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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung des Förderstroms eines Verbrauchers.
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Die Aufgabe einer Pumpe besteht darin, in einer Flüssigkeit Druck und Förderstrom zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt den Druck mittels mindestens einer Kreiselpumpe. Ihr Arbeitsprinzip beruht auf der Energieübertragung durch Strömungsumlenkung und zusätzlicher Fliehkraftwirkung. Im Gegensatz zu Verdrängerpumpen ist der maximale Pumpendruck bereits durch das Arbeitsprinzip begrenzt.
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Bei Anordnungen zur Regelung des Förderstroms eines Verbrauchers mittels einer Kreiselpumpe sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Beispielsweise gibt es eine Förderstromanpassung durch Drosselung. Durch gezieltes Vergrößern der Anlagenwiderstände wird die resultierende Anlagenkennlinie steiler. Bei einer konstanten Drehzahl der Pumpe verlagert sich der Betriebspunkt auf der Pumpenkennlinie hin zu einem kleineren Förderstrom. Bei einer solchen Regelung sinkt der Pumpenwirkungsgrad in Teillast.
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Weiterhin ist eine Förderstromanpassung durch Bypassregelung bekannt. Die Bypassleitung ist parallel zur Pumpe angeordnet. Der Pumpenförderstrom teilt sich dabei in den Nutzförderstrom, der in die Anlage fließt, und den Bypassförderstrom, der indirekt oder direkt auf die Vorderseite der Pumpe zurückgeführt wird. Eine solche Regelung bringt einen erhöhten Bauaufwand mit sich. Zudem handelt es sich um eine energetisch unwirtschaftliche Förderstromanpassung.
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Eine weitere Möglichkeit der Förderstromanpassung ist die Drehzahlregelung. Im Unterschied zu den zuvor genannten Verfahren der Förderstromanpassung, ermöglicht die Drehzahlregelung die stufenlose Änderung der Pumpenkennlinie und damit eine Anpassung der Förderdaten an die Anlagenerfordernisse.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung zur Regelung des Förderstroms eines Verbrauchers können in geschlossenen Kreisläufen oder offenen Kreisläufen zum Einsatz kommen.
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Es sind mehrere herkömmliche Verfahren zur Regelung des Förderstroms eines Verbrauchers bekannt. Eine Möglichkeit besteht darin, den Förderstrom des Verbrauchers fortlaufend zu messen und mit einem Sollwert zu vergleichen. Falls der Vergleich einen Unterschied zwischen Sollwert und dem gemessenen Istwert der Regelgröße ergibt, findet automatisch eine Anpassung der Pumpendrehzahl statt, welche die Regelabweichung beseitigt. Regelgröße ist dabei direkt der Förderstrom des Verbrauchers. Der Sollwert wird dabei auch als Führungsgröße bezeichnet. Die Stellgröße ist dabei direkt die Drehzahl des Motors der Kreiselpumpe.
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Bei herkömmlichen Verfahren zur Regelung des Förderstroms wird auch der Differenzdruck am Verbraucher herangezogen. Tritt am Verbraucher ein Differenzdruck auf, kann die Kreiselpumpe durch Ändern der Drehzahl schnell auf die unterschiedlichen Belastungen reagieren.
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Im geschlossenen Kreislauf arbeitet die Pumpe nur gegen die Strömungswiderstände an. Geodätische Förderhöhen oder der Systemdruck werden hierbei nicht berücksichtigt. Liegt der Verbraucher weit weg von der Pumpe ist es häufig erforderlich, dass der Messpunkt nahe beim Verbraucher liegt, um eine gute Regelqualität bzw. hohe Regelgüte zu erreichen.
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In der
DE 103 59 726 A1 wird eine Kreiselpumpe mit Druckaufnehmern zur Erfassung eines von der Kreiselpumpe erzeugten Differenzdruckes beschrieben. Eine Auswerteeinheit dient der Ermittlung einer Fördermengenabgabe aus einem Differenzdruck der Kreiselpumpe. Aus den Messergebnissen vom Differenzdruck und einer zum gleichen Betriebspunkt gehörenden Leistung erfolgt die Bildung einer pumpenspezifischen Kalibrierkurve. Diese wird in der Auswerteeinheit gespeichert. Während des Pumpenbetriebs erfolgt ein Abgleich von Istwerten mit gespeicherten Daten der Kalibrierkurve.
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Die
DE 199 31 961 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung einer Fördergröße einer Pumpe. Die Pumpe wird durch einen, von einem Frequenzumformer gesteuerten elektrischen Motor angetrieben. Dazu wird als ein Istwert für die Fördergröße der Pumpe die Eingangsleistung des Motors gemessen und durch Vergleich mit einem gespeicherten Sollwert geregelt. Um den Einfluss der Motortemperatur auf die Pumpen-Fördergröße bei einer konstanten Eingangsleistung zu vermeiden, wird bei der Regelung eine Änderung der Motortemperatur um eine entsprechende Kompensationsgröße im Sinne einer Korrektur der Eingangsleistung berücksichtigt. Alternativ kann eine solche Kompensationsgröße aus einer empirisch erstellten, gespeicherten Tabelle zusammengehöriger Eingangs-Leistungsänderungswerte und Temperaturwerte des Motors in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebstemperatur des Motors abgerufen werden. Hier stellt also für den Istwert der Fördergröße die Eingangsleistung des Motors das entsprechende Maß dar, welches dann um den Temperaturwert zu kompensieren ist. Ziel ist demnach eine Nachsteuerung einer Fördergröße, hier vornehmlich des Förderdrucks, unter Berücksichtigung der Eingangsleistung als Messgröße ohne die momentane Fördergröße explizit anzugeben.
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Durch die
EP 0 641 997 B1 ist eine Förderstrommessung innerhalb eines Kreiselpumpengehäuses bekannt, wobei vorab eines Laufrades und innerhalb des Gehäuses eine Druckerfassung an zwei Druckmessstellen erfolgt. Mithilfe einer Auswerteeinheit wird ein so bestimmter Differenzdruck in eine Fördermengenabgabe umgewandelt. Die Druckmessstellen sind an einem Sporn oder an einer Leitschaufel einer Leiteinrichtung angeordnet. Für die Umrechnung des Differenzdruckwerts muss die Dichte des Fördermediums berücksichtigt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, um den Förderstrom eines Verbrauchers zuverlässig einzustellen. Das Verfahren soll sich mit einem möglichst geringen apparativen Aufwand durchführen lassen. Zudem soll das Verfahren bei bereits bestehenden Anlagen einsetzbar sein, ohne dass ein großer Umbau stattfinden muss oder teure Zusatzgeräte zum Einsatz kommen müssen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Anordnung mit den Merkmalen gemäß des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Varianten sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Erfindungsgemäß werden zunächst mit einem Drucktransmitter mindestens ein Druck und/oder eine Druckdifferenz von mindestens einer Kreiselpumpe erfasst. Es kann dabei saugseitig und/oder druckseitig der Druck der Kreiselpumpe gemessen werden. Aus dem druckseitigen und/oder saugseitigen Druck der Kreiselpumpe bzw. aus der Druckdifferenz der Kreiselpumpe wird erfindungsgemäß von einem Drucktransmitter ein für den Förderstrom erforderlicher Druck vor und/oder nach dem Verbraucher bzw. eine am Verbraucher erforderliche Druckdifferenz berechnet. Je größer der einzustellende Förderstrom ist, desto größer ist in der Regel die dazu erforderliche Druckdifferenz am Verbraucher.
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Der Drucktransmitter erzeugt ein Signal in Abhängigkeit dieses Drucks vor und/oder nach dem Verbraucher bzw. der Druckdifferenz am Verbraucher und übermittelt das Signal an einen Frequenzumrichter. Es erfolgt eine Anpassung der Drehzahl eines Motors der Kreiselpumpe in Abhängigkeit dieses Signals.
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Bei herkömmlichen Verfahren sind vergleichsweise kostspielige Frequenzumrichter für eine Differenzdruckregelung mit förderstromabhängiger Sollwertnachführung erforderlich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Einstellung des Förderstroms eines Verbrauchers auch mit sehr einfachen und kostengünstigen Frequenzumrichtern. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden hohe Energieansparungen nicht selten bis zu 70% gegenüber einem ungeregelten Pumpenbetrieb (Drosselbetrieb) erreicht. Zudem werden weder ein Analogeingang für den Sollwert (Führungsgröße), noch ein Algorithmus zur förderstromabhängigen Nachführung des Sollwertes benötigt.
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Dies wird durch das Zusammenwirken eines Differenzdrucktransmitters mit einem Frequenzumrichter realisiert.
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Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung ist dazu der Drucktransmitter mit einer Recheneinheit ausgestattet. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Mikrocontroller-Recheneinheit. Als Mikrocontroller (auch μController, μC, MCU) können Halbleiterchips zum Einsatz kommen, die einen Prozessor und zugleich auch Peripheriefunktionen enthalten. Vorzugsweise befindet sich auch der Arbeits- und Programmspeicher teilweise oder komplett auf demselben Chip.
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Somit kommt erfindungsgemäß ein intelligenter Differenzdrucktransmitter zum Einsatz, der anhand pumpennaher Drucksignale den Differenzdruck an einem entfernten Verbraucher berechnet. Diese Information wird einem Frequenzumrichter als Istwert zur Druckregelung aufgeschaltet. Dadurch wird ein konstanter Differenzdruck am Verbraucher realisiert, ohne dass an diesem Sensoren erforderlich sind.
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Der erforderliche Druck vor dem Verbraucher errechnet sich aus dem Druck nach der Kreiselpumpe abzüglich des Druckverlusts zwischen der Kreiselpumpe und dem Verbraucher.
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Weiterhin kann der erforderliche Druck vor dem Verbraucher aus dem Druck nach der Kreiselpumpe ab- bzw. zuzüglich des geodätisches Drucks zwischen Kreiselpumpe und Verbraucher berechnet werden.
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Nach einer Ausgestaltung wird der erforderliche Druck vor und/oder nach dem Verbraucher in Abhängigkeit einer Kalibrierfunktion zwischen dem Förderstrom des Verbrauchers und mindestens einem Druck und/oder einer Druckdifferenz der Kreiselpumpe berechnet. Vorzugsweise weist dazu der Drucktransmitter eine Speichereinheit auf, in welcher die Kalibrierkurve hinterlegt ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigt
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1 eine Variante bei welcher die Drücke über Bypassleitungen von einem als Messdose ausgeführten Drucktransmitter erfasst werden,
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2 ein Blockschaltbild einer alternativen Variante eines Drucktransmitters der Drucksignale erfasst,
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3 eine Kreiselpumpenanordnung mit angebautem Drucktransmitter.
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1 zeigt eine Anordnung zur Einstellung des Förderstroms mindestens eines Verbrauchers 1. Der Verbraucher 1 ist rein schematisch als Kreis dargestellt. Es kann sich dabei beispielsweise um Heizungskörper oder um eine Produktionsanlage handeln, bei der ein bestimmter Förderstrom eingestellt werden soll.
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Die Anordnung umfasst eine Kreiselpumpe 2, die von einem Motor 3 angetrieben wird. Der Motor steht mit einem Frequenzumrichter 4 in Verbindung. Ein Drucktransmitter 5 erfasst den Druck der Druckseite p1 und/oder den Druck p2 der Saugseite und/oder die Druckdifferenz p1 – p2 zwischen Druck- und der Saugseite. Im Ausführungsbeispiel geschieht dies über Bypassleitungen. Der Differenzdrucktransmitter 5 ist in dieser Variante als Messdose ausgeführt.
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Der Drucktransmitter 5 berechnet aus der Druckdifferenz p1 – p2 an der Kreiselpumpe 2 einen für einen bestimmten Förderstrom erforderlichen Druck p1* vor dem Verbraucher 1 und/oder einen für den Förderstrom erforderlichen Druck p2* nach dem Verbraucher 1. Alternativ oder Ergänzend kann vom Drucktransmitter 5 eine für den Förderstrom erforderliche Druckdifferenz p1* – p2* am Verbraucher 1 berechnet werden.
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Der Drucktransmitter 5 steht mit dem Frequenzumrichter 4 in Verbindung, zur Übermittlung eines Signals x in Abhängigkeit des erforderlichen Drucks p1*, p2* bzw. der erforderliche Druckdifferenz p1* – p2*. Der Frequenzumrichter 4 passt die Drehzahl des Motors 3 der Kreiselpumpe 2 in Abhängigkeit dieses Signals x an.
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Der Differenzdrucktransmitter 5 besitzt bei der Variante gemäß 1 Anschlüsse 9, 10 für den Zulaufdruck der Kreiselpumpe 2, den Enddruck der Kreiselpumpe 2 und einen Signaleingang für die Drehzahl n. Die Anschlüsse 9, 10 sind mit Bypassleitungen verbunden.
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Anhand von Prozessdaten, die auch Anlagendaten wie Rohrleitungslängen, Rohrleitungsnennweiten, Rohrleitungsbeiwerte oder dergleichen umfassen können, und Pumpenkennlinien berechnet der Differenzdrucktransmitter 5 den für einen bestimmten Förderstrom erforderlichen Druck p1* vor dem Verbraucher 1 und/oder den für den Förderstrom erforderlichen Druck p2* nach dem Verbraucher 1 bzw. die für den Förderstrom erforderliche Druckdifferenz p1* – p2* am Verbraucher 1.
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2 zeigt ein Blockschaltbild des Drucktransmitters 5. Der Drucktransmitter 5 weist eine integrierte Auswerteeinheit 6 auf. Die Auswerteeinheit 6 weist einen Mikrorechner 7 und eine Anzeige 8 zur Darstellung von Messwerten und berechneten Größen auf.
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Der Drucktransmitter 5 besitzt zwei Anschlüsse zum Anschließen von Sensoren 11, 12, die an einer hier nicht dargestellten Kreiselpumpenanordnung mit Pumpe und Antriebsmotor angeordnet sind und einen nicht dargestellten Eingang für die Drehzahl n.
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Die Sensoren 11, 12 sind Sensoren für Saugdruck und Enddruck der Kreiselpumpe 2. Alternativ kann auch ein Sensor für den Pumpendifferenzdruck Verwendung finden. Es kann sich um an der Kreiselpumpenanordnung angebrachte Standardsensoren, um pumpen- oder motorintegrierte Sensoren oder um externe Sensoren handeln, welche mit der Anlage verbunden sind.
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Der Drucktransmitter 5 ist mit einer Energieversorgung 13 verbunden. Im Ausführungsbeispiel wird mit einem 4 bis 20 mA Stromschleifensignal über den Energieversorgungsanschluss 13 ein standardisiertes Ausgangssignal 14 des Drucktransmitters 5 ausgegeben. Andere industrieübliche Signale liegen im Rahmen der Erfindung. In einer Speichervorrichtung 15 des Drucktransmitters 5 sind technologische Daten der Pumpe und/oder des Antriebsmotors gespeichert. Mithilfe der Messwerte der Sensoren 11, 12 und den in der Speichervorrichtung 15 gespeicherten Daten berechnet der Mikrorechner 7 aus der Druckdifferenz p1 – p2 der Kreiselpumpe 2 den für einen bestimmten Förderstrom erforderlichen Druck p1* vor dem Verbraucher 1 und/oder den für den Förderstrom erforderlichen Druck p2* nach dem Verbraucher 1 bzw. die für den Förderstrom erforderliche Druckdifferenz p1* – p2* am Verbraucher 1.
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Die Speichervorrichtung 15 dient hier zusätzlich zur Speicherung von während eines Betriebs der Kreiselpumpe 2 ermittelten Betriebsdaten und Betriebszuständen. Messwerte und/oder berechnete Größen können in der Anzeige 8 dargestellt werden.
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Über das analoge Ausgangssignal 14 sind Signale an den Frequenzumrichter 4 übertragbar.
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3 zeigt eine Kreiselpumpenanordnung mit einer Kreiselpumpe 2 und einem Antriebsmotor 3. An die Pumpe 2 ist der Drucktransmitter 5 angebaut und mit einem Sensor 11 für den Saugdruck und einem Sensor 12 für den Enddruck verbunden.
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Der Drucktransmitter 5 ist intern mit einer Speichervorrichtung 15 ausgestattet, in der pumpenspezifische Daten wie Nenndrehzahl der Pumpe, deren minimale und maximale Fördermenge gespeichert sind. Weiterhin sind die Q-H-Kennlinie und die Q-P-Kennlinie der Pumpe in der Speichervorrichtung 15 hinterlegt. Der Drucktransmitter 5 besitzt eine Anzeige 8.
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Auf ein Verfahren zur Bestimmung eines Betriebspunktes einer Arbeitsmaschine und/oder eines diese antreibenden Asynchronmotors wird über die
WO 2010/133425 ausdrücklich Bezug genommen.
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Bei der hier gezeigten Ausgestaltung ist das Ausgangssignal 14 ein Datenbussignal und wird mittels Datenbusverbindung 16 an einen Frequenzumrichter 4 übermittelt. Die Energieversorgung des Drucktransmitters 5 und der Sensoren 11, 12 erfolgt über den Frequenzumrichter 4.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10359726 A1 [0010]
- DE 19931961 A1 [0011]
- EP 0641997 B1 [0012]
- WO 2010/133425 [0043]
