EP2249033B1 - Vergleichmäßigung des Förderstroms bei oszillierenden Verdrängerpumpen - Google Patents

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EP2249033B1
EP2249033B1 EP10004530.1A EP10004530A EP2249033B1 EP 2249033 B1 EP2249033 B1 EP 2249033B1 EP 10004530 A EP10004530 A EP 10004530A EP 2249033 B1 EP2249033 B1 EP 2249033B1
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displacement
phase
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    • F04B49/06—Control using electricity
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Definitions

  • the invention relates to a method for equalizing the flow rate in oscillating positive displacement pumps according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to an apparatus for carrying out this method according to the preamble of claim 5.
  • the DE 41 30 295 A1 discloses a pumping device with two parallel piston pumps, each having its own drive.
  • the two piston pumps are operated via a common control device in such a way that the most constant possible delivery flow is achieved.
  • the drive of each of the piston pumps via its own synchronous motor, which translates the rotational movement of the output shaft of the synchronous motor in a translation of a piston rod of the respective piston pump via a threaded spindle.
  • the DE 198 49 785 C1 discloses a method for adjusting the flow rate in oscillating displacement pumps whose drive is effected by means of a drive motor via a shaft and a crank gear. Up to three characteristics of the pump are controlled by means of the drive motor: the stroke frequency, the stroke length and the flow characteristic, Why the drive motor is variable both in its speed and in its direction of rotation.
  • the invention is therefore based on the object, the method of the generic type to eliminate the disadvantages described in such a way that it makes it possible to achieve a largely uniform or constant flow rate by means of simple constructive means with reasonable economic effort.
  • an apparatus for performing this method is to be created, which is easy to operate.
  • the inventive method for equalizing the flow in oscillating displacement pumps is based on the essential idea that the generation of the fluid flow in a delivery line by means of at least two oscillating displacement, whose drive motors are controlled so that the total flow generated in the delivery line largely uniform or constant is.
  • the displacement pumps are operated in a composite with each other without mechanical coupling.
  • the positive displacement pumps are operated so electronically synchronized that a nearly pulsation-free uniform flow (volume flow) is generated in the common delivery line.
  • the method according to the invention is operated in such a way that the speed of the drive motor of each displacement pump is changed in such a way that the superposed flow rates of the positive displacement pumps produce a substantially constant total flow rate.
  • the shaft of the drive motor of each positive displacement pump to achieve the constant characteristic of the total flow rate performs an adapted rotational movement.
  • the inventive device for carrying out the aforementioned method is provided with at least two oscillating displacement pumps, the pressure lines are connected to superimpose the individual flow rates to a common feed line and each having a drive motor without mechanical coupling in electronic synchronization to achieve a largely uniform or constant sum flow are operable.
  • the drive of each displacement pump is a highly dynamic drive.
  • This may be a servo motor, preferably a permanent-magnet three-phase synchronous servo motor.
  • the displacement pumps are diaphragm pumps.
  • FIG. 1 The drawing shows, for performing the method according to the invention in the illustrated embodiment, two oscillating positive displacement pumps in the form of diaphragm pumps 1, 2 are provided, the pressure lines 3, 4 are connected to a common feed line 5.
  • the mechanically uncoupled diaphragm pumps 1, 2 each have a drive motor 6 and 7, which is designed as a highly dynamic drive.
  • This is preferably a servo motor, in particular a permanent-magnet three-phase synchronous servo motor.
  • the drive motors 6, 7 of the two diaphragm pumps 1, 2 are operated by exact electronic synchronization such that a substantially uniform or constant sum flow in the common delivery line 5 can be achieved.
  • FIG Fig. 2a-d This procedure, which is operated by the method not covered by the invention, is illustrated by the individual diagrams in FIG Fig. 2a-d shown, in which the pump delivery is 100% each.
  • the respective left half of the diagrams represent the respective measured value course during the pressure stroke of the diaphragm pump 1, while the corresponding right half of the diagram shows the measured value course in dashed form during the pressure stroke of the diaphragm pump 2.
  • Diagram 2a shows the course of the piston travel over the time t for both diaphragm pumps 1, 2. Since this is a linear course due to the special operation of the drive motors 6, 7 of the two diaphragm pumps 1, 2, the result is as follows Fig. 2b can be seen, a constant piston speed.
  • the diagrams according to Fig. 3a-c show different measurements of the diaphragm pump 1 (solid line) and the diaphragm pump 2 (dashed line), respectively apply over time t, the diaphragm pumps 1, 2 each have only a reduced flow rate of about 90%.
  • the diagram shows according to Fig. 3a the fluid velocity applied over time t without compensation of the loss due to the "dead compression path hK" occurring at the beginning of the pressure stroke.
  • the pump piston is brought after completion of the suction stroke in the position hK before the actual delivery stroke begins.
  • the piston travel then starts at hK, ie the fluid is displaced immediately in the pressure stroke.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergleichmäßigung des Förderstroms bei oszillierenden Verdrängerpumpen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
  • Beim Betrieb oszillierender Verdrängerpumpen ist es aus grundsätzlichen Erwägungen heraus erwünscht, einen weitgehend konstanten Förderstrom zu erzielen. Dies gilt allein schon deswegen, weil ansonsten in der Druck- bzw. Förderleitung nachteilige Erscheinungen auftreten. Diese bestehen z.B. darin, dass bei jedem Druckhub eine Druckpulsation in der Förderleitung entsteht, welche die Leitungen des gesamten Systems nachteilig beeinflussen kann und deshalb mittels gesonderter Pulsationsdämpfer und dgl. unterdrückt bzw. verhindert werden muss.
  • Um daher einen weitgehend konstanten Förderstrom bei oszillierenden Verdrängerpumpen zu erreichen, ist es beispielsweise schon bekannt, Pumpen nicht als Einfachpumpen zu bauen, sondern mindestens als Dreifachpumpe mit gleichmäßigem Exzenterversatz vorzusehen. Durch die Überlagerung der Förderströme nimmt mit zunehmender Zylinderzahl die Pulsation des Förderstromes ab. Dies ist für viele Fälle jedoch nicht ausreichend, so dass zusätzliche Maßnahmen zur Pulsationsdämpfung notwendig werden. Dies erfordert jedoch einen beträchtlichen konstruktiven Aufwand.
  • Außerdem ist es bekannt (vgl. DE 198 49 785 C1 ), zur erwünschten Förderstromeinstellung der oszillierenden Verdrängerpumpe deren Antriebswelle selbst zu nutzen, und zwar derart, dass ein Übergang von der rotierenden Bewegung der Antriebswelle in eine Schwenkbewegung bzw. umgekehrt erfolgt, um verschiedene gewünschte Förderstromeinstellungen vorzusehen. Ein derartiges Verfahren hat sich in der Praxis durchaus bewährt. Hiermit ist es jedoch noch nicht möglich, einen durchgehend konstanten bzw. gleichmäßigen Förderstrom des insgesamt zu fördernden Fluids zu erreichen, da immer noch während des - wenn auch kurzen - Saughubs der Pumpe keinerlei Förderung erfolgt, was die ansonsten erzielte Konstanz des Förderstroms unterbricht.
  • Die DE 41 30 295 A1 offenbart eine Pumpeinrichtung mit zwei parallel geschalteten Kolbenpumpen, die jeweils einen eigenen Antrieb aufweisen. Die beiden Kolbenpumpen werden über eine gemeinsame Regeleinrichtung derart betrieben, dass sich ein möglichst konstanter Gesamtförderstrom einstellt. Der Antrieb jeder der Kolbenpumpen erfolgt über einen eigenen Synchronmotor, der über eine Gewindespindel die Drehbewegung der Abtriebswelle des Synchronmotors in eine Translation einer Kolbenstange der jeweiligen Kolbenpumpe übersetzt.
  • Die DE 198 49 785 C1 offenbart ein Verfahren zur Förderstromeinstellung bei oszillierenden Verdrängerpumpen, deren Antrieb mittels eines Antriebsmotors über eine Welle und ein Kurbelgetriebe erfolgt. Dabei werden mittels des Antriebsmotors bis zu drei Kenngrößen der Pumpe: die Hubfrequenz, die Hublänge und die Förderstromcharakteristik gesteuert, wozu der Antriebsmotors sowohl in seiner Drehzahl als auch in seiner Drehrichtung veränderbar ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der gattungsgemäßen Art zur Beseitigung der geschilderten Nachteile derart auszugestalten, dass es mittels einfacher konstruktiver Mittel bei vertretbarem wirtschaftlichem Aufwand die Erzielung eines weitgehend gleichmäßigen bzw. konstanten Förderstroms ermöglicht.
  • Außerdem soll eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden, die einfach betreibbar ist.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Die Merkmale der erfindungsgemäß geschaffenen Vorrichtung ergeben sich aus Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen aufgeführt.
  • Dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vergleichmäßigung des Förderstroms bei oszillierenden Verdrängerpumpen liegt der wesentliche Gedanke zugrunde, dass die Erzeugung des Fluidstroms in einer Förderleitung mittels wenigstens zweier oszillierender Verdrängerpumpen erfolgt, deren Antriebsmotoren derart gesteuert werden, dass der insgesamt erzeugte Förderstrom in der Förderleitung weitgehend gleichmäßig bzw. konstant ist.
  • Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Verdrängerpumpen im Verbund miteinander ohne mechanische Kopplung betrieben werden.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Verdrängerpumpen derart elektronisch synchronisiert betrieben werden, dass ein nahezu pulsationsfreier gleichförmiger Förderstrom (Volumenstrom) in der gemeinsamen Förderleitung erzeugt wird.
  • Erfindungsgemäß wird das erfindungsgemäße Verfahren derart betrieben, dass der Antriebsmotor jeder Verdrängerpumpe in seiner Drehzahl derart verändert wird, dass die überlagerten Förderströme der Verdrängerpumpen einen weitgehend konstanten Summenförderstrom ergeben.
  • Dabei führt die Welle des Antriebsmotors jeder Verdrängerpumpe zum Erreichen der Konstantcharakteristik des Summenförderstroms eine angepasste Drehbewegung aus.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorerwähnten Verfahrens ist versehen mit wenigstens zwei oszillierenden Verdrängerpumpen, deren Druckleitungen zum Überlagern der einzelnen Förderströme an eine gemeinsame Förderleitung angeschlossen sind und die jeweils einen Antriebsmotor aufweisen, die ohne mechanische Kopplung in elektronischer Synchronisation zum Erzielen eines weitgehend gleichmäßigen bzw. konstanten Summenförderstroms betreibbar sind.
  • Vorteilhafter Weise ist der Antrieb jeder Verdrängungspumpe ein hochdynamischer Antrieb. Dies kann ein Servomotor, vorzugsweise ein permanenterregter Drehstrom-Synchronservomotor sein.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Verdrängerpumpen Membranpumpen sind.
  • Mit der Erfindung ist es somit möglich, aufgrund der gezielt durchgeführten Überlagerung der Förderströme zweier Einzelpumpen die Druckpulsation in der gemeinsamen Förderleitung auch ohne Pulsationsdämpfer zu verhindern und gleichzeitig einen weitgehend konstanten Förderstrom zu erreichen. Dies erfolgt durch exakte elektronische Synchronisation der mechanisch nicht gekoppelten Verdrängerpumpen.
  • Um schließlich zu kontrollieren, ob die erwünschte Konstantcharakteristik des Förderstroms erreicht wird, sind schon verschiedene Verfahren bekannt ( DE 35 46 189 C2 ), die beispielsweise darin bestehen, dass der Druckverlauf im Pumpenzylinder mittels Drucksensoren gemessen wird, worauf dann aus den erfassten Messwerten über das kinematische Bewegungsgesetz des Pumpenkolbens der tatsächlich geförderte Volumenstrom der Pumpe berechnet wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden in Form eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in:
    • Fig. 1
    schematisch die Anordnung von zwei mechanisch nicht gekoppelten oszillierenden Verdrängerpumpen zur Vergleichmäßigung des Gesamtförderstroms;
    Fig. 2 a-d
    verschiedene Diagramme von Pumpenmesswerten, aufgetragen über der Zeit t, zur Verdeutlichung der Erzielung einer konstanten Fluidgeschwindigkeit und damit eines gleichmäßigen Förderstroms, bei einem Fördergrad der Pumpen von insgesamt 100%, sowie
    Fig. 3 a-c
    verschiedene Diagramme von entsprechenden Pumpenmesswerten, aufgetragen über der Zeit t, bei einem reduzierten Pumpenfördergrad von ca. 90%.
  • Wie aus Fig. 1 der Zeichnung ersichtlich, sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwei oszillierende Verdrängerpumpen in Form von Membranpumpen 1, 2 vorgesehen, deren Druckleitungen 3, 4 an eine gemeinsame Förderleitung 5 angeschlossen sind.
  • Die mechanisch nicht gekoppelten Membranpumpen 1, 2 weisen jeweils einen Antriebsmotor 6 bzw. 7 auf, der als hochdynamischer Antrieb ausgestaltet ist. Dies ist vorzugsweise ein Servomotor, und zwar insbesondere ein permanenterregter Drehstrom-Synchronservomotor.
  • Die Antriebsmotoren 6, 7 der beiden Membranpumpen 1, 2 werden durch exakte elektronische Synchronisation derart betrieben, dass ein weitgehend gleichmäßiger bzw. konstanter Summenförderstrom in der gemeinsamen Förderleitung 5 erreichbar ist.
  • Diese mit dem nicht von der Erfindung umfassten Verfahren betriebene Vorgehensweise ist durch die einzelnen Diagramme in Fig. 2a-d dargestellt, bei denen der Pumpenfördergrad jeweils 100% beträgt. Hierbei ist der Einfachheit halber nur der Druckhub jeder Membranpumpe 1, 2 dargestellt, wobei die jeweils linke Hälfte der Diagramme den betreffenden Messwertverlauf beim Druckhub der Membranpumpe 1 darstellt, während die entsprechend rechte Diagrammhälfte den Messwertverlauf in gestrichelter Form beim Druckhub der Membranpumpe 2 zeigt.
  • Diagramm 2a zeigt den Verlauf des Kolbenwegs über der Zeit t bei beiden Membranpumpen 1, 2. Da dies aufgrund des speziellen Betriebs der Antriebsmotoren 6, 7 der beiden Membranpumpen 1, 2 ein linearer Verlauf ist, ergibt sich, wie aus Fig. 2b ersichtlich, eine konstante Kolbengeschwindigkeit.
  • Dies wird nicht zuletzt dadurch bewirkt, dass die Winkelgeschwindigkeit der Exzenterwellen der jeweiligen Membranpumpen 1, 2, aufgetragen über der Zeit t, den Verlauf gemäß Fig. 2c aufweist, d.h. jeweils eine hohe Anfangs- und Endgeschwindigkeit bei konstantem Verlauf zwischen diesen beiden Eckwerten.
  • Schließlich zeigt das Diagramm gemäß Fig. 2d deutlich, dass sich aufgrund der dargestellten Betriebsweise eine konstante Fluidgeschwindigkeit, aufgetragen über der Zeit t, ergibt. Dies hat unmittelbar einen konstanten Förderstrom in der Förderleitung 5 zur Folge.
  • Die Diagramme gemäß Fig. 3a-c zeigen verschiedene Messwerte der Membranpumpe 1 (durchgezogene Linie) sowie der Membranpumpe 2 (gestrichelte Linie), jeweils auftragen über der Zeit t, wobei die Membranpumpen 1, 2 jeweils nur einen reduzierten Fördergrad von ca. 90% aufweisen. Hierbei zeigt das Diagramm gemäß Fig. 3a die über der Zeit t aufgetragene Fluidgeschwindigkeit ohne Kompensation des Verlustes durch den zu Beginn des Druckhubes jeweils auftretenden "toten Kompressionsweg hK".
  • Dieser Wertverlust wird erfindungsgemäß ausgeglichen, so dass sich dann eine Darstellung der Fluidgeschwindigkeit über der Zeit t gemäß Fig. 3b ergibt, bei welcher der Fördergrad kompensiert ist. Zu diesem Zweck muss der zu Beginn des Druckhubes auftretende "tote Kompressionsweg hK" bekannt sein oder automatisch ermittelt werden. Ein entsprechendes Verfahren hierzu ist beispielsweise aus der DE 35 46 189 C2 bekannt.
  • Wie hierzu aus Fig. 3c ersichtlich, wird der Pumpenkolben nach Beendigung des Saughubes in die Stellung hK gebracht, bevor der eigentliche Förderhub beginnt. Der Kolbenweg startet dann bereits bei hK, d.h. das Fluid wird sofort im Druckhub verdrängt.
  • Zum Verständnis des Begriffes des "toten Kompressionsweges hK" wird von der bekannten Tatsache ausgegangen, dass jede oszillierende Verdrängerpumpe einen Förderzyklus aufweist. Dieser besteht
    • aus einer Ansaugphase, in der das Fluid in eine Pumpenkammer angesaugt wird,
    • einer Kompressionsphase, in der das angesaugte Fluid auf Förderdruck gebracht wird,
    • einer Förderphase, in der ein Teil des komprimierten Fluids aus der Pumpenkammer ausgestoßen wird, und
    • schließlich einer Dekompressions- bzw. Expansionsphase, in der das in der Pumpenkammer verbliebene Fluid wieder auf Ansaugdruck gebracht wird. Hierbei benötigt jede oszillierende Verdrängerpumpe für die Kompression des Fluids vom Saugdruck auf den Förderdruck einen bestimmten geringen Kolbenweg, den sog. toten Kompressionsweg hK, der in der Kompressionszeit zurückgelegt wird.
  • Hinsichtlich vorstehend nicht im Einzelnen erläuterter Merkmale wird abschließend ausdrücklich auf die Ansprüche sowie die Zeichnung verwiesen.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Vergleichmäßigung des Förderstroms bei oszillierenden Verdrängerpumpen, deren Antrieb mittels eines Antriebsmotors (6, 7) über eine rotierende Exzenterwelle erfolgt, wobei die Erzeugung des Fluidförderstroms in einer Förderleitung (5) mittels wenigstens zwei oszillierenden Verdrängerpumpen erfolgt, wobei die Verdrängerpumpen einen Förderzyklus mit einem Saughub und einem Druckhub durchführen, wobei der Druckhub eine Kompressionsphase, in der ein angesaugtes Fluid vom Saugdruck eines vorangegangenen Saughubs auf Förderdruck komprimiert wird, und eine Förderphase, in der ein Teil des komprimierten Fluids ausgestoßen wird, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass deren Antriebsmotoren (6, 7) derart gesteuert werden, dass der insgesamt erzeugte Förderstrom in der Förderleitung (5) weitgehend gleichmäßig bzw. konstant ist, indem die Winkelgeschwindigkeit der Exzenterwellen jedes der Antriebsmotoren (6, 7) innerhalb der Förderphase des Druckhubs derart variiert wird, dass sich eine im Wesentlichen konstante Kolbengeschwindigkeit der dazugehörigen Verdrängerpumpe ergibt, wobei eine Kompensation des in der Kompressionsphase zurückgelegten toten Kompressionswegs (hK), erfolgt, indem zum Ende des Druckhubs der einen Verdrängerpumpe die andere Verdrängerpumpe die Förderphase beginnt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpen im Verbund miteinander ohne mechanische Kopplung betrieben werden..
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpen derart elektronisch synchronisiert betrieben werden, dass ein nahezu pulsationsfreier gleichförmiger Förderstrom (Volumenstrom) in der gemeinsamen Förderleitung (5) erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der tote Kompressionsweg (hK) automatisch ermittelt wird.
  5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens zwei oszillierenden Verdrängerpumpen, die einen Förderzyklus mit einem Saughub und einem Druckhub durchführen, wobei der Druckhub eine Kompressionsphase, in der ein angesaugtes Fluid vom Saugdruck eines vorangegangenen Saughubs auf Förderdruck komprimiert wird, und eine Förderphase, in der ein Teil des komprimierten Fluids ausgestoßen wird, umfasst, deren Druckleitungen (3, 4) zum Überlagern der einzelnen Förderströme an eine gemeinsame Förderleitung (5) angeschlossen sind und die jeweils einen Antriebsmotor (6, 7) mit einer Exzenterwelle aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmotoren (6, 7) ohne mechanische Kopplung in elektronischer Synchronisation zum Erzielen eines weitgehend gleichmäßigen bzw. konstanten Summenförderstroms betreibbar sind, indem die Winkelgeschwindigkeit der Exzenterwellen jedes der Antriebsmotoren (6, 7) innerhalb der Förderphase eines Druckhubs derart variiert wird, dass sich eine im Wesentlichen konstante Kolbengeschwindigkeit der dazugehörigen Verdrängerpumpe ergibt, wobei eine Kompensation des in der Kompressionsphase zurückgelegten toten Kompressionswegs (hK) erfolgt, indem zum Ende des Druckhubs der einen Verdrängerpumpe die andere Verdrängerpumpe die Förderphase beginnt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (6, 7) jeder oszillierenden Verdrängerpumpe (1, 2) ein hochdynamischer Antrieb, insbesondere ein Servomotor, vorzugsweise ein permanenterregter Drehstrom-Synchronservomotor, ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierenden Verdrängerpumpen Membranpumpen (1, 2) sind.
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