser Wirkflä
chen etwa dem Volumenverhältnis des bei der umgekehrten
Osmose erzeugten Konzentratstromes und Filtratstromes
entspricht.
6. Kombination nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß jedem Arbeitsraum (5, 36)
des Motors (2, 5, 8, 9; 36, 37, 8, 9) ein 3/2-Ventil (9)
zugeordnet ist, welches in seiner einen Lage den
Arbeitsraum (5, 36) mit der Druckseite (10) und in der
anderen Lage mit der Niederdruckseite (11) verbindet.
7. Kombination nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das 3/2-Ventil (9) einen mit zwei Sitzen (15′, 15′′)
zusammenwirkenden Ventilkörper (13) aufweist, welcher
in einer mit dem Motorarbeitsraum (5, 36) kommunizieren
den Kammer (12) arbeitet und in seiner einen Endlage
auf dem einen und in seiner anderen Endlage auf dem
anderen Sitz (15′, 15′′) aufliegt und dabei jeweils
eine Passage (17, 18) zur Hoch- oder Niederdruckseite
(10, 11) abschließt.
8. Kombination nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Ventilkörper
(13) der Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung (9) mit
dem Verdränger oder Kolben (21) des die genannte
Ventilanordnung (9) betätigenden Verdränger- oder
Kolbenaggregates (21, 22, 23) mittels Stange (20) verbun
den sind.
9. Kombination nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß in einer den Pumpen
arbeitsraum (4, 38) mit der einen Seite des die
Einlaß- und Auslaß-Ventilanordnung (9) betätigenden
Verdränger- oder Kolbenaggregates (21, 22, 23) verbin
denden Leitung (24) ein Umschaltventil (43) angeord
net ist, welches in seiner einen Schaltstellung die
Zweige (24′, 24′′) dieser Leitung (24) miteinander
verbindet und in seiner anderen Schaltstellung
einerseits den pumpenseitigen Leitungszweig (24′)
absperrt und andererseits den zum Verdränger- oder
Kolbenaggregat (21, 22, 23) führenden Leitungszweig (24′′)
mit einem drucklosen oder geringen Druck aufweisenden
Reservoir (42) od. dgl. verbindet.
10. Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ventile der Pumpe (P) mit den Ventilen des
Motors (M) zwangsgekoppelt sind.
11. Kombination nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß Pumpe (P) und Motor (M) Ventile mit gemeinsamen
Ventilkörpern (60) bzw. Ventilkörperaggregaten (65)
besitzen.
12. Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolben (51), der einen
Pumpenarbeitsraum (54) von einem Motorarbeitsraum (55)
abtrennt, motorseitig mit einem Plunger (50) verbunden
ist, welcher geringeren Querschnitt als der Kolben (51)
aufweist, den Kolben (51) mit einem Antriebsaggregat
bzw. einem Abtriebsaggregat koppelt und relativ zum
Kolben (51) begrenzt beweglich ist, wobei außerhalb
der beiden Endlagen von Kolben (51) und Plunger (50)
relativ zueinander eine Verbindung zwischen Pumpen-
und Motorarbeitsraum (54, 55) geöffnet ist.
13. Kombination nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile der Pumpe (P)
nach Art von Rückschlagventilen arbeiten und bei Druck
gefälle von der Saugseite zum Pumpenarbeitsraum (54)
bzw. vom Pumpenarbeitsraum (54) zur Druckseite der
Pumpe (P) öffnen.
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