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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine
Vorrichtung zum Pumpen von Flüssigkeiten
oder verschiedenen Suspensionen. Das Verfahren, die Vorrichtung
und der im Zusammenhang mit denselben verwendete Rotor sind insbesondere
bevorzugt zum Pumpen von Fasersuspensionen der Papier- und Pulpe-Industrie bei mittlerer
Dichte (8–20%)
und hoher Dichte (20%) geeignet. Das Verfahren, die Vorrichtung
und der im Zusammenhang mit denselben verwendete Rotor sind gemäss einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung zum Pumpen zähflüssiger und/oder
Luft enthaltender Medien geeignet. Die Verfahrenserfindung betrifft hauptsächlich die
Verstärkung
des Pumpens von Flüssigkeiten
oder verschiedenen Suspensionen, aber auch Verfahren, welche die
Nachteile vermeiden, die durch Luft und/oder Gase verursacht werden,
die im genannten Medium vorhanden und absorbiert sind. Insbesondere
betrifft die Erfindung der Vorrichtung vorzugsweise eine in Verbindung
mit einer Kreiselpumpe verwendete Bauform, um den Eingangsdruck
der Pumpe zu erhöhen.
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Der
Stand der Technik kennt eine grosse Zahl Kreiselpumpen, die zum
Pumpen von Fasersuspensionen in der Holz verarbeitenden Industrie
gebraucht wurden und immer noch gebraucht werden. Die grösste Gruppe
stellen Kreiselpumpen dar, die einen herkömmlichen Grundaufbau aufweisen
mit einigen unwesentlichen Änderungen
darin, um sie zum Pumpen von Pulpe geeignet zu machen. Als ein Beispiel
derartiger Änderungen
kann beispielsweise das Anbringen von sogenannten Vorsatzläufern vor
dem eigentlichen Laufrad angeführt
werden, um den Fluss der Pulpe zum eigentlichen Laufrad der Pumpe
zu erleichtern. Trotz vieler Versuche und kleineren konstruktiven Änderungen
sind Pumpen der beschriebenen Bauart kaum geeignet zum Pumpen von
Pulpe mit einer Dichte von grösser
als 6–8%.
Der Grund dafür
ist sowohl der zunehmende Luftgehalt, wenn die Dichte grösser wird,
wobei die in der Mitte des Laufrades angesammelten Luft- oder Gasblasen
die Pulpe daran hindern, zum Laufrad zu fliessen, als auch die schlechten
Fliesseigenschaften dickflüssiger
Pulpe im Ansaugstutzen der Pumpe oder vom Pulpe enthaltenden Raum
in den Ansaugstutzen der Pumpe.
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Die
zweite Stufe war die sogenannte MCTM-Pumpe,
die in den späten
1970er Jahren auf den Markt kam und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
in der Einlassöffnung
der Pumpe ein Rotor angeordnet ist, der sich normalerweise meist
durch den Ansaugstutzen bis zu einem gewissen Grad in den Pulpebehälter, das
Fallrohr o.ä.
erstreckt, mittels welchem Rotor die Verbindung zwischen den Fasern
der Fasersuspension durch Zuführen
von Energie in Form eines Scherkraftfeldes in die Pulpe gelöst wird, wodurch
der Fluss der Pulpe zum Laufrad der Pumpe gefördert wird. Das Ziel dieser
Pumpen war, das Pumpen von Pulpe mit einer Dichte von 8–15% zu
ermöglichen.
Als Hauptproblem wurden die schlechten Fliesseigenschaften der Pulpe
im Ansaugstutzen der Pumpe bei der genannten Dichte angesehen, auf Grund
welcher Tatsache sich die Erfindung zu jener Zeit auf Verfahren
bezog, um die Pulpe im Ansaugstutzen der Pumpe dazu zu bringen,
zum Laufrad zu fliessen. Verschiedene Ausführungsformen derartiger Pumpen
sind z.B. in den US Patentschriften 4.410.337, 4.435.193 und 4.637.779
beschrieben. Alle genannten Lösungen
sind dadurch gekennzeichnet, dass sie sowohl die geförderte Pulpe
verflüssigen
als auch Gas, meistens Luft, das beim Pumpen und der weiteren Behandlung
der Pulpe stört,
aus dieser entfernen. Unter Verflüssigen wird das Aufbrechen
der Pulpestücke
in der Fasersuspension in kleinere Teile verstanden, bis die Pulpe
beginnt, sich wie eine Flüssigkeit
zu verhalten. Das Verflüssigen
wird durch die Schaufeln eines Rotors bewerkstelligt, der sich im
Innern des vergleichsweise langen Ansaugstutzens der Pumpe befindet,
welche Schaufeln im Wesentlichen in einer radialen Ebene und hauptsächlich axial
gelegen sind, obwohl einige Lösungen
Rotorschaufeln verwendeten, die zu einem gewissen Grad gekrümmt sind.
In allen vorgestellten Pumpenlösungen
wird die Abscheidung des Gases vor dem Laufrad in die hohle Mitte
des Rotors durch Fliehkraft bewerkstelligt, von wo das Gas weiter
durch Öffnungen
in der hinteren Deckscheibe des Laufrades entfernt wird, in den
meisten Fällen
mittels einer mit einer Vakuumpumpe erzeugten Saugwirkung. Diese
Saug- oder Vakuumpumpe, meistens eine sogenannte Flüssigkeitsringpumpe,
ist entweder getrennt von der eigentlichen Kreiselpumpe zusammen
mit einem eigenen Antrieb oder alternativ auf der selben Welle mit
der Kreiselpumpe angeordnet. Als Beispiele für den letzteren Fall können z.B. die
US Patente 5,078,573, 5,114,310, 5,116,198, 5,151,010 und 5,152,663
erwähnt
werden.
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Zu
den baulichen Einzelheiten der MCTM-Pumpen
aus dem Stand der Technik kann festgestellt werden, dass sich in
allen genannten Veröffentlichungen
der Rotor bis zu einem gewissen Grad in den Pulpe enthaltenden Raum
erstreckt. Am deutlichsten wurde dies im US Patent 4.637.779 beschrieben,
in welchem erwähnt
wurde, dass sich der Rotor ungefähr
3 Inches, d.h. ungefähr
75 mm, in den Behälter
erstreckt. Diese Abmessung gilt eigentlich als maximale Grenze,
da das Herstellungsprogramm hauptsächlich Pumpen enthält, deren
Rotoren sich nicht ganz so tief in den Ansaugraum erstrecken. Die maximale
Abmessung kann mit ungefähr
0.5·den Durchmesser
des Ansaugstutzens angegeben werden, welches Verhältnis in
Wirklichkeit verkleinert wird, da sich der Durchmesser des Ansaugstutzens vergrössert. In
der Praxis ist der Durchmesser der kleinsten MCTM-Pumpe
ungefähr
150 mm, wobei das genannte Verhältnis
erfüllt
ist. Wenn der Durchmesser des Ansaugstutzens weiter vergrössert wird, nimmt
die tatsächliche
Ausdehnung des Rotors in die Pulpekammer praktisch nicht zu.
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Da
in der Praxis erkannt wurde, dass die genannte Ausdehnung des Rotors
in die Kammer nicht genügte,
liess man im US Patent 4,971,519 eine Lösung schützen, in welcher der verflüssigende
Rotor gemacht war, um sich bis mindestens zur Länge des Durchmessers des Ansaugstutzens
der Pumpe in die Kammer zu erstrecken. In einer Ausführungsform, die
im genannten Patent beschrieben ist, war das Ende des verflüssigenden
Rotors mit Schaufeln versehen, die Pulpe zur Ansaugöffnung der
Pumpe zuführten,
durch welche Schaufeln ein vergleichsweise grosser Bereich von sich
bewegender Pulpe in der Umgebung der Ansaugöffnung erzeugt wurde, um sicherzustellen,
dass die Pulpe in der Umgebung der Ansaugöffnung nicht einfach einen
Bogen machte.
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Nun,
da eine grosse Menge an praktischer Erfahrung über die genannten MCTM-Pumpen
gewonnen worden ist, wurde bemerkt, dass die Pumpen, die als solche
ausgezeichnet arbeiteten und die bestenfalls einen Dichtebereich
von ungefähr
15% erreichten, weiter verbessert werden können. Der Hauptaufwand in der
Anfangsphase der Entwicklung der MCTM-Pumpen
war, dass das grösste
Hindernis beim Pumpen dicker Pulpe die Reibung zwischen der Wand
des Ansaugstutzens und der Pulpe ist, welche Reibung man durch Verflüssigen der
Pulpe im Ansaugstutzen zu beseitigen versuchte. Als ein zweites Problem
wurde das Zuführen
der Pulpe von der Saugkammer oder vom Fallrohr in den Saugstutzen betrachtet,
weil die dicke Pulpe dazu neigt, allmählich die Öffnungen, die von scharfen
Ecken umgeben sind, auszufüllen,
d.h. einschliesslich der Ansaugöffnungen.
Als Folge wurde entschieden, den verflüssigenden Rotor so einzurichten,
dass er sich auf eine gewisse Länge
in die genannte Kammer erstreckt, um den Rotor dazu zu bringen,
die Fasern und Faserflocken, die möglicherweise mit den Kanten
der Öffnungen
verbunden sind, abzureissen und somit das Verstopfen der Ansaugöffnung zu
verhindern. Die alten Regeln, die für einen Entwickler von Kreiselpumpen
selbstverständlich
sind, wurden jedoch beibehalten, gemäss welchen Regeln der Fluss
des geförderten
Stoffes beim Einlass in die Pumpe so laminar wie möglich sein
muss, um Strömungsverluste
zu vermeiden. Literaturhinweise dieser Art werden immer noch gefunden,
z.B. in der US Patentveröffentlichung 4,637,779,
in der in Kolonne 2, Seiten 24–30
festgestellt wird, dass eine Vorrichtung aus dem Stand der Technik
vor und um den Saugeinlass der Pumpe eine „torus-förmige" turbulente, d.h. mindestens teilweise verflüssigte,
Zone erzeugt, die tatsächlich
in der Umgebung der Kanten des Saugeinlasses der Pumpe liegt. In
der genannten US-Veröffentlichung
wurde das genannte Phänomen
als störend
für das
Pumpen betrachtet, wobei im Vertrauen auf die Regeln des Pumpenentwurfs
die Enden der Rotorschaufeln, die sich in die Pulpekammer oder Ähnliches
der MCTM-Pumpe erstrecken, entsprechend
gekrümmt wurden,
um der Pulpe eine zum Saugeinlass wirkende Kraftkomponente zu geben.
In der Veröffentlichung
stützt
sich die Verwendung der genannten Lösung darauf, der einströmenden Pulpe
einen Druck zu geben, der das Entfernen von Gas vor dem Laufrad
erleichtert.
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Das
nächste
Problem, dem man gegenüberstand,
war dasjenige, das vom Pumpen von Pulpe mittlerer Dichte mit MCTM-Pumpen bekannt war, d.h. selbst wenn die
Pumpe und ihr Rotor in der Lage waren, die Pulpe im Ansaugstutzen
zu behandeln und dies zudem mit ausreichender Wirksamkeit, ist das Problem,
auf das man bei genügend
hohen Dichten stösst,
das Fördern
der Pulpe von der Pulpekammer oder Ähnlichem in den Ansaugstutzen.
Die Gründe für dieses
Problem sind sowohl, dass die Pulpe im Pulperaum einen Bogen macht,
d.h. die Bildung eines leeren bogenförmigen Raumes vor dem Saugeinlass
der Pumpe, als auch die Reibung zwischen der Pulpe und den Wänden des
genannten Raumes, welche Reibung das Hinunterfliessen der Pulpe
verlangsamt.
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Es
wurden Versuche unternommen, die Pumpe gemäss dem genannten US Patent 4,971,519
in eine bessere Richtung weiterzuentwickeln, da bemerkt wurde, dass
der Wirkungsgrad der Pumpe vergleichsweise niedrig war, obwohl die
Pulpe vor der Pumpe nicht mehr länger
einen Bogen bildete. Als eine Lösung
zu dem genannten Problem stellte das US Patent 4,877,368 eine Ansaugvorrichtung
einer Pumpe vor, worin ein Schraubengang entweder ausserhalb der
verflüssigenden
Rotorschaufeln des verflüssigenden
Rotors angeordnet war, oder im Ansaugstutzen der Pumpe oder beides.
Der Zweck des genannten Schraubengangs, wenn an einem drehenden
Rotor befestigt, war, die Pulpe aktiv gegen das Laufrad der Kreiselpumpe
zu zuführen, und
wenn an der Wand des Saugstutzens befestigt, den im Ansaugstutzen
drehenden Pulpefluss passiv zum Laufrad zu führen. Die genannte Lösung ist
baulich kompliziert. Sie hat sowohl im Wesentlichen axial angeordnete
verflüssigende
Rotorschaufeln als auch in gewissen Ausführungsformen einen auf den Schaufeln
gelegenen Schraubengang. Mit anderen Worten, die Herstellung des
Rotors als Gussteil ist praktisch nahezu unmöglich.
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Versuche
mit der Lösung
gemäss
dem genannten US Patent 4,877,368 haben nichtsdestoweniger gezeigt,
dass die Entwicklung in die richtige Richtung geht. Die genannte
Lösung
hat jedoch zusätzlich
zu einer hoch komplizierten und teuren Herstellung weitere Nachteil.
Da die Steigung der auf dem verflüssigenden Rotor angeordneten
Schraube konstant war, erwies sich die Pumpe als sehr empfindlich
auf Änderungen
des Volumendurchflusses oder der Drehzahl der Pumpe. Hauptsächlich wegen der
genannten Empfindlichkeit wurde weiter erkannt, dass die genannte
Pumpe nur zur Behandlung von Pulpe mit einer vergleichsweise niedrigen
Dichte verwendbar war. In der Praxis wurde bemerkt, dass die obere
Dichtegrenze der Pumpe bei ungefähr
10% lag, was zu niedrig ist für
fast alle Anwendungen der MCTM-Pumpen. Aus
den genannten Gründen
wurde die Pumpe unter anderem nie aktiv auf den Markt gebracht.
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Als
Ausgangspunkt für
die nächste
Generation von Pumpen für
Pulpe hoher Dichte wurde das Lösen
der oben beschriebenen Aufgabe bestimmt, derart, dass es möglich ist,
das Laufrad der Pumpe durch Giessen herzustellen, und dass die Pumpe zum
Pumpen von Volumenflüssen
unterschiedlicher Höhe
bei verschiedenen Drehzahlen geeignet ist, und dass die Dichte der
mit der genannten Pumpe geförderten
Pulpe wesentlich grösser
als 10% sein soll. In den ausgeführten
Versuchen wurde entschieden, einen schraubenförmigen Verflüssiger zu
verwenden, dessen Steigung sich im Wesentlichen entlang der gesamten
Länge der
Schraube ändert.
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Aus
dem Stand der Technik sind zweifellos Pumpen bekannt, worin die
Steigung des Schraubenganges, der vor dem Laufrad der Pumpe gelegenen
und an demselben befestigt ist, ändert.
Meist werden diese Art Vorrichtungen Vorsatzläufer genannt.
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Die
US Patentveröffentlichung
4,275,988 handelt von einer Kreiselpumpe, vor deren Laufrad ein
schraubenförmiges
Mittel befestigt ist. Das genannte Mittel ist als Welle ausgebildet,
die als eine Verlängerung
der Nabe des Laufrades angeordnet ist, an welcher Welle der Schraubengang
befestigt ist. Das Ziel des genannten schraubenförmigen Mittels ist das Erhöhen der
Saugfähigkeit
der Pumpe entweder bei schnelllaufenden Pumpen oder in Situationen,
wo die Förderhöhe der Pumpe
gering ist. Als Anwendungsbeispiele für die Verwendung sind z.B. chemische
und petrochemische Industrien erwähnt. Als Hauptproblem wird
die hohe Kavitationsempfindlichkeit bekannter Pumpen angesehen,
sowie die grossen Druckschwankungen im Ansaug- und Druckstutzen.
Der Ausgangspunkt in der genannten Veröffentlichung ist, dass gemäss dem Grundsatz der
geometrischen Äquivalenz,
der Durchmesser und die Steigung der genannten schraubenförmigen Zuführungsvorrichtung
im selben Verhältnis ändern müssen. Mit
anderen Worten, wenn sich der Durchmesser der Schraube verdoppelt,
muss sich die Steigung ebenfalls verdoppeln. Die Veröffentlichung
stellt eine Anzahl verschiedener Ausführungsformen vor, um die genannte
Ausgangsanforderung zu erfüllen. Die
in der Veröffentlichung
gezeigten Lösungen
sind auch dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor in keiner Weise
in Übereinstimmung
mit dem Ansaugstutzen bemessen ist, sondern nur, wie vorher beschrieben,
der Durchmesser und die Steigung des Rotors gegenseitig angepasst
sind. Das Ergebnis ist, dass bei einem kleinen Rotordurchmesser
der Abstand zwischen dem Rotor und der Wand des Ansaugstutzens vergleichsweise
gross ist. Dies stellt die Zuführungswirkung
des Rotors in Frage, besonders bei schwergängigen Stoffen, da der Rotor
nur einen Hohlraum in dem schwergängigen Stoff öffnet, ohne ihn
dazu zu bringen, in den Ansaugstutzen zu fliessen und von dort zur
Pumpe.
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Die
CH Patentveröffentlichung
606 804 handelt ebenfalls von einer Kreiselpumpe mit einem schraubenförmigen Zuführungselement,
das als eine Verlängerung
des Laufrades eingerichtet ist. Auch in diesem Fall wurden die Schraubengänge des
Elementes auf der Welle befestigt, die als eine Verlängerung
der Nabe des Laufrades arbeitet. Die unterschiedlichen Ausführungsformen
der Veröffentlichung
stellen mehrere verschiedene Bauarten von Zuführungselementen dar. Diese
sind alle dadurch gekennzeichnet, dass sie vollständig innerhalb
des Ansaugstutzens der Pumpe gelegen sind, und dass sie eine vergleichsweise
lange freie Zone zwischen ihnen und dem Laufrad lassen, in welche
Zone sich weder der Rotor noch das Laufrad erstreckt. Weiter ist
aus den Lösungen
der Veröffentlichung
zu schliessen, dass der Abstand zwischen dem Rotor und dem Ansaugstutzen
der Pumpe für
die genannte Vorrichtung nicht wesentlich ist, da z.B. die 5 und 7 der Veröffentlichung einen Rotor mit
einem ungewöhnlich kleinen
Durchmesser zeigen. Zusätzlich
dazu zeigen die Lösungen
der Veröffentlichung,
dass der Rotorteil mit Schrauben mit einer Steigung von zwei unterschiedlichen
Grössenordnungen
versehen werden kann (6 und 7).
Die Veröffentlichung
konzentriert sich hauptsächlich
auf Verfahren zur Herabsetzung des Lärms, der durch diese sogenannten
Vorsatzläufer
verursacht wird, insbesondere bei Teillast der Pumpe.
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Vorsatzläuferlösungen aus
dem Stand der Technik, die zum Zuführen eines Mediums einen ununterbrochenen
Schraubengang verwenden, umfassen, um es anders auszudrücken, immer
eine auf der Achse des Ansaugstutzens der Pumpe gelegene Welle,
welche Welle natürlich
die Mitte des Ansaugstutzens ausfüllt. Diese Art Lösung ist
nicht die bestmögliche,
um ein Gas enthaltendes Medium zu pumpen oder einen Stoff, der leicht
in einen gasförmigen
Zustand wechselt (verdampft) (z.B. heisses Wasser), da die vorhandene
Welle eine wirksame Abscheidung von Gas oder Dampf in der Mitte
des Flusses verhindert. Somit ist klar, dass die Pumpen aus dem
Stand der Technik nie zum Pumpen eines flüssigen, Gas enthaltenden Stoffes
vorgestellt wurden, sondern nur zum Pumpen von Flüssigkeit.
Das wird unter anderem augenfällig
aus der Tatsache, dass in keiner der Pumpen aus dem Stand der Technik
mit dieser Art von geschlossenem Vorsatzläufer mit geschlossener Mitte
das Laufrad mit Öffnungen zum
Entfernen von Gas versehen ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Vorrichtung und des vorliegenden Verfahrens gemäss der Erfindung ist
es, mindestens einen Teil der genannten Probleme, die Pumpen aus
dem Stand der Technik behindern, zu lösen. Als einige kennzeichnende
Merkmale der Erfindung können
z.B. die folgenden erwähnt werden:
- – in
einer bevorzugten Ausführungsform
ein verflüssigender
Rotor mit offener Mitte,
- – eine
Abscheidungsanordnung für
Gas und/oder Dampf im Zusammenhang mit dem Rotor und/oder dem Laufrad,
- – verflüssigende
Rotorschaufeln, deren Steigung sich im Wesentlichen gleichmässig im
Wesentlichen auf der ganzen Länge
des Rotors ändert, und
- – ein
klarer Spalt zwischen dem Rotor und dem Ansaugstutzen.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung sind gut geeignet
zum Pumpen verschiedener Flüssigkeiten.
Als Beispiel dieser Medien sind mindestens die folgenden erwähnenswert:
Gas enthaltende Pulpe (z.B. Fasersuspensionen der Holz verarbeitenden
Industrie), hauptsächlich
heisse Pulpen, Prozessfiltrate, Schnitzel, andere leicht verdunstende
Flüssigkeiten
der Zellulose-, Zucker- und Nahrungsmittelindustrie und unterschiedliche
heisse Flüssigkeiten.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung haben es zusätzlich möglich gemacht,
all die genannten Medien bei höheren
Temperaturen als bisher zu pumpen.
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Das
Verfahren zum Pumpen eines Gas enthaltenden und/oder viskosen Stoffes
gemäss
der Erfindung mittels einer Vorrichtung, die hauptsächlich ein
Gehäuse,
darin Saug- und Druckstutzen, ein mindestens eine oder mehrere Pumpenschaufeln
umfassendes Laufrad und einen vor dem Laufrad angeordneten Rotor
umfasst, welcher Rotor zusätzlich
eine oder mehrere Schaufeln umfasst, in welchem Verfahren bewirkt
wird, dass der genannte Stoff durch den genannten Saugstutzen in
die genannte Pumpvorrichtung fliesst, der Stoff in den Druckstutzen
ausgestossen wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Anfangsteil
des Saugstutzens, wenn vom Laufrad am entfernten Ende gesehen, der
Druck der Pulpe erhöht
wird, um die Pulpe in die Vorrichtung einzuspeisen.
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Die
Vorrichtung zum Pumpen eines Gas enthaltenden und/oder viskosen
Stoffes gemäss
der Erfindung, welche hauptsächlich
ein Gehäuse,
darin Saug- und Druckstutzen, ein mindestens eine oder mehrere Pumpenschaufeln
umfassendes Laufrad und einen vor dem Laufrad angeordneten Rotor
umfasst, welcher Rotor zusätzlich
eine oder mehrere Schaufeln umfasst, wobei die Schaufeln des genannten
Rotors so verdreht sind, dass sich ihre Steigung entlang eines wesentlichen
Teils der Länge
des Rotors ändert,
und welche Vorrichtung zusätzlich,
in der Nähe
des Laufrades, eine Gasabscheidungszone umfasst. In der Vorrichtung
gemäss
der Erfindung vergrössert
sich die Steigung der einen oder mehreren Schaufeln des Rotors derart,
dass im Rotor vor dem Laufrad eine Zone zum Abscheiden von Gas angeordnet
ist, und dass sich die Steigung der einen oder mehreren Schaufeln
des Rotors vorzugsweise kontinuierlich vergrössert oder in mindestens drei Stufen
oder derart, dass sich die genannte Steigung vom Vorderteil des
Rotors bis zum Laufrad mindestens um das Fünffache ändert.
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Der
Rotor gemäss
der Erfindung zur Verwendung im Zusammenhang mit einer Vorrichtung,
die hauptsächlich
ein Gehäuse,
darin Saug- und Druckstutzen, und ein mindestens eine oder mehrere
Pumpenschaufeln umfassendes Laufrad zum Pumpen eines Gas enthaltenden
und/oder viskosen Stoffes umfasst, welcher Rotor einen Vorderteil,
ein anderes Ende, das dem Laufrad gegenüber liegt, und eine oder mehrere
Schaufeln umfasst, wobei die genannten Schaufeln (56) so
verdreht sind, dass sich ihre Steigung entlang eines wesentlichen
Teils der Länge
des Rotors ändert,
wobei sich die Steigung der einen oder mehreren Schaufeln des Rotors
derart vergrössert,
dass vor dem Laufrad im Rotor eine Zone zum Abscheiden von Gas angeordnet
ist, und wobei sich die Steigung der einen oder mehreren Schaufeln
des Rotors vorzugsweise kontinuierlich vergrössert oder in mindestens drei
Stufen oder derart, dass sich die genannte Steigung vom Vorderteil
des Rotors bis zum Laufrad mindestens um das Fünffache ändert.
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Andere
kennzeichnende Merkmale des Verfahrens und der Vorrichtung gemäss der Erfindung sind
in den abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung sind im Folgenden
mit Bezug auf die angefügten
Zeichnungen näher
erläutert:
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1 zeigt
eine MCTM-Pumpe aus dem Stand der Technik
in einem Längsschnitt,
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2 zeigt
eine Kreiselpumpe gemäss
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in einem Längsschnitt,
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3 zeigt
eine Kreiselpumpe gemäss
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in einem Längsschnitt,
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4 zeigt
eine Kreiselpumpe gemäss
einer dritten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in einem Längsschnitt,
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5 zeigt
eine Kreiselpumpe gemäss
einer vierten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in einem Längsschnitt,
und
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6 zeigt
eine Kreiselpumpe gemäss
einer fünften
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in einem Längsschnitt.
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Gemäss 1 umfasst
eine Kreiselpumpe aus dem Stand der Technik ein Spiralgehäuse 10 und einen
Pumpenkörper 40.
Das Spiralgehäuse 10 umfasst
den Saugeinlass 12 der Kreiselpumpe und eine im Wesentlichen
tangentiale Auslassöffnung
(nicht gezeigt). Das Spiralgehäuse 10 umgibt
das halboffene Laufrad 14 der Kreiselpumpe, welches Laufrad eine
sogenannte hintere Deckscheibe 16, Pumpenschaufeln 18,
die auf der Seite der Einlassöffnung 12 an
seiner Oberfläche
befestigt sind, die sogenannte vordere Oberfläche, und einen verflüssigenden
Rotor 32 umfasst, der vorzugsweise Schaufeln 34 umfasst, die
sich in einem Abstand sowohl von der Achse der Pumpe als auch der
Wand des Saugeinlasses 12 erstrecken, und Rückenschaufeln 20,
die an der Rückseite
der hinteren Deckscheibe 16 befestigt sind. Die hinteren
Deckscheibe 16 des Laufrades 14 ist zusätzlich mit Öffnungen 22 zum
Entfernen von Gas ausgestattet. Zwischen dem Spiralgehäuse 10 und
in dieser baulichen Ausführung
einer im Innern des Pumpenkörpers 40 angeordneten
Vakuumpumpe ist eine vorzugsweise abnehmbare hintere Wand 24 der Pumpe
angeordnet, welche hintere Wand zwischen sich und der Welle oder,
wie in der Abbildung gezeigt, einer zylinderförmigen, sich vom Laufrad erstreckenden
Schulter eine Durchführung 26 zum
Entfernen von Gas übrig
lässt,
die sich in dieser Ausführungsform
so ausdehnt, dass eine ringförmige
Kammer 28 gebildet wird, um das Gas aus dem Spiralgehäuse der
Kreiselpumpe in die Vakuumpumpe zu leiten. Bezüglich der oben beschriebenen
Pumpe muss bemerkt werden, dass die genannte Pumpe nur ein Beispiel
aus dem Stand der Technik ist. Die einzige Verbindung zwischen ihr
und der Pumpe gemäss
der vorliegenden Erfindung ist, dass wir in unserer Erfindung eine
neue Rotorbauform vorstellen, die z.B. den Rotor der beschriebenen
Pumpe aus dem Stand der Technik ersetzen kann. Somit ist auch klar,
dass der Rotor gemäss
unserer Erfindung mit jeder Art von Kreiselpumpen in Verbindung
gebracht werden kann, entweder mit einer aus dem Stand der Technik
oder einer, die mit neuen Lösungen
ausgestattet ist.
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In
der Ausführungsform
gemäss 2 ist z.B.
das halboffene Laufrad, das im Innern eines Gehäuses 10 der Kreiselpumpe
gemäss 1 angeordnet
ist, durch ein halboffenes Laufrad 50 gemäss einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ersetzt, welches Laufrad im Übrigen, abgesehen vom Rotor 52,
dem Stand der Technik entsprechen kann. Somit umfasst das Laufrad
der Pumpe in der Ausführungsform
der Figur in herkömmlicher
Weise eine hintere Deckscheibe 16 des Laufrades, die in
einer Kreiselpumpe keineswegs immer notwendig ist, auf ihrer Oberfläche angeordnete
Pumpenschaufeln 18 und einen Rotor 52 (die Bezugsnummer
eines Rotors ist im Allgemeinen 52, auf einzelne Rotoren
in unterschiedlichen Figuren wird üblicherweise mit den Nummern 521–526 verwiesen),
der sich von der genannten hinteren Deckscheibe 16 zum
Ansaugstutzen 54 der Pumpe erstreckt. Die hintere Deckscheibe 16 des
Laufrades 14 kann, falls die Pumpe Gas abscheidend sein
muss, zusätzlich
mit Öffnungen
zum Entfernen von Gas versehen sein und möglicherweise auch mit Rückenschaufeln.
Eine zweite Art, Gas zu entfernen, besteht natürlich darin, Vorrichtungen zum
Entfernen von Gas in Verbindung mit dem Rotor anzuordnen. Dies wird
z.B. so gemacht, dass in irgend einem Bereich des Rotors mit tieferem
Druck, in der Fusszone einer Schaufel, d.h. in Verbindung mit der,
von der Drehrichtung aus gesehenen, hinteren Oberfläche der
Schaufel, oder in der Nähe
der Achse des Rotors eine Öffnung
zum Entfernen von Gas angeordnet wird, durch welche das Gas abhängig von den
Druckverhältnissen
entweder mit Vakuum erzeugenden Mitteln entfernt werden kann oder
ohne diese, auf die selbe Weise, wie von einer in Verbindung mit
dem Laufrad 50 angeordneten Vorrichtung zum Entfernen von
Gas. Diese Öffnung
zum Entfernen von Gas kann z.B. zusätzlich durch einen in einer
Rotorschaufel angeordneten Kanal führen und/oder einen Kanal,
der über
die Welle des Rotor eingerichtet ist. Der Rotor 52 erstreckt
sich vorzugsweise über
die gesamte Länge
des Ansaugstutzens 54 der Pumpe. In einigen Anwendungen,
wie beispielsweise in der Ausführungsform
gemäss 2,
erstreckt sich der Rotor 521 jedoch klar vom Ansaugstutzen 54 nach Aussen,
mindestens bis zu einer Länge
des halben Durchmessers des Ansaugstutzens 54, vorzugsweise
bis zu einer Länge
des ganzen Durchmessers des Ansaugstutzens 54. In der Ausführungsform
der Figur werden die Schaufeln 56 (auf die Rotorschaufeln wird
im Allgemeinen unter der Bezugsnummer 56 Bezug genommen,
auf einzelne Rotorschaufellösungen wird üblicherweise
mit den Bezugsnummern 561–566 verwiesen) aus
drei Schraubengänge
gebildet, deren Steigung im Wesentlichen gleichmässig vom Vorderteil des Rotors 521 zum
Laufrad 50 hin zunimmt. In der Ausführungsform der Figur sind die genannten
Schaufeln so breit, dass sie sich bis zur Achse des Rotors 521 erstrecken,
wobei sie demzufolge keinen Raum in der Mitte des Rotors 521 offen lassen,
sondern die Wirkung der Schaufeln 561 des Rotors 521 gezwungenermassen
bis ganz zur Mitte ausdehnen. Die Schraubensteigung der Schaufeln 561 ist
im Vorderteil der Schaufeln, der am weitesten entfernt ist vom Laufrad 50,
am kleinsten.
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3 zeigt
eine Pumpenlösung
gemäss
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, die jener der 2 sehr ähnlich sieht.
Es gibt jedoch den Unterschied, dass der Rotor 522 aus
drei wesentlich schmaleren Schaufeln 562 gebildet wird als
die Schaufeln des Rotors aus 2. In der
Ausführungsform
der 3 lassen die Schaufeln 562 in ihrer Mitte
ein offenes Zentrum, in gewisser Hinsicht wie die Rotorschaufeln
der sogenannten MCTM-Pumpen aus dem Stand
der Technik. Gemäss
einer zusätzlichen
Ausführungsform
sind die Rotorschaufeln in den zutreffenden Teilen Verlängerungen
der Schaufeln des Laufrades sowohl in dieser Ausführungsform
als auch in anderen Ausführungsformen. Genau
wie in der Ausführungsform
der 2 kann sich, wenn der Rotor dieser Ausführungsform
ebenfalls in Betrieb ist, unter geeigneten Bedingungen (Gas enthaltende
oder leicht verdampfende Flüssigkeit
oder Suspension) Gas abscheiden, das in einem geeigneten Umfang
durch die schon im Zusammenhang mit der vorangehenden Figur beschriebenen Verfahren
entfernt werden kann. Es ist folglich klar, dass die Rotorschaufeln
nicht notwendigerweise nur den 2 und 3 zu
entsprechen brauchen, sondern dass sie sich auch entlang eines Teils
ihrer Länge
gegenseitig berühren
können
und entlang eines Teils ihrer Länge
getrennt sein können,
wobei sie einen offenen Raum in der Mitte des Rotors lassen.
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4 zeigt
eine Pumpenlösung
gemäss
einer dritten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, die jener der 2 ebenfalls
sehr ähnlich sieht.
Im Unterschied zu 2 erstreckt sich der Rotor 523 in
dieser Ausführungsform
in Längsrichtung nicht
ausserhalb des Ansaugstutzens, sondern der Rotor 523 bleibt
vollständig
innerhalb des Ansaugstutzens. Natürlich können die Rotorschaufeln 563,
ausgenommen wenn sie sich gegenseitig in der Mitte des Rotors berühren, die
Mitte des Rotors entsprechend 3 offen
lassen. Die Abscheidung von Gas kann ebenfalls eingerichtet werden,
z.B. in der früher
beschriebenen Art.
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5 zeigt
seinerseits eine Pumpenlösung gemäss einer
vierten bevorzugten Ausführungsform, die
sich klar von allen früheren
Ausführungsformen unterscheidet.
Im Unterschied zu allen früheren
Ausführungsformen,
in welchen der Rotor 52 entweder direkt oder über das
Laufrad der Pumpe auf der Welle der Pumpe angebracht war, wurde
der Rotor 524 mit einem eigenen Antrieb (nicht gezeigt)
ausgestattet. Die Welle des Rotors 524 ist in der Ausführungsform der
Figur, wenn auch nicht notwendigerweise, deckungsgleich mit der
Welle des Laufrades 50. In dieser Ausführungsform können die
Schaufeln des Rotors 524 abhängig von der Anwendung und
dem speziellen Zweck ebenfalls von schmaler oder breiter (in der
Figur gezeigt) Ausführung
sein. Der Rotor 524 kann, obwohl er unabhängig ist,
falls notwendig an den geeigneten Teilen mit Mitteln zum Abscheiden von
Gas versehen werden, genau wie in den vorangehenden Ausführungsformen.
Der genannte Rotor 524, welcher auch als ein Zuführungsmittel
bezeichnet werden kann, kann z.B. im unteren Teil eines Fallrohrs
oder in einem Krümmer
angebracht sein, der zu einer Pumpe führt. Obwohl die Figur zeigt,
dass der Rotor 524 sich im Innern des Ansaugstutzens der Pumpe
erstreckt, ist es absolut möglich,
den genannten Ansaugstutzen durch ein von der Pumpe getrenntes Ansaugrohr,
das als Rotorgehäuse
dient, zu ersetzen. Das genannte Rotorgehäuse kann auch ein Bauteil der
Vorrichtung sein, das zusammen mit dem Rotor verkauft wird, wobei
gemäss
einer bevorzugten Ausführungsform
das genannte Gehäuse
von oben offen ist, in welchem Fall es möglich ist, das Gehäuse an einem
Fallrohr für
Pulpe oder Ähnlichem
zu befestigen.
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6 zeigt
eine Pumpenlösung
gemäss
einer fünften
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, in welcher der Rotor 525 mit einem eigenen Antrieb
ausgestattet und zusätzlich
bezüglich
der Achse des Laufrades 50 in einem Winkel angeordnet ist.
Zusätzlich
kann von den gezeigten Bauformen bemerkt werden, dass der Rotor 525 in 6 von
einem Gehäuse 58 umgeben
ist. Mit anderen Worten ist die Lösung gemäss 6 z.B. so
anwendbar, dass sich das Gehäuse 58 des
Rotors nach oben erstreckt, wobei es entweder denselben oder einen
verschiedenen Durchmesser hat und z.B. zusammen mit der Auslassschnecke
der Waschanlage eine Entladeanlage für aus der Waschanlage abgelassene Pulpe
bildet. Natürlich
kann das Gehäuse 58 entweder
mit dem Ansaugstutzen 54 der Pumpe ein Stück bilden
oder mindestens daran befestigt sein. Es ist naheliegend, dass die
beschriebene Vorrichtung auch in vielen andern Anwendungen eingerichtet werden
kann, wo Pulpe durch einen Durchmesser beschränkten Raum zur Pumpe abgelassen
wird. Auch in diesen Ausführungsformen
können
sich die Rotorschaufeln gegenseitig berühren, teilweise getrennt oder
vollständig
von einander getrennt sein, wobei sie im Rotor ein offenes Zentrum
lassen, z.B. zum Zweck der Abscheidung von Gas.
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Das
Rotorgehäuse
selbst, falls vorhanden, kann entweder ein symmetrisches Rohr oder
ein symmetrischer Konus oder auch asymmetrisch sein. Es ist z.B.
durchaus möglich,
dass, vorzugsweise am äussersten
Ende, ein Teil angeordnet ist, das der Spirale einer Kreiselpumpe
gleicht, mittels welcher der Zuführungsdruck
der Vorrichtung leicht erhöht
werden kann.
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In
den Versuchen, die wir ausgeführt
haben, haben wir bemerkt, dass bei der in den Versuchen verwendeten
Pulpe mit ihrem Gasgehalt und ihrer Dichte die besten Resultate
erreicht wurden, wenn ein Rotor verwendet wurde, der am Anfang eine Gangsteigung
der Schaufeln von ungefähr
200 mm hatte und die sich in der Nähe des Laufrades auf bis zu
3600 mm vergrösserte.
Die gleichen Versuche ergaben auch, dass die Steigung des Schraubenganges
beinahe bis zum Laufrad zunehmend sein muss, obwohl sich unmittelbar
vor dem Laufrad aus rein produktionstechnischen Gründen allein
die Notwendigkeit ergibt, darauf vorbereitet zu sein, einen Teil der
Schaufeln von ungefähr
10% der Länge
des Rotors zur freien Gestaltung übrigzulassen. Weniger ausführliche
Vergleichsprobeläufe
zeigten, dass die Steigung des Schraubenganges auf der Länge des Verflüssigers
mindestens um das Fünffache,
vorzugsweise um das Zehnfache zunehmen sollte. Die Probeläufe zeigten
auch, dass die Zunahme der Steigung des Schraubenganges sich vorzugsweise gleichmässig fortsetzen
sollte, dass aber eine Änderung
der Steigung in wenigstens nicht weniger als drei Stufen ebenfalls
als funktionsmässig
annehmbar betrachtet werden kann.
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Weiter
zeigten unsere Versuche, dass der Abstand der Rotorschaufeln von
der Wand des Ansaugstutzens den Betrieb der Vorrichtung wesentlich beeinflusst.
Somit sollte zum Beispiel im Fall von Fasersuspensionen der Holz
verarbeitenden Industrie der Abstand der Schaufeln 56 von
der Wand des Ansaugstutzens, der selbstverständlich von der Dichte der Pulpe
und dem Gesamtdurchmesser des Ansaugstutzens abhängt, im Bereich von 5–50 mm sein.
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Die
Vorrichtung gemäss
der Erfindung arbeitet zum Beispiel beim Pumpen von Fasersuspensionen
der Holz verarbeitenden Industrie, so dass der Rotor mit seinem
Vorderteil sehr wirksam einen Teil der Pulpe entweder in der Pulpekammer,
im Fallrohr oder im Abflussrohr abschneidet, um sie zum Laufrad der
Pumpe zu schaffen. Durch seinen Vorderteil arbeitet der Rotor, anders
ausgedrückt,
als eine unabhängige
Schraubenspindelpumpe. Im Unterschied zu den sogenannten MCTM-Pumpen aus dem Stand der Technik, in welchen
es der einzige Zweck des Rotors war, die Pulpe zu verflüssigen,
und in welchen der Fluss der Pulpe zum Laufrad über die gesamte Länge des
Rotors durch die Saugwirkung erreicht wird, die durch die Pumpe
erzeugt wird. Somit erzeugt der Rotor gemäss unserer Erfindung einen
Druck, mittels welchem die Pulpe zum Laufrad der Pumpe geschafft wird.
In der Vorrichtung gemäss
unserer Erfindung wird die zuführende
und Druck erhöhende
Wirkung weniger bedeutsam, wenn man sich dem Laufrad nähert, da
die vom Laufrad der Pumpe verursachte Saugwirkung und die in der
Pulpe erzeugte Fliessgeschwindigkeit als solche bewirken, dass die
Pulpe zur Pumpe fliesst. Gleichzeitig wird es auch in praktischen
Fördersituationen
notwendig, die Bewegung der Pulpe im Ansaugstutzen zu beruhigen,
so dass sich in der Mitte des Laufrades Gas abscheiden kann. Obwohl
der Zuführungsrotor
die Notwendigkeit für
die Abscheidung von Gas hinsichtlich des eigentlichen Pumpens herabsetzt,
da die Druck erhöhende Wirkung
des Rotors die Abscheidung von Gas aus der Pulpe verlangsamt, ist
das Abscheiden des Gases von der Pulpe in den meisten Fällen aus
prozesstechnischen Gründen
erwünscht.
Folglich ist aus dem genannten Grund vor dem halboffenen Laufrad der
Pumpe eine längliche Zone
angeordnet, in welcher Zone die Steigung der Rotorschaufeln sehr gross
ist. Die genannte Zone arbeitet als ein wirksamer Gasabscheider,
wobei das Gas, das in der Mitte des Laufrades abgeschieden wird,
einfach durch die Öffnungen
des Laufrades zum Entfernen von Gas zum rückseitigen Raum des Laufrades
und weiter vorzugsweise mittels einer Flüssigkeitsringpumpe abgeführt werden
kann, die entweder auf derselben Welle mit dem Laufrad oder getrennt
von der Pumpe mit einem eigenen Antrieb angeordnet ist.
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Zusätzlich zu
den Pulpen der Holz verarbeitenden Industrie sind das Verfahren
und die Vorrichtung gemäss
unserer Erfindung hervorragend geeignet, auch viele andere Medien
zu pumpen. Eine bevorzugte Anwendung ist das Pumpen heisser Flüssigkeiten
nahe bei ihrem Siedepunkt. In dieser Art von Fällen verhindert der Rotor das
Sieden der Flüssigkeit
im Ansaugstutzen, indem er den Druck auf die Flüssigkeit im Ansaugstutzen erhöht und sicherstellt, dass
der Druck im Ansaugstutzen hoch genug bleibt. Der Rotor gemäss unserer
Erfindung erleichtert auf diese Weise das Pumpen von Flüssigkeiten
bei einer Temperatur in der Nähe
des Siedepunktes.
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Wie
man aus dem oben Gesagten bemerkt, beseitigt das Verfahren und die
Vorrichtung gemäss unserer
Erfindung viele Probleme der Vorrichtungen und Verfahren aus dem
Stand der Technik. Darüber hinaus
erleichtert die Vorrichtung gemäss
unserer Erfindung in einigen Anwendungen die Verwendung von einfacheren
Pumpenlösungen,
verglichen mit denen, die früher
verwendet wurden. Von dem, was oben festgestellt wurde, muss man
sich jedoch vor Augen halten, das es nur einige wenige Ausführungsformen
der Erfindung darstellt, ohne den Versuch zu machen, die Erfindung
allein auf die genannten Ausführungsformen
zu beschränken.
Das bedeutet, dass, obwohl alle beschriebenen Beispiele einen Rotor
mit drei Schaufeln darstellen, die Zahl der Schaufeln abhängig von
der Situation variieren kann, so dass die kleinste Zahl von Schaufeln
eins sein kann. Weiter muss vermerkt werden, dass das Wort „Gas enthaltend" auch so verstanden
wird, dass es ein Medium meint, das leicht verflüchtigt oder verdampft, z.B.
heisses Wasser in den Fasersuspensionen der Holz verarbeitenden
Industrie oder einige Ölprodukte.