DE19645500A1 - Hermetisch dichte Thermodynamische Verdrängerpumpe und Arbeitsverfahren - Google Patents

Description

Mit magnetisch angetriebenen Kreiselpumpen, Spaltrohrmotor­ pumpen sowie Sonderausführungen rotierender Verdrängerpumpen sind konstruktiv erfolgreich eingeführte Lösungen für die Aufgabenstellung hermetisch dichter und nach außen hin leckagefreier fluidischer Förderung seit langem bekannt, allerdings erlauben diese Ausführungen in der Regel nur die Förderung gegen niedrige Drücke (ca. 10 bis max. etwa 70 bar).

Auch fluidisch oder mechanisch direkt oder indirekt angetrie­ bene Membranpumpen(Druckluft, Hydraulisches Gestänge) oder Membrankolben- sowie Schlauchpumpen erheben den Anspruch auf hermetische Dicht- und konstruktive Leckagefreiheit nach außen, wenngleich dies nur mit Einschränkungen gilt, denn bei verschleiß- oder betriebsbedingter Beschädigung bzw. Bruch von Membran bzw. Schlauch kann es hier immer zu wechselseitiger Kontamination mit der Umgebung, ggfs. auch über ein Zwischen­ fluid, kommen.

Ursache der beschriebenen Problematik ist in allen Fällen die prinzipielle Notwendigkeit der Abdichtung rotierender oder oszillierender Wellen oder Stangen, mit denen die notwendige Energieerhöhung mechanisch direkt oder über Zwischenfluid indirekt auf das zu fördernde Fluid übertragen wird.

AS 14 03 807 beschreibt eine Anordnung konzentrischer Kugel­ schalen, die unter Ausnutzung elektrostriktiver, magneto­ striktiver oder auch piezoelektrischer Effekte fluidische Förderung nach dem Verdrängerprinzip unter hermetischer Dichtheit gestatten, das Verfahren hat sich jedoch nur im Mikromaßstab für subkutane Dosierzwecke oder im Laborbereich bewährt, da die Fördervolumina relativ klein bleiben und auch die erreichbaren Drücke nicht hoch sind.

Ebenso sind solarthermische angetriebene Verdrängerpumpen, besonders in der Wasserförderung bekannt, dadurch wirkend, daß ein unter Hitzeeinfluß sich ausdehnender Stoff, z. B. Wachs, die Verdrängerfunktion übernimmt.

PA 196 00 667.8 beschreibt ein neues Verfahren hermetisch dichter und konstruktiv leckagefreier Verdrängerförderung, welches im wesentlichen auf Umkehr des verbreiteten Prinzips mechanischer Krafteinwirkung von außen in ein Fluid beruht, dadurch, daß in einem hermetisch abgegrenzten und nur durch eine Einlaß- und Auslaßöffnung zugänglichen Pumpenraum ein von außen steuerbarer mechanischer Verdränger sein Volumen zyklisch ändert und hierdurch Förderung bewirkt. Die Energie für die Volumenänderung wird dabei über Draht oder drahtlos, mithin nicht mehr mechanisch, dem Verdränger zugeführt.

Wenngleich diese Lösung bereits erhebliche Vorteile dadurch mit sich bringt, daß - von massiver Gewalteinwirkung einmal abgesehen - hermetische Dichtheit und damit Kontaminations­ freiheit, auch im Sinne septischer Reinheit bei Aufgaben im Lebensmittelbereich, gewährleistet sind, bleibt das Restrisiko mechanischen Ausfalls des Verdrängers bzw. auch seines Antriebs mit den damit verbundenen Nachteilen.

Besonders für prozeßintegrierte Aufgaben hermetischer Förderung im Rahmen von kompletten Anlagen scheint daher ein weitergehendes Verfahren der rein thermodynamischen Förderung noch besser geeignet, welches im folgenden beispielhaft beschrieben wird.

Fig. 1 erläutert den Grundgedanken in der Weise, daß in einem hermetisch abgeschlossenen Pumpenraum, beispiels­ weise einer massiven Rohrstrecke 8 und zwei Schottwänden 9, der nur durch ein Einlaßventil 6 und ein Auslaß­ ventil 7 zugänglich ist, ein Verdrängerkörper 10 ange­ ordnet ist, der sein Volumen zyklisch wechselnd zwischen den Beträgen Vo und V ändert, wobei die Energiezufuhr 1 entweder über Draht oder drahtlos, im gezeigten Beispiel wahlweise über Draht 2 mit lediglich statisch beanspruch­ ter Dichtung an den Stellen 3 bzw. 4 oder 5 erfolgt. Die Durchdringung an der Stelle 5 oder auch an einer Stelle im weiterführenden Förderabschnitt haben gegenüber der Stelle 3 den Vorteil, daß eine schwellende Druckbe­ lastung entfällt.

Der Verdrängungskörper 10 kann jetzt zum Beispiel aus einer flüssigkeitsgefüllten Kugelmembran bestehen, die im Inneren über einen elektrisch angeschlossenen Heizwendel verfügt - wie ein Tauchsieder, so daß bei Zuführung elektrischer Energie sich das Volumen Vo aufgrund der wärmebedingten Aus­ dehnung des Flüssigkeitsinhaltes in die Größe V verändert und hierdurch bei sich automatisch schließendem Einlaßventil 6 der Fördervorgang über Öffnung des Auslaßventiles 7 eingeleitet wird.

Mit Beendigung der Energiezufuhr schließt sich alsdann das Auslaßventil 7, da der Druck im Raum 11 sich langsam erniedrigt in dem Maße, wie der Verdrängungskörper seine Wärme an das umgebende Förderfluid über die Kugelmembran 12 bzw. die den Pumpenraum abschließenden Wände abgibt.

Hat das Volumen V in dieser Weise seine Ursprungsgröße Vo wieder erreicht, kann prinzipiell ein neuer Pumpvorgang durch Starten einer neuerlichen Energiezufuhr erfolgen.

Für technische Anwendungen scheint nun das so beschriebene Verfahren weniger geeignet, wenn man eine Abordnung exakt nach Fig. 1 wählt, denn - wie später gezeigt wird - beträgt die technisch realisierbare Volumenänderung des Verdräng­ ungskörpers nur etwa 10%, so daß auch etwa 90% der aufge­ wandten Energie in Verlust- und damit abzuführende Wärme übergehen, die wiederum größtenteils auf das Förderfluid übertragen wird, was u. U. wenig wünschenswert ist.

Es empfiehlt sich daher eine Abwandlung gemäß Fig. 2, wonach der hermetisch abgeschlossene Raum 3, 4, 5 zwar bestehen bleibt, der Verdrängerkörper 9 jedoch an eine Seite dieses Raumes so gelegt wird, daß die Wärmeabfuhr über ein speziell hierfür gewähltes Medium 2 so erfolgt, daß der weitaus größere Teil der abzuführenden Wärme nicht an das Förderfluid, sondern bevorzugt über die Pumpenraumwand abgeleitet werden kann. Die ursprüngliche Kugelmembran 12 gemäß Fig. 1 würde dann, je nach Ausgestaltung der Pumpenkammer als Rohrzylinder oder Quader, eine Fläche 10 annehmen, die bei Aufheizung des Volumens Vo entweder die Form einer Sattelfläche oder, wie in Fig. 3 mit 4 bzw. 5 gezeigt, die Form eines koaxial radial veränderlichen Schlauches annimmt, wenn Fig. 3 den Schnitt A-A eines rotationssymmetrischen Elementes gemäß Fig. 2 darstellt, in dem 2 den Wärmetauscher und 3 den Verdränger bedeuten. 7 bezeichne die zugeführte Energie, 8 die abzuführende Wärme. Prinzipiell unerheblich ist auch eine in der Weise geänderte Ausgestaltung, derart, daß in Form von 9 in Fig. 3 eine hermetische Trennung zwischen Verdrängerfluidvolumen 3 und Wärmetauscher 2 erfolgt. 6 entspricht in der gewählten Darstellung dann dem schnittgemäß sichtbaren Druckventil.

Wegen der zeitlich relativ zum Aufbau der Verdrängung u. U. längeren Abkühl- bzw. Wärmeaustauschzeit empfiehlt es sich, thermodynamische Pumpen der hier beschriebenen Art parallel zusammen zu schalten, so daß z. B., wie in Fig. 4 gezeigt, Triplex-Anordnungen entstehen, deren Fördercharakteristik jener von über einen gemeinsamen Kurbeltrieb angetriebenen Kolbenpumpen ähnelt.

Werden mit 1, 1+ und 1++ drei gleichartige thermodynamische Pumpenelemente gemäß den vorangegangenen Beschreibungen be­ zeichnet, so werden diese über getrennte Einlaßventile 8 aus einem gemeinsamen Zulauf 9 arbeitsfluidisch versorgt, was jedoch nicht zwangsweise der Fall sein muß. Der Zulauf kann auch für jedes Pumpelement getrennt erfolgen.

Zwingend hingegen ist jedoch, daß die Elemente energetisch über 4 und getrennte Heizstränge 5 so angesteuert werden, daß sie über jeweilige Druckventile 2 auf eine gemeinsame Förderleitung 3 arbeiten und so einen relativ "geglätteten" Förderstrom erzeugen dann, wenn die Energiezufuhr zu den einzelnen Elementen zeitlich hintereinander limitiert und/oder überschneidend erfolgt. 6 zeigt in dieser Darstellung den jeweiligen Wärmetauscher, 7 die jeweilige Arbeitsmembran eines einzelnen Förderelementes. Ob die Träger zur Wärmeabfuhr 11 zusammen oder getrennt laufen, ist unerheblich und eher anlagebezogen zu gestalten.

Fig. 5 zeigt qualitativ das Verhalten newtonscher Flüssigkeiten dann, wenn sie alternativ oder gleichzeitig einer Temperatur- bzw. Druckerhöhung ausgesetzt werden.

In vielen Fällen führt eine Temperaturerhöhung von 0 auf 100 Grad Celsius zu einer Volumenzunahme um durchschnittlich 10%, während eine Druckerhöhung um 100 bar aufgrund der Kompressibilität der Medien zu einer durchschnittlichen Volumenverringerung um 1% führt. Diese Veränderungen laufen jedoch nicht linear, sondern degressiv, so daß die Differenz von rund 10% mit zunehmendem Druck bzw. steigender Temperatur immer kleiner wird und schließlich irgendwann Null erreicht dann, wenn die Kompression die Expansion kompensiert.

Setzt man z. B. in der näherungsweisen Beziehung

V(T, P) = Vo (1 + α (Tl-To) - k (Pl-Po))für einen Temperaturänderungsbereich von 0 bis 100 Grad C und einem Gegendruck von 100 bar die bekannten Stoffwerte für Äthylalkohol ein, ergibt sich ein theoretisches Förder­ volumen von ziemlich genau 10%, bei Azeton liegt der Wert bei 14%, bei Wasser beträgt er in diesem Intervall nur etwa 1,5%, was technische Anwendungen, von Sonderfällen abgesehen, hiermit nicht sinnvoll macht.

Aus den genannten Gründen stellt die in Fig. 6 gezeigte Fördercharakteristik der in Fig. 4 beschriebenen Anordnung auch nur einen von denkbar vielen möglichen Fällen dar, denn wegen Entfall des Sinusproblems der üblichen Kurbelantriebe kann über freie Steuerbarkeit der Aufheizung wie auch der Abkühlung jedes einzelnen Pumpenelementes eine große Band­ breite möglicher Charakteristika eingestellt werden.

So ist es z. B. ohne weiteres möglich, eine nahezu pulsationsfreie Förderung auch ohne nachgeschaltete Pulsationsdämpfer zu erreichen ebenso, wie durch Aufhebung der zeitlichen oder energetischen Symmetrie eine bestimmte dynamische Charakteristik bis hin zur Stoßförderung gefahren werden kann, was für Prozeßanwendungen dann sinnvoll sein kann, wenn z. B. Ablagerungen in Förderleitungen beseitigt werden müssen, oder auch bei z. B. CIP-Prozessen in der Nahrungsmittelindustrie.

Zu den vorstehend beschriebenen Vorzügen des aufgezeigten neuen Pumpverfahrens kommt mit der zu erwartenden Geräusch­ armut ein wesentlicher weiterer hinzu. In verfahrenstech­ nischen Anlagen mit klassischen mechanischen Pumpen erreichen die Kosten für Geräuschdämpfung, die häufig nur sekundär betrieben werden kann, oftmals die Größenordnung jener der Funktionsträger. Bis auf die Ventile hat die hier gezeigte thermodynamische Pumpe jedoch überhaupt keine Mechanik, deren hochfrequente Anregung durch rotierende Wellen und Antriebe einen Großteil der Geräuschentwicklung verantwortet. Und die Ventile können, abstrahlungsdämpfend, zentral im Förderstrom der neuen Pumpenelemente angeordnet werden, so daß nur von einer minimalen Emission aufgrund der Strömungsgeräusche ausgegangen werden muß, die jedoch wegen der, wie gezeigt, freien Steuerbarkeit der Gesamtcharakteristik der Pumpe nahezu beliebig niedrig gehalten werden können.

Auf den ersten Blick erscheint der Wirkungsgrad des vorgeschla­ genen Pumpverfahrens außerordentlich niedrig, zumindest wenn man das verdrängte Differenzvolumen, multipliziert mit dem Gegendruck, als Nutzen und die Aufheizung des gesamten Arbeits­ fluids im von der Membran begrenzten Raum als Aufwand definiert. Während nämlich klassische Kolbenpumpen durchaus Gesamtwirkungs­ grade von 85% und mehr und einfache Kreiselpumpen solche von etwa 60% erreichen, liegt bei dem vorgeschlagenen Verfahren der Wirkungsgrad zunächst nur bei etwa 10%, je nach dem, in welchem Druck- und Temperaturdifferenzbereich und mit welchem Arbeitsfluid, also mit weichen Kennwerten für Ausdehnung und Kompressibilität gearbeitet wird.

In dem Augenblick jedoch, wo, wie bei Prozeßanlagen üblich und möglich, die zur Abkühlung abgeführte Wärme voll oder zumindest überwiegend der Anlage an anderer Stelle nutzbring­ end zurückgeführt wird, z. B. als Prozeßwärme zur Heizung oder zur Klimatisierung, sieht das Ergebnis anders aus. Sicher wird auch ein Teil der Wärmeenergie des Arbeitsfluides über die Membran an das eigentliche Förderfluid abgegeben, aber auch hier kann über eine nachgeschaltete Rückkühlung im Prozeß weitere Nutzung erfolgen, so daß u. U. das vorge­ schlagene Verfahren mit Gesamtwirkungsgraden abschließen kann, die ebenso hoch wie bei klassischen Verdrängeranlagen liegen, wenn man eingesetzten Strom als Primärenergie mit 100% ansetzt.

Noch günstiger wird die Betrachtung, wenn Wärme aus anderen Prozessen, die ansonsten verloren wäre, hier zum Antrieb der thermodynamischen Pumpe anstelle von Strom genutzt werden kann, zum Beispiel Prozeßdampf einer Turbine oder Abwärme der Zellstoffgewinnung. In diesem Falle kann dann erwartet werden, daß bei einer derartigen Gesamtbetrachtung der Wirkungsgrad des vorgeschlagenen Verfahrens erheblich höher als der jeden anderen Pumpverfahrens ist, denn der mit ca. 40% trotz Kraft- Wärmekopplung modernster Anlagen relativ hohe Verlustwirkungs­ grad moderner Stromerzeugung entfällt überwiegend.

Abschließend sei noch auf einige Besonderheiten bei der Stoffauswahl für das Arbeitsfluid hingewiesen:
Wenngleich die vorgeschlagene Pumpe hermetisch dicht und konstruktiv leckagefrei ist und damit eine Gefahr der Kontamination des Fördergutes durch die Umgebung oder der Umgebung durch das Fördergut ausgeschlossen werden kann, besteht doch die Möglichkeit eines Membranbruches mit nachfolgender Vermischung von Arbeits- und Förderfluid.

Zur Minimierung dieses Risikos existieren aus der bekannten Technik der Kolben/Membran-Dosierpumpen eine Fülle von Mög­ lichkeiten, deren Einsatz in Verbindung mit einer Zwangs­ schließung beider Ventile des Arbeitsraumes eine Vermischung mengenmäßig begrenzen kann.

Wichtiger aber noch ist eine geeignete Auswahl des Arbeits­ fluides im Hinblick nicht nur auf optimale physikalische Kennwerte für Wärmeausdehnung und Kompressibilität, sondern auch auf chemische Verträglichkeit mit dem Fördergut. Deshalb wird man in vielen Fällen diesem Argument den Vorzug geben und solche Fluide auswählen, die hier günstige bis hin zu inerten Eigenschaften versprechen und auf nominal beste Förderleistungen verzichten.

Claims (12)

1. Verfahren zur hermetisch dichten verdrängenden Förderung von Fluiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängung durch ein von einer Membran abge­ grenztes Arbeitsfluidvolumen erfolgt, welches sich in einem geschlossenen, nur durch eine Einlaß- und Auslaßöffnung zugänglichen Pumpenraum befindet und sein Volumen durch Zuführung von Wärmeenergie vergrößert und so das im Pumpenraum befindliche Förderfluid verdrängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Arbeitsfluid aus einer Flüssigkeit besteht, deren räumlicher Wärmeausdehnungs­ koeffizient in weiten Temperatur- und Druckbereichen groß und deren Kompressibilität in den gleichen Bereichen klein ist, so daß sich die Flüssigkeit auch bei Wirken von Gegendruck ausdehnt.

3. Verfahren nach 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmezufuhr auf das Arbeits­ fluid durch Wärmeübergang über die Pumpenraumwand oder einen darin befindlichen Wärmetauscher oder mittels stromdurchflossenem Heizleiter erfolgt.

4. Verfahren nach 1, 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuführung der Wärmeenergie zeitlich und betragsmäßig variabel gesteuert wird.

5. Verfahren nach 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach Abschluß des Verdrängungs­ vorganges dem Arbeitsfluid Wärme entzogen und diese Wärme an anderer Stelle der Anlage nutzbringend ein­ gesetzt wird.

6. Verfahren nach 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Pumpenräume parallel zu einer Anlage zusammengeschaltet und zyklisch darin nacheinander oder überschneidend das Verfahren durch­ geführt wird, so daß es zu einer pulsationsfreien Förderung in der gemeinsamen Förderleitung der Pumpen­ räume kommt.

7. Thermodynamische wirkende, hermetisch dichte Verdränger­ pumpe, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem, nur durch eine ventilbehaftete Einlaß- und eine ventilbehaftete Auslaßöffnung abgegrenz­ ten Pumpraum ein mittels elastischer oberflächenver­ änderlicher Membran gegenüber dem Fördergut abgegrenztes Arbeitsfluidvolumen befindet, welches durch Zuführung von Wärmeenergie sein Volumen vergrößert und so aus dem Pumpenraum Fördergut über die Auslaßöffnung verdrängt.

8. Pumpe nach 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizenergie für das Arbeitsfluid mittels statisch in der Pumpenraumwand abgedichtetem elektrischen Leiter und Heizstrecke in dem Arbeitsfluid herbeigeführt wird und/oder daß die Heizenergie mittels Wärmetauscher außerhalb des Pumpraumes durch Wärmeübergang durch dessen Wand an das Arbeitsfluid herangeführt wird.

9. Pumpe nach 7 und 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Pumpenraum als zylindri­ sches oder kegeliges Rohrstück mit in der Rotationsachse liegenden, in begrenzenden Schottwänden angeordneten Ventilen und einer koaxial angeordneten Schlauchmembran, die zur Rohrwand hin das Arbeitsfluid von dem in ihrem Inneren strömenden Fördergut trennt.

10. Pumpe nach 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohrwand als Wärmetauscher ausgeführt ist, der eine kontrollierte Abführung der dem Arbeitsfluid zugeführten bzw. in ihm enthaltenen Wärme gestattet.

11. Pumpe nach 7 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere dieser Pumpen zu einer Pumpe über eine gemeinsame Förderleitung zusammenge­ schaltet werden und alternativ einzeln zulaufmäßig versorgt oder auch über eine gemeinsame Zulaufleitung zusammengeschaltet sind und daß sich die Ein- und Aus­ laßventile jeder Einzelpumpe jeweils in diesen Leitungen befinden.

12. Pumpe nach 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ansteuerung der Wärmezufuhr zu den Einzelpumpen zentral aus einer gemeinsamen Energiequelle erfolgt und daß die Wärmeabfuhr der Einzelpumpen eben­ falls zentral oder einzeln erfolgt.