DE10063941C1

DE10063941C1 - Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage

Info

Publication number: DE10063941C1
Application number: DE10063941A
Authority: DE
Inventors: Guenter Gensch; Joerg-Hinrich Krebs
Original assignee: Krebs & Aulich GmbH
Current assignee: Krebs & Aulich GmbH
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2002-07-25
Anticipated expiration: 2020-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage, insbesondere solcher, die im Havariefall betrieben werden und deren Funktionssicherheit über Mindestzeiträume bei erhöhten Rauchgastemperaturen mit direkter Einwirkung auf den Antrieb gewährleistet sein muß. DOLLAR A Dieser ist dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch beanspruchten und den Einsatzbereich begrenzenden Systembaugruppen des Antriebs einzeln oder insgesamt eine Depotkühlung besitzen, deren Kühlmedium eine Wärmemenge W¶1¶ zur Änderung des Aggregatzustandes in Form von Schmelz- oder Verdampfungswärme aufweist, die größer oder gleich einer Wärmemenge W¶2¶ als Summe der sich aus der Verlustleistung des Antriebes ergebenden Eigenwärmemenge W¶21¶ und der über die Oberläche des Antriebes aus dem Rauchgas übertragenen Wärmemenge W¶22¶ ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb einer Rauch- und Wärmeab zugsanlage.

Der erfindungsgemäße Antrieb findet insbesondere in Rauch- und Wärmeab zugsanlagen Anwendung, die im Havariefall betrieben werden und deren Funk tionssicherheit über Mindestzeiträume bei erhöhten Rauchgastemperaturen mit direkter Einwirkung auf den Antrieb gewährleisten sein muß.

Rauchabzugsanlagen sind z. B. in der DE-PS 198 25 420 beschrieben - dort wird eine solche Einrichtung offenbart, die eine günstigere Kanalbelüftung von Verkehrsbauten mit in Serie geschalteten Jet-Ventilatoren zur Realisierung der Single-Point-Absaugung zum Ziele hat. Die Verdichtung des Brandgases durch Kühlung mit Wasser beeinflusst den Volumenstrom. In der Brandzone wird der Ausfall der Lüfter angenommen. Ein Hinweis auf die Gestaltung der Antriebe für den Einsatz in der Brandzone kann aus dieser Schrift jedoch nicht abgeleitet werden.

Die Entwicklung der Bau- und Anlagentechnik setzt den natürlich wirkenden Rauch- und Wärmeabzugsanlagen, d. h. der Nutzung von Öffnungen in den Um fassungswänden auf kürzestem Wege, dem geeigneten Zufluß von Außenluft und der Kaminwirkung, Grenzen. Diese Grenzen werden sowohl vom Volu menstrom als auch der Qualität der zufließenden Außenluft, ausgedrückt z. B. im Reinheitsgrad, wirksam bestimmt.

Dem Vorteil, den erforderlichen Volumenstrom mit Eintritt der Havarie und Inbe triebsetzung einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage unabhängig von der Tem peraturdifferenz Δ im unteren Bereich, z. B. Δ ≦ 150 K, zur Verfügung zu ha ben, stehen die Aufwendungen für Aufstellung, für Zusatzeinrichtungen zur Kühlung, für erhöhte Leistungsbemessung und spezielle Auslegung des Antrie bes der Rauch- und Wärmeabzugsanlagen entgegen, die sich aus der begrenz ten thermischen Beanspruchbarkeit des Antriebes ableiten.

Diesen Nachteilen begegnend, sind Lösungen bekannt geworden, die eine Aufstellung des Antriebes der Rauch- und Wärmeabzugsanlage außerhalb des thermisch beanspruchten Gebäudeteils vorsehen. Hoher Kostenaufwand und eingeschränkte Ausführbarkeit für die Bautechnik und die Kraftübertragung en gen den Einsatzrahmen dieser Lösungen ein (s. Quenzel, K.-H.: Rauch- und Wärmeabzugsanlagen, Brain Verlag 1981, ISBN 3-923170-00-9, S. 69 ff).

Den Antrieb getrennt vom Rauchgas zu belüften und zu kühlen bzw. die thermi sche Einwirkung des heißen Rauchgases auszuschließen, setzt zusätzliche technische Einrichtungen und deren betriebssichere Versorgung im Havariefall voraus (s. Quenzel, ebenda).

Um die bisher genannten Nachteile zu umgehen, sind Lösungen geschaffen worden, die Antriebe größerer Leistung, als sich aus der notwendigen Gasför dermenge ergeben würden, vorschlagen (s. Quenzel, S. 117 ff). Der Kosten aufwand dieser Lösungen ist gegenüber den vorher genannten Lösungen gerin ger, erfordert aber die Anpassung des Ventilators an die gesteigerte Baugröße des Antriebes. Werden die Rauch- und Wärmeabzugsanlagen im Havariefall von einem Notstromaggregat gespeist, so sind insbesondere die Einschalt ströme der überdimensionierten Antriebe äußerst kostenbildend. Der Gewinn möglicher Betriebszeit im Havariefall ist wenig markant, da diese im wesentli chen nur um die Differenz der Eigenerwärmung und um eine untergeordnete Erhöhung der thermischen Zeitkonstante des Antriebes erweitert wird. Sonder ausführungen der Antriebe beeinflussen die zeitabhängigen Grenzbelastungen. Dabei werden im wesentlichen die Systemgruppen Lager, elektrische Isolation und Anschlußtechnik einzeln oder summarisch angepaßt. Verfügbares Material und konstruktiv zu beachtende thermisch bedingte Maßänderungen im zu ge währleistenden Bereich setzen objektive Grenzen der Anwendbarkeit dieser Lö sungen. Die Kosten für die Sonderausführungen sind nicht unbedeutend.

Andere Ausführungsformen von Antrieben verwenden Mittel und Einrichtungen wie intern geschlossene Gas- und Flüssigkeitskreisläufe und/oder Wärmerohre zur Beeinflussung der Temperaturverteilung innerhalb des Antriebes und zur Übertragung an das Kühlmedium. Solche Lösungen sind vorgeschlagen worden z. B. in Markert, W: Einsatz von Wärmerohren zur Kühlung elektrischer Maschinen, Elektrie, 36, 1982, S. 30-32 oder in Dethlefsen, R. u. a.: Feasibility of an insulating Heat Pipe, IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-101, 9, 1982, S. 3001-3008. Auch in der DE-PS 198 08 602 C1 und der DE-PS 197 42 255 C1 sind derartige Lösungen offenbart worden. Ihnen al len gemeinsam ist jedoch eine unzureichende Wirkung hinsichtlich einer deut lich verbesserten Betriebssicherheit des betreffenden Antriebs im Brandfalle: Der im Antrieb gebildete Temperaturgradient ist wesentlich kleiner als der durch das Brändgas zu erwartende - ein Einsatz eines äußeren Kühlmittels ist nicht zu umgehen.

Ziel der Erfindung ist es daher, eine Lösung für die Gestaltung eines elektri schen Antriebes zu finden, die eine weitgehend serienangepaßte Ausführung hinsichtlich eingesetzter Materialien für die begrenzenden Systemgruppen zuläßt, in den aktiven Anbauabmessungen den Serienmotoren entspricht und bei Einsatz im Rauchgas dessen thermische Einwirkung auf die Systembau gruppen über die vorgesehenen Betriebszeiten im Havariefall ausschließt bzw. die Überschreitung der zeitabhängigen thermischen Grenzbelastungen verhin dert.

Daher wird zur Lösung dieser Aufgabe ein elektrischer Antrieb für Rauch- und Wärmeabzugsanlagen vor geschlagen und beansprucht, der gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgestaltet ist.

Dabei besteht das Wesen der Erfindung darin, daß dem elektrischer Antrieb, zugeordnet den Systembaugruppen, eine Depotkühlung eingefügt ist, deren Wärmemenge W₁ zur Änderung des Aggregatzustandes eines Kühlmediums der Wärmemenge W₂ als Summe der sich aus der Verlustleistung des Antriebes ergebenden Eigenwärmemenge W₂₁ und der über die Oberfläche des Antriebes aus dem Rauchgas übertragenen Wärmemenge W₂₂ mindestens entspricht. Dadurch wird die thermische Belastung des Antriebes am festge setzten, unterhalb der thermischen Grenzbelastung liegenden, Wertes nahezu konstant gehalten.

Die erfindungsgemäße Gestaltung der Depotkühlung besteht darin, daß die Kühlmedienmenge der Depotkühlung eine Wärmemenge W₁ zur Änderung des Aggregatzustandes in Form von Schmelz- oder Verdampfungswärme aufweist, die größer oder gleich der Wärmemenge W₂ ist
und die Wärmemenge W₂ sich nach der Beziehung

W₂ = W₂₁ + W₂₂

mit W₂₁ = W₂₁₁ + W₂₁₂ + W₂₁₃ + ... + W_21x
und W₂₂ = W₂₂₁ + W₂₂₂ + W₂₂₃ + . . . + W_22y
bestimmt,
wobei W₂ die auf den Antrieb der Rauch- und Wärmeabzugsanlage ein wirkende temperaturbestimmende Wärmemenge ist, W₂₁ die Wärmemenge ist, die der Verlustleistung des Antriebes ent spricht und sich aus der Summe der Verlustwärmemengen W₂₁₁, W₂₁₂ bis W_21x einer Anzahl von x Systembaugruppen zusammensetzt und W₂₂ die Wärmemenge ist, die von einer Anzahl von y Systembaugrup pen über die festgesetzte temperaturbezogene Betriebszeit aus dem Rauchgas oder dem Wärmestrom der Rauch- und Wärmeabzugsanlage aufgenommen wird und sich aus der Summe der Wärmemengen W₂₂₁, W₂₂₂ bis W_22y der Systembaugruppen zusammensetzt.

Ein Wesensmerkmal der Erfindung besteht weiterhin darin, daß über Volumen und Material die Depotkühlung den Einsatz thermisch und zeitlich in technisch sinnvollen Bereichen variieren läßt. Dabei werden die dem Wesen der Erfindung innewohnenden Vorteile genutzt, die bei annähernd direkter thermischer Kopplung an die Wärmequellen der Eigenwärmemenge W₂₁ eine Beaufschlagung mit einer Wärmemenge W₂₂ des Rauchgases annähernd ausschließen.

Bei z. B. leistungsintensiven Antrieben und flüssigem Kühlmedium ist die Depot lage auch wählbar, z. B. in an den Antrieb montierten Behältnissen gegeben, wo bei die Zuleitung temperaturabhängig unterhalb der Verdampfungstemperatur an die Aktivteile des Antriebes erfolgt.

Ein weiterer Vorteil der Depotkühlung besteht darin, daß nach Abführung der Eigenwärmemenge W₂₁ Maßnahmen gegen Aufheizung aus dem Rauchgas durch wenig kostenaufwendige Oberflächenbeschichtung und/oder Verkleidung der im Gasstrom liegenden Baugruppen genutzt werden können, um die Aufnahme der Wärmemenge W₂₂ aus dem Rauchgas zu minimieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.

Dabei zeigen die zugehörigen Zeichnungen in Fig. 1 die aktiven Teile eines Antriebes, Stator 1 und Rotor 2, die sich in einem doppelwandigen Gehäuse 3 befinden, das im Raum zwischen beiden Wandungen ein Kühlmedium 4 auf nimmt.

Der Rotor 2 ist in Lagerschilden 5 gelagert, die z. B. oberhalb des Lagersitzes eine das Kühlmedium 4 aufnehmende Buchse aufweisen. Eine einseitig hohl gebohrte Welle 6 nimmt einen zylindrischen Hohlkörper 7 auf, der über die Bohrung 8 mit dem Hohlraum der Welle 6 verbunden ist.

Die das im Beispiel flüssige Kühlmedium 4 aufnehmenden Hohlräume des Hohlkörpers 7 sind mit temperaturabhängigen oder druckabhängigen Ver schlüssen geschlossen, die in Fig. 1 nicht eingezeichnet sind. Die Öffnung die ser Verschlüsse erfolgt vor oder bei Einsetzen des Verdampfens des Kühl mediums 4. Die Oberfläche des Antriebes ist mit einem schlecht wärmeleiten den Material 9 beschichtet.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2 einen Antrieb hoher Lei stungsdichte, dessen Stator 1 eine besondere Außenkontur aufweist. Durch eine versetzt vorgenommene Schichtung vorzugsweise sechseckig mit unterschiedlichen Kantenlängen 10, 11 und 12 geschnittener Bleche in Teilpaketen wird eine spezielle Kühlflächen 13 bzw. Kühlkanäle bildende Statoraußenkontur mit vergrößerter kühlungswirksamer Oberfläche gebildet. Diese wird von einem Statorgehäuse 14, dessen Form dieser Kontur folgt, umschlossen. Das Statorgehäuse hat im unteren Teil eine Öffnung 15 zur temperaturabhängigen Zuführung des Kühlmediums 4 und eine Öffnung 16 zur Abführung des ver dampften Kühlmediums 4.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt in Fig. 3 einen Antrieb, dessen Stator 1 über eine Zuführung 17 im Statorgehäuse 14 mit einem Kühlmedium 4 beauf schlagt werden kann, das nach Änderung des Aggregatzustandes und Absorp tion der entsprechenden Verdampfungsenthalpie über eine Abführung 18 ent weichen kann. Rotor 2 wird dabei nicht mit dem Kühlmedium 4 in Berührung kommen. Das Statorgehäuse 14 ist mit einem schlecht wärmeleitenden Material 9 beschichtet.

Die beschriebenen Beispiele der Ausführung belegen einheitlich, daß für eine erforderliche Betriebszeit bei annähernder festgelegter Grenztemperatur die Bedingung

Kühlmedienwärmemenge W₁ ≧ einwirkende Wärmemenge W₂

einzuhalten ist. Die Wärmemenge zur Erwärmung des Antriebes ausgehend von der Raumtemperatur als Ausgangstemperatur vor einer Havarie bis zur festzu legenden bzw. durch Material festgesetzten Grenztemperatur wird durch die Massen und die spezifischen Wärmekapazitäten der eingesetzten Materialien bestimmt. Dabei wird die Änderung der Rauchgastemperatur als Sprungfunktion angenommen.

Bei Rauchgastemperaturen ≧ 200°C gilt bei bekannten Lösungen mit Sicherheit:

aufgenommene Wärmemenge W₂₂ ≧ Verlustwärmemenge W₂₁

Hieraus wird der Vorteil einer Depotkühlung besonders deutlich, da über das Kühlmedium 4 maßgeblich die Zeit bis zum Erreichen der Grenztemperatur im Antrieb sowohl über die Masse als auch durch die Aufnahme bzw. Übertragung der Wärmemengen W₂₂₁ bis W_22y auf die den Grenzbereich beschreibenden Systembaugruppen beeinflußt wird.

Die spezifische Anpassung an Einsatzbedingungen ist ausgehend von Baukastensystemen möglich. Für den Betreiber von Antrieben mit Depotkühlung mindern sich Revisionsaufwendungen in all den Havariefällen, nach denen noch Mindestmengen Kühlmedium 4 im Antrieb vorhanden sind. In diesen Fällen sind die Temperaturgrenzen nicht überschritten worden.

Bezugszeichen

1

Stator

2

Rotor

3

Gehäuse

4

Kühlmedium

5

Lagerschild

6

Welle

7

Hohlkörper

8

Bohrung

9

schlecht wärmeleitendes Material

10

Kantenlänge

11

Kantenlänge

12

Kantenlänge

13

Kühlfläche

14

Statorgehäuse

15

Öffnung

16

Öffnung

17

Zuführung

18

Abführung

Claims

1. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch beanspruchten und den Einsatzbereich begrenzenden Systembaugruppen des Antriebs einzeln oder insgesamt eine Depotkühlung besitzen, deren Kühlmedium eine Wärmemenge W₁ zur Änderung des Aggregatzustandes in Form von Schmelz- oder Verdampfungswärme aufwei sen, die größer oder gleich einer Wärmemenge W₂ ist
und die Wärmemenge W₂ sich nach der Beziehung
W₂ = W₂₁ + W₂₂
mit W₂₁ = W₂₁₁ + W₂₁₂ + W₂₁₃ + . . . + W_21x
und W₂₂ = W₂₂₁ + W₂₂₂ + W₂₂₃ + . . . + W_22y
bestimmt,
wobei W₂ die auf den Antrieb der Rauch- und Wärmeabzugsanlage einwirkende temperaturbestimmende Wärmemenge ist,
W₂₁ die Wärmemenge ist, die der Verlustleistung des Antriebes ent spricht und sich aus der Summe der Verlustwärmemengen W₂₁₁, W₂₁₂ bis W_21x einer Anzahl von x Systembaugruppen zusammen setzt und
W₂₂ die Wärmemenge ist, die von einer Anzahl von y Systembaugrup pen über die festgesetzte temperaturbezogene Betriebszeit aus dem Rauchgas oder dem Wärmestrom der Rauch- und Wärmeabzugsanla ge aufgenommen wird und sich aus der Summe der Wärmemengen W₂₂₁, W₂₂₂ bis W_22y der Systembaugruppen zusammensetzt.

2. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die konstruktive Ausführung der Depotkühlung eine direkte thermische Kopplung an die Wärmequellen der Eigenwärmemenge gewährleistet und eine Beaufschlagung mit einer Wärmemenge aus dem Rauchgas oder dem Wärmestrom annähernd ausschließt
und die Kontaktierung wärmewirksamer Oberflächen mit einem Kühlmedium (4) im flüssigen Aggregatzustand prozeßbezogen erfolgt.

3. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die aktiven Teile des Antriebes von einem doppelwandigen Gehäuse (3) im Inneren des Antriebes aufgenommen sind,
das Kühlmedium (4) zwischen den Gehäusewänden eingelagert ist
und bei Eintreten der Verdampfung aus einer temperatur- bzw. druckabhängig wirkenden Öffnung ausströmt.

4. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlräume in den Schildlagern oder in einem der wärmebelasteten Schildlager das Kühlmedium (4) ganz oder teilweise aufnehmen.

5. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) auf einer N-seitig als Hohlwelle ausgeführten Welle (6) auf gesteckt ist und das Volumen für das Kühlmedium (4) durch Anordnen eines zweckmäßig zylindrischen Hohlkörpers (7), der über eine Bohrung (8) mit der hohlen Welle (6) verbunden ist, im inneren Teil des Antriebes erhöht ist und das verdampfte Kühlmedium (4) über die Bohrung (8) druck- bzw. temperaturabhängig ent weicht.

6. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußsystem für das Kühlmedium (4) in Gestalt von Öffnungen (15; 16) bzw. Zu- und Abführungen (17; 18) in die Gehäusegestaltung einbezo gen ist und somit anliegend an das Kühlsystem annähernd auf Schmelz- bzw. Verdampfungstemperatur des Kühlmediums (4) gehalten wird.

7. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wandung des Gehäuses (3) durch das Blechpaket des Stators (1), gepreßt durch stirnseitig angeordnete Preßringe, gebildet wird.

8. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei hoher Leistungsdichte im Antrieb eine Vergrößerung der Oberfläche des Blechpaketes durch eine versetzt vorgenommene Schichtung vorzugswei se sechseckig mit unterschiedlicher Kantenlänge (10 bis 12) geschnittener Bleche in Teilpaketen erreicht wird.

9. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage nach Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeschirm oder eine Verkleidung den gesamten Antrieb oder ein zelne Baugruppen umhüllt und damit den Übertrag der Wärmemenge aus dem Rauchgas oder dem Wärmestrom minimiert.

10. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage nach Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung eines flüssigen Kühlmediums (4) temperaturabhängig aus dem umgebenden bzw. aufgesetzten Wärmeschirm erfolgt.

11. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Oberflächen einzelner Baugruppen oder des gesamten Antriebes mit einem schlecht wärmeleitendem Material (9) bedeckt sind.

12. Elektrischer Antrieb einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage nach den Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorraum des Antriebes direkt mit dem Kühlmedium (4) beaufschlagt wird, welches nach dem Verdampfen über eine Abführung (18) entweichen kann.