НАСОС
PUMP

Изобретение относится к насосу, в частности к циркуляционному насосу, который включает в себя расположенное в корпусе насоса лопастное колесо, с помощью которого текучая среда может транспортироваться от входного отверстия корпуса насоса к выходному отверстию корпуса насоса. Ротор электромотора посредством вала механически связан с лопастным колесом, так что благодаря вращению ротора лопастное колесо может приводиться в соответствующее движение вращения. Далее насос включает в себя средство для охлаждения ротора электромотора.
Для повышения эффективности работы циркуляционных насосов известно, что для повышения их коэффициента полезного действия их изготовляют из особенно дорогостоящих материалов. Такие циркуляционные насосы называются высокопродуктивными циркуляционными насосами. Так, например, стержни короткого замыкания ротора изготовлены из меди, вместо часто используемого алюминия. Разумеется, недостатком этих высокопродуктивных циркуляционных насосов является высокая стоимость.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить насос, при котором возможно повышение коэффициента полезного действия более простым и экономичным способом.
Эта задача решается с помощью насоса с признаками п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения отражены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Насос согласно изобретению включает в себя установленное в корпусе насоса лопастное колесо, с помощью которого текучая среда может транспортироваться от входного отверстия насоса корпуса насоса к выходному отверстию насоса корпуса насоса. Насос включает в себя далее электромотор, ротор которого посредством вала механически связан с лопастным колесом, так что благодаря вращению ротора лопастное колесо может приводиться в соответствующее движение вращения. Кроме того, предусмотрено средство для охлаждения ротора электромотора, образованное термосифоном, расположенным в валу, причем лопастное колесо служит для снижения тепла в рабочей среде термосифона.
Изобретение использует то обстоятельство, что в электромоторах более эффективное охлаждение ротора приводит к повышению коэффициента полезного действия. В насосах согласно изобретению используется этот эффект, и в валу ротора применяется термосифон вала. Благодаря охлаждению вала охлаждается также ротор электромотора, вследствие чего достигается желательное повышение коэффициента полезного действия. Тепло, отведенное от ротора, через термосифон отдается лопастному колесу, находящемуся в жидкости, например нагревающей жидкости, причем колесо насоса служит или рассчитано в качестве конденсатора. Следствием этого является то, что тепловые потери ротора электромотора возвращаются в циркуляционный контур для жидкости. Если он, как упоминается, является контуром системы нагревания, то также может повышаться этот эффект, так как тепло подается нагревающей воде.
Насос согласно изобретению имеет далее, кроме того, преимущество в том, что он может изготовляться более экономично по сравнению с высокопродуктивными циркуляционными насосами, известными из уровня техники, так как могут применяться традиционные материалы, в частности стержни короткого замыкания ротора из алюминия. Но, кроме того, можно также еще раз повысить коэффициент полезного действия уже оптимизированных высокопродуктивных циркуляционных насосов. На основе уже меньших потерь высокопродуктивных циркуляционных насосов следует ожидать как раз меньшего повышения продуктивности, чем в случае традиционных циркуляционных насосов. Тем не менее, установка термосифона в валу и использование лопастного колеса для снижения тепла делает возможным дальнейшее повышение коэффициента полезного действия.
Согласно предпочтительному варианту выполнения для образования термосифона в валу предусмотрено отверстие, проходящее в продольном направлении, в котором циркулирует рабочая среда на основе изменения агрегатного состояния между жидким и газообразным состоянием. При этом целесообразно, если отверстие проходит по всей ширине ротора электромотора, чтобы можно было осуществить, по возможности, большую подачу тепла в рабочую среду в термосифоне. Кроме того, далее предпочтительно, если отверстие образовано в области опорных участков электромотора. Дополнительно для охлаждения ротора также сравниваются и снижаются температуры опор на опорных участках, благодаря чему повышается срок службы изнашиваемых деталей, работающих с высокой нагрузкой.
В одном варианте выполнения вал имеет центральную часть и концевую часть, которая жестко связана с центральной частью и на которой закреплено лопастное колесо, причем отверстие в центральной части выполнено цилиндрическим, а отверстие в концевой части выполнено коническим. Благодаря этому варианту выполнения обеспечена циркуляция рабочей среды, находящейся в процессе работы насоса в различных агрегатных состояниях. Циркуляция рабочей среды, в противоположность обычным термосифонам, становится возможной не с помощью капиллярных сил, а благодаря усилиям вращения. К тому же коническая форма отверстия в концевой части вала необходима, чтобы отжимать рабочую среду обратно, в направлении ротора электромотора.
Конкретный вариант выполнения предусматривает, что электромотор и, по меньшей мере, одна область центральной части вала расположены влагонепроницаемо в части корпуса, причем концевая часть вала расположена вне части корпуса. В частности, концевая часть и центральная часть вала на стороне наружного периметра окружены уплотнением, причем уплотнение расположено предпочтительно вне части корпуса и прилегает к сквозному отверстию для вала. Часть корпуса может представлять, например, корпус мотора, окружающий электромотор. Часть корпуса и корпус насоса в практическом варианте выполнения могут быть комбинированы друг с другом. Уплотнение обеспечивает, чтобы жидкость, перемещаемая с помощью лопастного колеса, не входила в контакт с компонентами электромотора, что могло бы привести к его выходу из строя.
Согласно другому варианту выполнения в коническом отверстии концевой части предусмотрено устройство со спицей, проходящей в радиальном направлении от центральной ступицы, чтобы улучшить образование пленки конденсата рабочей среды на конической стенке концевой части. Устройство расположено предпочтительно в коническом отверстии и предназначено для лучшей циркуляции рабочей среды в термосифоне.
Далее целесообразно, если диаметр отверстия, в частности, в центральной части по отношению к диаметру вала таков, что, по меньшей мере, заданный момент вращения может передаваться на лопастное колесо. Благодаря тому, что в валу предусмотрено отверстие, уменьшается момент вращения, передаваемый от электромотора на лопастное колесо. При конструктивном формировании термосифона, поэтому, следует обратить внимание на то, что, по меньшей мере, необходимый момент вращения можно передавать от вала еще и на лопастное колесо. В соответствующем случае расположение термосифона в валу может привести к тому, что диаметр вала должен быть увеличен, чтобы еще можно было обеспечить необходимые рабочие параметры насоса.
Далее оказалось, что эффективность термосифона особенно высока в том случае, если стенки отверстия шероховатые. Это означает, что, в частности, при введении отверстий в центральную и концевую часть вала, не является необходимым дополнительно обрабатывать стенки отверстия специальным способом. Напротив, оказалось, что эффективность термосифона наиболее высока в том случае, если после выполнения отверстия оно не подвергается никаким дальнейшим этапам обработки отверстия. Благодаря этому наряду с максимальным повышением коэффициента полезного действия затраты на изготовление термосифона могут поддерживаться на низком уровне.
Далее целесообразно рабочую среду вводить в отверстие под вакуумом, и благодаря установке уплотнительных средств она в течение длительного времени находится в отверстии без потерь. В качестве рабочей среды предусмотрен хладагент, в частности, вода, FC72, R124a, R600a, изобутан и т.д. с температурой испарения менее 100°С. В принципе, в качестве рабочей среды пригоден любой хладагент, который имеет температуру испарения меньше, чем тепло, производимое ротором электромотора.
В другом варианте выполнения вал имеет на своем конце, противолежащем концевой части, вне корпуса, ступицу, которая предусмотрена для соединения с лопастным колесом для охлаждения электромотора. Дополнительное лопастное колесо может способствовать дальнейшему снижению тепла для термосифона. В принципе, выполнение термосифона согласно изобретению с лопастным колесом в качестве устройства для снижения тепла делает, однако, излишней установку другого лопастного колеса.
Согласно дальнейшему варианту выполнения вал во вмонтированном положении расположен горизонтально или расположен таким образом, что относительно направления силы тяжести лопастное колесо на концевой части вала лежит выше, чем центральная часть вала. В обоих этих случаях гарантирована функциональная способность термосифона для снижения температуры ротора электромотора. В других положениях вмонтирования, отличающихся от этих, больше нельзя обеспечить охлаждение ротора. Хотя в этом случае больше невозможно никакое повышение коэффициента полезного действия, все же насос может работать без проблем с обычным коэффициентом полезного действия.
Изобретение поясняется далее более подробно на основе примера выполнения, представленного в чертеже.
Единственная фигура показывает сечение насоса согласно изобретению, который используется, например, в качестве циркуляционного насоса в нагревательном контуре.
Насос, представленный на фигуре, имеет лопастное колесо 2, расположенное в корпусе 1a, 3 насоса, состоящем из двух частей. Корпус 1a насоса имеет входное отверстие 1c насоса, например от нагревателя, которое впадает в собирательный канал 1b. Собирательный канал 1b проходит спиралеобразно в радиальном направлении лопастного колеса 2 и выходит в выходное отверстие 1d насоса корпуса 1a насоса. Выходное отверстие 1d насоса, например с входным отверстием связано с образованием нагревательного корпуса. Корпус 3 насоса в примере выполнения образован монолитно с корпусом электромотора и имеет сквозное отверстие 14 для вала 7, который соединяет лопастное колесо с ротором электромотора 6 механически непосредственно, т.е. без подключенной в промежутке передачи. Электромотор 6 расположен в корпусе 5 мотора. Для того чтобы достичь уплотнения электрических компонентов, предусмотренных в корпусе 5 мотора, против жидкости, например воды, перемещаемой лопастным колесом 2, вне корпуса 5 мотора в области сквозного отверстия 14 предусмотрено уплотнение 4. Уплотнение 4 прилегает к внешнему краю сквозного отверстия 4 и соединено с тарельчатой пружиной 13, которая расположена на валу 7 на стороне наружного периметра.
Вал 7 выполнен из двух частей и имеет центральную часть 9a, 9b (с различными лишь в качестве примера диаметрами) и концевую часть 10, соединенную с нею. Как в центральной части 9a, 9b, так и в концевой части 10 образовано отверстие, выполненное относительно оси вращения. В центральной части отверстие сквозное, цилиндрической формы. В концевой части 10 отверстие выполнено в конической форме. Как можно позаимствовать из фигуры, лопастное колесо 2 соединено с концевой частью 10 вала 7. Центральная часть 9a, 9b и концевая часть 10 связаны между собой таким образом, что рабочая среда, введенная в отверстие 8 под вакуумом, находится в отверстии в течение длительного времени без потерь. В качестве рабочей среды в отверстии 8 предусмотрен хладагент, который имеет температуру испарения предпочтительно меньше 100°С. В качестве хладагента может использоваться, например, вода, R124a, R600a, FC72, изобутан и т.д.
Благодаря выполнению отверстия 8 в валу 7 с описанной формой отверстий в центральной части 9 и концевой части 10, а также с введением хладагента в отверстие 8 образован термосифон, расположенный в валу, при котором лопастное колесо 2, соединенное с валом, служит в качестве устройства для снижения тепла для хладагента термосифона. С помощью термосифона достигается охлаждение ротора электромотора и его опорных участков 15, 16. При работе электромотора температуры вблизи ротора достигают значений приблизительно 150-300°С, вследствие чего хладагент, находящийся в отверстии 8, начинает испаряться. В положении вмонтирования, в котором вал циркуляционного насоса расположен горизонтально или расположен таким образом, что лопастное колесо 2 на концевой части 10 вала 7 лежит выше относительно направления силы тяжести, чем центральная часть 9a, 9b вала, хладагент, превращенный в пар, вследствие вращения вала вытесняется в направлении концевой части 10 вала 7. Лопастное колесо 2 расположено в жидкости, которая, например, в случае нагревательного контура имеет температуру максимально 70°С и представляет собой конденсатор термосифона.
Вследствие более низких температур лопастного колеса 2, а также вследствие конической формы отверстия 8 в области концевой части рабочее средство, превращенное в пар, конденсируется и благодаря вращающемуся валу 7 прижимается к стенкам конического отверстия концевой части 10. Благодаря конической форме отверстия 8 в области концевой части 10 обеспечено, что конденсированная рабочая среда отжимается в направлении центральной части 9a, 9b, пока она снова не попадет в область электромотора 6 (и, тем самым, источника тепла) и там снова не будет испаряться. Рабочая среда циркулирует, таким образом, в отверстии 8 вала 7 по причине изменения своего агрегатного состояния между жидким и газообразным состоянием. Вследствие этого отходящее тепло отводится от электромотора и через лопастное колесо вводится в жидкость, перемещаемую с его помощью. Циркуляция рабочей среды термосифона, образованного в валу 7, основывается при этом, в противоположность традиционным термосифонам, не на капиллярных силах, а на усилиях вращения, возникающих в валу 7 во время работы.
В результате это способствует охлаждению ротора электромотора 6, а также опорных участков 15, 16 вала 7 в области электромотора 6, благодаря чему повышается коэффициент полезного действия. Одновременно потерянное тепло, которое отводится от электромотора 6, может возвращаться обратно в контур жидкости, в котором находится лопастное колесо 2.
Представленный на фигуре пример выполнения насоса согласно изобретению имеет необязательную ступицу 12, выступающую с валом 7 из корпуса 5 мотора, которая расположена на конце вала 7, противоположном концевой части. Ступица 12 служит для приема обычного лопастного колеса, чтобы optional (по выбору) способствовать дальнейшему охлаждению электромотора.
Диаметр отверстия 8, в частности, в центральной части 9a, 9b, должен иметь такой размер по отношению к диаметру вала 7, чтобы, по меньшей мере, заданный момент вращения мог передаваться на лопастное колесо 2. В представленном примере выполнения вал 7 в своей центральной части 9a, 9b имеет участки различного диаметра и, тем самым, участки с различной толщиной стенок для передачи требуемого момента вращения. Это представление не является обязательным и принудительным. Независимо от толщины стенок вала 7 в различных участках центральной части 9a, 9b отверстие 8 в центральной части 9a, 9b имеет по всей длине одинаковый диаметр, так что циркуляция рабочей среды в отверстии 8 обеспечена.
При изготовлении отверстия 8 в валу нет необходимости в дополнительной обработке стенок отверстия 8. Напротив, оказалось, что эффективность работы термосифона тем больше, чем более шероховатыми являются стенки отверстия 8. Все же целесообразно в определенных случаях удалять смазочные материалы, нанесенные на них при изготовлении отверстия 8, так как они могут оказывать негативное влияние на агрегатное состояние рабочей среды.
Термосифон, установленный в валу 7 циркуляционного насоса, может быть предусмотрен как в обычных насосах, как, например, циркуляционный насос, так и в так называемых высокопродуктивных насосах. Если термосифон встроен в обычный насос, то насосы можно реализовать со значительно более благоприятными коэффициентами полезного действия, сравниваемыми с коэффициентами полезного действия высокопродуктивных насосов, так как при изготовлении насосов можно обратиться к более дешевым материалам.
Например, в случае стандартных насосов с асинхронными двигателями в диапазоне 10-29 кВт достигается повышение продуктивности на 1,5%. Установка термосифона в валу высокопродуктивного насоса приводит также в этом случае к повышению коэффициента полезного действия, причем повышение коэффициента полезного действия все же меньше, чем в случае обычных насосов, так как высокопродуктивные насосы уже с самого начала имеют меньшие потери.