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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung in
Kolbenpumpen, insbesondere Membranpumpen, die sowohl mit
Flüssigkeiten unter Sättigungsbedingungen als auch mit üblichen
unterkühlten Flüssigkeiten, wie in Wärmeabsorptionspumpen oder
Kühlschränken, arbeiten.
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In dem besonderen Fall der Pumpen für fast gesättigte
Flüssigkeiten, die in den oben erwähnten Anwendungen benutzt werden,
sollten folgende Bedingungen erfüllt sein:
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- große Druckhöhe der Pumpe (20-30atm);
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- Fähigkeit des Pumpens von fast gesättigten Flüssigkeiten
(Siedepunkt) ohne die Gefahr einer Blockade aufgrund von
Dampfblasen bzw. Dampfeinschlüssen;
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- Fähigkeit des "Trockenlaufens", d.h. ohne zu pumpende
Flüssigkeit;
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- absolute Dichtheit, zur Verhinderung sowohl von
Flüssigkeitslecks als auch Lufteindringung in das System;
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- guter Pumpwirkungsgrad
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Diese Leistungsfähigkeit kann man sowohl durch die Verwendung
von Kolben- als auch Rotationskolbenförderpumpen erzielen;
unter den Wärmeabsorptionspumpen auf dem Markt sind die Pumpen
für fast gesättigte Flüssigkeiten Membranpumpen, weil diese
perfekte Dichtheit zur Umgebung gewährleisten.
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Es sind verschieden solche Pumptypen zur Lösung dieser
Probleme entwickelt und gebaut worden. Das deutsche Unternehmen
Orlita baut eine Kolbenpumpe und auch eine Rotationskolbenpumpe
die mittels Taschen eine Flüssigkeit von niedrigem zu hohem
Druck transferieren. Selbst wenn eine derartige Pumpe das
Problem des Ansaugens von gesättigten Flüssigkeiten löst, so hat
diese doch eine hohe mechanische Komplexität und hohe Kosten,
bei gleichzeitig schlechter Fähigkeit des Trockenlaufens, weil
der Kolben und die Getriebe von der zu pumpenden Flüssigkeit
geschmiert sind.
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Die Columbia Gas System Service Corp. gestattete W.M. Nichols
Company eine Zahnradpumpe zu bauen, die trotz eines einfachen
Aufbaus Kavitationprobleme hat&sub1; die hohe Förderdrücke nicht
für längere Zeit erreicht und die nicht, wie die vorherige
Pumpe, für einen Trockenlaufbetrieb geeignet ist.
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In dem am 12.12.67 für S.W. Briggs erteilten USA Patent Nr.
3 357 203 ist eine Wasser-Ammoniak-Pumpe für Kältekreisläufe
beschrieben und beansprucht; eine derartige Pumpe ist im
wesentlichen aus einem Membrankörper, der mittels Öldruck
hydraulisch betrieben ist, aus zwei Rückschlagventilen, jeweils
zum Ansaugen und zur Förderung, und aus einem zylindrischen
Körper, zur Speicherung einer für das Anlaufen geeigneten
Menge an Flüssigkeit, gebildet.
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Eine zu dieser vorstehenden Pumpe ganz ähnliche Pumpe
verwendet das Unternehmen Arkla, die
Wasser-Ammoniak-Absorptionskühlschränke baut und Teile bzw. Komponenten an die
europäischen Hersteller von Wäremabsorptionspumpen verkauft. Eine
derartige Pumpe hat Rückschlagventile aus metallischen, von
Schraubenfedern betätigten Scheiben; diese Lösung verursacht
einen beachtlichen Druckverlust während des Ansaugens mit der
Folge von Kavitation. Aus diesem Grund ist die Feder des
Ansaugventils sehr schwach und hat der Pumpkörper ein sehr
kleines Blindvolumen, was das Pumpen von gemischten Flüssigkeits-
Dampf-Phasen erlauben sollte.
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Die Bristol Universität hat zwei Prototypen eines Pumpsystems
für Wärmeabsorptionspumpen vorgeschlagen die auf dem
Selbstanlaufprinzip beruhen, was durch die hohe Druckdifferenz
zwischen den Tanks der Säugflüssigkeit und der Förderflüssigkeit
möglich ist. Mittels eines Elektroventil-Systems wird in
geeigneten Vorrichtungen ein hoher Druck erzeugt, die
theoretisch in der Lage sind, aufgrund der Schwerkraft und dem
Effekt der Vervielfachung erzeugter Kraft gemäß dem Pascalschen
Prinzip, eine Flüssigkeit mit einem sehr niedrigen
Energiebedarf zu Pumpen.
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Mit diesen Vorrichtungen ist jedoch der Nachteil verbunden,
daß man Elektroventile verwendet, die bei einer hohen
Druckdifferenz und hoher Betätigungsfrequenz arbeiten, mit der
Folge eines schnellen Verschleißes. Die Verwendung von
Gravitationskraft bringt weiterhin eine vertikale Geometrie mit sich
und verhindert kaum das Erfordernis von kleinen Dimensionen.
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Das Unternehmen Bunders SA hat ein Patent für eine Pumpe, die
einen Überdruck in der Saugflüssigkeit erzeugt, den ein Rotor,
der als Booster wirkt, zur Verfügung stellt und die
Flüssigkeit an dieselben wirksamen Kolben fördert. Der Nutzen des
Überdrucks mit daraus folgender Unterkühlung der Flüssigkeit
ist zweifelhaft, so daß dieselben Autoren dieser Erfindung
eine externe Kühlung als Vorsichtsmaßnahme vorschlagen.
Weiterhin sind der Rotor und seine Lager von der gleichen gepumpten
Flüssigkeit geschmiert, was eine wertlose Lösung darstellt, da
die Flüssigkeit üblicherweise korrodierend ist (Ammoniak,
Lithium, Bromid).
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Das Unternehmen Stiebel Eltron (FRT) entwickelte eine
Zahnradpumpe für eine fast gesättigte Flüssigkeit für eine
Wärmeabsorptionspumpe, die mit organischen Flüssigkeiten arbeitet
und die einen sehr einfachen Aufbau hat, aber unter den selben
Betriebsproblemen leidet, wie die Pumpe der oben erwähnten
Columbia Gas System Service Corp.
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Die US-A-3083648 offenbart eine Vorrichtung zum Pumpen einer
leicht flüchtigen Flüssigkeit mit einem Speicher für eine
solche Flüssigkeit mit einer Pumpkammer, die in dem Speicher
angeordnet ist, wobei sich ein hin- und herbewegendes
Pumpenelement in den Pumpkörper erstreckt, das einen inneren
Endpumpabschnitt hat, der in dem Pumpkörper arbeitet. Eine
Einlaßöffnung ist neben der Pumpkammer angeordnet, die mit einem Ventil
versehen ist, das mittels Schwerkraft in eine offene Position
vorgespannt ist, so daß in der Kammer gebildeter Dampf in den
Speicher strömen kann; weiterhin ist von der Pumpkammer aus
ein ventilgesteuerter Ausgangsdurchgang zum Auslaß von
Flüssigkeit vorgesehen. Der mit dieser Vorrichtung verbundene
Nachteil besteht darin, daß im Betrieb zur Aufrechterhaltung
des Flüssigkeitspegels im Speicher über dem oberen Ende der
Einlaßventilanordnung verflüssigtes Gas von einer
Versorgungsquelle zu einem Speicher gefördert werden muß.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Zuführvorrichtung für
Kolbenpumpen zur Verfügung, die neben den notwendigen
Merkmalen der Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und niedrigen Kosten
ebenso eine breite Spanne von Anwendungen mit jedem Pumpentyp
hat, insbesondere eine Anwendung mit Membranpumpen zum Betrieb
mit Flüssigkeiten unter Sättigungsbedingungen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Saugvorrichtung und
insbesondere eine Zuführvorrichtung zur Verfügung gestellt,
mit einem rohrförmigen Kanal dessen oberes Ende mit dem Tank
der zu pumpenden Flüssigkeit in Verbindung steht, dessen
unteres Ende sich in die Pumpkammer öffnet und einem Schwerkraft-
Schalenventil, das nahe dem unteren Teil des Kanals angeordnet
und aus einem Schwimmkörper gebildet ist, der die Form einer
sphärischen Schale hat, die mit einem konischen, ringförmigen
Dichtsitz zusammenwirkt, der in dem Kanal gebildet ist, wobei
die sphärische Schale im geöffneten Zustand derart auf einer
durchbrochenen Unterlegscheibe ruht, daß die Flüssigkeit
mittel Schwerkrafteinwirkung von dem Tank zu der Kammer fließen
kann und jede Dampfblase in einem aufsteigenden Stromfluß in
den Tank zurückkehrt, so daß die optimale Befüllung der
Pumpkammer mit einer Flüssigkeit gewährleistet ist, die im
wesentlichen frei von Gasphase ist. In dieser Weise erfolgt der
Saughub mittels Gravitationsbefüllung (Zuführung) praktisch
ohne Druckverlust und daher ohne Verdampfung.
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Ein anderes vorteilhaftes Merkmal der Vorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung ist, daß die Pumpe auch ohne
Hydraulikdruck arbeiten kann, unabhängig von dem unterkühlten oder
gesättigten Zustand der Flüssigkeit. Diese Eigenschaft kann man
im Bereich der Wärmeabsorptionspumpen zur Vermeidung der
notwendigen Anpassung zur Aufrechterhaltung eines konstanten
Pegels der Flüssigkeit im Absorber ausnutzen, wobei der Absorber
der Zuführtank der Pumpe ist. Es ist ausreichend die Pumpe
bezüglich der von dem Verfahren zur Verfügung gestellten
maximalen Flußrate bzw. des Durchsatzes etwas überzudimensionieren,
so daß der Absorber gemäß dem oben erwähnten Merkmal konstant
leer gehalten werden kann.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei die Zeichnungen zur
Illustration aber nicht zur Einschränkung beispielhaft eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung zeigen. Diese zeigen in
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
Wärmeabsorptionspumpen-Systems;
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Fig. 2 eine Schnittansicht einer bekannten Membranpumpe mit
Saug- und Fördervorrichtungen, die als Federventile
ausgeführt sind;
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Fig. 2A dieselbe Membranpumpe aus Figur 2, wobei die
Federventile durch bekannte Schwerkraftventile ersetzt
sind;
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Fig. 3 eine ähnlich Ansicht wie in Figur 2, die eine
Membranpumpe mit der erfindungsgemäßen Saugvorrichtung
zeigt;
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Fig. 4 in vergrößertem Maßstab und Teilschnitt die
erfindungsgemäße Saugvorrichtung;
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Fig. 4A und 4B Details von dem Schalenventil und der
stützenden, durchbrochenen Unterlegscheibe mit radialen
Laschen;
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Fig. 5 eine Abwandlung der Vorrichtung von Figur 4; und
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Fig. 5A und 5B weitere Abwandlungen der Vorrichtung von
Figur 4.
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Wie in Figur 1 dargestellt, ist die Wärmeabsorptionspumpe ein
thermodynamisches System mit wenigstens sieben Grundelementen,
die miteinander zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden
sind, mit einem Generator G, einem Kondensor C, einem
Verdampfer E, einem Absorber A, der Pumpe PSR für eine fast
gesättigte Lösung und zwei laminaren Flußventilen V1 und V2. In einer
derartigen Kreislaufapparatur ist eine Flüssigkeit (in diesem
Fall ein Wasser-Ammoniak-Gemisch) in einem zyklischen
Verfahren bzw. Kreislauf verschiedenen Umwandlungen unterzogen.
Dieser Kreisprozeß bewirkt die Übertragung von Wärme mit einer
Temperaturerhöhung auf Kosten der Primärenergie, d.h. des
Treibstoffs des Generators und der elektrischen Leistung zum
Antrieb der Pumpe PSR für die fast gesättigte Lösung.
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Die Pumpe PSR arbeitet im Kreislauf zur Übertragung der mit
Ammoniak fast gesättigten Lösung von einem Absorber (bei
niedrigem Druck) zu einem Generator (mit hohem Druck), so daß
diese Pumpe die kritischste Komponente in einem System ist, in
dem die Erfindung ausgeführt ist.
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Die herkömmliche Membranpumpe (Figur 2) weist folgendes auf:
Einen Körper 1, in dem eine Pumpkammer ausgebildet ist, ein
Saugventil 3 und ein Förderventil 4 für die zu pumpende
Flüssigkeit, eine Membran 5, eine Hydraulikkammer 6, die mit Öl
gefüllt und in einem speziellen Körper 7 ausgebildet ist, und
einen Kolben 8, der sich Hin- und Herbewegt und den ein nicht
dargestellter elektrischer Motor antreibt. Dichtelemente 9
sind zur Verhinderung von Öl- und Pumpflüssigkeitslecks
vorgesehen.
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Die in Figur 2 dargestellte Pumpe führt einen Zweitaktzyklus
aus, nämlich Ansaugen und Fördern, wobei diese Takte mittels
zweier Rückschlagventile erfolgen, einem für das Ansaugen und
das andere für das Fördern. Diese Ventile sind im wesentlichen
aus zwei Arten aufgebaut: Als federgetriebenes Ventil, wie in
Figur 2 dargestellt, oder als Schwerkraftventil, wie in Figur
2A dargestellt.
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Die Pumpe mit Schwerkraftventilen muß einen vertikalen Saughub
von der Unterseite haben, so daß die Flüssigkeit durch die
Schwerkraft während des Förderhubs abwärts fällt, wogegen die
Pumpe mit federgetriebenen Ventilen jede Position haben kann.
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Die Schwerkraftventile sind üblicherweise aus Kugeln, die wie
in Figur 2A gezeigt auf konischen Sitzen ruhen, und weniger
üblich aus anderen Schließkörperarten gebildet. In derartigen
Ventilen hält die Flüssigkeit während des Ansaugtaktes den
Schließkörper angehoben und ist dann einem Druckverlust
ausgesetzt, der mit dem Gewicht des Schließkörpers steigt.
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Die federgetriebenen Ventile sind aus einem sphärischen
Schließkörper gebildet, der die in Figur 2 gezeigte Form einer
Platte oder Schale hat, die eine Feder gegen den Sitz drückt.
Da die durch das Ventil strömende Flüssigkeit die Federkraft
überwinden muß, ist die Flüssigkeit auch in diesem Fall
während des Ansaughubes einem Druckverlust ausgesetzt, wobei der
Druckverlust durch die Verwendung schwacher Federn vermindert
werden kann.
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Diese zwei Ventilarten sind nicht in der Lage, Flüssigkeiten
unter Sättigungsbedingungen zu pumpen.
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Ein Druckverlust bewirkt, daß die gesättigte Flüssigkeit
innerhalb der Pumpkammer verdampft: bei beachtlichem
Dampfvolumen stoppt der Betrieb der Pumpe, weil der Dampf nicht auf
einen Druck komprimierbar ist, der ein Öffnen des Förderventils
erlaubt und auch weitere Flüssigkeit während des nachfolgenden
Saughubes nicht eingelassen werden kann, da dieser Hub zu
weiterer Verdampfung der Flüssigkeit führt, so daß der
erforderliche Öffnungsdruck für das Saugventil nicht erreicht wird.
Daher verbleibt der Dampf in der Pumpkammer und kann nicht
abgelassen werden, mit der Folge, daß der Pumpbetrieb
unterbrochen ist.
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Die grundlegende erfinderische Tätigkeit der vorliegenden
Erfindung ist das derartige Befüllen der Pumpkammer (Saugtakt)
mit einer Flüssigkeit, daß praktisch jeglicher Druckverlust
und jegliche Verdampfung wie oben erwähnt vermieden ist.
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Diese Ziel wird durch die Änderung der Richtung der
Flüssigkeitsströmung während des Saugtaktes erreicht (Figur 3), d.h.
in der Kammer von oben nach unten, und durch Eliminierung der
Ventilfeder, die den Schließkörper gegen den Sitz drückt. In
dieser Weise ist das Ventil während des Saugtaktes (Zuführung)
komplett geöffnet, so daß die Befüllung ausschließlich durch
Schwerkraft erfolgt.
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Am Ende des Saugtaktes ist der Verschluß der Pumpkammer nicht
durch die Feder wirksam, sondern durch die hydrodynamische
Wirkung der Flüssigkeit auf den Schließkörper, auf den
wiederum die Membran 5 in ihrer mit gestrichelten Linien
angenommenen Position in der Figur drückt.
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Jeglicher in der Kammer enthaltener Dampf kann aufgrund der
geringeren Dichte nicht dieselbe Wirkung haben und entweicht
aufwärts, wobei ein entsprechendes Flüssigkeitsvolumen den
Dampf ersetzt.
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Die Saug- oder Zuführvorrichtung (vgl. auch Figuren 4, 4A und
4B) ist derart montiert, daß die zu pumpende Flüssigkeit von
der Oberseite zur Unterseite der Vorrichtung strömt. Eine
derartige Vorrichtung ist aus folgendem gebildet: Aus einem
Körper 10 mit einem Kanal 11, der einen derartigen Durchmesser
hat, daß gleichzeitig der Dampf von der Unterseite zur
Oberseite des Kanals und die Flüssigkeit in entgegengesetzter
Richtung fließen kann, aus einem Schließelement 12 mit derart
geeigneter Form und geeignetem Gewicht, daß der Einströmung
ein kleiner Widerstand und der umgekehrten Strömung ein sehr
viel größerer Widerstand entgegengesetzt ist, aus einer
durchbrochenen Auflageunterlegscheibe 13, die den Hub des
Schließelements begrenzt und derartig dimensionierte Öffnungen hat,
daß Dampf und Flüssigkeit zusammen fließen können, und
schließlich aus einem Dichtsitz 14, der in dem Körper 10 über
der Unterlegscheibe 13 ausgebildet ist.
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Im Betrieb ruht der Schließkörper 12 während des Saugtaktes
auf der Auflageunterlegscheibe 13, so daß die Flüssigkeit
abwärts in die Kammer 2 strömt; im Fördertakt wird der
Schließkörper derart nach oben gedrückt, daß während des gesamten
Pump- oder Fördertaktes der konische Dichtsitz 14 geschlossen
ist. Falls keine zu pumpende Flüssigkeit vorhanden oder falls
Dampf in der Pumpkammer gebildet ist, bewegt sich wegen der
geringen Dichte des Dampfes, der gegen das Ventil schlägt, der
Schließkörper nicht aufwärts und die Pumpe stößt den Dampf
durch das offene Saugventil aus. Der Pumpvorgang beginnt
erneut, wenn die Kammer 2 durch Schwerkraft mit weiterer
Flüssigkeit gefüllt ist.
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Aus dem Vorangegangenen geht hervor, daß die Pumpe einen
Zuführtakt oder eine Befüllung mittels Schwerkraft durchführt,
statt eines echten Saughubes.
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Zum Ausblasen von Dampf aus der Pumpkammer 2 hat der Saugkanal
11 einen großen Durchmesser und erstreckt sich vertikal, so
daß Dampfblasen leicht zum Tank der Flüssigkeit aufsteigen
können, wobei die Flüssigkeit nicht am Abwärtsströmen
gehindert ist.
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Der zylindrische Körper 10 ist vorzugsweise aus rostfreiem
Stahl gefertigt, aus dem auch der konische Sitz 14 und der
Schließkörper 12 in Form einer sphärischen Schale gebildet
sind. Die Auflageunterlegscheibe 13 besteht aus einem Ring mit
radialen Laschen (Figuren 4A und 4B).
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In Figuren 5, 5A und 5B sind drei Abwandlungen der oben
beschriebenen Anordnung dargestellt.
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In Figur 5 wird die Funktion der Auflageunterlegscheibe von
einem Stutzen 15 verrichtet, der mit einer Scheibe 16 und
einem
Schließelement 12 einstückig ausgebildet ist, während in
Figuren 5A und 5B das Schließelement auf einer Druckfeder 17
oder einer Zugfeder 18 montiert ist. Die Arbeitsweise ist
ähnlich zu der bereits beschriebenen.
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Die vorliegende Erfindung ist gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform dargestellt und beschrieben, dies ist jedoch so zu
verstehen, daß strukturelle Modifikationen erfolgen können,
ohne vom Umfang der vorliegenden, gewerblichen Erfindung
abzuweichen, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.