DE29803322U1

DE29803322U1 - Flüssigkeitsringmaschine

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Publication number: DE29803322U1
Application number: DE29803322U
Authority: DE
Original assignee: SPECK PUMPEN WALTER SPECK KG
Current assignee: SPECK PUMPEN WALTER SPECK KG
Priority date: 1998-02-25
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2008-02-26

Description

Speck Pumpenfabrik 1 M/3822 0

Flüssigkeitsringmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsringmaschine nach dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1.

Derartige Flüssigkeitsringmaschinen sind seit langem bekannt. Sie werden hauptsächlich als Vakuumpumpen oder als Kompressoren für gasförmige Fördermedien eingesetzt. Eine Flüssigkeitsringmaschine umfasst im allgemeinen ein Gehäuse mit Druck- und Saugstutzen, an welche Leitungen für das Fördermedium angeschlossen werden können. In einem von dem Gehäuse, insbesondere von einem zylindrischen Mittelkörper des Gehäuses begrenzten Arbeitsraum der Maschine ist ein auf einer Welle montiertes Laufrad drehbar angeordnet. Die Welle kann als separate Pumpenwelle ausgebildet sein, die dann an die Welle einer Antriebseinheit, beispielsweise an die Motorwelle eines Elektromotors gekoppelt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Flüssigkeitsringmaschine direkt an der Antriebseinheit anzubringen, wobei dann Motor und Flüssigkeitsringmaschine eine gemeinsame Welle besitzen. Zwischen den Saug- bzw. Druckstutzen und dem Arbeitsraum ist eine Steuerscheibe vorgesehen, in welcher Druck- bzw. Saugschlitze ausgespart sind, die ein kommunizierende Verbindung zwischen dem Arbeitsraum und den Stutzen gewährleisten. Bei doppelseitiger Beaufschlagung der Pumpe sind dementsprechend zwei Steuerscheiben vorgesehen, welche die axialen Begrenzungen des Arbeitsraumes bilden.

Die Pump- bzw. Kompressionswirkung einer Flüssigkeitsringmaschine beruht im wesentlichen darauf, daß das Laufrad mit Flügeln versehen ist, die bei sich drehendem Laufrad eine im Arbeitsraum der Maschine befindliche Betriebsflüssigkeit, beispielsweise Wasser, in Rotation versetzen, so daß sich am Außenumfang des Laufrades ein Flüssigkeitsring ausbildet. Zwischen der Nabe des Laufrades und dem Flüssigkeitsring werden durch die Flügel des Laufrades

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einzelne Zellen definiert, deren Volumen sich im Laufe einer Umdrehung ändert. Dies kann entweder durch eine exzentrische Montierung des Laufrades in einem Arbeitsraumgehäuse mit kreisförmigem Querschnitt, durch ein nicht-kreisförmiges, beispielsweise elliptisches Arbeitsraumgehäuse oder, im Fall eines Arbeitsraums mit kreisförmigem Querschnitt und konzentrisch montiertem Laufrad durch in der Steuerscheibe vorgesehene Seitenkanäle erreicht werden. Die feststehende Steuerscheibe ist dabei so orientiert, daß sich der Saugschlitz im Bereich des sich vergrößernden Zellenvolumens befindet, während der Druckschlitz im Bereich des sich verkleinernden Zellenvolumens angeordnet ist. Die den Flüssigkeitsring bildende Betriebsflüssigkeit dient außer als Begrenzung des Zellenvolumens in radialer Richtung auch als Abdichtung der einzelnen Zellen gegeneinander und als Medium zum Abtransport der bei der Gasverdichtung freiwerdenden Wärme.

Konstruktionsbedingt wird im Betrieb ständig ein Teil der Flüssigkeit des Flüssigkeitsrings zusammen mit dem komprimierten Fördermedium aus dem Arbeitsraum ausgestoßen. Um die für den Betrieb notwendige Mindestmenge an Betriebsflüssigkeit im Arbeitsraum aufrechtzuerhalten, ist üblicherweise in der Steuerscheibe eine Einlaßöffnung vorgesehen, durch die frische oder wiedergewonnene und gegebenenfals gekühlte Betriebsflüssigkeit nachgefüllt werden kann. Der ständige Austausch von Betriebsflüssigkeit im Arbeitsraum ist aus thermischen Gründen erwünscht, um eine zu starke Erwärmung der Flüssigkeit und damit verbundene Kavitationsprobleme zu vermeiden.

In vielen Anwendungsbereichen, beispielsweise bei Prozessen in der chemischen Industrie oder in der Lebensmitteltechnologie, in denen Flüssigkeitsringmaschinen zu Erzeugung eines Unterdrucks oder zur Kompression von Prozeßgasen eingesetzt werden, ist neben dem beabsichtigten Transport des gasförmigen Fördermediums auch eine Mitförderung von zum Teil erheblichen Mengen einer Flüssigkeit unvermeidbar. Fällt jedoch saugseitig

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neben dem zu verdichtenden Gas ein sehr hoher Flüssigkeitsstrom an, so bildet sich im Arbeitsraum zunächst am Ende des Saugbereichs ein verstärkter Flüssigkeitsring aus, da die vergleichsweise schweren Flüssigkeitströpfchen durch Zentripetalkräfte radial nach außen zum Flüssigkeitsring beschleunigt werden. Im weiteren Verlauf der Drehbewegung des Rotors wird das Gas verdichtet und ausgestoßen. Wegen des im Vergleich zur reinen Gasförderung dickeren Flüssigkeitsringes legt sich dieser, in Rotationsrichtung gesehen, früher an die Laufradnabe an. Da die Flüssigkeit inkompressibel ist, kann sie bei weiterer Verringerung des zur Verfügung stehenden Raumes nur verdrängt werden, so daß Rückströmungen entgegen der Drehrichtung des Laufrades auftreten. Damit ist aber ein signifikanter Rückgang des Saugvermögens der Flüssigkeitsringmaschine verbunden. Kurzfristig nimmt daher die Dicke des Flüssigkeitsrings wieder ab, was zwar einerseits zu einer vorübergehenden Erhöhung des Saugvermögens führt, andererseits aber auch zu einer wieder ansteigenden Zufuhr an Flüssigkeit. Die Folge ist ein Schwanken des Flüssigkeitsringes und damit ein pulsierendes Saugverhalten. Der Strömungswiderstand wird größer, so daß der Flüssigkeitsringmaschine mehr Energie zugeführt werden muß. Aufgrund der insgesamt höheren Leistungsaufnahme besteht die Gefahr einer Überlastung des Aggregats. Die Überbeanspruchung und der damit einhergehende schnellere Verschleiß wichtiger Bauteile führt verglichen mit reiner Gasförderung zu deutlich kürzeren Standzeiten. Außerdem macht sich die Mitförderung von größeren Mengen einer Zusatzflüssigkeit insbesondere wegen des pulsierenden Betriebs und der mitunter einsetzenden Kavitation, durch eine deutlich erhöhte Lärmbelästigung bemerkbar.

Üblicherweise wird daher einer Flüssigkeitsringmaschine, die neben dem zu fördernden Gas eine größere Menge an Zusatzflüssigkeit mitfördern muß, ein sog. Flüssigkeitsabscheider mit eigtfener Austragspumpe vorgeschaltet. Ein solcher Abscheider ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 14 334 Al beschrieben.

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Dabei wird das zu fördernde Flüssigkeits-Gasgemisch vor dem Eintritt in den Saugstutzen der Flüssigkeitsringmaschine in einen Abseheideraum geleitet, wo im wesentlichen durch Gravitationswirkung eine Abtrennung der schwereren Flüssigkeitsteilchen vom Gas bewirkt wird. Es sind Vorabscheider bekannt, die entweder direkt am Saugstutzen der Flüssigkeitsringmaschine angeflanscht oder als separates Bauteil neben der Flüssigkeitsringmaschine montiert werden. Nachteilig an derartigen vorgeschalteten Flüssigkeitsabscheidern mit Austragspumpe ist jedoch, daß sie ein separates Aggregat darstellen, welches die Anlage komplizierter und störanfälliger macht und welches zudem relativ viel Platz beansprucht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Flüssigkeitsringmaschine anzugeben, die ohne die Vorschaltung zusätzlicher Aggregate, wie Flüssigkeitsabscheidern, eine verglichen mit herkömmlichen Flüssigkeitsringmaschinen größere Menge an Zusatzflüssigkeit mitfördern kann und dabei ein schwankungsfreies, stabiles Saugverhalten und einen laufruhigen Betrieb zeigt. Die Herstellungskosten der Maschine sollen dabei gegenüber der herkömmlichen Flüssigkeitsringmaschine nicht nennenswert erhöht sein, so daß die gleiche Pumpe sowohl in Anwendungsbereichen mit erhöhtem Anfall von Zusatzflüssigkeit als auch bei der reiner Gasförderung eingesetzt werden kann.

Gelöst wird dieses Problem durch die Bereitstellung einer Flüssigkeitsringmaschine gemäß vorliegendem Anspruch 1.

Erfindungsgemäß ist im Arbeitsraum wenigstens ein Flüssigkeitsauslaß zur Entnahme von während des Betriebs der Maschine anfallender zusätzlicher Flüssigkeit vorgesehen. Der Flüssigkeitsauslaß ist dabei so angeordnet, daß Flüssigkeit, die zusammen mit dem gasfömigen Fördermedium angesaugt wird, während des Betriebs der Maschine unabhängig von dem gasförmigen Fördermedium aus dem Arbeitsraum entnommen werden

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kann. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird auf einfache Weise erreicht, daß der Flüssigkeitsring stets die für den optimalen Betrieb erforderliche Dicke aufweist. Der Flüssigkeitsauslaß ist so angeordnet, daß nur Füssigkeit abgeleitet wird und die Förderung des Gases von der, falls erforderlich kontinuierlichen Flüssigkextsentnahme aus dem Flüssigkeitsring nicht beeinflußt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, ist der Flüssigkeitsauslaß in der Steuerscheibe vorgesehen.

Bevorzugt ist der Flüssigkeitsauslaß dabei im Bereich des vom Saugschlitz zum Druckschlitz führenden Arbeitsweg des Laufrades angeordnet. In radialer Richtung kann sich der Auslaß dabei in einer solchen Entfernung vom äußeren Rand des Arbeitsraumgehäuses befinden, die der maximal tolerierbaren Dicke des Flüssigkeitsrings entspricht. Der Auslaß kann jedoch auch näher zum Rand des Arbeitsraumgehäuses hin angeordnet sein, wobei man dann einen Verschluß für den Flüssigkeitsauslaß vorsehen wird, der beispielsweise von einem im Arbeitsraum angebrachten Flüssigkeitsniveauwächter gesteuert wird.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform ist der Flüssigkeitsauslaß in einem den Arbeitsraum umschließenden Außenwand des Gehäuses vorgesehen, beispielsweise in einem im wesentlichen zylindrischen Pumpenmittelkörper. Auch hier befindet sich der Auslaß vorteilhaft in dem, in Laufradrichtung gesehen, zwischen Saug- und Druckstutzen liegenden Winkelabschnitt des Gehäuses.

Zur Erzielung höherer Drücke ist vorteilhaft vorgesehen, daß der Flüssigkeitsauslaß im wesentlichen tangential aus dem Arbeitsraum austritt.

Gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung ist der Flüssigkeitsauslaß mit einem einfachen Absperr- oder Durchflußregelorgan versehen, beispielsweise mit einem Kugelhahn, dessen Öffnungsquerschnitt, abhängig von der

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anfallenden Zusatzflüssigkeitsmenge fest einstellbar und gegebenenfalls manuell nachregelbar ist. Diese Ausführungsform ist besonders dann vorteilhaft, wenn die anfallende Zusatzflüssigkeitsmenge bekannt und während der Laufzeit der Pumpe einigermaßen konstant ist.

Besonders bevorzugt ist der Flüssigkeitsauslaß jedoch durch ein automatisch regelbares Ventil verschließbar. Das Ventil kann beispielsweise über einen im Inneren des Arbeitsraumgehäuses befindlichen Flüssigkeitsniveauwächter gesteuert werden. Da der Druck im Flüssigkeitsring jedoch auch eine Funktion seiner Dicke ist, verwendet man als automatisches Ventil für den Flüssigkeitsauslaß besonders bevorzugt ein Druckregelventil. Damit wird gewährleistet, daß stets die optimale Dicke des Flüssigkeitsrings auch bei schwankendem Zusatzflüssigkeitsstrom automatisch beibehalten wird.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Flüssigkeitsentnahme zwischen Saug- und Druckstutzen im laufenden Betrieb verhindert ein frühzeitiges Anlegen des Flüssigkeitsrings an die Laufradnabe. Rückströmungen und die daraus resultierenden Instabilitäten des Saugvermögens werden weitestgehend vermieden und auch eine Überlastung des Aggregats tritt nicht auf. Die erfindungsgemäße Pumpe zeigt auch bei vergleichsweise hohem Flüssigkeitsanfall ein stabiles Saugverhalten, einen weitestgehend kavitationsfreien Betrieb und eine sehr geringe Lärmbelästigung.

Beim Anfall einer gewissen Mindestmenge von Zusatzflüssigkeit reicht diese aus, um die im Betrieb entstehende Verdichtungswärme abzuführen. In diesem Fall kann auf die Zuführung von frischer Betriebsflüssigkeit verzichtet werden, was den Energieverbrauch der Flüssigkeitsringmaschine reduziert. Bei einer automatisch arbeitenden Pumpe kann man dazu beispielsweise eine temperaturgeregelte Steuerung der Einlaßöffnung für frische Betriebsflüssigkeit vorsehen, so daß die Einlaßöffnung geschlossen wird, wenn die Temperatur des

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Flüssigkeitsrings allein aufgrund der Wärmeabfuhr durch die angesaugte und über den erfindungsgemäß vorgesehenen Flüssigkeitsauslaß abgeleitete Zusatzflüssigkeit unter einem bestimmten Grenzwert bleibt.
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Die erfindungsgemäße Pumpe ist besonders dann vorteilhaft einsetzbar, wenn es sich bei der Betriebsflüssigkeit und der anfallende Zusatzflüssigkeit um die gleichen Flüssigkeiten handelt, beispeilsweise, wenn es sich in beiden Fällen um Wasser handelt.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen ausführlicher beschrieben.
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In der Zeichung zeigt:

Figur 1 einen Schnitt senkrecht zur Wellenachse durch eine

erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen

0 Flüssigkeitsringmaschine mit einer im zylindrischen

Mittelkörper des Gehäuses vorgesehenen Austrittsöffnung für Zusatzflüssigkeit; und

Figur 2 einen der Figur 1 entsprechenden Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Flüssigkeitsringmaschine, wobei die Austrittsöffnung für Zusatzflüssigkeit in der Steuerscheibe vorgesehen ist.

Bezugnehmend auf Figur 1 erkennt man eine Flüssigkeitsringmaschine 10, die im vorliegenden Fall als Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe in Lagerbockausführung dargestellt ist. Die erfindungsgemäße Pumpe kann jedoch auch ohne weiteres als Blockpumpe ausgeführt sein. Die Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe 10 weist ein Gehäuse 11 mit einem im wesentlichen zylindrischen Mittelkörper 12 auf, der den Arbeitsraum 15 der Pumpe umgibt. Bei der dargestellten einstufigen Pumpe sind ein

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Saugstutzen 13 und ein Druckstutzen 14 an dem Gehäuse 11 vorgesehen, an welche Leitungen für das zu fördernde Gas angeflanscht werden können. In dem Arbeitsraum 15 ist eine exzentrisch gelagerte Welle 18 montiert, mit der ein Laufrad 16 drehfest verbunden ist. Das Laufrad 16 weist Flügel 17 auf und rotiert in der durch einen Pfeil angedeuteten Drehrichtung. Die in dem Arbeitsraum 15 befindliche Betriebsflüssigkeit, beispielsweise Wasser, bildet dabei einen Flüssigkeitsring 19, dessen innerer Rand mit 19a bezeichnet ist. Am antriebsfernen Ende ist der Arbeitsraum 15 der Pumpe durch eine Steuerscheibe 20 abgeschlossen, während die antriebszugewandte Seite des Arbeitsraumes 15 durch einen in der dargestellten Schnittzeichnung nicht sichtbaren Deckel verschlossen ist. Die zwischen den Flügeln 17 des Laufrades 16 und der Steuerscheibe 20 bzw. dem Deckel gebildeten Spalten, sollten möglichtst schmal ausfallen, um eine Überströmung zwischen den einzelnen Zellen zu verhindern. In der Steuerscheibe 20 sind ein Saugschlitz 21 und ein Druckschlitz 22 ausgespart. Der Saugschlitz 21 stellt eine kommunizierende Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 15 und dem Saugstutzen 13 her, während der Druckschlitz 22, der als ständig offener Schlitz und/oder als variabler Schlitz ausgebildet sein kann, eine entsprechende Verbindung des Arbeitsraums 15 mit dem Druckstutzen 14 schafft. Ebenfalls dargestellt ist eine von herkömmlichen Pumpen bekannte Einlaßöffnung 25, durch die frische Betriebsflüssigkeit dem Arbeitsraum 15 zugeführt werden kann. Die Pumpe kann auch einen an sich bekannten, nicht dargestellten Entleerungsstutzen aufweisen, mit dem die Betriebsflüssigkeit bei Stillstand der Pumpe beispielsweise zu Wartungs- und Reinigungszwecken vollständig entleert werden kann. Im Mittelkörper 12 der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe ist im Druckbereich des Arbeitsraums 15 eine Austrittsöffnung 23 vorgesehen, durch die im laufenden Betrieb Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum abgeleitet werden kann, welche mit dem zu 5 fördernden Gas über den Saugstutzen 13 angesaugt wurde. In der dargestellten Ausführungsform ist die Austrittsöffnung 23 durch ein druckgesteuertes Ventil 24 verschließbar, so daß je nach

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angesaugter Flüssigkeitsmenge so viel Flüssigkeit über die Austrittsöffnung 23 abgegeben wird, daß die Dicke des Flüssigkeitsrings 19 im wesentlichen konstant bleibt.

Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe, wobei der grundsätzliche Aufbau der Pumpe dem der in Figur 1 dargestellten Pumpe entspricht. Für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile werden in beiden Figuren die gleichen Bezugsziffern verwendet. Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform befindet sich die Austrittsöffnung 23 für das Zusatzwasser jedoch nicht im zylindrischen Mittelkörper 12 der Pumpe, sondern ist in der Steuerscheibe 20 vorgesehen.

In einer Vergleichsuntersuchung wurde eine herkömmliche Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe einer erfindungsgemäß modifizierten, ansonsten aber identischen Pumpe gegenübergestellt. Betriebsflüssigkeit und Zusatzflüssigkeit war Wasser. Die herkömmliche Pumpe war in der Lage, unter erheblicher Lärmbelästigung maximal 5 m³/h Zusatzwasser zu fördern. Demgegenüber lief die erfindungsgemäß modifizierte Pumpe auch bei einer Zusatzmenge von 7 m³/h sehr ruhig. Dies läßt auf einen verschleißarmen Betrieb schließen. Erst bei einer Zusatzwassermenge von 9 m³/h war eine etwas stärkere Geräuschentwicklung zu verzeichnen. Das Vakuum blieb aber auch bei dieser Betriebsweise stabil. Bei Zusatzwassermengen, die sowohl von der herkömmlichen Pumpe als auch von der erfindungsgemäß modifizierten Pumpe gefördert werden können, zeigten beide Pumpen im wesentlichen gleiches Saugvermögen.

0 Jedoch war der Leistungsbedarf der erfindungsgemäßen Pumpe bis zu 40 % geringer als der der herkömmlichen Pumpe.

2202/e

Claims

Speck Pumpenfabrik 10 M/38220 Schutzansprüche

1. Flüssigkeitsringmaschine (10) zum Fördern eines gasförmigen Fluids, mit einem Gehäuse (11), Druck- und Saugstutzen (13,14), mindestens einem Arbeitsraum (15), einem Laufrad (16) und einer zwischen dem Arbeitsraum (15) und den Druck- bzw. Saugstutzen (13,14) angeordneten Steuerscheibe (20),

dadurch gekennzeichnet/ daß der Arbeitsraum (15) wenigstens einen Flüssigkeitsauslaß (23) zur Entnahme von während des Betriebs der Maschine

(10) anfallender zusätzlicher Flüssigkeit aufweist.

2. Flüssigkeitsringmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsauslaß (23) in der Steuerscheibe (20) vorgesehen ist.

3. Flüssigkeitsringmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsauslaß (23) in einer Außenwand (12) des Arbeitsraums (15) vorgesehen ist.

4. Flüssigkeitsringmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsauslaß (23) im wesentlichen tangential aus dem Arbeitsraum (15) austritt.

5. Flüssigkeitsringmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsauslaß (23) durch ein regelbares Ventil (24) verschließbar ist.

6. Flüssigkeitsringmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (24) ein Druckregelventil ist.

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7. Flüssigkeitsringmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsauslaß (23) in dem Winkelabschnitt des Arbeitsraums (15) angeordnet ist, der den Arbeitsweg zwischen dem Saugstutzen (13) und dem Druckstutzen (14) beschreibt.