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Dosierverfahren und -vorrichtung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zumischen einer Komponente
B in einen Strom der Komponente A, wobei zur Förderung der Komponente A hoher Druck
erforderlich sein kann und/oder Druckschwankungen auftreten können, und die Dosierung
von B durch eine kontinuierlich arbeitende Rotationsverdrängerpumpe erfolgt, deren
Drehzahl abhängig vom Mengenstrom A gesteuert wird und Vorrichtungen zur Durchführung
des Verfahrens.
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Das kontinuierliche Zumischen einer Komponente B in einen Strom A
durch Einspritzen ist bekannt, wobei als Dosierpumpen für die Komponente B Kolben-
und zwangsfördernde Rotationsverdrangerpumpen verwendet werden. Schwierigkeiten
können auftreten, wenn in einen Strom A mit verhältnismäßig hoher Viskosität ein
geringer Anteil einer Komponente B zudosiert werden soll. Bei Kolbenpumpen ist wegen
des diskontinuierlichen Schubes die Zudosierung ungleichmäßig. Bei zwangsftrddrneen
Rotationverdrägerpumpen ist die erauet häufig nicht ausreichend Die Probleme werden
erheblich vergrößert, wenn der Druck in der Leitung der Komponente A hoch ist und/oder
schwankt.
Dabei wird die Dosiergenauigkeit von Kolbenpumpen herabgesetzt, weil der Ventilschlupf
vom Druck auf der Ausgangsseite, bzw. bei Zahnradpumpen, die Förderung von den Drücken
an der Ein- und Ausgangsseite der Pumpe abhängig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen
zu entwickeln, womit eine exakte Zudosierung einer Komponente B in einen Strom A
über lange Zeit möglich wird, auch wenn der Druck in der Leitung der Komponente
A groß ist und/oder schwankt.
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Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß durch eine Druckerhöhungspumpe
ein Druck im Mengenstrom der Komponente B aufgebaut wird, der mindestens gleich
dem maximal im Strom der Komponente A auftretenden Druck ist und ein Teilstrom vor
der Dosierpumpe abgeleitet wird, wobei die Menge des abgleiteten Stromes so geregelt
wird, daß der Druck im Strom der Komponente B vor der Dosierpumpe näherungsweise
gleich dem Druck im Strom der Komponente A wird und der Druckabfall über der Dosierpumpe
konstant und möglichst klein gehalten wird.
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Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Steuerorgan
ein Stellglied abhängig von der Druckdifferenz über der Rotationsverdrängerpumpe
auslenkbar ist und durch das Stellglied der Drosselquerschnitt der Rückführleitung
veränderbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind nicht auf
ein bestimmtes Mengenverhältnis A zu B oder auf bestimmte Druckbereiche beschränkt.
Sie eignen sich aber ganz besonders für die "schwierigen" Fälle. In einen Hauptstrom
A können sehr genau Additive B auch in einem Mengenverhältnis 1000:1 oder kleiner
zudosiert werden. Es kann die Viskosität der Komponente B stark von der Viskosität
von der Komponente A nach oben und unten abweichen. Es kann der Förderdruck in der
Leitung für die Komponente A hoch sein,
beispielsweise 100 bar oder
mehr, und es kann der Druck in der Leitung A schwanken, ohne daß sich die Dosiergenauigkeit
ändert. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine lange Standzeit und damit hohe
Betriebssicherheit aus. Es lassen sich Komponenten zudosieren, die zur Kristallisation
neigen.
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Auch aggressive oder heiße Komponenten können bei Berücksichtigung
bekannter Werkstoffeigenschaften zugemischt werden.
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Durch die Verwendung von Rotationsverdrängerpumpen, insbesondere Zahnradpumpen,
ist ein regelbarer Betrieb auch unter rauhen Bedingungen gewährleistet, denn die
Verunreinigungsgefahr dieses Pumpentyps ist sehr klein. Bei der erfindungsgemäßen
Betriebsweise kommt es auf einen (konstanten) Schlupf oder auf hohe Dichtigkeit
des Drosselventilsitzes nicht an.
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Bei der Auslegung der Dosiervorrichtung ist die Druckerhöhungspumpe
so zu bemessen und die Drosselstelle in dem Steuerorgan so einzustellen, daß bei
allen Betriebsbedingungen ein Teil des Stromes der Komponente B über das Steuerorgan
wieder zurückgeführt wird und daß der Druck an der Zahnradpumpe mindestens so groß
werden kann wie der maximal vorkommende Druck in der Leitung für die Komponente
A.
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An die Druckerhöhungspumpe ist besonders die Anforderung der stetigen
Förderung zu stellen, welches durch eine Rotationsverdrängerpumpe (Zahnradpumpe)
hinreichend erfüllt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Steuerorgan eine elastische
Wand (Membran), die so empfindlich auf Druckänderungen in der Mischleitung hinter
der Dosierpumpe für die Komponente B reagiert, daß die Zusammensetzung des Gemisches
A und B auch bei Drudchw=9cssen bzw. Druckverstllungen, beispielseise
um
einen Faktor 5 sich nicht ändert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und eine Vorrichtung sind beispielhaft
in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur
1 ein Verfahrensschema; Figur 2 einen Schnitt durch eine membrangesteuerte Drosselvorrichtung.
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Der Mengenstrom der Komponente A wird bei 1 (beispielsweise mit einer
Venturi-Anordnung) gemessen. Diese Meßgröße wirkt über den Regler 2 auf die Drehzahl
des Motors 3 ein, der eine zwangsfördernde Rotationsverdrängerpumpe (Zahnradpumpe)
4 antreibt. Die Fördermenge einer Zahnradpumpe ist nicht nur abhängig von der Drehzahl,
sondern auch von der Druckdifferenz aus dem Druck P1 bei 5 und P2 bei 6. Der bei
6 gemessene Druck ist näherungsweise gleich dem Druck in der Leitung 8. In vielen
Anwendungsfällen ist der Druck in der Leitung 8 nicht konstant. Daher wäre die alleinige
Steuerung der Pumpendrehzahl bei dieser Betriebsweise nicht für eine genaue Dosierung
ausreichend, weil wegen der Spaltverluste der Verdrängerpumpe 4 der Dosierfehler
zu groß werden wurde.
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Herrschen jedoch an der Pumpe 4 stets gleiche Betriebsverhältnisse,
insbesondere ein konstanter, möglichst kleiner Differenzdruck zwischen Pumpenein-
und-ausgang, so ist die Drehzahl der Fördermenge proportional, die Spaltverluste
ändern sich nicht und brauchen nicht extra berücksichtigt zu werden. Das Steuerorgan
7 bewirkt bei richtiger Einstellung, daß die Drücke P1 und P2 näherungsweise auf
gleichem Niveau (Druckabfall beispielsweise 0,001 bar) gehalten werden, im Mittel
der Schlupf in der Dosierpumpe 4 schwindet und die Pumpe dabei ihre theoretische
Fördermenge bei jeder einstellbaren Drehzahl liefert. Dazu ist erforderlich, daß
durch eine Vordruckpumpe
9, die von einem Motor 10 angetrieben
wird, ein so hoher Druck bei einer ausreichend großen Fördermenge aufgebaut wird,
daß auch bei der maximal zur Zudosierung erforderlichen Menge B immer noch ein Teilstrom
über die Leitung 11 abfließt. Dieser Strom wird zurückgeführt und über 12 wieder
eingespeist. Der Dosierstrom aus der Pumpe 4 gelangt ebenfalls in die Stellvorrichtung,
wo er von dem Uberschußstrom in der Leitung 11 durch eine elastische embran getrennt
ist. Ein differentieller Druckunterschied zwischen den beiden Flüssigkeitsströmen
führt dazu, daß sich die Membran in die Richtung auf den Raum mit dem niedrigeren
Druck auslenkt, weil sich zwischen den Kräften Druckdifferenz Membranfläche und
Membranrückstellkraft stets ein Gleichgewichtszustand hält. Auf der Vordruckseite
(P1) ist an der Membran ein Ventil stößel angebracht, der auf einen Gegensitz geführt
wird. Ist P2 größer als P1, so steigt die Kraft Druckdifferenz . Membranfläche über
die Membranrückstellkraft und mindert den Durchfluß durch den Ventilsitz, wodurch
der Druck auf der Vordruckseite der Membran durch den kontinuierlich nachfließenden
Uberschußstrom angehoben wird. Dadurch wird die Druckdifferenz vermindert,und die
erhöhte Membranrückstellkraft vergrößert die Distanz zwischen Ventilsitz und Stößel,
wodurch der freie Durchtrittsquerschnitt für den Oberschußstrom anwächst. Solange
ein Uberschußstrom vorhanden ist, ist das Gleichgewicht zwischen den Kräften sichergestellt.
Daher ist selbst dann noch eine exakte Dosierung möglich, wenn der Ventilsitz durch
Verschleiß oder Verschmutzung in der Endlage nicht dicht ist, wenn nur der Überschußstrom
größer als diese Leckage ist.
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Der Ventilsitz der Stellvorrichtung ist über ein Gewinde
mit
Stoffbuchsabdichtungen in seiner Höhe relativ zur Ventilstößelruhelage einstellbar,
so daß durch Vergleich von P1 und P2 der Punkt gefunden werden kann, an dem in der
Betriebsgleichgewichtslage sich die Kraft Druckdifferenz Membranfläche und die Membranrückstellkraft
aufheben. Ein Rückschlagventil 13 dient der Absicherung. In diesem Beispiel erfolgt
die Regelung ohne Zufuhr von Fremdenergie.
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Das Steuerorgan als membrangesteuerte Drosselvorrichtung ist in der
Figur 2 besonders dargestellt. Der Strom der Komponente B,der in den Strom A über
ein Rückschlagventil 13 eindosiert werden soll, wird dem Steuerorgan bei 14 zugeführt
und bei 15 weitergeleitet. Der vor der Dosierpumpe 4 über 11 abgezweigte Teilstrom
durchströmt die Vorrichtung von 16 nach 17. Der dosierte Strom der Komponente B
umfließt nur den Außenbereich der Membran 16. Der Ventilstößel 19 verändert den
Strömungsquerschnitt im Sitz 18.
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Die folgende Abschätzung charakterisiert die Empfindlichkeit.
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Die Membran habe eine Querschnittsfläche von 30 cm2 und eine Federsteifigkeit
von 10 N/mm. Die Druckdifferenz zwischen P1 und P2 betrage 0,01 bar = 0,1 N/cm2.
Die Kraft Druckdifferenz Membranfläche entspräche dann 3 N. Dies ist im Gleichgewichtszustand
auch der Betrag der Membranrückstellkraft.
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Die Membran würde aus der Null-Lage um einen Federweg von 3 N (Rückstellkraft)
zu 10 N/mm (Federseifigkeit) entsprechend 0,3 mm ausgelenkt. Bei einem kegeligen
450-Sitz mit einer 2 mm -Bohrung als größtem freiem Querschnitt wird durch eine
Hubverringerung von ca. 0,7 mm der freigegebene Querschnitt zwischen 0 und 100 %
geändert. Das führt dazu, daß die Hubschwankungen um die Gleichgewichtslage in der
Größenordnung
von zehntel mm liegen. Weil die Drücke in dem System durch inkompresible Stoffe
übertragen werden, erfolgt die Anpassung der beiden Drucksysteme mit Schallgeschwindigkeit.
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Zur Prüfung des Dosierverhaltens der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wurden als Komponente B ein Hydrauliköl mit einer Zähigkeit von 45 cP und Äthylenglykol
mit einer Viskosität von 21 cP nacheinander verwendet. Die Dosierpumpe 4 lieferte
theoretisch 0,3 cm3 je Umdrehung. Im Versuch wurde bei konstantem Stoffstrom A die
Pumpe 4 zur Verifizierung von unterschiedlichen Dosierverhältnissen mit unterschiedlichen
Drehzahlen zwischen 17 und 90 U/min angetrieben und dabei der Druck im Stoffstrom
A für jede Meßreihe zwischen 20 bar und 100 bar verstellt. Für die verschiedenen
Drehzahl- und Druckeinstellungen wurden jeweils die dosierten Stoffmengen B gewichtsmäßig
pro Zeiteinheit bestimmt. Die Auswertung zeigte, daß die Abweichung von der theoretischen
Fördermenge der Dosierpumpe für alle Messungen unter 0,45 t lag. Die Fehlerabweichung
erklärte sich aus der Genauigkeitsgrenze des Meßverfahrens bei dem die Proben mit
einer Meßdauer von einer Minute von Hand genommen wurden. Die stochastischen Abweichungen
konnten daher in keinen funktionalen Zusammenhang mit dem Druckniveau des jeweiligen
Versuchs gebracht werden.