DE102016206440A1

DE102016206440A1 - Verfahren zur Pulsationsdämpfung in einer ein Fluid führenden Anlage

Info

Publication number: DE102016206440A1
Application number: DE102016206440.1A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Schlücker; Nicolas Sven Alexander Alt; Piotr Reichel-Lesnianski; Andreas Kögler
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2017-11-02

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Pulsationsdämpfung in einer ein Fluid führenden Anlage (1) angegeben, wobei das Fluid in einem Dämpfungsabschnitt (2, 22, 29, 33, 36, 37) der Anlage (1) durch einen Schlauch (8) strömt, der sich gegen ein Druckpolster in einem zu einer Gehäusewand (11) ausgebildeten Zwischenraum (10) abstützt. Dabei ist vorgesehen den Druck im Zwischenraum (10) auf eine minimale Pulsationsamplitude zu regeln. Weiter wird eine entsprechende Anlage (1) mit Pulsationsdämpfung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pulsationsdämpfung in einer ein Fluid führenden Anlage, wobei das Fluid in einem Dämpfungsabschnitt der Anlage durch einen Schlauch strömt, der sich gegen ein Druckpolster in einem zu einer Gehäusewand ausgebildeten Zwischenraum abstützt. Die Erfindung betrifft weiter eine Anlage zur Führung eines Fluids, die zur Pulsationsdämpfung einen Dämpfungsabschnitt umfasst, in dem ein vom Fluid durchströmbarer Schlauch angeordnet ist, der sich gegen ein Druckpolster in einem zu einer Gehäusewand ausgebildeten Zwischenraum abstützt. Die Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit der Dämpfung von Druckpulsationen, die durch Fluidenergiemaschinen in strömenden Flüssigkeiten verursacht werden.
Druckpulsationen und hydraulische Schwingungen in Fluid führenden Anlagen verursachen Schäden in Anlagenkomponenten und führen in unerwünschter Weise auch zu einem erhöhten Energieverbrauch. Um solche Schäden zu vermeiden und um durch Druckschwankungen verursachte Verluste zu vermeiden, sind Pulsationsdämpfer einzusetzen. Gegenüber klassischen Anbaudämpfern werden hierbei üblicherweise Inline-Dämpfer bevorzugt, die beispielsweise als Einbaukomponenten in Rohren in eine bestehende Anlage integriert werden können. Dabei ist beispielsweise ein vom Fluid durchströmbarer, innenliegender Schlauch vorgesehen, der sich gegen ein Druckpolster in einem zu einer Gehäusewand ausgebildeten Zwischenraum abstützt. Bei einer Druckpulsation im Fluid wird der Schlauch unter Kompression eines das Druckpolster bildenden Gases ausgedehnt. Verringert sich der Druck im Fluid wird die im Gas des Druckpolsters gespeicherte Energie wieder in das Fluid abgegeben. Dies führt zu einer Dämpfung der Druckpulsationen, also zu einer Verringerung der Pulsations- bzw. Druckschwingungsamplitude.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Pulsationsdämpfung in einer ein Fluid führenden Anlage und eine entsprechende Anlage mit Pulsationsdämpfung anzugeben, wobei die Dämpfungswirkung bezüglich aktueller und anlagenspezifischer Bedingungen optimierbar wird.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren zur Pulsationsdämpfung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Druck im Zwischenraum auf eine minimale Pulsationsamplitude im Fluid geregelt wird. Das Verfahren als solches wird insbesondere vollautomatisch durchgeführt.
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Überlegung aus, dass ein gegebener Druck zur Ausbildung des Druckpolsters, gegen den sich der vom Fluid durchströmte Schlauch abstützt, nicht für alle möglichen Betriebsbedingungen der Anlage eine optimale Pulsationsdämpfung im Fluid gewährleisten kann. Überhaupt kann mit einem starren Pulsationsdämpfungssystem nicht für jede Fluid führende Anlage eine gleich gute Pulsationsdämpfung erzielt werden. Zwar bewirken derartige Systeme in der Tat eine Pulsationsdämpfung. Jedoch wird der optimale Dämpfpunkt entweder gar nicht oder nur bei bestimmten herrschenden Betriebsbedingungen zufällig erreicht.
In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass die Dämpfungswirkung unter der Voraussetzung eines gegebenen konkreten mechanischen Dämpfungssystems im Wesentlichen von dem Druck des Druckpolsters abhängt. Ein zu hoher Druck führt zu einer harten Dämpfung und eignet sich gegebenenfalls nur zur Dämpfung kleiner Schwingungsamplituden. Bei einem zu niedrigen Druck vermag die Dämpfung gegebenenfalls hohen Schwingungsamplituden nicht zu folgen.
In einem dritten Schritt schließlich erkennt die Erfindung anhand eigener Untersuchungen, dass ein Optimum der Dämpfungswirkung unabhängig von den tatsächlichen Betriebsbedingungen tatsächlich nur bei einem bestimmten Druck bzw. innerhalb eines bestimmten abgegrenzten Druckbereichs auftritt. Die optimale Dämpfung zeichnet sich dabei durch minimale Druck- bzw. Pulsationsamplituden aus. Wird der optimale Druckpunkt bzw. der optimal Druckbereich überfahren, so nimmt die Pulsationsamplitude sowohl in Richtung auf einen höheren als auch in Richtung auf einen niedrigeren Druck zu. Dies erlaubt es, den Druck unter Beachtung der Pulsationsamplitude derart einzustellen, dass die Pulsationsamplitude minimal ist. Mit anderen Worten kann also der Druck im Zwischenraum auf die minimale Pulsationsamplitude geregelt werden.
Bevorzugt wird bei dem angegebenen Verfahren zur Pulsationsdämpfung der Zwischenraum zwischen dem Schlauch und der Gehäusewand selbst mit einem Gas gefüllt. In diesem Fall stützt sich der Schlauch unmittelbar gegen das durch ein Gasvolumen gebildete Druckpolster ab. In einer anderen, alternativen Ausgestaltung ist der Zwischenraum mit einer Flüssigkeit gefüllt, wobei sich die Flüssigkeit des Zwischenraums gegen ein Gaspolster abstützt. In letzterem Fall wird eine durch Pulsation des Fluiddrucks verursachte Schwingung des Schlauchs über die Flüssigkeit des Zwischenraums hydraulisch auf das Gaspolster übertragen. Das Gaspolster ist dabei beispielsweise in einem separaten Reservoir außerhalb der Dämpfungskomponente gebildet. Der Gasraum und der Zwischenraum der Dämpfungskomponente sind hierbei beispielsweise über eine geeignete, elastische Membran getrennt. Bei einem fehlenden Innendruck der Anlage wird bevorzugt der Zwischenraum vom Gaspolster abgetrennt. Hierdurch wird eine unerwünschte Ausdehnung des Schlauches nach innen unterbunden, wenn der Innendruck oder das Fluid fehlt.
Zwischen dem Gaspolster bzw. einem entsprechenden Reservoir und dem Zwischenraum ist in einer bevorzugten Ausgestaltung ein Kanalstück eingebaut, das auch während des Betriebs nie Gas enthält. In dieses Kanalstück ist zur Abtrennung des Zwischenraums vom Gaspolster in einer zweckmäßigen Ausgestaltung ein Ventil eingebaut, welches insbesondere servogesteuert ist. Über ein solches Ventil lässt sich das Gasreservoir schnell vom Zwischenraum trennen, sofern dies beispielsweise bei fehlendem Innendruck erforderlich sein sollte. Als Flüssigkeit, mit der der Zwischenraum befüllt ist, eignet sich z. B. ein Öl. Über die nicht komprimierbare Flüssigkeit stützt sich der deformierbare Schlauch nach Art eines hydraulischen Gestänges gegen das Gaspolster ab. Das Gaspolster, welches beispielsweise in einem Gasreservoir gebildet ist, wird im Betriebsfall über die Deformation des Schlauches bei Bedarf komprimiert und entspannt.
Für die Erfindung ist es allgemein von Vorteil, dass die Verbindung zwischen einem das Gaspolster gegebenenfalls ausbildenden Reservoir oder Gasraum und dem Zwischenraum möglichst großzügig gestaltet ist. Auf diese Weise bleibt ein Druckverlust in diesem Bereich gewünscht minimal. Ist das Gasreservoir mit dem Zwischenraum beispielsweise über eine Bohrung verbunden, die in die Gehäusewand des Dämpfungsabschnitts eingebracht ist, so ist bevorzugt der Schlauch in dem Bereich der Bohrung mit einer Versteifung versehen, so dass der Schlauch nicht in unerwünschter Weise eingezogen wird. Die Versteifung ist an dem Schlauch insbesondere mittels Versteifungselementen wie Noppen, Rippen oder dergleichen ausgebildet. Die Versteifung ist andererseits beispielsweise durch eine geänderte Materialwahl oder durch eine geänderte Materialstärke für den Schlauch im Bereich der Bohrung ausgestaltet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Pulsationsamplitude für die Regelung unmittelbar durch eine Erfassung des Druckverlaufs über der Zeit ermittelt. In einer anderen Ausgestaltung wird die Pulsationsamplitude durch eine Erfassung der Schwingungsamplitude des Schlauches ermittelt. Schlauchschwingungen werden beispielsweise über Vibrationssensoren oder Abstandssensoren erfasst. Zur Erfassung der Druckamplitude werden geeignete Drucksensoren eingesetzt.
Der Druckverlauf über der Zeit wird in einer bevorzugten Ausgestaltung im Zwischenraum selbst, in einer Zuführleitung zum Zwischenraum und/oder in einem zum Zwischenraum kommunizierenden Behälter, beispielsweise in einem das Gaspolster ausbildenden Gasreservoir, erfasst. Hierzu sind entsprechend geeignete Drucksensoren entsprechend platziert.
Zur Regelung der Pulsationsamplitude auf ein Minimum wird in einer zweckmäßigen Ausgestaltung zu einer Erhöhung des Drucks im Zwischenraum ein an eine Druckleitung oder an ein Druckreservoir angeschlossenes Einlassventil geöffnet und zu einer Erniedrigung des Druckes im Zwischenraum ein mit dem Außenraum verbundenes Auslassventil betätigt. Durch Einsatz von Ventilen ist eine schnelle Einstellung des Drucks im Zwischenraum ermöglicht. Einlass- und Auslassventile können getrennt in der Gehäusewand des Dämpfungselements eingebracht sein. Im Falle eines Kanalstücks zwischen einem Gasreservoir und dem Zwischenraum werden Einlass- und Auslassventil bevorzugt in diesem Kanalstück angeordnet. Dabei ist das Auslassventil bezüglich des Gasreservoirs zweckmäßigerweise dem Einlassventil nachgeschaltet.
Vorteilhafterweise wird zur Regelung der Druck im Zwischenraum verändert, die zur Veränderung des Druckes korrespondierende Änderung in der Pulsationsamplitude erfasst und der Druck in Richtung einer Verringerung der Pulsationsamplitude nachgeführt. Dieses Regelverfahren erkennt die minimale Pulsationsamplitude, da diese über den Druckverlauf einem spezifischen Druck oder einem spezifischen Druckbereich zuordenbar ist, wie eigene Untersuchungen ergeben haben. Bevorzugt erfolgt hierbei die Veränderung des Druckes bzw. die Einstellung eines geänderten Druckes im Zwischenraum über kleine Schritte, wobei jeweils die zum aktuell eingestellten Druck korrespondierende Pulsationsamplitude erfasst wird.
Weiter bevorzugt wird bei Inbetriebnahme der Fluid führenden Anlage der Druck im Zwischenraum erhöht bis eine Pulsationsamplitude erfassbar ist. Anschließend wird der Druck weiter erhöht, bis die minimale Pulsationsamplitude erfasst bzw. eingestellt ist. Bei dieser Regelung ist davon ausgegangen, dass der Druck im Zwischenraum bei Inbetriebnahme der Anlage minimal ist bzw. sich auf Atmosphärenniveau befindet, so dass in jedem Fall die Dämpfung einer Pulsation im Fluid zunächst nicht gegeben bzw. lediglich suboptimal ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird im Betrieb der Anlage die Pulsationsamplitude erfasst und die Regelung des Drucks im Zwischenraum bei einer Änderung der Pulsationsamplitude gestartet. Auf diese Weise wird die Pulsationsdämpfung selbstadaptiv an geänderte Betriebsbedingungen in der Anlage herangeführt. Zur Durchführung dieser Variante wird die Pulsationsamplitude entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich mit vorgegebenen Zeitabständen erfasst und hieraus auf Änderungen geschlossen.
Zweckmäßigerweise wird bei Betriebsende der Fluid führenden Anlage der Druck auf den Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck abgeglichen. Bei Inbetriebnahme wird dazu, wie bereits beschrieben, zur Einregelung auf eine minimale Pulsationsamplitude der Druck im Zwischenraum unter Erfassung der aktuellen Pulsationsamplitude erhöht.
Der Zwischenraum zwischen der Gehäusewand und dem Schlauch ist insbesondere mit einem Gas oder mit einer Flüssigkeit beladen bzw. gefüllt. Im Falle der Flüssigkeit wird ein Gaspolster über ein externes Gasreservoir erzeugt. Der Zwischenraum oder ein mit dem Zwischenraum verbundenes Gasreservoir werden entweder aus einem Druckleitungsnetz oder von einem Kompressor versorgt. Alternativ ist ein Anschluss an einen Druckbehälter vorgesehen.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird für eine Anlage zur Führung eines Fluids, die einen Dämpfungsabschnitt umfasst, in dem ein vom Fluid durchströmbarer Schlauch angeordnet ist, der sich gegen ein Druckpolster in einem zu einer Gehäusewand ausgebildeten Zwischenraum abstützt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass weiter ein Sensor zur Erfassung einer Pulsationsamplitude im Fluid, steuerbare Druckänderungsmittel zur Änderung des Drucks im Zwischenraum und ein mit dem Sensor und mit den Druckänderungsmitteln signaltechnisch verbundener Controller umfasst sind, wobei der Controller zu einer insbesondere vollautomatischen Regelung des Drucks im Zwischenraum auf eine minimale Pulsationsamplitude eingerichtet ist.
Der Sensor zur Erfassung der Pulsationsamplitude ist in einer Variante als ein Abstandssensor oder als ein Vibrationssensor ausgebildet. Bevorzugt ist der Sensor zur Erfassung der Pulsationsamplitude als ein Drucksensor ausgebildet, der in der Lage ist, den Druckverlauf im Zwischenraum zu erfassen. In dieser Variante wird sowohl der Druck im Zwischenraum als auch die Pulsationsamplitude über einen einzigen, schnell reagierenden Drucksensor erfasst. Der Druck wird dabei beispielsweise als ein zeitlicher Mittelwert oder als ein Integral über den erfassten Druckverlauf bestimmt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlage finden sich in den auf eine Anlage gerichteten Unteransprüchen. Für die das Fluid führende Anlage und für deren Weiterbildungen können sinngemäß die für das Verfahren und dessen Weiterbildungen genannten Vorteile übertragen werden.
Zweckmäßigerweise ist ein vom Zwischenraum über ein Dichtungsmittel getrennter Gasraum umfasst, so dass sich eine Flüssigkeit im Zwischenraum gegen ein Gaspolster im Gasraum bzw. im Gasreservoir abstützt. Alternativ ist der Zwischenraum mit einem Gas gefüllt, wobei insbesondere in der Gehäusewand eine Bohrung eingebracht ist. Über diese Bohrung ist der Zwischenraum mit einer Druckleitung, einem Druckbehälter oder einem Gasreservoir verbunden.
Zweckmäßigerweise sind der Gasraum und der Zwischenraum über ein gasfreies Kanalstück verbunden, wobei im Kanalstück ein Ventil zu einer bedarfsweisen Abtrennung des Gasraums angeordnet ist.
Zu einer schnellen Regelung umfassen die Druckänderungsmittel in vorteilhafter Weise ein an eine Druckleitung oder an ein Druckreservoir angeschlossenes Einlassventil und ein mit dem Außenraum verbundenes Auslassventil. Das Einlass- und das Auslassventil sind bevorzugt im Kanalstück angeordnet.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Dämpfungsabschnitt als ein Rohr, als ein Rohrbogen, als ein Rohrabzweigstück, als eine Rohrgabelung oder als ein Rohrkreuzungsstück ausgebildet. Derartige Rohrelemente sind in Fluid führenden Anlagen häufig eingesetzt, gegebenenfalls hinsichtlich ihrer Anschluss- bzw. Befestigungsgeometrie normiert und zudem kommerziell erhältlich. Ein als derartiges Rohrelement ausgebildetes Dämpfungselement ermöglicht daher eine nachträgliche Ausrüstung einer Fluid führenden Anlage mit einem Pulsationsdämpfer. Auch ist ein rascher Austausch im Zuge einer Wartung oder Reparatur ermöglicht.
Entsteht im Falle eines Rohrbogens auf einer Seite ein Druckstoß, so prallt dieser auf die im Bogen abgewinkelte Schlauchwand. Ist der Schlauch richtig gegen ein Druckpolster abgestützt, bzw. wird auf minimale Pulsationsamplitude geregelt, so wird der Druckstoß effektiv gedämpft.
Weiter ermöglicht ein Rohr oder Rohrelement auch einen vergleichsweise einfachen Umbau in einen angegebenen Pulsationsdämpfer bzw. Dämpfungsabschnitt. Hierbei wird insbesondere ein Schlauch passender Geometrie nachträglich in das Rohr eingeführt und an den Endseiten des Rohres mit einer entsprechenden Anschluss- oder Dichtgeometrie versehen. Über beispielsweise einen Flansch an den Endseiten wird beim Verschrauben mit einem Gegenflansch der Anlage dann eine Abdichtung des Schlauches nach außen erzielt. Als Anschluss bzw. Dichtgeometrie sind umlaufende Wülste der Schlauchenden insbesondere mit einer keilförmigen oder einer ringförmigen Geometrie zu bevorzugen. Zur Aufnahme des jeweiligen umlaufenden Wulstes ist eine entsprechende Nut im Anschlussflansch des Rohrelements eingebracht. Der Gegenflansch kann eine entsprechende Nut zur Aufnahme des Wulstes aufweisen. Dies ist abhängig von der gewählten Dichtgeometrie des Schlauchendes jedoch nicht zwingend erforderlich.
Bei einem Umbau eines Rohrelements wird an einer Mantelfläche bevorzugt eine Anschlussgeometrie für die Fluidbeladung des Zwischenraums, also zur Beladung mit einem Gas oder mit einer Flüssigkeit, eingebracht. Die Anschlussgeometrie ist beispielsweise als durch eine Bohrung in der Mantelfläche und durch eine entsprechende Anschlussmuffe realisiert. Alternativ oder zusätzlich wird die Rohrwand bzw. Gehäusewand des Dämpfungselements von innen ausgedreht, so dass der Schlauch mehr Bewegungsfreiraum in Richtung der Gehäusewand erhält.
In einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist die Gehäusewand des Dämpfungselements konvex nach außen ausgeformt. Im Innenraum entsteht der Zwischenraum aufgrund des Abstands zwischen einem insbesondere geradlinigen Schlauch und der nach außen konvex ausgeformten Gehäusewand.
In einer wiederum alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung weist der Schlauch Versteifungselemente auf, die insbesondere als Noppen und/oder Rippen ausgestaltet sind. Die versteifenden Geometrien bzw. Versteifungselemente sind zweckmäßigerweise als Längsrippen, als umlaufende Rippen, als inselähnliche Erhebungen (also Noppen) oder in Gestalt weiterer Formvarianten wie Gitter, Kreuzmuster etc. ausgebildet. Durch derartige Versteifungselemente oder versteifende Geometrien wird nicht nur ein Zwischenraum zwischen dem Schlauch und der Gehäusewand des Dämpfungselements ausgebildet. Zusätzlich werden durch derartige Geometrien eine Verformung des Schlauchs und eine Zuströmung des Fluids in den Zwischenraum kontrolliert und optimiert. Im Übrigen weisen derartige Formen bereits ein gewisses Potential für eine Dämpfung einer Pulsation auf.
Bevorzugt ist von der Anlage eine Fluidenergiemaschine umfasst, wobei ein Dämpfungsabschnitt an der Einlassseite und/oder an der Auslassseite der Fluidenergiemaschine angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist ein Dämpfungsabschnitt in die Fluidenergiemaschine integriert.
Bevorzugt ist die Fluidenergiemaschine eine Arbeitsmaschine, insbesondere eine Pumpe oder ein Kompressor. Weiter bevorzugt ist die Pumpe der Fluid führenden Anlage, die mit einem Dämpfungsabschnitt ausgestattet ist, eine Drehkolbenpumpe, eine Exzenterschneckenpumpe, eine oszillierende Verdrängerpumpe oder eine Kreiselpumpe.
In einer wiederum anderen zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Dämpfungsabschnitt in ein Ventil integriert. Ein solches Ventil ist beispielsweise ein Ventil auf der Saug- und/oder Druckseite einer Pumpe, insbesondere einer Kolbenpumpe oder einer Kolbenmembranpumpe.
Gerade auf der Saugseite von Pumpen wirken in der Regel Maßendruckwirkungen. Wird das geförderte Fluid beispielsweise beschleunigt, so entsteht ein Unterdruck (Massendruckverlust, „acceleration head loss). Der Schlauch muss sich dann, um eine derartige Druckabsenkung zu mindern, ausdehnen und damit die richtige Druckabsenkung im Zwischenraum zulassen. Dies erfordert eine Einstellung des Druckes im Zwischenraum bzw. in einem gekoppelten Gasreservoir. Mit anderen Worten muss der Gasinhalt im Zwischenraum oder im Gasreservoir nachgeführt werden. Der Gasinhalt besteht aus dem Gasvolumen im Zwischenraum und dem Gasvolumen beispielsweise in einer Zuleitung. Durch die Erfindung werden das Gasvolumen und der Druck sowohl in einer Zuleitung als auch im Zwischenraum selbstadaptiv angepasst. Ein Gas wird entweder zugeführt oder ausgelassen bzw. abgesaugt. Das System passt sich selbstadaptiv an. Die notwendige Gasmenge wird optimal eingestellt.
Ein elastisch verformbarer bzw. deformierbarer Schlauch, der bevorzugt mit Rippen oder anderen Strukturen insbesondere auf seiner Außenseite ausgestattet ist, ist in der Lage bereits bei niedrigen Drücken kleine Schwingungs- bzw. Pulsationsamplituden (Turbulenzen) zu dämpfen. Dies liegt an der Elastizität zwischen den Versteifungsgeometrien. Steigt der Druck im Fluidraum, muss der Raum zwischen und gegebenenfalls auch hinter den Rippen mit einem Druckpolster bzw. Gaspolster beladen werden. Eine Rippen- bzw. Versteifungsgeometrie ist dann nicht zwingend notwendig.
Zum Einsatz im Bereich der Hygienetechnik werden bevorzugt für den Schlauch entsprechend zugelassene Elastomere oder Plastomere bzw. entsprechend geeignete Kunststoffe eingesetzt. Die Anschluss- bzw. Dichtgeometrien an den Schlauchenden sind den hygienetechnischen Vorschriften entsprechend ausgestaltet.
Das angegebene Verfahren und der angegebene Dämpfungsabschnitt im Einsatz mit der selbstadaptiven Regelung sind auch besonders geeignet zur Integration in das Druckventil von oszillierenden Pumpen. Weiter zweckmäßig wird der Dämpfungsabschnitt in einen Saug- und/oder einen Druckkanal von Kreiskolbenpumpen, Exzenterschneckenpumpen (dort insbesondere auch in den Stator), in Zahnradpumpen, in Flügelzellenpumpen, in Schraubenspindelpumpen und generell in allen rotierenden Verdrängerpumpen eingesetzt.
Das Dämpfungselement ist weiter bevorzugt in den Saugkanal und/oder in den Druckkanal von Kreiselpumpen integriert. Der Schlauch weist in diesem Fall bevorzugt auch Inducer-Eigenschaften auf, um das Entstehen von Kavitäten zu verhindern. Der Schlauch hat hierzu geeignete Geometrien, bevorzugt die vorbeschriebenen Versteifungsgeometrien, die zugleich einen Strömungsdrall und eine Dämpfungswirkung erzeugen.
Das Dämpfungselement bzw. der Schlauch kann aus Elastomeren, Plastomeren und allgemein aus verformbaren Kunststoffen hergestellt werden. Der Dämpfungsabschnitt bzw. der Schlauch ist leicht reinigbar. Das angegebene Verfahren und der entsprechende Dämpfungsabschnitt in der Anlage eignen sich insbesondere auch für die Saugseite von Pumpen, wenn der verfügbare NPSHR (required Net Positive Suction Head) sehr klein ist. Die Erfindung ermöglicht eine Inline-Dämpfertechnik, die sich verhält wie ein Rohr und insofern keine zusätzlichen Strömungswiderstände aufweist. Ein nachträglicher Einbau ist durch die Verwendung bereits vorhandener oder normierter Rohrelemente gegeben. Die Erfindung zeichnet sich zudem durch eine selbstadaptive Funktion aus. Der optimale Dämpfungspunkt wird selbsttätig gesucht. Auch ist eine Optimierung für die Dämpfung turbulenzbedingter Schwingungen mit kleiner Amplitude gegeben. Dadurch ist eine Reduzierung des Strömungslärm und einer Steigerung der Energieeffizient verbunden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhang einer Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:
1: in einem Querschnitt einen Dämpfungsabschnitt in einer fluidführenden Anlage,
2: eine Aufsicht auf einen zur Dämpfung eingesetzten Schlauch,
3: in einem Querschnitt einen als Rohrbogen ausgebildeten Dämpfungsabschnitt,
4: den zeitlichen Verlauf der Pulsationsamplitude bei verändertem Druck,
5: schematisch in einem Schnitt eine Drehkolbenpumpe mit integrierten Dämpfungsabschnitten,
6: ein Ventil mit integriertem Dämpfungsabschnitt und
7: in einem Querschnitt eine Exzenterschneckenpumpe mit integrierten Dämpfungsabschnitten
1 zeigt in einem Querschnitt für eine Anlage 1 zur Führung eines Fluids einen Dämpfungsabschnitt 2, der hier beispielhaft als ein geradliniges Rohr 3 ausgebildet ist. Das Rohr 3 weist an seinen Enden jeweils einen Flansch 4, 5 auf. In die Anlage 1 ist das Rohr 3 durch Verschrauben der Flansche 4, 5 mit zugeordneten, korrespondierenden Flanschen 6 bzw. 7 eingebaut. Im Betrieb der Anlage 1 wird das Rohr 3 bzw. der Dämpfungsabschnitt 2 von einem Fluid, insbesondere von einer Flüssigkeit, durchströmt.
Im Inneren des Rohrs 3 ist ein verformbarer Schlauch 8 eingesetzt. Der Schlauch 8 ist beispielsweise aus einem geeigneten Kunststoff, insbesondere aus einem Elastomer, gefertigt. Zur Abdichtung des Innenraums des Schlauchs 8 gegenüber einem Außenraum weist der Schlauch 8 an seinen beiden Enden jeweils eine Dichtgeometrie 9 auf. Die Dichtgeometrie 9 ist beispielsweise als ein umlaufender Wulst mit einem gegebenen Querschnittsprofil ausgebildet. Zur Aufnahme der umlaufenden Wulst bzw. der Dichtgeometrie 9 ist in den Flanschen 4, 5 des Rohres 3 jeweils eine entsprechende Nut eingebracht. Beim Verschrauben der Flansche 4, 5 mit den Flanschen 6, 7 wird die Dichtgeometrie unter Abdichtung des Innenraums des Schlauchs 8 nach außen elastisch verformt. Das die Anlage 1 durchströmende Fluid durchströmt den Dämpfungsabschnitt 3 im Inneren des Schlauches 8. Die Abdichtung nach außen ist über die elastisch verformten Anschlussgeometrien 9 gewährleistet.
Es wird ersichtlich, dass sich auf die beschriebene Art und Weise sowohl der Umbau eines bestehenden Rohres 3 in einen Dämpfungsabschnitt 2 als auch der Ein- und Ausbau des Rohres 3 in bzw. aus einer Anlage 1 in einfacher Art und Weise bewerkstelligen lässt. Auch lässt sich der Schlauch 8 einfach dem Rohr 3 entnehmen und kann leicht gereinigt werden.
Der Schlauch 8 ist über einen Zwischenraum 10 von der Gehäusewand 11 des Rohrs 3 beabstandet. Der Zwischenraum 10 ist beispielsweise durch eine entsprechende vom Schlauch 8 abweichende Geometrie des Schlauches 8 gebildet. Beispielsweise ist die Innenwand des Rohres 3 zur Ausbildung des Zwischenraums 10 abgedreht. Wiederum alternativ ist der Rohrquerschnitt im Bereich des Dämpfungsabschnitts 2 konvex nach außen erweitert.
Der Zwischenraum 10 steht über einer Bohrung in der Gehäusewand 11 kommunizierend mit einem Gasraum 12 in Verbindung oder ist mit dem Gasraum 12 hydraulisch gekoppelt. Im ersteren Fall ist der Zwischenraum 10 mit dem Gas des Gasraums 12 befüllt. Im zweiten Fall ist der Zwischenraum 10 mit einer Flüssigkeit, zum Beispiel Öl, gefüllt. Die Flüssigkeit ist dann von dem Gas des Gasraums 12 getrennt, jedoch dem Gaspolster hydraulisch angekoppelt. Der Schlauch 8 stützt sich somit entweder gegen ein Gaspolster im Zwischenraum 10 oder über eine Flüssigkeit hydraulisch gegen ein Gaspolster im Gasraum 12 ab.
Der Gasraum 12 ist über ein Kanalstück 13 mit dem Zwischenraum 10 verbunden. Über ein Einlassventil 14 und ein Auslassventil 15 ist entweder der Druck im Zwischenraum 10 selbst oder der auf eine Flüssigkeit im Zwischenraum 10 wirkenden Gasdruck einstellbar. Das Einlassventil 14 ist mit dem Gasraum 12 verbunden. Über das Auslassventil 15 kann Gas nach außen in die Umgebung abgelassen werden. Im Kanalstück 13 ist weiter gegebenenfalls ein Sperrventil 16 eingebracht, über das Gaspolster vom Zwischenraum 10 abgetrennt werden kann. Diese Funktion kann alternativ auch vom Einlassventil 14 übernommen werden.
Durch das Abtrennen des Gaspolsters vom Zwischenraum 10 kann ein Ausdehnen des Schlauches 8 in den Innenraum des Rohres 3 bei fehlendem Fluiddruck bzw. Innendruck verhindert werden. Im Falle einer Füllung des Zwischenraums 10 mit einer Flüssigkeit ist im Kanalstück 15 weiter eine Membran 17 angeordnet, die die Flüssigkeit des Zwischenraums 10 von dem Gas im Gasraum 12 trennt. Die Membran 17 ist alternativ im Gasraum 12 angeordnet.
Weiter ist ein Controller 18 vorgesehen, der mit dem Einlassventil 14, dem Auslassventil 15 und dem Sperrventil 16 signaltechnisch in Verbindung steht. Über den Controller 18 werden die Ventile 14, 15, 16 betätigt. Des Weiteren sind im Gasraum 12 und im Kanalstück 13 jeweils Drucksensoren 21, 24 angeordnet, die ebenfalls mit dem Controller 18 in Verbindung stehen. Über den Drucksensor 21 wird der Druck im Gasraum 12 erfasst. Über den Drucksensor 24 wird der über das Gaspolster aufgebaute Druck gemessen, gegen den sich der deformierbare Schlauch 8 abstützt.
Im Betrieb werden über den Drucksensor 24 der auf den Schlauch 8 wirkende Druck und damit auch Druckschwingungen, die durch Druckstöße beim durchströmen des Fluids erzeugt werden, erfasst. Der Drucksensor 24 ist in einen Regelkreis eingebunden, der vom Controller 18 beispielsweise in Form eines Mikroprozessors überwacht wird.
Der Controller 18 steuert hierbei das Einlassventil 14 und das Auslassventil 15. Durch Öffnen des Einlassventils 14 wird der Druck im Zwischenraum 10 bzw. im Falle einer Flüssigkeit der auf den Zwischenraum 10 wirkende Gasdruck erhöht. Durch Öffnen des Auslassventils 15 wird der Druck gesenkt.
Bei Inbetriebnahme der Anlage 1 wird der Druck zunächst erhöht bis ein gutes Drucksignal über den Drucksensor 24 erfasst werden kann. Ab hier sucht das System selbständig den Punkt mit einer minimalen Pulsations- bzw. Druckamplitude, was einem optimalen Dämpfungseffekt entspricht. Es kann aber alternativ auch eine zielgerichtete Vorbeladung realisiert sein, von der ausgehend der Regelprozess beginnt. Wird ein Drucksignal erfasst, so wird durch den Controller 18 der Druck in kleinen, insbesondere einstellbaren, Stufen erhöht. Wird die erfasste Pulsationsamplitude durch die Druckerhöhung geringer, so wird die Druckbeladung fortgesetzt, bis die Pulsationsamplitude erneut größer wird. Von diesem Punkt aus wird zurück geregelt, bis das Minimum der Pulsationsamplitude erreicht ist.
Ändert sich während des Betriebs der Anlage die Pulsation, insbesondere die Pulsationsamplitude, so wird das Regelverfahren erneut gestartet und somit der optimale Dämpfungspunkt selbständig nachgeführt.
Der Gasraum 12 ist beispielsweise mit einem Druckbehälter, mit einer Druckleitung oder mit einem Kompressor verbunden. Wird die Anlage 1 abgeschaltet oder wird ein Pumpensystem außer Betrieb gesetzt, so kann der Dämpfungsabschnitt 2 heruntergefahren oder spontan ausgeschaltet werden. In beiden Fällen wird der Druck im Zwischenraum 10 oder der auf den Zwischenraum 10 wirkende Druck bis zum Erreichen des Umgebungsdruckes abgesenkt. Dies wird durch ein entsprechend großes Ventil, beispielsweise das Auslassventil 15 oder ein zusätzliches Ventil erreicht, welches ebenfalls vom Controller 18 gesteuert wird.
In 2 ist in einer Aufsicht die Oberfläche eines Schlauchs 8 gezeigt, der beispielsweise als Dämpfungselement in einen Dämpfungsabschnitt 2 einer Anlage 1 gemäß 2 eingesetzt sein kann. Der Schlauch 8 weist an seinen Enden jeweils eine Dichtungsgeometrie 9 in Form eines umlaufenden Wulstes auf. An seiner Außenseite weist der Schlauch 8 zudem Versteifungselemente 19 in Form von Längsrippen 20 auf. Durch die Längsrippen 20 tritt bereits bei niedrigen Pulsationsamplituden eine Dämpfungswirkung durch den Schlauch 8 an sich auf. Bedingt durch die Elastizität des Schlauches 8 zwischen den Längsrippen 20 weist dieser eine Silencer-Funktion auf. Turbulenzbedingte kleine Amplituden werden gedämpft.
In 3 ist ein Dämpfungsabschnitt 22 entsprechend 1 dargestellt, welcher als ein Rohrbogen 23 ausgeführt ist. Das Rohr 3 ist hierbei über einen rechten Winkel abgebogen. Man erkennt an den jeweiligen Enden des Rohrbogens 23 die Flansche 4, 5. An einer Stelle des Rohrbogens 23 ist das Kanalstück 13 zur Ankopplung an einen externen Gasraum eingebracht. In das Innere des Rohrbogens 23 ist ein Schlauch entsprechend 1 einsetzbar. Um im Falle eines Druckstoßes ein Anstoßen des im Rohrbogen 23 angeordneten Schlauches an die Gehäusewand zu vermeiden, ist der Rohrbogen 23 bzw. die Außenwand im Bereich des Außenradius bevorzugt ausgebaucht.
4 zeigt den Verlauf des Druckes im Zwischenraum 10 eines Dämpfungsabschnitts 2 gemäß 1 als Funktion über der Zeit, wobei der Druck allmählich erhöht wird. Die sichtbaren Druck- bzw. Pulsationsamplituden sind die Folge von beispielsweise durch eine oszillierende Pumpe in der Anlage 1 erzeugten periodischen Druckstößen in dem durchströmenden Fluid. Diese Druckstöße werden über den Schlauch 8 in das Druckpolster bzw. bei einem mit Gas gefüllten Zwischenraum 10 auf das dort befindliche Gas übertragen. Man erkennt, dass mit steigendem Druck ein Bereich minimaler Pulsationsamplitude 25 erreicht wird. Dieser Bereich liegt beispielhaft bei etwa 4 bar. Steigt der Druck weiter, wird dieser Bereich verlassen und die Pulsationsamplitude steigt erneut an. Es wird insofern aus 4 ersichtlich, dass abhängig vom Druck des auf den Schlauch 8 wirkenden Druckpolsters ein spezifischer Druck oder abgegrenzter Druckbereich existiert, in dem die Pulsationsamplitude minimal ist. Mit anderen Worten existiert ein optimaler Druck oder schmaler Druckbereich, an dem die Dämpfungswirkung ideal ist. Durch das angegebene Regelverfahren wird das System selbstadaptiv an diesen optimalen Druckpunkt herangeführt.
In 5 ist schematisch in einer Schnittdarstellung eine Drehkolbenpumpe 26 gezeigt, die eine Einlassseite 27 und eine Auslassseite 28 aufweist. Sowohl auf der Einlassseite 27 als auch auf der Auslassseite 28 ist in die Drehkolbenpumpe 26 jeweils ein Dämpfungsabschnitt 29 integriert. Man erkennt entsprechend 1 die jeweils in das Gehäuse eingebrachten Zwischenräume 10, die über ein Kanalstück 13 jeweils mit einem Gasraum 12 verbunden sind. Über entsprechend 1 ausgeführte Ventile wird das beschriebene Regelverfahren mittels eines jeweiligen Controllers 18 ausgeführt. Der Fluid führende Innenraum der Drehkolbenpumpe 26 ist jeweils mit einem entsprechenden Elastomer ausgekleidet. Dieses Elastomer bildet im Bereich der Dämpfungsabschnitte 29 jeweils einen Schlauch 8 aus, der sich gegen ein Druckpolster im jeweiligen Zwischenraum 10 abstützt. Zentral sind für die Drehkolbenpumpe 26 die beiden Drehkolben 30 ersichtlich, die bei einer Rotation Fluid von der Einlassseite 27 zur Auslassseite 28 fördern.
In 6 ist ein Ventil 31 dargestellt, welches beispielsweise auf der Saug- oder Druckseite einer Kolbenpumpe eingesetzt werden kann. In einem Ventilsitz 32 sitzt ein vorgespannter Ventilteller. Bei entsprechendem Druckaufbau kann Fluid in der dargestellten Orientierung das Ventil 31 von links nach rechts durchströmen. Im Bereich der Ventilführung ist im Ventil 31 ein Dämpfungsabschnitt 33 eingebracht. Über eine entsprechende Ausnehmung im Ventilgehäuse resultiert ein Zwischenraum 10. Ein Schlauch 8 im Bereich der Ventilführung stützt sich gegen ein Druckpolster im Zwischenraum 10 ab. Im Gehäuse des Ventils 31 ist ein Kanalstück 13 eingebracht. Das Kanalstück 13 ist mit einem Gasraum 12 verbunden. Im Bereich des Gasraums 12 ist auch ein Controller 18 angeordnet.
7 zeigt in einem Schnitt eine Exzenterschneckenpumpe 34. Die Exzenterschnecke 35 ist erkennbar. Sowohl auf der Einlassseite 27 als auch auf der Auslassseite 28 ist jeweils ein Dämpfungsabschnitt 36 bzw. 37 angeordnet. Die jeweiligen Dämpfungsabschnitte 36, 37 weisen nach außen aufgeweitete Gehäuse auf, so dass jeweils ein Hohlraum 10 gegenüber einem innenliegenden, verformbaren Schlauch 8 ausgebildet ist. Die jeweiligen Zwischenräume 10 stehen mit einem Gasraum 12 in Verbindung. Dort ist jeweils auch ein Controller 18 zu einer selbst adaptiven Anpassung des Drucks im Zwischenraum 10 angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Anlage zur Führung eines Fluids
2: Dämpfungsabschnitt
3: Rohr
4, 5: Flansch
6, 7: Flansch
8: Schlauch
9: Dichtgeometrie
10: Zwischenraum
11: Gehäusewand
12: Gasraum
13: Kanalstück
14: Einlaßventil
15: Auslaßventil
16: Sperrventil
17: Membran
18: Controller
19: Versteifungselemente
20: Längsrippen
21: Drucksensor
22: Dämpfungsabschnitt
23: Rohrbogen
24: Drucksensor
25: Bereich minimaler Pulsationsamplitude
26: Drehkolbenpumpe
27: Einlaßseite
28: Auslaßseite
29: Dämpfungsabschnitt
30: Drehkolben
31: Ventil
32: Ventilsitz
33: Dämpfungsabschnitt
34: Exzenterschneckenpumpe
35: Exzenterschnecke
36: Dämpfungsabschnitt
37: Dämpfungsabschnitt

Claims

Verfahren zur Pulsationsdämpfung in einer ein Fluid führenden Anlage (1), wobei das Fluid in einem Dämpfungsabschnitt (2, 22, 29, 33, 36, 37) der Anlage (1) durch einen Schlauch (8) strömt, der sich gegen ein Druckpolster in einem zu einer Gehäusewand (11) ausgebildeten Zwischenraum (10) abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Zwischenraum (10) auf eine minimale Pulsationsamplitude geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (10) mit einem Gas gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (10) mit einer Flüssigkeit gefüllt wird, wobei sich die Flüssigkeit gegen ein Gaspolster abstützt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines fehlenden Innendrucks der Anlage (1) der Zwischenraum vom Gaspolster abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsationsamplitude durch Erfassung des Druckverlaufs über der Zeit ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf über der Zeit im Zwischenraum (10), in einer Zuführleitung und/oder in einem zum Zwischenraum kommunizierenden Behälter (12) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Erhöhung des Drucks im Zwischenraum (10) eine an eine Druckleitung oder an ein Druckreservoir angeschlossenes Einlassventil (14) geöffnet wird, und dass zu einer Erniedrigung des Druckes im Zwischenraum (10) ein mit dem Außenraum verbundenes Auslassventil (15) geöffnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Druck im Zwischenraum (10) verändert wird, dass die hierzu korrespondierende Änderung in der Pulsationsamplitude erfasst wird, und dass der Druck in Richtung einer Verringerung der Pulsationsamplitude nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Inbetriebnahme der Druck im Zwischenraum (10) erhöht wird bis eine Pulsationsamplitude erfassbar ist, und dass der Druck im Zwischenraum (10) weiter erhöht wird, bis eine minimale Pulsationsamplitude erfasst ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb die Pulsationsamplitude erfasst wird, und dass die Regelung des Drucks im Zwischenraum (10) bei einer Änderung der Pulsationsamplitude startet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betriebsende der Druck im Zwischenraum (10) auf einen Umgebungsdruck abgeglichen wird.
Anlage (1) zur Führung eines Fluids, umfassend einen Dämpfungsabschnitt (2, 22, 29, 33, 36, 37), in dem ein vom Fluid durchströmbarer Schlauch (8) angeordnet ist, der sich gegen ein Druckpolster in einem zu einer Gehäusewand (11) ausgebildeten Zwischenraum (10) abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass weiter ein Sensor zur Erfassung einer Pulsationsamplitude, steuerbare Druckänderungsmittel zur Änderung des Drucks im Zwischenraum (10) und ein mit dem Sensor und mit den Druckänderungsmitteln signaltechnisch verbundener Controller (18) umfasst sind, und dass der Controller (18) zur Regelung des Drucks im Zwischenraum (10) auf eine minimale Pulsationsamplitude eingerichtet ist.
Anlage (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur Erfassung der Pulsationsamplitude als ein Drucksensor (24) ausgebildet ist.
Anlage (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Zwischenraum (10) über ein Dichtungsmittel getrennter Gasraum (12) umfasst ist, so dass sich eine Flüssigkeit im Zwischenraum (10) gegen ein Gaspolster im Gasraum abstützt.
Anlage (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum (12) und der Zwischenraum (10) über ein gasfreies Kanalstück (13) verbunden sind, und dass im Kanalstück (13) ein Ventil (16) zu einer bedarfsweisen Abtrennung des Gasraums (12) angeordnet ist.
Anlage (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckänderungsmittel ein an eine Druckleitung oder an ein Druckreservoir angeschlossenes Einlassventil (14) und ein mit dem Außenraum verbundenes Auslassventil (15) umfassen.
Anlage (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsabschnitt (2, 22, 29, 33, 36, 37) als ein Rohr (3), als ein Rohrbogen (23), als ein Rohrabzweigstück, als eine Rohrgabelung oder als ein Rohrkreuzungsstück ausgebildet ist.
Anlage (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluidenergiemaschine (26, 34) umfasst ist, und dass ein Dämpfungsabschnitt (2, 22, 29, 33, 36, 37) an der Einlassseite (27) und/oder an der Auslassseite (28) der Fluidenergiemaschine (26, 34) angeordnet und/oder in die Fluidenergiemaschine (26, 34) integriert ist.
Anlage (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidenergiemaschine (26, 34) eine Arbeitsmaschine, insbesondere eine Pumpe oder ein Kompressor ist.
Anlage (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe eine Drehkolbenpumpe (26), eine Exzenterschneckenpumpe (34), eine oszillierende Verdrängerpumpe oder eine Kreiselpumpe ist.
Anlage (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsabschnitt (2, 22, 29, 33, 36, 37) in ein Ventil (31) integriert ist.
Anlage (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch Versteifungselemente (19) umfasst, insbesondere Noppen und/oder Rippen (20) aufweist.