EP3592981A1 - Verfahren zum betrieb einer drehzahlvariablen umwälzpumpe sowie umwälzpumpe zur verfahrensausführung - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer drehzahlvariablen umwälzpumpe sowie umwälzpumpe zur verfahrensausführung

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EP3592981A1
EP3592981A1 EP18711026.7A EP18711026A EP3592981A1 EP 3592981 A1 EP3592981 A1 EP 3592981A1 EP 18711026 A EP18711026 A EP 18711026A EP 3592981 A1 EP3592981 A1 EP 3592981A1
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pump
variable
operating
amplitude
physical
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Joachim Schullerer
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KSB SE and Co KGaA
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    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
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    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a variable-speed circulating pump, in particular a heating circulation pump.
  • the cause of a too high noise level during pump operation may be due to the pump itself or to the selected installation variant of the pump within the heating circuit.
  • Typical circulation pumps allow several different installation variants in order to have better flexibility with regard to the conditions and space conditions at the installation site. For the fitter, however, it is hardly recognizable beforehand which installation variant is the best in terms of operating volume. In the worst case, the operating vibration of the pump falls to the natural frequency of the system of pump and piping, resulting in a significant increase in noise emission.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for detecting an unfavorable installation variant. This object is achieved by a method according to the features of claim 1. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims.
  • a variable-speed circulating pump in particular a heating circulating pump
  • the comparison result can be used for an evaluation of the installation variant, in particular as to whether the installation variant is disadvantageous in terms of noise emission in pump operation.
  • the circulating pump is typically a centrifugal pump.
  • a direct comparison in which the measured physical pump operating variable is compared directly against a corresponding reference variable.
  • An indirect comparison includes exemplary embodiments according to which the measured variable is first further processed and at least one quantity derived therefrom is compared with a suitable reference variable.
  • suitable pump operating variable is any physical size that allows a characterization of the pump behavior, ie the noise emission.
  • negative effects have already been demonstrated, which can lead to an unpredictable increase in noise emission, in particular the coincidence of the natural frequency of the pump and pipeline system with the operating oscillation of the pump. Consequently, physical variables that permit a statement regarding the operating oscillation of the pump are particularly suitable.
  • an acceleration value is proposed, in particular the acceleration of the conveyed pumped medium and / or the acceleration of the driven pump impeller and / or the acceleration of the pump housing.
  • the acceleration value should be recorded as close as possible to the impeller.
  • the acceleration values can be measured by means of an integrated acceleration sensor of the circulation pump, which is preferably located on the pump housing in the immediate vicinity of the impeller.
  • the metrological detection of the physical pump operating variable used can be carried out either continuously during the pump operation or else limited to a definable measuring interval, optionally with repeated measurements at random or periodic intervals.
  • the pump control can make a visual and / or acoustic signaling to alert the end user or installer to the problem of the installation variant, ideally in combination with a proposal for a alternative better installation variant.
  • the detected value of the pump operating variable is initially processed further.
  • the vibration behavior of the physical operating variable is determined on the basis of the measured physical pump operating variable. For this purpose, it is necessary that the pump operating variable has been recorded over a certain period of time in order to finally be able to conclude on the oscillation behavior of the size.
  • the vibration behavior is obtained, for example, by means of Fast Fourier Transformation (FFT) from the time course of the measured acceleration value.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • At least one variable characterizing the determined vibration behavior is compared with a suitable reference value of the characteristic variable stored in the pump control in order to carry out the evaluation of the installation variant.
  • characterizing Size is usefully proposed the amplitude and / or the frequency of the determined oscillation.
  • the oscillation amplitude is compared against a reference amplitude and signaling with respect to the non-optimal installation variant to the end user occurs sooner if the detected amplitude is higher by a specific amount than the reference amplitude.
  • the reference value (s) may be dependent on the current operating point of the pump.
  • the current operating point of a circulating pump is defined by the intersection between the system characteristic curve and the control characteristic of the pump. Since the noise development of the pump depends decisively on the selected operating point, it is proposed according to an advantageous embodiment of the method to define assigned individual reference values for a plurality of operating points and to keep them available in the pump control. The pump control then selects the appropriate one depending on the current adjusted operating point Reference value and compares current readings directly or indirectly with the selected reference value.
  • One or more suitable reference values are generated in advance, ideally during pump development.
  • a reference pump is used within a test field in different installation variants.
  • the reference variable for different operating points is measured and stored. Subsequently, the reference values of the installation variant are selected as final reference values which show the lowest noise emission in the test bench.
  • the present object is also achieved by a circulation pump, in particular a heating circulation pump, with a variable-speed pump drive and a pump control, which is suitable for carrying out the method according to the present invention.
  • a circulation pump in particular a heating circulation pump
  • a pump control which is suitable for carrying out the method according to the present invention.
  • the recirculation pump has the same advantages and features as those already Hand of the method according to the invention are set forth in detail. A repetitive description is omitted for this reason.
  • the circulating pump is typically a centrifugal pump.
  • the pump may preferably comprise at least one acceleration sensor, it is also conceivable another sensor which allows an indirect detection of the acceleration value.
  • Figure 1 a schematic representation of the installation situation of a circulating pump
  • Figure 2 a signal diagram of the detected acceleration value.
  • the present invention describes a method for detecting an unfavorable installation variant of a heating circulation pump 10. This method is implemented in the pump control and requires that the pump 10 has an acceleration sensor 1 1, which detects the acceleration of the pump housing as close to the pump impeller.
  • the pump structure is indicated schematically in FIG.
  • FIG. 1 shows schematically the connection of the circulating pump 10 to a building wall 1.
  • the mounting parts is shown here as a spring-damper system 12.
  • the type of installation has an influence on the stiffness and damper parameters and thus changes the natural frequency and the associated amplitude.
  • the actual implementation of the process is based on two preparatory steps.
  • an optimal installation variant is defined.
  • different installation variants are implemented in the test field during the development phase and the vibration behavior and the acoustics are recorded at several operating points.
  • one of the variants is rated as optimal on the basis of the measured data.
  • the characteristic values detected by the acceleration sensor 11 for describing the oscillation state for example, amplitude, frequency
  • the vibration state ie the amplitude-frequency diagram of the vibration behavior, is obtained by means of Fast Fourier Transformation from the time curve of the measured acceleration value.
  • This data is ultimately implemented in the local memory of the pump controller.
  • the execution of the method according to the invention then takes place during pump operation.
  • the pump 1 0 detected with its acceleration sensor 1 1, the acceleration of the pump housing over time.
  • the characteristic vibration values are determined and compared with the reference values previously detected as optimal. If the oscillation amplitude in the process is significantly higher than the amplitude previously detected as optimal, the pump 10 will recognize this and notify the user. The user can then use this information to optionally optimize the installation variant of the pump 10.
  • FIG. 2 shows the frequency-amplitude diagram for two different installation variants determined by means of FFT from the signal curve of the acceleration sensor 11.
  • Installation variant 2 shows a significantly lower vibration amplitude at certain frequencies than installation variant 1.
  • the influence of the stiffness and damper parameters of the respective installation variant shown in FIG. 1 (according to FIG. 1) on the frequency response of the measured value acquired by the acceleration sensor during operation can be recognized.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer drehzahlvariablen Umwälzpumpe, insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe, wobei die Pumpensteuerung wenigstens eine physikalische Pumpenbetriebsgröße sensorisch erfasst und unmittelbar oder mittelbar gegen wenigstens einen hinterlegten Referenzwert vergleicht, um die Montageposition der Pumpe zu bewerten.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer drehzahlvariablen Umwälzpumpe sowie Umwälzpumpe zur
Verfahrensausführung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer drehzahlvariablen Umwälzpumpe, insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe.
Die akustischen Eigenschaften einer Heizungsumwälzpumpe spielen beim Kauf eine wichtige Rolle. Eine zu hohe Geräuschentwicklung kann sich im ungünstigsten Fall durch das Rohrleitungssystem bis in die Wohnräume übertragen, was dann vom Endverbraucher als störend empfunden wird. Zudem bedeutet eine zu hohe Geräuschemission der Umwälzpumpe einen signifikanten Wettbewerbsnachteil.
Die Ursache für einen zu hohen Lärmpegel während des Pumpenbetriebs kann an der Pumpe selbst oder aber an der gewählten Einbauvariante der Pumpe innerhalb des Heizkreislaufs liegen. Typische Umwälzpumpen gestatten mehrere unterschiedliche Einbauvarianten, um eine bessere Flexibilität im Hinblick auf die Gegebenheiten und Platzverhältnisse am Montageort zu haben. Für den Monteur ist es jedoch vorab kaum erkennbar, welche Einbauvariante hinsichtlich der Betriebslautstärke die Beste ist. Im ungünstigsten Fall fällt die Betriebsschwingung der Pumpe auf die Eigenfrequenz des Systems aus Pumpe und Rohrleitungen, was zu einer deutlichen Zunahme der Geräuschemission führt. Abhilfe kann in diesem Fall die Änderung der Einbauvariante schaffen. Wünschenswert ist in diesem Zusammenhang eine automatische Erkennung einer nicht optimalen Einbauvariante. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, ein Verfahren zum Erkennen einer ungünstigen Einbauvariante aufzuzeigen. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird für eine drehzahlvariable Umwälzpumpe, insbesondere eine Hei- zungsumwälzpumpe, vorgeschlagen, die Pumpensteuerung um eine entsprechende Routine zur Erkennung einer ungünstigen Einbauvariante zu erweitern, wonach wenigstens eine physikalische Pumpenbetriebsgröße sensorisch erfasst wird und unmittelbar oder mittelbar gegen wenigstens einen hinterlegten Referenzwert verglichen wird. Das Vergleichsergebnis kann für eine Bewertung der Einbauvariante herangezogen werden, insbesondere dahingehend, ob die Einbauvariante nachteilig im Hinblick auf die Geräuschemission im Pumpenbetrieb ist. Bei der Umwälzpumpe handelt es sich typischerweise um eine Kreiselpumpe.
Dabei besteht die Möglichkeit eines unmittelbaren Vergleichs, bei dem die gemessene physikalische Pumpenbetriebsgröße unmittelbar gegen eine entsprechende Referenzgröße verglichen wird. Ein mittelbarer Vergleich umfasst Ausführungsbeispiele, gemäß denen die Messgröße zunächst weiter verarbeitet und wenigstens eine daraus abgeleitete Größe gegen eine passende Referenzgröße verglichen wird. Als geeignete Pumpenbetriebsgröße eignet sich jede physikalische Größe, die eine Charakterisierung des Pumpenverhaltens, d.h. der Geräuschemission zulässt. In der Einleitung wurden bereits negative Effekte aufgezeigt, die zu einer unvorhersehbaren Zunahme der Geräuschemission führen können, insbesondere das Aufeinanderfallen der Eigenfrequenz des Systems aus Pumpe und Rohrleitung mit der Betriebsschwin- gung der Pumpe. Besonders geeignet sind demzufolge physikalische Größen, die eine Aussage hinsichtlich der Betriebsschwingung der Pumpe zulassen. Als konkretes Beispiel wird die Bestimmung eines Beschleunigungswertes vorgeschlagen, insbesondere die Beschleunigung des geförderten Fördermediums und/oder die Beschleunigung des angetriebenen Pumpenlaufrades und/oder die Beschleunigung des Pumpengehäuses. Der Beschleunigungswert sollte in möglichst unmittelbarer Nähe zum Laufrad erfasst werden. Messbar sind die Beschleunigungswerte mittels eines integrierten Beschleuni- gungssensors der Umwälzpumpe, der vorzugsweise am Pumpengehäuse in unmittelbarer Nähe zum Laufrad sitzt.
Die messtechnische Erfassung der verwendeten physikalischen Pumpenbetriebsgröße kann entweder kontinuierlich während des Pumpenbetriebs erfolgen oder aber jedoch auf ein definierbares Messintervall beschränkt sein, gegebenenfalls mit Messwiederholungen in zufälligen oder periodischen Abständen.
Bei einer Abweichung der gemessenen Pumpenbetriebsgröße von einem entsprechenden zugeordneten Referenzwert, insbesondere um einen definierbaren Betrag, kann die Pumpensteuerung eine visuelle und/oder akustische Signalisierung vornehmen, um den Endverbraucher oder Monteur auf die Problematik der Einbauvariante hinzuweisen, idealerweise in Kombination mit einem Vorschlag für eine alternative bessere Einbauvariante. Denkbar ist es auch, dass der erfasste Wert der Pumpenbetriebsgröße zunächst weiter verarbeitet wird. Insbesondere ist es vorstellbar, dass anhand der gemessenen physikalischen Pumpenbetriebsgröße das Schwingungsverhalten der physikalischen Betriebsgröße ermittelt wird. Dazu ist es notwendig, dass die Pumpenbetriebsgröße über einen bestimmten Zeitraum erfasst wurde, um letztendlich auf das Schwingungsverhal- ten der Größe schließen zu können. Das Schwingungsverhalten wird bspw. mittels Fast Fourier Transformation (FFT) aus dem Zeitverlauf des gemessenen Beschleunigungswertes gewonnen.
Vorstellbar ist es in diesem Zusammenhang ebenfalls, dass wenigstens eine, das ermit- telte Schwingungsverhalten charakterisierende Größe gegen einen passenden, in der Pumpensteuerung hinterlegten Referenzwert der charakteristischen Größe verglichen wird, um die Bewertung der Einbauvariante vorzunehmen. Als charakterisierende Größe wird sinnvollerweise die Amplitude und/oder die Frequenz der ermittelten Schwingung vorgeschlagen. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Schwingungsamplitude gegen eine Referenzamplitude verglichen wird und eine Signalisierung hinsichtlich der nicht optimalen Einbauvariante an den Endverbrau- eher dann erfolgt, falls die erfasste Amplitude um einen bestimmten Betrag höher ist als die Referenzamplitude.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können der oder die Referenzwerte abhängig vom aktuellen Betriebspunkt der Pumpe sein. Der aktuelle Be- triebspunkt einer Umwälzpumpe ist durch den Schnittpunkt zwischen Anlagenkennlinie und Regelkennlinie der Pumpe definiert. Da die Geräuschentwicklung der Pumpe maßgeblich vom gewählten Betriebspunkt abhängt, wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vorgeschlagen, für eine Vielzahl an Betriebspunkten zugeordnete individuelle Referenzwerte zu definieren und in der Pumpensteuerung bereitzuhal- ten. Die Pumpensteuerung wählt dann in Abhängigkeit des aktuellen eingeregelten Betriebspunktes den passenden Referenzwert aus und vergleicht aktuelle Messwerte mittelbar oder unmittelbar mit dem ausgewählten Referenzwert.
Ein oder mehrere geeignete Referenzwerte werden im Vorfeld, idealerweise während der Pumpenentwicklung, erzeugt. Eine Referenzpumpe wird dazu innerhalb eines Testfeldes in unterschiedlichen Einbauvarianten eingesetzt. Für jede Einbauvariante wird die Referenzgröße für unterschiedliche Betriebspunkte gemessen und gespeichert. Im Nachgang werden die Referenzwerte derjenigen Einbauvariante als finale Referenzwerte ausgewählt, die im Prüfstand die geringste Geräuschemission zeigen.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die vorliegende Aufgabe auch durch eine Umwälzpumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, mit einem drehzahlvariablen Pumpenantrieb und einer Pumpensteuerung gelöst, die zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Demzufolge ergeben sich für die Umwälzpumpe dieselben Vorteile und Eigenschaften wie sie bereits im Vorfeld an- hand des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich dargelegt werden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet. Bei der Umwälzpumpe handelt es sich typischerweise um eine Kreiselpumpe. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Pumpe vorzugsweise wenigstens einen Beschleunigungssensor umfassen, denkbar ist auch ein anderweitiger Sensor, der eine mittelbare Erfassung des Beschleunigungswertes gestattet.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung der Einbausituation einer Umwälzpumpe und
Figur 2: ein Signaldiagramm des erfassten Beschleunigungswertes.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Erkennen einer ungünstigen Einbauvariante einer Heizungsumwälzpumpe 10. Dieses Verfahren wird in die Pumpensteuerung implementiert und setzt voraus, dass die Pumpe 10 über einen Beschleunigungssensor 1 1 verfügt, der die Beschleunigung des Pumpengehäuses möglichst nahe am Pumpenlaufrad erfasst. Der Pumpenaufbau ist schematisch in Figur 1 angedeutet.
Ferner zeigt die Figur 1 schematisch die Anbindung der Umwälzpumpe 10 an einer Gebäudewand 1 . Die Einbausteile ist hier als Feder-Dämpfer-System 12 dargestellt. Die Art des Einbaus hat einen Einfluss auf die Steifigkeits- und Dämpferparameter und ver- ändert dadurch die Eigenfrequenz sowie die zugehörige Amplitude.
Die eigentliche Umsetzung des Verfahrens basiert auf zwei vorbereitenden Schritten. Im ersten Vorbereitungsschritt wird eine optimale Einbauvariante definiert. Dafür werden während der Entwicklungsphase unterschiedliche Einbauvarianten im Prüffeld um- gesetzt und jeweils das Schwingungsverhalten und die Akustik in mehreren Betriebspunkten erfasst. Im zweiten Vorbereitungsschritt wird anhand der Messdaten eine der Varianten als optimal bewertet. Für diese Variante werden die vom Beschleunigungssensor 1 1 detektier- ten charakteristischen Werte zur Beschreibung des Schwingungszustandes (zum Beispiel Amplitude, Frequenz) bei mehreren Betriebspunkten in einer Matrix hinterlegt. Der Schwingungszustand, d.h. das Amplitude-Frequenz-Diagramm des Schwingungsverhaltens, wird mittels Fast Fourier Transformation aus dem Zeitverlauf des gemessenen Beschleunigungswertes gewonnen.
Diese Daten werden letztendlich im lokalen Speicher der Pumpensteuerung implemen- tiert. Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt dann während des Pumpenbetriebs. Die Pumpe 1 0 erfasst mit ihrem Beschleunigungssensor 1 1 die Beschleunigung des Pumpengehäuses über die Zeit. Mittels Fast Fourier Transformation werden die charakteristischen Schwingungswerte bestimmt und mit den zuvor als optimal detektierten Referenzwerten verglichen. Falls die Schwingungsamplitude im Pro- zess deutlich höher ist als die zuvor als optimal detektierte Amplitude, wird die Pumpe 10 dies erkennen und dem Anwender mitteilen. Diese Information kann der Anwender dann nutzen, um die Einbauvariante der Pumpe 10 gegebenenfalls zu optimieren.
Ein Beispiel für das Schwingungsverhalten unterschiedlicher Einbauvarianten ist in Fi- gur 2 dargestellt, die das mittels FFT aus dem Signalverlauf des Beschleunigungssensors 1 1 ermittelte Frequenz-Amplituden-Diagramm für zwei unterschiedliche Einbauvarianten zeigt. Einbauvariante 2 zeigt bei bestimmten Frequenzen eine deutlich geringere Schwingungsamplitude als Einbauvariante 1 . Hier ist der Einfluss der in Figur 1 dargestellten Steifigkeits- und Dämpferparameter der jeweiligen Einbauvariante (gemäß Figur 1 ) auf den Frequenzgang des im Betrieb vom Beschleunigungssensor erfassten Messwertes zu erkennen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb einer drehzahlvariablen Umwälzpumpe sowie Umwälzpumpe
Verfahrensausführung
Verfahren zum Betrieb einer drehzahlvariablen Umwälzpumpe, insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung wenigstens eine physikalische Pumpenbetriebsgröße sensorisch erfasst und unmittelbar oder mittelbar gegen wenigstens einen hinterlegten Referenzwert vergleicht, um die Einbauposition der Pumpe zu bewerten.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der physikalischen Betriebsgröße um die erfahrene Beschleunigung des geförderten Fördermediums und/oder des angetriebenen Pumpenlaufrades und/oder des Pumpengehäuses handelt, wobei die Beschleunigung idealerweise mittels wenigstens eines integrierten Beschleunigungssensors der Umwälzpumpe während des Pumpenbetriebs erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Pumpenbetriebsgröße kontinuierlich oder periodisch oder innerhalb eines definierbaren Messintervalls erfasst wird. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der gemessenen Pumpenbetriebsgröße von dem wenigstens einen Referenzwert eine visuelle oder akustische Signalisierung durch die Pumpensteuerung erfolgt, um den Nutzer auf eine nicht optimale Einbauposition hinzuweisen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung aus der gemessenen physikalischen Pumpenbetriebsgröße das Schwingungsverhalten der physikalischen Pumpenbetriebsgröße ermittelt, insbesondere mittels Fast Fourier Transformation.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine das Schwingungsverhalten charakterisierende Größe gegen einen entsprechenden, in der Pumpensteuerung hinterlegten Referenzwert der charakteristischen Größe für die Bewertung der Einbauposition verglichen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der die Schwingung charakterisierenden Größe um die Amplitude und/oder Frequenz der Schwingung handelt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsamplitude gegen eine Referenzamplitude verglichen wird und eine Signalisierung erfolgt, falls die erfasste Amplitude um einen bestimmten Betrag höher ist als die Referenzamplitude.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Referenzwerte abhängig vom aktuellen Betriebspunkt der Pumpe sind und in der Pumpensteuerung für eine Vielzahl an Betriebspunkten zugeordnete individuelle Referenzwerte bereitgehalten werden, wobei die Pumpensteuerung in Abhängigkeit des aktuellen Betriebspunktes den passenden Referenzwert für den Abgleich mit dem Messwert heranzieht.
10. Umwälzpumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe, mit einem drehzahlvariablen Pumpenantrieb und einer Pumpensteuerung zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpe vorzugsweise wenigstens einen Beschleunigungssensor umfasst.
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