DE69734411T2

DE69734411T2 - Leistungsanlage zur Unterwasserbenutzung

Info

Publication number: DE69734411T2
Application number: DE69734411T
Authority: DE
Inventors: Graham Tolhurst Broughton Astley Baynes; Christopher Rothley Rodwell
Original assignee: Alstom UK Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion UK Ltd
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1997-09-11
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2017-09-12
Also published as: GB2342713B; NO991503D0; NO20071021L; NO335952B1; DE69734411D1; US6145584A; EP1310759B1; NO991503L; EP0928491A2; EP0928491B1; NO323663B1; WO1998013838A2; DE69727484T2; EP1310759A1; BR9711549A; WO1998013838A3; GB9620252D0; GB2317686B; BR9711549B1; DE69727484D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsanlage zur Nutzung unter Wasser, z. B. unterhalb der Meeresoberfläche, beispielsweise eine Leistungsanlage, die zumindest eine Leistungseinrichtung umfasst.
Im vorliegenden Zusammenhang ist der Begriff "Leistungseinrichtung" allgemein dahingehend zu interpretieren, dass er alle Formen von Antriebsmaschinen, z. B. Motoren, wie auch Energieübertragungsvorrichtungen (z. B. mechanische, elektrische, pneumatische, hydraulische) umfasst, aber die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Leistungsanlagen, welche eine Leistungseinrichtung in Form einer elektrischen Schaltstation umfasst, welche einen Transformator und dessen zugehöriges Steuergerät umfasst.
In dem Patentdokument GB-A-1 604 978 aus dem Stand der Technik ist ein Transformator zur Nutzung unter Wasser in einem Gehäuse angeordnet, welches eine erste ölgefüllte Kammer bildet. Eine zweite ölgefüllte Kammer ist von der ersten Kammer durch einen Balg getrennt. Um der thermischen Ausdehnung des Öls Rechnung zu tragen, wird der Druck zwischen dem umgebenden Wasser und der ersten Kammer und ebenfalls zwischen den Kammern durch Austritt/Eintritt von Öl/Wasser aus der/in die zweite Kammer 8 ausgeglichen. In dem früheren Patentdokument US-A-5 000 252 aus dem Stand der Technik wird Wärme von einer Wärmequelle über eine dazwischen liegende Wärmesenke, welche die Wände eines Behälters umfasst, an die Umgebung übertragen.
Eine Leistungsanlage, welche Leistungseinrichtungn umfasst, wird immer Energie in Form von Wärme produzieren, und es ist notwendig, dass die Wärme von der Anlage abgeleitet wird, z. B. durch Konduktion, Konvektion oder Strahlung.
Auf den ersten Blick könnte es scheinen, als ob für eine unter Wasser genutzte Leistungsanlage kein besonderes Kühlproblem bestehen würde, da das Wasser selbst eine große Wärmesenke bereitstellt. Für bestimmte Anlagen jedoch, die relativ große Mengen an Wärme erzeugen, wird es notwendig sein, spezielle und spezifische Maßnahmen zu treffen, um eine effiziente und effektive Abfuhr der Wärme von der Leistungsanlage an das umgebende Wasser sicherzustellen. Darüber hinaus sind Wartung und Reparaturvorgänge bei unter Wasser genutzten Anlagen zeitaufwendig und teuer und es besteht eine Notwendigkeit sicherzustellen, dass eine solche Anlage mit langen Wartungsintervallen arbeiten kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Leistungsanlage mit einer effizienten Kühlanordnung zur Verfügung zu stellen, welche während langer Zeitspannen an einem Unterwasserstandort und ohne weitere Beachtung arbeiten kann.
Erfindungsgemäß wird beabsichtigt, eine Leistungsanlage zur Verfügung zu stellen, die für eine Nutzung vorgesehen ist, wenn sie in Wasser eingetaucht ist, wobei die Leistungsanlage ein äußeres Gehäuse umfasst, welches zumindest eine Leistungseinrichtung von einer Art umfasst, welche, wenn sie genutzt wird, Wärme produziert, wobei das äußere Gehäuse in Wärme austauschender Lagebeziehung zu der zumindest einen Leistungseinrichtung steht, sodass die mindestens eine Leistungseinrichtung in eine Lagebeziehung mit Wärmeaustausch zu dem das äußere Gehäuse umgebenden Wasser gebracht wird, wenn die Leistungsanlage untergetaucht wird.
Dementsprechend wird erfindungsgemäß eine Leistungsanlage zur Nutzung unter Wasser zur Verfügung gestellt, wobei die Leistungsanlage umfasst:
eine erste Kammer, die zumindest eine Leistungseinrichtung umfasst, welche bei der Nutzung Wärme erzeugt; und
eine zweite Kammer, die zumindest teilweise mit einem Fluid gefüllt ist, wobei die zweite Kammer in wärmeleitender Lagebeziehung zu der Leistungseinrichtung vorgesehen ist und außerdem eine Wand aufweist, die in Kontakt zu dem umgebenden Wasser steht, wenn die Leistungsanlage untergetaucht ist,
wodurch Wärme, die von der Leistungseinrichtung erzeugt wird, an die zweite Kammer übertragen wird und von dieser an das umgebende Wasser übertragen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und die zweite Kammer beide in einem Druckbehälter vorgesehen sind.
Das Fluid in der zweiten Kammer kann eine Flüssigkeit, z. B. Wasser sein.
Die zweite Kammer kann mit einer Volumenkompensationseinrichtung verbunden sein, zu welcher Flüssigkeit aus der zweiten Kammer fließen kann, oder umgekehrt.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Kammer nur teilweise mit Flüssigkeit gefüllt und ein Volumen ist in der zweiten Kammer oberhalb der Flüssigkeit definiert; das Volumen oberhalb der Flüssigkeit kann mit einer Evakuierungseinrichtung verbunden sein, die betrieben werden kann, um den Druck in dem Volumen zu reduzieren.
Es wird außerdem in Betracht gezogen, dass die zweite Kammer durch Leitungsmittel mit einer Wärmetauscheranordnung verbunden sein kann, welche angrenzend an die Leistungseinrichtung angeordnet ist; die erste Kammer kann ein Volumen aufweisen, das ein weiteres Fluid enthält, und die Wärmetauscheranordnung kann eine Anordnung mit koaxialen Rohren zum Durchströmen des weiteren Fluids durch diese umfassen. Ferner kann die koaxiale Rohranordnung ein äußeres Rohr umfassen, das sich von der ersten Kammer und in Kontakt mit dem umgebenden Wasser nach außen erstreckt, sowie ein inneres Rohr, das in dem äußeren Rohr angeordnet ist und an einem Ende in der ersten Kammer in der Nähe der Leistungseinrichtung endet, wobei bewirkt wird, dass das weitere Fluid während der Nutzung der Leistungsanlage zuerst im Inneren des ersten Rohrs und danach zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr durchströmt.
Die zweite Kammer kann ein gewölbtes Element aufweisen, dessen gewölbte Außenseite die mit dem umgebenden Wasser in Kontakt stehende Wand zur Übertragung von Wärme von dem in der zweiten Kammer befindlichen Fluid an dieses bereitstellt, und die Oberfläche des gewölbten Elements, die in Kontakt mit dem Wasser steht, kann mit Riffelungen, Flügeln oder Rippen ausgebildet sein.
Die Bewegung des Fluids in der Leistungsanlage kann durch natürliche Zirkulation und/oder durch erzwungene Zirkulation auftreten.
Ausführungsformen der Erfindung sollen nun beispielhalber unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
1 eine geschnittene Seitenansicht durch die Leistungsanlage entsprechend der Erfindung zeigt, die zur Nutzung an einem Unterwasserstandort, insbesondere unter der Meeresoberfläche, angepasst ist; und die
2–6 ähnliche Seitenansichten von modifizierten Versionen zu 1 zeigen.
Die Anlage wird normalerweise ortsfest unter Wasser angeordnet sein, und unter diesen Umständen könnte sie an einer solchen Struktur wie einem Offshore-Bohrturm angebracht sein, sie ist aber insbesondere für eine Anordnung auf dem Meeresboden gedacht.
Bei der Ausführungsform aus 1 umfasst die Leistungsanlage einen Druckbehälter 110 mit einer Kammer 111, welche die Wärme produzierenden Leistungseinrichtungen enthält, sowie mit einer Kammer 112, die zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit 120, z. B. Wasser, Methylalkohol oder einem urheberrechtlich geschützten Kältemittel gefüllt ist. Die Kammer 112 weist eine Wand 121 auf, die wie erforderlich vertikal, horizontal oder in einem beliebigen Winkel angeordnet sein kann, sowie ein gewölbt geformtes Element 122, das an der Wand 121 angebracht ist oder integral mit dieser ausgebildet ist. Es ist gezeigt, dass die Kammer 112 die rechte Seite des Druckbehälters darstellt; es kann eine ähnliche Kammer an der linken Seite des Behälters vorhanden sein.
Angrenzend an die Wand 121 oder zumindest in wärmeleitender Lagebeziehung zu dieser ist/sind die wärmeerzeugende(n) Leistungseinrichtung(en) 113 der Leistungsanlage angeordnet, welche beispielsweise eine Antriebsmaschine, z. B. einen Motor, und/oder eine Übertragungsvorrichtung, z. B. mechanischer, elektrischer, hydraulischer, pneumatischer Form, umfassen wird. Die Einrichtung(en) kann/können, falls geeignet, an der Wand 121 montiert sein. Wärme von der Wärmequelle wird durch die Wand 121 hindurch an die Flüssigkeit 120 in der Kammer 112 abgeführt. Die Wärme wird durch die Flüssigkeit 120 hindurch geleitet und wird an das umgebende Wasser abgestrahlt. Natürlich wird in gewissem Grade eine natürliche Zirkulation der Flüssigkeit in der Kammer 112 in Verknüpfung mit der Wärmeübertragung vorhanden sein, und es wird insbesondere ins Auge gefasst, dass die Anlage mit natürlicher Zirkulation allein arbeitet. Die Kammer 112 kann jedoch auch eine aktive Zirkulationseinrichtung, z. B. eine Pumpe oder einen Verwirbeler umfassen, und eine magnetische Wirbelanordnung kann geeignet sein, da diese keinen außenseitigen Anschluss benötigt.
Um die Übertragung von Wärme an das umgebende Wasser zu unterstützen und die für diese Übertragung verfügbare Fläche zu vergrößern, kann das gewölbte Element 122 mit Rippen, Flügeln oder Riffelungen ausgebildet sein.
An der Kammer 112 ist über eine Leitung 115 ein Kompensator 116 angebracht, der z. B. einen Faltenbalg umfasst; sollte eine durch Wärme induzierte Ausdehnung der Flüssigkeit auf ein Volumen größer demjenigen der Kammer 112 auftreten, kann Flüssigkeit zu dem Kompensator 116 strömen, und auf der anderen Seite stellt das von dem Faltenbalg 116 umschlossene Volumen ein Flüssigkeitsreservoir für die Kammer 112 dar.
Die Ausführungsform aus 2 unterscheidet sich von derjenigen aus 1 darin, dass kein Kompensator gegeben ist, und sie ist derart vorgesehen, dass die Kammer 112 nur teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist. Folglich bildet sich im oberen Teil der Kammer 112 ein Volumen 130 ohne Flüssigkeit, und indem sie Wärme von der Wärmequelle aufnimmt, kann die Flüssigkeit kochen und Dampf in dem Volumen 130 bilden.
Der Dampf wird die Wärmeübertragung an das außenseitige Wasser unterstützen, und die latente Wärme, die erforderlich ist, um die Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln, wird in erster Linie eine effiziente und effektive Wärmeübertragung ergeben, wobei die verdampfte Flüssigkeit auf der Oberfläche des Volumens des gewölbten Elements kondensieren wird.
Die Ausführungsform aus 3 stellt praktisch eine Modifikation der Ausführungsform aus 2 dar, bei welcher das Volumen 130 oberhalb der Wärmeübertragungsflüssigkeit mit einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) verbunden ist, welche sicherstellen wird, dass das Volumen 130 auf sehr niedrigen Druck gesetzt wird (z. B. in der Größenordnung von 30 mmHg absolut), wodurch die Temperatur, bei welcher die Flüssigkeit 120 kocht, reduziert wird, wobei, wenn der Druck 30 mmHg beträgt, Wasser in der Kammer bei etwa 30°C kochen wird. Die Vakuumpumpe ist mit dem Volumen 130 über eine Leitung 140, die ein Ventil 141 enthält, verbunden.
Die Ausführungsform aus 4 umfasst die Vakuumleitung 140 aus 3, aber zusätzlich ist eine Zirkulationsanordnung 150 vorgesehen, durch welche Flüssigkeit aus der Kammer 112 durch einen Wärmetauscher 160 umlaufen gelassen wird. Der Wärmetauscher 160 wird angrenzend an die Wärme erzeugende Leistungseinrichtung 113 oder zumindest in wärmeleitender Lagebeziehung zu dieser montiert sein, und es wird bewirkt, dass Flüssigkeit über Leitungen 161, 162 von einem unteren Bereich der Kammer 111 durch den Wärmetauscher 160 und in das Volumen 130 an der Oberseite der Kammer strömt; in dem Wärmetauscher wird wegen des geringen Drucks in dem Volumen 130 ein Blasensieden auftreten.
In der Ausführungsform aus 5 sind Leitungen 171, 172 zwischen der Kammer 112 und einem Wärmetauscher 170 angeschlossen, die obere Leitung 172 stellt aber eine Verbindung mit einem oberen Bereich der Flüssigkeit 120 anstatt mit dem unter verringerten Druck stehenden Volumen 130 her.
6 stellt eine Modifikation der Ausführungsform aus 5 dar, wobei eine zusätzliche Wärmeaustauschanordnung 180 mit dem Wärmetauscher 170 verknüpft ist, wobei die Anordnung 180 ein inneres Rohr 181 sowie ein äußeres Rohr 182 umfasst, zwischen denen ein ringförmiger Kanal 183 ausgebildet ist. Beide Rohre sind an ihren oberen Enden geschlossen. An seinem unteren Ende ist das innere Rohr 181 an einem aufgeweiteten Schacht 184 angebracht, welcher oberhalb des Wärmetauschers 170 und diesen zumindest teilweise umgebend angeordnet ist. Die Kammer 111 des Druckbehälters weist ein Volumen zum Beinhalten eines Fluids, üblicherweise Gas (z. B. Luft oder unter Druck stehender Stickstoff) auf, und im Betrieb wird dieses aufgeheizt, während es über dem Wärmetauscher 170 entlang strömt, und strömt dann durch das innere Rohr 181 nach oben und in dem ringförmigen Kanal 183 nach unten, sodass die Wärme an das umgebende Wasser abstrahlt. Eines der oder beide Rohre 182, 183 können auf einer oder mehreren Oberflächen Lamellen aufweisen, um die Wärmeabstrahlung zu unterstützen. Die Zirkulation der Luft durch die Rohre kann natürlich oder aktiv angetrieben sein, z. B. durch einen Ventilator.

Claims

Leistungsanlage zur Nutzung unter Wasser, wobei die Leistungsanlage umfasst: eine erste Kammer (111), die zumindest eine Leistungseinrichtung (113) umfasst, welche bei der Nutzung Wärme erzeugt; und eine zweite Kammer (112), die zumindest teilweise mit einem Fluid (120) gefüllt ist, wobei die zweite Kammer in wärmeleitender Lagebeziehung zu der Leistungseinrichtung vorgesehen ist und außerdem eine Wand (122) aufweist, die in Kontakt zu dem umgebenden Wasser steht, wenn die Leistungsanlage untergetaucht ist, wodurch Wärme, die von der Leistungseinrichtung (113) erzeugt wird, an die zweite Kammer (112) übertragen wird und von dieser an das umgebende Wasser übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Kammer (111, 112) beide in einem Druckbehälter (110) vorgesehen sind.
Leistungsanlage nach Anspruch 1, wobei das Fluid in der zweiten Kammer (112) eine Flüssigkeit ist.
Leistungsanlage nach Anspruch 2, wobei das Fluid Wasser ist.
Leistungsanlage nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die zweite Kammer (112) mit einer Volumenkompensationseinrichtung (116) verbunden ist, zu welcher Flüssigkeit aus der zweiten Kammer fließen kann, oder umgekehrt.
Leistungsanlage nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die zweite Kammer (112) nur teilweise mit Flüssigkeit (120) gefüllt ist und ein Volumen (130) in der zweiten Kammer oberhalb der Flüssigkeit definiert ist.
Leistungsanlage nach Anspruch 5, wobei das Volumen (130) oberhalb der Flüssigkeit mit einer Evakuierungseinrichtung verbunden (140, 141) ist, die betrieben werden kann, um den Druck in dem Volumen zu reduzieren.
Leistungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Kammer (112) durch Leitungsmittel (162) mit einer Wärmetauscheranordnung (160) verbunden ist, welche angrenzend an die Leistungseinrichtung (113) angeordnet ist.
Leistungsanlage nach Anspruch 7, wobei die erste Kammer (111) ein Volumen aufweist, das ein weiteres Fluid enthält, und die Wärmetauscheranordnung (170, 180) eine Anordnung mit koaxialen Rohren (181, 182) zum Durchströmen des weiteren Fluids durch diese umfasst.
Leistungsanlage nach Anspruch 8, wobei die koaxiale Rohranordnung (181, 182) ein äußeres Rohr (182) umfasst, das sich von der ersten Kammer (111) und in Kontakt mit dem umgebenden Wasser nach außen erstreckt, sowie ein inneres Rohr (181), das in dem äußeren Rohr (182) angeordnet ist und an einem Ende in der ersten Kammer (111) in der Nähe der Leistungseinrichtung (113) endet, wobei bewirkt wird, dass das weitere Fluid während der Nutzung der Leistungsanlage zuerst im Inneren des ersten Rohrs und danach zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr durchströmt.
Leistungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zweite Kammer (112) ein gewölbtes Element (122) aufweist, dessen gewölbte Außenseite die mit dem umgebenden Wasser in Kontakt stehende Wand zur Übertragung von Wärme von dem in der zweiten Kammer befindlichen Fluid (120) an dieses bereitstellt.
Leistungsanlage nach Anspruch 10, wobei die Oberfläche des gewölbten Elements (122), die in Kontakt mit dem Wasser steht, mit Riffelungen, Flügeln oder Rippen ausgebildet ist.
Leistungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Bewegung des Fluids in der Leistungsanlage durch natürliche Zirkulation und/oder durch erzwungene Zirkulation auftritt.