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Membranpumpe zum Fördern von reinen oder Feststoffe enthaltenden Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe zum Fördern von reinen oder Feststoffe
enthaltenden Flüssigkeiten mit mechanisch oder hydromechanisch angetriebener Membran,
die in unbelastetem Zustand glatt und eben ist.
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Zur Förderung solcher Medien, die aus chemischen Gründen mit anderen
Stoffen nicht in Berührung kommen dürfen, werden Membranpumpen verwendet, weil bei
diesen Pumpen ein Eindringen von Fremdstoffen ins Fördermedium aus der Pumpe sicher
vermieden wird. Ein völliger Absehluß des Fördermediums ist nur so lange gewährleistet,
als die Membran nicht defekt ist. Deshalb kommt allen Maßnahmen, durch die eine
längere Lebensdauer und die Vermeidung von Unterbrechungen durch Ablagerungen von
Feststoff vor der Membran und an den Ventilen gewährleistet wird, vor allem in der
chemischen und Nahrungsmittelindustrie eine wesentliche technische Bedeutung zu.
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Es ist bekannt, die Membran mit einer Kolbenstange mechanisch zu verbinden
und so die Bewegung auf das Fördermedium zu übertragen; dabei wird jedoch infolge
der zentralen Einspannung eine ungleichmäßige Durchbiegung der Membran und ungleichmäßige
Spannungsverteilung in der Membran hervorgerufen. Ferner ist bekannt, zwischen Kolben
und Membran ein Flüssigkeitspolster zur Kraftübertragung zu benutzen, so daß auf
die gesamte Membranfläche ein konstanter Flüssigkeitsdruck wirkt.
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Herstellungsmäßig unvermeidbare Schwankungen der Membrandicke führen
dabei trotzdem zu ungleichmäßiger Durchbiegung und Spannungsverteilung.
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Es sind weiterhin konstruktive Maßnahmen bekannt, die es ermöglichen,
der Membran eine gewünschte Durchbiegung zu geben, indem die Kraftübertragung durch
mehrere ineinander gleitende und schrittweise vom Kolben von innen nach außen mitgenommene
Rohre (Hohlzylinder) erfolgt, die von außen an die Membran drücken. Dabei findet
eine Abstützung der Membran auf einer Anzahl von Kreisen verschiedener Durchmesser
entsprechend der Anzahl der Hohlzylinder statt, dazwischen kann die Membran noch
etwas ausweichen, was zu örtlichen überbeanspruchungen führt.
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Beim Pumpen von Suspensionen mit hohem Feststoffgehalt und hoher Absetzgeschwindigkeit
der Teilchen, bedingt durch große Teilchen und/oder durch einen großen Dichteunterschied
zwischen Feststoff und Flüssigkeit und/oder geringe Viskosität der Flüssigkeit,
wurde beobachtet, daß sich während des Pumpvorganges Feststoffe zwischen der Membran,
die in solchen Fällen in vertikaler Ebene angeordnet ist, und dem Pumpenkopf absetzen,
das Saugventil verstopfen und die Membran an den von Feststoff verstopften Stellen
an einer Auslenkung gehindert wird. Dadurch tritt neben unregelmäßiger Förderung
infolge Ventilverstopfung eine örtliche überstreckung der Membran in Höhe des abgesetzten
Feststoffes und dessen allmähliche Verdichtung ein. Die Membran reißt frühzeitig,
weil sie an dieser Stelle infolge scharfer Richtungsänderung der Durchbiegung sehr
ungünstig beansprucht wird. Die Gefahr des Absetzens von Feststoffteilchen aus der
Suspension ist bei Membranpumpen größer als bei Kolbenpumpen, da bei Membranpumpen
wegen des kleinen zulässigen Hubes und des sich daraus ergebenden großen Membrandurchmessers
die Strömungsgeschwindigkeit des geförderten Mediums vor der Membran geringer ist.
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Es ist also wichtig, die Strömungsgeschwindigkeit des Fördermediums
in dem Raum zwischen Pumpenkopf und Membran zu erhöhen. Wird der Pumpenkopf so ausgebildet,
daß sich die Membran am Ende des Förderhubes in der Form der errechneten Durchbiegung
anlegt, so ist zwar zunächst die Banspruchung der Membran günstig, die Strömungsgeschwindigkeit
groß und der schädliche Raum klein, aber das Absetzen von Feststoff kann trotz der
erhöhten Strömungsgeschwindigkeit nicht vermieden werden, weil sich eine bevorzugte
Strömung auf dem kürzesten Verbindungsweg zwischen Saug- und Druckventil einstellt,
an anderen Stellen aber Sedimentation des Feststoffes erfolgt.
Es
hat sich gezeigt, daß auch durch das bekannte radiale Anbringen von Nuten, Rillen,
Kanälen oder Leitungen für Membranverdichter Feststoffabsetzungen, z. B. beim Pumpen
von Suspensionen, nicht ausgeschaltet werden können, die zum baldigen Membranbruch
führen. Das Fördermedium strömt beim Förderhub, besonders gegen dessen Ende zu,
vorwiegend durch die Nuten usw., ohne daß an der gesamten Membranfläche eine turbulente
Strömung erzeugt wird, welche die Feststoffablagerung vermeiden würde. Außerdem
erfährt die Membran an jenen Stellen, an denen sie bei Ende des Förderhubes nicht
unterstützt wird, nämlich wo sich die Nuten usw. befinden, örtlich _eine zu baldigem
Bruch führende unzulässige Beanspruchung.
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Weiter hat sich gezeigt, daß auch bei in vertikaler Ebene stehender
Membran selbst dann eine Feststoffablagerung nicht vermieden werden kann, wenn die
Eintrittsöffnung des vom Saugventil kommenden Kanals an die tiefste Stelle der inneren
Pumpenkopfwölbung und die Austrittsöffnung des Kanals zum Druckventil an die höchste
Stelle der inneren Pumpenkopfwölbung verlegt wird. Auch das Anbringen einer größeren
Zahl von Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen, welche etwa in einer oder mehreren
Reihen über den vertikalen Durchmesser des Pumpenkopfes verteilt sind, verhindert
nicht die Feststoffabsetzungen, weil durch die Vergrößerung der Gesamtquerschnittsfläche
dieser Öffnungen die Strömungsgeschwindigkeit verkleinert und die Sedimentation
des Feststoffes damit begünstigt wird. Es ergibt sich andererseits eine größere
Anzahl von Stellen, an denen die Membran nicht unterstützt ist und daher örtliche
überbeanspruchung erfährt, so daß besonders bei höheren Gegendrücken die Membran
über diesen Kanalöffnungen bricht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Membranpumpe
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der die rechnungsmäßige Durchbiegungslinie
der Membran eingehalten wird und bei der Feststoffabsetzungen im Förderraum vermieden
werden. - -Diese Aufgabe wird. erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Membran- und
Pumpenkopfiiuienfläche bei Totlage der Membran eine Vielzahl kleiner narben-oder
zylinderförmiger oder unregelmäßig geformter Hohlräume abschließen.
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Die Membranpumpe gemäß der Erfindung kann verschiedene Ausgestaltungen
erfahren, die eine besonders vorteilhafte Betriebsweise ermöglichen. Beispielsweise
können die Hohlräume in Löchern oder unregelmäßigen Durchbrechungen einer an der
Pumpenkopfinnenfläche oder an der Membran anliegenden Folie oder .eines Gewebes
bestehen. Ferner kann der enge Kanal vom Saugventil zum Hubraum eine zur Erzielung
eines scharfen Strahles geeignete enge Mündung aufweisen, die tangential zu der
eine Vielzahl kleiner narben- oder zylinderförmiger oder unregelmäßig geformter
Hohlräume enthaltenden Pumpenkopfinnenfläche oder zu der der Membran anliegenden
Folie gerichtet ist. Hierbei kann man die Ausgestaltung auch so treffen, daß die
Mündung in mehrere Kanäle aufgeteilt ist.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Membranpumpe sichert nicht nur
die Einhaltung der rechnungsmäßigen Durchbiegungslinie der Membran, eine größere
Strömungsgeschwindigkeit und einen kleinen schädlichen Raum, sie vermeidet auch
das Festsaugen der Membran am Pumpenkopf und unzulässige Membranbeanspruchungen
an Nuten usw.; ein besonderer Vorteil besteht darin, daß eine über die gesamte Membranfläche
wirksame Turbulenz der Strömung gesichert ist, welche die zu baldigem Membranbruch
führenden Feststoffabsetzungen unmöglich macht.
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In den A b b. 1 bis 3 a sind Ausführungsbeispiele für Membranpumpen
gemäß der Erfindung wiedergegeben.
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A b b. 1 bis 2b zeigen Schnitte, die senkrecht zur Membran gerichtet
sind; A b b. 3 und 3 a stellen Schnitte in der Membranebene dar.
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Der Kolben 1 wirkt auf die Membran 2 über eine Hilfsflüssigkeit, die
über Kanal 3 eingefüllt werden kann und den Raum 4 ausfüllt. Am Ende des Hubes werden
von Membran und Pumpenkopfinnenfläche eine Vielzahl kleiner Hohlräume abgeschlossen.
Die Hohlräume können in Aussparungen 7 der Pumpenkopfinnenfläche 13 (s.Abb.1a) bestehen;
sie können aber auch, was konstruktiv und bearbeitungstechnisch besonders einfach
zu lösen ist, in Löchern oder unregelmäßigen Durchbrechungen .einer an der Pumpenkopfinnenfläche
oder an der Membran befestigten bzw. anliegenden Folie oder eines Gewebes bestehen
(s. A b b. 1, 1 b, 2 a und 2 b, darin mit 6, 8, 9, 10
und 11 bezeichnet).
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Dadurch wird erreicht, daß die Membran in Totlage, wo sie die größte
Auslenkung erfährt, an einer aufgelösten bzw. unterbrochenen Fläche abgestützt ist,
die nach der errechneten Durchbiegung der Membran geformt sein kann. Der sogenannte
schädliche Raum ist in eine Vielzahl von kleinen Teilräumen aufgelöst. Die Bildung
von Kanälen, die bevorzugt durchströmt werden, ist unterbunden. Die kurz vor Erreichen
der Totlage herrschende Turbulenz verhütet Ansatzbildungen an der verbleibenden
Auflagefläche. Dabei setzen sich auch in den Hohlräumen keine Ablagerungen fest,
die Hohlräume werden vielmehr bei jedem Saughub vom einströmenden Fördergut freigespült.
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Bei Fördergut mit besonders starker Ablagerungsneigung könnte nach
längerer Betriebszeit eine Ablagerung in der Nähe der meist kreisringförmigen Membraneinspannung
vorkommen. Um auch diesem Umstand Rechnung zu tragen, kann eine Ausführung gemäß
A b b. 3 gewählt werden, bei der der enge Kanal vom Saugventil zum Hubraum eine
zur Erzielung eines scharfen Strahles geeignete Mündung aufweist, die tangential
zur Einspannung der Membran gerichtet ist. Dadurch wird unter Vermeidung einer Kanalbildung
eine bevorzugte Besprühung dieses Bereichs erzielt.
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Die Mündung des Saugkanals 12 in den Hubraum kann zum gleichen Zweck
auch aufgeteilt werden (Ab b. 3 a). Dabei ist es jedoch unzweckmäßig, eine
größere Zahl von Einmündungen vorzusehen, weil damit die Wirkung beschränkt und
der zur Erzielung scharfer Strahlen erforderliche Druckverlust nicht mehr tragbar
wäre.
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Mit der erfindungsgemäßen Pumpe werden beispielsweise folgende zwei
Suspensionen gepumpt: 1. Eine Suspension, bestehend aus Aluminiumpulver und Dieselöl,
mit einem Feststoffgehalt von 180 g/1000 g Flüssigkeit, wobei die Teilchengröße
des Feststoffes zwischen 0,5 und 60 [, liegt, wird mittels einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Membranpumpe gegen einen Druck
von 150 atü im Dauerversuch
dosiert, ohne daß sich Feststoffe vor der Membran ablagern. Die dosierte Menge beträgt
in diesem Beispiel 201 Suspension pro Stunde.
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2. An Stelle des Aluminiumpulvers wird TiCL, mit Teilchengrößen von
5 bis 60 [t und Agglomeraten bis 500 R unter sonst gleichen Bedingungen, wie unter
1 angegeben, bis 8 atü dosiert.