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Kreiselpumpe, die von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird Bei
Kreiselpumpen, die von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden, liegt es verhältnismäßig
nahe, die Förderflüssigkeit der Pumpe als Kühltmittel des antreibenden Verbrennungsmotors
auszunutzen. Höheren Ansprüchen an einen zuverlässigen Betrieb genügt hierbei allein
eine mittelbare Kühlung, bei der also stofflich getrennte Kreisläufe von Pumpenfbrderflüssigkeit
und Motofkühlflüssigkeit im Wärmeaustatisch miteinander stehen.
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Es ist bereits bekannt, die mittelbare Kühlung im Tei15troni in der
Art durchzuführen, daß ein Teilbetrag des Pumpenförderstromes einem Wärmeaustauscher
zugeführt wird, dessen -therinisch andere Seite von der Motorkühlflüssigkeit beaufschlagt
wird. Diese Anordnung bedeutet einen ständigen Verlust an nutzbarem Ptinipenfötderstrom.
Auch ist der unabhängig von Pumpe und Motor bestehende Wärmeaustauscher aufwendig;
er -ist zudem, -wenn die Pumpe Wasser fördert, der Wassersteinbildung ausgesetzt.
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Die mittelbare IC--ühlung im vollen Pumpenförderstrom vermeidet die,
für Teilstrom bestehenden Mängel. Das Pumpenförderwasser erwärmt sich nur geringfügig,
Wasserstein tritt nicht auf, Das Temperaturgefälle im Wärmeäustatischer ist- groß,
seine Fläche dementsprechend klein.
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Die mittelbare Kühlung im Vollstrom ist bisher durch einige Ausführungsformen
bekanntgeworden, die im folgenden beschrieben werden.
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Bei kleineren Pump-en auf Feuerwehr- oder Kommunalfahrzeugen versieht
man die Gußstücke des Pumperigehäuses mit Mänteln oder ähnlichen Räumen zur Aufnahme
der Motorkühlflüssigkeit. Diese Räume stehen durch die Gußvrand im Wärmeaustausch
mit dem Pumpenförderstrom. Eine Abwandlung dieser Bauweise bei mehrstufigen Pumpen,
vorzugsweise auch solchen mit 'ge#eneinandergeschalteten Laufrädern, ordnet die
Kühlfäume trommelartig in den hohl äregossenen Trennwänden zwischen den einzelnen
Stufen an-.
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Alle Anordnungen mit Hohlräumen sind gießtechnisch schwierig. Außerdem
finden diese Bauweisen ihre Grenze im Wärmdwiderstand der Wand. Die hervorragenden
Wärmeübergangszahlen, die strömendes Wasser auszeichnen, >können eben für den Wärmedurchgang
nur so weit genutzt werden, wie die vermittelnde Wand den Wärmeatistausch erlaubt.
Die Beschränkung gilt vor allem für größere Pumpen, da im allgemeinen die Wandstärke
mehr zunimmt als die auf den Wärmestrom reduzierte Kühlfläche. Auch ist bei größeren
Pumpen selten ein gut wärmeleitender Gehäusewerkstoff' wirtschaftlich vertretbar.
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Namentlich für größere Pumpen hat man schon besondere Wärmeaustatischer
als Rohrschlangen im Oberwasser oder linterwasser angeordnet, strenggenommen also
außerhalb der Pumpe im engeren Sinne. C;elegentlich hat man derartige besondere
Wärmeaustauscher aber auch schon in die Pumpe verlegt, bei mehrstufigen Pumpen z.
B. in den Sammelraum hinter dem letzten Leitapparat.
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Bei der letztgenannten Anordnung verursacht der Wärmeausta,-uscher,
da er in der vollen Strömung liegt, einen erheblichen hydraulischen Widerstand,
der also die nutzbare Förderhöhe der Pumpe verringert.
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Der Erfindung liegt die Anigabe zugrunde, den Wärmeaustauscher innerhalb
der Pumpe so anzuordilen, daß ein hervorragender Wärmedurchgang erzielt wird ohne
' oder mit nur geringen hydraulischen Nachteilen. Zur Lösung dieser Aufgabe
werden ein oder mehrere von Moto-rkühlflü « ssigkeit durchströmte Wärmea.ustauscher
in den Radseitenräumen der Pump.e angeordnet und durch Rippen od. dgl. am Gehäuse
der Pumpe befestigt. Als Radseitenraum ist dabei der wassergefüllte, zumeist achsensymmetrische
Raum ' neben dem Pumpenlaufrad verstanden.
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Dem ersten Anschein nach ist dieser Raum nicht günstig für den Einbau
eines wirkungsvollen Wärmeaustanschers. Die Wärme überträgt sich nicht unmittelbar
dem Förderstrom der Pumpe, sondern durch Konvektion und Leitung fiber die Flüssigkeit
im Radseitenraum. Der Durchfluß beschränkt sich gegebenenfalls (vgl. das folgende
Beispiel) auf den geringen Spaltwasserstrom. Der Wasserinhalt im Radseitenraum läuft
nur mit der halben Winkelgeschwindigkeit des Laufrades um; so wenigstens lautet
die übliche Annahme bei der Berechnung der hier entstehenden hydraulischen Verluste.
Die
physikalische Wirklichkeit ist anders. Die Flüssigkeit bewegt sich im Radseitenraum
als Ringwirbel, der durch die Drehung des Laufrades gegenr über dem feststehenden
Gehäuse induziert wird. Die Flüssigkeit im Radseitenraum nimmt mit ihrer Grenzschicht
einerseits an der Drehung des Laufrades teil, andererseits ruht die Grenzschicht
am Gehäuse. Der im Kern des Ringwirbels untergebrachte '\;#lärmeaustauscher ordnet
nun und verstärkt also den Ringwirbel. Die Flüssigkeit des Radseitenraurnes umströmt
infolgedessen den Wärmeaustauscher, und zwar allseitig, mit hoher Geschwindigkeit.
Es werden dadurch Wärmedurchgangszahlen in der Größenordnung Von 10 000 kCal/M2-h-'
C bei großem Temperaturgefälle erreicht, wenn man kaltes Wasser üblicher
Temperatur als Förderflüssigkeit voraussetzt. Ein besonderer Vorzug der Erfindung
besteht darin, daß ein zusätzlicher Leistungsaufwand für die Kühlung auf der Pumpenseite
entfällt oder nur gering ist. Der Kern des stets vorhandenen Ringwirbels wird durch
den Wärtneaustauscher ausgefüllt, damit werden hydraulische Verluste vermieden,
die Strömung geordnet und beschleunigt und dabei gleichzeitig zur Wärmeübertragung
herangezogen.
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Das weitere Kennzeichen der vorliegenden Erfindung entspringt der
überlegung, daß der Ringwirbel auf den Wärmeaustauscher eine nicht unerhebliche
axiale Kraft ausübt.
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Danach empfiehlt es sich, den Wärmeaustauscher durch besondere Rippen
od. dgl. an der Gehäusewand zu verankern. In weiterer Ausbildung der Erfindung werden
diese Befestigungselemente als Schaufeln ausgeführt und so gestaltet, daß der Drall
der an der Gehäusewand zentripetal zurückfließenden Flüssigkeit vermindert oder
beseitigt wird. Offensichtlich wird hierdurch der Ringwirbel weiter verstärkt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigt Fig. 1 den Mittelschnitt durch die wesentlichen Teile
einer Kreiselpumpe nach der Erfindung, Fig. 2 den Schnitt nach der Linie A-B in
Fig. 1.
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In Fig. 1 bedeutet a die Welle der Kreiselpumpe, die durch
einen nicht dargestellten Verbrennun#gsmotor angetrieben wird. Die Welle a trägt
das Kreiselra#d b. Die anschließenden Teile des Gehäuses c sind durch Schraffur
angedeutet. Der Förderstrom der Pumpe tritt bei b. in das Kreiselrad in Pfeilrichtung
ein, bei b , wird er aus dem Laufrad in die nicht näher dargestellte Leitvorrichtung
übergeführt. d und e sind die Radseitenräume des Laufrades, d ist
dabei der inneren Flutlinie des Kreiselrades benachbart, e der äußeren. In dem Radseitenraum
d (Fig. 1) ist nun der Wärmeaustauscher f untergebracht, der,
wie Fig. 2 erkennen läßt, hier beispielsweise als Kühlschlange aus dünnwandigem
Rohr nach einer Spiralform gewickelt ist. f" ist der Eintritt der Motorkühlflüssigkeit
in den Wärmeaustau,scher, f2 ihr Austritt. Die Motorkühlflüssigkeit vollführt
einen Kreislauf, der in bekannter Weise über die ICiihlräume des antreibenden Verbrennungsmotors
führt. Sie wird mittels einer besonderen Pumpe oder durch thermischen Auftrieb umgewälzt.
g sind die Rippen, welche den Wärmeaustauscher f an dem Gehäuse c
befestigen. Sie sind als Schaufeln (vgl. Fig. 2) so ausgebildet, daß die an der
Gehäuse-wand zentripetal zurückfließende Flüssigkeit ihren Drall ganz oder teilweise
einbüßt.
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In Fig. 1 ist im Radseitenraum d rechts der Ringwirbel
durch Pfeile angedeutet, wie er auch im freien kadseitenraum (d. h. ohne
den Wärmeaustauscher f)
bestehen würde. Im Radseitenraum d links ist
alsdann die Strömung so durch Pfeile dargestellt, wie sie sich unter dem Einfluß
des Wärmeatistauschers f und der Schaufeln g einstellt.
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Eine weitere Verbesserung des Wärmedurchganges wird erzielt, wenn
der Wärmeaustauscher f nicht, wie in Fig. 1 dargestellt, im Radseitenraum
d untergebracht wird, sondern im Radseitenraum e. Hier überlagert sich dem
Ring-wirbel die Durchflußströmung des Spaltverlustes. Sie ist in Fig.
1 rechte Seite irr, Radseitenraum e durch einen Pfeil angedeutet. Damit erneuert
sich die Flüssigkeit im Radseitenraum ständig. Namentlich bei halbaxialen Laufrädern
(im Gegensatz zu dem in Fig. 1 gezeichneten radialen Laufrad) ist auch der
Radseitenraum e hinreichend groß. Auch im Radseitenraum d kann eine Durchflußströmung
durch Spaltverlust bekanntlich dann stattfinden, wenn das Laufrad zum Zwecke der
Achsschubentlastung auch hier mit einem (inneren) Spalt und Ausgleichsöffnungen
zum Saugraum ausgestattet ist.
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Es ist gegebenenfalls angebracht, auch beide Radseitenräume eines
Laufrades oder mehrere Radseitenräume bei mehrstufigen oder mehrflutigen Kreiselpumpen
mit Wärmeaustauschern zu versehen. Auch ist die Erfindung nicht an die besondere
Form des gezeichneten Wärmeaustauschers gebunden; vorteilhaft sind z. B. auch Wärmeaustauscher,
die aus zwei gepreßten Blechschalen zusammengeschweißt sind.