DE602005004294T2

DE602005004294T2 - Dosiervorrichtung zum einführen eines additivs in einen flüssigkeitsstrom

Info

Publication number: DE602005004294T2
Application number: DE602005004294T
Authority: DE
Inventors: Gilbert Barras; Matthieu Darbois
Original assignee: Dosatron International SAS
Current assignee: Dosatron International SAS
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: WO2006016032A1; DK1773479T3; PL1773479T3; US20070227961A1; PT1773479E; EP1773479B1; FR2873172A1; ATE383196T1; DE602005004294D1; FR2873172B1; ES2300050T3; EP1773479A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zum Einleiten eines Additivs in einen Hauptflüssigkeitsstrom, der in einer Leitung zirkuliert, wobei die Vorrichtung eine hin und her gehende Differentialkolbenpumpe zum Entnehmen des Additivs aus einem Behälter und zum Dosieren desselben aufweist, wobei die Pumpe einen ersten Einlass zum Aufnehmen einer Hauptflüssigkeitsfördermenge, welche den Antrieb der Pumpe gewährleistet, einen zweiten Einlass zum Entnehmen des Additivs und einen Auslass für das Gemisch aus Additiv und Hauptflüssigkeit aufweist.
EP 0 255 791 betrifft eine Dosiervorrichtung der zuvor definierten Art, bei der die Regelung der angesaugten und anschließend eingespritzten Dosis erfolgt, indem ein Mantels entlang eines Rohres verschoben wird, um die Länge des Ansaugwegs des Kolbens zu regeln. Zwar ist diese Möglichkeit der Regelung interessant, jedoch ermöglicht sie nicht, in zufriedenstellender Weise sehr kleine Dosen, beispielsweise in der Größenordnung von Teilen pro Million (ppm), zu erhalten.
FR 740 179 betrifft einen Venturi-Ejektor, bei dem am Hals der Venturidüse ein Fluid angesaugt wird, das sich mit einem Treibmittel mischt, welches sich in der Mischeinrichtung ausdehnt. Das Treibmittel kann eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, sein, während das angesaugte Fluid im Falle eines Vakuum-Wasserstrahlejektors Luft sein kann. Die Dosierung des angesaugten Fluids in der Mischung aus Treibmittel und angesaugtem Fluid ist hier nicht in Betracht gezogen.
Es sind, beispielsweise aus EP 1 151 196 oder US 6 684 753 , Differentialkolbendosierpumpen bekannt, die mit einer Hubkolbenmotortechnik arbeiten. Das Treibmittel, im allgemeinen Wasser, läuft durch die Pumpe und treibt den Kolben an. Die Hubbewegung des Kolbens ermöglicht das Betreiben einer zweiten Hubkolbenpumpe, welche in der ersten integriert ist, um das zu dosierende Additiv zu entnehmen und es in das Treibmittel oder die Hauptflüssigkeit einzuspritzen. Diese Art von Dosierpumpe hat zahlreiche Vorteile:

– das Volumenverhältnis der Dosierung variiert nicht mit der Fördermenge oder dem Druck des Treibmittels;
– die Dosierpumpe hat einen weiten Betriebsbereich hinsichtlich der Fördermenge, wobei die Obergrenze mit der höchsten zulässigen Frequenz zusammenhängt;
– die Dosierung bleibt trotz Schwankungen der Fördermenge konstant;
– der Betrieb ist für den Druck des Treibmittels wenig anfällig;
– eine Regelung der Dosierung ist möglich.

Dennoch sind die oberen Werte der Fördermengen, welche eine Pumpe verarbeiten kann, relativ begrenzt, da der Hubraum der Pumpe und deren Abmessungen mit der maximalen zu verarbeitenden Fördermenge zunehmen. Große Fördermengen erfordern große Pumpen, deren Abmessungen notwendigerweise durch die Überlegungen hinsichtlich des maximalen Platzbedarfs und der Kosten begrenzt sind.
Ferner ist der Dosierungsbereich insbesondere hinsichtlich des Erhaltens sehr kleiner Dosen, beispielsweise im Bereich von Teilen pro Million (ppm) begrenzt. Die Volumina des in jedem Pumpenzyklus einzuspritzenden Additivs werden somit sehr gering und sind mit einem einfachen mechanischen System nicht zu erreichen.
WO 02/02938 schlägt eine Vorrichtung vor, die kleine Dosierungen zulässt. Diese Vorrichtung verwendet jedoch elektrische Einrichtungen zur periodischen Steuerung und Elektroventile, wodurch der Einbau verkompliziert wird und die Herstellungskosten erhöht werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dosiervorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, auf einfache und wirtschaftliche Weise große Fördermengen einer Hauptflüssigkeit mit Pumpen geringer Abmessungen zu verarbeiten und den erlaubten Dosierungsbereich zu vergrößern, insbesondere in Richtung kleiner Dosierungen.
Erfindungsgemäß ist eine Dosiervorrichtung zum Einleiten eines Additivs in einen Hauptflüssigkeitsstrom, der in einer Leitung zirkuliert, wobei die Vorrichtung eine hin und her gehende Differentialkolbenpumpe zum Entnehmen des Additivs aus einem Behälter und zum Dosieren desselben aufweist, wobei die Pumpe einen ersten Einlass zum Aufnehmen einer Hauptflüssigkeitsfördermenge, welche den Antrieb der Pumpe gewährleistet, einen zweiten Einlass zum Entnehmen des Additivs und einen Auslass für das Gemisch aus Additiv und Hauptflüssigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine in der Leitung angeordnete Venturidüse aufweist, und dass die Pumpe zu der Venturidüse parallelgeschaltet ist, wobei der erste Einlass der Pumpe mit dem Einlass der Venturidüse verbunden ist, während der Auslass der Pumpe mit dem Hals der Venturidüse verbunden ist.
Auf diese Weise strömt nur ein Teil der Fördermenge der Hauptflüssigkeit durch die Pumpe, welche kleine Abmessungen beibehalten kann, um eine Dosierung anhand einer geringen Abzweigfördermenge zu gewährleisten, die anschließend in den Hauptstrom injiziert wird.
Vorteilhafterweise ist die Geometrie der Venturidüse an den Druckverlust der Pumpe zwischen dem ersten Einlass und dem Auslass angepasst, um das Erhalten einer im wesentlichen konstanten Dosierung trotz Schwankungen der Fördermenge und unabhängig von dem Einlassdruck zu ermöglichen.
Die Geometrie der Venturidüse kann derart angepasst sein, dass sie im Betrieb eine Druckdifferenz von ungefähr 1,5 bar und weniger als 2 bar zwischen dem Einlassdruck und dem Druck im Hals bewirkt. Darüber hinaus kann die Geometrie der Venturidüse derart angepasst sein, dass der durch die Venturidüse erzeugte Druckverlust geringer als 0,5 bar ist.
Ein zusätzlicher Druckverlust kann in der Abzweigleitung der Pumpe erzeugt werden, insbesondere durch eine, insbesondere verstellbare, Düse erzeugt werden, die vorzugsweise am Auslass der Pumpe angeordnet ist.
Die Venturidüse kann derart geregelt sein, dass das Verhältnis der die Venturidüse passierenden Fördermenge Qe zu der die Pumpe passierenden Abzweigfördermenge Qd gleich R ist, so dass mit einer Pumpe, welche die Verarbeitung einer Fördermenge Qd mit einer Dosierung von x% ermöglicht, die Vorrichtung die Verarbeitung einer Fördermenge Qe = Qd·R mit einer Dosierung von ungefähr x/R% ermöglicht. Die Venturidüse kann derart geregelt sein, dass das Verhältnis R zumindest gleich zehn ist oder nahe zehn liegt. Auf diese Weise können erhebliche Fördermengen von Pumpen mit kleinen Abmessungen verarbeitet werden.
Bei kleinen Dosierungen kann das Verhältnis R größer als hundert sein. Die Pumpe kann vorgesehen sein, um ein Volumenverhältnis zwischen der injizierten Additivfördermenge und der die Pumpe durchlaufenden Antriebsflüssigkeitsfördermenge zu ermöglichen, das kleiner oder gleich einem Tausendstel (1/1000) ist, während die volumetrische Verdünnung der aus der Pumpe in die durch die Venturidüse strömende Hauptflüssigkeit austretenden Mischung geringer als ein Prozent (1%) ist, so dass die volumetrische Dosierung in der Hauptfördermenge geringer oder gleich 10^–5 oder 10 ppm (10 Teile pro Million) ist.
Vorteilhafterweise bilden die Venturidüse und die Pumpe eine Einheit, und es sind Verbindungseinrichtungen am Einlass und am Auslass der Venturidüse vorgesehen, um diese zwischen zwei Leitungsabschnitte einzusetzen und mit diesen zu verbinden.
Die Erfindung umfasst, abgesehen von den vorstehend ausgeführten Merkmalen, aus einer bestimmten Anzahl weiterer Merkmale, die im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher ausgeführt werden, welches unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wird, jedoch in keiner Weise einschränkend ist. Die Zeichnungen zeigen:
1 eine teilweise in Außenansicht, teilweise im Schnitt gezeigte schematische Darstellung einer Installation mit einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung,
2 eine teilweise weggebrochene, vereinfachte schematische Darstellung der Pumpe der Vorrichtung, und
3 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Details einer Variante.
In 1 ist eine Dosiervorrichtung D zum Einleiten eines flüssigen Additivs A in einen Hauptflüssigkeitsstrom L dargestellt, welche bei dem vorliegenden Beispiel aus Wasser besteht. Das flüssige Additiv A ist in einem Behälter 1 enthalten.
Die Vorrichtung D umfasst eine Dosierpumpe 2, die in Richtung ihrer vertikalen Achse angeordnet ist. Die Pumpe 2 ist von einem bekannten Typ, der insbesondere von der Firma der Anmelderin DOSATRON INTERNATIONAL hergestellt und vertrieben wird. Ein Beispiel für derartige Pumpen ist in EP 1 151 196 oder US 6 684 753 beschrieben. Wie in 2 schematisch dargestellt, weist die Pumpe 2 allgemein einen hin und her gehenden Differentialkolben 3 auf, welcher einen Kolben 4 von kleinerem Durchmesser antreibt, welcher das Pumpen und das Injizieren des Additivs A gewährleistet. Der Kolben 4 gleitet in einer zylindrischen Kammer einer Zusatzpumpe 5, die durch ein Entnahmerohr 6 mit dem Behälter 1 verbunden ist. Das Rohr 6 ist in das zu entnehmende Additiv A eingetaucht.
Die Pumpe 2 hat einen ersten Einlass 7 zum Aufnehmen der Fördermenge der Hauptflüssigkeit, im Allgemeinen Wasser, welche den Antrieb des Differentialkolbens 3 gewährleistet. Die Pumpe 2 weist einen zweiten Einlass 8, der sich im unteren Teil der Zusatzpumpe 5 befindet, um Additiv A zu entnehmen, und einen Auslass 9 zum Mischen des Additivs A und der Hauptflüssigkeit L auf.
Es sind herkömmliche Ventileinrichtungen oder dergleichen vorgesehen, um die hin und her gehenden Bewegungen des Kolbens 3 zu steuern. Diese bekannten Einrichtungen sind weder dargestellt, noch beschrieben.
Die Vorrichtung D weist eine Venturidüse 10 auf, welche einen Einlassabschnitt 11, einen Hals 12 mit verringertem Querschnitt und einen Auslassabschnitt 13 aufweist.
Die Pumpe 2 ist zu der Venturidüse 10 parallel abgezweigt, wobei der erste Einlass 7 der Pumpe über einen Kanal 14 mit dem Einlass 11 der Venturidüse verbunden ist, während der Auslass 9 der Pumpe durch einen Kanal 15 mit dem Hals 12 der Venturidüse verbunden ist.
Die Querschnitte der verschiedenen Teile der Venturidüse sind vorzugsweise kreisförmig, können jedoch auch eine andere Form haben, beispielsweise rechtwinklig sein.
Es sei daran erinnert, dass eine Venturidüse das Absenken des Drucks eines Flüssigkeitsstroms in dem Hals ermöglicht, insbesondere, um eine Senkung des Drucks unter den Atmosphärendruck zu erreichen. Das Strömen einer Flüssigkeit in einem Kanal, das keine Veränderung der Druckhöhe bewirkt, ist durch die Bernoulli-Gleichung bestimmt: P + ρV2/2 = Konstante,wobei

P: = statischer Druck der Flüssigkeit,
V: = Geschwindigkeit der Flüssigkeit, und
ρ: = volumetrische Masse der Flüssigkeit.

Die Druckdifferenz (Pe – Pc) zwischen dem Einlass und dem Hals der Venturidüse hängt mit der Geometrie (der Querschnittsänderung) und der Fördermenge Qe der Flüssigkeit zusammen. Wenn der Querschnitt des Einlasses 11 mit Se und der Querschnitt am Hals 12 der Venturidüse mit Sc bezeichnet wird, erhält man: Einlassgeschwindigkeit: Ve = Qe/Se Geschwindigkeit am Hals: Vc = Qe/Sc. woraus folgt: PC-Pe = –1/2ρ·Qe²·(1/Sc² – 1/Se²).
Eine Veränderung des Einlassdrucks verschiebt den Betriebsbereich der Venturidüse, dessen Umfang sich verringert, wenn der Einlassdruck steigt.
Vorteilhafterweise ist der Druckunterschied zwischen dem Einlass 11 und dem Hals 12 der Venturidüse an den der Pumpe im Normalbetrieb eigenen Druckverlust zwischen dem Einlass 7 und dem Auslass 9 angepasst. Als nicht einschränkendes Beispiel kann dieser Druckverlust in der Größenordnung von 1,5 bar liegen und unter 2 bar bleiben.
Die Geometrie der Venturidüse ist für die Erzeugung eines verringerten Druckverlusts zwischen dem Einlass und dem Auslass der Venturidüse von unter 0,5 bar ausgebildet.
Die Venturidüse 10 und die Pumpe 2 können einen Einheit bilden, und es sind Verbindungseinrichtungen Re und Rs am Einlass und am Auslass der Venturidüse vorgesehen, um diese zwischen zwei Abschnitte der Leitung Te, Ts einzusetzen und mit diesen zu verbinden.
Die Funktionsweise der Vorrichtung ergibt sich unmittelbar aus den vorangegangenen Erklärungen.
Die Abzweigfördermenge, welche durch die Leitung 14 und in die Pumpe 2 läuft, ermöglicht den Betrieb der Dosierpumpe zwischen dem Einlassdruck Pe der Venturidüse 10 und dem Druck Pc im Hals.
Die Venturidüse 10 ist derart geregelt, dass das Verhältnis R der die Venturidüse 10 durchlaufenden Fördermenge Qe zu der die Dosierpumpe 2 durchlaufenden Fördermenge Qd mindestens gleich 10 (zehn) ist. Auf diese Weise durchläuft die Hauptströmung nicht die Dosierpumpe 2. Dies ermöglicht die Verwendung einer Pumpe 2 von geringer Größe zum Dosieren eines Additivprodukts A in eine erhebliche Strömung der Hauptflüssigkeit. Um beispielsweise eine Dosierung von 1% in einer Fördermenge von 20 m³/h mit einem Verhältnis R gleich zehn zu gewährleisten, kann eine Standardpumpe mit einer maximalen Fördermenge von 2,5 m³/h verwendet werden, wodurch eine Dosierung von 10% gewährleistet ist. Die Erfindung ermöglicht somit die Verarbeitung von großen Fördermengen an Hauptflüssigkeit mit relativ kleinen Dosierpumpen.
Darüber hinaus ermöglicht es der Verdünnungseffekt zwischen der die Pumpe 2 durchlaufenden Strömung und der die Venturidüse 10 durchlaufenden Hauptströmung sehr geringe Dosierungen mit einer erheblichen Genauigkeit zu erhalten. Das Verhältnis R für das Erreichen der geringen Dosierungen kann mindestens gleich 100 (hundert) betragen.
Eine Dosierpumpe 2, die ein Volumenverhältnis zwischen der Fördermenge des injizierten Additivs A und der Fördermenge Qd des die Pumpe durchlaufenden Treibmittels ermöglicht, das gleich einem Tausendstel (1/1000) ist, ermöglicht, kombiniert mit einer Verdünnung von mindestens einem Prozent (1%), eine Volumendosierung des Additivs A in der Hauptfördermenge Qe von weniger als 10^–5, was 10 ppm (10 Teile pro einer Million) entspricht.
Beispielsweise entspricht eine Pumpe 2, die ein Volumenverhältnis von 1/1500 (0,07%) zwischen der entnommenen Fördermenge des Additivs A und der Fördermenge Qd ermöglicht, in der Praxis im wesentlichen der geringsten Dosierung die mit einer derartigen Pumpe mit Genauigkeit mechanisch erreichbar ist. Indem die Venturidüse 10 auf ein Verhältnis Qe/Qd gleich 133 (Qe = 20 m³/h, so dass Qd = 150 l/h) eingestellt wird, wird das Volumenverhältnis der Dosierung des Additivs A in der Hauptfördermenge gleich: (0,07%/133), entspricht einem Verhältnis von 5:10–6 oder 5 ppm.
3 zeigt eine zusätzliche Möglichkeit der Regelung der Fördermenge der Pumpe durch die Erzeugung eines zusätzlichen Druckverlusts im Abzweigkreis der Pumpe. Vorzugsweise wird dieser Druckverlust durch eine Düse 16 erzeugt, die am Auslass 9 der Pumpe angebracht ist. Die Düse 16 umfasst ein kalibriertes Durchgangsloch. Bei einer bestimmten Druckdifferenz zwischen dem Hals und dem Einlass der Venturidüse ist die Frequenz der Pumpe 2, und somit die Abzweigfördermenge in der Pumpe 2, umso geringer, je kleiner die Öffnung der Düse 16 ist. Ohne jegliche Düse 16 ermöglicht die Pumpe 2 im Allgemeinen eine Regelung der Fördermenge zwischen einem Maximalwert N und einem Minimalwert M/p, wobei beispielsweise nahe drei liegt. Durch das Anordnen einer Düse 16 wird der Regelbereich entsprechend dem Durchmesser der kalibrierten Öffnung der Düse 16 in Richtung der niedrigeren Werte erweitert.
Die Düse 16 kann insbesondere mittels einer Düsennadel verstellbar sein, wodurch eine Veränderung der Dosierung insbesondere in dem Fall einer Dosierpumpe möglich ist, die keine Regelung aufweist.
Nach einer Variante können mindestens zwei verschiedene Düsen vorgesehen sein, welche parallel in einer oder mehreren Bypassleitungen und mit einem oder mehreren Wählventilen eingebaut sind, wodurch mindestens zwei Dosierungsbereiche erhalten werden können.
Die Kombination der Venturidüse und der Dosierpumpe einen von dem Druck unabhängigen Betriebsbereich. Diese Kombination ermöglicht ferner eine im wesentlichen konstante Dosierung und nicht nur ein Einspritzen, das in Abhängigkeit von dem Druck und der Fördermenge variiert.
Versuche, die mit Fördermengen von 25 m³/h bis 40 m³/h unter einem Druck von 8 bar bis 10 bar durchgeführt wurden, insbesondere für die Bewässerung im landwirtschaftlichen Bereich, verliefen bei der Verwendung einer Dosiereinrichtung DOSATRON INTERNATIONAL DI 1500, die mit 1,1 m³ pro Stunde arbeitet, zufriedenstellend, wobei eine Dosierung eines Additivs von 50 ppm in der Hauptfördermenge und schließlich 4 ppm mit einer anderen Düse 16 erreicht wurde.
Die Erfindung ermöglicht es, sich von der Druckbegrenzung der Venturidüse zu befreien.

Claims

Dosiervorrichtung zum Einleiten eines Additivs (A) in einen Hauptflüssigkeitsstrom (L), der in einer Leitung zirkuliert, mit einer hin und her gehenden Differentialkolbenpumpe (2) zum Entnehmen des Additivs (A) aus einem Behälter (1) und zum Dosieren desselben, wobei die Pumpe einen ersten Einlass (7) zum Aufnehmen einer Hauptflüssigkeitsfördermenge, welche den Antrieb der Pumpe gewährleistet, einen zweiten Einlass (8) zum Entnehmen des Additivs und einen Auslass (9) für das Gemisch aus Additiv und Hauptflüssigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine in der Leitung angeordnete Venturidüse (10) aufweist, und dass die Pumpe (2) zu der Venturidüse (10) parallelgeschaltet ist, wobei der erste Einlass (7) der Pumpe mit dem Einlass (11) der Venturidüse verbunden ist, während der Auslass (9) der Pumpe mit dem Hals (12) der Venturidüse verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Venturidüse (10) an den Druckverlust der Pumpe (2) zwischen dem ersten Einlass (7) und dem Auslass (9) angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Venturidüse (10) derart angepasst ist, dass sie im Betrieb eine Druckdifferenz von ungefähr 1,5 bar und weniger als 2 bar zwischen dem Einlassdruck und dem Druck im Hals bewirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Venturidüse (10) derart angepasst ist, dass der durch die Venturidüse erzeugte Druckverlust geringer als 0,5 bar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Druckverlust (16) in der Abzweigleitung der Pumpe erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Druckverlust durch eine Düse (16) erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (16) am Auslass (9) der Pumpe angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Venturidüse (10) derart geregelt ist, dass das Verhältnis der die Venturidüse passierenden Fördermenge (Qe) zu der die Pumpe (2) passierenden Abzweigfördermenge (Qd) gleich (R) ist, so dass mit einer Pumpe, welche die Verarbeitung einer Fördermenge (Qd) mit einer Dosierung von X% ermöglicht, die Vorrichtung die Verarbeitung einer Fördermenge Qe = Qd·R mit einer Dosierung von ungefähr x/R% ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Venturidüse (10) derart geregelt ist, dass das Verhältnis (R) der die Venturidüse passierenden Fördermenge (Qe) zu der die Pumpe (2) passierenden Abzweigfördermenge (Qd) gleich zehn ist oder nahe zehn liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (2) vorgesehen ist, um ein Volumenverhältnis zwischen der injizierten Additivfördermenge und der die Pumpe durchlaufenden Antriebsflüssigkeitsfördermenge zu ermöglichen, das kleiner oder gleich einem Tausendstel (1/1000) ist, während die volumetrische Verdünnung der aus der Pumpe in die durch die Venturidüse strömende Hauptflüs sigkeit austretenden Mischung geringer als ein Prozent (1%) ist, so dass die volumetrische Dosierung in der Hauptfördermenge geringer oder gleich 10^– ⁵ oder 10 ppm (10 Teile pro Million) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Venturidüse (10) und die Pumpe (2) eine Einheit bilden, und dass Verbindungseinrichtungen (Re, Rs) am Einlass und am Auslass der Venturidüse vorgesehen sind, um diese zwischen zwei Leitungsabschnitte (Te, Ts) einzusetzen und mit diesen zu verbinden.