DE3828512C2 - - Google Patents
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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- F04D29/586—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for liquid pumps
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Description
Die Erfindung betrifft ein Tauchpumpenaggregat gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Tauchpumpenaggregate sind Maschinensätze, die zeitweise oder
ständig in einer zu fördernden Flüssigkeit liegen. Beim Ein
bau in Bohrbrunnen und bei der Förderung von Wasser werden
sie auch Unterwassermotorpumpen genannt. Auf dem letztgenannten
Gebiet ist der Einsatz der vorliegenden Erfindung besonders
vorteilhaft.
Unterwassermotorpumpen im Leistungsbereich von bis zu 10 kW
sind heute Massenprodukte, die beispielsweise im Wasserver
sorgungsbereich eingesetzt werden. Grundsätzlich sind die
Hersteller derartiger Pumpen bestrebt, die Herstellungskosten
der Aggregate zu senken. Hierzu bieten sich die beiden
folgenden Möglichkeiten an:
Denkbar ist die Vereinfachung der Konstruktion der üblichen
Pumpen beispielsweise durch Eingießen des Stators in Kunst
stoff, wie dies beispielsweise aus der US-PS 45 46 130
bekannt ist.
Die zweite Möglichkeit besteht darin, Pumpenaggregate mit
einem integrierten Frequenzumrichter zu bauen, welche dann
mit einer höheren Drehzahl betrieben werden, um ihre hydraulische
Leistung zu steigern. Ein derartiges Pumpenaggregat
ist beispielsweise aus der DE-OS 36 42 727 bekannt.
Der zweiten aufgeführten Möglichkeiten ist der Vorzug zu geben,
wie dies anhand der bekannten Modellgesetze erläutert wird.
Bekanntlich gelten die folgenden Beziehungen:
Q∼n · D³
H∼n² · D²
P∼n³ · D⁵,
H∼n² · D²
P∼n³ · D⁵,
wobei Q für den Förderstrom, H für die Förderhöhe, P für
die elektrische Leistung, n für die Drehzahl des Aggregates
und D für den Laufraddruchmesser steht.
Bei gleicher Leistung ist es durch Steigern der Drehzahl möglich,
den Durchmesser des Pumpenaggregates und/oder die
Anzahl der Pumpenstufen zu reduzieren. Im übrigen lassen sich
hierdurch auch die Installationskosten senken, denn die Kosten
eines beispielsweise für die Trinkwasserversorgung anzulegenden
Brunnens hängen entscheidend von dem Brunnendurchmesser ab.
Unabhängig von den aufgezeigten beiden Wegen zur Kosten
senkung ergeben sich für das Aggregat gleiche Probleme,
nämlich hinsichtlich seiner Kühlung. In der Praxis bereitet
es Schwierigkeiten, die in dem Motor des Aggregates
entstehende Verlustwärme abzuführen. Diese Schwierigkeiten
resultieren im ersten Fall aus der Wärmeisolierung des
Kunststoffvergusses. Im zweiten Fall sind sie eine direkte
Folge einer Verminderung der Wärme abgebenden Oberfläche
und einer zusätzlichen Belastung durch Stromwärmeverluste
des im Motor des Aggregates integrierten Frequenzumrichters.
Eine interessante Möglichkeit, Verlustwärme eines Motors bei
einer Unterwasser-Motor-Pumpeneinheit abzuführen, ist in der gattungsgemäßen
DE-PS 29 37 430 aufgezeigt worden. Demgemäß ist vorgeschlagen
worden, das Kühlmittel für den Motor in einem unter diesen
befindlichen Speicher zu fördern, in welchen sogenannte
Wärmeübertragungsröhren mit ihrem einen Abschnitt ragen.
Deren andere Abschnitte stehen in Kontakt mit der im Bohr
loch befindlichen Förderflüssigkeit. Die Wärmeübertragungs
rohre enthalten ein flüchtiges Wärmeübertragungsmittel.
Unter Phasenwechsel dieses Mittels wird aus dem Speicher auf
genommene Wärme an die Förderflüssigkeit abgegeben. Es ist
demnach ein sogenanntes Heat-Pipe-System ausgebildet.
Wenn dieser Vorschlag auch erhebliche Vorteile gegenüber
bisherigen Kühlsystemen aufweist, so zeigen Berechnungen,
das die Leistung des stationären Heat-Pipe-Systems nicht
ausreichen wird für die Abfuhr von Verlustwärme des Motors,
insbesondere bei hohen oder höchsten Drehzahlen.
Vor dem aufgezeigten Hintergrund liegt der Erfindung nun
die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Tauchpumpen
aggregat so weiterzubilden, daß die Effizienz des Wärme
abtransports von den Verlustwärmequellen des Aggregates
erheblich erhöht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Tauchpumpenaggregat mit
den Merkmalen des Anspruches 1.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Grundsätzlich kann eine Heat-Pipe als hocheffizientes
Wärmeabfuhrsystem angesehen werden, da sowohl durch Stoff
bewegung als auch durch Phasenwechsel Wärme von der heißen
Wand eines umschlossenen Raumes zu kälteren Wandflächen
transportiert wird. Im vorliegenden Fall ist die Welle
jedoch als eine rotierende Heat-Pipe ausgebildet, bei der
sich andere Verhältnisse einstellen als bei einer ruhenden
Heat-Pipe. Auf diese Verhältnisse wird im einzelnen weiter
unten näher eingegangen. In jedem Falle ist der Wärme
transport der Verlustwärme aus dem Motor und/oder
Frequenzumrichter durch die rotierende Heat-Pipe hinreichend
groß. Hierzu ist die Welle als verschließbare Hohlwelle
ausgebildet, welche zum Teil mit einem verdampfbaren Fluid
gefüllt ist. Die Ausbildung der gemeinsamen Welle des
Motors und der Pumpe als Hohlwelle ist an sich zwar grund
sätzlich bekannt aus der DE-PS 6 14 536. Dort ist die Welle
allerdings als eine offene Hohlwelle gestaltet, mit der
dementsprechend keine Heat-Pipe ausgebildet werden kann.
Besonders vorteilhaft ist die vorgeschlagene Lösung dann,
wenn als Fluid in der Hohlwelle für den Wärmetransport
aufgrund der großen Verdampfungswärme, die der Konden
sationswärme entspricht, Wasser verwendet wird.
Im Bereich tieferer Temperaturen kann es jedoch zweckmäßig
sein, als Fluid in der Hohlwelle einen Kohlenwasserstoff
mit einer gegenüber der Dampfdruckkurve von Wasser höher
liegenden Dampfdruckkurve zu verwenden.
Um bei der rotierenden Heat-Pipe die Sicherheit zu erhöhen,
daß im Bereich der Wärmequelle stets Flüssigkeit vorhanden ist,
deren Verdampfung schließlich die Kühlung bewirken soll, ist
es vorteilhaft, den Innendurchmesser der Welle im Bereich der
Wärmequelle größer als im Bereich der Wärmesenke auszubilden.
Bei einer liegenden Montage des Pumpenaggregates und/oder
niedriger Drehzahl ist es vorteilhaft, die Hohlwelle mit
einer saugfähigen Innenauskleidung zu versehen, um das Fluid
von der Wärmesenke mit großer Sicherheit zur Wärmequelle zu
leiten.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß
der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Tauchpumpen
aggregat im Ruhezustand, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veran
schaulichung der Vorgänge in einer
rotierenden Heat-Pipe.
Das Tauchpumpenaggregat gemäß Fig. 1 besteht aus einem Naß
läufer-Motor 2, dem Pumpenkörper 3 sowie dem Frequenzumrichter 1.
Diese drei Bestandteile sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel
durch einen gemeinsamen Mantel 4 zu einer baulichen Einheit
zusammengefaßt. Mit dem Innenumfang des Mantels 4 ist ein Spalt
rohrtopf 5 flüssigkeitsdicht und druckfest verbunden, so daß
der Stator 6 des Motors 2 und der Frequenzumrichter 1 in einem
trockenen Raum 6 a liegen. Aus Stabilitätsgründen kann dieser
Raum 6 a mit einem Mineral-Kunststoffgemisch ausgefüllt oder
mit einem Kunststoff ausgeschäumt sein.
Die für den Motor und die Pumpe gemeinsame Welle 7 trägt den
im Spaltrohrtopf 5 befindlichen Rotor 8 und wird in den
Lagern 9, 10 radial und axial festgelegt. Durch eine Lagerplatte 11
mit der Dichtung 12 ist der mit Flüssigkeit gefüllte Rotorraum 13
zum Pumpenkörper 3 hin abgeschlossen.
Die Pumpe saugt die zu fördernde Flüssigkeit durch die Schlitze
14 im Mantel 4 an. Die Flüssigkeit durchströmt nacheinander
die Pumpenstufen 15 und wird durch den Druckstutzen 16 zum
Verbraucher gedrückt.
Erfindungsgemäß ist die Welle 7 als durch einen Verschluß 18
verschließbare Hohlwelle ausgebildet, die zum Teil mit einem
Fluid 17 gefüllt ist, wie dies in Fig. 1 andeutungsweise dar
gestellt ist. Vor der Inbetriebnahme des Pumpenaggregates ist
der Verschluß 18 zu entfernen und das Fluid 17 in die Hohl
welle 7 zu füllen. Danach ist die in der Hohlwelle verbleibende
Luft weitgehend zu entfernen und der Hohlraum in der Welle
durch den Verschluß 18 flüssigkeits- und luftdicht abzu
schließen. Die so präparierte Welle bildet mit dem Fluid 17
in ihrem Hohlraum ein Heat-Pipe-System zum Abtransport von
Verlustwärme aus dem Rotorraum 13 des Motors 2.
Im Betrieb des Pumpenaggregates wird der überwiegende Teil
der im Motor 2 und im Frequenzumrichter 1 entsprechenden Ver
lustwärme in den Rotorraum 13 fließen und die Temperatur
des in der Hohlwelle 7 befindlichen Fluids 17 im Bereich des
Wellenabschnittes 7 a erhöhen. Dadurch verdampft ein Teil des
Fluids und gelangt in den Wellenabschnitt 7 b im Bereich des
Pumpenkörpers 3. Aufgrund der Lage des Wellenabschnittes 7 b
im Pumpenkörper 3 kann dieser Wellenabschnitt 7 b die Wärme
an das Fördermedium abgeben. Der im Rotorraum 13 befindliche
Wellenabschnitt 7 a bildet also die Wärmequelle und Wellen
abschnitt 7 b die Wärmesenke der Heat-Pipe.
Anhand der Fig. 2 werden die Verhältnisse in der rotierenden
Heat-Pipe erläutert. Vor Inbetriebnahme ist die Hohlwelle 7
- wie bereits erwähnt - etwa bis zu der Linie A-A mit einem
Fluid gefüllt worden, wonach die im Hohlraum verbleibende
Luft weitgehend entfernt worden ist und der Hohlraum mittels
eines Verschlusses 18 flüssigkeits- und luftdicht verschlossen
wurde.
Im Betrieb des Aggregates, das heißt also bei der Rotation
der Hohlwelle 7, stellt sich die Oberfläche des Fluids stets
senkrecht zu dem auf sie wirkenden Kraftfeld ein. Dabei wirken
die folgenden Kräfte auf ein in der Oberfläche des Fluids
liegendes Flüssigkeitsteilchen ein:
die Fliehkraft F F∼r · ω²,
die Schwerkraft F s∼g,
die Widerstandskraft F w∼c²,
die Schwerkraft F s∼g,
die Widerstandskraft F w∼c²,
wobei r der Abstand der Fluidoberfläche von der Drehachse,
ω die Winkelgeschwindigkeit, g die Erdbeschleunigung und
c die Dampfgeschwindigkeit im betrachteten Querschnitt
bedeutet. Die Resultierende aus diesen drei Kräften ist mit
R bezeichnet, zu der im betreffenden Punkt die Fluidober
fläche senkrecht steht. Insgesamt wird sich die Oberflächen
form einem Parabelabschnitt annähern.
Im Bereich des Motorraumes wird dem Wellenabschnitt 7 a Wärme
zugeführt, wodurch ein Teil des Fluids verdampft und in den
kühleren Wellenabschnitt 7 b strömt, wo der Dampf schließlich
kondensiert. Das Kondensat fließt daraufhin aufgrund des
Kraftfeldes zum Wellenabschnitt 7 a zurück.
Die Wahl des Fluids 17 in der Hohlwelle 7 hängt ab von den
absoluten Temperaturen. Soweit die Temperaturen es zulassen,
ist der Einsatz von Wasser besonders einfach und kostengünstig.
Im Bereich tieferer Temperaturen kann es jedoch zweckmäßig
sein, einen Kohlenwasserstoff als Fluid zu verwenden. Der
Einsatz eines Kohlenwasserstoffes hat gegenüber dem Einsatz
von Wasser den Vorteil, daß die Entgasung des Fluids
wesentlich einfacher zu handhaben ist. In jedem Fall ist
darauf zu achten, daß der Druck in der Hohlwelle 7 annähernd
dem zur Temperatur des jeweils verwendeten Fluids gehörenden
Dampfdruck entspricht.
In Abweichung vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann es
darüber hinaus vorteilhaft sein, daß der Innendurchmesser der
Hohlwelle 7 im Motorraum größer ist als im Pumpenbereich.
Dadurch wird sichergestellt, daß immer ein Flüssigkeits
vorrat im Bereich der Wärmequelle für den Abtransport der
Verlustwärme zur Verfügung steht, und zwar selbst bei sehr
hohen Drehzahlen und/oder einem hohen Temperaturniveau.
Wenn das Pumpenaggregat nicht vertikal eingesetzt werden
soll, sollte in der Hohlwelle 7 eine saugfähige Innenaus
kleidung (nicht dargestellt) vorgesehen werden. Durch die
Kapillarwirkung dieser Innenauskleidung wird bei einer
horizontalen oder schrägen Betriebslage des Pumpenaggregates
dafür Sorge getragen, daß stets Fluid 17 im Bereich der
Wärmequelle zur Verdampfung bereitsteht.
Claims (5)
1. Tauchpumpenaggregat mit einer Pumpe und einem die Pumpe
antreibenden Naßläufer-Motor und mit einer gemeinsamen
Welle für den Motor und die Pumpe, bei dem im Motor
erzeugte Verlustwärme mittels eines Heat-Pipe-Systems an die
zu fördernde Flüssigkeit abführbar ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Heat-Pipe-System aus der als verschließ
bare Hohlwelle ausgebildeten Welle (7), welche zum Teil mit
einem Fluid (17) gefüllt ist, gebildet ist, welches zum
Abtransport von Verlustwärme aus dem Rotorraum (13) des Motors
(2) in die Wärmesenke der durch die Pumpe (3) zu fördernden
Flüssigkeit dient.
2. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fluid (17) in der Hohlwelle (7) Wasser ist und
daß der Druck in der Hohlwelle (7) annähernd dem zur
Temperatur des Wassers gehörenden Dampfdruck entspricht.
3. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fluid (17) in der Hohlwelle (7) ein Kohlenwasser
stoff ist und der Druck in der Hohlwelle (17) annähernd
dem zur Temperatur des Kohlenwasserstoffes gehörenden
Dampfdruck entspricht.
4. Tauchpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Hohlwelle (7)
im Bereich der Wärmequelle größer als im Bereich der Wärme
senke ist.
5. Tauchpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (7) mit einer saugfähigen
Innenauskleidung versehen ist.
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