-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zum Verdichten
eines Fluids auf einen hohen Druck und insbesondere eine Hochdruckpumpe,
durch die ein Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid
ohne Unterbrechung über
eine lange Zeitdauer unter Hochdruck behandelt werden kann.
-
Zum
Verdichten von Fluida auf einen hohen Druck werden verschiedenartige
Pumpen verwendet. Bekannte Hochdruckpumpen sind eine Plungerpumpe,
eine Membranpumpe usw.. Außerdem
sind Verfahren zum Antreiben solcher Hochdruckpumpen bekannt, wobei
der Plungerkolben oder ein anderes Bauteil der Pumpe durch einen
Motor direkt angetrieben oder durch Hydraulikdruck indirekt angetrieben wird.
-
Entsprechend
der Art des Fluids und dem Arbeitsdruck werden verschiedenartige
Hochdruckpumpen verwendet. Bei Pumpen zum Erzeugen von Hochdruckwasser,
das zur Wasserstrahlbearbeitung von Metallen oder Materialien mit
hoher Härte
verwendet wird, wird ein Hochdruck von 1500 atm oder mehr verwendet.
In diesen Pumpen verschleißt
ein wichtiges Teil in einem solchen Maß, daß die Pumpen nach einer Betriebsdauer
von ca. 500 bis 2000 Stunden nicht mehr länger verwendet werden können. Daher
muß der
Arbeitsvorgang unterbrochen werden, um Teile zu ersetzen.
-
Mittlerweile
finden Emulgiervorrichtungen zum hochgradigen Dispergieren feinverteilter
Teilchen als Rohmaterial in einer Flüssigkeit als anderes Rohmaterial
eine breite Anwendung bei der Herstellung von Farben, Pigmenten,
Tinte, Arzneimitteln, organischen oder anderen lichtempfindlichen
Materialien, magnetischen Aufzeichnungsträgern usw.. Obwohl verschiedenartige
Emulgiervorrichtungen bekannt sind, wurden bisher Sandmühlen, hochfeste Scherungs-Dispergiervorrichtungen,
Kolloidmühlen, Ultraschall-Dispergiervorrichtungen
usw. verwendet, um eine Emulsion mit einem hohen Dispersionsgrad zu
erhalten. Durch diese Emulgiervorrichtungen ist es jedoch schwierig,
eine Emulsion ultrafeiner Teilchen oder eine Emulsion mit einer
ausreichend geringen Menge zusammenklebender feiner Teilchen zu erhalten.
-
Bei
diesen Verhältnissen
wurden verschiedenartige Vorrichtungen vorgeschlagen, bei denen zu
emulgierende Fluida auf einen hohen Druck verdichtet werden und
diesen dann ermöglicht
wird, bei einer hohen Geschwindigkeit miteinander zu kollidieren,
wodurch sie emulgiert werden. Beispielsweise wurde eine Emulgiervorrichtung
beschrieben, bei der zwei Zuflußkanäle und ein
Auslaßkanal
durch Rohrleitungen gebildet werden, wobei die Fluida mit hoher Geschwindigkeit
von den beiden Zuflußkanälen eingeleitet
werden, um miteinander zu kollidieren. In der
US 4533254 wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei
der zwei mit nutenförmigen
Strömungskanälen ausgebildte
Bauteile durch ein dazwischen angeordnetes Abstandstück beabstandet
gehalten werden, um eine Öffnung
zu bilden, so daß von
den nutenförmigen
Strömungskanälen eingeleitete
Fluida an der Öffnung
miteinander kollidieren, wodurch eine Emulsion erhalten wird.
-
Ferner
wurde eine Emulgiervorrichtung vorgeschlagen, bei der ein zuflußseitiges
plattenförmiges
Element mit Fluideinlaßöffnungen,
ein auslaßseitiges
plattenförmiges
Element mit einer nutenförmigen
Durchgangsöffnung
und ein dazwischen angeordnetes plattenförmiges Element mit einem gekreuzten
Strömungskanal
geschichtet angeordnet sind, wobei die zu emulgierenden Fluida von
den Einlaßöffnungen
des ein laßseitigen
plattenförmigen
Elements eingeleitet werden, wobei, nachdem die Strömungsrichtung
der Fluida um rechte Winkel geändert wurde,
die Fluida in einem zwischen den Nuten und dem plattenförmigen Element
ausgebildeten Strömungskanal
miteinander kollidieren können
und wobei die Fluida anschließend
vom Kreuzungspunkt der beiden Nuten in einen durch die im plattenförmigen Element
auf der gegenüberliegenden
Seite ausgebildete Nut definierten Strömungskanal strömen können, wodurch
die Fluida emulgiert werden.
-
In
der
DE 43 25 541 A1 hat
der vorliegende Anmelder außerdem
eine Emulgiervorrichtung mit einer hohen Lebensdauer vorgeschlagen,
bei der in einem Hochdruckbehälter
ein mit einer Durchgangsöffnung,
deren Durchmesser kleiner ist als derjenige eines Fluidströmungskanals
im Hochdruckbehälter, ausgebildetes
dünnes
plattenförmiges
Element vorgesehen ist. Von der Mitte der Durchgangsöffnung im plattenförmigen Element
erstreckt sich ein Auslaßkanal
senkrecht zur Durchgangsöffnung,
so daß der Kanal
mit einer Seite des plattenförmigen
Elements verbunden ist. Fluida werden von gegenüberliegenden Richtungen durch
die Durchgangsöffnung
im Emulgierabschnitt zugeführt,
um im Mittelabschnitt des plattenförmigen Elements miteinander
zu kollidieren, wodurch die Fluida emulgiert werden.
-
Durch
diese Vorrichtungen kann eine Dispersion mit sehr guten Eigenschaften
erhalten werden, die mit anderen herkömmlichen Vorrichtungen nicht erhalten
werden können.
Eine dabei zum Verdichten eines Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluids
auf einen hohen Druck verwendete Hochdruckpumpe hat jedoch nachteilig
eine kurze Lebensdauer. Daher muß bei den Vorrichtungen der
Betrieb der Hochdruckpumpe häufig
unterbrochen werden, um durch das Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid verschlissene Teile
zu ersetzen. Ein anderes Problem ergibt sich dadurch, daß die Festkörperkonzentration im
von der Hochdruckpumpe ausströmenden
Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid
nicht konstant gehalten werden kann.
-
2(a) und 2(b) zeigen Beispiele herkömmlicher
Hochdruckpumpen. 2(a) zeigt
eine Hochdruckpumpe, bei der ein Plungerkolben durch die Drehkraft
eines Motors direkt angetrieben wird. 2(b) zeigt
eine Hochdruckpumpe, bei der ein Niederdruckabschnitt durch Hydraulikdruck
angetrieben wird.
-
Bei
der in 2(a) dargestellten
Hochdruckpumpe 21 wird ein in eine Verdichtungskammer 22 eingepaßter Plungerkolben 23 durch
eine mit einem Motor verbundene Kurbelwelle 24 angetrieben.
In der Verdichtungskammer 22 ist eine Dichtung 25 angeordnet,
um das Ausströmen
von Fluid von der Plungerkolbenoberfläche zu verhindern. Das Fluid
wird durch ein einlaßseitiges
Rückschlag-
bzw. Absperrventil 26 zugeführt und das verdichtete Fluid
wird über
ein auslaßseitiges
Absperrventil 27 zu einem externen Kreislauf abgeleitet.
-
Bei
der in 2(b) dargestellten,
durch Hydraulikdruck angetriebenen Hochdruckpumpe 31 sind
Plungerkolben 37 und 38 mit horizontal liegenden
Achsen angeordnet, wobei an der linken bzw. an der rechten Seite
Hochdruckabschnitte 32 und 33 vorgesehen sind.
In der Mitte ist ein einzelner Niederdruckabschnitt 34 vorgesehen,
dem über
ein Verteilerventil 36 ein in einer Hydraulikdruckerzeugungseinrichtung 35 verdichtetes
Arbeitsfluid zugeführt wird,
um die Plungerkolben 37 und 38 in den Hochdruckabschnitten 32 und 33 hin- und herzubewegen, wodurch
ein Fluid in den linken und in den rechten Hochdruckabschnitt 32 bzw. 33 gesaugt
und dann verdichtet wird. Die Hochdruckabschnitte 32 und 33 weisen
jeweils eine Dichtung 39 auf, um zu verhindern, daß Fluid
von der Plungerkolbenoberfläche ausströmt. Im externen
Fluidkreislauf sind Absperrventile 40 vorgesehen, so daß das Hochdruckfluid dem
externen Kreislauf abwechselnd vom linken und vom rechten Hochdruckabschnitt 32 bzw. 33 zugeführt wird.
-
Wenn
bei der in 2(a) dargestellten
Hochdruckpumpe ein Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid
mit darin dispergierten Festkörperteilchen
in den Hochdruckzylinder eingeleitet und darin verdichtet wird,
setzen sich die Fest körperteilchen
durch die Wirkung der Gravitation ab. Dadurch ist im unteren Teil
des Hochdruckzylinders ein Bereich mit einer relativ hohen Festkörperteilchenkonzentration
vorhanden. Daher verschlechtert sich der Zustand der mit dem Plungerkolben
im Gleitkontakt stehenden Dichtung frühzeitig. Darüber hinaus
wird die Festkörperteilchenkonzentration
des abgeleiteten Fluids ungleichmäßig.
-
Weil
bei der in 2(b) dargestellten
Hochdruckpumpe der Niederdruckabschnitt durch Hydraulikdruck angetrieben
wird, können
die durch das Arbeitsfluid unter Druck gesetzten Abschnitte und
die hochdruckerzeugenden Abschnitte getrennt werden. Weil darüber hinaus
die Achsen der Plungerkolben horizontal liegend angeordnet sind,
können
an beiden Seiten eines einzelnen gemeinsamen Niederdruckabschnitts
zwei Hochdruckabschnitte angeordnet werden. Dadurch kann eine wirksame
Hochdruckpumpe erhalten und außerdem
die Wartung erleichtert werden. Darüber hinaus kann, selbst wenn Arbeitsfluid
aus dem Niederdruckabschnitt ausströmt, das Arbeitsfluid keinen
der beiden Hochdruckabschnitte erreichen.
-
Wenn
ein Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid
mit darin dispergierten Teilchen in der in 2(b) dargestellten Hochdruckpumpe verdichtet wird,
setzen sich jedoch feste Teilchen in den Zylindern der Hochdruckabschnitte
ab, wobei im unteren Teil jedes Hochdruckzylinders ein Bereich gebildet wird,
in dem die Festkörperteilchenkonzentration
relativ hoch ist. Daher verschlechtert sich der Zustand der mit
den Plungerkolben im Gleitkontakt stehenden Dichtungen frühzeitig.
Darüber
hinaus kann die Konzentration des aus jedem Auslaßabschnitt
abgeleiteten Fluids nicht konstant gehalten werden.
-
Daher
treten bei zum Verdichten eines Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluids
verwendeten herkömmlichen
Hochdruckpumpen häufig
durch Verschleiß verursachte
Defekte auf und müssen
die Dichtungen frühzeitig
ersetzt werden. In industrieller Hinsicht gab es nahezu keine Pumpe,
durch die ein Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid
unter Hochdruck kontinuierlich behandelt werden kann. Allgemein
kann eine herkömmliche
Hochdruckpumpe nur für
höchstens
ca. 100 Stunden bei einer Verdichtungsbedingung von 100 kgf/cm2 kontinuierlich verwendet werden.
-
Die
DE 39 11 278 A1 beschreibt
eine Hochdruckpumpe zum Fördern
von mit abrasiven Teilchen beladenen Flüssigkeiten. Diese Pumpe weist
einen sich vertikal bewegenden Plungerkolben und einen Hydraulikzylinder
zum Antreiben des Plungerkolbens auf. Die Kolbenstange des Plungerkolbens
ist von einer im Gehäuse
des Hydraulikzylinders angeordneten Dichtung umgeben, die eine mit
dem Plungerkolbenantrieb in Kontakt stehende Einrichtung aufweist, die
verhindert, dass aus dem Hydraulikzylinder herausströmendes Arbeitsfluid
zur Oberfläche
des Plungerkolbens fließt.
-
Ein
gummielastischer Abstreifring für
Kolbenstangen ist aus der
DE
34 43 370 A1 bekannt, der dort das Eindringen von Schmutz
und Wasser entlang der Kolbenstange verhindern soll.
-
Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckpumpe mit
einer sehr hohen Lebensdauer und insbesondere eine Hochdruckpumpe
mit einer sehr hohen Lebensdauer bereitzustellen, durch die ein
Fluid, wie beispielsweise ein Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid,
durch das ein Bestandteil der Pumpe verschleißen kann, auf einen hohen Pegel
verdichtet werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der
Patentansprüche
gelöst.
-
Die
erfindungsgemäße Hochdruckpumpe
ist besonders geeignet zum hochgradigen Dispergieren eines Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluids,
bei dem Festkörperteilchen
in einer Flüssigkeit
dispergiert sind, um eine Emulsion zu erhalten. Es hat sich gezeigt,
daß die
Lebensdauer herkömmlicher
Hochdruckpumpen deswegen kurz ist, weil, wenn der Hochdruckzylinder
im oberen Teil der Pumpe horizontal oder vertikal angeordnet ist,
sich die im Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid
vorhandenen Festkörperteilchen
im Hochdruckzylinder absetzen und dadurch verschiedene Bauteile
einschließlich
die Dichtung im Hochdruckzylinder beschädigt werden. Das erfindungsgemäße Prinzip
basiert auf dieser Feststellung.
-
Weil
die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe
im untersten Bodenabschnitt des Hochdruckzylinders eine Öffnung aufweist,
durch die das Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid
in den Hochdruckzylinder hinein- oder aus diesem herausströmen kann,
ergibt sich außerdem
keine Möglichkeit,
daß ein
Teil der im Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid
vorhandenen Festkörperteilchen
sich im Hochdruckzylinder absetzt und darin verweilt. Daher weist das
erhaltene Hochdruckfluid keine ungleichmäßige Festkörperkonzentrationsverteilung
auf. Außerdem steht
die Einrichtung zum Verhindern einer Fluidbewegung in Kontakt mit
der Plungerkolbenantriebswelle, um zu verhindern, daß aus dem
Hydraulikzylinder ausströmendes
Arbeitsfluid zum Plungerkolben fließt. Daher kann das in den
-
Hochdruckzylinder
gesaugte Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid
nicht im Hochdruckzylinder verweilen.
-
1 zeigt
die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe;
und
-
2(a) und 2(b) zeigen
herkömmliche Hochdruckpumpen.
-
Eine
Hochdruckpumpe 1 weist an ihrem Boden einen Hochdruckzylinder 3 mit
einem darin von dessen Oberseite eingepaßten Plungerkolben 2 auf. An
der Oberseite der Hochdruckpumpe 1 ist ein Hydraulikzylinder 4 angeordnet.
Durch Zuführen
eines Arbeitsfluids 5 zum Hydraulikzylinder 4 wird
der Plungerkolben 2 zu einer vertikal hin- und hergehenden Bewegung
angetrieben. Das Arbeitsfluid 5 wird durch eine Verdichtungsvorrichtung
verdichtet, die aus einer durch einen Motor 6 angetriebenen
Hydraulikpumpe 7 gebildet wird, und das verdichtete Arbeitsfluid 5 wird über ein
Vierwege-Verteilerventil 8 abwechselnd dem linken und dem
rechten Hydraulikzylinder zugeführt,
wodurch die Plungerkolben im linken und im rechten Hydraulikzylinder
abwechselnd hin- und herbewegt werden. Die Arbeitsfluidverdichtungsvorrichtung
und die Hochdruckpumpe müssen nicht
an der gleichen Stelle, sondern können an jeweiligen voneinander
entfernten Positionen angeordnet werden, indem sie durch eine Rohrleitung 9 miteinander
verbunden werden.
-
Daher
kann die Hochdruckpumpe an einer Stelle angeordnet werden, wo ein
sauberer Raum oder eine explosionssichere Einrichtung vorhanden ist,
während
die Arbeitsfluidverdichtungsvorrichtung außerhalb dieser Stelle angeordnet
wird. Daher kann die Hochdruckpumpe ohne Einschränkung durch die Einbauumgebung
an einer beliebigen Position angeordnet werden. Dadurch kann die
Hochdruckpumpe beispielsweise als Hochdruckgenerator zur Emulgierungsdispersion
an jedem Ort verwendet werden, um eine Verarbeitung zum Herstellen
von Farben, Pigmenten, Tinte, Arzneimitteln, organischen oder anderen
lichtempfindlichen Materialien, magnetischen Aufzeichnungsträgern usw.
auszuführen.
Die Hochdruckpumpe kann außerdem
als Vorrichtung mit großer
Lebensdauer zum Transportieren eines Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluids
bei einer anderen Verarbeitung verwendet werden, bei der kein Hochdruck
erforderlich ist.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe
ist an der Niederdruckseite des Plungerkolbens eine Niederdruckdichtung 10 und
eine andere Niederdruckdichtung 10 im Bereich zwischen
der Plungerkolbenantriebswelle und der Zylindergleitfläche angeordnet,
um das Ausströmen
von Arbeitsfluid an der Niederdruckseite in der gleichen Weise zu
verhindern wie bei einem gewöhnlichen
mit einem Arbeitsfluid betriebenen Hydraulikzylinder. Bei der vorliegenden
Erfindung ist ferner eine mit der Plungerkolbenantriebswelle in
Kontakt stehende Vorrichtung 11 zum Verhindern einer Fluidbewegung
vorgesehen, um auch dann zu verhindern, daß Arbeitsfluid in den Hochdruckzylinder 3 eindringen
kann, wenn das Arbeitsfluid während
des Betriebs durch die Dichtung 10 ausströmt. Die
Vorrichtung 11 zum Verhindern der Fluidbewegung kann beispielsweise
aus einem aus einem Gummimaterial oder einem ähnlichen Material hergestellten
Abstreifring gebildet werden. Das durch die Dichtung 10 ausströmende Arbeitsfluid
wird durch den Abstreifring von der Plungerkolbenantriebswelle entfernt,
tropft in einen von der Antriebswelle entfernten Abschnitt und wird
dann durch die Ablauföffnungen 12 nach
außen
geleitet.
-
Der
unterste Bodenabschnitt des Hochdruckzylinders 3 weist
eine Öffnung 13 auf.
Daher wird ein Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid, das
durch ein Einlaßrohr 14 über ein
Absperrventil 15 zugeführt
wird, durch die Öffnung 13 in
den Hochdruckzylinder gesaugt. Das Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid wird auf einen hohen
Druck verdichtet und aus der Öffnung 13 ausgelassen
und daraufhin über
ein Absperrventil 16 zu einem Auslaßrohr 17 geleitet.
Wenn die linke Hochdruckpumpe im Verdichtungs- und Auslaßbetrieb
arbeitet, arbeitet die rechte Pumpe im Ansaugbetrieb. Daher wiederholen
die linke und die rechte Hochdruckpumpe abwechselnd und kontinuierlich
den Saug- und den Auslaßvorgang,
wodurch das auf einen hohen Druck verdichtete Festkörper- Flüssigkeit-Mischphasenfluid nahezu
kontinuierlich dem Auslaßrohr 17 zugeführt wird.
-
Weil
die linke und die rechte Hochdruckpumpe durch ein Arbeitsfluid betrieben
werden, kann darüber
hinaus, wenn bei einer Hochdruckpumpe Teile ersetzt werden müssen, wie
beispielsweise die hochdruckseitige Dichtung 18, die Zufuhr
des Arbeitsfluids zu dieser Pumpe unterbrochen werden, wobei durch einfaches
Umschalten der Rohrleitungen 9 der Betrieb durch die andere
Hochdruckpumpe fortgesetzt werden kann. Daher kann während der
Wartung des Hochdruckpumpensystems der Pumpenbetrieb praktisch ohne
Unterbrechung fortgesetzt werden.
-
Beispiel 1
-
Bei
einem Hochdruckpumpensystem mit einem Plungerkolben aus Woframkarbid
in einem Hochdruckzylinder aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser
von 64 mm wurde ein Aggregat (mittlerer Teilchendurchmesser 100 μm) aus Titanoxid
mit einer Härte
(Hv) von 800 bis 900 und Teilchendurchmessern von 2 μm bis 3 μm in 1,1,2-Trichlorethan
dispergiert, so daß der
Pulveranteil 50% betrug. Die erhaltene Suspension wurde bei 25°C unter der Bedingung
von 1400 kgf/cm2 verdichtet. In diesem Zustand
wurde die Hochdruckpumpe kontinuierlich betrieben. Dadurch wurde
ein homogenes Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid
erhalten. Die Hochdruckpumpe war für 500 Stunden abnutzungsfest. Die
einzigen Teile, die nach dem Unterbrechen des Betriebs ersetzt werden
mußten,
waren die Plungerkolbendichtung und die Absperrventilplattendichtungen.
-
Die
erfindungsgemäße Hochdruckpumpe weist
einen Hochdruckzylinder mit einem von der Oberseite davon eingepaßten, sich
vertikal bewegenden Plungerkolben auf. Der Hochdruckzylinder weist
mindestens eine im untersten Bodenabschnitt davon ausgebildete Öffnung auf,
damit ein Fluid in den Hochdruckzylinder hinein- oder daraus herausströmen kann.
Die Hochdruckpumpe weist ferner einen an der Oberseite des Hochdruckzylinders
angeordneten Hydraulikzylinder zum Antreiben des Plungerkolbens
auf. Außerdem
ist zwischen dem Hydraulikzylinder und dem Hochdruckzylinder eine
mit der Plungerkolbenantriebswelle in Kontakt stehende Vorrichtung
zum Verhindern einer Fluidbewegung angeordnet, um zu verhindern,
daß aus
dem Hydraulikzylinder ausströmendes
Arbeitsfluid zum Plungerkolben fließt. Dadurch kann aus dem oben
angeordneten Hydraulikzylinder kein Arbeitsfluid zur Hochdruckplungerkolbenseite
fließen.
Weil ferner das in den Hochdruckzylinder strömende Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid nicht
im Hochdruckzylinder verweilen kann, können die Plungerkolbendichtung und
andere Bauteile für
eine lange Zeitdauer betriebsbereit gehalten werden, ohne beschädigt zu werden.
Dadurch kann eine Hochdruckpumpe mit einer hohen Dauerhaltbarkeit
erhalten werden.