EP3163086A1 - Pump drive unit for process fluid conveying - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a pump-drive unit for conveying a process fluid according to the preamble of the independent claim.
- Pump-drive units in which a pump with an impeller and a drive for the pump are enclosed by a common housing, are often used for those applications in which the pump is completely or completely in a liquid, eg. As water immersed, or when the pump is operated in hard to reach places or in difficult conditions or environmental conditions.
- pumps which are used for the ebullated bed process in the hydrocarbon processing industry.
- These methods are used, for example, heavy hydrocarbons, eg. As heavy oil, or refinery residues to clean or break up into better usable volatile hydrocarbons. This is often done by charging the heavy hydrocarbons with hydrogen, the mixed components are swirled in a reactor and there with the aid of catalysts, the heavy hydrocarbons are broken.
- process fluid which usually consists mostly of heavy hydrocarbons
- special pump-drive units are used, for which the term Ebullator pump (ebullating pump) has been naturalized.
- Ebullatorpumpen are provided as circulation pumps for the process fluid usually directly on the reactor and are Process designed such that the pump is arranged with respect to the vertical above the drive. Ebullator pumps have to work as reliably as possible under extreme challenging conditions and over a long period of time in continuous operation.
- the housing of such pump-drive units is designed as a pressure housing, which can withstand these high operating pressures.
- the drive is usually designed as an electric motor, which is also exposed to the high operating pressure within the housing.
- the motor must be sufficiently protected against the ingress of process fluid, which is why the motor is usually filled with or flowed through a barrier fluid, which additionally serves for lubrication and heat removal from the engine.
- embodiments are possible as completely oil-filled motors or as canned motors (canned motor) or as so-called "cable wound" motors.
- the barrier fluid must be a dielectric fluid, e.g. a dielectric oil to avoid a short circuit in the motor.
- a gap tube is provided between the stator and the rotor, which terminates the stator hermetically with respect to the rotor, wherein the rotor is usually also protected by a jacket.
- the barrier fluid is usually passed through the gap between the rotor and the can.
- the electrical cables with which the stator winding is wound are surrounded by an electrically insulating jacket.
- a different barrier fluid may be used as a dielectric fluid. This is advantageous for many applications, among others, for the reason that you can choose a barrier fluid with the best possible cooling and lubricating properties, without taking into account its electrical conductivity properties.
- Embodiments are also known in which the process fluid itself is used as a barrier fluid for cooling and lubricating the engine, but for many applications it is essential that the engine is sufficiently protected against ingress of the process fluid.
- the process fluid itself is used as a barrier fluid for cooling and lubricating the engine, but for many applications it is essential that the engine is sufficiently protected against ingress of the process fluid.
- heavy hydrocarbons as process fluid which are left as residues in the distillation of petroleum, very often contain chemically aggressive and / or abrasive substances, so that the process fluid can cause significant damage, especially in the drive or in the bearings.
- the barrier fluid is guided in a cooling circuit.
- the barrier fluid is introduced through an inlet in the drive, flows through the drive, for example through the gap between the rotor and the can, and the pump-side radial bearing of the shaft and is then discharged in the area between the drive and the pump through an outlet. From this outlet, the barrier fluid flows back to the inlet via a heat exchanger.
- an injection device for refilling blocking fluid is additionally provided, with which additional blocking fluid either outside the housing in the cooling circuit or through a separate inlet opening directly into the drive can be introduced.
- This additional introduction of barrier fluid serves primarily to compensate for losses caused by the fact that a mostly minor flow rate of the barrier fluid is provided in the process fluid.
- the barrier fluid flowing out of the drive flows along the shaft, the barrier fluid is not completely exhausted through the outlet, but a part flows or creeps along the shaft into the pump and mixes there with the process fluid.
- This process is intended and desirable, because by this flow of the barrier fluid into the pump, it can be reliably avoided that inversely flows from the pump process fluid along the shaft in the direction of the drive or penetrates into the drive.
- the barrier fluid thus blocks by the flow in the pump the reverse path for the process fluid from the pump into the drive.
- a device for generating a controlled leakage flow is provided on the shaft in the vicinity of its entry into the pump.
- This device can be configured for example in the form of a mechanical seal, in which known direct physical contact between a non-rotatably connected to the shaft part and a stationary relative to the housing part, or in the form of a throttle, in which no direct physical contact between rotating and stationary parts exists.
- This non-contact throttle device is for example a throttle bushing.
- this pump-drive unit should also be used as Ebullatorpumpe.
- a pump-drive unit for conveying a process fluid with a common housing, which a pump with an impeller for rotation about an axial direction and a drive for the pump encloses, with a shaft for driving the impeller, which connects the drive to the pump, and with a throttle, which extends around the shaft, and which is provided between the impeller and the drive, the housing having a pump inlet and a pump outlet for the process fluid, wherein an inlet for a barrier fluid is provided, through which the barrier fluid is introduced into the drive, and an outlet for the barrier fluid through which the barrier fluid can be discharged from the housing, and wherein a plurality of storage chambers for the barrier fluid is provided on the shaft in the region between the throttle and the drive, which storage chambers are arranged one behind the other with respect to the axial direction, wherein each two adjacent storage chambers are fluidly connected to each other.
- the first possibility is that the disorder is so serious that it can not be remedied in a short time.
- the pump drive unit needs be switched off, which is ensured by the inventive design that when switching off the pump - if anything - only a small amount of highly diluted process fluid in the form of contaminated barrier fluid can penetrate into the drive, but this does not lead to damage to the drive.
- a safe shutdown of the pump-drive unit is ensured, without causing the drive is damaged by penetrating process fluid.
- the second possibility is that the disturbance can be remedied relatively quickly.
- the pump-drive unit does not have to be shut down.
- the process fluid is successively diluted in the storage chambers arranged one behind the other in the axial direction. If the fault is now remedied, then there is again a sufficient amount of pure barrier fluid available. This then pushes out the contaminated barrier fluid from the storage chambers towards the pump so that the contaminated barrier fluid from the storage chambers is flushed into the pump.
- This applies analogously to the same case also for the case that already a certain amount of process fluid contaminated barrier fluid has penetrated into the drive. This is then removed by the supply of pure barrier fluid from the drive, so that damage to the drive is effectively prevented by the process fluid.
- a particular advantage of the inventive design with the storage chambers is the fact that there is no need for a seal assembly on the shaft between the drive or the drive on the pump side provided radial bearing and the pump, in which there is a direct physical contact between a rotating part - So rotatably connected to the shaft part - and a stationary part with respect to the housing comes, so for example a mechanical seal.
- the throttle and the storage chambers function non-contact in the sense that they are the rotating shaft not touched. This is particularly advantageous in those embodiments in which the process fluid is under a very high pressure, for. B. at least 200 bar, and / or has a very high temperature, for. At least 400 ° C.
- each storage chamber is designed as an annular space around the axial direction.
- the appropriate number of storage chambers depends of course on the particular application or on the specific design of the pump-drive unit from, for example, the volume that is available in the drive for the barrier fluid, the size and performance of the pump or to promoting process fluid. In practice, it has proven useful if at least three and at most ten storage chambers are provided.
- At least one of the storage chambers is provided in the housing, for example as an annular groove which extends around the shaft.
- At least one of the storage chambers is provided in the shaft, for example as an annular groove which extends over the circumference of the shaft.
- the outlet and the inlet for the barrier fluid are connected by a conduit, so that a cooling circuit for the barrier fluid is formed, wherein the cooling circuit comprises a heat exchanger.
- the heat exchanger for the cooling circuit is mounted on the housing.
- the heat exchanger can be fastened to the housing, for example, by means of a flange connection or by screwing.
- an injection device is provided for refilling barrier fluid.
- a suitable dimension of the storage chambers depends on the particular configuration of the pump-drive unit and in particular on the volume available for the barrier fluid and is therefore to be determined for the specific application.
- the storage chambers have a total volume which is at least as large, and preferably twice as large, as the thermally induced volume change of the barrier fluid in the cooling circuit at a temperature decrease of the barrier fluid by a predetermined value.
- the temperature change which can typically occur in the operating state in the barrier fluid in the cooling circuit.
- the thermal expansion coefficient For the barrier fluid used in the application, it is now possible with the help of the thermal expansion coefficient to calculate the volume change of the barrier fluid, which is caused by such a temperature change.
- the total volume of all storage chambers is then chosen to be at least as large and preferably twice as large as the determined volume change of the barrier fluid.
- the total volume of all storage chambers at least 0.5% and at most 4%, preferably at most 3%, of the volume available in the cooling circuit for the barrier fluid.
- the housing is designed as a pressure housing, preferably for an operating pressure of at least 200 bar.
- the pump-drive unit is designed for a process fluid having a temperature of more than 400 ° C.
- the inventive design is particularly suitable for such a pump-drive unit, wherein the drive is arranged with respect to the vertical below the pump or is arranged with respect to the horizontal next to the pump.
- the pump is arranged in the common housing above or next to the drive.
- a particularly important embodiment for practice is when the pump-drive unit is designed as an Ebullator pump for the circulation of a process fluid.
- Fig. 1 shows in a partially schematic sectional view of an embodiment of an inventive pump-drive unit for conveying a process fluid, which is generally designated by the reference numeral 1.
- the pump drive unit 1 comprises a pump 2, which is designed as a centrifugal pump, and a drive 3, which is designed as an electric motor.
- the pump 2 and the drive 3 are arranged in a common housing 4, which encloses the drive 3 and the pump 2.
- the housing 4 comprises an upper housing part 41 and a lower housing part 42, which are sealingly connected to each other by not shown screwed connections or a flange connection.
- the pump drive unit 1 in this embodiment is configured as an ebullating pump.
- ebullator pumps are pump-drive units used for the fluidized bed or ebullated bed process in the hydrocarbon processing industry. These processes are used to clean heavy hydrocarbons, which remain, for example, in the oil refinery in the bottom of the separation columns, for example, to desulfurize and / or break up into lighter hydrocarbons, which are then used more economically as distillates.
- heavy hydrocarbons here is called heavy oil, which remains at the refinery of petroleum.
- the starting material ie the heavy hydrocarbons such.
- As heavy oil heated, mixed with hydrogen and then as a process fluid in the fluidized bed or Siedebettreaktor (ebullated bed reactor).
- an Ebullator pump is used, which is typically mounted directly to the reactor.
- the process fluid is due to the process under a very high pressure of, for example, at least 200 bar and a very high temperature, for example, above 400 ° C
- the housing 4 of the designed as a pump-drive unit Ebullatorpumpe 1 which encloses the pump 2 and the drive 3, designed as a pressure housing that can safely withstand these high operating pressures, for example, 200 bar or more.
- the Ebullatorpumpe is also designed so that they can promote a hot process fluid, which has a temperature of more than 400 ° C, safely.
- the pump-drive unit 1 is designed as such an ebullator pump. It is understood, however, that the invention is not limited to such embodiments or applications.
- the inventive pump-drive unit 1 can also be designed for other applications, for example as a submersible pump, which during operation in whole or in part in a liquid, eg. As water immersed.
- the invention is suitable for such pump-drive units, in which the drive 3 with respect to the vertical below the pump 2 is arranged (vertical pump), or in which the drive 3 with respect to the horizontal next to the pump 2 is arranged (horizontal pump).
- a representation of an embodiment as a horizontal pump corresponds to z.
- B. a representation that is characterized by rotation of the Fig. 1 by 90 ° results.
- FIG. 1 illustrated embodiment of the inventive pump-drive unit 1 as Ebullatorpumpe is the pump 2 with respect to the normal position of use, in Fig. 1 is shown, arranged above the drive 3.
- the pump 2 is designed as a centrifugal pump with an impeller 21 having a plurality of wings and in the operating state by a axial direction A rotates.
- the housing 4 has a pump inlet 22, which is arranged here above the impeller 21, and a pump outlet 23, which is arranged here laterally on the housing 4.
- the impeller 21 promotes the process fluid, so here the fluid with the heavy hydrocarbons, eg. As heavy oil, from the pump inlet 22 to the pump outlet 23, which is connected directly to the reactor.
- the drive 3 For driving the impeller 21 of the drive 3 is provided, which is designed here in a conventional manner as an electric canned motor (canned motor).
- the drive 3 comprises an inner rotor 31 and an outer stator 32 surrounding the rotor 31.
- a gap tube 33 is provided between the rotor 31 and the stator 32 which hermetically seals the stator in a known manner with respect to the rotor 31.
- the rotor 31 is rotatably connected to a shaft 5 which extends in the axial direction A and on the other hand rotatably connected to the impeller 21 of the pump 2, so that the pump 2 is driven by the drive 3.
- a radial bearing 6 for the radial mounting of the shaft 5 is provided in each case.
- a thrust bearing 7 is provided for the shaft 5.
- a circulation impeller 8 is provided for a barrier fluid at the bottom end of the shaft 5 as shown, which is also rotatably connected to the shaft 5 and which is designed as a radial impeller. Its function will be explained later.
- the circulation impeller 8 may also be provided between the pump 2 and the drive 3 on the shaft 5.
- the barrier fluid also fulfills the function of dissipating heat as cooling fluid and lubricating the drive 3 as well as the radial bearings 6 and the thrust bearing 7 as lubricant.
- the heat to be dissipated by the barrier fluid comprises both the heat which is generated by the latter during operation of the drive 3 and heat which is transferred from the hot process fluid to the shaft 5 or to the housing 4. While the process pressure in the drive 3 and in the pump 2 is substantially the same, the operating temperature in the pump 2 is significantly higher than in the drive 3. While, for example, the impeller 21 assumes substantially the same temperature as the process fluid, so here, for example above 400 ° C, the temperature in the drive 3 is significantly lower, for example in the range of 60 ° C. Thus, the barrier fluid also has the function to dissipate the heat transferred from the hot impeller 21 to the shaft 5.
- both an inlet 43 for the barrier fluid is provided on the housing 4, through which the barrier fluid in the drive 3 can be introduced and an outlet 44 for the barrier fluid, through which the barrier fluid from the housing 4 can be discharged.
- the outlet 44 via a line 91 to the inlet 43 fluidly connected, so that the barrier fluid is guided in a cooling circuit.
- This cooling circuit further comprises a heat exchanger 9, which is provided outside the housing 4, and in which the barrier fluid gives off its heat to a heat transfer medium, for example water.
- the inlet 43 for the barrier fluid is provided according to the representation at the lower end of the housing 4, so that the barrier fluid flows through not only the drive 3, but also the two radial bearings 6 and the thrust bearing 7, whereby they are lubricated and cooled.
- the barrier fluid is then guided to the outlet 44 and passes via the line 91 to the heat exchanger 9, where the barrier fluid gives off heat. From the heat exchanger 9, the barrier fluid is then through the Line 91 led back to the inlet 43, whereby the cooling circuit closes.
- the inlet 43 is disposed opposite to the circulation impeller 8, so that the circulation impeller 8 sucks the barrier fluid in the axial direction A through the inlet 43.
- the funded by the circulation impeller 8 barrier fluid flows through the thrust bearing 7 and the lower radial bearing 6, is then introduced into the drive 3, flows through the gap between the rotor 31 and the can 33, exits the drive 3, flows through the upper radial bearing 6 and is then directed to outlet 44, from where the barrier fluid is circulated through line 91 and heat exchanger 9 back to inlet 44.
- the circulation fluid circulating in the cooling circuit prevents the penetration of process fluid into the bearings 6, 7 and in particular into the drive 3, since the flowing barrier fluid shuts off the passage for the process fluid along the shaft 5 into the drive 3.
- an injection device 92 is further provided for refilling or for feeding barrier fluid in the cooling circuit.
- the injection device 92 which is not shown in detail, comprises a source or reservoir for the barrier fluid and is connected to the cooling circuit via a check valve 93. It is possible - as in Fig. 1 shown - that the injection device 92 is connected to the outside of the housing 4 arranged part of the cooling circuit, so for example with the line 91, or on the housing 4, a separate inlet opening is provided, through which the barrier fluid from the injection device 92 can be introduced into the cooling circuit ,
- the injector device 92 is used to provide a desired and controlled leakage flow of the barrier fluid along the shaft 5 into the pump 2 balance.
- the emerging from the drive 3 and flowing through the upper radial bearing 6 barrier fluid is not completely discharged through the outlet 44.
- a portion of the barrier fluid generates a leakage flow along the shaft 5 in the pump 2 and mixes there with the process fluid, but this has no negative effects.
- the amount of barrier fluid necessary for this leakage flow is continuously supplied to the refrigeration cycle by the injection device 92, ie in normal operation, the injection device 92 replaces the amount of barrier fluid introduced into the process fluid by the leakage flow. Furthermore, the injection device 92 compensates for volume changes of the barrier fluid in the cooling circuit. Such volume changes may occur, for example, with changes in the speed of the pump 2, or with temperature changes or during startup or shutdown of the pump-drive unit. 1
- the leakage current is usually not particularly strong and is for example in normal operation about 20 to 30 liters / hour
- a state may arise in which insufficient volume of barrier fluid is available in the drive 3 or in the housing 4, respectively Flow from the process fluid along the shaft 5 from the pump 2 out in the direction of the drive 3 to prevent.
- a decrease in volume can have several causes. For example, the temperature of the heat carrier, such as cooling water, decrease, on which the barrier fluid emits heat in the heat exchanger 9, or the speed, ie, the rotational speed of the pump 2 decreases, or the pump drive unit 1 is turned off.
- a Combination provided which is generally designated by the reference numeral 10 and a throttle 13 and a plurality of storage chambers 11 includes.
- Fig. 2 shows an enlarged sectional view of this combination 10 of the embodiment Fig. 1 ,
- the combination 10 includes a plurality, here five, of storage chambers 11 for the barrier fluid, which are arranged one behind the other with respect to the axial direction A, wherein two adjacent storage chambers 11 are fluidly connected. This flow connection is preferably as in Fig.
- Fig. 2 illustrated, designed as a throttle gap 12, wherein the shaft 5 each forms a boundary surface of the throttle gap 12.
- Fig. 2 is denoted by the reference numeral 12 only for the two upper storage chambers 11 according to the illustration. Of course, the other storage chambers 11 are fluidly connected by such a throttle gap 12.
- the throttle 13 is arranged, which is designed here as a throttle bushing 13, which is in extends in known manner around the shaft 5, without touching the shaft 5.
- the throttle bushing 13 is stationarily mounted with respect to the housing 4.
- the throttle bushing 13 is designed such that in the normal, ie trouble-free operation of the pump drive unit 1, it limits the volume flow of the barrier fluid into the pump 2 to a controlled leakage flow. It is understood that the design of the throttle as a throttle bushing 13 is to be understood only as an example.
- Suitable throttle 13 is any device known per se with which a controlled leakage flow of the barrier fluid can be generated in a contact-free manner. So can for example, the shaft 5 facing surface of the throttle 13 can be designed smooth or unstructured. But it is also possible that the throttle 13 is configured as a labyrinth throttle 13, which has in known manner on its surface facing the shaft a plurality of grooves and webs which form a comb-like profile, which is commonly referred to as a labyrinth.
- the five storage chambers 11 are each configured here as an annular space which extends around the shaft 5 around.
- all the storage chambers 11 are provided in the housing 4 or in a component which is stationary with respect to the housing and the shaft 5 surrounds.
- the storage chambers 11 can be produced, for example, by machining processes in the housing 4.
- the total volume of all storage chambers 11 is five times the volume of a storage chamber 11. It is understood that it is not necessary that all storage chambers 11 have the same volume, it is quite possible to design the storage chambers 11 with different volumes.
- the barrier fluid is circulated in the cooling circuit by means of the circulation impeller 8, the return of the barrier fluid to the outlet 44, for example, as in FIG Fig. 1 shown schematically - out of that storage chamber 11 out, which is closest to the drive 3. But it is also possible to provide the return at another location, for example between the drive 3 and the storage chamber 11 closest to it.
- the barrier fluid is not returned completely through the outlet 44, but there is a controlled leakage flow of the barrier fluid from the drive 3 through the five storage chambers 11 and the throttle bushing 13 into the pump 2 inside.
- This leakage current reliably prevents process fluid from flowing in the opposite direction from the pump 2 along the shaft 5 in the direction of the drive.
- the Volume of barrier fluid that is introduced by the controlled leakage flow in the pump 2 and thus in the process fluid is lost to the cooling circuit, but is replaced by the injection device 92 by new barrier fluid, which is introduced into the cooling circuit.
- the inventive embodiment with the storage chambers 11 for the barrier fluid protects the drive 3 in a sufficient manner against ingress of the barrier fluid, as in the following with reference to Fig. 2 is explained.
- a failure of the subsequent delivery of barrier fluid associated with a decrease in volume of the barrier fluid in the cooling circuit causes the process fluid can now escape from the pump 2 along the shaft 5, or depending on the circumstances in the direction of the drive 3 is sucked.
- This is in Fig. 2 indicated by the arrows provided with the reference symbol P.
- the process fluid then passes first into the first storage chamber 11, which is closest to the pump 2.
- This storage chamber 11 is still, like all other storage chambers 11 also filled with pure barrier fluid, which is stored there.
- mixing of the process fluid with the barrier fluid occurs in this first storage chamber 11, as a result of which the process fluid is greatly diluted.
- the process fluid is in Fig. 2 symbolically represented by the small dashes (without reference numeral) in the storage chambers 11.
- the already significantly diluted process fluid passes through the throttle gap 12 in the next storage chamber 11, which is initially completely filled with pure barrier fluid.
- the already diluted process fluid is further diluted by the barrier fluid before this further diluted mixture can penetrate via the next throttle gap 12 in the adjacent storage chamber 11.
- This process continues into the storage chamber 11 which is closest to the drive 3.
- the process fluid is diluted most. Only from this last storage chamber 11, the highly dilute process fluid like this may be the arrow labeled P1 in FIG Fig. 2 indicates pass through the radial bearing 6 in the drive 3.
- the injection device 92 is working properly again, so by the newly supplied barrier fluid contaminated with the process fluid barrier fluid from both the drive 3 (if it has penetrated up to there) as also successively pressed out of the storage chambers 11 and conveyed into the pump 2. After this flushing of the drive 3 and the storage chambers 11 then the drive 3 and the storage chambers 11 are again filled with pure barrier fluid, so that the normal operation can be continued.
- Fig. 5 illustrates the effect of the inventive design of the combination 10 with the storage chambers 11 in the event of a fault.
- the fault is that the injection device fails, so that no new barrier fluid can be introduced into the cooling circuit.
- the five storage chambers 11 see Fig.
- the cooling circuit 2 have a total volume, which is about 1.3% of the volume of the cooling circuit, wherein the volume of the cooling circuit is composed of the volume that is the barrier fluid in the drive 3 available, as well as the volumes in the heat exchanger 9, the line 91 and all connections between the inlet 43 and the outlet 44.
- barrier fluid an oil is used, which has a volume-related thermal expansion coefficient of 0.7 ⁇ 10 -3 / K.
- the diagram in Fig. 5 shows the time evolution of the relative volume VP of the process fluid for the five storage chambers 11 (see Fig. 2 ).
- the curve K1 shows the relative volume VP for the first storage chamber 11, which is the storage chamber 11, that of the pump second or the impeller 21 is closest.
- the curves K2, K3, K4, K5 show in an analogous manner the relative volume of the process fluid in the adjacent storage chambers 11, wherein the numbering of the storage chambers 11 of their in Fig. 2 corresponds to the order shown.
- the curve K2 indicates the relative volume VP of the process fluid in the second storage chamber 11 located immediately adjacent to the first storage chamber 11, etc.
- the curve K5 indicates the relative volume VP of the process fluid in the storage chamber 11 which is closest is located on the drive 3.
- time axis t1 indicates the time at which the process fluid begins to enter the first storage chamber 11 upon the occurrence of the above-described disturbance, i. just before the time t1 just all five storage chambers 11 are filled with pure barrier fluid. From time t1, the process fluid enters the first storage chamber 11 at a constant flow rate. This flow rate is approximately such that per time interval t2-t1 an amount of process fluid enters the first storage chamber 11, which corresponds to approximately one quarter of the volume of the first storage chamber 11.
- FIG. 5 clearly illustrates the increasing dilution effect from storage chamber to storage chamber resulting from the mixing of the process fluid with the barrier fluid.
- the relative volume fraction of the process fluid in the first storage chamber 11 has already risen to more than 90%
- the relative volume fraction of the process fluid in the last storage chamber 11 is only about a quarter, that is about 25% lies.
- a particular advantage of the inventive design is that between the drive 3 and the upper radial bearing 6 and the pump 2 no seal assembly is necessary, which is based on a direct physical contact between rotating and stationary parts. In particular, so here can be dispensed with mechanical seals, which have proven especially at high temperatures and / or high process pressures as problematic and prone to failure.
- a total of four storage chambers 11 are arranged one behind the other with respect to the axial direction, each of which is designed as an annular space about the axial direction A. All storage chambers 11 are provided in this embodiment in the shaft 5.
- a total of six storage chambers 11 are arranged one behind the other with respect to the axial direction, each of which is designed as an annular space about the axial direction A.
- the storage chambers 11 are provided alternately in the housing 4 or in a part which is stationary relative to the housing and in the shaft 5.
- the storage chambers 11 provided in the housing 4 have a different volume, in this case a larger volume than that provided in the shaft 5.
- the designed as an annular space storage chambers 11 in the shaft 5 or in the housing 4 are in the Fig. 2-4 each shown with a rectangular cross-section in a section along the axial direction A.
- this cross section may have other shapes, for example, the cross section may be U-shaped or V-shaped.
- the storage chambers 11 may be configured as sector-shaped recesses in the housing 4 and / or in the shaft, i. the storage chambers 11 do not have to extend over the entire circumference around the shaft 5 around.
- the volumes of the individual storage chambers 11 may be different (see, eg Fig. 3 ), Also, the volumes of those storage chambers 11 which are arranged in the housing 4, or those storage chambers 11 which are arranged in the shaft.
- a suitable choice of the number of storage chambers 11 depends on the particular application. For very many embodiments, it is advantageous if at least three storage chambers 11 and at most ten storage chambers 11 are provided.
- the total volume of all storage chambers 11 can be adapted to the particular application. As already mentioned, it is possible to determine an advantageous overall volume of the storage chambers 11 on the basis of the volume reduction of the barrier fluid in the cooling circuit to be expected during operation or in the event of a fault. For very many applications, it has proved to be advantageous if the total volume of all storage chambers 11 is at least 0.5% and at most 4%, preferably at most 3% and especially at most 2% of the volume available in the cooling circuit for the barrier fluid.
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Abstract
Es wird eine Pumpen-Antrieb-Einheit zum Fördern eines Prozessfluids vorgeschlagen, mit einem gemeinsamen Gehäuse (4), welches eine Pumpe (2) mit einem Laufrad (21) zur Rotation um eine axiale Richtung (A) und einen Antrieb (3) für die Pumpe (2) umschliesst, mit einer Welle (5) zum Antreiben des Laufrads (21), welche den Antrieb (3) mit der Pumpe (2) verbindet, und mit einer Drossel (13), welche sich um die Welle (5) herum erstreckt, und welche zwischen dem Laufrad (21) und dem Antrieb (3) vorgesehen ist, wobei das Gehäuse (4) einen Pumpeneinlass (22) und einen Pumpenauslass (23) für das Prozessfluid aufweist, wobei ein Einlass (43) für ein Sperrfluid vorgesehen ist, durch welchen das Sperrfluid in den Antrieb (3) einbringbar ist, und ein Auslass (44) für das Sperrfluid, durch welchen das Sperrfluid aus dem Gehäuse (4) abführbar ist, und wobei an der Welle (5) im Bereich zwischen der Drossel (13) und dem Antrieb (3) eine Mehrzahl von Speicherkammern (11) für das Sperrfluid vorgesehen ist, welche Speicherkammern (11) bezüglich der axialen Richtung (A) hintereinander angeordnet sind, wobei jeweils zwei benachbarte Speicherkammern (11) strömungsverbunden miteinander sind.There is proposed a pump-drive unit for conveying a process fluid, comprising a common housing (4) having a pump (2) with an impeller (21) for rotation about an axial direction (A) and a drive (3) for the pump (2) encloses, with a shaft (5) for driving the impeller (21) which connects the drive (3) with the pump (2), and with a throttle (13) which surrounds the shaft (5 ), which is provided between the impeller (21) and the drive (3), wherein the housing (4) comprises a pump inlet (22) and a pump outlet (23) for the process fluid, wherein an inlet (43) for a barrier fluid is provided, through which the barrier fluid in the drive (3) can be introduced, and an outlet (44) for the barrier fluid, through which the barrier fluid from the housing (4) can be discharged, and wherein on the shaft (5) in Region between the throttle (13) and the drive (3) a plurality of storage chambers (11) for the barrier fluid before It is seen which storage chambers (11) are arranged one behind the other with respect to the axial direction (A), wherein in each case two adjacent storage chambers (11) are in fluid communication with one another.
Description
Die Erfindung betrifft eine Pumpen-Antrieb-Einheit zum Fördern eines Prozessfluids gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.The invention relates to a pump-drive unit for conveying a process fluid according to the preamble of the independent claim.
Pumpen-Antrieb-Einheiten, bei denen eine Pumpe mit einem Laufrad und ein Antrieb für die Pumpe von einem gemeinsamen Gehäuse umschlossen sind, werden häufig für solche Anwendungen eingesetzt, bei welchen die Pumpe ganz oder vollständig in einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, eingetaucht ist, oder wenn die Pumpe an schwer zugänglichen Orten oder unter schwierigen Bedingungen oder Umgebungsbedingungen betrieben wird.Pump-drive units in which a pump with an impeller and a drive for the pump are enclosed by a common housing, are often used for those applications in which the pump is completely or completely in a liquid, eg. As water immersed, or when the pump is operated in hard to reach places or in difficult conditions or environmental conditions.
Ein Anwendungsbeispiel hierfür sind Pumpen, die für Wirbelschicht- oder Siedebettverfahren (ebullated bed process) in der kohlenwasserstoffverarbeitenden Industrie eingesetzt werden. Diese Verfahren dienen beispielsweise dazu, schwere Kohlenwasserstoffe, z. B. Schweröl, oder Raffinerierückstande zu reinigen oder in besser nutzbarere leichterflüchtige Kohlenwasserstoffe aufzubrechen. Dies geschieht häufig durch Beaufschlagung der schweren Kohlenwasserstoffe mit Wasserstoff, wobei die durchmischten Komponenten in einem Reaktor verwirbelt werden und dort mit Hilfe von Katalysatoren die schweren Kohlenwasserstoffe aufgebrochen werden. Um das Prozessfluid, das üblicherweise grösstenteils aus schweren Kohlenwasserstoffen besteht, im Siedebett- oder Wirbelschicht-Reaktor zu zirkulieren, werden spezielle Pumpen-Antrieb-Einheiten eingesetzt, für die sich die Bezeichnung Ebullatorpumpe (ebullating pump) eingebürgert hat. Diese Ebullatorpumpen sind als Zirkulationspumpen für das Prozessfluid in der Regel direkt am Reaktor vorgesehen und sind prozessbedingt derart ausgestaltet, dass die Pumpe bezüglich der Vertikalen oberhalb des Antriebs angeordnet ist. Ebullatorpumpen müssen unter extrem herausfordernden Bedingungen möglichst zuverlässig und über einen grossen Zeitraum im Dauerbetrieb arbeiten.An example of application for this are pumps which are used for the ebullated bed process in the hydrocarbon processing industry. These methods are used, for example, heavy hydrocarbons, eg. As heavy oil, or refinery residues to clean or break up into better usable volatile hydrocarbons. This is often done by charging the heavy hydrocarbons with hydrogen, the mixed components are swirled in a reactor and there with the aid of catalysts, the heavy hydrocarbons are broken. In order to circulate the process fluid, which usually consists mostly of heavy hydrocarbons, in the boiling-bed or fluidized-bed reactor, special pump-drive units are used, for which the term Ebullator pump (ebullating pump) has been naturalized. These Ebullatorpumpen are provided as circulation pumps for the process fluid usually directly on the reactor and are Process designed such that the pump is arranged with respect to the vertical above the drive. Ebullator pumps have to work as reliably as possible under extreme challenging conditions and over a long period of time in continuous operation.
Denn typischerweise steht das Prozessfluid prozessbedingt unter einem sehr hohen Druck von beispielsweise 200 bar oder mehr, und hat eine sehr hohe Temperatur von mehr als 400°C, z. B. 460°C. Daher ist das Gehäuse solcher Pumpen-Antrieb-Einheiten als Druckgehäuse ausgestaltet, welches diesen hohen Betriebsdrücken standhalten kann. Der Antrieb ist üblicherweise als Elektromotor ausgestaltet, der innerhalb des Gehäuses ebenfalls dem hohen Betriebsdruck ausgesetzt ist. Der Motor muss ausreichend gegen das Eindringen von Prozessfluid geschützt sein, weshalb der Motor üblicherweise mit einem Sperrfluid gefüllt ist oder von einem solchen durchströmt wird, das zusätzlich der Schmierung und der Wärmeabfuhr aus dem Motor dient. Dabei sind Ausführungsformen als komplett ölgefüllte Motoren oder als Spaltrohrmotoren (canned motor) oder als sogenannte "cable wound"-Motoren möglich.Because typically the process fluid is due to the process under a very high pressure of for example 200 bar or more, and has a very high temperature of more than 400 ° C, z. B. 460 ° C. Therefore, the housing of such pump-drive units is designed as a pressure housing, which can withstand these high operating pressures. The drive is usually designed as an electric motor, which is also exposed to the high operating pressure within the housing. The motor must be sufficiently protected against the ingress of process fluid, which is why the motor is usually filled with or flowed through a barrier fluid, which additionally serves for lubrication and heat removal from the engine. In this case, embodiments are possible as completely oil-filled motors or as canned motors (canned motor) or as so-called "cable wound" motors.
Bei komplett ölgefüllten Motoren sind sowohl der Rotor als auch der Stator komplett von der Sperrflüssigkeit umgeben, bzw. in diese eingetaucht. Daher muss für diese Ausführungsform das Sperrfluid ein dielektrischen Fluid, z.B. ein dielektrisches Öl, sein, um einen Kurzschluss im Motor zu vermeiden.In engines that are completely filled with oil, both the rotor and the stator are completely surrounded by the barrier fluid or submerged in it. Therefore, for this embodiment, the barrier fluid must be a dielectric fluid, e.g. a dielectric oil to avoid a short circuit in the motor.
Beim Spaltrohrmotor ist zwischen dem Stator und dem Rotor ein Spaltrohr vorgesehen, welches den Stator hermetisch gegenüber dem Rotor abschliesst, wobei der Rotor üblicherweise auch durch eine Ummantelung geschützt ist. Bei der Ausgestaltung als Spaltrohrmotor wird das Sperrfluid üblicherweise durch den Spalt zwischen Rotor und Spaltrohr geleitet.In the case of the canned motor, a gap tube is provided between the stator and the rotor, which terminates the stator hermetically with respect to the rotor, wherein the rotor is usually also protected by a jacket. In the embodiment as a canned motor, the barrier fluid is usually passed through the gap between the rotor and the can.
Beim cable-wound Motor sind die elektrischen Leitungen, mit denen die Statorwicklung gewickelt wird, mit einem elektrisch isolierenden Mantel umgeben.In the case of the cable-wound motor, the electrical cables with which the stator winding is wound are surrounded by an electrically insulating jacket.
Da beim Spaltrohrmotor und beim cable-wound Motor ein durch das Sperrfluid verursachter Kurzschluss nicht möglich ist, kann bei diesen Ausgestaltungen auch ein anderes Sperrfluid als ein dielektrisches Fluid verwendet werden. Dies ist für viele Anwendungen vorteilhaft u. a. auch aus dem Grund, dass man ein Sperrfluid mit möglichst optimalen Kühl- und Schmiereigenschaften wählen kann, ohne auf seine elektrischen Leiteigenschaften Rücksicht zu nehmen.Since the canned motor and the cable-wound motor caused by the barrier fluid short circuit is not possible in these Embodiments, a different barrier fluid may be used as a dielectric fluid. This is advantageous for many applications, among others, for the reason that you can choose a barrier fluid with the best possible cooling and lubricating properties, without taking into account its electrical conductivity properties.
Es sind auch Ausführungsformen bekannt, bei welchen das Prozessfluid selbst als Sperrfluid zur Kühlung und Schmierung des Motors verwendet wird, aber für viele Anwendungen ist es wesentlich, dass der Motor ausreichend gegen ein Eindringen des Prozessfluids geschützt ist. So enthalten beispielsweise schwere Kohlenwasserstoffe als Prozessfluid, die als Rückstände bei der Destillation von Erdöl übrig bleiben, sehr häufig chemisch aggressive und/oder abrasive Substanzen, sodass das Prozessfluid insbesondere im Antrieb oder auch in den Lagern zu erheblichen Schäden führen kann.Embodiments are also known in which the process fluid itself is used as a barrier fluid for cooling and lubricating the engine, but for many applications it is essential that the engine is sufficiently protected against ingress of the process fluid. For example, heavy hydrocarbons as process fluid, which are left as residues in the distillation of petroleum, very often contain chemically aggressive and / or abrasive substances, so that the process fluid can cause significant damage, especially in the drive or in the bearings.
Eine wichtige Funktion des Sperrfluids ist es somit, neben der Schmierung und der Kühlung den Antrieb der Pumpe ausreichend gegen das Eindringen von Prozessfluid zu schützen. Sehr häufig wird dabei das Sperrfluid in einem Kühlkreislauf geführt. Das Sperrfluid wird durch einen Einlass in den Antrieb eingebracht, durchströmt den Antrieb, beispielsweise durch den Spalt zwischen Rotor und Spaltrohr, sowie das pumpenseitige Radiallager der Welle und wird dann im Bereich zwischen dem Antrieb und der Pumpe durch einen Auslass abgeführt. Von diesem Auslass strömt das Sperrfluid über einen Wärmetauscher zurück zum Einlass. Um die Zirkulation des Sperrfluids in dem Kühlkreislauf zu gewährleisten, ist es bekannt, an der der Pumpe abgewandten Seite des Antriebs ein Hilfslaufrad vorzusehen, welches von der vom Motor angetriebenen Welle in Rotation versetzt wird und dadurch die Zirkulation des Sperrfluids im Kühlkreislauf bewirkt.An important function of the barrier fluid is thus, in addition to the lubrication and cooling to protect the drive of the pump sufficiently against the ingress of process fluid. Very often, the barrier fluid is guided in a cooling circuit. The barrier fluid is introduced through an inlet in the drive, flows through the drive, for example through the gap between the rotor and the can, and the pump-side radial bearing of the shaft and is then discharged in the area between the drive and the pump through an outlet. From this outlet, the barrier fluid flows back to the inlet via a heat exchanger. In order to ensure the circulation of the barrier fluid in the cooling circuit, it is known to provide an auxiliary impeller on the side of the drive facing away from the pump, which is set in rotation by the shaft driven by the motor and thereby causes the circulation fluid to circulate in the cooling circuit.
Häufig ist zusätzlich noch eine Injektionsvorrichtung zum Nachfüllen von Sperrfluid vorgesehen, mit welcher zusätzliches Sperrfluid entweder ausserhalb des Gehäuses in den Kühlkreislauf oder durch eine separate Eintrittsöffnung direkt in den Antrieb einbringbar ist. Dieses zusätzliche Einbringen von Sperrfluid dient in erster Linie dazu, Verluste auszugleichen, die dadurch entstehen, dass eine meist geringfügige Flussrate des Sperrfluids in das Prozessfluid vorgesehen ist. Wenn das aus dem Antrieb ausströmende Sperrfluid entlang der Welle strömt, wird das Sperrfluid nicht vollständig durch den Auslass abgeführt, sondern ein Teil fliesst oder kriecht an der Welle entlang in die Pumpe hinein und vermischt sich dort mit dem Prozessfluid. Dieser Vorgang ist beabsichtigt und wünschenswert, denn durch dieses Fliessen des Sperrfluids in die Pumpe hinein lässt es sich zuverlässig vermeiden, dass umgekehrt von der Pumpe Prozessfluid entlang der Welle in Richtung Antrieb fliesst bzw. in den Antrieb eindringt. Das Sperrfluid sperrt also durch das Fliessen in die Pumpe den umgekehrten Weg für das Prozessfluid von der Pumpe in den Antrieb.Frequently, an injection device for refilling blocking fluid is additionally provided, with which additional blocking fluid either outside the housing in the cooling circuit or through a separate inlet opening directly into the drive can be introduced. This additional introduction of barrier fluid serves primarily to compensate for losses caused by the fact that a mostly minor flow rate of the barrier fluid is provided in the process fluid. When the barrier fluid flowing out of the drive flows along the shaft, the barrier fluid is not completely exhausted through the outlet, but a part flows or creeps along the shaft into the pump and mixes there with the process fluid. This process is intended and desirable, because by this flow of the barrier fluid into the pump, it can be reliably avoided that inversely flows from the pump process fluid along the shaft in the direction of the drive or penetrates into the drive. The barrier fluid thus blocks by the flow in the pump the reverse path for the process fluid from the pump into the drive.
Um den Fluss des Sperrfluids in die Pumpe zu begrenzen bzw. auf einen geeigneten Wert zu beschränken, ist an der Welle in der Nähe ihres Eintritts in die Pumpe eine Einrichtung zum Erzeugen eines kontrollierten Leckageflusses vorgesehen. Diese Einrichtung kann beispielsweise in Form einer Gleitringdichtung ausgestaltet sein, bei welcher bekanntermassen ein direkter körperlicher Kontakt zwischen einem drehfest mit der Welle verbundenen Teil und einem bezüglich des Geäuses stationärem Teil herrscht, oder in Form einer Drossel, bei welcher kein direkter körperlicher Kontakt zwischen rotierenden und stationären Teilen existiert. Diese kontaktlose Drosseleinrichtung ist beispielsweise eine Drosselbuchse.In order to limit the flow of barrier fluid into the pump or to limit it to an appropriate value, a device for generating a controlled leakage flow is provided on the shaft in the vicinity of its entry into the pump. This device can be configured for example in the form of a mechanical seal, in which known direct physical contact between a non-rotatably connected to the shaft part and a stationary relative to the housing part, or in the form of a throttle, in which no direct physical contact between rotating and stationary parts exists. This non-contact throttle device is for example a throttle bushing.
Da, wie bereits erwähnt, solche Pumpen-Antrieb-Einheiten bei vielen Anwendungen extrem zuverlässig und in der Regel wartungsfrei über einen längeren Zeitraum im Dauerbetrieb arbeiten müssen, kommt der Betriebssicherheit der Pumpe eine enorm hohe Bedeutung zu. Insbesondere muss bei aggressiven oder für den Antrieb schädlichen Prozessfluiden sichergestellt sein, dass der Antrieb in ausreichender Weise gegen das Prozessfluid geschützt ist. Dies soll auch dann der Fall sein, wenn es zu Störungen im System kommt. Ein möglicher und kritischer Störfall ist beispielsweise eine Störung oder ein Ausfall der Injektionsvorrichtung für das Sperrfluid, weil dabei die Gefahr besteht, dass eine zu grosse Menge Prozessfluid in den Antrieb eindringt und diesen beschädigt. Falls der Kühlkreislauf für das Sperrfluid noch ordnungsgemäss funktioniert, kann die Pumpen-Antrieb-Einheit zwar prinzipiell auch ohne die Injektionsvorrichtung noch arbeiten, aber nur wenn keine Änderungen im Betriebszustand der Pumpen-Antrieb-Einheit oder im Kühlsystem auftreten. Ein Ausfall oder eine Störung der Sperrfluid-Injektion muss also nicht zwangsläufig ein Abschalten der Pumpen-Antrieb-Einheit bedingen. Es besteht durchaus die Möglichkeit, die Einheit zumindest über einen gewissen Zeitraum weiter zu betreiben, und während dieses Zeitraums die Störung an der Injektionsvorrichtung zu beheben.Since, as already mentioned, such pump-drive units in many applications must work extremely reliably and usually maintenance-free over a long period in continuous operation, the reliability of the pump is of tremendous importance. In particular, aggressive or damaging process fluids must ensure that the drive is adequately protected against the process fluid. This should be the case even if there are disruptions in the system. A possible and critical accident, for example, a failure or failure of the injection device for the barrier fluid, because there is a risk that an excessive amount of process fluid enters the drive and damage it. If the cooling circuit for the barrier fluid is still working properly, the pump-drive unit may work in principle without the injection device, but only if no changes in the operating state of Pump drive unit or occur in the cooling system. A failure or a malfunction of the barrier fluid injection must therefore not necessarily cause a shutdown of the pump-drive unit. It is quite possible to continue operating the unit for at least a period of time, and to remedy the malfunction of the injection device during this period.
Kommt es aber beim Ausfall des Injektionssystems beispielsweise zu einer Reduzierung des Volumens des Sperrfluids im Antrieb bzw. im Kühlkreislauf, so wird das Prozessfluid quasi in den Antrieb hineingesaugt und führt dort zu erheblichen Schäden. In Ebullatorpumpen, bei denen üblicherweise der Antrieb unterhalb der Pumpe angeordnet ist, kann dieser Effekt noch durch die Gravitation unterstützt werden. Eine Volumenreduzierung des Sperrfluids kann neben ungewollten Leckagen, z.B. in den Leitungen, mehrere Ursachen haben: Beispielsweise kann die Temperatur des Kühlwassers, das üblicherweise in dem Wärmetauscher zum Kühlen des Sperrfluids verwendet wird, sinken, wodurch sich das Sperrfluid abkühlt und thermisch bedingt kontrahiert. Oder wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe reduziert wird, führt dies auch zu einer Volumenreduzierung des Sperrfluids. Auch wenn die Pumpen-Antrieb-Einheit abgeschaltet werden muss, führt dies schliesslich zu einer Volumenreduzierung des Sperrfluids. Somit besteht dann die erhebliche Gefahr, dass der Antrieb durch das Prozessfluid beschädigt oder sogar irreparabel zerstört wird.If, however, the failure of the injection system, for example, to a reduction in the volume of the barrier fluid in the drive or in the cooling circuit, the process fluid is sucked into the drive virtually and there leads to significant damage. In Ebullatorpumpen, where usually the drive is arranged below the pump, this effect can be supported by the gravity. A volume reduction of the barrier fluid may occur in addition to unwanted leaks, e.g. For example, the temperature of the cooling water commonly used in the heat exchanger to cool the barrier fluid may decrease, causing the barrier fluid to cool and thermally contract. Or if the rotational speed of the pump is reduced, this also leads to a volume reduction of the barrier fluid. Even if the pump-drive unit has to be switched off, this ultimately leads to a reduction in volume of the barrier fluid. Thus, there is the considerable risk that the drive is damaged by the process fluid or even irreparably destroyed.
Dieser Problematik widmet sich die Erfindung. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Pumpen-Antrieb-Einheit zum Fördern eines Prozessfluids bereitzustellen, bei welcher auch bei einer Störung in der Versorgung mit Sperrfluid gewährleistet ist, dass es zu keiner Schädigung des Antriebs durch das Prozessfluid kommt. Insbesondere soll diese Pumpen-Antrieb-Einheit auch als Ebullatorpumpe einsetzbar sein.This problem is addressed by the invention. It is therefore an object of the invention to provide a pump-drive unit for conveying a process fluid, in which it is ensured even in the event of a fault in the supply of barrier fluid that there is no damage to the drive by the process fluid. In particular, this pump-drive unit should also be used as Ebullatorpumpe.
Der diese Aufgabe lösenden Gegenstand der Erfindung ist durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gekennzeichnet.The object of the invention solving this object is characterized by the features of the independent claim.
Erfindungsgemäss wird also eine Pumpen-Antrieb-Einheit zum Fördern eines Prozessfluids vorgeschlagen, mit einem gemeinsamen Gehäuse, welches eine Pumpe mit einem Laufrad zur Rotation um eine axiale Richtung und einen Antrieb für die Pumpe umschliesst, mit einer Welle zum Antreiben des Laufrads, welche den Antrieb mit der Pumpe verbindet, und mit einer Drossel, welche sich um die Welle herum erstreckt, und welche zwischen dem Laufrad und dem Antrieb vorgesehen ist, wobei das Gehäuse einen Pumpeneinlass und einen Pumpenauslass für das Prozessfluid aufweist, wobei ein Einlass für ein Sperrfluid vorgesehen ist, durch welchen das Sperrfluid in den Antrieb einbringbar ist, und ein Auslass für das Sperrfluid, durch welchen das Sperrfluid aus dem Gehäuse abführbar ist, und wobei an der Welle im Bereich zwischen der Drossel und dem Antrieb eine Mehrzahl von Speicherkammern für das Sperrfluid vorgesehen ist, welche Speicherkammern bezüglich der axialen Richtung hintereinander angeordnet sind, wobei jeweils zwei benachbarte Speicherkammern strömungsverbunden miteinander sind.According to the invention, therefore, a pump-drive unit for conveying a process fluid is proposed, with a common housing, which a pump with an impeller for rotation about an axial direction and a drive for the pump encloses, with a shaft for driving the impeller, which connects the drive to the pump, and with a throttle, which extends around the shaft, and which is provided between the impeller and the drive, the housing having a pump inlet and a pump outlet for the process fluid, wherein an inlet for a barrier fluid is provided, through which the barrier fluid is introduced into the drive, and an outlet for the barrier fluid through which the barrier fluid can be discharged from the housing, and wherein a plurality of storage chambers for the barrier fluid is provided on the shaft in the region between the throttle and the drive, which storage chambers are arranged one behind the other with respect to the axial direction, wherein each two adjacent storage chambers are fluidly connected to each other.
Kommt es nun zu einem Betriebszustand, beispielsweise durch eine Störung in der Zufuhr für das Sperrfluid, bei welchem nicht mehr genügend Volumen an Sperrfluid in dem Antrieb bzw. in dem Gehäuse zur Verfügung steht, um ein Fliessen von dem Sperrfluid durch die Drossel in die Pumpe zu ermöglichen, so beginnt das Prozessfluid entlang der Welle aus der Pumpe auszutreten, gelangt durch die Drossel und in die erste der Speicherkammern. Da diese noch mit dem reinen Sperrfluid gefüllt ist, kommt es hier zu einer Vermischung des Prozessfluids mit dem Sperrfluid, wodurch das Prozessfluid stark verdünnt wird. Diese Mischung aus Prozessfluid und Sperrfluid gelangt dann als verunreinigtes Sperrfluid in die nächste Speicherkammer, die noch mit reinem Sperrfluid gefüllt ist. In dieser Speicherkammer wird das Prozessfluid dann durch das reine Sperrfluid noch weiter verdünnt. In der letzten Speicherkammer, welche dem Antrieb am nächsten ist, ist das Prozessfluid dann am stärksten verdünnt. Selbst wenn dann das mit Prozessfluid verunreinigte Sperrfluid in der Folge in den Antrieb eindringen sollte, so ist das Prozessfluid derart stark verdünnt, dass es nicht zu einer Schädigung des Antriebs kommt.Now comes to an operating condition, for example, by a disturbance in the supply for the barrier fluid, in which no longer sufficient volume of barrier fluid in the drive or in the housing is available to flow from the barrier fluid through the throttle in the pump to allow the process fluid along the shaft to exit the pump, passes through the restrictor and into the first of the storage chambers. Since this is still filled with the pure barrier fluid, it comes here to a mixing of the process fluid with the barrier fluid, whereby the process fluid is greatly diluted. This mixture of process fluid and barrier fluid then passes as contaminated barrier fluid in the next storage chamber, which is still filled with pure barrier fluid. In this storage chamber, the process fluid is then further diluted by the pure barrier fluid. In the last storage chamber, which is closest to the drive, the process fluid is then diluted the most. Even if then the process fluid contaminated barrier fluid should subsequently penetrate into the drive, so the process fluid is so heavily diluted that it does not lead to damage to the drive.
Beim Auftreten einer solchen Störung, bei der nicht mehr genügend Volumen an Sperrfluid zur Verfügung steht, gibt es dann zwei Möglichkeiten. Die erste Mögklichkeit ist, dass die Störung so schwerwiegend ist, dass sie nicht in kurzer Zeit behoben werden kann. Dann muss die Pumpen-Antrieb-Einheit abgeschaltet werden, wobei durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung gewährleistet ist, dass beim Abschalten der Pumpe -wenn überhaupt - nur eine geringe Menge von stark verdünntem Prozessfluid in Form des verunreinigten Sperrfluids in den Antrieb eindringen kann, was jedoch nicht zu einer Schädigung des Antriebs führt. Somit ist ein sicheres Abschalten der Pumpen-Antrieb-Einheit gewährleistet, ohne dass dabei der Antrieb durch eindringendes Prozessfluid geschädigt wird.When such a disturbance occurs, in which there is no longer sufficient volume of barrier fluid available, there are two options. The first possibility is that the disorder is so serious that it can not be remedied in a short time. Then the pump drive unit needs be switched off, which is ensured by the inventive design that when switching off the pump - if anything - only a small amount of highly diluted process fluid in the form of contaminated barrier fluid can penetrate into the drive, but this does not lead to damage to the drive. Thus, a safe shutdown of the pump-drive unit is ensured, without causing the drive is damaged by penetrating process fluid.
Die zweite Möglichkeit ist, dass die Störung relativ kurzfristig behoben werden kann. In diesem Falle muss die Pumpen-Antrieb-Einheit nicht abgeschaltet werden. Wie oben beschrieben, wird beim Auftreten der Störung das Prozessfluid in den in axialer Richtung hintereinander angeordneten Speicherkammern sukzessive verdünnt. Wird die Störung nun behoben, so steht wieder eine ausreichende Menge von reinem Sperrfluid zur Verfügung. Dieses drückt dann das verunreinigte Sperrfluid aus den Speicherkammern in Richtung Pumpe heraus, sodass das verunreinigte Sperrfluid aus den Speicherkammern in die Pumpe gespült wird. Dies gilt in sinngemäss gleicher Weise auch für den Fall, dass bereits eine gewisse Menge an mit Prozessfluid verunreinigtem Sperrfluid in den Antrieb eingedrungen ist. Auch dieses wird dann durch die Zufuhr des reinen Sperrfluids aus dem Antrieb abgeführt, sodass eine Schädigung des Antriebs durch das Prozessfluid wirkungsvoll verhindert wird.The second possibility is that the disturbance can be remedied relatively quickly. In this case, the pump-drive unit does not have to be shut down. As described above, when the disturbance occurs, the process fluid is successively diluted in the storage chambers arranged one behind the other in the axial direction. If the fault is now remedied, then there is again a sufficient amount of pure barrier fluid available. This then pushes out the contaminated barrier fluid from the storage chambers towards the pump so that the contaminated barrier fluid from the storage chambers is flushed into the pump. This applies analogously to the same case also for the case that already a certain amount of process fluid contaminated barrier fluid has penetrated into the drive. This is then removed by the supply of pure barrier fluid from the drive, so that damage to the drive is effectively prevented by the process fluid.
Somit ist auf jeden Fall gesichert, dass beim Auftreten einer solchen Störung eine Schädigung des Antriebs durch das Prozessfluid verhindert wird, entweder durch eine Wiederaufnahme der Zufuhr von reinem Sperrfluid oder durch ein kontrolliertes und sicheres Abschalten der Pumpen-Antrieb-Einheit.Thus, in any event, it is ensured that upon occurrence of such a disturbance damage to the drive by the process fluid is prevented, either by a resumption of the supply of pure barrier fluid or by a controlled and safe shutdown of the pump-drive unit.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Ausgestaltung mit den Speicherkammern ist darin zu sehen, dass es zwischen dem Antrieb bzw. dem am Antrieb pumpenseitig vorgesehenen Radiallager und der Pumpe keiner Dichtungsanordnung an der Welle bedarf, bei der es zu einem direkten körperlichen Kontakt zwischen einem rotierenden Teil - also drehfest mit der Welle verbundenen Teil - und einem bezüglich des Gehäuses stationären Teil kommt, also beispielsweise einer Gleitringdichtung. Die Drossel und dieSpeicherkammern funktionieren kontaktfrei in dem Sinne, dass sie die rotierende Welle nicht berührt. Dies ist insbesondere bei solchen Ausgestaltungen vorteilhaft, bei denen das Prozessfluid unter einem sehr hohen Druck steht, z. B. mindestens 200 bar, und/oder eine sehr hohe Temperatur hat, z. B. mindestens 400°C. Insbesondere bei solchen Anwendungen sind nämlich Gleitringdichtungen problematisch und weniger betriebssicher, beispielsweise weil es bei einer Abnahme des Volumens des Sperrfluids im Antrieb zur Ausbildung eines Gegendrucks kommt, der über der Gleitringdichtung anliegt. Die kontaktlose Ausgestaltung gemäss der Erfindung zeichnet sich dem gegenüber durch eine höhere Betriebssicherheit und eine geringere Störanfälligkeit aus.A particular advantage of the inventive design with the storage chambers is the fact that there is no need for a seal assembly on the shaft between the drive or the drive on the pump side provided radial bearing and the pump, in which there is a direct physical contact between a rotating part - So rotatably connected to the shaft part - and a stationary part with respect to the housing comes, so for example a mechanical seal. The throttle and the storage chambers function non-contact in the sense that they are the rotating shaft not touched. This is particularly advantageous in those embodiments in which the process fluid is under a very high pressure, for. B. at least 200 bar, and / or has a very high temperature, for. At least 400 ° C. In particular, in such applications, namely mechanical seals are problematic and less reliable, for example, because it comes with a decrease in the volume of the barrier fluid in the drive to form a back pressure, which rests on the mechanical seal. The contactless design according to the invention is characterized by the opposite by a higher reliability and a lower susceptibility to interference.
Aus fertigungstechnischen Gründen ist es bevorzugt, wenn jede Speicherkammer als Ringraum um die axiale Richtung ausgestaltet ist.For manufacturing reasons, it is preferred if each storage chamber is designed as an annular space around the axial direction.
Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung sind jeweils zwei benachbarte Speicherkammern durch einen Drosselspalt strömungsverbunden, wobei die Welle jeweils eine Bregrenzungsfläche des Drosselspalts bildet.According to a preferred embodiment, in each case two adjacent storage chambers are flow-connected through a throttle gap, wherein the shaft forms a respective Bregrenzungsfläche of the throttle gap.
Die geeignete Anzahl von Speicherkammern hängt natürchlich vom jeweiligen Anwendungsfall bzw. von der konkreten Ausgestaltung der Pumpen-Antrieb-Einheit ab, beispielsweise von dem Volumen, das im Antrieb für das Sperrfluid zur Verfügung steht, von der Grösse und der Leistung der Pumpe oder vom zu fördernden Prozessfluid. In der Praxis hat es sich bewährt, wenn mindestens drei und höchstens zehn Speicherkammern vorgesehen sind.The appropriate number of storage chambers depends of course on the particular application or on the specific design of the pump-drive unit from, for example, the volume that is available in the drive for the barrier fluid, the size and performance of the pump or to promoting process fluid. In practice, it has proven useful if at least three and at most ten storage chambers are provided.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens eine der Speicherkammern im Gehäuse vorgesehen, beispielsweise als ringförmige Nut, welche sich um die Welle herum erstreckt.In a preferred embodiment, at least one of the storage chambers is provided in the housing, for example as an annular groove which extends around the shaft.
Es sind auch solche Ausgestaltungen möglich, bei welchen mindestens eine der Speicherkammern in der Welle vorgesehen ist, beispielsweise als ringförmige Nut, die sich über den Umfang der Welle erstreckt.There are also such embodiments possible, in which at least one of the storage chambers is provided in the shaft, for example as an annular groove which extends over the circumference of the shaft.
Aus fertigungstechnischen Gründen ist es besonders bevorzugt, wenn alle Speicherkammern im Gehäuse vorgesehen sind.For manufacturing reasons, it is particularly preferred if all storage chambers are provided in the housing.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Auslass und der Einlass für das Sperrfluid durch eine Leitung miteinander verbunden, sodass ein Kühlkreislauf für das Sperrfluid ausgebildet ist, wobei der Kühlkreislauf einen Wärmetauscher umfasst.In a preferred embodiment, the outlet and the inlet for the barrier fluid are connected by a conduit, so that a cooling circuit for the barrier fluid is formed, wherein the cooling circuit comprises a heat exchanger.
Um eine möglichst kompakte und einfache Ausgestaltung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher für den Kühlkreislauf am Gehäuse montiert ist. Der Wärmetauscher kann beispielsweise mittels einer Flanschverbindung oder mittels Verschraubung am Gehäuse befestigt sein.In order to enable the most compact and simple design, it is advantageous if the heat exchanger for the cooling circuit is mounted on the housing. The heat exchanger can be fastened to the housing, for example, by means of a flange connection or by screwing.
Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Injektionsvorrichtung zum Nachfüllen von Sperrfluid vorgesehen.According to a preferred embodiment, an injection device is provided for refilling barrier fluid.
Eine geeignete Abmessung der Speicherkammern hängt natürlich von der jeweiligen Ausgestaltung der Pumpen-Antrieb-Einheit und insbesondere von dem für das Sperrfluid zur Verfügung stehenden Volumen ab und ist daher für den konkreten Anwendungsfall zu ermitteln. Bevorzugt weisen die Speicherkammern ein Gesamtvolumen auf, welches mindestens so gross, und vorzugsweise doppelt so gross, ist, wie die thermisch bedingte Volumenänderung des Sperrfluids im Kühlkreislauf bei einer Temperaturabnahme des Sperrfluids um einen vorgebbaren Wert. Im jeweiligen Anwendungsfall kann man also beispielsweise zunächst das Volumen bestimmen, welches für das Sperrfluid im gesamten Kühlkreislauf inklusive dem im Antrieb zur Verfügung stehenden Volumen vorgesehen ist. Ferner schätzt man die Temperaturänderung ab, die typischerweise im Betriebszustand in dem im Kühlkreislauf befindlichen Sperrfluid auftreten kann. Für das im Anwendungsfall verwendete Sperrfluid kann man nun mit Hilfe des thermischen Expansionskoeffizienten die Volumenänderung des Sperrfluids berechnen, die durch eine solche Temperaturänderung verursacht wird. Als Gesamtvolumen aller Speicherkammern wählt man dann einen Wert der mindestens so gross und vorzugsweise doppelt so gross ist wie die ermittelte Volumenänderung des Sperrfluids.A suitable dimension of the storage chambers of course depends on the particular configuration of the pump-drive unit and in particular on the volume available for the barrier fluid and is therefore to be determined for the specific application. Preferably, the storage chambers have a total volume which is at least as large, and preferably twice as large, as the thermally induced volume change of the barrier fluid in the cooling circuit at a temperature decrease of the barrier fluid by a predetermined value. In the particular application, it is thus possible, for example, first of all to determine the volume which is provided for the blocking fluid in the entire cooling circuit, including the volume available in the drive. Furthermore, one estimates the temperature change, which can typically occur in the operating state in the barrier fluid in the cooling circuit. For the barrier fluid used in the application, it is now possible with the help of the thermal expansion coefficient to calculate the volume change of the barrier fluid, which is caused by such a temperature change. The total volume of all storage chambers is then chosen to be at least as large and preferably twice as large as the determined volume change of the barrier fluid.
Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn das Gesamtvolumen aller Speicherkammern mindestens 0.5% und höchstens 4%, vorzugsweise höchstens 3%, des im Kühlkreislauf für das Sperrfluid zur Verfügung stehenden Volumens ist.For many applications, it is advantageous if the total volume of all storage chambers at least 0.5% and at most 4%, preferably at most 3%, of the volume available in the cooling circuit for the barrier fluid.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse als Druckgehäuse ausgestaltet, vorzugsweise für einen Betriebsdruck von mindestens 200 bar.In a preferred embodiment, the housing is designed as a pressure housing, preferably for an operating pressure of at least 200 bar.
Für viele praktische Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Pumpen-Antrieb-Einheit für ein Prozessfluid ausgestaltet ist, das eine Temperatur von mehr als 400°C aufweist.For many practical applications, it is advantageous if the pump-drive unit is designed for a process fluid having a temperature of more than 400 ° C.
Die erfindungsgemässe Ausgestaltung ist insbesondere für eine solche Pumpen-Antrieb-Einheit geeignet, bei welcher der Antrieb bezüglich der Vertikalen unterhalb der Pumpe angeordnet ist oder bezüglich der Horizontalen neben der Pumpe angeordnet ist. Auf die normale Gebrauchslage der Pumpen-Antrieb-Einheit bezogen bedeutet dies, dass die Pumpe im gemeinsamen Gehäuse oberhalb oder neben dem Antrieb angeordnet ist.The inventive design is particularly suitable for such a pump-drive unit, wherein the drive is arranged with respect to the vertical below the pump or is arranged with respect to the horizontal next to the pump. Related to the normal position of use of the pump-drive unit, this means that the pump is arranged in the common housing above or next to the drive.
Eine für die Praxis besonders wichtige Ausführungsform ist es, wenn die Pumpen-Antrieb-Einheit als Ebullatorpumpe für die Zirkulation eines Prozessfluids ausgestaltet ist.A particularly important embodiment for practice is when the pump-drive unit is designed as an Ebullator pump for the circulation of a process fluid.
Weitere vorteilhafte Massnahmen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantageous measures and embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen, teilweise im Schnitt:
- Fig. 1:
- ein teilweise schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Pumpen-Antrieb-Einheit,
- Fig. 2:
- eine vergrösserte Schnittdarstellung der Drossel und der Speicherkammern des Ausführungsbeispiels aus
Fig. 1 an der Welle zwischen Antrieb und Pumpe, - Fig. 3:
- wie
Fig. 2 , aber für eine erste Variante der Drosseleinrichtung, - Fig. 4:
- wie
Fig. 2 , aber für eine zweite Variante der Drosseleinrichtung, und - Fig. 5:
- ein Diagramm zur Veranschaulichung der Konzentration des Prozessfluids in den Speicherkammern beim Auftreten einer Störung.
- Fig. 1:
- a partially schematic sectional view of an embodiment of an inventive pump-drive unit,
- Fig. 2:
- an enlarged sectional view of the throttle and the storage chambers of the embodiment
Fig. 1 on the shaft between drive and pump, - 3:
- as
Fig. 2 but for a first variant of the throttle device, - 4:
- as
Fig. 2 but for a second variant of the throttle device, and - Fig. 5:
- a diagram illustrating the concentration of the process fluid in the storage chambers in the event of a fault.
Im Speziellen ist die Pumpen-Antrieb-Einheit 1 in diesem Ausführungsbeispiel als Ebullatorpumpe (ebullating pump) ausgestaltet. Wie eingangs erwähnt handelt es sich bei Ebullatorpumpen um Pumpen-Antrieb-Einheiten, die für Wirbelschicht- oder Siedebettverfahren (ebullated bed process) in der kohlenwasserstoffverarbeitenden Industrie eingesetzt werden. Diese Verfahren werden dazu eingesetzt, schwere Kohlenwasserstoffe, die beispielsweise bei der Erdölraffinerie im Boden der Trennkolonnen zurückbleiben, zu reinigen, beispielsweise zu entschwefeln und/oder in leichtere Kohlenwasserstoffe aufzubrechen, die dann als Destillate wirtschaftlicher nutzbar sind. Als ein Beispiel für schwere Kohlenwasserstoffe sei hier Schweröl genannt, das bei der Raffinerie von Erdöl zurückbleibt. In einem bekannten Verfahren wird die Ausgangssubstanz, also die schweren Kohlenwasserstoffe wie z. B. Schweröl, erhitzt, mit Wasserstoff vermischt und dann als Prozessfluid in den Wirbelschicht- oder Siedebettreaktor (ebullated bed reaktor). In dem Reaktor erfolgt dann die Reinigung bzw. das Aufbrechen des Prozessfluids mit Hilfe von Katalysatoren, die in dem Reaktor in Schwebe gehalten werden, um einen möglichst innigen Kontakt mit dem Prozessfluid zu gewährleisten. Für die Versorgung des Reaktors mit dem Prozessfluid bzw. für die Zirkulation des Prozessfluids verwendet man eine Ebullatorpumpe, die typischerweise direkt an den Reaktor montiert wird.In particular, the
Da das Prozessfluid prozessbedingt unter einem sehr hohen Druck von beispielsweise mindestens 200 bar und unter einer sehr hohen Temperatur von beispielsweise über 400°C steht, muss auch die Ebullatorpumpe für solche Drücke und Temperaturen ausgelegt sein. Insbesondere ist dabei das Gehäuse 4 der als Pumpen-Antrieb-Einheit ausgestalteten Ebullatorpumpe 1, welches die Pumpe 2 und den Antrieb 3 umschliesst, als Druckgehäuse ausgestaltet, dass diesen hohen Betriebsdrücken von beispielsweise 200 bar oder mehr sicher standhalten kann. Zudem ist die Ebullatorpumpe auch so ausgestaltet, dass sie ein heisses Prozessfluid, welches eine Temperatur von mehr als 400°C aufweist, gefahrlos förden kann.Since the process fluid is due to the process under a very high pressure of, for example, at least 200 bar and a very high temperature, for example, above 400 ° C, and the Ebullatorpumpe must be designed for such pressures and temperatures. In particular, in this case, the housing 4 of the designed as a pump-
Im Folgenden wird also mit beispielhaftem Character auf den für die Praxis wichtigen Anwendungsfall Bezug genommen, dass die Pumpen-Antrieb-Einheit 1 als eine solche Ebullatorpumpe ausgestaltet ist. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf solche Ausgestaltungen bzw. Anwendungen beschränkt ist. Die erfindungsgemässe Pumpen-Antrieb-Einheit 1 kann auch für andere Anwendungen ausgestaltet sein, beispielsweise als Tauchpumpe, die während des Betriebs ganz oder teilweise in eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, eingetaucht ist. insbesondere ist die Erfindung für solche Pumpen-Antrieb-Einheiten geeignet, bei welchen der Antrieb 3 bezüglich der Vertikalen unterhalb der Pumpe 2 angeordnet ist (Vertikalpumpe), oder bei welchen der Antrieb 3 bezüglich der Horizontalen neben der Pumpe 2 angeordnet ist (Horizontalpumpe). Eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels als Horizontalpumpe entspricht dabei z. B. einer Darstellung , die sich durch Rotation der
Bei dem in
Zum Antreiben des Laufrads 21 ist der Antrieb 3 vorgesehen, der hier in an sich bekannter Weise als elektrischer Spaltrohrmotor (canned motor) ausgestaltet ist. Der Antrieb 3 umfasst einen innenliegenden Rotor 31 sowie einen aussenliegenden, den Rotor 31 umgebenden Stator 32. Zwischen dem Rotor 31 und dem Stator 32 ist ein Spaltrohr 33 vorgesehen, welches in bekannter Weise den Stator hermetisch gegenüber dem Rotor 31 abdichtet. Der Rotor 31 ist drehfest mit einer Welle 5 verbunden, welche sich in axialer Richtung A erstreckt und andererseits drehfest mit dem Laufrad 21 der Pumpe 2 verbunden ist, sodass die Pumpe 2 durch den Antrieb 3 antreibbar ist.For driving the
Bezüglich der axialen Richtung A unmittelbar oberhalb und unmittelbar unterhalb des Antriebs 3 ist jeweils ein Radiallager 6 für die radiale Lagerung der Welle 5 vorgesehen. Unterhalb des darstellungsgemäss unteren Radiallagers 6 ist ein Axiallager 7 für die Welle 5 vorgesehen. Ferner ist am darstellungsgemäss unteren Ende der Welle 5 noch ein Zirkulationslaufrad 8 für ein Sperrfluid vorgesehen, das ebenfalls drehfest mit der Welle 5 verbunden ist und das als Radiallaufrad ausgestaltet ist. Dessen Funktion wird weiter hinten erläutert. Das Zirkulationslaufrad 8 kann auch zwischen der Pumpe 2 und dem Antrieb 3 auf der Welle 5 vorgesehen sein.With respect to the axial direction A immediately above and immediately below the
Während des Betriebs der Pumpe 2 fördert diese das Prozessfluid vom Pumpeneinlass 22 zum Pumpenauslass 23. Im Falle von schweren Kohlenwasserstoffen wie z. B. Schweröl als Prozessfluid aber auch bei anderen Prozessfluiden, beispielsweise chemisch aggressiven Substanzen oder verunreinigten Fluiden, ist es notwendig, Massnahmen zu treffen, dass das Prozessfluid nicht oder zumindest nicht in schädlicher Menge in den Antrieb 3 eindringen kann. Ein solches Eindringen wäre beispielsweise möglich, wenn das Prozessfluid entlang der Welle 5 aus der Pumpe 2 austritt und in der Folge entlang der Welle 5 in den Antrieb 3 eindringt. Aus diesem Grunde ist ein Sperrfluid vorgesehen, beispielsweise ein Öl, insbesondere ein Schmier- oder Kühlöl, dessen eine Funktion es ist, das Eindringen von Prozessfluid in den Antrieb 3 zu verhindern. Daneben erfüllt das Sperrfluid auch die Funktion als Kühlfluid Wärme abzuführen und als Schmiermittel den Antrieb 3 sowie die Radiallager 6 und das Axiallager 7 zu schmieren. Die von dem Sperrfluid abzuführende Wärme umfasst sowohl die Wärme, die während des Betriebs des Antriebs 3 durch diesen generiert wird, als auch solche Wärme, welche von dem heissen Prozessfluid auf die Welle 5 oder auf das Gehäuse 4 übertragen wird. Während der Prozessdruck im Antrieb 3 und in der Pumpe 2 im Wesentlichen der gleiche ist, so ist die Betriebstemperatur in der Pumpe 2 deutlich höher als im Antrieb 3. Während beispielsweise das Laufrad 21 im Wesentlichen die gleiche Temperatur annimmt wie das Prozessfluid, also hier beispielsweise über 400°C, liegt die Temperatur im Antrieb 3 deutlich niedriger, beispielsweise im Bereich von 60°C. Somit hat das Sperrfluid auch die Funktion, die von dem heissen Laufrad 21 auf die Welle 5 übertragene Wärme abzuführen.During operation of the
Für die Versorgung mit dem Sperrfluid ist am Gehäuse 4 sowohl ein Einlass 43 für das Sperrfluid vorgesehen, durch welchen das Sperrfluid in den Antrieb 3 einbringbar ist sowie ein Auslass 44 für das Sperrfluid, durch welchen das Sperrfluid aus dem Gehäuse 4 abführbar ist. Vorzugsweise ist - wie in
Der Einlass 43 für das Sperrfluid ist darstellungsgemäss am unteren Ende des Gehäuses 4 vorgesehen, sodass das Sperrfluid nicht nur den Antrieb 3 durchströmt, sondern auch die beiden Radiallager 6 sowie das Axiallager 7, wodurch diese geschmiert und gekühlt werden. Darstellungsgemäss oberhalb des oberen Radiallagers 6 wird das Sperrfluid dann zum Auslass 44 geführt und gelangt über die Leitung 91 zum Wärmetauscher 9, wo das Sperrfluid Wärme abgibt. Vom Wärmetauscher 9 wird das Sperrfluid dann durch die Leitung 91 zurück zum Einlass 43 geführt, wodurch sich der Kühlkreislauf schliesst.The
Das bereits erwähnte Zirkulationslaufrad 8, welches von der Welle 5 angetrieben wird, dient dazu, das Sperrfluid durch den Kühlkreislauf zu zirkulieren. Der Einlass 43 ist dem Zirkulationslaufrad 8 gegenüberliegend angeordnet, sodass das Zirkulationslaufrad 8 das Sperrfluid in axialer Richtung A durch den Einlass 43 ansaugt. Das von dem Zirkulationslaufrad 8 geförderte Sperrfluid durchströmt das Axiallager 7 sowie das untere Radiallager 6, wird dann in den Antrieb 3 eingebracht, durchströmt dort den Spalt zwischen dem Rotor 31 und dem Spaltrohr 33, tritt aus dem Antrieb 3 aus, fliesst durch das obere Radiallager 6 und wird dann zum Auslass 44 geführt, von wo das Sperrfluid durch die Leitung 91 und den Wärmetauscher 9 zurück zum Einlass 44 zirkuliert wird.The already mentioned
Durch das im Kühlkreislauf zirkulierende Sperrfluid wird das Eindringen von Prozessfluid in die Lager 6,7 und insbesondere in den Antrieb 3 verhindert, denn das strömende Sperrfluid sperrt den Durchgang für das Prozessfluid entlang der Welle 5 in den Antrieb 3.The circulation fluid circulating in the cooling circuit prevents the penetration of process fluid into the
Um die Betriebssicherheit der Pumpen-Antrieb-Einheit 1 noch zu erhöhen und beispielsweise Volumenschwankungen des Sperrfluids im Kühlkreislauf zu kompensieren, ist ferner eine Injektionsvorrichtung 92 zum Nachfüllen bzw. zum Einspeisen von Sperrfluid in den Kühlkreislauf vorgesehen. Die nicht im Detail dargestellte Injektionsvorrichtung 92 umfasst eine Quelle bzw. einen Vorratsbehälter für das Sperrfluid und ist über ein Rückschlagventil 93 mit dem Kühlkreislauf verbunden. Dabei ist es möglich - wie in
Während des normalen, d.h. störungsfreien Betriebs der Pumpen-Antrieb-Einheit 1 wird die Injektonsvorrichtung 92 dazu genutzt, einen gewollten und kontrollierten Leckagestrom des Sperrfluids entlang der Welle 5 in die Pumpe 2 auszugleichen. Das aus dem Antrieb 3 austretende und durch das obere Radiallager 6 fliessende Sperrfluid wird nicht vollkommen durch den Auslass 44 abgeführt. Ein Teil des Sperrfluids generiert einen Leckagestrom entlang der Welle 5 in die Pumpe 2 und vermischt sich dort mit dem Prozessfluid, was jedoch keine negativen Auswirkungen hat. Durch diesen Leckagestrom in die Pumpe 2 hinein wird es effizient verhindet, dass in umgekehrter Richtung Prozessfluid entlang der Welle 5 aus der Pumpe 2 herausströmen kann. Die für diese Leckageströmung notwendige Menge an Sperrfluid wird dem Kühlkreislauf kontinuierlich durch die Injektionsvorrichtung 92 zugeführt, d.h. im normalen Betrieb ersetzt die Injektionsvorrichtung 92 die Menge an Sperrfluid, die durch die Leckageströmung in das Prozessfluid eingebracht wird. Ferner kompensiert die Injektionsvorrichtung 92 Volumenänderungen des im Kühlkreislauf befindlichen Sperrfluids. Solche Volumenänderungen können beispielsweise bei Änderungen der Drehzahl der Pumpe 2 auftreten, oder bei Temperaturänderungen oder während des Anfahrens oder des Abschaltens der Pumpen-Antrieb-Einheit 1.During normal, ie, trouble-free operation of the
Der Leckagestrom ist üblicherweise nicht besonders stark und beträgt beispielsweise im normalen Betrieb etwa 20 bis 30 Liter/StundeThe leakage current is usually not particularly strong and is for example in normal operation about 20 to 30 liters / hour
Kommt es nun zu einer Störung in der Injektionsvorrichtung 92 bzw. im Injektionssystem für das Sperrfluid, beispielsweise zu einem Ausfall der Injektionsvorrichtung 92, sodass die Injektionsvorrichtung 92 kein oder nicht ausreichend Sperrfluid in den Kühlkreislauf nachliefern kann, so führt dies nicht unweigerlich zu der Gefahr, dass der Antrieb 3 durch eindringendes Prozessfluid geschädigt wird, weil in dem Kühlkreislauf noch ausreichend Sperrfluid zirkuliert wird, um das Prozessfluid von dem Antrieb 3 fernzuhalten.If there is now a malfunction in the
Kommt es nun bei einer solchen Störung der Injektionsvorrichtung 92 zusätzlich zu einer Volumenabhahme des noch im Kühlkreislauf befindlichen Sperrfluids, kann ein Zustand auftreten, bei dem nicht mehr genügend Volumen an Sperrfluid in dem Antrieb 3 bzw. in dem Gehäuse 4 zur Verfügung steht, um ein Fliessen von dem Prozessfluid entlang der Welle 5 aus der Pumpe 2 heraus in Richtung des Antriebs 3 zu verhindern. Eine solche Volumenabnahme kann mehrere Ursachen haben. Beispielsweise kann die Temperatur des Wärmeträgers, z.B. Kühlwasser, abnehmen, an welchen das Sperrfluid im Wärmetauscher 9 Wärme abgibt, oder die Drehzahl, d.h. die Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe 2 nimmt ab, oder die Pumpen-Antriebs-Einheit 1 wird abgeschaltet.If, in such a disturbance of the
Um auch bei solchen Zuständen, bei denen es zu einer Volumenreduktion des im Kühlkreislauf befindlichen Sperrfluids kommt, den Antrieb 3 in ausreichender Weise gegen ein Eindringen von Prozessfluid zu schützen, ist erfindungsgemäss an der Welle 5 im Bereich zwischen der Pumpe 2 und dem Antrieb 3 eine Kombination vorgesehen, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und eine Drossel 13 sowie eine Mehrzahl von Speicherkammern 11 umfasst.
Zwischen derjeigen Speicherkammer 11, welche der Pumpe 2 bzw. dem Laufrad 21 am nächsten ist, darstellungsgemäss also der oberste Speicherkammer 11, und dem Laufrad 21 der Pumpe 2 ist die Drossel 13 angeordnet, die hier als Drosselbuchse 13 ausgestaltet ist, welche sich in an sich bekannter Weise um die Welle 5 herum erstreckt, ohne dabei die Welle 5 zu berühren. Die Drosselbuchse 13 ist stationär bezüglich des Gehäuses 4 angeordnet bzw. montiert. Die Drosselbuchse 13 ist derart ausgestaltet, dass sie im normalen, d.h. störungsfreien Betrieb der Pumpen-Antrieb-Einheit 1 den Volumenstrom des Sperrfluids in die Pumpe 2 auf einen kontrollierten Leckagestrom begrenzt. Es versteht sich, dass die Ausgestaltung der Drossel als Drosselbuchse 13 nur beispielhaft zu verstehen ist. Als Drossel 13 eignet sich jede an sich bekannte Vorrichtung, mit der in kontaktfreier Weise ein kontrollierter Leckagestrom des Sperrfluids generierbar ist. So kann beispielsweise die der Welle 5 zugewandte Oberfläche der Drossel 13 glatt bzw. unstrukturiert ausgestaltet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Drossel 13 als eine Labyrinthdrossel 13 ausgestaltet ist, welche in an sich bekannter Weise auf ihrer der Welle zugewandten Oberfläche mehrere Nuten und Stege aufweist, die ein kammartiges Profil bilden, das üblicherweise als Labyrinth bezeichnet wird.Between the
Die fünf Speicherkammern 11 (siehe
In der in
Im normalen, störungsfreien Betrieb der Pumpen-Antrieb-Einheit 1 wird, wie bereits beschrieben, das Sperrfluid mittels des Zirkulationslaufrads 8 in dem Kühlkreislauf zirkuliert, wobei die Rückführung des Sperrfluids zum Auslass 44 beispielsweise - wie in
Das Sperrfluid wird aber nicht vollständig durch den Auslass 44 zurückgeführt, sondern es existiert ein kontrollierter Leckagestrom des Sperrfluids von dem Antrieb 3 durch die fünf Speicherkammern 11 und die Drosselbuchse 13 in die Pumpe 2 hinein. Dieser Leckagestrom verhindert in zuverlässiger Weise, dass in umgekehrter Richtung Prozessfluid von der Pumpe 2 entlang der Welle 5 in Richtung des Antriebs strömen kann. Das Volumen an Sperrflüssigkeit, das durch den kontrollierten Leckagestrom in die Pumpe 2 und damit in das Prozessfluid eingebracht wird, geht dem Kühlkreislauf verloren, wird aber mittels der Injektionsvorrichtung 92 durch neues Sperrfluid ersetzt, das in den Kühlkreislauf eingebracht wird.However, the barrier fluid is not returned completely through the
Kommt es nun, wie bereits beschrieben, zu einer Störung in der Nachlieferung des Sperrfluids, beispielsweise zu einem Ausfall der Injektionsvorrichtung 92, sodass dem Kühlkreislauf kein oder nicht ausreichend viel Sperrfluid nachgeliefert werden kann, und dann zu einem Zustand, der zu einer Volumenabnahme des Sperrfluids im Kühlkreislauf führt, so schützt die erfindungsgemässe Ausgestaltung mit den Speicherkammern 11 für das Sperrfluid den Antrieb 3 in ausreichender Weise gegen ein Eindringen des Sperrfluids, wie im Folgenden anhand von
Ein Ausfall der Nachlieferung von Sperrfluid verbunden mit einer Volumenabnahme des Sperrfluids im Kühlkreislauf führt dazu, dass das Prozessfluid nun aus der Pumpe 2 entlang der Welle 5 austreten kann, bzw. je nach Umständen in Richtung des Antriebs 3 gesaugt wird. Dies ist in
Durch diese Vermischung mit dem reinen Sperrfluid ist das Prozessfluid in der letzten Speicherkammer 11 vor dem Antrieb 3, welches gegebenenfalls in den Antrieb 3 vordringen kann, bereits so stark verdünnt, dass es vorerst keine Schädigung des Antriebs 3 verursachen kann.As a result of this mixing with the pure barrier fluid, the process fluid in the
Um eine möglichst gute Durchmischung des Prozessfluids mit dem Sperrfluid in den Speicherkammern 11 zu bewirken, kann es vorteilhaft sein, den Strömungsweg für das Prozessfluid durch die Kombination 10 mit weiteren Massnahmen so zu gestalten, dass es zu Verwirbelungen kommt, um die Vermischung des Prozessfluids mit dem in den Speicherkammern 11 befindlichen Sperrfluid zu fördern. In der Ausgestaltung gemäss
Wenn nun die Störung beim Nachfüllen des Sperrfluids in den Kühlkreislauf behoben ist, also beispielsweise die Injektionsvorrichtung 92 wieder ordnungsgemäss arbeitet, so wird durch das neu zugeführte Sperrfluid das mit dem Prozessfluid verunreinigte Sperrfluid sowohl aus dem Antrieb 3 (falls es bis dorthin vorgedrungen ist) als auch sukzessive aus den Speicherkammern 11 heraus gedrückt und in die Pumpe 2 gefördert. Nach diesem Spülen des Antriebs 3 und der Speicherkammern 11 sind dann der Antrieb 3 und die Speicherkammern 11 wieder mit reinem Sperrfluid gefüllt, sodass der normale Betrieb fortgesetzt werden kann.Now, if the fault is corrected when refilling the barrier fluid in the cooling circuit, so for example, the
Natürlich ist ein wirksamer Schutz des Antriebs von der Dauer der Störung in der Nachlieferung von Sperrfluid in den Kühlkreislauf abhängig. Sollte es zu lange dauern, bis diese Störung behoben ist, oder beispielsweise eine ungewollte Leckage im Kühlkreislauf durch beschädigte Leitungen oder undichte Verbindungsstellen auftreten, so ermöglicht es die erfindungsgemässe Ausgestaltung immer noch, dass die Pumpen-Antrieb-Einheit abgeschaltet werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass beim Abschaltvorgang Prozessfluid in einer für den Antrieb 3 schädlichen Menge in den Antrieb eindringen kann.Of course, effective protection of the drive depends on the duration of the disturbance in the subsequent delivery of barrier fluid into the refrigeration cycle. Should it take too long until this fault is corrected, or, for example, an undesired leakage in the cooling circuit caused by damaged lines or leaking joints, it still allows the inventive design that the pump-drive unit can be switched off without the There is danger that at Shutdown Process fluid can penetrate into the drive in an amount that is harmful to the
Das Diagramm in
Auf der Zeitachse gibt t1 den Zeitpunkt an, zu welchem beim Auftreten der oben beschriebenen Störung das Prozessfluid beginnt, in die erste Speicherkammer 11 einzutreten, d.h. kurz vor dem Zeitpunkt t1 sind gerade noch alle fünf Speicherkammern 11 mit reinem Sperrfluid gefüllt. Ab dem Zeitpunkt t1 dringt das Prozessfluid mit einer konstanten Flussrate in die erste Speicherkammer 11 ein. Diese Flussrate ist in etwa so, dass pro Zeitintervall t2-t1 eine Menge von Prozessfluid in die erste Speicherkammer 11 eintritt, die etwa einem Viertel des Volumens der ersten Speicherkammer 11 entspricht.On the time axis t1 indicates the time at which the process fluid begins to enter the
Das Diagramm in
Somit ist gewährleistet, dass über einen längeren Zeitraum, wenn überhaupt, nur stark verdünntes Prozessfluid in den Antrieb 3 eindringen kann, was üblicherweise nicht zu einer Schädigung des Antriebs 3 führt.This ensures that over a longer period of time, if at all, only highly diluted process fluid can penetrate into the
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Ausgestaltung ist dabei, dass zwischen dem Antrieb 3 bzw. dem oberen Radiallager 6 und der Pumpe 2 keine Dichtungsanordnung notwendig ist, welche auf einem direkten körperlichen Kontakt zwischen rotierenden und stationären Teilen beruht. Insbesondere kann hier also auf Gleitringdichtungen verzichtet werden, welche sich speziell bei hohen Temperaturen und/oder hohen Prozessdrücken als problematisch und störanfällig erwiesen haben.A particular advantage of the inventive design is that between the
Im Folgenden werden anhand der
Bei der ersten in
Bei der zweiten in
Die in den
Die als Ringraum ausgestalteten Speicherkammern 11 in der Welle 5 oder im Gehäuse 4 sind in den
Auch können die Speicherkammern 11 als sektorförmige Ausnehmungen im Gehäuse 4 und/oder in der Welle ausgestaltet sein, d.h. die Speicherkammern 11 müssen sich nicht über den gesamten Umfang um die Welle 5 herum erstrecken.Also, the
Auch können die Volumen der individuellen Speicherkammern 11 unterschiedlich sein (siehe z.B.
Eine geeignete Wahl der Anzahl der Speicherkammern 11 hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Für sehr viele Ausgestaltungen ist es vorteilhaft, wenn mindestens drei Speicherkammern 11 und höchstens zehn Speicherkammern 11 vorgesehen sind.A suitable choice of the number of
Auch das Gesamtvolumen aller Speicherkammern 11 lässt sich an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen. Wie bereits erwähnt, kann man ein vorteilhaftes Gesamtvolumen der Speicherkammern 11 anhand der im Betrieb bzw. im Störungsfall zu erwartenden Volumenreduktion des Sperrfluids im Kühlkreislauf bestimmen. Für sehr viele Anwendungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Gesamtvolumen aller Speicherkammern 11 mindestens 0.5% und höchstens 4% vorzugsweise höchstens 3% und speziell höchstens 2% des im Kühlkreislauf für das Sperrfluid zur Verfügung stehenden Volumens beträgt.Also, the total volume of all
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