DE3828512C2

DE3828512C2 -

Info

Publication number: DE3828512C2
Application number: DE3828512A
Authority: DE
Inventors: Niels Due Jensen; Joergen Bjerringbro Dk Christensen
Original assignee: Grundfos International AS
Current assignee: Grundfos AS
Priority date: 1988-08-23
Filing date: 1988-08-23
Publication date: 1990-06-07
Also published as: EP0355781A2; JPH0275794A; DE3828512A1; EP0355781A3; US4930996A

Description

Die Erfindung betrifft ein Tauchpumpenaggregat gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Tauchpumpenaggregate sind Maschinensätze, die zeitweise oder ständig in einer zu fördernden Flüssigkeit liegen. Beim Ein bau in Bohrbrunnen und bei der Förderung von Wasser werden sie auch Unterwassermotorpumpen genannt. Auf dem letztgenannten Gebiet ist der Einsatz der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft.

Unterwassermotorpumpen im Leistungsbereich von bis zu 10 kW sind heute Massenprodukte, die beispielsweise im Wasserver sorgungsbereich eingesetzt werden. Grundsätzlich sind die Hersteller derartiger Pumpen bestrebt, die Herstellungskosten der Aggregate zu senken. Hierzu bieten sich die beiden folgenden Möglichkeiten an:

Denkbar ist die Vereinfachung der Konstruktion der üblichen Pumpen beispielsweise durch Eingießen des Stators in Kunst stoff, wie dies beispielsweise aus der US-PS 45 46 130 bekannt ist.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, Pumpenaggregate mit einem integrierten Frequenzumrichter zu bauen, welche dann mit einer höheren Drehzahl betrieben werden, um ihre hydraulische Leistung zu steigern. Ein derartiges Pumpenaggregat ist beispielsweise aus der DE-OS 36 42 727 bekannt.

Der zweiten aufgeführten Möglichkeiten ist der Vorzug zu geben, wie dies anhand der bekannten Modellgesetze erläutert wird.

Bekanntlich gelten die folgenden Beziehungen:

Q∼n · D³
H∼n² · D²
P∼n³ · D⁵,

wobei Q für den Förderstrom, H für die Förderhöhe, P für die elektrische Leistung, n für die Drehzahl des Aggregates und D für den Laufraddruchmesser steht.

Bei gleicher Leistung ist es durch Steigern der Drehzahl möglich, den Durchmesser des Pumpenaggregates und/oder die Anzahl der Pumpenstufen zu reduzieren. Im übrigen lassen sich hierdurch auch die Installationskosten senken, denn die Kosten eines beispielsweise für die Trinkwasserversorgung anzulegenden Brunnens hängen entscheidend von dem Brunnendurchmesser ab.

Unabhängig von den aufgezeigten beiden Wegen zur Kosten senkung ergeben sich für das Aggregat gleiche Probleme, nämlich hinsichtlich seiner Kühlung. In der Praxis bereitet es Schwierigkeiten, die in dem Motor des Aggregates entstehende Verlustwärme abzuführen. Diese Schwierigkeiten resultieren im ersten Fall aus der Wärmeisolierung des Kunststoffvergusses. Im zweiten Fall sind sie eine direkte Folge einer Verminderung der Wärme abgebenden Oberfläche und einer zusätzlichen Belastung durch Stromwärmeverluste des im Motor des Aggregates integrierten Frequenzumrichters.

Eine interessante Möglichkeit, Verlustwärme eines Motors bei einer Unterwasser-Motor-Pumpeneinheit abzuführen, ist in der gattungsgemäßen DE-PS 29 37 430 aufgezeigt worden. Demgemäß ist vorgeschlagen worden, das Kühlmittel für den Motor in einem unter diesen befindlichen Speicher zu fördern, in welchen sogenannte Wärmeübertragungsröhren mit ihrem einen Abschnitt ragen. Deren andere Abschnitte stehen in Kontakt mit der im Bohr loch befindlichen Förderflüssigkeit. Die Wärmeübertragungs rohre enthalten ein flüchtiges Wärmeübertragungsmittel. Unter Phasenwechsel dieses Mittels wird aus dem Speicher auf genommene Wärme an die Förderflüssigkeit abgegeben. Es ist demnach ein sogenanntes Heat-Pipe-System ausgebildet. Wenn dieser Vorschlag auch erhebliche Vorteile gegenüber bisherigen Kühlsystemen aufweist, so zeigen Berechnungen, das die Leistung des stationären Heat-Pipe-Systems nicht ausreichen wird für die Abfuhr von Verlustwärme des Motors, insbesondere bei hohen oder höchsten Drehzahlen.

Vor dem aufgezeigten Hintergrund liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Tauchpumpen aggregat so weiterzubilden, daß die Effizienz des Wärme abtransports von den Verlustwärmequellen des Aggregates erheblich erhöht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Tauchpumpenaggregat mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Grundsätzlich kann eine Heat-Pipe als hocheffizientes Wärmeabfuhrsystem angesehen werden, da sowohl durch Stoff bewegung als auch durch Phasenwechsel Wärme von der heißen Wand eines umschlossenen Raumes zu kälteren Wandflächen transportiert wird. Im vorliegenden Fall ist die Welle jedoch als eine rotierende Heat-Pipe ausgebildet, bei der sich andere Verhältnisse einstellen als bei einer ruhenden Heat-Pipe. Auf diese Verhältnisse wird im einzelnen weiter unten näher eingegangen. In jedem Falle ist der Wärme transport der Verlustwärme aus dem Motor und/oder Frequenzumrichter durch die rotierende Heat-Pipe hinreichend groß. Hierzu ist die Welle als verschließbare Hohlwelle ausgebildet, welche zum Teil mit einem verdampfbaren Fluid gefüllt ist. Die Ausbildung der gemeinsamen Welle des Motors und der Pumpe als Hohlwelle ist an sich zwar grund sätzlich bekannt aus der DE-PS 6 14 536. Dort ist die Welle allerdings als eine offene Hohlwelle gestaltet, mit der dementsprechend keine Heat-Pipe ausgebildet werden kann.

Besonders vorteilhaft ist die vorgeschlagene Lösung dann, wenn als Fluid in der Hohlwelle für den Wärmetransport aufgrund der großen Verdampfungswärme, die der Konden sationswärme entspricht, Wasser verwendet wird.

Im Bereich tieferer Temperaturen kann es jedoch zweckmäßig sein, als Fluid in der Hohlwelle einen Kohlenwasserstoff mit einer gegenüber der Dampfdruckkurve von Wasser höher liegenden Dampfdruckkurve zu verwenden.

Um bei der rotierenden Heat-Pipe die Sicherheit zu erhöhen, daß im Bereich der Wärmequelle stets Flüssigkeit vorhanden ist, deren Verdampfung schließlich die Kühlung bewirken soll, ist es vorteilhaft, den Innendurchmesser der Welle im Bereich der Wärmequelle größer als im Bereich der Wärmesenke auszubilden.

Bei einer liegenden Montage des Pumpenaggregates und/oder niedriger Drehzahl ist es vorteilhaft, die Hohlwelle mit einer saugfähigen Innenauskleidung zu versehen, um das Fluid von der Wärmesenke mit großer Sicherheit zur Wärmequelle zu leiten.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Tauchpumpen aggregat im Ruhezustand, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veran schaulichung der Vorgänge in einer rotierenden Heat-Pipe.

Das Tauchpumpenaggregat gemäß Fig. 1 besteht aus einem Naß läufer-Motor 2, dem Pumpenkörper 3 sowie dem Frequenzumrichter 1. Diese drei Bestandteile sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen gemeinsamen Mantel 4 zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt. Mit dem Innenumfang des Mantels 4 ist ein Spalt rohrtopf 5 flüssigkeitsdicht und druckfest verbunden, so daß der Stator 6 des Motors 2 und der Frequenzumrichter 1 in einem trockenen Raum 6 a liegen. Aus Stabilitätsgründen kann dieser Raum 6 a mit einem Mineral-Kunststoffgemisch ausgefüllt oder mit einem Kunststoff ausgeschäumt sein.

Die für den Motor und die Pumpe gemeinsame Welle 7 trägt den im Spaltrohrtopf 5 befindlichen Rotor 8 und wird in den Lagern 9, 10 radial und axial festgelegt. Durch eine Lagerplatte 11 mit der Dichtung 12 ist der mit Flüssigkeit gefüllte Rotorraum 13 zum Pumpenkörper 3 hin abgeschlossen.

Die Pumpe saugt die zu fördernde Flüssigkeit durch die Schlitze 14 im Mantel 4 an. Die Flüssigkeit durchströmt nacheinander die Pumpenstufen 15 und wird durch den Druckstutzen 16 zum Verbraucher gedrückt.

Erfindungsgemäß ist die Welle 7 als durch einen Verschluß 18 verschließbare Hohlwelle ausgebildet, die zum Teil mit einem Fluid 17 gefüllt ist, wie dies in Fig. 1 andeutungsweise dar gestellt ist. Vor der Inbetriebnahme des Pumpenaggregates ist der Verschluß 18 zu entfernen und das Fluid 17 in die Hohl welle 7 zu füllen. Danach ist die in der Hohlwelle verbleibende Luft weitgehend zu entfernen und der Hohlraum in der Welle durch den Verschluß 18 flüssigkeits- und luftdicht abzu schließen. Die so präparierte Welle bildet mit dem Fluid 17 in ihrem Hohlraum ein Heat-Pipe-System zum Abtransport von Verlustwärme aus dem Rotorraum 13 des Motors 2.

Im Betrieb des Pumpenaggregates wird der überwiegende Teil der im Motor 2 und im Frequenzumrichter 1 entsprechenden Ver lustwärme in den Rotorraum 13 fließen und die Temperatur des in der Hohlwelle 7 befindlichen Fluids 17 im Bereich des Wellenabschnittes 7 a erhöhen. Dadurch verdampft ein Teil des Fluids und gelangt in den Wellenabschnitt 7 b im Bereich des Pumpenkörpers 3. Aufgrund der Lage des Wellenabschnittes 7 b im Pumpenkörper 3 kann dieser Wellenabschnitt 7 b die Wärme an das Fördermedium abgeben. Der im Rotorraum 13 befindliche Wellenabschnitt 7 a bildet also die Wärmequelle und Wellen abschnitt 7 b die Wärmesenke der Heat-Pipe.

Anhand der Fig. 2 werden die Verhältnisse in der rotierenden Heat-Pipe erläutert. Vor Inbetriebnahme ist die Hohlwelle 7 - wie bereits erwähnt - etwa bis zu der Linie A-A mit einem Fluid gefüllt worden, wonach die im Hohlraum verbleibende Luft weitgehend entfernt worden ist und der Hohlraum mittels eines Verschlusses 18 flüssigkeits- und luftdicht verschlossen wurde.

Im Betrieb des Aggregates, das heißt also bei der Rotation der Hohlwelle 7, stellt sich die Oberfläche des Fluids stets senkrecht zu dem auf sie wirkenden Kraftfeld ein. Dabei wirken die folgenden Kräfte auf ein in der Oberfläche des Fluids liegendes Flüssigkeitsteilchen ein:

die Fliehkraft F _F∼r · ω²,
die Schwerkraft F _s∼g,
die Widerstandskraft F _w∼c²,

wobei r der Abstand der Fluidoberfläche von der Drehachse, ω die Winkelgeschwindigkeit, g die Erdbeschleunigung und c die Dampfgeschwindigkeit im betrachteten Querschnitt bedeutet. Die Resultierende aus diesen drei Kräften ist mit R bezeichnet, zu der im betreffenden Punkt die Fluidober fläche senkrecht steht. Insgesamt wird sich die Oberflächen form einem Parabelabschnitt annähern.

Im Bereich des Motorraumes wird dem Wellenabschnitt 7 a Wärme zugeführt, wodurch ein Teil des Fluids verdampft und in den kühleren Wellenabschnitt 7 b strömt, wo der Dampf schließlich kondensiert. Das Kondensat fließt daraufhin aufgrund des Kraftfeldes zum Wellenabschnitt 7 a zurück.

Die Wahl des Fluids 17 in der Hohlwelle 7 hängt ab von den absoluten Temperaturen. Soweit die Temperaturen es zulassen, ist der Einsatz von Wasser besonders einfach und kostengünstig. Im Bereich tieferer Temperaturen kann es jedoch zweckmäßig sein, einen Kohlenwasserstoff als Fluid zu verwenden. Der Einsatz eines Kohlenwasserstoffes hat gegenüber dem Einsatz von Wasser den Vorteil, daß die Entgasung des Fluids wesentlich einfacher zu handhaben ist. In jedem Fall ist darauf zu achten, daß der Druck in der Hohlwelle 7 annähernd dem zur Temperatur des jeweils verwendeten Fluids gehörenden Dampfdruck entspricht.

In Abweichung vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann es darüber hinaus vorteilhaft sein, daß der Innendurchmesser der Hohlwelle 7 im Motorraum größer ist als im Pumpenbereich. Dadurch wird sichergestellt, daß immer ein Flüssigkeits vorrat im Bereich der Wärmequelle für den Abtransport der Verlustwärme zur Verfügung steht, und zwar selbst bei sehr hohen Drehzahlen und/oder einem hohen Temperaturniveau.

Wenn das Pumpenaggregat nicht vertikal eingesetzt werden soll, sollte in der Hohlwelle 7 eine saugfähige Innenaus kleidung (nicht dargestellt) vorgesehen werden. Durch die Kapillarwirkung dieser Innenauskleidung wird bei einer horizontalen oder schrägen Betriebslage des Pumpenaggregates dafür Sorge getragen, daß stets Fluid 17 im Bereich der Wärmequelle zur Verdampfung bereitsteht.

Claims

1. Tauchpumpenaggregat mit einer Pumpe und einem die Pumpe antreibenden Naßläufer-Motor und mit einer gemeinsamen Welle für den Motor und die Pumpe, bei dem im Motor erzeugte Verlustwärme mittels eines Heat-Pipe-Systems an die zu fördernde Flüssigkeit abführbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß das Heat-Pipe-System aus der als verschließ bare Hohlwelle ausgebildeten Welle (7), welche zum Teil mit einem Fluid (17) gefüllt ist, gebildet ist, welches zum Abtransport von Verlustwärme aus dem Rotorraum (13) des Motors (2) in die Wärmesenke der durch die Pumpe (3) zu fördernden Flüssigkeit dient.

2. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (17) in der Hohlwelle (7) Wasser ist und daß der Druck in der Hohlwelle (7) annähernd dem zur Temperatur des Wassers gehörenden Dampfdruck entspricht.

3. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (17) in der Hohlwelle (7) ein Kohlenwasser stoff ist und der Druck in der Hohlwelle (17) annähernd dem zur Temperatur des Kohlenwasserstoffes gehörenden Dampfdruck entspricht.

4. Tauchpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Hohlwelle (7) im Bereich der Wärmequelle größer als im Bereich der Wärme senke ist.

5. Tauchpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (7) mit einer saugfähigen Innenauskleidung versehen ist.