EP0194474A2 - Verfahren zur Kavitations-Einstellung - Google Patents

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EP0194474A2
EP0194474A2 EP86102057A EP86102057A EP0194474A2 EP 0194474 A2 EP0194474 A2 EP 0194474A2 EP 86102057 A EP86102057 A EP 86102057A EP 86102057 A EP86102057 A EP 86102057A EP 0194474 A2 EP0194474 A2 EP 0194474A2
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cavitation
measured
delivery unit
microprocessor
pump
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Metzger Klaus
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    • F17D1/065—Arrangements for producing propulsion of gases or vapours
    • F17D1/07—Arrangements for producing propulsion of gases or vapours by compression

Definitions

  • the invention relates to a method for setting F örderaggregaten for the transport of liquids and / or gases in pipelines, wherein the cavitation is measured as the output value for the setting.
  • Conveyor units in connection with pipelines are generally used for transport or conveying, centrifugal pumps, displacement pumps or water ring pumps (vacuum pumps) being mentioned.
  • cavitation describes a phenomenon that occurs when the Pressure in a liquid, for example due to excessive speed, drops in some places to the evaporation pressure. The resulting steam bubbles collapse again at higher pressure, and the "blows" associated with this lead to considerable stress on the delivery unit and the pipelines.
  • the cavitation is noticeable by an increase in the noise level and an uneven running of the delivery unit. So-called pulsating work can also occur. Along with this, the feed conditions are significantly deteriorated, so that the efficiency of the F örderaggregates decreases. Finally, cavitation can even lead to material destruction (see the literas mentioned above door positions).
  • German published patent application 32 36 815 has already made known a monitoring and control device on pipelines for the transport of liquids for suppressing cavitation. So far, we have limited our to measuring physical quantities such as temperature or liquid level, It is proposed there to measure the cavitation directly by means of a pressure transducer in the form of a measuring membrane with foil strain gauges. Using a microprocessor that processes the measured cavitation values, the speed of a centrifugal pump can be changed until an optimal operating state occurs without any cavitation.
  • the invention takes the novel way of deliberately maintaining a certain minimal residual cavitation. So far - although inadequate - care has been taken to eliminate the cavitation as completely as possible, the invention surprisingly provides for the measure to allow a minimally remaining cavitation, albeit a controllable one.
  • This unprecedented process step is based on the consideration of keeping the 4 n harmful disturbance variable "cavitation" to a small extent during operation, so that the disturbance variable remains under control at all times, so to speak.
  • the residual cavitation can easily be chosen so low that there are no fear of harmful side effects on the delivery unit and on the pipelines. It is sufficient if the residual cavitation is just barely measurable.
  • An important advantage of the invention is that the provided ongoing detection or measurement of the cavitation allows the delivery unit to be switched off if the measured cavitation is harmful and before cavitation limit that can be entered. Basically, a completely self-regulating system is created, in which the delivery quantities are "adjusted" in accordance with the different operating conditions so that manual monitoring can be dispensed with. If a critical limit is exceeded, the corresponding system can be switched off automatically.
  • the invention can also be used in water ring pumps.
  • the fresh water supply was increased or additional ballast gas or air was provided to counteract the harmful cavitation that had occurred.
  • the fresh water can now be Consumption and also not only limit the use of ballast gas or air, but even avoid the latter completely, since the pump speed can be reduced until the capacity of the pump matches the gas / air volume and the cavitation is acceptable.
  • a multi-stage evaporation plant 10 is shown schematically in FIG. 1.
  • the liquid accumulated in a first stage into a liquid container 12 is conveyed into a liquid container 14 of a further stage by means of a centrifugal pump 16. There the liquid has a liquid level (level) 20.
  • the liquid is further conveyed through a pipeline 22 by means of a centrifugal pump 18.
  • a centrifugal pump 18 On the pressure side of the centrifugal pump 18 or the pipeline 22, the cavitation is now measured at a pipe branch 24.
  • the measured values are fed to a microprocessor 26 which, via a frequency converter 28, influences an electric motor 30 for adjusting the speed of the centrifugal pump 18.
  • the The speed of the centrifugal pump 18 is set such that a minimal residual cavitation is maintained (which will be explained in more detail below with reference to FIGS. 4 and 5).
  • the pipe branch 24 contains a measuring membrane 32 with glued-on foil strain gauges 34.
  • Flexible separating rings 36 are provided in the area of a flare 38 to separate and isolate the measuring membrane 32 from the pipeline 22, which act as a support for the flexible seals 36 serves.
  • a clamping device which is necessary per se for bracing the flexible seals 36 and the measuring membrane 32 is not shown in FIGS. 2 and 3.
  • Fig. 3 shows a further embodiment, wherein the measuring membrane 32 is arched to ensure the required mechanical resistance both in vacuum and in overpressure.
  • Cavitation 42 is present in the area labeled 1, while area II indicates a pulsation 44.
  • Area "III” represents normal operation 46, which is again specified separately in area IV as the condition referred to in the aforementioned German Offenlegungsschrift 32 36 815 as optimal operating condition 48.
  • the area V represents a filling curve 50, i.e. a state is shown as it occurs when the suction side of the centrifugal pump 18 in FIG. 1 is filled after an insufficient change in the rotational speed when the liquid level 20 of the liquid container 14 rises.
  • the diagram 52 in FIG. 5 shows the operating state realized with the invention, in which a minimal residual cavitation 54 is deliberately maintained, and this deviates from the operating state 48 shown in area IV in FIG. 4.
  • örderaggregaten F Another significant advantage of the invention is given in örderaggregaten F, whose speed can be changed. Since the possibility of measuring the cavitation is provided, a cavitation limit value can easily be set at which the system is switched off or an alarm is given.
  • the invention advantageously allows a considerable restriction of fresh water consumption and the use of ballast gas or air, since the pump speed in the method according to the invention is regulated down until the capacity of the pump matches the gas / air volume and the cavitation is depressed to the remaining cavitation 54.

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Abstract

Bei der Förderung bzw. dem Transport von Flüsigkeiten und/oder Gasen mittels Förderaggregaten wird gezielt eine minimale Restkavitation mittels einer Regelschaltung zugelassen. Die Kavitation wird unter Zuhilfenahme eines Druckaufnehmers gemessen, der eine der Kavitation entsprechende Spannung an einen Mikroprozessor weitergibt. Dieser steuert die Drehzahl des verwendeten Förderaggregates in der Weise, daß eine minimale Restkavitation beibehalten wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung von Förderaggregaten für den Transport von Flüssigkeiten und/oder Gasen in Rohrleitungen, wobei als Ausgangsgröße für die Einstellung die Kavitation gemessen wird.
  • In vielen Bereichen der Technik kommt der Förderung von Flüssigkeiten und/oder Gasen eine große Bedeutung zu, und als ein Beispiel seien hier die Eindampfanlagen im Bereich der Molkereiwirtschaft genannt.
  • Für den Transport bzw. für die Förderung werden allgemein Förderaggregate in Verbindung mit Rohrleitungen eingesetzt, wobei etwa Zentrifugalpumpen,Verdrängerpumpen oder auch Wasserringpumpen (Vakuumpumpen) zu nennen sind.
  • Grundsätzlich bereitet der Transport von Flüssigkeiten zwar keine technischen Schwierigkeiten, allerdings mit Ausnahme der bekannten Kavitation, deren schädliche Einwirkungen auf das jeweilige Förderaggregat und auch auf die Rohrleitungen immer noch ein gravierendes Problem darstellen.
  • Der Begriff Kavitation (Hohlsogbildung, Hohlraumbildung) beschreibt eine Erscheinung, die dann auftritt, wenn der Druck in einer Flüssigkeit z.B. infolge zu großer Geschwindigkeit an einigen Stellen auf den Verdampfungsdruck absinkt. Die dabei entstehenden Dampfblasen stürzen bei höherem Druck wieder zusammen, und die damit verbundenen "Schläge" führen zu erheblichen Beanspruchungen des Förderaggregates und der Rohrleitungen.
  • Es können sich also - insbesondere bei Flüssigkeiten, deren Betriebstemperaturen nahe am Siedepunkt liegen - bei Unterschreitung des Siededruckes Dampfblasen bilden. Nach der durch das Förderaggregat hervorgerufenen Druckerhöhung wird der Siededruck wieder überschritten, die Dampfblasen fallen zusammen,und es tritt die schädliche Kavitation ein (vgl. KSB "K:reiselpumpenlexikon" 2. Auflage, Seite 121 - 122 und Fuchslocher/Schulz "Die Pumpen", Springer Verlag 1965, Seite 100 - 109).
  • In der Praxis macht sich die Kavitation durch ein Ansteigen des Geräuschpegels sowie durch einen unruhigen Lauf des Förderaggregates bemerkbar. Dabei kann auch ein sogenanntes pulsierendes Arbeiten auftreten. Einhergehend damit werden die Förderbedingungen erheblich verschlechtert, so daß der Wirkungsgrad des Förderaggregates absinkt. Schließlich kann die Kavitation sogar zur Materialzerstörunq führen (vgl. die voranstehend genannten Literaturstellen).
  • Um den geschilderten schädlichen Wirkungen der Kavitation zu begegnen, hat man sich bisher in der Praxis meistens damit beholfen, bestimmte Meßgrößen, wie die Temperatur der Flüssigkeit oder das Niveau bzw. die Zulaufhöhe zu kontrollieren und in Abhängigkeit dieser Größe eine manuelle Einstellung des Förderaggregates vorzunehmen. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß ein solches Verfahren sehr aufwendig ist und zudem auch unter der Gefahr einer Ungenauigkeit leidet.
  • Da sich die Kavitation unter anderem durch Erhöhung des Geräuschpegels äußert, sind auch schon Meßeinrichtungen mittels eines Mikrofones bekannt geworden (Brüel & Kjaer "Technical Review" No. 4 - 1980). Jedoch ist diese Meßmethode nicht zuverlässig genug und außerdem auch zu störempfindlich.
  • Durch die deutsche Offenlegungsschrift 32 36 815 ist auch schon eine Uberwachungs- und Kontrolleinrichtung an Rohrleitungen zum Transport von Flüssigkeiten zur Unterdrückung von Kavitation bekannt geworden. Während man sich bisher darauf beschränkt hat, physikalische Größen wie die Temperatur oder das Flüssigkeitsniveau zu messen, wird dort vorgeschlagen, mittels eines Druckaufnehmers in Form einer Meßmembran mit Foliendehnungsmeßstreifen die Kavitation direkt zu messen. Unter Verwendung eines Mikroprozessors,'der die gemessenen Kavitationswerte verarbeitet, läßt sich die Drehzahl einer Zentrifugalpumpe verändern, bis ein optimaler Betriebszustand ohne jegliche Kavitation eintritt.
  • Durch die bekannte Überwachungs- und Kontrolleinrichtung gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 32 36 815 wird zwar gegenüber dem bisherigen manuellen Verfahren ein bedeutsamer Fortschritt erzielt, allerdings kann auch dieses Verfahren in der Praxis noch nicht vollständig überzeugen.
  • Hier greift nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, ein optimales Verfahren zur Einstellung von Förderaggregaten für den Transport von Flüssigkeiten und/oder Gasen in Rohrleitungen zu schaffen, welches die schädlichen Wirkungen der Kavitation möglichst weitgehend ausschaltet.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Verfahren dadurch, daß das Förderaggregat in Abhängigkeit von der gemessenen Kavitation so eingestellt wird, daß eine minimale Restkavitation verbleibt.
  • Die Erfindung beschreitet den neuartigen Weg, ganz bewußt eine gewisse minimale Restkavitation beizubehalten. Während man bisher - wenn auch in unzulänglicher Weise - darauf bedacht gewesen ist, die Kavitation möglichst vollständig zu beseitigen, sieht die Erfindung also überraschend die Maßnahme vor, eine - allerdings kontrollierbare - minimale Restkavitation durchaus zuzulassen.
  • Diesem verblüffenden Verfahrensschritt liegt die Überlegung zugrunde, die 4n sich schädlnche Störgröße "Kavitation" während des Betriebes in geringem Maße beizubehalten, damit die Störgröße sozusagen jederzeit unter Kontrolle bleibt. Die Restkavitation kann ohne weiteres so gering gewählt werden, daß schädliche Nebenwirkungen auf das Förderaggregat und auf die Rohrleitungen nicht zu befürchten sind. Es genügt, wenn die Restkavitation meßtechnisch gerade noch erfaßbar ist.
  • Ein bedeutsamer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die vorgesehene laufende Erfassung bzw. Messung der Kavitation es erlaubt, das Förderaggregat abzuschalten , wenn die gemessene Kavitation einen schädlichen und vorgebbaren Kavitationsgrenzwert überschreitet. Es wird also im Grunde ein sich vollständig selbst regulierendes System geschaffen, bei welchem die Fördermengen in Anpassung an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen so "eingestellt" werden, daß eine manuelle Überwachung entfallen kann. Bei Überschreiten eines kritischen Grenzwertes kann die entsprechende Anlage selbstätig abgeschaltet werden.
  • In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die "Selbstregulierung" dadurch, daß in Abhängigkeit der gemessenen Kavitation die Drehzahl einer als Förderaggregat eingesetzten Pumpe entsprechend reguliert bzw. eingestellt wird. Die Erfindung läßt sich aber auch ebenso dahingehend einsetzen, daß die gemessene Kavitation herangezogen wird, um etwa ein Drosselventil - und damit die Fördermenge - zu beeinflussen.
  • In zweckmäßiger Ausgestaltung läßt sich die Erfindung auch bei Wasserringpumpen einsetzen. Bisher wurde dort bei Auftreten einer schädlichen Kavitation die Frischwasserzufuhr erhöht oder es wurde zusätzliches Ballastgas oder Luft vorgesehen, um der schädlichen aufgetretenen Kavitation entgegenzuwirken. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich nun der Frischwasserverbrauch und auch der Einsatz von Ballastgas oder Luft nicht nur einschränken, sondern letzteres sogar vollständig vermeiden, da die Pumpendrehzahl soweit heruntergeregelt werden kann, bis die Kapazität der Pumpe mit dem Gas-/Luftanfall übereinstimmt und die Kavitation akzeptabel ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und der Zeichnung zu entnehmen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung zum besseren Verständnis anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung des Flüssigkeitsweges einer mehrstufigen Eindampfungsanlage,
    • Fig. 2 und 3 jeweils eine Teil-Schnittdarstellung einer Rohrleitung mit einer Meßeinrichtung für die Kavitation,
    • Fig. 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung unterschiedlicher Betriebszustände, und
    • Fig. 5 ein Diagramm zur Verdeutlichung des vorgesehenen Betriebszustandes mit einer Restkavitation.
  • In Fig. 1 ist schematisch eine mehrstufige Eindampfungsanlage 10 dargestellt. Die in einer ersten Stufe in einen Flüssigkeitsbehälter 12 angesammelte Flüssigkeit wird mittels einer Zentrifugalpumpe 16 in einen Flüssigkeitsbehälter 14 einer weiteren Stufe gefördert. Dort besitzt die Flussigkeit einen Flüssigkeitsstand (Niveau) 20 .
  • Mittels einer Zentrifugalpumpe 18 erfolgt eine weitere Förderung der Flüssigkeit durch eine Rohrleitung 22. Auf der Druckseite der Zentrifugalpumpe 18 bzw. der Rohrleitung 22 erfolgt nun an einer.Rohrverzweigung 24 eine Messung der Kavitation. Die Meßwerte werden einem Mikroprozessor 26 zugeführt, welcher über einen Frequenzumformer 28 einen Elektromotor 30 zur Verstellung der Drehzahl der Zentrifugalpumpe 18 beeinflußt.
  • Es liegt also insgesamt ein Regelkreis vor, wobei die Drehzahl der Zentrifugalpumpe 18 derart eingestellt wird, daß eine minimale Restkavitation beibehalten wird (was nachfolgend noch unter Bezugnahme von Fig. 4 und 5 näher erläutert wird).
  • Der nähere Aufbau der Rohrverzweigung 24 - also der Meßstelle für die Kavitation - wird aus Fig. 2 und 3 deutlich. Im Bereich der Rohrwandung der Rohrleitung 22 beinhaltet die Rohrverzweigung 24 eine Meßmembrane 32 mit aufgeklebten Foliendehnungsmeßstreifen 34. Zum Trennen und zum Isolieren der Meßmembrane 32 von der Rohrleitung 22 sind flexible Dichtungsringe 36 im Bereich einer Bördelscheibe 38 vorgesehen, die als Auflage für die flexiblen Dichtungen 36 dient. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit der Zeichnung ist eine an sich notwendige Klemmvorrichtung zum Verspannen der flexiblen Dichtungen 36, der Meßmembrane 32 in den Figuren 2 und 3 nicht dargestellt.
  • Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei die Meßmembrane 32 gewölbt angeordnet ist, um sowohl bei Vakuum als auch bei Überdruck die erforderliche mechanische Beständigkeit zu gewährleisten.
  • Fig. 4 zeigt in einem Meßdiagramm unterschiedliche durch die jeweils ermittelten Spannungen U - über der Zeit t aufgetragen - charakterisierte Betriebszustände.
  • In dem mit 1 gekennzeichneten Bereich ist eine Kavitation 42 vorhanden, während durch den Bereich II eine Pulsation 44 gekennzeichnet wird.
  • Der Bereich "III" stellt den Normalbetrieb 46 dar, der innerhalb des Bereiches IV nochmals gesondert als in der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift 32 36 815 als optimaler Betriebszustand 48 bezeichneter Zustand angegeben ist.
  • Der Bereich V gibt eine Füllkurve 50 wieder, d.h. es ist ein Zustand dargestellt, wie er sich beim Füllen der saugseitigen Seite der Zentrifugalpumpe 18 in Fig. 1 nach einer nicht ausreichende Veränderung der Drehzahl einstellt, wenn der Flüssigkeitsstand 20 des Flüssigkeitsbehälters 14 ansteigt.
  • Das Diagramm 52 in Fig. 5 zeigt den mit der Erfindung verwirklichten Betriebszustand, bei welchem eine minimale Restkavitation 54 ganz bewußt beibehalten wird, und zwar abweichend von dem in Fig. 4 im Bereich IV dargestellten Betriebszustand 48.
  • In Versuchen konnte festgestellt werden, daß z.B. die Zentrifugalpumpe 18 in Fig. 1 - dort ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit der Zeichnung die Regelung nur in einer Stufe dargestellt - bei dem erfindungsgemäßen Verfahren immer in der Nähe des optimalen Betriebspunktes gefahren wird, der sich durch einen maximalen Wirkungsgrad auszeichnet. Als unmittelbare Folge davon sind minimal mögliche Zulaufhöhen für die Flüssigkeitsbehälter 12 und 14 zu erwähnen, was sich in mehrstufigen Milcheindampfanlagen durch reduziertes Flüssigkeitsvolumen, kürzere Durchlaufzeiten mit geringerer Produktschädigung und niedrigerer Produktviskosität bemerkbar macht.
  • Wenn beispielsweise in Fig. 1 die Anlage zu einem Auffüllen des Flüssigkeitsbehälters 14 führt, wodurch der Druck ansteigt, ergibt sich eine niedrigere Kavitation. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt in diesem Fall eine Regelung in dem Sinne , daß die Drehzahl der Zentrifugalpumpe 18 erhöht wird, so daß die bewußt gewählte Restkavitation 54 beibehalten wird.
  • Wegen der erhöhten Drehzahl wird auch mehr gefördert, d. h. dem Auffüllen des Flüssigkeitsbehälters 14 wird unmittelbar entgegengetreten, so daß eine minimale Zulaufhöhe erhalten bleibt. Das damit verbundene geringe Niveau 20 gewährleistet eine relativ geringe Totzeit bzw. Verweilzeit der Flüssigkeit.
  • Ein weiterer bedeutsamer Vorteil der Erfindung ist bei Förderaggregaten gegeben, deren Drehzahl verändert werden kann. Da die Möglichkeit der Messung der Kavitation vorgesehen ist, läßt sich ohne weiteres ein Kavitationsgrenzwert festlegen, bei welchem die Anlage abgeschaltet wird bzw. ein Alarm gegeben wird.
  • Bei Verwendung einer Wasserringpumpe als Förderaggregat gestattet die Erfindung in vorteilhafter Weise eine erhebliche Einschränkung des Frischwasserverbrauches und des Einsatzes von Ballastgas oder Luft, da die Pumpendrehzahl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren soweit herunter geregelt wird, bis die Kapazität der Pumpe mit dem Gas-/Luftanfall übereinstimmt und die Kavitation auf die Restkavitation 54 heruntergedrückt ist.

Claims (12)

1. Verfanren zur Einstellung von Förderaggregaten für den Transport von Flüssigkeiten und/oder Gasen in Rohrleitungen, wobei als Ausgangsgröße für die Einstellung die Kavitation gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Förderaggregat (18) in Abhängigkeit von der gemessenen Kavitation (42;54) so eingestellt wird, daß eine minimale Restkavitation (54) verbleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restkavitation (54) in Anpassung an die beim Transport jeweils vorhandenen unterschiedlichen Betriebsbedingungen auf entsprecnend verschiedene Werte eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Förderaggregat (18) abgeschaltet wird, wenn die gemessene Kavitation (42) einen einstellbaren Kavitationsgrenzwert überschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alarm gegeben wird, wenn die gemessene Kavitation (42) einen einstellbaren Kavitationsgrenzwert überschreitet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitation mittels eines Druckaufnehmers gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 5, dedurch gekennzeichnet, daß dia Kavitation auf der Druckseite der Rohrleitung (22) bzw. des Förderaggregates (18) mittels mindestens einer in der Rohrwandung der Rohrleitung (22) angeordneten Meßmembran (32) mit Foliendehnungsmeßstreifen (34) gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Messung der Kavitation entstehende elektrische Spannung (U) einem Mikroprozessor (26) zur Auswertung zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (26) das Förderaggregat (18) beeinflußt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich- net, daß als Förderaggregat eine Zentrifugalpumpe (18) verwendet wird, und daß die Drehzahl der Zentrifugalpumpe (18) durch den Mikroprozessor (26) eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Förderaggregat eine Verdrängerpumpe verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 9, daducch gekennzeichnet, daß als Förderaggregat eine Wasserringpumpe (Vakuumpumpe) verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet,daß der Mikroprozessor (26) die Ventileinstellung eines Drosselventiles in der Rohrleitung (22) beeinflußt.
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