DE3330268C2 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
- F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
- F04B53/12—Valves; Arrangement of valves arranged in or on pistons
- F04B53/122—Valves; Arrangement of valves arranged in or on pistons the piston being free-floating, e.g. the valve being formed between the actuating rod and the piston
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für Pumpen oder Verdichter
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Kolbenanordnung mit einem als Schleppventil ausgebildeten Kolben ist aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift
17 35 455 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung sind bei dem
als Schleppventil ausgebildeten Kolben
die beiden Ventilsitze außen an beiden Kolben voneinander abgewandt angeordnet und
ist im Ventilkörper ein Strömungsquerschnitt freigelassen. Dieser Strömungsquerschnitt
verursacht einen hohen Energieverbrauch für den Pumpenantrieb aufgrund der
Reibungsverluste im Querschnitt.
Ausgehend von dieser bekannten Konstruktion liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde,
den Energieverbrauch für
den Pumpenantrieb wesentlich zu verringern.
Diese Aufgabe wird
bei einer Kolbenanordnung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden
Teil enthaltenen Merkmale gelöst.
Mit einer derartigen Kolbenanordnung können alle Arten
von Medien gepumpt werden, wie beispielsweise Öl, welches
große Gasmengen enthalten kann oder nicht. Hierbei wird eine tatsächliche
Pumpkapazität erreicht, welche im wesentlichen der theoretischen maximalen
Pumpkapazität entspricht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ist vorgesehen,
daß ein zweites, beim Förderhub öffnendes Rückschlagventil in Förderrichtung
nach dem Kolben im Zylinder vorgesehen ist.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird eine Kolbenanordnung gemäß der Erfindung anhand einer in der Zeichnung beispielhaft
veranschaulichten Ausführungsform näher erläutert. Die Zeichnung
zeigt eine skizzenhafte seitliche Schnittansicht der Einzelteile eines in
einem Zylinder angeordneten Kolbens, wobei die Förderrichtung von unten
nach oben verläuft.
Ein Kolben 2 ist innerhalb eines Zylinders 1 verschiebbar gelagert und weist
eine Kolbenstange 3 und einen einfachen Ventilkörper 4 auf.
Der Kolben 2 ist als Schleppventil 5 ausgebildet, welches durch den Ventilkörper
4 und die beiden Ventilsitze 8, 9 am Kolben 2 gebildet wird, mit welchem der
Ventilkörper 4 in Eingriff gelangt. Da das Schleppventil 5 auf der Saugseite
des Kolbens 2 angeordnet ist, ist das Druckverhältnis innerhalb
der Pumpe optimal.
Der freie Raum zwischen der Kolbenstange 3 und dem aus einem zylindrischen
Ring bestehenden Kolben 2 stellt den einzigen Faktor dar, durch
welchen der Strömungsquerschnitt durch den Kolben 2 begrenzt ist. Es ist
daher möglich, den Durchflußquerschnitt im Schleppventil 5 zu
optimieren, indem der Raum zwischen dem Ventilkörper
4 und dem Zylinder 1 so dimensioniert wird, daß
der Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilkörper 4
und dem Zylinder 1 gleich dem Durchflußquerschnitt zwischen der Kolbenstange
3 und der Innenquerschnittsfläche des Kolbens 2 ist.
Beispielsweise läßt sich dieser Raum zwischen dem Ventilkörper und dem Zylinder dadurch reduzieren, daß die minimale Innenquerschnittsfläche
des Kolbens 2 im Bereich des Ventilsitzes 9 reduziert wird,
wie dies in der Zeichnung beim Bezugszeichen 10 angedeutet ist.
Im folgenden wird der Betrieb des Kolbens 2 im Anwendungsfall als Pumpe
näher erläutert. Hierbei wird die Kolbenstange 3 in senkrechter Richtung
auf und ab bewegt, wie dies bei den in der Erdölindustrie verwendeten
Pumpen üblich ist. Die folgende Erklärung der Betriebsweise gilt für alle
Pumpen oder Verdichter, bei denen das Prinzip positiver Verdrängung
angewandt wird. Falls die Kolbenstange 3 in einer von der Senkrechten
abweichenden Richtung bewegt wird, müßten lediglich die Schwerkraftkomponenten
berücksichtigt werden, welche in der senkrechten Richtung wirken.
Während des Betriebs der Pumpe wird, wenn die Kolbenstange 3 beginnt
sich aus der äußersten oberen Stellung nach unten zu bewegen, ein ringförmiges
Rückschlagventil 6, welches in Förderrichtung hinter dem Kolben
2 am Zylinder 1 befestigt ist und welches verwendet wird, wenn sich
innerhalb des zu pumpenden Mediums ein hoher Gehalt an Gasen und/oder
Wasserdampf in gelöster Form befindet, geschlossen, um die Wirkung des
Gegendrucks und die Wirkungen der Flüssigkeitssäule oberhalb des Rückschlagventils
6 aufzunehmen. Währenddessen wird der Kolben 2 durch die
Kolbenstange 3 mechanisch und durch die Wirkung des Gewichts der verringerten
Flüssigkeitssäule zwischen dem Schleppventil 5 und dem Rückschlagventil
6 oder durch die gesamte Flüssigkeitssäule bei Fehlen des
Rückschlagventils 6 nach unten bewegt, bis das Ansteigen des Drucks
zwischen dem Schleppventil 5 und einem in dem Zylinder 1 auf der Saugseite,
d. h. in Förderrichtung vor dem Kolben 2, im Zylinder 1 befestigten
Rückschlagventil 7 und primär die Reibung zwischen dem Kolben 2
und dem Zylinder 1 die Bewegung des Kolbens 2 nach unten aufhalten.
Wenn der Kolben 2 angehalten wird, wird der Ventilkörper 4, welcher an
der Kolbenstange 3 befestigt ist, von seinem Ventilsitz 9 im Kolben 2 getrennt
und senkt sich weiter ab, bis letztlich der Kolben 2 über den Ventilkörper
4 und eine Verlängerung 11 des Kolbens 2, an deren Unterende ein
weiterer Ventilsitz 8 befestigt ist, in Abwärtsrichtung mitgenommen wird.
Das Öffnen des Schleppventils 5 erfolgt zwangsweise und nicht aufgrund
von Druckdifferenzen. Folglich muß das zu fördernde Medium, welches im
Zylinder 1 zwischen dem Schleppventil 5 und dem auf der Saugseite vorgesehenen
Rückschlagventil 7 befindlich ist, nicht komprimiert werden.
Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 2 strömt das Medium durch das
Schleppventil 5 und den Innenquerschnitt des Kolbens 2.
Sobald der Kolben 2 seinen unteren Totpunkt erreicht hat und die Kolbenstange
3 beginnt sich nach oben zu bewegen, gelangt der Ventilkörper 5
in Eingriff mit seinem Ventilsitz 9 an dem Kolben 2, wobei das Schleppventil
5 geschlossen wird, sobald die Berührung zwischen dem Ventilkörper 4 und
dem Ventilsitz 9 hergestellt ist. Nachdem sich das Schleppventil 5 geschlossen
hat, wird die Aufwärtsbewegung auf den Kolben 2 übertragen, wobei sämtliche
Vorgänge in einem Zustand erfolgen, in welchem die Relativgeschwindigkeit
des Mediums auf beiden Seiten des Kolbens 2 Null ist. Während
sich der Kolben 2 nach oben bewegt, wird ein Druckabfall innerhalb des
Zylinders 1 zwischen dem Schleppventil 5 und dem Rückschlagventil 7 erzeugt,
bis der Druck kleiner ist als der Druck in irgendeinem Behälter
oder an irgendeinem Ort, wo die zu fördernden Medien befindlich sind.
Zu diesem Zeitpunkt öffnet das Rückschlagventil 7, so daß das Medium aus
dem Tank od. dgl. in das Innere des Zylinders 1 strömen kann.
Gleichzeitig wird in den Fällen, in denen das zusätzliche, in Förderrichtung
hinter dem Kolben 2 liegende Rückschlagventil 6 verwendet
wird, beispielsweise wenn dies der Gehalt an Gasen und/oder Wasserdampf
in dem Medium erfordert, das im Inneren des Zylinders zwischen dem
Schleppventil 5 und dem Rückschlagventil 6 befindliche Medium komprimiert,
bis der Druck in diesem Bereich höher ist als der Gegendruck und
gleichzeitig höher als das Gewicht der Flüssigkeitssäule, die auf dem
Rückschlagventil 6 lastet, worauf dann dieses Ventil öffnet und das
Medium in Förderrichtung strömen kann.
Wenn letztlich der Kolben 2 seinen oberen Totpunkt erreicht und beginnt
sich nach unten zu bewegen, schließt das Rückschlagventil 7 und der oben
beschriebene Pumpenzyklus wird wiederholt.
Es ist offensichtlich, daß bei der beschriebenen Konstruktion vor Beginn
des Saugzyklus des Kolbens 2 die Kolbenstange 3 zunächst den Ventilkörper
4 bewegt, bis dieser mit dem Ventilsitz 9 am Kolben 2 in Eingriff
gelangt, wodurch dann das Schleppventil 5 geschlossen wird. Diese Vorgänge
erfolgen, während die Relativgeschwindigkeit des Mediums auf beiden
Seiten des Schleppventils 5 Null ist, so daß praktisch keine durch
das Medium hervorgerufene Erosion an den Einzelheiten des Kolbens erfolgen
kann.
Da das Schleppventil 5 in dem Kolben 2 schließt, ehe der Saughub beginnt,
beträgt das geförderte Volumen effektiv das Maximalvolumen.
Falls das geförderte Medium einen hohen Gehalt an Gasen und/oder Wasserdämpfen
aufweist, sorgt die Tatsache, daß das Schleppventil 5 mechanisch
zwangsgeöffnet und nicht durch Druckdifferenzen betätigt ist, dafür, daß
es zu keiner Blockierung durch Gase und/oder Wasserdampf kommen kann.
Dies ist ebenso von besonderer Bedeutung, wenn das gepumpte Medium Gehalte
an schleifernden Materialien enthält, da die mechanisch hervorgerufene
Bewegung unter Abwesenheit hoher Drücke erfolgt, so daß der Abrieb
aufgrund des schleifenden Materials in dem gepumpten Medium bei einem
Minimum gehalten wird.
Claims (3)
1. Kolbenanordnung für Pumpen oder Verdichter, bei der
ein im wesentlichen rohrförmig ausgebildeter Kolben
in einem Zylinder über eine Kolbenstange bewegbar
gelagert und als Schleppventil ausgebildet ist, wobei ein
in der Kolbenstange befestigter Ventilkörper zwischen
zwei am Kolben angeordneten Ventilsitzen hin- und
herbewegbar ist und der Kolben über den Ventilkörper
mitgenommen wird, und bei der in Förderrichtung vor dem
Kolben ein Rückschlagventil im Zylinder vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Ventilsitze (8 9) im Kolben (2) an dessen dem Rückschlagventil (7) zugewandten Ende beiderseits
des Ventilkörpers (4) einander axial gegenüberliegend
angeordnet sind, daß sowohl zwischen dem Ventilkörper (4)
und der Innenwand des Zylinders (1) als auch zwischen dem dem
Rückschlagventil (7) nichtliegenden Ventilsitz (8) und der
Innenwand des Zylinders (1) je ein Strömungsquerschnitt
freigelassen ist, und daß der Strömungsquerschnitt zwischen
dem Ventilkörper (4) und der Innenwand des Zylinders (1)
im wesentlichen gleich dem Strömungsquerschnitt zwischen
einer minimalen Innenquerschnittsfläche des Kolbens (2) und
der Kolbenstange (3) ist.
2. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweites, beim Förderhub öffnendes Rückschlagventil (6)
in Förderrichtung nach dem Kolben (2) im Zylinder (1)
vorgesehen ist.
3. Kolbenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die minimale Innenquerschnittsfläche
des Kolbens (2) im Bereich des dem in Förderrichtung vor
dem Kolben (2) vorgesehenen Rückschlagventil (7) abgewandten
Ventilsitzes (9) ausgebildet ist.
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