Method for regulating cavitation

Abstract: During the delivery or transport of liquids and/or gases by means of delivery units, a minimum residual cavitation by means of a regulating circuit is deliberately permitted. The cavitation is measured with the aid of a pressure sensor which transmits a voltage corresponding to the cavitation to a microprocessor. The latter controls the speed of the delivery unit used in such a way that a minimum residual cavitation is retained. <IMAGE>

Description: Verfahren zur Kavitations-Einstellung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung von Förderaggregaten für den Transport von Flüssigkeiten und/oder Gasen in Rohrleitungen, wobei als Ausgangsgrösse für die Einstelllmg die Kavitation gemessen wird. In vielen Bereichen der Technik kommt der Förderung von Flüssigkeiten und/oder Gasen eine grosse Bedeutung zu, und als ein Beispiel seien hier die Eindampfanlagen im Bereich der Molkereiwirtschaft genannt. Für den Transport bzw. für die Förderung werden allgemein Förderaggregate in Verbindung mit Rohrleitungen eingesetzt, wobei etwa Zentrifugalpumpen,Verdrängerpumpen oder auch Wasserringpumpen (Vakuumpumpen) zu nennen sind. Grundsätzlich bereitet der Transport von Flüssigkeiten zwar keine technischen Schwierigkeiten, allerdings mit Ausnahme der bekannten Kavitation, deren schädliche Einwirkungen auf das jeweilige Förderaggregat und auch auf die Rohrleitungen immer noch ein gravierendes Problem darstellen. Der Begriff Kavitation (Hohlsogbildung, Hohlraumbildung) beschreibt eine Erscheinung, die dann auftritt, wenn der Druck in einer Flüssigkeit z.B. infolge zu grosser Geschwindigkeit an einigen Stellen auf den Verdampfungs- druck aDsinkt. Die dahei entstehenden Dampfblasen stürzen bei höherem Druck wieder zusammen, und die damit verbundenen "Schläge" führen zu erheblichen Beanspruchungen des Förderaggregates und der Rohrleitungen. Es können sich also - insbesondere bei Flüssigkeiten, deren Betriebstemperaturen nahe am Siedepunkt liegen bei Unterschreitung des Siededruckes Dampfblasen bilden. Nach der durch das Förderaggregat hervorgerufenen Druckerhöhung wird der Siededruck wieder überschritten, die Dampfblasen fallen zusammenund es tritt die schädliche Kavitation ein (rzgl. :sB "KreiselpumpenÚexikon" 2. Auflage, Seite 121 - 122 und Fuchslocher/Schulz "Die Pumpen", Springer Verlag 1965, Seite 100 - 109). In der Praxis macht sich die Kavitation durch ein Ansteigen des Geräuschpegels sowie durch einen unruhigen Lauf des Förderaggregates bemerkbar. Dabei kann auch ein sogenanntes pulsierendes Arbeiten auftreten. Einhergehend damit werden die Förderbedingungen erheblich verschlechtert, so dass der Wirkungsgrad des Förderaggregates absinkt. Schliesslich kann die Kavitation sogar zur Materialzerstörunq fuhren (vgl. ae voransoenend genannten Litera turstellen). Um den geschilderten schädlichen Wirkungen der Kavitation zu begegnen, hat man sich bisher in der Praxis meistens damit heholfen, bestimmte Messgrössen, wie die Temperatur der Flüssigkeit oder das Niveau bzw. die Zulaufhöhe zu kontrollieren und in Abhängigkeit dieser Grösse eine manuelle Einstellung des Förderaggregates vorzunehmen. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass ein solches Verfahren sehr aufwendig ist und zudem auch unter der Gefahr einer Ungenauigkeit leidet. Da sich die Kavitation unter anderem durch Erhöhung des Geräuschpegels äussert, sind auch schon Messeinrichtungen mittels eines Mikrofones bekannt geworden (Brüel & Kjaer 11Technical Review" No. 4 - 1980). Jedoch ist diese Messmethode nicht zuverlässig genug und ausserdem auch zu störempfindl ich. Durch die deutsche Offenlegungsschrift 32 36 815 ist auch schon eine Uberwachungs- und Kontrolleinrichtung an Rohrleitungen zum Transport von Flüssigkeiten zur Unterdrückung von Kavitation bekannt geworden. Während man sich bisher darauf beschränkt hat, physikalische Grössen wie die Temperatur oder das Flüssigkeitsniveau zu messen, wird dort vorgeschlagen, mittels eines Druckaufnehmers in Form einer Messmembran mit Foliendehnungsmessstreifen die Kavitation direkt zu messen. Unter Verwendung eines Mikroprozessors, der die gemessenen Kavitationswerte verarbeitet, lässt sich die Drehzahl einer Zentrifugalpumpe verändert, bis ein optimaler BeLriebszustand ohne jegliche Kavitation eintritt. Durch die bekannte Überwachung 5- und Kontrolleinrichtung gemäss der deutschen Offenlegungsschrift 32 36 815 wird zwar gegenüber dem bisherigen manuellen Verfahren ein bedeutsamer Fortschritt erzielt, allerdings kann auch dieses Verfahren in der Praxis noch nicht vollständig überzeugen Hier greift nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, ein opti;naat3s Verfahren zur Einstellung von FördexaggLegaten für den Transport von Flüssigkeiten und/oder Gasen in Rohrleitungen zu schaffen, welches die schädlichen Wirkungen der Kavitation möglichst weitgehend ausschaltet. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Verfahren dadurch, dass das Förderaggregat in Abhängigkeit von der gemessenen Kavitation so eingestellt wird, dass eine minimale Restkavitation verbleibt. Die Erfindung beschreitet den neuartigen Weg, ganz bewusst eine gewisse minimale Restkavitation beizubehalten. Während man bisher - wenn auch in unzulänglicher Weise - darauf bedacht gewesen ist, die Kavitation möglichst vollständig zu beseitigen, sieht die Erfindung also überraschend die Massnahme vor, eine - allerdings kontrollierbare - minimale Restkavitation durchaus zuzulassen. Diesem verblüffenden Verfahrensschritt liegt die Uberle- gung zugi:'aide' ize n sich eichädl¯ne Störgrösse "Kavita- tion" während des Betriebes in geringem Masse beizubehalten, damit die Störgrösse sozusagen jederzeit unter Kontrolle bleibt. Die Restkavitation kann ohne weiteres so gering gewählt werden, dass schädliche Nebenwirkungen auf das Förderaggregat und auf die Rohrleitungen nicht zu befürchten sind. Es genügt, wenn die Restkavitation messtechnisch gerade noch erfassbar ist. Ein bedeutsamer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die vorgesehene laufende Erfassung bzw. Messung der Kavitation es erlaubt, das Förderaggregat abzuschalten wenn die gemessene Kavitation einen schadlichen und vor gebbaren Kavitationsgrenzwert überschreitet. Es wird also im Grunde ein sich vollständig selbst regulierendes System geschaffen, bei welchem die Fördermengen in Anpassung an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen so einge- stellt" werden, dass eine manuelle Überwachung entfallen kann. Bei Überschreiten eines kritischen Grenzwertes kann die entsprehende Anlage selbsttätig abgeschaltet werden. In zweckmässiger Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die "Selbstregulierung" dadurch, dass in Abhängigkeit der gemessenen Kavitation die Drehzahl einer als Förderaggregat eingesetzten Sumpe entsprechend reguliert bzw. eingestellt wird. Die Erfindung lässt sich aber auch ebenso dahingehend einsetzen, dass die gemessene Kavitation herangezogen wird, um etwa ein Drosselventil - und damit die Fördermenge - zu beeinflussen. In zweckma er Ausgestaltung lässt sich die Erfindung auch bei Wasserringpumpen einsetzen. Bisher wurde dort bei Auftreten einer schädlichen Kavitation die Frischwasserzufuhr erhöht oder es wurde zusätzliches Ballastgas oder Luft vorgesehen, um der schädlichen aufgetretenen Kavitation entgegenzuwirken. Bei Anwendung des erz in dungsgemässen Verfahrens lassen sich nun der Frischwasser verbrauch und auch der Einsatz von Ballastgas oder Luft nicht nureinschränken, sonden letzteres sogar vollständig vermeiden, da die Pumpendrehzahl soweit heruntergeregelt werden kann, bis die Kapazität der Pumpe mit dem Gas-/Luftanfall übereinstimmt und die Kavitation akzeptabel ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und der Zeichnung zu entnehmen. Nachfolgend wird die Erfindung zum besseren Verständnis anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Prinzipdar stellung des Flüssigkeitsweges einer mehrstufigen Eindampfungsanlage, Fig. 2 und 3 jeweils eine Teil-Schnittdar stellung einer Rohrleitung mit einer Messeinrichtung für die Kavitation, Fig. 4 ein Diagramm zur Verdeutlich ung unterschiedlicher Betriebs zustände, und Fig. 5 ein Diagramm zur Verdeutlichung des vorgesehenen Betriebszustan des mit einer Restkavitation. In Fig. 1 ist schematisch eine mehrstufige Eindampfungsanlage 10 dargestellt. Die in einer ersten Stufe in einen Flüssigkeitsbehälter 12 angesammelte Flüssigkeit wird mittels einer Zentrifugalpumpe 16 in einen Flüssigkeitsbehälter 14 einer weiteren Stufe gefördert. Dort besitzt die Flcsslgkel- einen Flüssigkeitqsstand (Niveau) 20 Mittels einer Zentrifugalpumpe 18 erfolgt eine weitere Förderung der Flüssigkeit durch eine Rohrleitung 22. Auf der Druckseite der Zentrifugalpumpe 18 bzw. der Rohrleitung 22 erfolgt nun an einer Rohrverzweigung 24 eine Messung der Kavitation. Die Messwerte werden einem Mikroprozessor 26 zugeführt, welcher über einen Frequenzumformer 28 einen Elektromotor 30 zur Verstellung der Drehzahl der Zentrifugalpumpe 18 beeinflusst. Es liegt also insgesamt tain PveselkreiS vor, wobei die Drehzahl der Zentrifugalpumpe 18 derart eingestellt wird, dass eine minimale Restkavitation beibehalten wird (was nachfolgend noch unter Bezugnahme von Fig. 4 und 5 näher erläutert wird). Der nähere Aufbau der Rohrverzweigung 24 - also der Messstelle für die Kavitation - wird aus Fig. 2 und 3 deutlich. Im Bereich der Rohrwandung der Rohrleitung 22 beinhalte; die P.oHrverzviaung 24 ein Messmembrane 32 mit aufgeklebten ioliendehnungsmeBstreifen 34. Zum Trennen und zum Isolieren der Messmembrane 32 von der Rohrleitung 22 sind flexible Dichtungsringe 36 im Bereich einer Bördelscheibe 38 vorgesehen, die als Auflage für die flexiblen Dichtungen 36 dient. Aus Gründen der besseren Über- sichtlichkeit der Zeichnung ist eine an sich notwendige Klemmvorrichtung zum Verspannen der flexiblen Dichtungen 36, der Messmembrane 32 in den Figuren 2 und 3 nicht dargestellt. Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei die Messmembrane 32 gewölbt angeordnet ist, um sowohl bei Vakuum als auch bei Überdruck die erforderliche mechanische Beständigkeit zu gewährleisten. Fig. 4 zeigt in einem Messdiagramm unterschiedliche durch die jeweils ermittelten Spannungen U - über der Zeit t aufgetragen - charakterisierte Betriebszustände. In dem mit 1 gekennzeichneten Bereich ist eine Kavitation 42 vorhanden, während durch den Bereich IS eine Pulsation 44 gekennseichne; wird. Der Bereich "LLS" stellt den Normalbetrieb 46 dar, der innerhalb des Bereiches IV nochmals gesondert als in der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift 32 36 815 als optimaler Betriebszustand 48 bezeichneter Zustand angegeben ist. Der Bereich V gibt eine Füllkurve 50 wieder, d.h. es ist ein Zustand dargestellt, wie er sich beim Füllen der saugseitigen Seite der Zentrifugalpumpe 18 in Fig. 1 nach einer nicht ausreicheiid.n VerJn-drung der Drehzahl einstellt, wenn der Flüssigkeitsstand 20 des Flüssigkeitsbehälters 14 ansteigt. Das Diagramm 52 in Fig. 5 zeigt den mit der Erfindung verwirklichten Betriebszustand, bei welchem eine minimale Restkavitation 54 ganz bewusst beibehalten wird, und zwar abweichend von dem in Fig. 4 im Bereich IV dargestellten Betriebszustand 48. In Versuchen konnte festgestellt werden, dass z.B. die Zentrifugalpumpe 18 in Fig. 1 - dort ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit der Zeichnung die Regelung nur in einer Stufe dargestellt - bei dem erfindungsgemässen Verfahren immer in der Nähe des optimalen Be triebssunkfes gefalzten wird, der sich durch einen maximalen Wirkungsgrad auszeichnet. Als unmittelbare Folge davon sind minimal mögliche Zulaufhöhen für die Flüssigkeitsbehälter 12 und 14 zu erwähnen, was sich in mehrstufigen Milcheindampfanlagen durch reduziertes Flüssigkeitsvolumen, kürzere Durchlaufzeiten mit geringerer Produktschädigung und niedrigerer Produktviskosität bemerkbar macht. Wenn beispielsweise in Fig. 1 die Anlage zu einem Auffüllen des Flüssigkeitsbehälters 14 führt, wodurch der Druck ansteigt., ergibt sich einr .n edrigere Kavitation. Gemäss dem den adungsgemässen Verfahren erfolgt in diesem Fall eine Regelung in dem Sinne , dass die Drehzahl der Zentrifugalpumpe 18 erhöht wird, so dass die bewusst gewählte Restkavitation 54 beibehalten wird. Wegen der erhöhten Drehzahl wird auch mehr gefördert, d. h. dem Auffüllen des Flüssigkeitsbehälters 14 wird unmittelbar entgegengetreten, so dass eine minimale Zulaufhöhe erhalten bleibt. Das damit verbundene geringe Niveau 20 gewährleistet eine relativ geringe Totzeit bzw. Verweil zeit der Flüssigkeit. Ein weiterer bedeutsamer Vorteil der Erfindung ist bei Förderaggregaten gegeben, deren Drehzahl verändert werden kann. Da die Möglichkeit der Messung der Kavitation vorgesehen ist, lässt sich ohne weiteres ein Kavitationsgrenzwert festlegen, bei welchem dj.e Anlage abgeschaltet wird bzw. ein Alarm gegeben wird. Bei Verwendung einer Wasserringpumpe als Förderaggregat gestattet die Erfindung in vorteilhafter Weise eine erhebliche Einschränkung des Frischwasserverbrauches und des Einsatzes von Ballastgas oder Luft, da die Pumpendrehzahl bei dem erfindungsgemässen Verfahren soweit herunter geregelt wird, bis die Kapazität der Pumpe mit dem Gas-/Luftanfall übereinstimmt und die Kavitation auf die Restkavitation 54 heruntergedrückt ist.

Claims: Method of regulating pumping plants for the conveying of liquids and/or gases in pipelines, wherein the cavitation downstream of the pumping plant is measured as a single output variable for the regulation, characterized in that the pumping plant (18) is regulated as a function of the measured cavitation (42; 54) in such a way that a residual cavitation (54) which can still just be detected by measurement remains. Method according to Claim 1, characterized in that the residual cavitation (54) is adjusted to correspondingly different values in adaptation to the different operating conditions present each time during the conveying. Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the pumping plant (18) is shut down when the measured cavitation (42) exceeds an adjustable limiting value of cavitation. Method according to Claim 1 or 2, characterized in that an alarm is given when the measured cavitation (42) exceeds an adjustable limiting value of cavitation. Method according to one of the preceding Claims 1 to 4, characterized in that the cavitation is measured by means of a pressure pick-up. Method according to Claim 5, characterized in that the cavitation is measured by means of at least one measuring membrane (32) comprising strip strain gauges (34), disposed in the pipe wall of the pipeline (22). Method according to one of the preceding Claims 1 to 6, characterized in that the electrical voltage (U) occurring in the pressure pick-up at the measurement of the cavitation is fed to a microprocessor (26) for evaluation, and that the micro-processor (26) regulates the pumping plant (18). Method according to Claim 7, characterized in that a centrifugal pump (18) is used as pumping plant and that the rotational speed of the centrifugal pump (18) is regulated by the microprocessor (26). Method according to one of the preceding Claims 1 to 7, characterized in that a positive displacement pump is used as pumping plant. Method according to one of the preceding Claims 1 to 7, characterized in that a liquid seal pump (vacuum pump) is used as pumping plant. Method according to one of the preceding Claims 7, 9 and 10, characterized in that the microprocessor (26) influences the valve setting of a throttle valve in the pipeline (22).

Inventors: METZGER KLAUS, METZGER, KLAUS
Applicants: METZGER KLAUS, METZGER, KLAUS
Application year: 1986
Main classification: F04D15
IPC codes: F17D1, F04B49, F04B11, F04D29, F04D15