DE202006000947U1

DE202006000947U1 - Vorrichtung zum stufenlosen Verdüsen von Medien

Info

Publication number: DE202006000947U1
Application number: DE200620000947
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-01-21
Filing date: 2006-01-21
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2016-01-22

Abstract

Vorrichtung zur weitestgehend stufenlos regelbaren Verdüsung flüssiger Medien in weiten Mengenbereichen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Medium über wenigstens zwei gruppierte Anordnungen von Düsen verdüsbar ist, wobei die jeweilige Gruppierung schaltbar ist und der Zeitpunkt der Schaltung der jeweiligen Gruppierung derart verstellbar ist, dass die verdüste Menge des zu verdüsenden Mediums weitestgehend konstant ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur stufenlosen, geregelten Verdüsung von Medien in weiten Mengenbereichen.
Im Stand der Technik werden flüssige Medien durch Düsen verdüst. Hierbei müssen flüssige Medien verteilt, zerstäubt und geregelt ausgebracht werden. Dabei werden Düsen verwendet. Düsen zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur in einem bestimmten Druck- und Mengenbereich arbeiten können.
Im Mittelpunkt der vorliegenden Erfindung steht das stufenlose, geregelte Ausbringen von Medien in einem vom Arbeitsbereich der Düse/Düsen unabhängigen Mengenbereich.
Dabei werden Düsen verwendet, welche einen festen Arbeitsbereich und Mengenbereich haben. Der Arbeitsbereich erklärt sich durch ein in ihm zufrieden stellendes Spritzbild der Düse/Düsen. Düsen spritzen Druck abhängig. Daher wird der Arbeitsbereich durch einen minimalen und einen maximalen Druck begrenzt. Da bei Düsen die Spritzmenge direkt vom Druck abhängig ist, wird der Arbeitsbereich daher genauso durch eine Minimalmenge und eine Maximalmenge begrenzt.
Wird nun ein technischer Verdüsungsprozess Mengengesteuert, ist dieser mit seiner minimal und maximal fahrbaren Menge an den Arbeitsbereich der Düse/Düsen gebunden.
Durch eine Erweiterung des Prozesses um mehrere Düsen um beispielsweise eine höhere Maximalmenge fahren zu können wird die fahrbare Minimalmenge um die Summe der Minimalmengen der erweiterten Düsen erhöht.
Durch hinzu bzw. Hinwegschalten von Düsen kann man die Minimalmenge bzw. Maximalmenge nur diskret verringern bzw. erhöhen. Die Gesamtspritzmenge kann also nur um die im Schaltpunkt anstehende Spritzmenge der hinweg bzw. hinzu geschalteten Düsen erhöht bzw. verringert werden.
Dadurch ist eine stufenlose Regelung über den Mengenbereich aufgrund der hinzu/ab Schaltung der Düse/Düsen nicht möglich.
Zudem ist der fahrbare Mengenbereich durch handelsübliche Dosierpumpen begrenzt.
Ein Bereich von beispielsweise 0 l/min bis 80 l/min kann nicht im gesamten Arbeitsbereich mit für einen anspruchsvollen technischen Prozess ausreichender Genauigkeit gefahren werden.
Der Erfindung liegt in Anbetracht des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein System zur stufenlos geregelten Verdüsung von Medien der eingangs genannten Art über einen den Arbeits- und Mengenbereich der einzelnen Düse über-/unterschreitenden Mengenbereich zur Verfügung zu stellen.
Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, über den angestrebten Arbeitsbereich mit mehreren Düsengruppen zu fahren, die im Schaltpunkt nach und/oder vor hinzu und/oder hinwegschalten immer eine konstante Menge des zu verdüsenden Mediums erbringen. Zudem muss der gesamte angestrebte Mengenbereich mit technisch ausreichender Genauigkeit gefahren werden können.
Dabei wird unter Ausnutzung des Arbeitsbereiches der einzelnen Düse eine Gruppengröße, das heißt insbesondere die Anzahl der zu verwendenden Düsen, anhand der geforderten Minimalmenge bestimmt.
Die Beaufschlagung der Düsen findet mit Hilfe eines Stellungsregelungsventils statt, das vor eine Pumpe mit ausreichend Druck und Durchfluss geschaltet ist. Dieses Stellungsregelungsventil hat die Aufgabe durch auf oder zufahren des Querschnitts an den/der Düsen/Düse den gewünschten Durchfluss zu bewirken. Für eine Regelstrecke benötigt man einen Sollwertgeber und einen Istwertgeber. Das Stellungs- regelungsventil wird als Soll-Wertgeber verwendet, und mit einem in der Leitung zwischen Stellungsregelungsventil und Düsen befindlichen Ist-Wertgeber, einem Durchflussmesser abgeglichen.
Um mehrere Düsengruppen nacheinander schalten zu können ist es notwendig die momentan nicht zu betreibenden Düsen vom Medienstrom abzugrenzen. Dies geschieht über direkt gesteuerte 2-2-Wegeventile mit entsprechendem Querschnitt vor jeder einzelnen Düse. Dadurch kann jede einzelne Düse nach Bedarf zu oder abgeschaltet werden.
Bei der Schaltung der Düsengruppen ist es notwendig den Druck anzugleichen, und so den Durchfluss der Düsen zu erhöhen/reduzieren. Beispielsweise betreibt man eine Düsengruppe 1 in ihrem Arbeitsbereich, dass heißt vom minimalen bis zum maximalen Durchfluss/Druck und will dann den Durchfluss weiter erhöhen muss man die nächste Düsengruppe 2 hinzu schalten. Die Düsengruppe 1 befindet sich jedoch am oberen Ende ihre Arbeitsbereiches, also ebenfalls im maximalen Druckbereich. Würde man daher einfach die 2. Düsengruppe hinzuschalten, die 2-2-Wegeventile vor den Düsen also einfach aufschalten, würde sich der Durchfluss schlagartig verdoppeln, der Druck eventuell einbrechen und das Spritzbild ebenfalls. Somit könnte keine kontinuierliche Regelung des Durchflusses stattfinden. Um die erwähnte, schlagartige Verdoppelung des Durchflusses zu vermeiden muss der Druck über das Stellungsregelungsventil im Schaltpunkt so angepasst werden, dass der Durchfluss konstant bleibt.
Beim Herunterfahren, dass heißt am Schaltpunkt von zwei betriebenen Düsengruppen, Gruppe 1 und Gruppe 2 zu nur noch einer, Gruppe 1, befinden sich die zusammen betriebenen Düsengruppen 1 und 2 in ihrem unteren, kleinsten Mengenbereich. Nach dem Abschalten der Gruppe 2 muss durch die Düsengruppe 1 die gleiche Menge verdüst werden, wie zuvor durch Düsengruppe 1 und 2 zusammen. Dazu ist es notwendig, die Düsengruppe 1 in Ihrem oberen Mengenbereich zu betreiben. Um dies zu erreichen ist es nötig das Stellungsregelungsventil so zu verfahren, dass sich die gleiche Menge einstellt, die zuvor durch die Gruppen 1 und 2 zusammen verdüst wurde.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Verwendung von Flachstrahldüsen vor.
Ein erfindungsgemäß beschriebenes System kann nahezu beliebig erweitert werden.

1. Die Düsengruppen sind in ihrer Größe und Anzahl beliebig vergrößerbar.
2. Die Bestückung der Düsen ist von Gruppe zu Gruppe und/oder innerhalb einer Gruppe hinsichtlich Spritzwinkel und/oder Größe variierbar.
3. Anstelle nur einer Pumpe sind mehrere parallel und/oder in Reihe schaltbar.
4. Es sind – statt vorzugsweise nur einem – mehrere Stellungsregelungsventile verwendbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand konkreter Ausgestaltungen der nachfolgend wiedergegebenen Konzeptionierungsbeispielen näher erläutert.
Bei den dargestellten Konzeptionierungsbeispielen handelt es sich um Konzepte zur Mengenerhöhung in einer so genannten Nassdressieranlage. Bei einer solchen Anlage handelt es sich um ein Nachwalzgerüst im Kaltwalzbereich in der Stahlbearbeitung, in dem sogenannte Coils, aufgewickelte Stahlbänder nachbearbeitet werden. Dabei wird das Coil abgewickelt und zwischen zwei gegenläufig drehende Walzen gezogen. Anschließend wird das Stahlband wieder aufgewickelt. Die Geschwindigkeit, mit der das Stahlblech durch die Walzen läuft ist dynamisch, wird so hoch wie möglich gesteigert und vor dem Coilende heruntergefahren. Dabei muss vor dem Passieren der Walzen immer eine bestimmte Menge Medium auf die Bandober und -unterseite gegeben werden, man spricht hier von Auflage. Diese konstant zu haltende Auflage führt zu einer kontinuierlichen Zunahme der erforderlichen Medienmenge infolge der Zunahme der Bandgeschwindigkeit. Da die Geschwindigkeit sich prozessbedingt ständig ändern kann, muss die Menge ebenfalls ständig, dynamisch nachgeregelt/angepasst werden.
Konzeptionierungsbeispiel 1:
Ausgangszustand
Ausgangs-Dosierungskonzept (vgl. 1):
In der Frequenz geregelte Pumpen beaufschlagen Düsen am Düsenbalken mit Druck. Die Regelung erfolgt bandgeschwindigkeitsabhängig durch Mengenabgleich zwischen den Pumpen und dem Durchflussmesser in der Hauptleitung. Die Verdüsung des Mediums geschieht über ein und dieselben Düsengruppe. Die maximale Verdüsungsmenge des Mediums ist hierbei durch den Arbeitsbereich der Düsen nach oben hin limmitiert.
Düsen spritzen druckabhängig, das heißt ihre maximale Durchflussmenge liegt bei dem maximalen Druck, hier bei noch sauberem Spritzbild bei etwa. 8 bar an.
Die derzeit montierten Pumpen liefern laut Messung bei einem Durchfluss von 21 l/min nur noch einen Druck von 4 bar. Dieser reicht natürlich nicht aus, um den maximalen Durchfluss an der Düse zu erreichen. Dieser beträgt derzeit ebenfalls max. 21 l/min
Der Prozess soll eine Auflage von 6 g bei 1800 m/min Bandgeschwindigkeit liefern.
Dafür ist ein Durchfluss von 36 l/min nötig. Zudem soll die derzeitige Mindestmenge reduziert werden.
Für eine Erhöhung der Auflage und Vergrößerung des Arbeitsbereiches muss die Maximalmenge erhöht und die Mindestmenge möglichst reduziert werden.
Der Zusammenhang von derzeitigem Regelverhalten der Pumpe über den Mengenbereich zu den eingebauten Düsen ist in 2 anhand der Kennlinien im Diagramm dargestellt. Die Pumpenkennlinie stellt dabei die praktisch vorhandene maximale dar.
Derzeit ist eine Pumpe des Typs CRNE 1–23 montiert. Deren Kennlinie ist in 3 dargestellt.
Empirisch ermittelt wurden folgende Werte:
Ausgangseitig ist eine Pumpe des Typs CRNE 1–23 montiert. In 3 ist deren Kennlinie zu sehen. Die in der Kennlinie angegebenen 1,2 m³/min entsprechen dabei 21 l/min.
Laut Kennlinie der CRNE 1–23 sollten noch 12 bar bei 1,2 m³/h vorhanden sein. Da aber nur 4 bar gemessen wurden, müssen Verluste von 8 bar vorhanden sein.
Die vorhandenen Pumpen sind also in der Leistung zu schwach. Daher müssen stärkere eingebaut werden.
Für eine Auflage von 6 g bei 1800 m/min Bandgeschwindigkeit ist ein Durchfluss von 36 l/min nötig.
Eine neue Pumpe sollte also in der Lage sein 40 l/min (2,4 m³/h) bei einem Druck von mindestens 10 bar zu liefern. Hinzu kommen noch diverse Druckverluste infolge von Armaturen und Rohrlängen, die es gilt aus zu gleichen. Dazu wird eine Pumpe des Typs CRN 3–36 ausgewählt. Diese liefert, wie in der Kennlinie, 4, zu sehen ist bei 40 l/min oder 2,4 m³/h immer noch einen Druck von 20 bar.
Mengenregelung
Um die Medienmenge über den gesamten Arbeitsbereich regeln zu können soll ein Stellungsregelventil in die Hauptleitung vor der konstant arbeitenden Pumpe eingebaut werden. Dieses kann den Querschnitt je nach Bedarf reduzieren und erweitern.
Die erforderliche Menge soll hierbei durch das Stellungsregelventil geliefert und mit dem vorhandenen Durchflussmesser abgeglichen werden. 5
Dadurch ist es möglich die Durchflussmenge des Mediums an den Arbeitsbereich der Düsen an zu passen. 6
Verdüsen einer Medienmenge bis 40 l/min
Düsen können max, einen Spritzbereich von 1:4 abdecken.
Daher kann ein Bereich von beispielsweise 4–40 l/min unmöglich mit einem Düsentyp abgedeckt werden. Da das Verhältnishier 1:10 ist.
Aufgrund dessen soll bei einer bestimmten Literleistung ein zweiter Satz Düsen hinzu geschaltet werden. 7
Insgesamt 16 Düsen, davon 8 Düsen für den unteren Bereich, weitere 8 sind für den oberen Mengenbereich hinzu schaltbar. 8
Vorschläge für die Bedüsung zur Bandabdeckung sind den 9 und 10 entnehmbar.
Die Erfindung ermöglicht damit folgende Mengen geregelt zu verdüsen:

2–28 l/min in Zone 1 (schmales Band)
4–40 l/min in Zone 1 + 2 (breites Band)

Konzeptionierungsbeispiel 2:
Ausgangs-Düsenkonzept:
Die derzeit montierten Düsenbalken (oben und unten) besitzen je 5 Düsen.
Davon je drei in Zone 1 (schmales Band) und 2 in Zone 2 (breites Band).
Die Gesamtmenge muss derzeit durch dieselbe Anzahl Düsen über den gesamten Bandgeschwindigkeitsbereich aufgebracht werden.
Die geforderte Auflage von 6 g/m² kann mit diesem Konzept nicht über denn gesamten Bereichaufgegeben werden. 1
Erfindungsgemäßes Düsenkonzept
Zwecks Erhöhung der Auflagen ergeben sich bei

• max. Bandgeschwindigkeit von 1800 m/min;
• Breite Zone 1 (schmales Band) 1000 mm
• Breite Zone 1 + 2 (breites Band) 1680 mm

• Zone 1: 21,5 l/min
• Zone 1 + 2: 34,0 l/min

Zur Sicherheit werden folgende Maximalmengen festgelegt:

• Zone 1: 24,0 l/min
• Zone 1 + 2: 40,0 l/min

Maßgabe für die Minimalmenge:

• So niedrig wie möglich und techn. vernünftig

Mit neuem Konzept mögliche Mindestmenge:

• Zone 1: c.a. 2,5 l/min
• Zone 1 + 2: c.a. 4,8 l/min

Konsequenz aus Mengenauftrag
Neukonstruktion DüsenbalkenAus den genannten Mengen [l/min] ergibt sich ein zu leistendes Spritzverhältnis von etwa 1:10
Die Düsen decken nur ein maximales Verhältnis von etwa 1:4 ab.
Von daher ist eine Anzahl von Düsen vorgesehen, die die Maximal -und Minimalmenge erbringen.
Außerdem müssen sich die Düsen immer im geeigneten Arbeitsbereich bewegen, um ein optimales Spritzbild zu erhalten.
Aufgrund der zu erbringenden Minimalmenge können z.B. daher im unteren Bereich nicht alle vorgesehen Düsen arbeiten.
Bedüsung Düsenbalken
Im Düsenkonzept sind insgesamt 26 Düsen geplant.
Davon 14 in Zone 1 (innen) und zusätzlich 12 in Zone 2(außen).
Die jeweils in der Mitte abgebildete Düse (je 1 oben u. unten) ist nur manuell hinzu schaltbar. 21
Alle Düsen werden für die gewünschte Durchflussmenge über das Steuerungs-Regelventil mit dem gleichen sich einstellenden Druck beaufschlagt.
Dabei ist direkt vor jeder Düse ein 2-2-Wege-Ventil montiert.
Somit kann jede Düse einzeln hinzu- oder abgeschaltet werden.
Um die Menge geregelt aufbringen zu können, ist die Schaltung der Düsen in Gruppen vorgesehen:

• Zone 1 (schmales Band) in Gruppen von je 4 Düsen
• Zone 1 + 2 (breites Band) in Gruppen von je 8 Düsen

Dabei sind aufgrund der erforderlichen Bandabdeckung Düsen mit unterschiedlichem Spritzwinkel auszuwählen, jedoch mit identischem äquivalentem Düsenquerschnitt.
Konzept zur Mengenaufbringung durch Düsenschaltung
Die Abhängigkeit von Druck und Spritzmenge der ausgewählten Düsentypen (für alle Typen identisch) sieht wie folgt aus:
nicht vom Hersteller veröffentlichte Werte sind interpoliert
Aufgrund der Düsenarbeitsbereiche ergeben sich drei Schaltstufen, mit ebenfalls drei Arbeitsvolumina:

n = Düsenanzahl Gruppe
Zone 1 = schmales Band
Zone 1 + 2 = breites Band

Durch die Düsenschaltfolge ergeben sich für Zone 1 folgende Mengenverläufe: 11
Für Betrieb Zone 1 + 2 ergeben sich folgende Mengenverläufe. 12.
Die Spritzmenge der Düsen ist abhängig vom anstehenden Druck.
Je höher dieser Druck, desto mehr Menge verspritzen die Düsen.
Anhand der gewünschten Durchflussmenge stellt sich der Arbeitsdruck ein.
Als theoretischer Arbeitsbereich wird vom Hersteller der Bereich von 0,7 bis 10 bar angegeben.
Praktisch stellt der Arbeitsbereich sich im Sinne eines einwandfreien Spritzbildes kleiner dar.
Bei Drücken gegen 10 bar findet eine stärker werdende Nebelbildung statt. Somit ist der Maximaldruck niedriger als 10 bar anzusetzen.
Werden die Arbeitdrücke gegen Minimaldruck gefahren, findet ein zunehmendes Zusammenbrechen des Spritzwinkels (Strahlbildung) statt.
Daher wurde zur Systemauslegung ein Arbeitsbereich von
1 bis max. 8 bar
festgelegt.
Die realen Minimalmengen können nur praktisch bei Inbetriebnahme eingestellt werden.
Bei Hinzuschalten von Düsen wird der anstehende Druck so angepasst (erniedrigt), sodass trotz der unterschiedlichen Düsenanzahl die gleiche Menge verspritzt wird.
Regelkonzept
Bei Hinzuschalten von Düsen wird der anstehende Druck so angepasst (erniedrigt), dass trotz der unterschiedlichen Düsenanzahl die gleiche Menge verspritzt wird.
Bei Hinwegschalten wird der Druck um die Menge anzugleichen erhöht.
Die Arbeitsbereiche der einzelnen Düsengruppen stellen sich wie folgt dar:
Zone 1 (schmales Band) 13
Konzept manuelle Mengenbeeinflussung
Aus produktionstechnischen Gründen kann es nötig sein, die Spritzmenge manuell zu erhöhen oder zu reduzieren.
Dazu sind folgende manuelle Einstellmöglichkeiten vorhanden:

• Die Gesamtspritzmenge kann mit +/- Tastern am Steuerpult verändert werden. Dabei wird die Mengenänderung über eine Änderung der Bandauflage im Programm bewirkt. Die Gültigkeit der Mengenänderung gilt nur für das aktuelle Coil.
• Alle automatisiert gefahrenen Düsen können am übergeordneten einzeln ab- oder zugeschaltet werden. Der Schaltzustand der Magnetventile wird dabei einzeln mittels Farbumschlag visualisiert. Die Zu -und Abschaltung erfolgt getrennt für die Bandober -und Unterseite. Ist die Menge in einem bestimmten Bandbereich zu hoch, kann dort gezielt eine Düse abgeschaltet werden. Die Gültigkeit der Düsenanwahl gilt nur für das aktuelle Coil.
• Zur Erhöhung der Emulsionsmengen im Mittenbereich kann manuell eine einzelne, mittig angeordnete zusätzliche Düse im Handbetrieb zu -oder abgeschaltet werden (am oberen sowie am unteren Balken).

Düsenanordnung auf den Spritzbalken
Die gewählte Anordnung der Düsen stellt die Grundanordnung für die Inbetriebnahme dar.
In der Konstruktionsphase werden genügend Reserveanschlüsse vorgesehen, so dass die Düsenanordnung, während der Inbetriebnahmephase optimiert werden kann.
Am oberen Spritzbalken wird zur Regelung und Visualisierung des Druckes ein Druckgeber (4–20 mA) montiert und auf dem Display visualisiert.
Es wird eine Durchflussmengenregelung realisiert.
Der Sollwert der Durchflussmenge wird anhand folgender Sollwerte mit Hilfe einer Funktionsgleichung und folgender Eingangsgrößen ermittelt:

– Bandbreite (Coil bezogen)
– Sollauflage (Coil bezogen)
– Bandgeschwindigkeit (dynamisch) Der Istwert wird über den vorhandenen Durchflussmengenmesser ermittelt. Die Dimensionierung des Stellungsregelventils wird anhand des festgelegten Durchflussmengenbereichs bzw. Druckbereichs sowie der erforderlichen Regeldynamik ausgelegt.

Der Druckgeber, welcher am Ende des oberen Düsenbalkens eingebaut wird, besitzt einen parametrierbaren minimalen bzw. maximalen Druckgrenzwert.
Dieser Druckbereich wird permanent durch dass Regelsystem überwacht. Auftretende Grenzwertüberschreitungen werden durch das System auf dem Display visualisiert und gemeldet.
Der Druckgeber wird als adaptiver Regler zum Mengenregelkreis eingesetzt. Somit ist es möglich bei Druckabweichungen gezielt die Mengen durch Verfahren des Stellungsregelventils zu verändern.

Claims

Vorrichtung zur weitestgehend stufenlos regelbaren Verdüsung flüssiger Medien in weiten Mengenbereichen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Medium über wenigstens zwei gruppierte Anordnungen von Düsen verdüsbar ist, wobei die jeweilige Gruppierung schaltbar ist und der Zeitpunkt der Schaltung der jeweiligen Gruppierung derart verstellbar ist, dass die verdüste Menge des zu verdüsenden Mediums weitestgehend konstant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltbarkeit der jeweiligen Gruppierung der Düsen durch zu- und/oder wegschalten wenigstens einer Düse und/oder einer Gruppierung von Düsen vornehmbar ist.