DE19806346C2 - Einrichtung zur Kühlung und Wellenabdichtung eines Verdichters - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung und Wellenabdichtung eines Verdichters, insbesondere einer Wälzkolbenpumpe, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei dem Verfahren der mechanischen Brüdenverdichtung, das bei Anlagen für die Vakuumdestillation von verschmutzen Industrieabwässern und Lösungsmitteln, beispielsweise Reinigungswässer, Waschwässer oder Emulsionen, angewendet wird, kommt als sogenannter Brüdenkompressor vorzugsweise eine Wälzkolbenpumpe zum Einsatz. Die Wälzkolbenpumpe verdichtet die zuvor in einem Verdampfer erzeugten heißen Brüdendämpfe und gibt diese an einem Kondensator weiter. Im Kondensator entsteht durch Abkühlung ein flüssiges Destillat, das nach weiterer Abkühlung einem Vorratsbehälter zugeführt wird. Der bei diesem Prozeß im Verdampfer zurückbleibende Rückstand ist über ein Ventil gesteuert abziehbar. Somit können verschmutze Industrieabwässer umweltgerecht aufbereitet werden.

Eine derartige Anlage ist beispielsweise aus der EP 0 671 196 bekannt. Die hierin integrierte und als Verdichter fungierende Wälzkolbenpumpe ist bei Betrieb einer hohen thermischen Beanspruchung ausgesetzt. Die ohnehin heiß eingeleiteten Brüdendämpfe erfahren durch den Verdichtungsprozeß eine weitere Erwärmung. Infolge dessen kann es zu einer thermischen Überlastung kommen, insbesondere an den Lagern und Dichtungsstellen zwischen den die Pumpkolben antreibenden Wellen und dem Pumpengehäuse.

Die DE 42 21 521 offenbart eine Wellenabdichtung, bei der zwei nebeneinander angeordneten Wellendichtringen in der Wellendurchführung eine fettgefüllte Kammer vorgelagert ist.

Bei der Wellendichtung nach DE 30 07 267 wird über einen Zuführungs- und einen Abführungskanal ein Schmier- bzw. Kühlmedium in einen durch zwei Wellendichtringe gebildeten Zwischenraum zu- und abgeführt.

In der DE 27 00 226 sind Maßnahmen angegeben, um an den in Lagerschildern gelagerten Wellenzapfen der Kolben einer Wälzkolbenpumpe das an den Lagerschildern herablaufende Kondensat abzufangen und nicht in das Wälzlager gelangen zu lassen.

Nach der US 4.755.115 ist eine Wellendichtung vorgesehen, bei der ein elastischer Dichtungsring von einem Metallring gestützt wird, der wiederum durch einen Sprengring in der Wellendurchführung gehalten wird.

Um einer thermischen Überlastung der Wälzkolbenpumpe entgegen zu wirken, wird in der DE 40 36 698 ein konkretes Verfahren zur Kühlung von Wälzkolbenpumpen vorgeschlagen. Das Kühlungsverfahren bedient sich einer Einspritzung von Kühlmittel in den Förderbereich im Inneren des Pumpengehäuses an den Stellen, die durch die Pumpkolben sowohl vom Ansaugstutzen als auch vom Druckstutzen getrennt sind. Das Kühlmittel verdampft hier und entfaltet dabei seine Kühlwirkung. Der Grad der damit erreichbaren Kühlwirkung ist jedoch begrenzt von der Tatsache, daß der Ort der Kühlung (Förderbereich) nicht übereinstimmt mit dem Ort, an dem sich eine thermische Überlastung auswirkt (Lager und Dichtungsstellen).

Um diesen Nachteil zu vermeiden, sieht ein allgemein bekanntes Dichtungsprinzip eine Kühlung direkt an der Lager- und Dichtungsstelle zwischen der Welle und dem Pumpengehäuse vor. Hierbei wird ein Kühlmittel, das auch die Funktion einer Sperrflüssigkeit wahrnimmt, zwischen zwei koaxial zur Welle und zueinander beabstandet angeordnete Radialdichtringe hindurchgeleitet. Der Zufluß des kalten Kühlmittels erfolgt über eine Zuleitungsbohrung. Über eine Ableitungsbohrung wird das erwärmte Kühlmittel wieder abgeführt, so daß sich damit ein Kühlkreislauf bilden läßt.

Wie die Praxis zeigte, besteht der Nachteil dieses Prinzips jedoch darin, daß die verwendeten Radialdichtringe trotz örtlich optimierter Kühlung weiterhin einem durch die beträchtliche Betriebsreibung verursachten Verschleiß unterliegen. Um die Folgen des Verschleißes - beispielsweise ein Eindringen von Kühlmittel in den Antrieb - zu begrenzen, sind zusätzliche mit Dränagebohrungen kombinierte Dichtungsanordnungen vorzusehen. Somit wird versucht, die erforderliche Zuverlässigkeit der Wellenabdichtung zu erzielen. Darüber hinaus erhöht auch der zu installierende Kühlkreislauf den Aufwand im Aufbau der Wälzkolbenpumpe.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zur Kühlung und Wellenabdichtung eines Verdichters, insbesondere einer Wälzkolbenpumpe, zu schaffen, die einerseits eine durch verbesserte Kühlung erhöhte Standzeit des Verdichters gewährleistet und die sich anderseits auch durch ein einfachen Aufbau auszeichnet.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, daß zur Abdichtung der Welle gegenüber dem Pumpengehäuse eine dem Förderbereich benachbart angeordnete berührungsfreie Dichtbuchse vorgesehen ist und zur Kühlung über deren Dichtspalt ein über eine Bohrung von außen her zugeführtes Kühlmittel in den Förderbereich einsaugbar ist, wobei mindestens ein Dichtring zwischen dem Antrieb und dem von Kühlmittel umgebenden Bereich der Welle abdichtend angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung fällt somit der Kühlkreislauf und/oder der Sperrflüssigkeitskreislauf mit Zu- und Ableitung des Kühl- bzw Sperrmittels gänzlich weg. Das Kühlmittel gelangt direkt von der Zuleitung durch den Dichtspalt hindurch in den Förderbereich der Wälzkolbenpumpe. Besonders vorteilhaft ist es dabei, als Kühlmittel aus dem Förderkeislauf abgezweigtes und abgekühltes Fördermittel zu verwenden. Die Dosierung der Kühlmittelzufuhr erfolgt automatisch in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen dem Förderbereich und der Kühlmittelzuleitung und damit in Abhängigkeit der Belastung des Verdichters. Weiterhin ist eine Variation der Kühlmitteldosierung über die Breite des Dichtspaltes, durch den das Kühlmittel hindurchströmt, möglich. Die Breite des Dichtspaltes ist so bemessen, daß er einen die Kühl- und Sperrwirkung ermöglichenden Durchlaß für das Kühlmittel bildet. Auf eine zusätzlich aktiv gesteuerte und geregelte Kühlmittelzufuhr kann insoweit verzichtet werden. Da das Kühlmittel bei der erfindungsgemäßen Lösung gleichsam als Sperrflüssigkeit wirkt, kann es nicht vorkommen, daß Leckluft von außen her in den Förderbereich eindringt.

Eine weitere die Erfindung hinsichtlich der Dichtwirkung verbessernde Maßnahme besteht darin, daß zwischen dem Antrieb und dem vom Kühlmittel umgebenden Bereich der Welle zwei beabstandet angeordnete Dichtringe vorgesehen sind, wobei vom durch die Beabstandung erzeugten ringförmigen Raum eine Dränagebohrung abgeht. Somit ist sichergestellt, daß selbst bei Ausfall des antriebsseitigen Dichtringes kein Kühlmittel in den Antrieb gelangen kann. Als Antrieb kann ein Getriebe an das Pumpengehäuse angeflanscht sein. Weiterhin ist die Möglichkeit eines Direktantriebes, d. h. ohne Zwischenschaltung eines Getriebes, denkbar.

Die berührungsfreie Dichtbuchse kann vorteilhafterweise als Edelstahl-Ring ausgeführt sein. Dieses Material erhöht die Verschleißfestigkeit, insbesondere hinsichtlich einer Oxidation infolge der Einwirkung des Kühlmittels auf die Oberfläche der Dichtbuchse. Ebenso ist es möglich, die Dichtbuchse aus einem anderen verschleißfesten Material auszuführen.

Es kann vorteilhaft sein, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zusätzlich über eine den Querschnitt der Zuleitung verringernden Blende zu drosseln. Alternativ ist es auch denkbar, an Stelle einer Blende ein stetig verstellbares Ventil vorzusehen. Bei Verwendung eines solchen Stetigventils kann dieses in einen Regelkreis als Stellglied für einen die Kühlmittelzufuhr in Abhängigkeit der über einen Sensor erfaßbaren Betriebstemperatur betrieben werden.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden in den Unteransprüchen angegeben bzw. werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wälzkolbenpumpe und

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Kühlung und Wellenabdichtung einer Wälzkolbenpumpe nach Fig. 1.

Eine Wälzkolbenpumpe gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Pumpengehäuse 1 an dem eingangsseitig eine Saugstutzen 2 und ausgangsseitig ein Druckstutzen 3 angeordnet ist. Im Inneren des Pumpengehäuses 1 befindet sich ein Förderbereich 4, durch den das Fördermittel vom Saugstutzen 2 zum Druckstutzen 3 gepumpt wird. Zu diesem Zweck sind im Förderbereich 4 zwei die Pumpwirkung erzeugende Wälzkolben 5 angeordnet, die eine zu einander gegenläufige rotatorische Bewegung vollziehen. Jeder Wälzkolben 5 wird über eine abgehende Welle 6 angetrieben.

An der Welle 6 ist gemäß Fig. 2 ein Antrieb 11 in Form eines angeflanschten Getriebes angeordnet. Der Antrieb 11 grenzt mit seinen mit Öl befüllten Innenraum direkt an das Pumpengehäuse 1 an. Zur Abdichtung des mit Fördermittel durchsetzen Förderbereiches 4 der Wälzkolbenpumpe gegenüber dem mit Öl befüllten Antrieb 11 ist benachbart zum Förderbereich 4 zwischen dem Pumpengehäuse 1 und der Welle 6 eine berührungsfreie Dichtbuchse 7 angeordnet. Die Dichtbuchse 7 besteht aus einem verschleißfesten Material. Die Dichtbuchse 7 bildet mit der sich durch sie erstreckenden Welle einen ringförmigen Dichtspalt 8. Durch den Dichtspalt 8 hindurch gelangt Kühlmittel von einer Bohrung 9 im Pumpengehäuse 1 her bis in den Förderbereich 4. Da das Kühlmittel bei dieser Ausführungsform aus dem Fördermittel durch gezielte Abkühlung gewonnen wird, also aus dem Förderkreislauf abgezweigt wird, kommt es zu keiner Änderung der Eigenschaften des Fördermittels. Die Förderung der Kühlflüssigkeit wird durch die Saugwirkung des Förderbereiches 4 der Wälzkolbenpumpe ermöglicht. Somit trifft das Kühlmittel einer Zuleitung 13 kommend über die Bohrung 9 auf einen ringförmigen, die Welle umgebenden Bereich auf. Hier entfaltet das Kühlmittel seine Kühlwirkung. Das sich dabei erwärmende Kühlmittel wird durch den Dichtspalt 8 hindurch zum Förderbereich 4 hin abgeführt.

Weiterhin ist auf der Welle 6 genau ein Dichtring 10 in Form eines abdichtenden Radialwellendichtringes vorgesehen. Der Dichtring 10 ist zwischen dem Antrieb 11 und dem vom Kühlmittel umgebenen ringartigen Bereich der Welle 6 angeordnet, an einer Stelle also, wo keine kritische thermische Beanspruchung auftritt. Der Dichtring 10 hat die Aufgabe ein Eindringen von Kühlmittel in den Antrieb 11 zu verhindern. Zusätzlich können an dieser Stelle zur Erhöhung der Sicherheit auch Dränagemaßnahmen ergriffen werden. Benachbart zum Dichtring 10 ist ein zusätzliches Verstärkungs­ element 12 vorgesehen, das die Funktion des Dichtringes 10 unterstützt.

Mit dieser einfach aufgebauten Einrichtung, die eine Wellenabdichtung und zugleich eine direkte Kühlung der thermisch kritischen Stellen ermöglicht, ist eine optimale Kühlwirkung erzielbar, was die Standzeit der Wälzkolbenpumpe positiv beeinflußt.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Kühlung und Wellenabdichtung eines Verdichters, insbesondere einer Wälzkolbenpumpe, mit einem Pumpengehäuse (1) an dem eingangsseitig ein Saugstutzen (2) und ausgangsseitig ein Druckstutzen (3) zu einem im Inneren des Pumpengehäuses (1) angeordneten Förderbereich (4) geführt sind und im Förderbereich (4) mittels mindestens eines Pumpkolbens (5) voneinander getrennt sind, welcher über mindestens eine Welle (6) mit einem Antrieb (11) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung der Welle (6) gegenüber dem Pumpengehäuse (1) eine dem Förderbereich (4) benachbart angeordnete berührungsfreie Dichtbuchse (7) vorgesehen ist und zur Kühlung über deren Dichtspalt (8) ein über eine Bohrung (9) von außen her zugeführtes Kühlmittel in den Förderbereich (4) einsaugbar ist, wobei auf der Welle (6) mindestens ein Dichtring (10) vorgesehen ist, der zwischen dem Antrieb (11) und dem von Kühlmittel umgebenen Bereich der Welle (6) abdichtend angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Antrieb (11) und dem vom Kühlmittel umgebenden Bereich der Welle (6) zwei beabstandet angeordnete Dichtringe vorgesehen sind, wobei vom durch die Beabstandung erzeugten ringförmigen Kanal eine Dränagebohrung abgeht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel mittels einer an die Bohrung (9) angeschlossenen Zuleitung (13) aus dem Förderkreislauf abgezweigtes und abgekühltes Fördermittel vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der antriebsseitig auf der Welle (6) angeordnete Dichtring (10) nach Art eines Radialwellendichtringes ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart und koaxial zum Dichtring (10) ein Verstärkungselement (12) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Förderbereich (4) benachbart angeordnete Dichtbuchse (7) aus einem nicht rostendem Material ausgeführt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von außen über die Zuleitung (13) zugeführte Kühlmittel in seiner Strömungsgeschwindigkeit mittels einer den Querschnitt der Zuleitung (13) verringernden Drosseleinrichtung, z. B. einer Blende, beeinflußbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das von außen über eine Zuleitung (13) zugeführte Kühlmittel in seiner Strömungsgeschwindigkeit mittels eines den Querschnitt der Zuleitung (13) variierbaren Stetigventils beeinflußbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Stetigventil als Stellglied in einen Regelkreis eingebunden ist, der die Kühlmittelzufuhr geregelt in Abhängigkeit der über einen Sensor erfaßbaren Betriebstemperatur beeinflußt.