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Die Erfindung betrifft ein System zur Förderung und Dosierung von Flüssigkeiten, das aus zwei Hubkolbenpumpen und der zugehörigen elektrischen Ansteuerung besteht, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems. Das System soll vorzugsweise Heizöl in stationären Heizanlagen fördern und dosieren.
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Hubkolbenpumpen zur Dosierung von Kraftstoff oder Heizöl sind bekannt, zum Beispiel aus der
DE 10132959 A1 und der
DE 19948342 A1 . Auch Hubkolbenpumpen zur Förderung von Flüssigkeiten werden als bekannt vorausgesetzt. Ebenfalls bekannt sind Anordnungen von Mehrfachpumpen, die in Reihe geschaltet sind. Solche bekannten Mehrfachpumpen werden in der Regel durch einen gemeinsamen Motor angetrieben. Aus der
DE 29814555U1 ist eine Anordnung von zwei elektrisch angetriebenen Hubkolbenpumpen bekannt, die fluidisch in Reihe geschaltet sind und durch eine gemeinsame elektrische Ansteuerung mit gepulster elektrischer Energie versorgt werden. Ein unabhängiger Betrieb beider Pumpen ist nicht vorgesehen. Daneben ist aus der
DE 10 2004 061 249 B3 eine elektrische Ansteuereinheit bekannt, die zwei fluidisch in Reihe geschaltete Pumpen mit gepulster elektrischer Energie versorgt. Dabei kann die zweite hochdruckseitige Pumpe abgeschaltet werden, sie wird dann durch ein Rückschlagventil umgangen. Auch die
US5281102A zeigt das Zusammenwirken zweier Hubkolbenpumpen. Aus der
DE 29811215U1 ist eine Pumpvorrichtung bekannt, mit einer als Hubkolbenpumpe ausgebildeten Pumpeinrichtung und einer Dosiereinrichtung mit variablem Speicherhub.
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Für eine Anwendung in neuartigen stationären Heizanlagen soll das Förder- und Dosiersystem das Heizöl nicht nur sicher aus dem Tank ansaugen, filtern, entlüften und dosieren, sondern das pro Zeiteinheit abgegebene Flüssigkeitsvolumen entsprechend einem Vorgabesignal mit hoher Genauigkeit verändern. Solche verstellbaren Förder- und Dosiersysteme wurden bisher selten benötigt und deshalb nur selten entwickelt. Bei bekannten Doppelpumpenaggregaten mit einem gemeinsamen Antriebsmotor oder gemeinsamer und gleichzeitiger elektrischen Ansteuerung können die Pumpen nicht unabhängig betrieben werden, daraus ergeben sich Zielkonflikte für den Betrieb der Doppelpumpen:
- – Während die Vorförderpumpe noch die Saugleitung entlüftet, läuft die Hochdruckpumpe trocken
- – Die Frequenz oder Drehzahl der Hochdruckpumpe soll sich nach der erforderlichen Fördermenge richten, die Frequenz oder Drehzahl der Saugpumpe dagegen nach den Ansaugbedingungen.
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Bei konstanter Fördermenge lassen sich diese Zielkonflikte noch durch Kompromisse lösen, aber bei variabler Fördermenge sind diese Zielkonflikte kaum noch durch Kompromisse lösbar, es stellt sich entweder ein zu großer Verschleiß durch unzureichende Entlüftung oder ein unzureichendes Ansaugverhalten ein. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Förder- und Dosiersystem zu beschreiben, das einen zeitlich unterschiedlichen, aber aufeinander abgestimmten Betrieb von zwei fluidisch in Reihe geschalteten Hubkolbenpumpen ermöglicht, wobei die erste Hubkolbenpumpe, die Vorförderpumpe, mit einem zeitlichen Vorlauf zu fördern beginnt. Damit kann erreicht werden, dass zu Beginn der Arbeit der zweiten Hubkolbenpumpe, der Hochdruckpumpe, für diese gut entlüftete Flüssigkeit verfügbar ist. Damit kann in der empfindlichen Hochdruckpumpe Trockenlauf und Kavitation vermieden werden. Die Hochdruckpumpe ist empfindlicher, weil sie ein kleineres Spiel zwischen Pumpenkolben und Zylinder aufweist, was wegen der Vermeidung großer Leckage erforderlich ist. Eine große Leckage aber muss unbedingt vermieden werden, weil sie eine starke Abhängigkeit der Dosiermenge von dem Druck des zu versorgenden Systems bewirkt. Diese Druckabhängigkeit ist unerwünscht, sie bewirkt bei hohem Druck eine Unterförderung und bei niedrigem Druck eine Überförderung, beides muss aber unbedingt vermieden werden. Während des laufenden Betriebs soll die Förderleistung der Hochdruckpumpe entsprechend dem Bedarf der Heizanlage verstellbar sein und optional kann die Förderleistung der Vorförderpumpe ebenfalls bedarfsgerecht verstellt werden, so dass jederzeit gefilterte und entlüftete Flüssigkeit in ausreichender Menge am Sauganschluss der Hochdruckpumpe zu Verfügung steht. Als Nebenaufgabe soll die Hochdruckpumpe so gestaltet sein, dass eine sichere fluidische Trennung zwischen dem Förder- und Dosiersystem und dem zu versorgenden System auch ohne ein zusätzliches Schaltventil bewirkt werden kann. Die Hauptaufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, in Verbindung mit den Merkmalen der Unteransprüche., Die weiteren Ansprüche beschreiben vorteilhafte weitere Merkmale des Förder- und Dosiersystems sowie ein Verfahren zum Betrieb des Systems.
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Das erfindungsgemäße Förder- und Dosiersystem besteht aus einer Vorförderpumpe, der ersten Hubkolbenpumpe, einer Hochdruckpumpe, der zweiten Hubkolbenpumpe, einer elektrischen Ansteuerung mit ihren elektrischen Verbindungen, den zur mechanischen Verbindung notwendigen Gehäuseteilen und den zur fluidischen Verbindung notwendigen Anschlusselementen. Es steht mit einer Filter- und Entlüftungseinheit, einem Vorratstank, einer übergeordneten Steuerung und einem zu versorgenden System über Leitungen in Wirkverbindung. Die beiden Pumpen sind als elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen ausgeführt. Die elektrische Ansteuerung ist so programmiert, dass sie nach dem Einschalten des Systems zunächst nur die Vorförderpumpe mit einer gepulsten elektrischen Energie versorgt. Die elektrische Energie wird entweder als geschaltete Spannung bereitgestellt, dann stellt sich der Spulenstrom als Funktion des Spulenwiderstands ein, oder sie wird als geregelter Strom bereitgestellt, dann stellt sich die Spannung als Funktion des Spulenwiderstands ein. Beide Verfahren sind gebräuchlich; die Stromregelung ist aufwändiger, aber sie vermeidet die Abhängigkeit des Stroms von der Temperatur der Spule und der Versorgungsspannung. Die Vorförderpumpe saugt Flüssigkeit aus dem Vorratstank in die Saugleitung und durch die Filter- und Entlüftungseinheit an. Die geförderte Flüssigkeit strömt von der Druckseite der Vorförderpumpe in den Ansaugbereich der Hochdruckpumpe oder fließt zum Entlüfter zurück. Dadurch wird die Luft, die vor dem Einschalten des Systems in den Leitungen und in der Vorförderpumpe war, aus dem System entfernt. Durch den mehrfachen Umlauf der Flüssigkeit wird sie sicher entlüftet. Die Vorförderpumpe ist aufgrund ihrer Bauart geeignet, eine starke Saugwirkung zu entfalten. Dazu verfügt sie über ein sehr geringes Totvolumen, eine niedrige Kolbengeschwindigkeit, ein Rückschlagventil im Pumpenkolben und eine widerstandsarme saugseitige Leitungsführung.
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Nach dem Beginn eines gepulsten Signals an die Ansteuerung wird auch die Hochdruckpumpe mit gepulster elektrischer Energie gleicher Frequenz versorgt. Die Hochdruckpumpe ist aufgrund ihrer Bauart geeignet, sehr hohen Druck zu erzeugen. Dazu verfügt sie über ein sehr geringes Spiel zwischen dem Pumpenkolben und dem zugeordneten Zylinder sowie eine hohe Kraft des antreibenden Elektromagneten.
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Das Förder- und Dosiersystem erzeugt variable zeitliche Dosiermengen, weil die Frequenz des gepulsten Signals von der übergeordneten Steuerung an die elektrische Ansteuerung entsprechend dem Bedarf verstellt wird. Die daraus abgeleiteten elektrischen Pulse für den Elektromagneten der zweiten Hubkolbenpumpe bewirken Hübe dieser Pumpe mit derselben Frequenz, und die Zahl der Hübe pro Zeiteinheit bestimmt die dosierte Menge pro Zeiteinheit. Entsprechend wird die zeitliche Fördermenge der ersten Hubkolbenpumpe durch eine andere Frequenz der gepulsten elektrischen Energie so eingestellt, dass immer eine ausreichende Fördermenge für die zweite Hubkolbenpumpe zur Verfügung steht und mindestens ein geringer Überschuss an Fördermenge von der ersten Hubkolbenpumpe über den Saugraum der zweiten Hubkolbenpumpe an den Entlüfter zurückgeleitet wird. Dadurch wird eine ausreichende Entlüftung der Flüssigkeit erreicht. Die Flüssigkeit wird dabei so geleitet, dass sie auch den Magnetraum der zweiten Hubkolbenpumpe durchströmt, dadurch wird auch dieser Raum entlüftet, und die Flüssigkeit in diesem Raum wirkt dämpfend auf die Bewegung des Magnetankers.
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Beide Hubkolbenpumpen werden durch jeweils zwei Rückschlagventile fluidisch gesteuert, das erste und das dritte Rückschlagventil steuern den Einlassvorgang zum Hubraum der jeweiligen Pumpe, das zweite und das vierte Rückschlagventil steuern den Auslassvorgang. Bei Stillstand des Systems und während des Einlassvorgangs der zweiten Hubkolbenpumpe trennt das vierte Rückschlagventil die zweite Hubkolbenpumpe von dem zu versorgenden System, ein zusätzliches Schaltventil zur Verhinderung von unerwünschtem Zurückfließen der Flüssigkeit ist nicht erforderlich.
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Anwendung:
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Das beschriebene Förder- und Dosiersystem ist geeignet, Heizsysteme zu versorgen, die auf eine Brennstoffversorgung mit variabler Menge pro Zeiteinheit ausgelegt sind.
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Vorteile:
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Die Doppelpumpe kann einen hohen Druck erzeugen und erreicht dabei über einen großen Bereich der variablen Dosiermenge eine hohe Dosiergenauigkeit. Sie zeichnet sich durch ein gutes Ansaugvermögen aus, und der Brennstoff wird gut entlüftet. Eine Überwachung der Pumpe auf eine Unterförderung oder eine Überförderung von Brennstoff ist nicht erforderlich, weil die Fördermenge durch die Geometrie und die Frequenz der Hochdruckpumpe vorgegeben ist und die Abhängigkeit der Fördermenge von dem Druck des zu versorgenden Systems gering ist.
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Bilder und beispielhafte Ausführung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung des Förder- und Dosiersystems (1) und der im Wirkzusammenhang mit ihm stehenden Bauelemente. Die erste Hubkolbenpumpe (2) des Förder- und Dosiersystems saugt aus einem Vorratsbehälter (10) über eine Saugleitung (4) Flüssigkeit über eine Filter- und Entlüftungseinheit (5) an. Über die Verbindungsleitung (7) und das Rückschlagventil (17) tritt die Flüssigkeit in die Pumpeneinheit (13) der ersten Hubkolbenpumpe ein, wenn der Pumpenkolben von der Feder in seine rückwärtige Ausgangsposition gedrückt wird. Wird der Elektromagnet (12) der ersten Hubkolbenpumpe bestromt, fährt der Pumpenkolben dieser Pumpe in die Pumpenkammer der Pumpeneinheit (13) ein und verdrängt die Flüssigkeit durch das zweite Rückschlagventil (18) in die Rückleitung (8). Über diese Rückleitung fließt die Flüssigkeit zurück in die Filter- und Entlüftungseinheit (5) oder sie fließt über das Rückschlagventil (19) zur Pumpeneinheit (15) der zweiten Pumpe (3). Wird der Elektromagnet (14) der zweiten Pumpe bestromt, fährt der Pumpenkolben dieser Pumpe in die Pumpenkammer der Pumpeneinheit (15) ein und verdrängt die Flüssigkeit durch das Rückschlagventil (20) in die Druckleitung (9) zu dem zu versorgenden System (11). Die Elektromagnete (12) und (14) werden durch die elektrische Ansteuerung (16) mit gepulster elektrischer Energie versorgt. Die Ansteuerung (16) wird ihrerseits von einer übergeordneten Steuerung (27) mit elektrischer Energie versorgt und sie erhält von ihr ein gepulstes Signal, das mit seiner Frequenz die Soll-Fördermenge der zweiten Pumpe (3) definiert. 2 zeigt, dass die Pumpen (2) und (3) Hubkolbenpumpen sind, die jeweils von einem Elektromagneten (12, 14) angetrieben werden. In beiden Pumpen sorgt eine Feder (21, 22) dafür, dass bei nicht bestromtem Elektromagneten die Magnetanker und die damit verbundenen Pumpenkolben in eine rückwärtige Ausgangsposition gebracht werden. Bei der Bewegung der Pumpenkolben in die Ausgangsposition vergrößert sich das eingeschlossene Volumen in den Pumpenkammern der Pumpeneinheiten (13, 15) und infolgedessen wird Flüssigkeit über die Rückschlagventile (17, 19) angesaugt. Die auslassseitigen Rückschlagventile (18, 20) schließen dabei selbsttätig.
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Wird der Elektromagnet (12) der ersten Hubkolbenpumpe bestromt, so treibt er den Pumpenkolben (24) in die Pumpenkammer der Pumpeneinheit (13). Er überwindet dabei die Kraft der Feder (21) und die Druckkraft der Flüssigkeit in der Pumpenkammer. Die Flüssigkeit wird durch das Rückschlagventil (18) in die Rückleitung (8) verdrängt. Bei diesem Vorgang schließt das Rückschlagventil (17) selbsttätig. Der Magnetanker des Elektromagneten (12) ist von der zu fördernden Flüssigkeit umgeben, es entstehen dadurch zusätzliche Verdrängungsvorgänge, die aber für die Förderung nicht von Belang sind, weil der von der Pumpenkammer abgewandte Verdrängungsraum hinter dem Pumpenkolben (24) immer mit der Verbindungsleitung (7) verbunden ist. Der Verdrängungsvorgang während der Bewegung des Pumpenkolbens in die Ausgangsposition unterstützt die Befüllung der Pumpenkammer der Pumpeneinheit (13) beim Ansaugen. Das saugseitige Rückschlagventil (17) ist im Inneren des Pumpenkolbens (24) untergebracht.
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Die Funktion der zweiten Pumpe (3) ist sehr ähnlich. Wird der Elektromagnet (14) bestromt, so treibt er den Pumpenkolben (25) in die Pumpenkammer der Pumpeneinheit (15). Die Flüssigkeit wird durch das Rückschlagventil (20) in die Druckleitung (9) verdrängt. Bei diesem Vorgang schließt das Rückschlagventil (19) selbsttätig. Auch bei dieser Pumpe ist der Magnetanker von der zu fördernden Flüssigkeit umgeben, und auch hier bewirken die zusätzlichen Verdrängungsvorgänge keine effektive Förderung, der Verdrängungsvorgang bei der Bewegung in die Ausgangsstellung unterstützt aber auch hier die Befüllung der Pumpenkammer der Pumpeneinheit (15) beim Ansaugen. Das saugseitige Rückschlagventil (19) ist in diesem Fall nicht im Pumpenkolben, sondern im Gehäuse untergebracht.
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Verfahren zum Betrieb:
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Die elektrische Ansteuerung (16) des Systems wird von einer übergeordneten Steuerung (27) sowohl ein- und ausgeschaltet und sie erhält ein gepulstes digitales Signal, dessen Frequenz die Dosiermenge pro Zeiteinheit bestimmt, die das System an ein zu versorgendes System (11) abgeben soll. Die elektrische Ansteuerung (16) gibt jeweils gepulste elektrische Energie an die Elektromagnete (12) und (14) der Hubkolbenpumpen (2, 3) ab, wobei die Frequenzen der gepulsten Energie für die beiden Elektromagnete unterschiedlich sind und jeweils den Förderstrom der Pumpen maßgeblich beeinflussen. Dabei ist die Frequenz der gepulsten Energie für die zweite Hubkolbenpumpe mit der Frequenz des gepulsten digitalen Signals an die elektrische Ansteuerung (16) identisch. Die Frequenz der gepulsten elektrischen Energie für die erste Hubkolbenpumpe wird von der elektrischen Ansteuerung (16) eingestellt. Nach dem Einschalten des Systems gibt die elektrische Ansteuerung (16) zunächst nur an die erste Hubkolbenpumpe (2) elektrische Energie ab, und erst nach dem Beginn des gepulsten Signals an die elektrische Ansteuerung (16) auch an die zweite Hubkolbenpumpe (3). Optional wird die Fördermenge der ersten Hubkolbenpumpe (2) in funktionaler Abhängigkeit von der Fördermenge der zweiten Hubkolbenpumpe (3) durch die elektrische Ansteuerung (16) verstellt, die funktionale Abhängigkeit wird zum Beispiel durch eine Tabelle in der Software der elektrischen Ansteuerung festgelegt. Dabei wird sichergestellt, dass die Fördermenge der ersten Hubkolbenpumpe immer größer ist als die Fördermenge der zweiten Hubkolbenpumpe und dass der Förderstromüberschuss der ersten Hubkolbenpumpe ausreichend groß ist, um eine sichere Entlüftung der Flüssigkeit zu bewirken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Förder- und Dosiersystem
- 2
- Erste Hubkolbenpumpe
- 3
- Zweite Hubkolbenpumpe
- 4
- Saugleitung
- 5
- Filter- und Entlüftereinheit
- 7
- Verbindungsleitung
- 8
- Rückleitung
- 9
- Druckleitung
- 10
- Vorratstank
- 11
- Zu versorgendes System
- 12
- Erster Elektromagnet
- 13
- Erste Pumpeneinheit
- 14
- Zweiter Elektromagnet
- 15
- Zweite Pumpeneinheit
- 16
- Elektrische Ansteuerung
- 17
- Erstes Rückschlagventil
- 18
- Zweites Rückschlagventil
- 19
- Drittes Rückschlagventil
- 20
- Viertes Rückschlagventil
- 21
- Erste Feder
- 22
- Zweite Feder
- 24
- Erster Pumpenkolben
- 25
- Zweiter Pumpenkolben
- 26
- Ringspalt
- 27
- Übergeordnete Steuerung
- 29
- Erster Magnetankerkolben
- 30
- Zweiter Magnetankerkolben
