DE2937430C3

DE2937430C3 - Unterwasser-Motor-Pumpeinheit

Info

Publication number: DE2937430C3
Application number: DE2937430A
Authority: DE
Inventors: Donatus Buffalo Grove Ill. Tijunelis
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1979-09-15
Publication date: 1986-01-09
Also published as: CA1140458A; DE2937430B2; JPS5554694A; FR2436896A1; US4685867A; FR2436896B1; DE2937430A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Pumpeneinheit, die nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildet ist

Wärmeübertragungsröhreii sind bekannt (»Forschungsingenieurwesen«, Bd. 3/, 1971, No. 2, S. 33—37), die mit einem Wärmeübertragungsmittel gefüllt sind, das in einem Verdampfungs-Kondensations-Prozeß aus einem Medium Wärme absorbiert und auf ein anderes Medium überträgt. Diese Eigenschaften von Wärmeübertragungsröhren führen zur Leistungssteigerung und Erhöhung der Lebensdauer. Als Anwendung ist u. a. die Kühlung von Elektromotoren angegeben. Für den Einbau solcher Wärmeübertragungsröhren in einem Heißgasmotor ist es bekannt (DE-PS 8 21 729), die Röhren in einem zwischen dem den Kolben aufnehmenden Zylinder und einem äußeren Gehäuse vorgesehenen, mit Luft gefülltem Ringraum anzuordnen. Die unteren Enden der Röhren sind mit Rippen versehen und werden durch einen Brenner geheizt Die von dem Brenner gelieferte Wärme wird also dem Inneren des Heißgasmotors zugeführt.

Der Motor einer Unterwasser-Motor-Pumpeneinheit ist gewöhnlich mit einem Kühlmittel, beispielsweise öl, gefüllt, das gegenüber der im Bohrloch befindlichen Förderflüssigkeit, beispielsweise einer Öl-Sole-Mischung in ölbohrlöchern oder geothemischen Wasserbohrlöchern, abgedichtet ist. Das Kühlmittel für den Motor erreicht gewöhnlich eine Temperatur, die über der Temperatur des Bohrloches liegt, da durch Motorreibung, Eisen- und Kupferverluste Wärme erzeugt wird. Die erzeugte Wärme wird über das Motorkühlmittel, das sich auf einer niedrigeren Temperatur befindet, im Inneren verteilt. Diese grundlegende Wärmeübertragung mittels Wärmeleitung auf die im Bohrloch befindliche Förderflüssigkeit ist relativ unwirksam.

Normalerweise erzeugt ein 100-PS-Motor etwa ί>5 14 kW an überschüssiger Wärme, die entfernt werden muß, um ein Erhitzen des Motors und ein mögliches Durchbrennen desselben zu vermeiden.

In Abwesenheit von wärmeentziehenden Einrichtungen arbeiten Motoren in Bohrlöchern bei Temperaturen bis hinauf auf etwa 38° C über der Temperatur der im Bohrloch befindlichen Förderflüssigkeit Wenn die Temperatur der Förderflüssigkeit 66° C beträgt, sind keine Probleme bezüglich Oberhitzen und Durchbrennen des Motors zu befürchten. Wenn die Förderflüssigkeit jedoch eine Temperatur von etwa 150⁰C oder darüber besitzt, kann die übliche Wärmeübertragung durch Wärmeleitung über die Motorgehäusewandung nicht ausreichen, um ein Überhitzen des Motors und ein mögliches frühes Durchbrennen desselben zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Unte.-wasser-Motor-Pumpeneinheit der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art zu schaffen, bei der die Motorkühlung verbessert ist

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst

Da jede einzelne Wärmeübertragungsröhre in einer zylindrischen Tasche angeordnet ist, wird ein großer Kühleffekt erzielt. Ober den gemeinsamen Ringkanal der Taschen und der in einen Speicher ausmündenden Enden wird eine Zirkulation des Kühlmittels erzwungen, die zu einer intensiven Spülung der Wärmeübertragungsröhren führt und die Kühlleistung erhöht

Bei jeder Wärmeübertragungsröhre handelt es sich um eine abgedichtete, in sich abgeschlossene, allgemein rohrförmige Einheit, die ein flüchtiges Strömungsmittel enthält, das als Kältemittel wirkt Die Innenwandungen sind kapillarförmig ausgebildet, um zur Strömungsmittelübertragung beizutragen. Obwohl die Wärmeübertragungsröhren in jeder beliebigen Richtung orientiert sein können, wird es als besonders wirksam angesehen, wenn diese vertikal angeordnet sind, wie es bei der nachfolgend beschriebenen Ausf&hrungsform der FaH ist Ein Ende einer jeden Wärmeübertragungsröhre ist einer Wärmequelle ausgesetzt, während das andere Ende einer Kältequelle ausgesetzt ist.

Wenn dem einen Ende der Wärmeübertragungsröhre Wärme zugeführt wird, absorbiert das darin befindliche Wärmeübertragungsmittel Wärme und wird verdampft Die gebildeten Dämpfe füllen die Röhre aus und kondensieren am anderen Ende, das sich mit der Kältequelle in Kontakt befindet Die Wärmeübertragungsröhre selbst verbleibt im wesentlichen über ihre Längserstreckung auf einer konstanten Temperatur. Wärmeübertragung findet somit durch die Kombination der latenten Wärmeübertragung statt, d. h. Verdampfung und Kondensation und Wärmeleitung.

Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung wird das heiß: Ende der Röhre dem Kühlmittel ausgesetzt und wird somit auf eine erhöhte Temperatur gebracht. Das flüchtige Wärmeübertragungsmittel in der Wärmeübertragungsröhre kann Wasser oder ein anderes geeignetes Strömungsmittel sein, beispielsweise eine der Freon-Arten oder ein anderes organisches Strömungsmittel. Folgende Freon-Arten können Anwendung finden:

R-112
R-113
R-Il
R-21
R-114

CCIjF -CCl₅F

CCl₂F-CClF₂

CCI3F

CHCl₂F

CClF₂-CClF₂

Siedepunkt 98° C
Siedepunkt 48° C
Siedepunkt 24° C
Siedepunkt 9⁰C
Siedepunkt 4⁰C

Ergänzend zum Stand der Technik sei bemerkt, daß ein mit einem Kühlmedium gefüllter Unterwasserelektromotor bekannt ist (DE-PS 11 49 448), der mit einem

Wärmetauscher so in Wirkverbindung steht, daß das Kühlmedium einen geschlossenen Kreislauf durchlauf en muß, der den Motor und den Wärmetauscher enthält Hierbei bespült das Kühlmedium einerseits den Rotor und andererseits den Stator und gibt auf seinem Weg zwischen Rotor und Stator im Wärmetauscher die jeweils aufgenommene Wärme ab. Offensichtlich findet bei dieser Ausführungsform zusätzlich zu dem Kühlmedium kein Wärmeübertragungsmittel Anwendung, das vom Kühlmedium Wärme absorbiert und diese auf die im Bohrloch befindliche Förderflüssigkeit überträgt Statt dessen besteht der Wärmeaustauscher in üblicher Weise aus Vorlauf- und Rücklaufkanälen, die vom Kühlmedium durchflossen werden und eine Abkühlung desselben bewirken.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Unterwasser-Motor-Pumpeneinheit, die Wärmeübertragungsröhren aufweist und in einer Bohrlochummantelung angeordnet ist,

F i g. 2 eine vergrößerte Ansicht der Wärmeübertragungsröhren, teilweise im Längsschnitt, und

F i g. 3 einen Querschnitt nach Linie 3-3 in F i g. 2. ^2S

In F i g. 1 ist eine Unterwasser- oder Tauch-Motor-Pumpeneinheit mit Kühleinrichtungen aus Wärmeübertragungsröhren dargestellt, die mit der Bezugsziffer 10 versehen und als längliche Einheit ausgebildet ist, die in eine Bohrlochummantelung 12 abgesenkt ist Die Einheit 10 umfaßt einen Tauchmotor 14, einen Dichtungsabschnitt 16 und eine Pumpe 18. Ein Gehäuse 20 umgibt die Wicklung des Motors 14. Am unteren Ende des Motorgehäuses 20 befindet sich ein Wärmetauscher 22, der als Speicher 24 für ein Kühlmittel ausgebildet ist, sowie mit 26 bezeichnete Wärmeübertragungsröhren. Der Motor 14 kann aus mehreren Einheiten bestehen; manchmal besitzen derartige Motoren eine Länge bis zu 9,15 m. Der Dichtungsabschnitt 16 hindert in üblicher Weise die im Bohrloch befindliche Förderflüssigkeit daran, in den Motor einzudringen. Die Pumpe 18 kann von üblicher Konstruktion sein und eine Vielzahl von Stufen umfassen.

Der Speicher 24 enthält ein Kühlmittel, wie beispielsweise öl. Dieses Kühlmittel befindet sich im Motor und zirkuliert zumindest durch Konvektion um den Motor und in den Speicher. Ein von dem Motor 14 angetriebenes Laufrad 28 (siehe Fig.2), das auf der Motorwelle 30 angeordnet ist, kann vorgesehen sein und funktioniert dahingehend, daß das Kühlmittel innerhalb des Motors 14 fließt und zu einem Ende der Wärmeübertragungsröhren 26 gefördert wird.

In den F i g. 2 und 3 sind Einzelheiten des Wärmetauschers 22 und der Wärmeübertragungsröhren 26 dargestellt. Der Wärmetauscher 22 umfaßt einen aus mehreren Teilen bestehenden, allgemein zylindrischen Behälter 32, der mit dem Motorgehäuse 20 in Verbindung steht. Der Behälter 32 weist einen ersten Teil 34 auf, der über eine Gewindeverbindung 36 mit mj dem unteren Ende des Motorgehäuses 20 verbunden ist, einen anderen Teil 38, der über eine Gewindeverbindung mit dem Teil 34 verbunden ist, eine Vielzahl von länglichen, allgemein zylindrischen öffnungen oder Taschen 40 um das Teil herum und eine Kappe 42, die auf das Teil 38 geschraubt ist. Der Behälter 32 bildet den Speicher 24 für das Kühlmittel.

Innerhalb des Behälters 32 befindet sich ein allgemein zylindrisches Element 44, das einen Flansch 46 aufweist, der mit Bolzen an einem Flanschelement 48 befestigt ist, das wiederum mit dem Motorgehäuse 20 in Verbindung steht Der Flansch 46 und der Flansch 48 bilden eine Laufradkammer 50, in der das Laufrad 28 angeordnet ist Eine Buchse 52 ist innerhalb des Elements 44 im Abstand davon befestigt, während der Rest der Buchse 52 im Abstand von der Innenwand des Behälterteils 38 angeordnet ist, ausgenommen am Boden, wo die Buchse über einen Ring 54 mit dem Behälterteil 38 dichtend verbunden ist und auf diese Weise einen Kanal 56 bildet der an einem Ende mit der Laufradkammer 50 und am anderen Ende mit den Taschen 40 in Verbindung steht wobei die Taschen an ihren unteren Enden offen sind und daher mit dem Speicher 24 in Verbindung stehen.

In jeder öffnung oder Tasche 40 ist eine Wärmeübertragungsröhre 58 angeordnet, deren eines Ende sich aus der Tasche heraus erstreckt, so daß sich das Ende 60 außerhalb des Wärmeaustauschbehälters 32 befindet Eine mit Außengewinde 64 versehene Buchse 62 umgibt die Röhre 58 und ist an diese geschweißt ;>der in anderer Weise daran befestigt. Ein Abschnitt einer j?den Tasche 40 ist bei 66 mit einem Gewinde versehen, um das Gewinde 64 aufzunehmen. Die Buchsen 62 halten die Wärmeübertragungsröhren 58 derart, daß diese im Abstand von den Wänden der Taschen 40 angeordnet sind, so daß Kühlmittel herumfiieSen kann. Bei den dargestellten Positionen befinden sich die Enden 60 der Wärmeübertragungsröhren 58 in Kontakt mit der im Bohrloch befindlichen Förderflüssigkeii, wenn die Einheit in eine Bohrlochummantelung 12 abgesenkt ist, während die gegenüberliegenden Enden 68 der Wärmeübertragungsröhren mit dem Kühlmittel im Speicher 24 in Kontakt stehen.

Jede Wärmeübertragungsröhre 58 besitzt eine übliche Konstruktion als abgedichtete Einheit mit kapillarförrnig ausgebildeten Wänden und enthält ein nächtiges Strömungsmittel, das am heißen Ende, d. h. dem mit dem Kühlmittel in Kontakt befindlichen Ende, verdau pft und das am kalten Ende, d. h. dem mit der im Bohrloch befindlichen Förderflüssigkeit in Kontakt stehenden Ende, kondensiert

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Unterwasser-Motor-Pumpeneinheit insbesondere zum Einsatz in einer Bohrlochummantelung, die eine Förderflüssigkeit enthält, bei der der Motor mit Kühlmittel gefüllt ist, und die Wärmeübertragungsröhren aufweist die mit einem Abschnitt versehen sind, der dem Kühlmittel ausgesetzt ist und mit einem Abschnitt, der der im Bohrloch befindlichen Förderflüssigkeit ausgesetzt ist wobei die Wärmeübertragungsröhren ein Wärmeübertragungsmittel enthalten, das vom Kühlmittel Wärme absorbiert und Wärme auf die im Bohrloch befindliche Förderflüssigkeit überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kühlmittel ausgesetzten Abschnitte (68) der Wärmeübertragungsröhren (26) in je einer länglichen zylindrischen Tasche (40) unterhalb des Motors (14) angeordnet sind, deren obere Enden mit einem gemeinsamen Ringkanal (56) in VerbiBCaing stehen und die an ihren unteren offenen Enden in einen Speicher (24) für das Kühlmittel enden.

2. Pumpeneinheit nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet daß das Kühlmittel mittels eines Laufrades (28) in den Ringkanal (56) und die Taschen (40) gefördert wird. .. ..

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