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Verfahren und Vorrichtung zum Betriebe von Pumpenanlagen mit Pumpen
für verschiedene Liefermengen und Widerstandshöhen. Selbsttätige, ohne Hochbehälter
arbeitende Pumpenwerke wurden bisher derart ausgeführt, @daß dem veränderlichen
Wasserbedarf entsprechend eine Anzahl meist gleich großer Pumpen vorgesehen wurde,
die das zu speisende Rohrnetz bei beliebigem Wasserverbrauch unter annähernd konstantem
hohen Drucke hielten. Bei Fallen des Druckes im Druckluftbehälter, der zum Ausgleich
.der Schwankungen in die Druckleitung geschaltet wird, unter einen bestimmten Wert
wird durch einen Druckschalter die erste Pumpe eingeschaltet, bei weiter sinkendem
Druck die zweite Pumpe dazugeschaltet; bei noch größerer Wasserentnahme und noch
weiterem Sinken,des Druckes tritt die dritte und schließlich die vierte Pumpe dazu,
,derart, d'aß bei der größten Wasserentnahme im Verbrauchsrohrnetz &r niedrigste
Druck von den Pumpen erzeugt wird, bei ,dem geringsten Wasserverbrauch hingegen
der höchste Druck.
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Dieses bisher übliche Verfahren besitzt,den großen Nachteil, daß die
Drücke gerade in umgekehrter Weise hergestellt werden, als es dem Bedürfnis entspricht.
Bei einer Wasserversorgungsanlage muß man fast stets damit rechnen, @daß von .der
Pumpenanlage eine Hauptrohrleitung bis zum Verteilungsnetz
führt.
In der Hauptrohrleitung und im Verteilungsnetz sind -die Reibungswiderstände zu
überwinden, die bekanntlich mit dem Quadrate der Liefermenge wachsen.
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Während daher bei geringem Wasserverbrauch, etwa in der Nacht, :die
Reibungswiderstände entsprechend klein sind, werden sie zu einem Höchstwert beim
größten Wasserverbrauch. Die ermittelte Höchstleistung muß einen Höchstbetriebsdruck
ergeben, auf den alle Pumpen drücken müssen, so daß also bei normalem oder durchschnittlichem
Wasserverbrauch ein viel zu hoher Druck unter entsprechender Arbeitsvergeudung erzeugt
wird. Andererseits wird man zur Vermeidung zu hoher Betriebskosten die Rohrleitungen
hauptsächlich unter Berücksichtigung der maximalen Durchflußmenge mit verhältnismäßig
großer Lichtweite bemessen müssen, um für den Betriebsfall des Auftretens der größten
Widerstandshöhe den beabsichtigten effektiven Druck an der Verbrauchsstelle zu erhalten.
Man macht also hierbei den Fehler, die Rohrleitung für einen nur ganz kurze Zeit
vorkommenden Ausnahmebetriebszustand zu bemessen, so daß sie für den am meisten
vorkommenden Durchschnittswasserverbrauch, dem mit Rücksicht auf die weit größere
Betriebsstundenzahl auch die entsprechend größere Bedeutung zukommt, in ihren Abmessungen
zu groß ist, so daß die Anschaffungskosten und damit auch die Kosten für die Verzinsung
und Amortisation des Anlagekapitals, also die Betriebskosten, zu hoch werden.
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Durch das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren wird nun
erreicht, daß der gleiche Arbeitseffekt bei wesentlicher Ersparnis an Anlagekosten
infolge Verringerung der Rohrleitungsabmessungen erzielt und gleichzeitig an Betriebskosten
bedeutend gespart wird. Diesem Arbeitsverfahren liegt der Gedanke zugrunde, daß
das Rohrleitungsnetz nicht für die maximale Durchflußmenge zu berechnen ist, sondern
für die während der größten Anzahl Stunden des Jahres in Frage kommende Liefermenge.
Bei einer vorhandenen Rohrleitungsanlage mit einem zu geringen Querschnitt für den
erhöhten Wasserdurchfluß kann die Anlage einer zweiten Druckrohrleitung erspart
werden.
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Zu diesem Zwecke wird für den Höchstwasserverbrauch eine Pumpe mit
großer Liefermenge auf große Förderhöhe für verhältnismäßig kurze Zeit in Betrieb
gesetzt, wogegen für den am häufigsten vorkommenden Wasserverbrauch eine andere
Pumpe mit einer Normalliefermenge auf eine kleinere Widerstandshöhe vorgesehen wird
und bei vermindertem Wasserverbrauch jeweilig eine kleinere Pumpe mit geringerer
Förderhöhe selbsttätig in Betrieb tritt, gleichzeitig aber immer die größere Pumpe
außer Betrieb gelangt.
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Ist dann beispielsweise die maximale Liefermenge für nur wenige Stunden
des Jahres doppelt so groß, so kann man für diese kurze Zeit auch .die dabei auftretende
viermal so große Rei:bungswiderstandshöhe berücksichtigen und überwinden. Auf jeden
Fall sind dabei noch immer die Jahresbetriebskosten bedeutend niedriger, wenn unter
diesen Betriebskosten die Summe aus den Kosten für die Verzinsung und Amortisation
des Anlagekapitals und den Betriebsstromkosten verstanden wird. Eine weitere Eigentümlichkeit
dieses Arbeitsverfahrens liegt darin, daß bei geringem Wasserverbrauch, also bei
geringen Widerstandshöhen, stets nur Pumpen in Betrieb stehen, deren Druckhöhe beim
günstigsten Wirkungsgrade der tatsächlich vorhandenen geringeren Gesamtwiderstandshöhe
entspricht.
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Erfindungsgemäß werden demnach die Pumpen nicht mehr in Abhängigkeit
von den Drücken eingeschaltet, sondern in Abhängigkeit von den Verbrauchsmengen
im Rohrnetz, welche aus dein Preßluftbehälter abfließen. Statt :eines Druckschalters
kommt also hier ein Liefermengenschalter zur Anwendung, der je nach der Größe des
Wasserbedarfes die jeweilige passende Pumpe einschaltet und die infolge Änderung
der Bedarfswassermenge nicht mehr passende Pumpe selbsttätig ausschaltet. Die Umschaltung
von einer Pumpe auf die andere kann natürlich auch von Hand vorgesehen werden, wenn
besondere Umstände dies wünschenswert erscheinen lassen.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise dargestellt. In
Abb. t ist in einem Diagramm die Wirkungsweise der gesamten Pumpenanlage sowohl
nach dem bisherigen Druckschaltungssystem wie auch nach dem neuen Liefermengenschaltungssystem
gezeigt. Als Abszissen sind die Liefermengen Q und als Ordinaten die Förderhöhen
H
aufgetragen. Die Wagerechte A stellt den Saugwasserspiegel, die Gerade B
den Aufstellungsort der Pumpen, die Höhe A-B daher die Saughöhe, B-C die Druckhöhe
bis zur höchstgelegenen Ausflußstelle und C-D den dort noch für erforderlich erachteten
Überdruck dar, der zur Erzielung der nötigen Ausflußgeschwindigkeit dient. Die Höhe
A-D ist somit die geometrische Gesamtfö rderhöhe. Hierzu kommen noch die Reibungswiderstände,
die durch die Kurve Do E dargestellt sind. Die Liefermenge Q,, ist die kleinste,
bei der Anlage überhaupt vorkommende Liefermenge, die Liefermenge Q4 die größte,
nur in seltenen Fällen auftretende Verbrauchsmenge.
Bei dem- Druckschaltungssystem
- verwendete man bisher beispielsweise vier gleiche Pumpen, die zusammen die Höchstliefermenge
Q4 ergaben und Drücke erzeugten, die in den Kurven Dl, D2, D3, D4 dargestellt sind.
Bei Anwendung der neuen Schaltung in Abhängigkeit von der Liefermenge werden bei
dem vorliegenden Beispiel vier Pumpen I, II, III, IV verwendet mit den zugehörigen
Höchstliefermengen Q1, Q2, Q3, Q" welche manometrische Förderhöhen erzeugen, die
durch die Kurven L1, L2, L3, L4 (dargestellt sind. Diese Pumpen fördern also nicht
wesentlich höher, als es gemäß der Kurve D"E der manometrischen Gesamtförderhöhe
erforderlich ist. Steigt die Liefermenge von Q" bis Q1 beim Betriebe mit der Pumpe
I, so, wird durch den Liefermengenschalterdie Pumpe I aus- und gleichzeitig
die Pumpe II eingeschaltet; steigt die Liefermenge weiter bis Q2, so wird die Pumpe
II aus- und die Pumpen III eingeschaltet usf. Bei Verminderung des Abflusses in
das Rohrnetz werden in 'gleicher Weise die nächstkleineren Pumpen ein- und die zu
großen selbsttätig ausgeschaltet. Wenn daher die am häufigsten vorkommende Liefermenge
etwa die :der Pumpe II ist, so ist die Ersparnis an Druckhöhe, also auch an Stromverbrauch
durch die schraffierte Arbeitsfläche zwischen den Kurven. Dz und L dargestellt.
Sie beträgt in Odem gewählten Beispiel ungefähr 40 Prozent. Wie aus den Wirkungsgradkurven
r1, 12, % und r4 ersichtlich, arbeiten die Pumpen mit nahezu konstantem maxinralen
Wirkungsgrad.
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Zu dem beschriebenen Arbeitsverfahren ist bei selbsttätigem Betriebe
ein Schalter erforderlich, der bei bestimmten Verbrauchsmengen, wie sie durch den
Hauptrohrstrang fließen, die zugehörige Pumpe mit der entsprechenden Liefermenge
einschaltet und gleichzeitig die -bis dahin in Betrieb gewesene Pumpe mit der zu
kleinen oder zu großen Liefermenge ausschaltet.
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Ein solcher Schalter läßt sich auf vielerlei Weise herstellen. Es
gibt eine große Zahl von Wassermessern, die eine veränderliche Liefermenge anzeigen,
und @di@e veränderliche Stellung dieser Anzeige kann dann auf irgendeine Weise zur
Einleitung der Schaltung der einzelnen Pumpenmotoren verwendet werden.
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In den Abb. 2, 3, 4 und 5 ist eine der vielfachen Ausführungsmöglichkeiten
eines derartigen Schalters dargestellt. In Abb. a ist der hydraulisch beeinflußte
Teil des Schalters S in einem lotrechten Schnitt dargestellt. Die Vorrichtung wird
mit den Flanschen a und b in die Hauptabflußrohrleitung eingebaut. Das Wasser fließt
durch das Gehäuse und durchströmt dabei einen hohlkegelförmigen Rohrstutzen c, dessen
Querschnitt durch einen Kolben d von kleinerem Durchmesser als die engste Stelle
.des Rohrstutzens derart vermindert wird, @daß zwischen Rohrstutzen und Kolben nur
eine ringförmige Durchgangsfläche für den Durchtritt des Wassers übrigbleibt, so
daß das Wasser eine höhere Geschwindigkeit annehmen muß.
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Hierdurch entsteht ein nach oben gerichteter, auf den Kolben d wirkender
Druckunterschied, durch den das Gewicht des Kolbengestänges überwunden wird, derart"daß
sich je nach der Größe der Durchflußmenge die Kolbenstellungen, i, 2, 3 bzw. 4 ergeben.
Der Kolben d ist mit einer Kolbenstange e verbunden, die oben in einer Büchse f
leichtgehend geführt ist und am unteren Ende einen Kolben g trägt, der in einem
Zylinder h sich bewegt. Beim Aufsteigen des Kolbens g saugt dieser das Wasser durch
einen Kanal i aus ,dem Gehäuse ab, und .durch eine einstellbare Drosselschraube
h kann -die angesaugte Wassermenge so geregelt werden, daß das Kolbengestänge nicht
auf plötzliche Schwankungen in der Durchflußmenge sofort ausgiebig anspricht, sondern
sich nur ganz langsam aufwärts oder abwärts bewegen kann. Das obere Ende der Kolbenstange
e versetzt durch einen Hebel l eine Welle in in Drehung.
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In Abb. 3 ist diese Welle in in einem wagerechten Schnitt der Abb.
2 ersichtlich gemacht. Sie ist in derganz mit Wasser erfüllten Kappe n gelagert,
und das eine Ende derselben tritt, durch eine Stopfbüchse o abgedichtet, aus dieser
Kappe heraus. An dem freien Ende der Welle m ist ein Steuerungsbogenstück p befestigt,
das die elektrische Umsteuerung der einzelnen Pumpenmotoren in der bereits erwähnten
Weise durchführt. Wenn in Abb. 2 der Kolben d je nach :der Größe der Durchflußmengen
in einer der Stellungen i, 2, 3 oder 4 steht, so nimmt -der" I-lebel l die bezügliche
Stellung i i, 12, 13 bzw. 14 ein, und das Steuerungsbogenstück p (Abb. 5)
wird dabei -so bewegt, @daß in der Hebelstellung i i die Mittellinie i lotrecht
steht. Befindet sich der Hebel l (Abb. 2) in Stellung 12, so steht die Mittellinie
2 des Steuerdngsbogenstückes in Abb. 5 lotrecht. Ebenso entspricht der Stellung
13 ;die lotrechte Lage der Mittellinie 3 und der Stellung 14 die lotrechte Lage
-der Mittellinie 4.
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Wie aus Abb.4 und 5 ersichtlich, sind in dem Steuerungsbogenstück
p die stromführenden Teile a1 und a2 isoliert befestigt, von denen isolierte Drähte
nach außen geführt sind. Durch eine Steuerwelle q aus Isolierstoff, idie am Umfange
einen Kupferring trägt, werden die beiden Pole a1 und cal kurzgeschlossen. Die Steuerwelle
q wird durch eine Feder v, welche in einem mit dem Gehäuse
starr
verbundenen Federhaus untergebracht ist, ständig abwärts gedrückt. Die Drähte a,,
und a2 führen von dem Steuerungsbogenstückp zu dem Schalter s,, des Motors 21 in
Abb. 6. Dieser Schalter ist in der Weise dargestellt, daß durch die Leitung d. der
positive Strom einer Magnetspule t durchfließt, wodurch ein Kurzschließer u den
Motor 21 sofort unter Strom setzt, und die Pumpe I, die mit diesem Motor gekuppelt
ist, in Tätigkeit gesetzt wirkt.
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Bewegt sich nun das Steuerungsbogenstück aus ,der gezeichneten Lage
heraus, so daß die Mittelachse 2 in Abb. 5 lotrecht steht, so wird in einer bestimmten
Stellung entgegen der Wirkung der Feder v die Rolle q über eine isolierte Kuppe
weggehoben und auf die an die Leitungen b1 und b2 angeschlossenen Kontakte gerollt,
die durch den Kupferring r kurzgeschlossen «-erden, während gleichzeitig die Unterbrechung
des über die Kontakte a1, a.. fließenden Stromes erfolgt. Infolgedessen gelangt
der Motor 21 zum Stillstand, und der Motor 22, der mit der nächstgrößeren Pumpe
gekuppelt ist, wird in Tätigkeit gesetzt.
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In gleicher Weise werden, je nach Größe der Durchflußmenge, die Pumpenmotoren
23 bzw. 24 eingeschaltet, wobei stets nur eine Pumpe arbeitet, da die vorher in
Betrieb befindlich gewesene gleichzeitig ausgeschaltet wird. In Abb. 6 ist der einfacheren
Darstellung wegen die unmittelbare Einschaltung aller Motoren ohne Vorschaltwiderstand
angenommen, was aber nur bei ganz kleinen Drehstrom-Kurzschlußankermotoren oder
Gleichstrom-Serienmotoren zulässig ist. Bei größeren liotorleistungen müssen natürlich
besondere Selbstanlasser mit mehreren Widerstandsstufen zum Anlassen verwendet werden,
wobei aber die eigentliche Schaltung durch einen mittels Widerstandes gedrosselten
wattlosen Strom genau in der vörstehend beschriebenen `'eise durchgeführt wird.
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Um den richtigen Zeitpunkt der Umschaltung bei dem fertig aufgestellten
Apparat nachträglich in Abhängigkeit von der für die L;mschaltung gewählten Liefermenge
einstellen zu können, wird die Feder v nachstellbar gemacht, um ihren Einfluß auf
das Gewicht der Rolle q verändern zu können. Gleichzeitig wird das Eigengewicht
des Kolbengestänges e (Abb.2) um die Wirkung des verschieden groß einstellbaren
Gewichtes x vermehrt, das durch einen Arm mit :der Welle m fest verbunden ist.
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Während der Umschaltung wird das Wasser in das Netz aus dem Druckwiridkessel
117 gedrückt, der in Abb. i schematisch dargestellt ist. Von hier gelangt
das Wasser durch den Liefermengenschalter S in :die Druckleitung. Die Größe des
Windkessels W ist somit nur für den zugelassenen Druckabfall während der Anlaßdauer
des Motors zu bemessen und ergibt sich viel kleiner als bei Druckschaltungsanlagen,
so daß auch hierdurch eine Kostenverminderung erzielt wird.