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Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe zum Pumpen von aggressiven und/oder abrasiven Medien, wie z. B. Schlämmen, umfassend ein Membrangehäuse, welches in einem im Wesentlichen vertikal angeordneten Rohrsystem angebracht ist, wobei das im Wesentlichen vertikal angeordnete Rohrsystem mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass, welcher mit einem Abstand oberhalb des Einlasses angeordnet ist, wie auch mindestens eine im Wesentlichen kreisförmige, flexible Membran umfasst, wobei die Membran in dem Membrangehäuse unter dem Einfluss einer Arbeitsflüssigkeit, welche unter Druck gesetzt werden kann, bewegbar ist, wobei die kreisförmige Außenkante der Membran in dem Membrangehäuse mittels eines kreisförmigen Klemmteils unten geklemmt wird.
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Pumpen dieser Art werden im Allgemeinen in Pumpensystemen eingesetzt, um aggressive und/oder abrasive Medien, wie z. B. Schlämme, zu pumpen, welche eine hohe Temperatur oder keine hohe Temperatur aufweisen können. Die bekannte Membranpumpe besitzt eine elastische bewegbare Membran, welche den zu pumpenden Stoff von den sich bewegenden und ungeschützten Teilen der Pumpe trennt. Die Pumpbewegung der flexiblen Membran wird mittels der sich bewegenden Teile, wie z. B. einem Kolben, welcher sich in einem Zylinder bewegt, und mittels einer Arbeitsflüssigkeit, welche unter Druck gesetzt werden kann, herbeigeführt.
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Dazu bewegt sich der Kolben, welcher mittels einer Kolbenstange mit einer Antriebseinheit verbunden ist, derart in dem Zylinder hin und her, dass die Membran aufeinander folgende Ansaug- und Ausschubtakte mit einer bestimmten Frequenz unter dem Einfluss der Arbeitsflüssigkeit ausführt. Ein Unterdruck wird während des Ansaugtakts oder der Ansaugperiode in dem Membrangehäuse erzeugt, so dass eine bestimmte Schlammmenge durch den Einlass aufgenommen werden kann, wobei die Schlammmenge durch den Auslass durch die Membran während des Ausschubtakts in ein Auslaufrohr gezwungen wird.
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Um das korrekte Funktionieren bei dem Ansaugtakt und dem Ausschubtakt sicherzustellen, sind Einwegventile in dem Einlassrohrabschnitt beziehungsweise in dem Auslassrohrabschnitt angebracht, wobei die Ventile einen korrekten Durchfluss des zu pumpenden Mittels garantieren.
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Die Membranpumpe des vorab genannten US-Patents ist in einem toten Rohrabschnitt des Rohrsystems angebracht, wobei die Anmeldung sehr geeignet ist, um Schlämme mit einer relativ hohen Temperatur zu pumpen. Im Falle von Schlämmen mit einer niedrigeren Temperatur ist es weniger wichtig, die Membranpumpe vor den heißen, korrosiven Schlämmen zu schützen, und die Membranpumpe kann in dem Rohrsystem angebracht werden, wie es in der Einleitung erwähnt ist. Aus Konstruktionsgründen ist das Rohrsystem vertikal angeordnet, wobei der Einlass unterhalb des Auslasses angeordnet ist.
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Es ist offensichtlich, dass hydrodynamische Vorgänge in dem Schlamm in dem Membrangehäuse während des Betriebs der Membranpumpe auftreten, wobei die Vorgänge ausreichend große Druckunterschiede zwischen Positionen an dem oberen Ende des Membrangehäuses und Positionen an dem Boden des Membrangehäuses verursachen, was zu nachteiligen Verformungen der flexiblen Membran insbesondere während des Ausschubtakts führt.
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Diese nachteiligen Verformungen der flexiblen Membran begrenzen den Umfang, mit welchem die Membran belastet werden kann, was es notwendig macht, ein größeres Membran auszuwählen, wenn das Ansaugtaktvolumen einen bestimmten Wert aufweist, um so eine ausreichend lange Haltbarkeitsdauer sicherzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Lösung für das vorab genannte Problem bereitzustellen und eine Membranpumpe bereitzustellen, bei welcher die asymmetrische Verformung der Membran während des Betriebes begrenzt wird, wo es notwendig ist, so dass an einer beliebigen Stelle eine stärkere Verformung der Membran auftritt, ohne dass dies zu einer Überlastung führt. Somit wird die Ausgabekapazität bei einer bestimmten Membranabmessung maximal ausgenutzt, während eine optimale Haltbarkeitsdauer erzielt wird.
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Eine wie oben beschriebene Membranpumpe ist auch in dem
US-Patent Nr. 3416461 , dem
US-Patent Nr. 2405734 , dem
US-Patent Nr. 5620746 , dem
belgischen Patent Nr. 502350 , der
europäischen Patentanmeldung Nr. 0524820 und dem
französischen Patent Nr. 2164025 offenbart. In diesen aufgelisteten Patentveröffentlichungen sind Membranpumpen offenbart, welche eine kreisförmig geformte, flexible Membran, welche bewegbar in einem Gehäuse untergebracht ist, aufweisen. Die Membrane werden jeweils mit ihrer kreisförmigen Außenkante in dem Membrangehäuse mittels eines kreisförmig geformten Klemmteils unten gehalten.
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Die in diesen aufgelisteten Patentveröffentlichungen verwendeten Klemmteile weisen eine symmetrische kreisförmige Form auf, was dennoch zu einer asymmetrischen Verformung der geklemmten Membran während eines Einsatzes führt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher eine Membranpumpe mit den im Anspruch 1 definierten Merkmalen vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist bei der Membranpumpe das kreisförmige Klemmteil auf der Umfangskante davon mit einem Flansch versehen, welcher sich parallel zu der Ebene, welche durch das Klemmteil gebildet wird, erstreckt.
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Da das kreisförmige Klemmteil mit einem Flansch versehen ist, welcher sich in der Ebene, welche durch das Klemmteil gebildet wird, erstreckt, wird die nachteilige Verformung der Membran während des Ausschubtakts verhindert, da die sich verformende Membran gegen den Flansch stößt.
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Es ist durch ein Experiment bestätigt worden, dass die nachteilige Verformung der Membran während des Ausschubtakts insbesondere an der Stelle des Auslasses des Rohrsystems auftritt, so dass erfindungsgemäß das kreisförmige Klemmteil im Wesentlichen an der Stelle des Auslasses des Rohrsystems mit dem hervorragenden Flansch versehen ist.
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Die Erfindung wird nun im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert, wobei gilt:
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1 ist eine Grundrissdarstellung eines Pumpensystems zum Pumpen von Schlämmen, wobei eine Membranpumpe nach dem Stand der Technik verwendet wird;
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2 ist eine Darstellung eines Teils der 1;
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3 ist eine Augenblicksansicht der nachteiligen Verformung der Membran insbesondere während eines Ausschubtakts; und
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4 stellt eine Ausführungsform eines Details einer erfindungsgemäßen Membranpumpe dar.
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1 und 2 sind Darstellungen eines Schlammpumpensystems, wobei eine Membranpumpe nach dem Stand der Technik verwendet wird. Solche Schlammpumpensysteme werden eingesetzt, um im Allgemeinen aggressive und korrosive Flüssigkeiten oder Schlämme, welche kerniges Material, wie z. B. Sand, Kohle, Erz oder Abbruchmasse, welche manchmal zusätzlich hohe Temperaturen aufweisen, über im Allgemeinen lange Entfernungen zu pumpen. Solche Schlammpumpensysteme werden außerdem allgemein bei der Bergbauindustrie, der chemischen Industrie und der Kohleindustrie eingesetzt. Das Pumpen von solchen Gemischen, welche auch als Schlämme bekannt sind, stellt große Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Verschleißfestigkeit des gesamten Pumpensystems. Wegen der abrasiven Natur der Schlammgemische müssen insbesondere die sich bewegenden Komponenten der Pumpe sehr hohe Anforderungen erfüllen.
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Demzufolge wird eine Membranpumpe 20, welche durch eine Antriebseinheit 10 angetrieben wird, eingesetzt, um solche abrasive Schlammgemische zu pumpen. Die Membranpumpe 20 besteht aus einer Membran 25, welche unten in einem Membrangehäuse 29, das in einem Rohrsystem 40 angebracht ist, geklemmt wird. Die Membran 25 ist mit einer Membranstange 26 versehen, welche bewegbar in Führungen 27, die in einer Druckkammer 28 angebracht sind, untergebracht ist. Die Druckkammer 28 ist mit einer Arbeitsflüssigkeit 24 gefüllt, welche mittels eines Kolbens 22 unter Druck gesetzt werden kann, welcher mittels einer Kolbenstange 21 mit der Antriebseinheit 10 verbunden ist. Die hin und her gehende Bewegung des Kolbens 22 in dem Zylinder 23, welche durch die Antriebseinheit 10 verursacht wird, führt dazu, dass die Arbeitsflüssigkeit 24 unter Druck gesetzt wird und dass folglich die Membran 25 zwischen zwei Endlagen in dem Membrangehäuse 29 bewegt wird.
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Die hin und her gehende Bewegung des Kolbens 23 und die daraus resultierende Bewegung der Membran 25 umfasst einen Ansaughub oder einen Ansaugtakt, in welchem der Kolben 23 und die Membran 25 gemäß der 1 und 2 eine Bewegung nach rechts erfährt, während der Kolben 23 und die Membran 25 während des Ausschubtakts gemäß der 1 und 2 eine Bewegung nach links erfährt.
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Das Membrangehäuse 29 ist in einem im Wesentlichen vertikal angeordneten Rohrsystem 40 angebracht, welches einen Teil eines umfangreicheren Rohrnetzes (nicht dargestellt) bildet. Das vertikal angeordnete Rohrsystem 40 des Membrangehäuses 29 umfasst einen Einlass 40a wie auch einen Auslass 40b. In dem Einlassrohrabschnitt 42 ist ein Einwegventil 41a angebracht, während ein ähnliches Einwegventil 41b in dem Auslassrohrabschnitt 43 angebracht ist. Die Einwegventile 41a und 41b sind in solch einer Weise in dem Rohrsystems angebracht, dass das Einwegventil 41b während des Ansaugtakts geschlossen bleibt (wenn sich die Membran 25 nach rechts davon bewegt), während sich das Einwegventil 41a während des Ansaugtakts öffnet, wodurch das Ansaugen einer bestimmten Schlammmenge in das Membrangehäuse 29 ermöglicht wird. Während des nachfolgenden Ausschubtakts (wenn sich die Membran 25 nach links davon bewegt) schließt sich das Einwegventil 41a automatisch unter dem Einfluss der Wirkung einer Feder und das Einwegventil 41 öffnet sich automatisch unter dem Einfluss des anliegenden Druckes, so dass die Schlammmenge, welche sich in dem Membrangehäuse 29 gesammelt hat, in das Auslaufrohr 43 durch den Auslass 40b gezwungen wird.
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Dabei können gewöhnlich große Schlammmengen unter hohen Drücken gepumpt werden, wenn die Membranpumpe auf diese Weise mit einer angestrebten Taktfrequenz angetrieben wird.
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Die Funktion der Membran als das Verdrängungselement ist offensichtlich: die Membran schirmt all die sich bewegenden Teile, welche verschleißen können, von den abrasiven und häufig auch korrosiven Medien, welche in dem vertikalen Rohrabschnitt 40 vorhanden sind, ab.
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Es ist herausgefunden worden, dass hydrodynamische Effekte insbesondere während des Ausschubtakts in dem Schlammgemisch, welches durch das Membrangehäuse 29 fließt, auftreten, wenn ein vertikal angeordneter Rohrabschnitt 40, dessen Einlass 40a unter dem Auslass 40b angeordnet ist, verwendet wird, wobei die hydrodynamischen Effekte zu Druckunterschieden zwischen der Bodenseite 40a und der oberen Seite 40b des Membrangehäuses führen. Diese Druckunterschiede werden insbesondere erzeugt, da der Auslass 40b im Vergleich mit dem großen Durchlass in dem Membrangehäuse in der Nähe des Mittelpunkts der Membran einen verengten Rohrabschnitt bildet, wodurch der Rohrabschnitt als ein Venturi-Rohr fungiert, und das Schlammgemisch speziell während des Mittelteils des Ausschubtakts von dem Membrangehäuse 29 mit einer hohen Geschwindigkeit durch den Auslass 40 gedrängt wird, wenn die sinusförmige Geschwindigkeitskurve des Kolbens 23 ihren Höhepunkt erreicht. Diese hohen Geschwindigkeiten bei dem Auslass 40b führen verglichen mit dem Rest der Membran 25 zu einem verringerten Druck an der Stelle des Auslasses 40b und folglich zu einer entsprechenden nachteiligen Verformung der Membran 25.
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Außerdem wirkt ein sich vergrößernder statischer Druckunterschied als Ergebnis des Unterschieds des spezifischen Gewichts des Schlammgemisches und dem der Arbeitsflüssigkeit von der Oberseite auf die Unterseite auf die Membran ein.
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3 stellt eine Augenblicksansicht der nachteiligen Verformung der Membran 25 insbesondere während des Ausschubtakts dar. Die Darstellung zeigt deutlich, dass die Membran 25 als Ergebnis des durch das durch den Auslass 40b fließenden Schlammgemisch erzeugten Drucks, nach außen bewegt wird oder extrem in das Membrangehäuse 29 (angegeben durch A) an der Stelle des Auslasses 40b (1 und 2) verformt wird, wodurch an der Stelle des Auslasses 40b an der Membran ”entlang gesaugt wird”. Die Darstellung zeigt außerdem eine weniger ausgeprägte Verformung B an der Bodenseite 40a. Es ist klar, dass auf die Dauer solch extreme Verformungen der Membran 25 zu einer Ermüdung oder zu einer Beschädigung führen und folglich die Haltbarkeitsdauer der Membran merklich verringern. Das bedeutet, dass das Pumpensystem 1 in gleichmäßigen Abständen für eine Inspektion und eine mögliche Wartung außer Betrieb genommen werden muss.
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Um einen unnötigen Stillstand zu vermeiden und eine Membranpumpe mit einer längeren Haltbarkeitsdauer bereitzustellen, wobei die Membran weniger zu einer Ermüdung oder zu einem Verschleiß neigt, welcher durch die nachteilige Verformung, welche während des Betriebs auftritt, verursacht wird, stellt 4 eine Lösung dar, welche die nachteilige Verformung verhindern kann.
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Wie in 1 und 2 dargestellt ist, besitzt die Membran 25 eine kreisförmige Form und weist eine kreisförmige Endkante 25a auf, welche mittels eines ringförmigen Klemmteils 29a (siehe 2) in dem Membrangehäuse 29 unten geklemmt wird. Um eine unnötige asymmetrische Verformung der Membran 25 insbesondere während des Ausschubtakts der Membranpumpe zu verhindern, ist das kreisförmige Klemmteil 29a mit einem hervorragenden Flansch 50 auf seiner Umfangskante 29a' im Wesentlichen an der Stelle des Auslasses 40b des Membrangehäuses 29 versehen, wobei sich der Flansch parallel zu der Ebene oder in der Ebene, welche durch das Klemmteil gebildet wird, erstreckt.
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Das Vorhandensein eines hervorragenden Flansches um die Umfangskante des kreisförmigen Klemmteils herum, insbesondere in der Nähe oder an der Stelle des Auslasses 40b des Membrangehäuses 29, verhindert eine nachteilige Verformung und insbesondere eine extreme Verformung in das Membrangehäuse 29 der Membran 25. Die Membran 25 wird an der Stelle des Auslasses 40b während des Ausschubtakts auf dem hervorragenden Flansch 50 des kreisförmigen Klemmteils 29a geklemmt, wodurch die nachteilige, unerwünschte Verformung des Membranmaterials 25 und eine Beschädigung an dem Membranmaterial 25 verhindert wird.
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Wie in 4 dargestellt ist, ist der hervorragende Flansch 50 entlang der oberen Hälfte der Umfangskante des Klemmteils vorhanden.
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Obwohl der hervorragende Flansch auch entlang der unteren Hälfte der Umfangskante des Klemmteil des 29 vorhanden sein kann, d. h. in der Nähe des Einlasses 40a, ist herausgefunden worden, dass sich die nachteilige Verformung der Membran 25 hauptsächlich an der Stelle des Auslasses 40b des Membrangehäuse 29 ausbildet. Während des Ausschubtakts öffnet sich das Einwegventil 41b in dem Auslassrohrabschnitt 43 des Rohrsystems 40 (wohingegen sich das Einwegventil 41a in dem Einlassabschnitt 42 des Rohrsystems 40 schließt), und die Schlammgemischmenge, welche sich in dem Membrangehäuse 29 aufgesammelt hat, wird unter einem hohen mittels der Arbeitsflüssigkeit 24 durch den Kolben 23 und durch die Membran 25 ausgeübten Druck durch den sich verengenden Durchlass des Auslasses 40b gedrängt.
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Der verengte Durchlass des Auslasses 40b fungiert als ein Venturi-Rohr während dieser Durchströmung, so dass hohe Fliessgeschwindigkeiten des Schlammgemisches in dem verengten Durchlass erzeugt werden. Dieser hydrodynamische Vorgang führt zu einem Druckabfall an dem Auslass 40b und folglich zu einer extremen Verformung der Membran an der Stelle des Auslasses 40b (siehe 3). Diese extreme Verformung wird im großen Maß durch den hervorragenden Flansch 50 verhindert. Die Haltbarkeitsdauer der Membran wird somit wesentlich verlängert, da die Membran nicht länger einer sich wiederholenden extremen Verformung ausgesetzt ist, welche gewöhnlich den Alterungsprozess der Membran 25 beschleunigt, welches im allgemeinen aus Gummi hergestellt ist.
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Gemäß einer in 4 dargestellten Ausführungsform variiert die Länge l des hervorragenden Flansches entlang der Umfangskante. Insbesondere ist die Länge des hervorragenden Flansches in der Nähe des Auslasses 40b am größten, während sie in der Mitte der Umfangskante 29a' gleich Null ist. Insbesondere stimmt der hervorragende Flansch 50 mit der Umfangskante 29a' in der Nähe der Mitte des Klemmteils 29a überein (in der Richtung eines Stroms von dem Einlass 40a zu dem Auslass 40b her gesehen).
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Da die Membran 25 während des Betriebs mit jedem Ausschubtakt an den hervorragenden Flansch 50 stößt, weist die Endkante 50a des hervorragenden Flansches 50 eine Krümmung R auf, um zu verhindern, dass die Kante in die flexible Membran 25 schneidet. Der Radius der Krümmung R der Endkante 50a ist insbesondere proportional zu der Dicke der Membran 25, und bei einer anderen Ausführungsform ist der Krümmungsradius R der Endkante 50a proportional zu der Gegenkrümmung der vorgeformten Membran 25, und dies in solch einer Weise, dass der Umfang einer Ausdehnung, welcher während einer Auslenkung auftritt, ausreichend gering ist, um die angestrebte Haltbarkeitsdauer zu erzielen.
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Es ist herausgefunden worden, dass, wenn der Krümmungsradius der Endkante 50a in einem Bereich von 8 bis 80 mm liegt, verhindert wird, dass die Kante in die Membran schneidet, wodurch die Haltbarkeitsdauer der Membran 25 weiter verlängert wird.
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Es sei weiterhin angemerkt, dass es bevorzugt ist, keinen hervorragenden Flansch 50 auf der unteren Hälfte der Umfangskante 29a' des Klemmteils 29a bereitzustellen, da dies dazu führen kann, dass sich das Schlammgemisch zwischen dem Flansch und der Membran 25 sammelt, was eine Beschädigung der Membran verursachen kann.