Tauchpumpenaggregat

Abstract

 Es ist ein Tauchpumpenaggregat beschrieben, das aus einer Pumpe (1,3) und einem die Pumpe (1, 3) antreibenden Naßläufer-­Motor (2) besteht. Der Motor (2) und die Pumpe (1, 3) weisen eine gemeinsame Welle (7) auf. Zum Abtransport von Verlustwärme aus dem Rotorraum (13) des Motors (2) in die Wärmesenke der durch die Pumpe (1, 3) zu fördernden Flüssigkeit ist die ge­meinsame Welle (7) als verschließbare Hohlwelle ausge­bildet, die zum Teil mit einem Fluid (17) gefüllt ist. Die Welle (7) bildet mit dem Fluid (17) ein rotierendes Heat-Pipe-System.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Tauchpumpenaggregat gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Tauchpumpenaggregate sind Maschinensätze, die zeitweise oder ständig in einer zu fördernden Flüssigkeit liegen. Beim Ein­bau 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.

[0003] Unterwassermotorpumpen im Leistungsbereich von bis zu 10 kW sind heute Massenprodukte, die beispielsweise im Wasserver­sorgungsbereich eingesetzt werden. Grundsätzlich sind die Hersteller derartiger Pumpen bestrebt, die Herstellungskosten der Aggregate zu senken. Hierzu bieten sich die beiden fol­genden Möglichkeiten an:

[0004] Denkbar ist die Vereinfachung der Konstruktion der üblichen Pumpen beispielsweise durch Eingießen des Stators in Kunst­stoff, wie dies beispielsweise aus der US-PS 4,546,130 bekannt ist.

[0005] 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.

[0006] Der zweiten aufgeführten Möglichkeit ist der Vorzug zu geben, wie dies anhand der bekannten Modellgesetze erläutert wird.

[0007] Bekanntlich gelten die folgenden Beziehungen:
Q∼n.D³
H∼n².D
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 Laufraddurchmesser steht.

[0008] 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.

[0009] Unabhängig von den aufgezeigten beiden Wegen zur Kosten­senkung 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.

[0010] Vor dem aufgezeigten Hintergrund liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Tauchpumpenaggregat so weiterzubilden, daß stets ein ausreichender Wärmeabtransport von den Verlustwärmequellen des Aggregates gewährleistet ist.

[0011] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Tauchpumpenaggregat mit den Merkmalen des Anspruches 1.

[0012] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0013] Grundsätzlich kann eine Heat-Pipe quasi als ein Supraleiter angesehen werden, der durch Stoffbewegung und Phasenwechsel Wärme von der heißen Wand eines umschlossenen Raumes zu kälteren Wandflächen tansportiert. Im vorliegenden Fall ist die Welle des Aggregates 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 Wärmeabtransport der Verlustwärme aus dem Motor und/oder Frequenzumrichter durch die rotierende Heat-Pipe hinreichend groß. Besonders vorteilhaft ist die vorgeschlagene Lösung dann, wenn als Fluid in der Hohlwelle für den Wärmetransport aufgrund der großen Verdampfungswärme, die der Kondensations­wärme entspricht, Wasser verwendet wird.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Figur 1: einen Längsschnitt durch das Tauchpumpen­aggregat im Ruhezustand, und

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

[0018] Das Tauchpumpenaggregat gemäß Figur 1 besteht aus einem Naß­läufer-Motor 2, dem Pumpenteil 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 Spalt­rohrtopf 5 flüssigkeitsdicht und druckfest verbunden, so daß der Stator 6 des Motors 2 und der Frequenzumrichter 1 in einem trockenen Raum 6a liegen. Aus Stabilitätsgründen kann dieser Raum 6a mit einem Mineral-Kunststoffgemisch ausgefüllt oder mit einem Kunststoff ausgeschäumt sein.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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 Figur 1 andeutungsweise dar­gestellt ist. Vor der Inbetriebnahme des Pumpenaggregates ist der Verschluß 18 zu entfernen und das Fluid 17 in die Hohl­welle 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 abzu­schließen. 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.

[0022] Im Betrieb des Pumpenaggregates wird der überwiegende Teil der im Motor 2 und im Frequenzumrichter 1 entstehenden Verlustwärme in den Rotorraum 13 fließen und die Temperatur des in der Hohlwelle 7 befindlichen Fluids 17 im Bereich des Wellenabschnittes 7a erhöhen. Dadurch verdampft ein Teil des Fluids und gelangt in den Wellenabschnitt 7b im Bereich des Pumpenkörpers 3. Aufgrund der Lage des Wellenabschnittes 7b im Pumpenkörper 3 kann dieser Wellenabschnitt 7b die Wärme an das Fördermedium abgeben. Der im Rotorraum 13 befindliche Wellenabschnitt 7a bildet also die Wärmequelle und Wellen­abschnitt 7b die Wärmesenke der Heat-Pipe.

[0023] Anhand der Figur 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.

[0024] 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 Fluidoberfläche senkrecht steht. Insgesamt wird sich die Oberflächenform einem Parabel­abschnitt annähern.

[0025] Im Bereich des Motorraumes wird dem Wellenabschnitt 7a Wärme zugeführt, wodurch ein Teil des Fluids verdampft und in den kühleren Wellenabschnitt 7b strömt, wo der Dampf schließlich kondensiert. Das Kondensat fließt daraufhin aufgrund des Kraftfeldes zum Wellenabschnitt 7a zurück.

[0026] 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.

[0027] In Abweichung vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann es darüber hinaus vorteilhaft sein, daß der Innendurchmesser der Hohlwelle 7 im Motorraum größer ist als im Pumpenbereich.

[0028] Dadurch wird sichergestellt, daß immer ein Flüssigkeits­vorrat im Bereich der Wärmequelle für den Abtransport der Verlustwärme zur Verfügung steht, und zwar selbst bei sehr hohen Drehzahlen und/oder einem hohen Temperaturniveau.

[0029] Wenn das Pumpenaggregat nicht vertikal eingesetzt werden soll, sollte in der Hohlwelle 7 eine saugfähige Innenausklei­dung (nicht dargestellt) vorgesehen werden. Unter einer Dochtwirkung dieser Innenauskleidung wird in einer horizontalen oder schrägen Betriebslage des Pumpenaggregates dafür Sorge getragen, daß stets Fluid 17 im Bereich der Wärmequelle zur Verdampfung bereitsteht.

Ansprüche

1. Tauchpumpenaggregat mit einer Pumpe und einem die Pumpe antreibenden Naßläufer-Motor und mit einer gemeinsamen Welle für den Motor und die Pumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (7) als verschließbare Hohlwelle ausgebildet ist, welche zum Teil mit einem Fluid (17) gefüllt ist, so daß die Welle (7) mit dem Fluid (17) ein Heat-Pipe-­System zum Abtransport von Verlustwärme aus dem Rotor­raum (13) des Motors (2) in die Wärmesenke der durch die Pumpe (3) zu fördernden Flüssigkeit bildet.

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 Kohlenwasser­stoff 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 Wärme­senke ist.

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

Zeichnung