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Rotations - Walzenpumpe Diese Erfindung betrifft Pumpen und Motoren
und insbesondere Pumpen die geeignet sind, für die Bewegung von Aufschlemmungen
oder Flüssigkeitsgemischen und kornformgen Feststoffen für den Transport in einer
Pipeline.
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In einer Anwendung der hierin beschriebenen Erfindung ist die Pumpe
z.B. für den Transport von Materialien geeignet, solche wie Kohle, Eisenerz, Kalkstein,
Holzspäne und andere körnförmige feste Substanzen. BeUn Transport von Mineralien
ist es ein
Vorteil, solche Materialien mit Wasser oder einer anderen
geeigneten Flüssigkeit zu mischen, um eine sogenannte Aufschlemmung zu bilden, weil
die flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften der letzteren den Bewegungswiderstand von
festen Materialien reduzieren, wenn sie relativ zu einer ortsfesten Eingrenzung
oder Rohrwand bewegt werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bewegung von Feststoffen
durch Pipelines über lange Abstände zu erlauben, während die Aufschlemmung frei
von Druckschwankungen gehalten wird.
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Verdrängerpumpen für den Transport von Aufschlemmungen fester Materialien
in einer Pipeline sind weitgehend entwickelt worden auf der Grundlage des Schlamnpumpens,
wie es beim Bohren auf Ölfeldern verwendet wird. Derzeitige Pumpen für den Transport
in Pipelines über hunderte von Kilometern sind von der Konstruktion kurbelgetriebener
Kolben und Presskolben. Diese Pumpen arbeiten direkt auf der Au£schlemmung oder
einer geeigneten Elüssigkeit, welche die Aufschlemmung in einer Kammer berührt oder
sonst ist die pumpende Flüssigkeit durch eine Membrane von der Aufschlemmung in
einer Kammer getrennt. Ein anderes bekanntes System weist Kammern oder Fülltrichter
auf, in welchen die Aufschlemmung durch ein kugelähnliches Element von der gepumpten
Flüssigkeit getrennt ist.
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In den obeu erwähnten Systemen des Standes der Technik werden die
Pumpenzylinder und - Kammern natürlich stoßweise gefüllt und ntleert. Im allgemeinen
sind Pumpen von doppel- oder Dreifachausbildung um Schwankungen der Fließgeschwindigkeit
zu vermeiden und gewöhnlich ist ein pneumatischer Dämpfer angebracht, um Druckschwingungen
zu reduzieren. In dem Kammerverfahren ist eine hochentwickelte Anordnung der Steuerung
notwendig, um den Auslaß der Aufschlemmung in die Pipeline zu kontrollieren und
folglich Druckschwingungen zu reduzieren. Im allgemeinen erfordern Verdrängerpumpensysteme.Ventile,
welche in der Aufschlemmung bei einem Druck von etwa 141 kp/cm² (2000 psi) arbeiten.
Das walzenartige Ventil mit elastischem Sitz weist zur Zeit in diesen Systemen weitreichende
Anwendungen auf, ist aber nicht geschützt gegen den Abrieb durch die Aufschlemmung.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotations-Verdrängerpumpe
vorzusehen, welche erreicht: (1) Konstante Fließgeschwindigkett und Freiheit von
Druckschwingungen und (2) ausschalten der Ventilberührung für die Aufschlemmungsabdichtung
durch Verwenden eines mit Flüssigkeit abgedichteten Rotationsventils.
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Nach der Erfindung enthält deshalb eine Verdrängerpumpe oder ein Verdrängermotor
eine Anzahl von Zylindern in einem drehbaren Zylinderblock, wobei die Achsen der
Zylinder parallel zu der Drehachse des Blockes sind und eine Anordnung von ortsfesten
Einlässen und Auslassöffnungen, welche Öffnungen in den Zylindern überlappen, so
daß Öffnungsflächen ständig offen sind, um das Fließen in die und aus den Zylindern
zu erlauben.
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Der Pumpenbetrieb geschieht durch hydraulisch angetriebene freie olben
in dem roterenden Zylinderblock, wobei Zylinder durch ortsfeste Einlass- und uslassöffnungen
in einem durch Wasser geschmierten und abgedichteten Rotationsventil überlappt sind.
Dies ermöglicht Drücke von bis zu 176 kp/cm² (2500 psi) mit Schwingungsfreien konstanten
Pumpen für Fern-Pipelines.
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Eine besondere Ausführungsform der in dem vorherigen Abschnitt definierten
Erfindung wird nun unter Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in
welche gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile bezeichnen.
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Es zeigt: Fig. 1 die Pumpe oder den Motor in Perspektivansicht mit
4 Zylindern;
Fig. 2 einen schematischen Motor-Pumpen-Xreislauf,
die Wasser-und Aufschlemmungs-Fließpfade für zwei der Zylinder darstellt und Fig.
3 in schematischer Seitenansicht ein Rotationsventilz auf dem Pumpen-Zylinderblock.
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Unter Hinweis auf die Zeichnungen ist zu ersehen, daß die Pumpe typischerweise
eine solche von 50,8 mm (2 inches) Durchmesser ist, die 4 Zylinder aufweist. Die
Pumpe ist mit einem Hydraulikmotor kombiniert, welcher durch eine separate Hochdruckwas
serpumpe angetrieben -Mnrd. l^Tasser er mit konstanter Fließgeschwindigkeit tritt
bei einem Einlaß 1 in die Motor-Pumpe ein und bei konstanter Rotation in der Richtung
9 des Zylinderblockes 4 mittels einer Åntriebsscheibe 5 ergibt sich die doppelt
wirkende Hin-und Herbewegung der Motorkolben 2 und der Pumpenpresskolben 3 in ihren
Zylindern. Die Drehgeschwindigkeit der Pumpe ist niedrig (etwa 40 U/Min.) um geeignete
Pipeline-Transportgeschwindigkeiten zu erhalten Aufschlemmung 7 tritt durch eine
ortsfeste Einlassöffnung 11 ein, welche Zylinder überlappt, wenn sie sich an der
Einlassöffnung vorbei bewegen und gefüllt werden. Gleichermaßen wird Aufschlemmung
8 bei Druck durch die Öffnung 12 aus den Zylindern ausgestoßen, wenn sie sich an
der Auslassöffnung vorbei bewegen.
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Schwingungsfreier konstanter Ausstoß von Aufschlemmung aus der Pumpe
ergibt sich aus; (1) Konstanter Fließgeschwindigkeit des den Motor antreibenden
Wassers beim Einlass 1.
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(2) Konstantes und ununterbrochenes Öffnen der gesamten Öffnung für
beim Einlass 1 eintretendes und beim Aus last 6 des Motors austretendes Wasser,
mit Anpassen des Flusses durch oeffnen einzelner Zylinderöffnungen im Verhältnis
zum vollständigen Öffnen der Öffnung, so daß Presskolbengeschwindigkeiten bestimmt
werden durch die Fließgeschwindigkeit zu den einzelnen Zylindern und deshalb relativ
zur Pumpendrehung fixiert sind.
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(3) Konstantem und ununterbrochenem Öffnen der Öffnungen für bei 7
in die Pumpe eintretende und bei 8 austretende Aufschlemmung.
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(4) Konstanter Drehgeschwindigkeit der Pumpe Der Speisedruck des Motors
wird größer sein als der 2 Auslassdruck der Aufschlemmung (um 3,5 kp/cm (50 psi)
oder in dieser Größenordnung), um; (1) die Erzeugung von Druck in den kreisförmigen
Räumen zum Abdichten und zur Schmierung zu ermöglichen.
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(2) Die Huberfordernisse und Bedürfnisse der Pumpenleistung zufrieden
zu stellen.
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Für eine Pumpe gegebener Geometrie sind die veränderlichen in dem
Pumpenbetrieb die Drehgeschwindigkeit, die Druckdifferenz zwischen dem treibenden
Wasser und dem Aufschlemmungsausstoß und dem Speisedruck der Aufschlemmung.
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Bei der Betrachtung der Speisung der Zylinder mit Auf schlemmung gibt
es zuerst eine kritische Pumpengeschwindigkeit, bei welcher die Zylinder nicht vollständig
gefüllt werden, wobei Hohlraumbildung dies verursacht. Der andere Effekt besteht
darin, daß der Druck des treibenden Wassers, wenn zu niedrig, während der Aufschlemmungsspeisung
und während des Aufschlemmungsausstoßes zu der Pipeline einen Kurzhub verursacht.
Berechnungen für eine durch zwei Pumpen gespeiste Pipeline handelsüblicher Größe
von zB.
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457 mm (18 inches) Durchmesser, bei einer Aufschlemmungsgeschwindigkeit
von 1,83 m/Sek.( 6 feedYsec.) zeigen, daß die Drehgeschwindigkeit der Pumpe etwa
40 U/Min ist und als Konsequenz einer niedrigen Aufschlemmungsgeschwindigkeit von
maximal 1,83 m/Sek (6 feed/sec.) in der Pumpe, sollte es keine Schwierigkeiten geben
mit Aufschlemmungsspeisung oder Kurzhub. Mechanische Pumpenverluste haben sich in
Versuchen, die zu der Erfindung führten, als niedrig erwiesen und volumetrisoher
Wirkungsgrad der Pumpe, der die Leckage von Wasser vernachlässigte,
hat
sich als so hoch wie 90 % erwiesen, bezogen auf den Aufschiemmungsausstoß und die
Verwendung von Antriebswasser.
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Ein mit Flüssigkeit abgedichtetes Aufschlemmungsventil besteht aus
einer ortsfesten Öffnüngsplatte 13 und einer rotierenden Ventilplatte 21, die an
dem Zylinderblock 4 angebracht ist. Unter Hinweis auf Fig.3 ist zu ersehen, daß
Kreisflächen 10, lOA,10B und 10C die Aufschlemmungs-Zylinderöffnungen in der Ventilplatte
21 sind und diese sind überlappt durch die Einlass-und Auslassöffnungen 11 und 12.
Zwei Zylinder sind jeder halb offen zu der Einlassöffnung 11 und zwei Zylinder sind
jeder halb offen zu der Auslassöffnung 12. In allen Zylinderstellungen während der
Pumpendrehung ist die gesamte Zylinderflche die zu der Einlassöffnung und zu der
Auslassöffnung offen ist, (z.B. 14B t 14C) gleich der Querschnittsfläche eines Zylinders
und deshalb gibt es keine Unterbrechung des Flusses von Aufschlemmung in die und
aus der Pumpe. Dieses selbe Prinzip wird verwendet, um den Fluß von treibendem Wasser
in die und aus den Motorzylindern zu steuern, so daß die Fließgeschwindigkeit der
gepumpten Aufschlemmung konstant ist. Ein Minimum von drei Zylindern in Kombination
mit einfachen Einlasse-und Auslassöffnungen fdtlrt zu den oben beschriebenen Eigenschaften.
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Die Abdichtung und Schmierung des Rotationsventiles geschieht durch
einen Flüssigkeitsfilm, welcher die Öffnungsplatte 13 von der Ventilplatte 21 trennt.
Wenn Aufschlemmung von einem Zylinder ausgestoßen wird, wird Wasser aus dem ringförmigen
Raum 15 zwischen einem Motorzylinder, z.B. 16 und einem Pumpenpresskolben, z.B.
17, gepumpt. Das Ventil 18 steuert den Fluß dieses Wassers zu den Rillen 19 und
20 in der Ventilplatte und sieht somit eine Druckschmierung vor. Auch wird Aufschlemmung
daran gehindert, den Spielraum zwischen der Ventilplatte und der Öffnungsplatte
zu verschmutzen, der etwa Ovo508 mm (o-,oo2 inches) betrëtgt, bestimmt durch den
Gegendruck auf die Öffnungsplatte in ihrem Gehäuse und Aufschlemmung wird in Zylindern,
z.B. 22, abgedichtet, welche gefüllt worden sind, weil der Aufschlemmungsdruck ständig
niedriger ist als der Wasserdruck auf die Ventilplatte Außerdem schmiert und reinigt
Wasser das durch den Spielraum der Halsbuchse 23 tritt, die Pumpenpresskolben während
des Ansaugens und Ausstoßens. Der Gesamtabgang von Wasser zu der Aufschlemmung während
des Pumpens ist erträglich gering, verglichen mit dem Wassergehalt von handelsüblichen
durch Rohrleltungen verschickte Aufschlemmungen und der anfängliche'Wassergehalt
der Aufschlemmung kann geregelt werden, um dies in Rechnung zu stellen.
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Der äußere Auslauf vom Umfang der Rotatlonaventile hangt von dem laminaren
Wasserfluß in einem parallelen Spielraum
ab. rinne dimensionale
Fließgeschwindigkeit ist hier umschrieben mit
wo h der parallele Spielraum ist zwischen dem Rotationsventil und der Öffnungsplatte,
x der Auslaufpfad in der Richtung des Flusses ist, 1 die Länge der Auslaufbegrenzung
senkrecht zum Fluß ist, der Druckabfall an dem AuslFufpfad ist und F die absolute
Viskosität ist.
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Wenn die Pumpen in der Größe Variieren kann das Verhältnis lZx annähernd
konstant gemacht werden, so bleibt die äußere Auslaufgeschwindigkeit annehmbar konstant,
mit Bezug auf die Pumpengröße. Um das äußere Auslaufen zu vermindern, könnte ei
druckbelasteter Diohtungsring (nicht dargestellt) in der Öffnungsplatte der Aufschlemmung
angebracht werden, um gegen die Ventilplatte abzudichten.
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Die Motorventilplatte 24 wird auf ähnliche Weise an der Pumpenventilpiatte
abgedichtet und geschmiert. Die Pumpenhaupt lager 25 und 26 werden durch das Gewicht
des Zylinderblockes belastet und ein Drucklager 27 nimmt das Ungleichgewicht der
Belastung auf die Pumpenventilplatte und die Motorventilplatte auf. Zugstäbe 28
widerstehen der Trennkraft auf dem Pumpengehäuse und Pumpenrahmenelementen 29 und
3Q.
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Ein schematischer Motor-Pumpen-Kreislauf in Fig.2 zeigt Wasser-und
Aufschlemmungs-Fließgrade für zwei der Zylinder in der Vierzylinderpumpe.
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Die Fließgeschwindigkeit des Aufschlemmungsausstoßes ist QS = II n
d² SN 4 wo n die Anzahl der Aufschlemmungspresskolben ist d der Durchmesser des
Aufschlemmungspresskolben ist S der Hub des Aufschlemmungspresskolben ist N die
Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe ist.
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Um eine durchschnittliche Aufschlemmungsgeschwindigkeit V in der betriebenen
Pipeline zu erhalten, ist die Pumpengeschwindigkeit
wo d der Durchmesser der AufschlemmungspiDeline ist p und X die Anzahl von an die
Pipeline aus stoßenden Pumpen ist.
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Auf kleinen Pipelines bis zu etwa 100 mm C4 inches) Dürchnesser,ist
ein einziges Pumpenbauteil angemessen und bei einem Verhältnis des Presskolben-
zum Pipelinedurchmesser d dp = 1,5, dp = 100 mm (4 inches), S = 2d, n = 4 und bei
V = 1,83 m/Sek.(6 feet/ee.) ergibt dann Gleichung 3 N = 40 U/Min.
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Für größere Pipelines von bis zu 450 mm (18 inches) bei Verwendung
von zwei Pumpenbauteilen, wobei die eine bei fester Geschwindigkeit arbeitet, die
andere zur Fließsteuerung variabel ist und bei (d/dp)² = 1/2, dp = 450 mm (18 inches),
S = 2d, n = 4, V - 1,83 m/Sek.
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(6 feet/sec.) und X = 2 ergibt dann die Gleichung (3), N = 42 U/Min.
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Der volumetrische Wirkungsgrad der Motorpumpe ist dann gegeben mit
nVOL = Qs QM wo QM die volumetrische Fließgeschwindigkeit des den Motor antreibenden
Wassers ist. Wenn diw Wassermengen zum Abdichten und Schmieren außer Acht gelassen
werden, wird der Wirkungsgrad
wo dm der Durchmesser des Motorzylinders ist.
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Der volumetrische Wirkungsgrad ist etwa 80% bis 90 % für Pumpen, die
in zu der Erfindung führenden Versuchen konstruiert sind und verwendet wurden. Der
mechanische Wirkungsgrad der Motorpumpe ist wegen der niedrigen Geschwindigkeiten
des Kolbens und Presskdbens und der niedrigen Drehgeschwindigkeit hoch.
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Patentansprüche