DE2628589B2

DE2628589B2 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE2628589B2
Application number: DE2628589A
Authority: DE
Inventors: Rowland Ellis Long Beach Calif. Ball (V.St.A.)
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: BW IP International Inc
Priority date: 1975-06-27
Filing date: 1976-06-25
Publication date: 1978-08-24
Also published as: NL7606710A; DE2628589A1; NL175749B; FR2333982A1; IT1061798B; BR7604152A; DE2628589C3; CH604117A5; GB1542410A; JPS525001A; US4005747A; CA1060266A; JPS6045316B2; AU1474376A; NL175749C; FR2333982B1; AU499381B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für eine mechanische Pumpenabdichtung, mit zwei im wesentlichen zylindrischen, die vom Motor zum Pumpenlaufrad führende Antriebswelle umschließenden Gehäuseteilen.

Bs sind Wärmetauscher zum Kühlen einer heißen, von einer Pumpenkammer längs der Pumpenwelle zu einer der Pumpe zugeordneten, mechanischen Abdichtung strömenden Flüssigkeit bekannt So ist in der USPS 34 59 430 ein Wärmetauscher beschrieben, der zwei konzentrische Rohrschlangen enthält, von denen die eine von der der Stopfbuchse zuströmenden Flüssigkeit und die andere von der eine den mechanischen Dichtungen zugeordnete Druckmindereinrichtung durchströmenden Flüssigkeit durchsetzt ist. Die Rohrschlangen sind in konzentrischen, an ihren unteren Enden miteinander verbundenen Kühlmänteln angeordnet Kühlmittel, etwa Wasser oder ein anderes Strömungsmittel, wird dem äußeren Kühlmantel an dessen oberem Ende zugeführt und strömt nach unten und über die in diesem Kühlmantel angeordneten Rohrschlangen und dann über das untere Ende des inneren Kühlmantels und verläßt diesen an dessen oberem Ende. Die die Rohrschlangen durchströmende Flüssigkeit wird durch den die Kühlmäntel durchsetzenden Kühlmittel-Mengenstrom gekühlt; infoige der unregelmäßigen Strömungspfade des Kühlmittels kann eine ungleichförmige Kühlwirkung auftreten, und es können Heißstellen vorhanden sein, an denen keine oder nur eine geringe Kühlung auftritt. Außerdem garantiert dieser Wärmetauscher nur während des Laufs eine Kühlung für sämtliche mechanischen Dichtungen: wenn sich dagegen die Pumpe im heißen, betriebsbereiten Wartezustand befindet, werden die unteren Dichtungen nicht gekühlt und nur die oberen Dichtungen werden gekühlt, da ein Umwälz-Laufrad für den Wärmetauscher erforderlich ist.

Demgegenüber schafft die Erfindung einen verbesserten Wärmetauscher für eine Pumpe mit mechanischen Dichtungen, durch den die Dichtungen nicht nur während des Laufs, sondern auch im heißen, betriebsbereiten Wartezustand der Pumpe gekühlt werden. Der Wärmetauscher erfordert kein Umwälz-Laufrad. Zur Verbesserung des Wärmeaustauschs enthält der Wärmetauscher jedoch einen umlaufenden Ablenkkörper, der den Strömungspfad für das heiße Strömungsmittel begrenzt und während des Laufs eine Rotationsströmung in dem heißen Strömungsmittel erzeugt. Das

is Kühlmittel durchströmt den Wärmetauscher längs eines definierten Strömungspfades, wodurch die heiße, längs der Pumpenwelle zu den mechanischen Dichtungen strömende Flüssigkeit verhältnismäßig gleichförmig gekühlt wird. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher

so eignet sich insbesondere für Hochtemperatur-Hochdruckpumpen oder Einrichtungen mit ähnlichen Betriebsbedingungen.

Insgesamt schafft die Erfindung einen Mehrstrom-Vielpfadwärmetauscher, der die Welle einer Kühlmittelpumpe umschließt und zwischen dem Pumpenlaufrad und einer mechanischen Abdichtung angeordnet ist, um heiße Flüssigkeit, die von der Pumpenkammer längs der Pumpenwelle zur mechanischen Abdichtung strömt, zu kühlen. Der Wärmetauscher eignet sich vor allem für Hochtemperatur-Hochdruckpumpen oder andere Pumpen mit ähnlichen Überhitzungsproblemen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles ist in Verbindung mit den Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Seitenansicht einer Motor-Pumpeneinheit mit einer mechanischen Abdichtung und einen Wärme-

tauscher nach der Erfindung;

F i g. 2 einen vergrößerten Axialschnitt eines Teils der in F i g. 1 gezeigten Motorpumpe, aus der die Anordnung des Wärmetauschers, der Pumpe und der mechanischen Abdichtung ersichtlich ist;

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 der F i g. 4 mit einem erfindungsgemäßen Wärmetau^her in vereinfachter Darstellung;

Fig.4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 der Fig.3; und ίο

F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 der F i g. 3.

Die in deti F i g. 1 und 2 gezeigte Anordnung enthält eine Pumpe 10 und einen an dieser über ein zylindrisches Gehäuse 14 angebrachten Motor 12, die über eine Antriebswellenanordnung 16 miteinander verbunden \^r> sind. Die Pumpe IQ und der Motor 12 sind von üblicher Bauweise, und bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Pumpe IC eine Doppelsaug-Spiralpumpe mit einer Saugöffnung 18 und einer Drucköffnung 20, während der Motor 12 von beliebiger Bauweise ist.

Die Pumpenwelle 16 ist von einer mechanischen Abdichtung 22 umschlossen, die das Hochdruckmittal in der Pumpe hält. Die mechanische Abdichtung 22 ist von herkömmlicher Bauweise und besteht aus einer Vielzahl von Einzelelementen. Zwischen der Pumpe 10 und der v> mechanischen Abdichtung 22 liegt ein die Antriebswelle 16 umschließender Wärmetauscher 24, der in den F i g. 4 bis 5 in schematischer Darstellung gezeigt ist.

Der Wärmetauscher 24 enthält ein erstes, becherförmiges, zylindrisches Gehäuseteil 25 mit einer ersten, jo inneren, zylindrischen, axial verlaufenden Trennwand 26, die auf ihrer Innenseite 28 die Antriebswelle 56 umgreift und von dieser geringfügig auf Abstand gehalten ist, so daß das heiße Strömungsmittel längs der Welle 16 dem Wärmetauscher 24 zuströmen kann, und v· einer zweiten, äußeren, zylindrischen, axial verlaufenden Trennwand 30 mit einem Kühlmitteleinlaß 32 und einem Kühlmittelauslaß 34. Die Trennwände 26 und 30 sind durch eine radiale Stirnwand 36 miteinander verbunden. Der Wärmetauscher 24 enthält ferner ein zweites, becherförmiges, zylindrisches Gehäuseteil 38 mit inneren und äußeren, axialen Trennwänden 40 bzw. 42, wobei die Trennwand 42 mit der Trennwand 30 des Gehäuseteils 25 auf deren Innenseite zusammenwirkt. Das Ende des Gehäuseteils 38 ist zur Stirnwand 36 auf Abstand gehalten. Ferner ist ein drittes, becherförmiges, zylindrisches Gehäuseteil 44 mit inneren und äußeren, axial verlaufenden Trennwänden 46 bzw. 48 im Wärmetauscher 24 angeordnet. Die Trennwand 46 wirkt mit der Trennwand 26 des Gehäuseteils 25 und die Trennwand 48 wirkt mit der Trennwand 40 des Gehäuseteils 38 zusammen. Ferner enthält der Wärmetauscher 24 ein viertes, becherförmiges, zylindrisches Gehäuseteil in Form eines Ablenkkörpers 50, der drehfest mit der Welle 16 verbunden und mit v> zylindrischen Trennwänden 52 und 54 versehen ist, die in die Gehäuseteile 38 und 44 eingreifen und von diesen auf Abstand gehalten sind, wodurch kreisförmige und axiale Strömungskanäle für den heißen Strcmungsmittelstrom von der Pumpe zu der mechanischen m> Abdichtung entstehen.

Die Trennwand 26 des Gehäuseteils 25, die Trennwand 48 des Gehäuseteils 44 und die Trennwand 42 des Gehäuseteils 38 sind jeweils mit mehreren, in Umfangsrichtung verteilten, axial ausgerichteten Schiit- b5 zen oder Nuten 60 bzw. 62 bzw. 64 und einer Vielzahl von kreisförmigen Kanälen oder Umfangsnuten 66 bzw. 68 bzw. 70 versehen; die Umfangsnut 66 steht mit den Nuten 60, die Umfangsnut 68 mit den Nuten 62 und die Umfangsnut 70 mit den Nuten 64 und ferner mit den Ein- bzw. Auslassen 32 bzw. 34 in Verbindung. Die Umfangsnut 70 ist durch sich radial gegenüberliegende Zwischenwände 72 in zwei halbkreisförmige Segmente 70a und 706 unterteilt Am entgegengesetzten Ende des Wärmetauschers 24 sind Umfangsn jten 74, 76 und 78 ausgebildet, die durch sich radial gegenüberliegende Zwischenwände SOA bzw. 80ß bzw. 8OC in halbkreisförmige Segmente 74Λ, 74 B bzw. 76Λ, 76Ö bzw. 78Λ, 783 unterteilt sind. Gegenüber jeder Zwischenwand 8OA, 8Od und 8CCum 90° versetzt sind, jedoch Verbindungskanäle 82A, 82C bzw. 82Ö, 82D ausgebildet. Der Verbindungskanal S2A verbindet die Segmente 74Λ und 76/4 und der Kanal 82C verbindet die Segmente 76/4 und 78A Auf der entgegengesetzten Seite verbindet der Kanal 82ß die Segmente 74B und 76B und der Kanal 82£> die Segmente 765 und 78Ä Wie Fig.4 zeigt, befinden sich zwischen den Axialnuten 62 Rippen 90, die die innere, axial verlaufende Trennwand 40 des zylindrischen Gehäuseteils 38 abstützen. Diese Rippen sind einteilig an der äußeren, axial verlaufenden Trennwand 48 angeformt. Somit ist die innere, axial verlaufende Trennwand 40 gegen die anliegende Druckdifferenz gesichert, die zwischen den Axialnuten 62 und der Hochdruckseite der inneren, axial verlaufenden Trennwand 40 vorhanden ist. Ebenso ist die innere, axial verlaufende Trennwand 46 des zylindrischen Gehäuseteils 44 durch Rippen 92 abgestützt, die an der zylindrischen Trennwand 26 angeordnet sind, und auch die äußere, axial verlaufende Trennwand 30 des zylindrischen Gehäuseteils 25 ist durch an der äußeren Trennwand 42 des Gehäuseteils 38 angeordnete Rippen 94 abgestützt.

Der Wärmetauscher bildet zwei Strömungspfade, nämlich einen Strömungspfad für die heiße Flüssigkeit, die längs der Welle 16 und nach der Kühlung im Wärmetauscher zu der mechanischen Abdichtung 22 strömt, und einen Strömungspfad für das den Wärmetauscher durchsetzende Kühlmittel.

Die Strömungspfade durch den Wärmetauscher 24 werden anhand der F i g. 3, 4 und 5 erläutert, wobei die Strömungsrichtung durch die Pfeile in den F i g. 4 und 5 verdeutlicht ist. Das Kühlmittel kann Wasser oder ein anderes Strömungsmittel sein.

Das Kühlmittel strömt am Einlaß 34 in den Wärmetauscher 24 und gelangt in das halbkreisförmige Segment 70A. Von dort strömt es über die Axialnuten 64 zum Segment 74/4 und dann über den Kanal 82/4 in das Segment 76Λ und über den Kanal 82C in das Segment 78A. Von den Nutensegmenten 76/4 und 78/4 fließt das Kühlmittel axial nach oben über die miteinander verbundenen Nuten 62 und 60 in die Umfangsnuten 68 und 66 und in den übrigen Teil der Axialnuten 62 und 60 und zu den Nutsegmenten 78B, 76Ä Von dort gelangt das Strömungsmittel über die Kanäle 82fi und 82£> in das Nutsegment 74B und dann durch den übrigen Teil der Axialnuten 64 in Axialrichtung nach oben zum Nutsegment 70B und zum Auslaß 32.

Erhitztes Hochdruckmittel, etwa Wasser, fließt längs der Welle 16 in den Wärmetauscher über den unteren Teil des Ringraums zwischen der Welle und der Innenseite 28 der Trennwand 26. Von dort gelangt es auf einem Strömungspfad über die Ringkanäle, die durch die Zwischenräume zwischen dem Ablenkkörper 50 und den zylindrischen Gehäuseteilen 44 und 38 begrenzt werden, und in eine der mechanischen Abdichtungskammer benachbarte Sammelkammer. Der Ablenkkörper

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50 und die zylindrischen Gehäuseteile 34 und 38 steuern beispielsweise bei Verwendung von Wasser mit

den heißen St!ömungsmittelstrom, und beim Umlauf des normaler Leitungstemperatur als Kühlmittel möglich,

Ablenkkörpers wird das heiße Strömungsmittel zur Heißwasser, das dem Wärmetauscher mit einer

Rotation gebracht, wodurch der Wärmeübertragungs- Eingangstemperatur von 288° C (550° F) zuströmt, auf

grad zum Kühlmittel verbessert wird. So ist es ■> eine Ausgangstemperatur von 66° C (150° F) zu kühlen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher für eine mechanische Pumpenabdichtung, mit zwei im wesentlichen zylindrischen, die vom Motor zum Pumpenlaufrad führende Antriebswelle umschließenden Gehäuseteilen, d a durch gekennzeichnet, daß jedes Gehäuseteil (25, 38, 44, 50) mehrere koaxiale Trennwände (26,30,40,42,46,48,50,52) aufweist, die gemeinsam mehrere konzentrische, miteinander verbundene zylindrische Öffnungen sowie mehrere, miteinander verbundene Axial- und Umfangsnuten (60, 62, 64 bzw. 66, 68, 70) begrenzen, von denen die radial äußere Umfangsnut (70) mit einem Kühlmitteleinlaß (32) und einem Kühlmittelauslaß (34) verbunden und in zwei Nutsegmente (7OA 70B) unterteilt ist, deren eines (7QA)mit dem Kühlmitteleinlaß (32) und deren anderes (705,1 mit dem Kühlmittelauslaß (34) in Verbindung steht, daß durch Kanäle (vom Spalt zwischen 28 und 16 zum Spalt zwischen 42 und 52) ein zickzackförmiger Strömungspfad für einen erhitzten Strömungsmittelstrom von den an die Pumpe (10) angeschlossenen zylindrischen Öffnungen zu einem Wärmetauscherauslaß gebildet ist, und daß der die Axial- und Umfangsnuten (60,62,64 bzw. 66, 68, 70) durchströmende Kühlmittelstrom im wesentlichen im Gegenstrom zum erhitzten Strömungsmittel über das eine Nutsegment der radial äußeren Umfangsnut die damit verbundenen, radial äußeren Axialnuten und die mit diesen verbundenen, radial inneren Axialnuten zum anderen Nutsegment der radial äußeren Umfangsnut und von dort zum Kühlmittelauslaß (34) geführt ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines (50) der Gehäuseteile (25, 38, 44, 50) drehfest mit der Antriebswelle (16) verbunden ist und den erhitzten Strömungsmittelstrom auf dem Wege von der Pumpe (10) zur mechanischen Abdichtung (22) in Rotationsbewegung versetzt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das umlaufende Gehäuseteil (50) gemeinsam mit einem weiteren Gehäuseteil (38 oder 44) die zylindrischen Durchlaßöffnungen für den erhitzten Strömungsmittelstrom begrenzt.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (16) zwischen dem Pumpenlaufrad und der mechanischen Abdichtung (22) durch mindestens zwei im wesentlichen zylindrische Gehäuseteile (25,50) umschlossen ist.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine (46) der koaxialen Trennwände einen radial inneren und einen radial äußeren, axial verlaufenden Wandabschnitt aufweist, von denen der eine mit in Umfangsrichtung verteilten, den anderen Wandabschnitt abstützenden Axialrippen (92) versehen ist, die die Axialnuten (60, 62, 64) zwischen sich begrenzen.