WO2023006270A1 - Hochdruckplungerpumpe und verwendung einer hochdruckplungerpumpe - Google Patents

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Helmig BURKHARD
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Hammelmann GmbH
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    • F04B2203/00—Motor parameters
    • F04B2203/12—Motor parameters of rotating hydraulic motors

Definitions

  • the present invention relates to a high-pressure plunger pump according to the preamble of claim 1 and the use of such a high-pressure plunger pump.
  • a generic high-pressure plunger pump is known, for example, from DE 102016 124422 A1.
  • the high-pressure plunger pump has one or more plungers that can be driven in an oscillating manner, each of the plungers sucking in a liquid volume into a working chamber of the plunger pump via a control valve designed as a suction valve and delivering it under high pressure through an outlet valve.
  • the plunger is driven by a drive device that can be driven by a drive shaft, for example an electric motor.
  • the object of the present invention is to adapt a generic high-pressure plunger pump for a further field of application.
  • the high-pressure plunger pump according to the invention has at least one plunger arrangement with a working chamber and a plunger arranged in the working chamber so that it can be moved back and forth axially.
  • the high-pressure plunger pump also has at least one first control valve and at least one second control valve, the two control valves being connected to a valve housing with at least one high-pressure line and at least one low-pressure line.
  • the high-pressure line is connected to the work space in a lockable manner by the first control valve.
  • the low-pressure line is closably connected to the working chamber by the second control valve.
  • the valve housing has a high-pressure connection that opens into the high-pressure line.
  • the at least one first control valve and the at least one second control valve can be actuated via a control unit in such a way that a fluid under high pressure that is supplied via the high-pressure connection of the valve housing can be supplied to the working chamber and via a low-pressure connection of the at least one second control valve after driving the Plungers can be discharged, where at least one plunger is coupled via a drive shaft to a generator.
  • control valves as separately controllable control valves via the control unit creates the possibility of using the high-pressure plunger pump for energy recovery.
  • control of the control valves according to the invention can be used to virtually reverse the working of the high-pressure plunger pump, so that a high-pressure fluid can be guided via the high-pressure line into the working chamber of the high-pressure plunger pump, thereby affecting the at least one plunger drives, which in turn is coupled via a drive shaft to a generator, via which at least part of the relaxation energy that occurs during pressure-reducing processes can be recovered.
  • At least three, in particular five special plunger assemblies are provided, each with a plunger, where a first control valve and a second control valve is assigned to each of the plungers.
  • the arrangement of at least three plunger arrangements with separately controllable control valves enables simple and reliable operation of the high-pressure plunger pump for driving the generator.
  • the at least one first control valve and the at least one second control valve can be operated in a controllable manner by the control unit both as an inlet valve and as an outlet valve.
  • the generator can preferably also be operated as a motor.
  • the high-pressure plunger pump for example, in a pressure control system, in which the high-pressure plunger pump generates the necessary working pressure in the working fluid and makes a process structure available and, secondly, is able to absorb excess high pressure of the process structure again and thereby converts the relaxation energy into electrical energy , instead of dissipating the relaxation energy to the outside unused via a drain valve.
  • control valves can be actuated pneumatically, electrically or hydraulically.
  • control unit is coupled to one or more sensors which provide one or more operating parameter data of the high-pressure plunger pump, in particular the rotational position of the drive shaft, a pressure of a fluid in the high-pressure line and/or the low-pressure line.
  • control unit has at least one data interface for acquiring external operating parameter data, in particular of a process structure connected upstream of the high-pressure plunger pump.
  • Such external operating parameter data can be, for example, the system pressure of the upstream process.
  • the high-pressure plunger pump has a second plunger arrangement with a working chamber and a plunger arranged in the working chamber so that it can be moved back and forth axially, as well as at least one pressure valve and at least one suction valve, which is mounted on a valve housing with at least one high-pressure line and at least one low-pressure line are connected.
  • the high-pressure line is closably connected to the working chamber through the pressure valve and the low-pressure line through the suction valve, the at least one plunger being coupled to a third drive shaft via a second drive shaft, the third drive shaft also being coupled to the first drive shaft.
  • This design of the high-pressure plunger pump enables the pressure of the working fluid to be increased during use by the second plunger arrangement, with the energy for driving the plungers of the second plunger arrangement being taken at least partially or completely by the expansion of the working fluid that is introduced into the first plunger arrangement and is under high pressure which drives the first drive shaft and can be transmitted to the second drive shaft by coupling via the third drive shaft.
  • the fluid is supplied at the predetermined high pressure via the high-pressure line and the control valves are controlled via the control unit in such a way that the drive shaft is driven by at least one plunger, with the drive shaft being coupled to a generator to generate electricity.
  • the high-pressure plunger pump is coupled to the process structure in such a way that the high-pressure plunger pump is supplied with the fluid via the high-pressure line at a high pressure predetermined by the hydraulic process structure and the control valves are controlled via the control unit such that the drive shaft is driven by the at least one plunger, the drive shaft being coupled to a generator to generate electricity.
  • Such use serves, for example, as a substitute for a Mathettaven til, with such a pressure relief valve, the excess high pressure is discharged unused to the environment, while using the high-pressure plunger pump, this excess pressure is used via the high-pressure plunger pump for energy recovery.
  • FIG. 1 shows a schematic isometric representation of an energy recovery arrangement with a high-pressure plunger pump
  • FIG. 2 shows an isometric representation of a plunger arrangement with a valve housing arranged thereon with separately controllable control valves
  • FIG. 3 shows a sectional view through a plunger arrangement
  • FIG. 4 shows a schematic isometric representation of a further embodiment variant of a high-pressure plunger pump
  • FIG. 5 shows a sectional view through the plunger arrangement of the high-pressure plunger pump shown in FIG.
  • top, bottom, left, right, front, rear, etc. refer exclusively to the exemplary representation and position of the high-pressure plunger pump, plunger, working chamber, valve housing, control valve, generator and the like selected in the respective figures. These terms are not to be understood as limiting, i.e. these references can change due to different working positions or the mirror-symmetrical design or the like.
  • reference numeral 1 designates an embodiment variant of an energy recovery arrangement.
  • the central component of this energy recovery arrangement 1 is a high-pressure plunger pump 2, which is coupled to a generator 11 via a first drive shaft, preferably with a clutch 12 being interposed.
  • a frame 13 of the energy recovery arrangement 1 serves to fix the high-pressure plunger pump 2, the clutch 12 and the generator 11.
  • the high-pressure plunger pump 2 has five plunger assemblies 3, each with a working chamber 31 and a plunger 32 arranged to be axially movable back and forth in the working chamber 31, as is shown by way of example in the sectional illustration in FIG.
  • a first control valve 5 and a second control valve 6 is provided, which are connected to a valve housing 4 with being.
  • the valve housing 4 has a high-pressure line 41 for each of the first control valves 5 and a low-pressure line 42 for each of the second control valves.
  • the high-pressure line 41 and the low-pressure line 42 are connected at their end remote from the respective control valve 5, 6 to the working chamber 31 of the plunger arrangement 3.
  • the valve housing 4 also has a high-pressure connection 43 which opens into the high-pressure line(s) 41 and is used to supply or drain off a fluid that is under high pressure.
  • Another fluid port 61 is provided on each of the second control valves 6, as shown in Figures 1-3.
  • the at least one first control valve 5 and the at least one second control valve 6 can be actuated via a control unit 7 in such a way that a fluid under high pressure that is supplied via the high-pressure connection 43 of the valve housing 4 can be supplied to the working chamber 31 and via a low-pressure connection 61 of the at least one second control valve 6 after Antrei ben of the plunger 32 can be discharged.
  • the at least one plunger 32 is coupled to a generator 11 via the drive shaft 9, as explained above.
  • the high-pressure plunger pump 2 is also characterized in that the control valves 5, 6 can be operated by the control unit 7 both as an inlet valve and as an outlet valve.
  • control valves 5, 6 are preferably pneumatically controlled. Controlling the control valves 5, 6 with the aid of an electric or hydraulic drive is also conceivable.
  • control unit 7 is preferably coupled to one or more sensors, each of which measures one or more operating parameters of the high-pressure plunger pump 2, in particular the rotational position of the drive shaft 9, a pressure of a fluid in the high-pressure line 41 and/or the low-pressure line 42 provide.
  • control unit 7 also has at least one data interface for recording external operating parameter data.
  • external operating parameter data are data from a process structure connected upstream of the high-pressure plunger pump 2 . If the expansion of a pressurized fluid is necessary in such a process structure, the pressurized fluid can be supplied to the braided pressure plunger pump 2 via the high-pressure connection 43 .
  • a sensor in the upstream process structure emits a signal to the control unit 7, which then opens the control valve 5, so that the fluid under pressure passes through the high-pressure line 41 into the working chamber 31 of the plunger 32 and there the plunger 32 from a compression position into an expansion position.
  • the first drive shaft which is coupled to the generator 11, is rotated so that the introduction of the high-pressure fluid into the working chamber 31 of the plunger assembly 3 generates electricity and thus causes energy recovery in the generator.
  • the high-pressure plunger pump 2 In a first use of the high-pressure plunger pump 2 for pressure control in a hydraulic process structure, the high-pressure plunger pump is coupled to the process structure in such a way that in pumping operation, i.e. with classic use of the high-pressure plunger pump 2, the high-pressure plunger pump 2 supplies the process structure with a fluid at a predetermined high pressure.
  • control valves 5, 6 takes place in this manner, which is known per se, with the first control valves being connected as outlet valves and the control valves 6 as inlet valves during pumping operation.
  • control valves 5, 6 of the braided pressure plunger pump 2 are switched over to an energy recovery mode in which the braided pressure plunger pump 2 acts as a kind of motor.
  • the high-pressure fluid with the predetermined Floch pressure is routed via the Floch pressure connection 43 and the Floch pressure line 41 when the first control valve 5 is open into the working chamber 31 of the plunger arrangement 3.
  • the braided pressure plunger pump 2 serves as an expansion valve, in particular as an overpressure valve.
  • the Floch pressure plunger pump 2 is inserted here as an expansion valve, so to speak, in an upstream process structure, so that a Floch pressure to be derived is conducted into the Floch pressure plunger pump 2 in the manner previously described as motor operation of the Floch pressure plunger pump 2, which via the plunger or plungers 32 and the drive shaft 9 an energy recovery voltage by power generation in the generator 11 causes.
  • a Floch pressure to be derived is conducted into the Floch pressure plunger pump 2 in the manner previously described as motor operation of the Floch pressure plunger pump 2, which via the plunger or plungers 32 and the drive shaft 9 an energy recovery voltage by power generation in the generator 11 causes.
  • the further embodiment variant of a high-pressure plunger pump according to the invention shown in FIGS. 4 and 5 has, in addition to the first plunger arrangement 3, a second plunger arrangement 300 with a working chamber 310 and at least one plunger 320 arranged in the working chamber 310 so that it can be moved back and forth axially.
  • plungers 320 are preferably provided.
  • a pressure valve 500 and a suction valve 600 are provided for each plunger, which are connected to a valve housing 400 with a high-pressure line 410 and a low-pressure line 420 .
  • the high-pressure line 410 is connected to the working chamber 310 in a closable manner by the pressure valve 500 and the low-pressure line 420 is connected to the working chamber 310 by the suction valve 600 .
  • the at least one plunger 320 is coupled to a third drive shaft 9 via a second drive shaft, with the third drive shaft 9 also being coupled to the first drive shaft.
  • the third drive shaft 9 is preferably designed as a pinion shaft.
  • the first and second drive shaft is preferably designed as a crankshaft.
  • an arrangement of the plunger arrangements 3, 300 one behind the other is also conceivable, for example.
  • the second plunger arrangement 300 and the associated valves serve here exclusively to increase the pressure of a working fluid, so that this area of the high-pressure plunger pump works as a pump, with the working fluid that is under high pressure being available at a high-pressure connection 430 shown as an example in Figure 4.
  • the working fluid is introduced into the high-pressure plunger pump via a low-pressure connection 700 .
  • the energy required for the operation of this area is provided partially or even completely via the coupling of the three drive shafts through the other area of the high-pressure plunger pump with the first plunger arrangement and the control valves associated therewith.

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Abstract

Eine Hochdruckplungerpumpe (2) weist mindestens eine Plungeranordnung (3) mit einem Arbeitsraum (31) und einem in dem Arbeitsraum (31) axial hin und her bewegbar angeordneten Plunger (32), mindestens ein erstes Steuerventil (5) und mindestens ein zweites Steuerventil (6), die an einem Ventilgehäuse (4) mit wenigstens einer Hochdruckleitung (41) und wenigstens einer Niederdruckleitung (42) angeschlossen sind, wobei die Hochdruckleitung (41) durch das erste Steuerventil (5) und die Niederdruckleitung (42) durch das zweite Steuerventil (6) verschließbar mit dem Arbeitsraum (31) verbunden sind, wobei das Ventilgehäuse (4) einen in die Hochdruckleitung (41) mündenden Hochdruckanschluss (43) aufweist, wobei das mindestens eine erste Steuerventil (5) und das mindestens eine zweite Steuerventil (6) über eine Steuereinheit (7) derart ansteuerbar sind, dass ein über den Hochdruckanschluss (43) des Ventilgehäuses (4) zugeführtes, unter Hochdruck stehendes Fluid dem Arbeitsraum (31) zuführbar und über einen Niederdruckanschluss (61) des wenigstens einen Saugventil (6) nach Antreiben des Plungers (32) abführbar ist, wobei der mindestens eine Plunger (32) über eine Antriebswelle mit einem Generator (11) gekoppelt ist.

Description

Hochdruckplungerpumpe und Verwendung einer Hochdruckplungerpumpe
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckplungerpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die Verwendung einer solchen Hochdruckp lungerpumpe.
Eine gattungsgemäße Hochdruckplungerpumpe ist beispielsweise aus der DE 102016 124422 A1 bekannt.
Gattungsgemäße Hochdruckplungerpumpen dienen der Erzeugung von Ar beitsdrücken von bis zu 4000 bar. Dazu weist die Hochdruckplungerpumpe ei nen oder mehrere oszillierend antreibbare Plunger auf, wobei jeder der Plunger über ein als Säugventil ausgeführtes Steuerventil ein Flüssigkeitsvolumen in einen Arbeitsraum der Plungerpumpe einsaugt und unter Hochdruck durch ein Auslassventil abgibt. Der Plunger wird dabei über durch eine Antriebseinrich tung antreibbare Antriebswelle angetrieben, beispielsweise über einen Elektro motor.
Derartige Hochdruckplungerpumpen haben sich in der Praxis bewährt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Hochdruckp lungerpumpe für ein weiteres Einsatzgebiet anzupassen.
Diese Aufgabe wird durch eine Hochdruckplungerpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Hochdruckplungerpumpe weist mindestens eine Plunger anordnung mit einem Arbeitsraum und einem in dem Arbeitsraum axial hin und her bewegbar angeordneten Plunger auf.
Die Hochdruckplungerpumpe weist des Weiteren mindestens ein erstes Steuer ventil und mindestens ein zweites Steuerventil auf, wobei die beiden Steuerventi le an einem Ventilgehäuse mit wenigstens einer Hochdruckleitung und wenigs tens einer Niederdruckleitung angeschlossen sind. Die Hochdruckleitung ist durch das erste Steuerventil verschließbar mit dem Ar beitsraum verbunden. Die Niederdruckleitung ist durch das zweite Steuerventil verschließbar mit dem Arbeitsraum verbunden. Das Ventilgehäuse weist einen in die Hochdruckleitung mündenden Hochdruckanschluss auf.
Das mindestens eine erste Steuerventil und das mindestens eine zweite Steuer ventil sind über eine Steuereinheit derart ansteuerbar, dass ein über den Hoch druckanschluss des Ventilgehäuses zugeführtes, unter Hochdruck stehendes Flu id dem Arbeitsraum zuführbar und über einen Niederdruckanschluss des wenigs tens einen zweiten Steuerventils nach Antreiben des Plungers abführbar ist, wo bei der mindestens eine Plunger über eine Antriebswelle mit einem Generator gekoppelt ist.
Mit der erfindungsgemäßen Hochdruckplungerpumpe ist durch die Ausgestaltung der Steuerventile als separat steuerbare Steuerventile über die Steuereinheit die Möglichkeit geschaffen, die Hochdruckplungerpumpe zur Energierückgewinnung zu nutzen.
Anstelle oder zusätzlich zur Bereitstellung eines unter Hochdruck stehenden Flui des kann durch die erfindungsgemäße Steuerung der Steuerventile die Arbeits weise der Hochdruckplungerpumpe quasi umgekehrt werden, so dass ein unter Hochdruck stehendes Fluid über die Hochdruckleitung in den Arbeitsraum der Hochdruckplungerpumpe führbar ist und dabei den mindestens einen Plunger an treibt, der seinerseits über eine Antriebswelle mit einem Generator gekoppelt ist, über den zumindest ein Teil der Entspannungsenergie, die bei druckabbauenden Prozessen entsteht, zurückgewonnen werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante sind wenigstens drei, insbe sondere fünf Plungeranordnungen vorgesehen, mit jeweils einem Plunger, wo bei jedem der Plunger ein erstes Steuerventil und ein zweites Steuerventil zu geordnet ist.
Die Anordnung von wenigstens drei Plungeranordnungen mit separat steuerba ren Steuerventilen ermöglicht einen einfachen und zuverlässigen Betrieb der Hochdruckplungerpumpe zum Antrieb des Generators. Gemäß einerweiteren Ausführungsvariante sind das mindestens eine erste Steuerventil und das mindestens eine zweite Steuerventil durch die Steuerein heit regelbar sowohl als Einlassventil als auch als Auslassventil betreibbar. Der Generator ist dabei bevorzugt auch als Motor betreibbar.
Dies ermöglicht den Einsatz der Hochdruckplungerpumpe beispielsweise in ei ner Druckregelungsanlage, bei der die Hochdruckplungerpumpe einerseits den notwendigen Arbeitsdruck in dem Arbeitsfluid erzeugt und einen Prozessaufbau zur Verfügung stellt und zum zweiten überschüssigen Hochdruck des Pro- zessaufbaus wieder aufzunehmen vermag und dabei die Entspannungsenergie in elektrische Energie umwandelt, anstelle über ein Ablassventil die Entspan nungsenergie ungenutzt nach außen abzuleiten.
Die Steuerventile sind gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante pneuma tisch, elektrisch oder auch hydraulisch ansteuerbar.
Die Steuereinheit ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante mit einem oder mehreren Sensoren gekoppelt, der oder die jeweils einen oder mehrere Betriebsparameterdaten der Hochdruckplungerpumpe, insbesondere der Dreh stellung der Antriebswelle, eines Druckes eines Fluids in der Hochdruckleitung und/oder der Niederdruckleitung bereitstellt bzw. bereitstellen.
Durch Zurverfügungstellen dieser Betriebsparameter ist eine verbesserte Steu erung der Steuerventile durch die Steuereinheit gewährleistet.
Die Steuereinheit weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wenigs tens eine Datenschnittstelle zur Erfassung externer Betriebsparameterdaten, insbesondere eines der Hochdruckplungerpumpe vorgeschalteten Prozessauf- baus auf.
Solche externen Betriebsparameterdaten können beispielsweise der System druck des vorgeschalteten Prozesses sein.
Gemäß einerweiteren Ausführungsvariante der Hochdruckplungerpumpe weist diese eine zweite Plungeranordnung mit einem Arbeitsraum und einem in dem Arbeitsraum axial hin und her bewegbar angeordneten Plunger auf sowie min destens ein Druckventil und mindestens ein Säugventil, die an einem Ventilge häuse mit wenigstens einer Hochdruckleitung und wenigstens einer Nieder druckleitung angeschlossen sind. Die Hochdruckleitung ist durch das Druckventil und die Niederdruckleitung durch das Säugventil verschließbar mit dem Arbeitsraum verbunden, wobei der mindestens eine Plunger über eine zweite Antriebswelle mit einer dritten An triebswelle gekoppelt ist, wobei die dritte Antriebswelle auch mit der ersten An triebswelle gekoppelt ist.
Dieser Aufbau der Hochdruckplungerpumpe ermöglicht im Einsatz zum einen eine Druckerhöhung des Arbeitsfluides durch die zweite Plungeranordnung, wobei die Energie für den Antrieb der Plunger der zweiten Plungeranordnung zumindest teilweise oder vollständig durch die Expansion des in die erste Plun geranordnung eingeleiteten, unter Hochdruck stehendem Arbeitsfluid entnehm bar ist, die die erste Antriebswelle antreibt und durch Kopplung über die dritte Antriebswelle auf die zweite Antriebswelle übertragbar ist.
Die erfindungsgemäße Verwendung einer Hochdruckplungerpumpe zur Druck regelung in einem hydraulischen Prozessaufbau zeichnet sich dadurch aus, dass die Hochdruckplungerpumpe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei die Hochdruckplungerpumpe derart mit dem Prozessauf bau gekoppelt ist, dass im Pumpbetrieb die Hochdruckplungerpumpe dem Pro zessaufbau ein Fluid mit einem vorbestimmten Hochdruck zuführt, wobei die Steuerventile über die Steuereinheit so gesteuert sind, dass der wenigstens ei ne Plunger durch eine motorbetriebene Antriebswelle angetrieben wird.
Im Motorbetrieb der Hochdruckplungerpumpe wird das Fluid mit dem vorbe stimmten Hochdruck über die Hochdruckleitung zugeführt und die Steuerventile über die Steuereinheit so gesteuert sind, dass die Antriebswelle durch den we nigstens einen Plunger angetrieben wird, wobei die Antriebswelle zur Stromer zeugung mit einem Generator gekoppelt ist.
In einerweiteren Verwendung einer Hochdruckplungerpumpe zur Druckrege lung in einem hydraulischen Prozessaufbau, bei dem die Hochdruckplunger pumpe wie oben beschrieben ausgebildet ist, ist die Hochdruckplungerpumpe derart mit dem Prozessaufbau gekoppelt, dass der Hochdruckplungerpumpe das Fluid mit einem durch den hydraulischen Prozessaufbau vorbestimmten Hochdruck über die Hochdruckleitung zugeführt und die Steuerventile über die Steuereinheit so gesteuert sind, dass die Antriebswelle durch den wenigstens einen Plunger angetrieben wird, wobei die Antriebswelle zur Stromerzeugung mit einem Generator gekoppelt ist. Eine solche Verwendung dient beispielsweise als Ersatz für ein Überdruckven til, wobei bei einem solchen Überdruckventil der überschüssige Hochdruck un genutzt an die Umgebung abgegeben wird, während durch die Verwendung der Hochdruckplungerpumpe dieser Überdruck über die Hochdruckplungerpumpe zur Energierückgewinnung genutzt wird.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der beiliegen den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische isometrische Darstellung einer Energierück gewinnungsanordnung mit einer Hochdruckplungerpumpe,
Figur 2 eine isometrische Darstellung einer Plungeranordnung mit da ran angeordnetem Ventilgehäuse mit separat steuerbaren Steuerventilen,
Figur 3 eine Schnittansicht durch eine Plungeranordnung,
Figur 4 eine schematische isometrische Darstellung einer weiteren Aus führungsvariante einer Hochdruckplungerpumpe und
Figur 5 eine Schnittansicht durch die Plungeranordnung der in Figur 4 dargestellten Hochdruckplungerpumpe.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Hochdruckplun gerpumpe, Plunger, Arbeitsraum, Ventilgehäuse, Steuerventil, Generator und dergleichen. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, d.h., durch verschiedene Arbeitsstellungen oder die spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.
In Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 insgesamt eine Ausführungsvariante einer Energierückgewinnungsanordnung bezeichnet.
Zentraler Bestandteil dieser Energierückgewinnungsanordnung 1 ist eine Hochdruckplungerpumpe 2, die über eine erste Antriebswelle mit einem Gene rator 11 gekoppelt ist, bevorzugt unter Zwischenschaltung einer Kupplung 12. Ein Rahmen 13 der Energierückgewinnungsanordnung 1 dient der Fixierung der Hochdruckplungerpumpe 2, der Kupplung 12 und des Generators 11.
Die Hochdruckplungerpumpe 2 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel fünf Plungeranordnungen 3 auf, mit einem jeweiligen Arbeitsraum 31 und einem in dem Arbeitsraum 31 axial hin und her bewegbar angeordneten Plunger 32, wie es in der Schnittdarstellung in Figur 3 beispielhaft dargestellt ist.
Denkbar ist prinzipiell auch eine Hochdruckplungerpumpe 2 mit nur einer sol chen Plungeranordnung 3.
Für jede der Plungeranordnungen 3 ist jeweils ein erstes Steuerventil 5 und ein zweites Steuerventil 6 vorgesehen, die an einem Ventilgehäuse 4 mit ange schlossen sind.
Das Ventilgehäuse 4 weist dabei für jedes der ersten Steuerventile 5 eine Hochdruckleitung 41 auf und für jedes der zweiten Steuerventile eine Nieder druckleitung 42 auf.
Die Hochdruckleitung 41 und die Niederdruckleitung 42 sind an ihrem von dem jeweiligen Steuerventil 5, 6 entfernten Ende mit dem Arbeitsraum 31 der Plun geranordnung 3 verbunden.
Das Ventilgehäuse 4 weist des Weiteren einen in die Hochdruckleitung(en) 41 mündenden Hochdruckanschluss 43 auf, der der Zuleitung oder Ableitung ei nes unter Hochdruck stehenden Fluides dient.
Ein weiterer Fluidanschluss 61 ist an jedem der zweiten Steuerventile 6 vorge sehen, wie es in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist.
Das mindestens eine erste Steuerventil 5 und das mindestens eine zweite Steuerventil 6 sind über eine Steuereinheit 7 derart ansteuerbar, dass ein über den Hochdruckanschluss 43 des Ventilgehäuses 4 zugeführtes, unter Hoch druck stehendes Fluid dem Arbeitsraum 31 zuführbar und über einen Nieder druckanschluss 61 des wenigstens einen zweiten Steuerventils 6 nach Antrei ben des Plungers 32 abführbar ist.
Der mindestens eine Plunger 32 ist dabei über die Antriebswelle 9, wie zuvor erläutert, mit einem Generator 11 gekoppelt. Die Hochdruckplungerpumpe 2 zeichnet sich überdies dadurch aus, dass die Steuerventile 5, 6 durch die Steuereinheit 7 sowohl als Einlassventil als auch als Auslassventil betreibbar sind.
Dies ermöglicht den Betrieb der Hochdruckplungerpumpe 2 sowohl zur Ener gierückgewinnung als auch zur Bereitstellung eines unter Hochdruck stehen den Fluids.
Die Steuerventile 5, 6 sind dabei bevorzugt pneumatisch ansteuerbar. Denkbar ist auch eine Ansteuerung der Steuerventile 5, 6 mithilfe eines elektrischen oder hydraulischen Antriebs.
Die Ausstattung der Hochdruckplungerpumpe 2 mit sowohl als Einlassventil als auch als Auslassventil steuerbaren Steuerventilen 5, 6 ermöglicht damit die Nutzung einer Hochdruckplungerpumpe 2 zur Energierückgewinnung.
Eine solche Energierückgewinnung ist bisher für beispielsweise in Wasserkraft oder Pumpspeicherkraftwerken eingesetzten Turbinen bekannt oder auch für Axialkolbenmotoren, die in Meerwasser-Umkehrosmoseanlagen eingesetzt wird. Diese oben genannten Anwendungen finden üblicherweise in Druckberei chen von bis zu 100 bar statt.
Für den Einsatz bei höheren Drücken von über 200 bar sind derartige Pumpen systeme nicht einsetzbar.
Zur verbesserten Ansteuerung der Steuerventile 5, 6 ist die Steuereinheit 7 be vorzugt mit einem oder mehreren Sensoren gekoppelt, der oder die jeweils ei nen oder mehrere Betriebsparameter der Hochdruckplungerpumpe 2, insbe sondere der Drehstellung der Antriebswelle 9, eines Druckes eines Fluids in der Hochdruckleitung 41 und/oder der Niederdruckleitung 42 bereitstellen.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Steuereinheit 7 darüber hinaus wenigstens eine Datenschnittstelle zur Erfassung externer Betriebsparameter daten auf. Solche externen Betriebsparameterdaten sind dabei Daten eines der Hochdruckplungerpumpe 2 vorgeschalteten Prozessaufbaus. Sofern in einem solchen Prozessaufbau die Expansion eines druckbelasteten Fluides notwendig ist, kann das druckbelastete Fluid über den Hochdruckan- schluss 43 der Flochdruckplungerpumpe 2 zugeführt werden.
Ein Sensor in dem vorgeschalteten Prozessaufbau gibt dazu ein Signal an die Steuereinheit 7 aus, die sodann das Steuerventil 5 öffnet, so dass das unter Flochdruck stehende Fluid durch die Hochdruckleitung 41 in den Arbeitsraum 31 des Plungers 32 gelangt und dort den Plunger 32 aus einer Verdichtungs position in eine Expansionsposition drückt.
Damit einhergehend wird die erste Antriebswelle, die mit dem Generator 11 ge koppelt ist, rotatorisch bewegt, so dass die Einleitung des unter Hochdruck ste henden Fluids in den Arbeitsraum 31 der Plungeranordnung 3 eine Stromer zeugung und damit Energierückgewinnung im Generator bewirkt.
Durch die Anordnung eines Sensors beispielsweise an der ersten Antriebswelle ist die Ansteuerung der einzelnen Steuerventile 5, 6 über die Steuereinheit 7 weiter verbessert.
So kann bei einer Hochdruckplungerpumpe 2 mit mehreren Plungeranordnun gen 3 durch Erkennen der jeweiligen Drehstellung der Antriebswelle 9 ermittelt werden, welches der ersten Steuerventile 5 nach Auslösen eines Energierück gewinnungssignals zuerst geöffnet wird, um genau den einen der Plunger 32 der Anordnung von mehreren Plungeranordnungen 3 mit Druck zu beaufschla gen, der in einer der im Pumpbetrieb der optimalen Verdichtungsposition ent sprechenden Antriebsposition steht.
Für die Verwendung einer solchen Hochdruckplungerpumpe 2 werden nachfol gend zwei Einsatzzwecke erläutert.
In einer ersten Verwendung der Hochdruckplungerpumpe 2 zur Druckregelung in einem hydraulischen Prozessaufbau ist die Hochdruckplungerpumpe derart mit dem Prozessaufbau gekoppelt, dass im Pumpbetrieb, sprich bei klassischer Nutzung der Hochdruckplungerpumpe 2, die Hochdruckplungerpumpe 2 dem Prozessaufbau ein Fluid mit einem vorbestimmten Hochdruck zuführt.
Dies geschieht durch Antreiben der Plunger 32 durch den auch als Motor be treibbaren Generator 11 und eine diesen antreibende Energiequelle. Über den in diesem Fall als Einlass funktionierenden Niederdruckanschluss 61 des zweiten Steuerventils 6 wird ein unter Niederdruck stehendes Fluid in den Arbeitsraum 31 der Plungeranordnung 3 durch Verfahren des Plungers 32 aus einer Verdichtungsstellung in eine Expansionsstellung eingesaugt und bei an schließend durch den externen Motor 10 angetriebenen Plunger 32 zurück in die Verdrängerposition verdichtet und über die Flochdruckleitung 41 und den Flochdruckanschluss 43, in den die Flochdruckleitung 41 mündet, zum Pro zessaufbau weitergeleitet.
In dieser an sich bekannten Weise erfolgt die Abfolge eines Öffnens und Ver schließens der Steuerventile 5, 6, wobei im Pumpbetrieb die ersten Steuerven tile als Auslassventile und die Steuerventile 6 als Einlassventile geschaltet sind.
Muss aus dem hydraulischen Prozessaufbau Druck abgelassen werden, erfolgt eine Umschaltung der Steuerventile 5, 6 der Flochdruckplungerpumpe 2 in ei nen Energierückgewinnungsmodus, bei der die Flochdruckplungerpumpe 2 quasi als Motor wirkt.
In diesem Motorbetrieb der Flochdruckplungerpumpe 2 wird das unter Hoch- druck stehende Fluid mit dem vorbestimmten Flochdruck über den Flochdruck anschluss 43 und die Flochdruckleitung 41 bei geöffnetem ersten Steuerventil 5 in den Arbeitsraum 31 der Plungeranordnung 3 geleitet.
Dies bewirkt den Antrieb des Plungers 32, wobei diese Antriebsbewegung auf die erste Antriebswelle 9 übertragen wird, die ihrerseits durch die Kopplung mit dem Generator 11 eine Stromerzeugung in dem Generator 11 bewirkt.
In einer zweiten Verwendung der Flochdruckplungerpumpe 2 dient diese als Entspannungsventil, insbesondere als Überdruckventil.
Flier wird auf die Funktionsweise der Flochdruckplungerpumpe 2 als klassische Pumpe verzichtet.
Die Flochdruckplungerpumpe 2 wird hier sozusagen als Entspannungsventil in einen vorgeschalteten Prozessaufbau eingefügt, so dass ein abzuleitender Flochdruck in der zuvor als Motorbetrieb der Flochdruckplungerpumpe 2 be schriebenen Art und Weise in die Flochdruckplungerpumpe 2 geleitet wird, die über den oder die Plunger 32 und die Antriebswelle 9 eine Energierückgewin nung durch Stromerzeugung in dem Generator 11 bewirkt. Neben den oben bereits beschriebenen Eingangsparametern zur Steuerung der Steuereinheit 7 ist es auch denkbar, als Steuerparameter den Systemdruck des vorgeschalteten Prozesses oder den Eingangsdruck des Fluids bei Eintritt in den vorgeschalteten Prozess zu erfassen.
Denkbar ist auch, die Erfassung der Drehzahl der Antriebswelle 9, des Volu menstroms des Fluids in der Hochdruckleitung 41 oder der Niederdruckleitung 42 zu erfassen.
Die in den Figuren 4 und 5 gezeigten weiteren Ausführungsvariante einer erfin dungsgemäßen Hochdruckplungerpumpe weist neben der ersten Plunger anordnung 3 eine zweite Plungeranordnung 300 auf, mit einem Arbeitsraum 310 und wenigstens einem in dem Arbeitsraum 310 axial hin und her bewegbar angeordneten Plunger 320 auf.
Bevorzugt sind auch hier, wie in den Figuren 4 und 5 dargestellt, mehrere, ins besondere fünf Plunger 320 vorgesehen.
Je Plunger ist hier, wie in Figur 5 dargestellt, ein Druckventil 500 und ein Säug ventil 600 vorgesehen, die an einem Ventilgehäuse 400 mit einer Hochdrucklei tung 410 und einer Niederdruckleitung 420 angeschlossen sind.
Die Hochdruckleitung 410 ist durch das Druckventil 500 und die Niederdrucklei tung 420 ist durch das Säugventil 600 verschließbar mit dem Arbeitsraum 310 verbunden.
Der mindestens eine Plunger 320 ist dabei über eine zweite Antriebswelle mit einer dritten Antriebswelle 9 gekoppelt, wobei die dritte Antriebswelle 9 auch mit der ersten Antriebswelle gekoppelt ist.
Die dritte Antriebswelle 9 ist dabei bevorzugt als Ritzelwelle ausgebildet. Die erste und zweite Antriebswelle ist bevorzugt als Kurbelwelle ausgebildet.
Neben der in den Figuren 4 und 5 dargestellten parallelen Anordnung der ers ten Plungeranordnung 3 zur zweiten Plungeranordnung 300 ist beispielsweise auch eine Hintereinanderanordnung der Plungeranordnungen 3, 300 denkbar. Die zweite Plungeranordnung 300 und die zugehörigen Ventile diene hier aus schließlich der Drückerhöhung eines Arbeitsfluides, so dass dieser Bereich der Hochdruckplungerpumpe als Pumpe arbeitet, wobei das unter Hochdruck ste hende Arbeitsfluid an einem in Figur 4 beispielhaft dargestellten Hochdruckan- Schluss 430 zur Verfügung steht. Das Arbeitsfluid wird dabei über einen Nie derdruckanschluss 700 in die Hochdruckplungerpumpe eingeleitet.
Die für den Betrieb dieses Bereiches notwendige Energie wird dabei teilweise oder sogar vollständig über die Kopplung der drei Antriebswellen durch den anderen Bereich der Hochdruckplungerpumpe mit der ersten Plungeranord nung und den diesen zugehörigen Steuerventilen bereitgestellt.
Bezugszeichenliste
1 Energierückgewinnungsanordnung
2 Hochdruckplungerpumpe
3 Plungeranordnung
31 Arbeitsraum
32 Plunger
4 Ventilgehäuse
41 Hochdruckleitung
42 Niederdruckleitung
43 Hochdruckanschluss
5 erstes Steuerventil
6 zweites Steuerventil
61 Einlass/Auslass
7 Steuereinheit
8 Plungergehäuse
9 dritte Antriebswelle
11 Generator/Motor
12 Kupplung
13 Rahmen
300 Plungeranordnung
310 Arbeitsraum
320 Plunger
400 Ventilgehäuse
410 Hochdruckleitung
420 Niederdruckleitung
430 Hochdruckanschluss
500 Druckventil
600 Säugventil
700 Niederdruckanschluss

Claims

Ansprüche
1. Hochdruckplungerpumpe (2), aufweisend
- mindestens eine Plungeranordnung (3) mit einem Arbeitsraum (31) und einem in dem Arbeitsraum (31) axial hin und her bewegbar angeordne ten Plunger (32),
- mindestens ein erstes Steuerventil (5) und mindestens ein zweites Steuerventil (6), die an einem Ventilgehäuse (4) mit wenigstens einer Hochdruckleitung (41) und wenigstens einer Niederdruckleitung (42) angeschlossen sind,
- wobei die Hochdruckleitung (41) durch das erste Steuerventil (5) und die Niederdruckleitung (42) durch das zweite Steuerventil (6) ver schließbar mit dem Arbeitsraum (31) verbunden sind,
- wobei das Ventilgehäuse (4) einen in die Hochdruckleitung (41) mün denden Hochdruckanschluss (43) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
- das mindestens eine erste Steuerventil (5) und das mindestens eine zweite Steuerventil (6) über eine Steuereinheit (7) derart ansteuerbar sind, dass ein über den Hochdruckanschluss (43) des Ventilgehäuses (4) zugeführtes, unter Hochdruck stehendes Fluid dem Arbeitsraum (31) bei geöffnetem ersten Steuerventil (5) zuführbar und über einen Niederdruckanschluss (61) des wenigstens einen zweiten Steuerventils (6) nach Antreiben des Plungers (32) abführbar ist,
- wobei der mindestens eine Plunger (32) über eine erste Antriebswelle mit einem Generator (11) gekoppelt ist.
2. Hochdruckplungerpumpe (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei, vorzugsweise fünf Plungeranordnungen (3) vorge sehen sind, mit jeweils einem Plunger (32), wobei jedem der Plunger ein erstes Steuerventil (5) und ein zweites Steuerventil (6) zugeordnet ist.
3. Hochdruckplungerpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventile (5, 6) durch die Steuereinheit (7) regelbar sowohl als Einlassventil als auch als Auslassventil betreibbar sind.
4. Hochdruckplungerpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11 ) auch als Motor betreibbar ist.
5. Hochdruckplungerpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventile (5, 6) pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch ansteuerbar sind.
6. Hochdruckplungerpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) mit einem oder mehreren Sensoren gekoppelt ist, der oder die jeweils einen oder mehrere Betriebsparameterdaten der Hochdruckplungerpumpe, insbesondere der Drehstellung der erstem Antriebswelle, eines Druckes eines Fluids in der Hochdruckleitung (41) und/oder der Niederdruckleitung (42) bereitstellen.
7. Hochdruckplungerpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) wenigstens eine Datenschnittstelle zur Erfas sung externer Betriebsparameterdaten, insbesondere eines der Hoch druckplungerpumpe vorgeschalteten Prozessaufbaus aufweist.
8. Hochdruckplungerpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- eine zweite Plungeranordnung (300) mit einem Arbeitsraum (310) und einem in dem Arbeitsraum (310) axial hin und her bewegbar angeord neten Plunger (320),
- mindestens ein Druckventil (500) und mindestens ein Säugventil (600), die an einem Ventilgehäuse (400) mit wenigstens einer Hochdrucklei tung (410) und wenigstens einer Niederdruckleitung (420) angeschlos sen sind,
- wobei die Hochdruckleitung (410) durch das Druckventil (500) und die Niederdruckleitung (420) durch das Säugventil (600) verschließbar mit dem Arbeitsraum (310) verbunden sind,
- wobei der mindestens eine Plunger (320) über eine zweite Antriebswel le mit einer dritten Antriebswelle (9) gekoppelt ist,
- wobei die dritte Antriebswelle (9) auch mit der ersten Antriebswelle ge koppelt ist.
9. Verwendung einer Hochdruckplungerpumpe zur Druckregelung in einem hydraulischen Prozessaufbau, dadurch gekennzeichnet, dass die Hoch druckplungerpumpe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausgebil det ist, wobei die Hochdruckplungerpumpe derart mit dem Prozessaufbau gekoppelt ist, dass - im Pumpbetrieb die Hochdruckplungerpumpe dem Prozessaufbau ein Fluid mit einem vorbestimmten Hochdruck zuführt, wobei die Steuerven tile (5, 6) über die Steuereinheit (7) so gesteuert sind, dass der wenigs tens eine Plunger (32) durch eine motorbetriebene Antriebswelle ange- trieben wird und
- im Motorbetrieb der Hochdruckplungerpumpe das Fluid mit dem vorbe stimmten Hochdruck über die Hochdruckleitung (41) zugeführt und die die Steuerventile (5, 6) über die Steuereinheit (7) so gesteuert sind, dass die Antriebswelle (9) durch den wenigstens einen Plunger (32) angetrie- ben wird, wobei die Antriebswelle zur Stromerzeugung mit einem Gene rator (11) gekoppelt ist.
10. Verwendung einer Hochdruckplungerpumpe zur Druckregelung in einem hydraulischen Prozessaufbau, dadurch gekennzeichnet, dass die Hoch- druckplungerpumpe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist, wobei die Hochdruckplungerpumpe derart mit dem Pro zessaufbau gekoppelt ist, dass
- der Hochdruckplungerpumpe das Fluid mit einem durch den hydrauli schen Prozessaufbau vorbestimmten Hochdruck über die Hochdrucklei- tung (41 ) zuführt und die Steuerventile (5, 6) über die Steuereinheit (7) so gesteuert sind, dass die Antriebswelle (9) durch den wenigstens ei nen Plunger (32) angetrieben wird, wobei die Antriebswelle zur Stromer zeugung mit einem Generator (11 ) gekoppelt ist.
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