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Die
Erfindung betrifft eine Pumpenanlage und ein Verfahren zum Pumpen
eines Gases.
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Zum
Pumpen eines Gases wird insbesondere im industriellen Anwendungsbereich
oft eine Verdrängerpumpe
herangezogen, bei der das zu pumpende Gas in einem Arbeitsraum verdichtet
wird. Bei der Verdichtung wird Wärme
erzeugt, die abgeführt werden
muss. Die Effizienz und der Wirkungsgrad einer Verdrängerpumpe
werden von Ihrer Betriebstemperatur und der Temperatur des zu fördernden
Gases mit beeinflusst. Dabei ist bei niedrigeren Temperaturen in
der Regel ein höherer
Wirkungsgrad erreichbar.
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Als
Verdrängerpumpen
werden aufgrund ihrer robusten Ausgestaltung insbesondere eine Flüssigkeitsringpumpe
oder eine Seitenkanalpumpe verwendet. Beispiele zu Flüssigkeitsringpumpen
sowie Seitenkanalpumpen sowie ihr prinzipieller Aufbau sind beispielsweise
aus dem Internet zu entnehmen unter www.ad.siemens.de/elmo. Weiterhin
sind eine Flüssigkeitsringpumpe
und ihr Funktionsprinzip zu entnehmen aus dem Siemens-Prospekt „ELMO-L2BL1-Luftgekühlt, ölfrei: Die
neue Generation von Vakuumpumpen",
12/98, Siemens AG 1999, Deutschland, Bestellnr.: E200001-P782-A208.
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Die
Flüssigkeitsringpumpe
besitzt ein exzentrisch im Gehäuse
angeordnetes Laufrad und weist ein Betriebsmittel (in der Regel
Wasser) auf. Durch die Laufraddrehung bildet das Wasser im Gehäuse einen
mitumlaufenden Wasserring, der sich saugseitig von der Laufradnabe
abhebt. Durch das so entstehende Vakuum tritt das zu fördernde
Gas in den Arbeitsraum der Flüssigkeitsringpumpe
ein. Nach fast einer Umdrehung nähert
sich der Flüssigkeitsring wieder
der Nabe und verdichtet dabei das Gas, welches druckseitig nach
außen
abgegeben wird. Die bei der Verdichtung entstehende Wärme wird
hierbei größtenteils
vom Betriebsmittel aufgenommen, welches in der Regel in einem geschlossenen
Kühlkreislauf
geführt
ist. Der Arbeitsbereich der Flüssiqkeitsringpumpe
reicht typischerweise von etwa 50 mbar bis etwa zum Umgebungsdruck.
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Bei
der allgemein als Gasring-Pumpe bezeichneten Seitenkanalpumpe rotiert
ein Laufrad in einem Gehäuse
mit einen Seitenkanal. Das zu fördernde
Gas wird über
einen Saugschlitz angesaugt und durch das Laufrad und den Seitenkanal
in einer schraubenförmigen
Bahn durch mehrfache Beschleunigung auf hohen Druck gebracht und
druckseitig durch einen Druckschlitz ausgeschoben. Bei diesem Pumpentyp
ist im Gegensatz zu der Flüssigkeitsringpumpe
kein Betriebsmittel notwendig. Die durch die Verdichtung entstehende
Wärme wird über das
Gehäuse
bzw. mit dem verdichteten und erwärmten Gas abgegeben. Der Arbeitsbereich
der Seitenkanalpumpe liegt etwa im Bereich zwischen 0,5 bar Unterdruck
und 1 bar Überdruck.
Die Seitenkanalpumpe ist oftmals mehrstufig ausgebildet, weist also zumindest
zwei Pumpstufen auf, denen jeweils ein Laufrad mit Seitenkanal sowie
ein Einlaß und
Auslaß zugeordnet
sind. Die zweite Pumpstufe ist dabei in Serie zu der ersten Pumpstufe
geschaltet und verdichtet das in der ersten Pumpstufe vorverdichtete Gas.
Da das in der ersten Pumpstufe vorverdichtete Gas erwärmt ist,
ist mit der zweiten Pumpstufe eine im Vergleich zur ersten Pumpstufe
geringere Verdichtung möglich.
Zudem ist nachteilig, dass das verdichtete Gas beim Verlassen der
Pumpanlage nach der zweiten Pumpstufe erwärmt ist.
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Aus
der
DE 35 41 838 A1 ist
eine hochverdichtende Kompressoranlage mit mehreren Verdichterstufen
zu entnehmen. Bei dieser Kompressoranlage wird die zu komprimierende
Luft auf über
40 bar komprimiert. Um die Auslasstemperatur an der dritten Verdichterstufe
unter einer sogenannten „Break-point"-Temperatur von etwa
110°C zu
halten, ist vor der dritten Verdichterstufe ein Kühler zur
Kühlung
der aus der zweiten Verdichterstufe ausgestoßenen Luft vorgesehen. Der
Kühler ist
dabei als eine zusätzliche
Komponente vorgesehen, die aufwendig an die eigentliche Kompressoranlage
angeschlossen sein muss, wodurch im Vergleich zu einer normalen Kompressoranlage
ohne eine derartige Kühlung
ein erheblicher Mehraufwand erforderlich ist.
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In
der
DE 32 09 035 C2 ist
ein Mehrstufen-Schrauben-Kompressor beschrieben, bei dem zwischen
seinen beiden Stufen eine Einspritzölkühlung vorgesehen ist. Damit
soll der Wirkungsgrad verbessert werden. Auch hier ist jedoch ein
erheblicher Aufwand für
die Anordnung der Einspritzölkühlung vorgesehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und robuste
Pumpenanlage mit hoher Effizienz zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch eine Pumpenanlage zum Pumpen eines Gases mit einer eine Flüssigkeitsringpumpe
und eine Kühleinrichtung
aufweisenden Pumpvorrichtung und mit einer Verdrängerpumpe, die eine erste Pumpstufe und
mit dieser in Serie angeordnet eine zweite Pumpstufe umfasst, wobei
den Pumpstufen jeweils ein Einlass und ein Auslass zugeordnet sind,
und wobei zur Kühlung
des verdichteten Gases eine Kühlleitung
zur Kühleinrichtung
vorgesehen ist.
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Dieser
Pumpenanlage liegt die Idee zugrunde, durch geschickte Kombination
zweier Pumpentypen eine einfache Pumpenanlage mit hoher Effizienz zu
ermöglichen.
Und zwar wird dies dadurch erreicht, dass eine insbesondere überschüssige Kühlleistung der
der Flüssigkeitsringpumpe
zugeordneten Kühleinrichtung
zur Kühlung
des verdichteten Gases herangezogen. Das in der Pumpanlage verdichtete
Gas wird dadurch beispielsweise auf Umgebungstemperatur abgekühlt, bevor
es die Pumpanlage verlässt.
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Bevorzugt
führt die
Kühlleitung
zur Zwischenkühlung
vom Auslass der ersten Pumpstufe über die Kühleinrichtung zum Einlass der
zweiten Pumpstufe. Dadurch wird eine Abkühlung des in der ersten Pumpstufe
verdichteten Gases erreicht, so dass mit der zweiten Pumpstufe eine
vergleichsweise gute Verdichtung ermöglicht ist. Es ist von Vorteil, wenn
zusätzlich
im Anschluss der zweiten Pumpstufe das verdichtete Gas gekühlt wird.
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Vorzugsweise
ist die Flüssigkeitsringpumpe dabei
insbesondere als Vakuumpumpe in Serie zur bevorzugt als Druckpumpe
ausgebildeten Verdrängerpumpe
angeordnet. Durch diese zweckmäßige Anordnung
lässt sich
ein relativ großer
Arbeitsbereich zwischen etwa 50 mbar und einem Überdruck von ca. 1 bar erreichen.
Die Arbeitsbereiche der beiden Pumpentypen, Flüssigkeitsringpumpe und weitere
Verdrängerpumpe,
werden dabei vorteilhaft kombiniert.
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Alternativ
zu der Serienanordnung ist vorzugsweise eine parallele Anordnung
der Flüssigkeitsringpumpe
zum Pumpaggregat vorgesehen.
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Bevorzugt
ist die Verdrängerpumpe
als Seitenkanalpumpe ausgeführt,
die sehr robust und zuverlässig
ist.
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Zweckdienlicherweise
weist die Kühleinrichtung
der Pumpvorrichtung einen Kombinationskühler auf mit einem ersten Wärmetauscher
zur Kühlung
eines Betriebsmittels der Flüssigkeitsringpumpe
und mit einem zweiten Wärmetauscher,
dem das Gas aus der ersten Pumpstufe für die Zwischenkühlung zuführbar ist.
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Die
Anordnung des Kombinationskühlers
mit zwei getrennten Wärmetauschern
hat den Vorteil, dass der standardmäßig angeordnete Kühler lediglich
um einen Wärmetauscher
ergänzt
zu werden braucht. Für
beide Wärmetauscher
wird vorzugsweise das gleiche Kühlmittel
herangezogen.
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Zweckdienlicherweise
ist der zweite Wärmetauscher
als ein Gas-Gas-Wärmetauscher
ausgebildet. Das Kühlmittel
für die
beiden Wärmetauscher
ist also Gas, vorzugsweise Umgebungsluft, wodurch die Installations-
und Betriebskosten gering gehalten sind.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin
gelöst
durch ein Verfahren zum Pumpen eines Gases mittels einer Pumpenanlage,
die eine Pumpvorrichtung mit einer Flüssigkeitsringpumpe und mit einer
Kühleinrichtung
sowie eine Verdrängerpumpe mit
einer ersten Pumpstufe und mit einer mit dieser in Serie angeordneten
zweiten Pumpstufe aufweist, wobei das in der Verdrängerpumpe
verdichtete Gas mittels der Kühleinrichtung
gekühlt,
und insbesondere zwischen der ersten und zweiten Stufe zwischengekühlt wird.
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Die
im Hinblick auf die Pumpenanlage erwähnten Vorteile und bevorzugten
Ausführungen sind
sinngemäß auch auf
das Verfahren anzuwenden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Pumpenanlage und
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2 eine
schematische Darstellung einer Pumpvorrichtung mit einer Flüssigkeitsringpumpe und
mit einer Kühleinrichtung.
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Gleichwirkende
Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Gemäß 1 umfasst
eine Pumpenanlage 2 eine insbesondere nach Art einer Seitenkanalpumpe
ausgebildete Verdrängerpumpe
mit einer ersten Pumpstufe 6A und mit einer zweiten Pumpstufe 6B. Die
beiden Pumpstufen 6A, B weisen dabei jeweils einen Einlass 8A,
B sowie einen Auslass 10A, B auf. Die Verdrängerpumpe 4 ist
dabei vorzugsweise – wie dargestellt – als Baueinheit
mit den zwei Pumpstufen 6A, B oder alternativ als zwei
getrennte Baueinheiten mit jeweils einer Pumpstufe 6A,
B ausgebildet.
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Die
Pumpenanlage 2 umfasst weiterhin eine Pumpvorrichtung 12,
die eine Flüssigkeitsringpumpe 14 (symbolhaft
angedeutet) sowie eine Kühleinrichtung 16 umfasst.
Die Pumpvorrichtung 12 hat einen Saugstutzen 18 sowie
einen Druckstutzen 20.
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Die
Verdrängerpumpe 4 ist
mit der Pumpvorrichtung 12 verbunden, und zwar derart,
dass eine Verbindungsleitung 22 den Druckstutzen 20 mit
dem Einlass 8A der ersten Pumpstufe 6A verbindet.
Weiterhin ist eine Kühlleitung 24 vorgesehen,
die den Auslass 10A der ersten Pumpstufe 6A mit
der Kühleinrichtung 16 verbindet
und im Anschluss zum Einlass 8B der zweiten Pumpstufe 6B führt.
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Weiterhin
ist eine erste Saugleitung 26 am Saugstutzen 18 angeschlossen
und eine zweite Saugleitung 28 mündet in die Verbindungsleitung 22. Mit
dem Druckstutzen 20 ist eine erste Auslassleitung 30 verbunden,
die ebenfalls in die Verbindungsleitung 22 mündet. Eine
zweite Auslassleitung 32 ist mit dem Auslass 10B der
zweiten Pumpstufe 6B verbunden. In die erste Saugleitung 26 ist
ein Ventil 34A, in die zweite Saugleitung 28 ein
Ventil 34B, in die Verbindungsleitung 22 zwischen
dem Druckstutzen 20 und der Einmündung der zweiten Saugleitung 28 ein Ventil 34C und
in die erste Auslassleitung 30 ist ein weiteres Ventil 34D geschaltet.
Die Ventile 34A-D dienen zur Steuerung der Strömungswege,
und je nach Ventilstellung ist sowohl ein Parallelbetrieb als auch
ein serieller Betrieb der Verdrängerpumpe 4 und
der Pumpvorrichtung 12 möglich.
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Beim
Parallelbetrieb sind die beiden Saugleitungen 26,28 beide
gleichzeitig mit einem Pumpraum verbunden, aus dem ein Gas G abgepumpt
werden soll. Die beiden Ventile 34A, B sowie das Ventil 34D sind
geöffnet,
während
das Ventil 34C geschlossen ist, so dass zwischen dem Druckstutzen 20 und
dem Einlass 8A keine Strömungsverbindung besteht. Zur Erzeugung
eines gewünschten
Unterdrucks wird im Parallelbetrieb bevorzugt zunächst die
Verdrängerpumpe 4 betrieben,
mit der beispielsweise ein Unterdruck von etwa 0,5 bar erzielt wird.
Ein weitergehender Unterdruck wird durch die Pumpvorrichtung 12 erreicht,
die über
die erste Saugleitung 26 das Gas G ansaugt, verdichtet
und anschließend über die
erste Auslassleitung 30 abgibt.
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Beim
seriellen Betrieb ist das Ventil 34C geöffnet und das Ventil 34D geschlossen.
Das Ventil 34B ist ebenfalls geschlossen, kann jedoch zumindest
teilweise geöffnet
sein. Beim seriellen Betrieb wird das Gas G über die erste Saugleitung 26 angesaugt,
in der Flüssigkeitsringpumpe 14 beispielsweise
von etwa 50 mbar auf etwa 1 bar verdichtet, über den Druckstutzen 20 abgegeben
und am Einlass 8A von der ersten Pumpstufe 6A angesaugt.
Unter Umständen
ist die erste Pumpstufe 6A für ein größeres Pumpvolumen ausgelegt
als dies von der Flüssigkeitsringpumpe 14 am
Druckstutzen 20 bereitgestellt wird. Für diesen Fall ist es vorgesehen,
das zweite Ventil 34B zumindest teilweise zu öffnen und
die zweite Saugleitung 28 mit der Atmosphäre zu verbinden.
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Sowohl
im seriellen als auch im parallelen Betrieb wird das Gas G von der
ersten Pumpstufe 6A über
den Einlass 8A angesaugt, verdichtet und bei einem Zwischendruck
von beispielsweise einem Überdruck
von ~0,8 bar bezogen auf den Umgebungsdruck aus dem Auslass 10A ausgegeben.
Das verdichtete Gas G wird nach Abkühlung in der Kühleinrichtung 16 dem
Einlass 8B der zweiten Pumpstufe 6B zugeführt. In
dieser Pumpstufe 6B wird das Gas G weiter verdichtet und über den
Auslass 10B über die
zweite Auslassleitung 32 bei einem Enddruck von beispielsweise
1,2 – 1,5
bar Überdruck
bezogen auf den Umgebungsdruck abgegeben.
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Der
wesentliche Aspekt ist in der Zwischenkühlung des Gases G zwischen
den zwei Pumpstufen 6A und 6B zu sehen, wodurch
die Kühlung
des Gases G verbessert und damit der Wirkungsgrad, das Fördervolumen
sowie die Einsatzgrenzen verbessert werden. Es lässt sich nämlich insgesamt ein höherer Enddruck
an der zweiten Ausgangsleitung 32 aufgrund der Zwischenkühlung erreichen
im Vergleich zu einer Pumpenanordnung ohne Zwischenkühlung. Dadurch
wird der Gesamtarbeitsbereich also vergrößert, wobei die Pumpvorrichtung 12 in erster
Linie als Vakuumpumpe und die Verdrängerpumpe 4 in erster
Linie als Kompressor eingesetzt wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu der Kühlung zwischen
den beiden Pumpstufen 6A, 6B kann die Kühlung auch
erst im Anschluss an die letzte Pumpstufe 6B erfolgen.
Dadurch wird das verdichtete Gas beispielsweise auf Umgebungstemperatur
abgekühlt,
bevor es die Pumpenanlage 2 verlässt.
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Die
Pumpvorrichtung 12 umfasst gemäß 2 die Flüssigkeitsringpumpe 14,
einen Abluftkühler 40,
einen Abscheider 42 sowie die Kühleinrichtung 16.
Diese umfasst einen Kombinationskühler 44 mit einem
ersten Wärmetauscher 46 und
mit einem zweiten Wärmetauscher 48.
Der Kombinationskühler 44 wird
mit Kühlluft
K gekühlt.
An den ersten Wärmetauscher 46 ist
ein Wasser-Kühlkreislauf 50 angeschlossen
und der zweite Wärme tauscher 48 ist in
die Kühlleitung 24 geschalten,
wird also von dem in der ersten Pumpstufe 6A vorverdichteten
Gas G durchströmt.
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Beim
Betrieb der Pumpvorrichtung 12 wird das anzusaugende Gas
G über
die erste Saugleitung 26 und den Saugstutzen 18 durch
den Abluftkühler 40 der
Flüssigkeitsringpumpe 14 zugeführt und
dort verdichtet. Das im Wasserkreislauf 50 geführte Wasser
W ist das Betriebsmittel für
die Flüssigkeitsringpumpe.
Dieses vermischt sich in der Flüssigkeitsringpumpe 14 prinzipbedingt
mit dem Gas G und wird über
eine Leitung 52 zusammen mit dem Gas G dem Abscheider 42 zugeführt. Dort
wird das Wasser W vom Gas G getrennt. Das Gas G wird über eine
Abluftleitung 54 dem Abluftkühler 40 zugeführt, wird
dort bevorzugt auf Umgebungstemperatur oder kälter abgekühlt und verlässt die
Pumpvorrichtung 12 über den
Druckstutzen 20. Das im Abscheider 42 gesammelte
Wasser W wird bis auf einen Teilstrom im ersten Wärmetauscher 46 gekühlt und
der Flüssigkeitsringpumpe 14 wieder
als Betriebsmittel zugeführt. Der
Teilstrom wird über
eine Wasserleitung 56 dem Abluftkühler 40 zugeführt und
dient zur Kühlung
des verdichteten Gases G.
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Das
dem Kombinationskühler 44 zugeführte Wasser
W liegt typischerweise etwa 10° über Umgehungstemperatur
und wird im ersten Wärmetauscher 46 durch
Kontakt mit der auf Umgebungstemperatur befindlichen Kühlluft K
auf etwa 5° über Umgebungstemperatur
abgekühlt.
Die Kühlluft
K erwärmt
sich dabei nur unwesentlich, so dass sie zur Kühlung des aus der ersten Pumpstufe 6A kommenden
Gases G geeignet ist. Zur Erhöhung
der Kühlwirkung
des zweiten Wärmetauschers 48,
der als Gas-Gas-Wärmetauscher
ausgebildet ist, kann dieser auch in Strömungsrichtung der Kühlluft K
vor dem ersten Wärmetauscher 46 angeordnet
sein, da in diesem Fall die Kühlluft
K etwas kälter
ist.
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Mit
der Kombination dieser zwei Pumpentypen, der Pumpvorrichtung 12 mit
der Flüssigkeitsringpumpe 14 einerseits
und der als Seitenkanalpumpe ausgebildeten Verdrängerpumpe 4 mit den zwei
Pumpstufen 6A, B wird daher in vorteilhafterweise die von
der Kühlluft
bereitgestellte überschüssige Kühlleistung
zweckdienlich ausgenutzt, ohne dass deutlich höhere Installationskosten anfallen
würden.
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Aufgrund
der Kühlung
des Gases G im zweiten Wärmetauscher 48 fällt hier
eventuell Kondensat an, welches vorzugsweise von der Flüssigkeitsringpumpe 14 abgesaugt
und dem Wasserkreislauf 50 zugeführt wird (nicht dargestellt).