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Verfahren zur Förderung eines Fluids und hermetisch
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gekapseltes Pumpen-Motor-Aggregat zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Förderung eines Fluids innerhalb einer
Absorptions-Wärmepumpe oder Absorptions-Kälteanlage mit einem hermetisch gekapselten
Pumpen-Motor-Aggregat, sowie ein hermetisch gekapseltes Pumpen-Motor-Aggregat zur
Durchführung des Verfahrens.
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Bei einer Absorptions-Wärmepumpe oder Absorptions-Kälteanlage wird
ein kältemittelreiches Lösungsmittel von einer Pumpe gefördert und im Kreislauf
geführt. Das schwersiedende Lösungsmittel wird von dem leichtersiedenden Kältemittel
abgetrennt, das nach Kondensation bei hoher und anschließender Verdampfung bei tiefer
Temperatur vom Lösungsmittel absorbiert und der Pumpe erneut zugeführt wird.
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Zur Förderung des Fluids, das aus einem Kältemittel-Lösungsmittel-Gemisch
besteht, werden hermetisch gekapselte Pumpen-Motor-Aggregate verwendet. Da das Kältemittel
in der Regel aggressive oder giftige Bestandteile enthält, sind Pumpe und Motor
als eine Einheit ausgeführt, die in einer hermetisch abgeschlossenen Kapsel angeordnet
ist. Das aus dem Absorber angesaugte Fluid befindet sich nahezu im Siedezustand.
Das
Fluid beginnt bereits bei relativ geringfügigen Temperaturschwankungen
an der Saugseite der Pumpe zu sieden. Dabei findet Dampfbildung statt und es kommt
zu unerwünschten Kavitationserscheinungen, die die Förderung des Fluids unter Umständen
unterbinden. Daneben treten störende Geräuse auf, sowie Schwingungen, die zu einer
mechanischen Belastung, insbesondere der Lager, führen. Die Kavitation kann durch
Vergrößerung der Zulaufhöhe vom Absorber zur Pumpe verhindert werden. In vielen
Anwendungsfällen, etwa bei Wärmepumpen-Heizanlagen für Ein- und Zweifamilienhäuser,
oder in Kompaktkälteanlagen, in denen es auf geringe räumliche Ausdehnung ankommt,
ist dies aus Platzgründen jedoch nicht möglich.
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Dann muß unter zusätzlichem Energieaufwand das Fluid unterkühlt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art zu entwickeln, mit dem auch bei geringen Zulaufhöhen auf
energetisch günstige Weise Kavitation verringert und eine störungsfreie Förderung
erreicht werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Druck des
Fluids an der Saugseite der Pumpe erhöht wird.
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Gemäß der Erfindung wird der Fluiddruck durch eine Vorpumpe so weit
erhöht, daß in der Saugkammer der Pumpe zur Förderung des Fluids bei der dort herrschenden
Temperatur ein Unterkühlungseffekt eintritt, der zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen
ausreicht. Der Druck der in der Saugkammer eingestellt wird, ist dabei unabhängig
von der Zulaufhöhe des Fluids.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nicht mehr, oder zumindest
nur mehr in sehr viel geringem Maß erforderlich, das Fluid vor seinem Eintritt in
die Pumpe zu unterkühlen, so daß Energie eingespart wird. Kavitation
in
der Pumpe wird dennoch sicher verhinert.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Fluid durch den Rotor des Motors verdichtet und über diesen der Pumpe zugeführt.
Bei dieser Verfahrensweise läßt sich die Druckerhöhung besonders platzsparend verwirklichen.
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Als zusätzliche Maßnahme zur Lösung der gestellten Aufgabe wird in
weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes vorgeschlagen, daß ein Teilstrom
des Fluids aus der Saugkammer der Pumpe abgezweigt, gekühlt und dem zu fördernden
Fluid erneut zugemischt wird.
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Mit dieser Verfahrensweise wird Verlustwärme, die am Motor auftritt,
abgeführt und damit eine zu starke Temperaturerhöhung in der Saugkammer der Pumpe,
die zu Kavitation führen könnte, verhindert. In dem speziellen Fall, in dem der
Rotor des Pumpen-Motor-Aggregats als Vorpumpe ausgebildet ist, wird insbesondere
die am Wellenlager des Rotors auftretende Reibungswärme und die Verlustwärme am
Rotor abgeführt.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der abgezweigte Teilstrom zur Kühlung und erneuten Zusmischung auf die Oberfläche
eines in einem Absorber enthaltenen Kühlers aufgegeben. Der Teilstrom kühlt sich
beim Herabf ließen über die Kühlerflächen des in dem Absorber der Absorptions-Wärmepumpenanlage
oder Absorptions-Kälteanlage enthaltenen Kühlers ab und ist bereits kalt, wenn er
sich mit dem restlichen, im Sumpf des Absorbers befindlichen Fluid vermischt. Auf
indirekte Weise wird somit die Verlustwärme der Vorpumpe an das Kühlmittel für den
Absorber abgegeben. Bei einer Wärmepumpen-Heizanlage, bei der der Absorber durch
das Heizfluid gekühlt wird,
kommt die Wärme direkt der Heizleistung
zugute.
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Es erweist sich als günstig, wenn gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens der abgezweigte Teilstrom dosierbar ist.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich ein
hermetisch gekapseltes Pumpen-Motor-Aggregat, das dadurch gekennzeichnet, ist, daß
der Rotor des Motors Einrichtungen zur Drucksteigerung aufweist, deren Saugseite
mit einer Flüssigkeitszuführung in die Kapsel und deren Druckseite mit der Saugkammer
der Pumpe in Verbindung stehen.
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Gemäß der gegenständlichen Ausbildung des Erfindungsgedankens ist
der Rotor als Vorpumpe ausgebildet. Ohne zusätzliche Aggregate, und damit besonders
platzsparend, wird mit dieser Bauweise der Druck des Fluids in der Saugkammer der
Pumpe erhöht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pumpen-Motor-Aggregats
weist der Rotor ein schaufelradartiges Laufrad an seiner der Pumpe abgewandten Stirnfläche,
sowie die beiden Stirnflächen des Rotors miteinander verbindliche Strömungskanäle
auf. Das Schaufelrad fördert das Fluid über die Strömungskanäle im Rotor in die
Saugkammer der Pumpe, wodurch sich dort der Fluiddruck erhöht.
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Eine zusätzliche Druckerhöhung in der Saugkammer läßt sich dadurch
erreichen, daß bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pumpen-Motor-Aggregats
die Strömungskanäle als schräg zur Rotorachse verlaufende Bohrungen ausgeführt sind.
Dabei ist es einerseits denkbar, daß der radiale Abstand der Bohrungen zur Pumpe
hin zunimmt. Bei dieser Bauform wird die Zentrifugalkraft, die auf das in den Bohrungen
im Rotor befindliche Fluid wirkt, zur Druckerhöhung ausgenutzt.
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Andererseits ist es denkbar, daß die Bohrungen windschief zur Rotorachse
verlaufen, wobei der Entritt der Bohrungen gegenüber dem Austritt in Strömungsrichtung
gesehen entgegen der Drehrichtung des Rotors versetzt angeordnet ist.
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Schließlich ist auch noch eine Kombination dieser beiden Ausführungsformen
denkbar. In allen Fällen wird durch die besondere Anordnung der Bohrungen eine Drucksteigerung
in der Saugkammer erreicht.
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Weitere Maßnahmen, mit denen Kavitation verhindert wird, sind gemäß
vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens Einrichtungen zum
Verhindern einer Rotationsbewegung des Fluides, die in einer Zulauf leitung zu dem
Pumpen-Motor-Aggregat vorgesehen sind, oder eine als Diffusor ausgebildete Zulauf
leitung zu dem Pumpen-Motor-Aggregat.
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Es wurde gefunde, daß eine Rotation des dem Pumpen-Motor-Aggregat
zulaufenden Fluids das Auftreten von Kavitation verstärkt. Mit geeigneten Maßnahmen,
beispielsweise durch Leitflächen, die sich in Hauptströmungsrichtung des Fluids
erstrecken, wird die Rotationsbewegung des Fluids verhindert und damit die Kavitationsneigung
gesenkt.
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Die Kavitationsneigung wird auch dadurch geringer, daß in der Zulauf
leitung, in Strömungsrichtung gesehen, eine Querschnittserweiterung vorgesehen ist.
Diese Ausbildung wird mit "Diffusor" bezeichnet.
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Durch die vorstehend beschriebenen Hilfsmaßnahmen braucht das Fluid
noch weniger unterkühlt und/oder der Druck in der Saugkammer nicht so stark erhöht
zu werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Pumpen-Motor-Aggregats
weist die Saugkammer der Pumpe eine Abführungsöffnung auf. Uber diese Öffnung wird
ein Teil des zu fördernden Fluids abgezweigt. Vorzugsweise befindet sich die Öffnung
an der Oberseite der Saugkammer, damit Dampfblasen, die gegebenenfalls bei der Erwärmung
des Fluids bei seinem Durchtritt durch den Rotor entstehen, entweichen können.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pumpen-Motor-Aggregats
umfaßt eine Radialkolbenpumpe und einen Spaltrohr-Motor oder einen Einbaumotor,
die eine gemeinsame Welle aufweisen. Der Einbaumotor ist vorzugsweise mit einer
gegen das geförderte Fluid beständigen Beschichtung oder Vergußmasse versehen.
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Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand
von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Hierbei zeigen: Figur 1 eine Ausführungsform eines hermetisch gekapselten
Pumpen-Motor-Aggregats gemäß der Erfindung im Querschnitt.
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Figur 2 Die Stirnfläche eines Rotors in Draufsicht.
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Firug 3 Einen Schnitt entlang der Linie III-III, Fig. .4, 5 Verschiedene
Ausführungsformen für die Zulaufleitung zum Pumpen-Motor-Aggregat im Querschnitt.
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Figur 6 Eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem
erfindungsgemäßen Motor-Pumpen-Aggregat und dem Absorber.
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Das Pumpen-Motor-Aggregat gemäß Figur 1 umfaßt eine Radialkolbenpumpe
1 und einen Einbaumotor 2, die auf einer gemeinsamen Welle 3 laufen. Pumpengehäuse
4 und Motorgehäuse 5 bilden eine allseitig abgedichtete Kapsel. Der Einbaumotor
2 umfaßt einen Stator 6 und einen Rotor 7. Der Stator 6 ist
mit
einem gegen das geförderte Fluid unempfindlichen Material vergossen, z.B. Epoxydharz.
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Anstelle eines Einbaumotors könnte auch ein Spaltrohrmotor verwendet
werden, wobei in diesem Fall zwischen Stator und Rotor ein Spaltrohr aus nichtmagnetisierbarem
Material angeordnet ist. Das Spaltrohr ist mit dem Gehäuse der Pumpe zu einer allseitig
abgedichteten Kapsel verbunden.
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Erfindungsgemäß weist der Rotor 7 an seiner der Pumpe 1 abgewandten
Stirnfläche ein schaufelradartiges Laufrad 10, sowie Bohrungen 11 auf, die den Rotor
in im wesentlichen axialer Richtung durchdringen. In der gezeigten Darstellung verlaufen
die Bohrungen 11 windschief zur Achse, wobei die Eintrittsöffnungen der Bohrungen
11 an der der Pumpe 1 abgewandten Stirnfläche des Rotors 7 zu den Austrittsöffnungen
der Bohrungen 11 entgegen der Drehrichtung des Rotors 7 versetzt liegen. Die Bohrungen
11 verbinden eine Kammer 8, die mit einem Sauganschluß 9 in Verbindung steht, mit
der Saugkammer 12 der Pumpe 1.
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Die Pumpe 1 weist beispielsweise über ihren Umfang drei Arbeitszylinder
auf, die auf einem gemeinsamen Druckanschluß 13 arbeiten. Auf die Wirkungsweise
und Details der Radialkolbenpumpe wird in diesem Zusammenhang nicht näher eingegangen.
An der Oberseite der Saugkammer 12 befindet sich eine Abführungsöffnung 14, über
die ein Teilstrom des zu fördernden Fluids abgezweigt wird.
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Beim Betrieb der Absorptions-Wärmepumpe oder Absorptions-Kälteanlage
wird aus dem Absorber ein Fluid entnommen, beispielsweise ein Ammoniak-Wasser-Gemisch,
das sich knapp unterhalb des Siedepunktes befindet. Dieses Fluid gelangt über eine
Zulauf leitung zum Sauganschluß 9. Der Fluiddruck am Sauganschluß 9 ist durch die
Zulaufhöhe vom Absorber be-
stimmt. Der Druck würde bei Kompaktanlagen,
bei denen aufgrund der erforderlichen geringen geometrischen Abmessungen oft nur
Zulaufhöhen von etwa 20 bis 25 cm zur Verfügung stehen, in den meisten Fällen nicht
ausreichen, um Kavitation in der Saugkammer 12 der Pumpe 1 zu verhindern. Dies trifft
insbesondere bei kleinen Anlagen zu, bei denen die Fördermenge nur in der Größenordnung
von etwa 120 bis 300 l/h liegt.
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Erfindungsgemäß wird daher der Fluiddruck in der Saugkammer 12 soweit
erhöht, daß bei den auftretenden Druck- und Temperaturschwankungen keine Kavitation
auftritt. Zu diesem Zweck ist der Rotor 7 als Vorpumpe ausgebildet.
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Vom Saugventil 9 gelangt das Fluid zunächst in Berührung mit einem
Lager 15 für die Welle 3. Dadurch wird einerseits Reibungswärme von dem Lager 15
abgeführt und andererseits das Lager 15 geschmiert. Über eine Zuführung 16 gelangt
das Fluid in die Kammer 8, die vollständig mit Fluid gefüllt ist. Durch die Drehung
des Rotors fördert das schaufelradartige Laufrad 10, das am Rotor befestigt ist,
das Fluid über die Bohrungen 11 in die Saugkammer 12 der Pumpe 1. Das schaufelradartige
Laufrad 10 sowie die entgegen der Drehrichtung des Rotors windschief angeordneten
Bohrungen 11 bewirken eine Druckerhöhung in der Saugkammer 12. Die Druckerhöhung
liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,1 bis 1 bar, vorzugsweise bei etwa
0,5 bar.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß alternativ oder zusätzlich
zu der windschiefen Anordnung der Bohrungen 11 der radiale Abstand der Bohrungen
von der Rotorachse zur Pumpe hin vergrößert werden kann. Aufgrund der zur Pumpe
hin zunehmenden Zentrifugalkraft auf das in den Bohrungen 11 befindliche Fluid wird
dadurch ebenfalls eine Förderung von Fluid in die Saugkammer 12 und damit eine Druckerhöhung
erreicht.
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Um die Reibungswärme des Lagers 15 sowie die am Rotor 7 entstehende
Verlustwärme abzuführen, wird ein Teilstrom von dem Fluid über die Abführungsöffnung
14 aus der Saugkammer 12 abgezweigt. Zweckmäßigerweise ist der Teilstrom durch eine
geeignete Dosiereinrichtung regulierbar. Durch die Anordnung der Abführungsöffnung
14 an der Oberseite der Saugkammer 12 werden Gasbläschen, die sich eventuell durch
die Wärmeaufnahme am Motor in dem Fluid bilden, abgeführt, ohne in der Pumpe Kavitatior
zu verursachen.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen in Draufsicht und im Schnitt das an der
Stirnfläche des Rotors 7 befestigte schaufelradartige Laufrad 10. Hinter jeder Schaufel
17 des Laufrades 10 ist eine Bohrung 11 angebracht, die den Rotor 7 durchdringt.
Die Bohrungen 11 verlaufen schräg zur Drehachse des Rotors 7, wobei die Eintrittsöffnungen
zu den Austrittsöffnungen gegen die durch einen Pfeil 18 angedeutete Drehrichtung
des Rotors 7 versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise tragen bei Drehung des Rotors
7 auch die Bohrungen 11 zur Fluidförderung und zur Drucksteigerung in der Saugkammer
bei. Alternativ oder zusätzlich kann der radiale Abstand der Bohrungen zur Saugkammer
der Pumpe hin vergrößert werden.
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Die Figuren 4 und 5 zeigen besondere Anordnungen in der Zulauf leitung
18 vom Absorber der Absorptions-Wärmepumpe oder Absorptions-Kälteanlage zu dem Pumpen-Motor-Aggregat
23, durch die die Kavitationsneigung in dem Fluid herabgesetzt wird.
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Gemäß Figur 4 weist die Zulaufleitung 18, in Strömungsrichtung gesehen,
eine Querschnittserweiterung auf. Der Öffnungswinkel der Erweiterung beträgt unter
100.
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Zusätzlich oder alternativ zu dieser Anordnung sind in der
Zulaufleitung
18 gemäß Figur 5 Einrichtungen vorgesehen, die eine Rotation des Fluids um seine
Hauptströmungsrichtung verhindern. Hierbei handelt es sich um Leitflächen 20, die
sich längs der Hauptströmungsrichtung erstrecken.
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Die Leitflächen 20 sind in einer trichterförmigen Erweiterung 21 der
Zulaufleitung 19 am Ausfluß des Absorbers 22 angeordnet.
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Figur 6 zeigt schematisch die Verknüpfung des Absorbers 22 einer Absorptions-Wärmepumpe
oder Absorptions-Kälteanlage mit dem Pumpen-Motor-Aggregat 23. Im Absorber 22 wird
ein gasförmiges Kältemittel 24, z.B. Ammoniak, von einem flüssigen Lösungsmittel
25, z.B. Wasser, absorbiert. Die Absorptionswärme wird von einem in dem Absorber
22 angeordneten Kühler 26, der beispielsweise bei einer Wårmepumpen-Heiz-anlage
von dem Heizfluid 27 durchströmt ist, abgeführt.
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Im Sumpf des Absorbers 22 sammelt sich ein kältemittelreiches Lösungsmittel,
das sich knapp unterhalb seines Siedepunktes befindet. Dieses Fluid wird von dem
Pumpen-Motor-Aggregat 23 gefördert und den nachfolgenden Einrichtungen der Absorptions-Wärmepumpe
oder Absorptions-Kälteanlage zugeführt (Pfeil 28). Erfindungsgemäß wird der Druck
auf der Saugseite der Pumpe durch eine Vorpumpe erhöht. Ein Teilstrom 29 des Fluids
wird aus dem Saugraum der Pumpe abgezweigt, gekühlt und dem zu fördernden Fluid
erneut zugemischt.
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Bei dem gezeigten Beispiel wird der Teilstrom 26 mit dem Lösungsmittel
25 vermischt und zusammen mit diesem auf den Kühler 26 aufgegeben. Dort kühlt er
sich ab und vermischt sich mit dem zu fördernden Fluid im Sumpf des Absorbers 22.
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