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Verfahren zurn Pumpen aus
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Tiefbrunnen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen aus insbesondere:
lleißwasser-fbrunnen, das sich für Betrieb in großer Tiefe in einem Erdwärme-Brunnen
eignet und zuverlässigen Langzeit-Betrieb selbst bei Verwendung in heißem Salzwasser
verbürgt.
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Bekannt ist, heißes Salzwasser im Temperaturbereich von etwa 170
°C bis etwa 340 °C aus einem Eniwärme-Brunnen aus 1500 m bis 3000 m Tiefe zu pumpen.
Das heiße Salzwasser wird in eine Anlage gepumpt, die einen Wärmetauscher enthält,
in welchem dem heißen Salzwasser Wärme entzogen wird, um einen Kraftwerkskreislauf,
z. ß. einen Rankine-Yre islauf,
zu speisen. Die Erfindung; betrifft
eine verbesserte Bauart einer turbinengetriebenen Pumpe für Betrieb in einem Bohrloch.
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Eine eingehende Erörterung eines Erdwärme-Kraftwerkes bietet die
US-PS 3 757 516. Aber die dorther bekannte Bohrlochpulrpe zeigt für die auf diesem
Felde a.uftretencìen Probleme keine der Lösungen, welche die in dieser Erfindung
offenbarte Bauart bringt.
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Turbinengetriebene Bohrlochpumpen sind aus den US-PSen 3 1113 078,
3 171 355 und 3 758 23R bekannt. Aber diese Druckschriften lehren nicht, die aus
der Turbine ausströmende Druckflüssigkeit dazu zu nutzen, am Pumpeneintritt einen
saugseitigen Überdruck zu schaffen, der Kavitation verhüten soll. Dies ist besonders
wichtig in einem Erdwärme-Brunnen, in welchem das heiße Salzwasser losgelöste Feststoffe
enthält und in der daher durch jede Kavitation, also durch örtliche Ausdampfung,
Feststoffe ausgefüllt werden und Sauerstoff, der Oxydation verursachen kann, freigesetzt
wird. Auch lehren jene Patentschriften eine ganze Anzahl anderer, wichtiger Baumerkmale,
welche höchste Zuverlässigkeit und lange Betriebsfähigkeit einer Bohrlochpumpe sichern
sollen, nicht. Zum Beispiel erwähnt die US-PS 3 171 355 eine herausnehmbare C,ehäusedichtung;
aber solche Bauart hat die Betriebseigenschaften der in dieser Erfindung offenbarten
Bauart nicht. Die US-PS 3 758 238 erwähnt, die Antriebsflüssigkeit zur Lagerschmierung
zu nutzen; aber der aus jener Patentschrift bekannten Bauart ist die in dieser Erfindung
offenbarte Bauart deutlich überlegen.
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Die ilaupteigenschaft der hierin offenbarten Erfindung ist, daß sie
eine turbinengetriebene Heißwasser-Bohrlochpumpe
liefert, welche
sich für Betrieb in großer Tiefe in einem Erdwärme-Brunnen einet und %uverlässigen
Lan-zeit-Betrieb selbst bei Verwendung in heißem Salzwasser verbürgt.
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Eine weitere Eigenschaft der Erfindung ist, daß sie eine Pumpe der
im vorigen Absatz genannten Art liefert, bei der ein Teil der Pumpenflüssikeit gefiltert
und mit Druck zurückgeführt wird, um Treibflüssigkeit für die Pumpenturbine zu sein
und um eine Anzahl von Aufgaben, darunter Druckschmierung für Gleitlager der die
Turbine mit dem Pumpenkreisel verbindenden Welle, zu erfüllen und Stopfbuchsen und
mechanische Dichtungen, die durch im heißen Salzwasser enthaltene Festkörper zerstört
werden würden, entbehrlich zu machen.
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Bei der Druckschmierung der Gleitlager hat die Treibflüssigkeit,
sei es vor dem Eintritt in die Turbine oder nach dem Austritt aus der Turbine, noch
einen für Zufluß zu den Gleitlagern ausreichenden Druck; das unterste Lager befindet
sic oberhalb des Pumpenkreisels, und die Schmierflüssigkeit strömt längs der Welle
in einen Sammelraum, der der Wirkung des Pumpenkreisels ausgesetzt ist, der ein
Druckgefälle erzeugt, welches den Sammelraum auf genügend niedrigem Druck hält,
daß die Schmierflüssigkeit frei in den Sammelraum einströmen kann, Zu weiteren wichtigen
EigenschaSt;en, die sich aus der Verwendung der zur Turbine zurückgeführten Treibflüssigkeit
ergeben, gehören Nutzung der aus der Turbine abströmenden Treibflüssigkeit zur Erzeugung
eines solchen Druckes am E;intritt des Pumpenkreisels, daß dort ein überdruck entsteht,
welcher Kavitation am Pumpeneinlaß und somit örtliches Ausdampfen
verhindert.
Die ablaufende rl'reibflüssiqkeit dient ferner dazu, eine spreizbare Gehäusedichtung
zu spreizen, die am unteren Ende des Pumpengehäuses anbeordnet ist; diese Dichtung
enthält mehrere elastische Ringe, deren Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser
der I3runnenauskleidung ist, so daß das Pumpengehäuse in der Brunnenauskleidung
freibeweglich auf die zum Betriebe der Pumpe gewollte große Tiefe herabgelassen
werden kann; und sie enthält ferner mehrere durch Druckflüssigkeit zu betätigende
und an die Ringe anzulegende Kolben, die, wenn Treibflüssigkeit zur Turbine geleitet
wird, auswärts bewegt werden, so daß sie die elastischen Ringe dichtend an die Brunnenauskleidung
anpressen.
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Ein weiterer Vorteil der hierin offenbarten Pumpenbauart besteht
in der tJnterteilung des Pumpengehäuses in mehrere Teile, die miteinander durch
einen ringförrnigen Diffusor verbunden sind, der den Pumpenkreisel umgibt, welcher
auf einem Ende der Pumpenwelle befestigt ist. Die Verbindung der Gehäuseteile mit
dem Diffusor geschieht durch lösbare Befestigungsmittel, so daß das Pumpengehciuse
zerlegt und ein anderer Pumpenkreisel und ein anderer Diffusor eingebaut werden
können, also eine andere Pumpenleistungs-Kennlinie ohne größere Anderungen geliefert
werden kann Die Erfindung liefert also eine Bohrlochpumpe, insbcsondere eine turbinengetriebene
Heißwasser-Bohrlochpumpe, mit einem Gehäuse, das in einer Brunnenauskleidung bis
zu einer Tiefe herabgelassen werden kann, in welcher erdheiße Flüssigkeit in den
Einlaß der im Gehäuse enthaltenen Pumpe hineinreicht, und mit einer im GeEläuse
enthaltenen, die Pumpe
antreibenden Turbine, die mit einem Teil
der gepumpten FlüssiFskeit gespeist wird, der gefiltert ist und vom Erdboden mit
Druck als Treibflüssig,keit zur Turbine geführt wird. Die Pumpe ist mit einer Saugstrahlpumpe
versehen, welche aus der Turbine ablaufende Treibflüssigkeit als Treibmittel erhält
und am Einlaß der Bohrlochpumpe einen Flüssigkeits-Überdruck erzeugt; ein anderer
Teil der aus der Turbine ablaufenden Treibflüssigkeit wird in eine Spreizdichtung
gefüiirt, die das Pumpengehäuse an seinem unteren Rande umgibt und es an der Brunnenauskleidung
abdichtet. Die die Turbine und die Pumpe verbindende Antriebswelle ist drehbar in
Gleitlagern gelagert, in die als Schmierflüssigkeit ein Teil der von der Erdoberfläche
gelieferten Treibflüssigkeit eingerührt wird, so daß die Wellenlager keiner Stopfbüchsen
und keiner mechanischer Dichtungen bedürfen.
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Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 schematisch eine Erdwärme-Kraftwerksanlage
mit der turbinengetriebenen iieißwasser-Bohrlochpumpe gemäß dieser Erfindung, Fig.
2 im Längsschnitt in einer Achsebene diese Bohrlochpumpe, angeordnet in einer Bohrlochuskleidung,
Fig. 3 in vergrößertem Teilschnitt den linken unteren Pfeil der Fig. 2 und in Fig.
4 einen Teilschnitt längs der Linie ll-4 der Fig. 3.
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In der in Fig. 1 gezeigten Erdwärme-Kraftwerksanlage bildet ein Brunnen
10 eine Quelle heißen Salzwassers; dieses wird aus dem Brunnen in eine Leitung 11
gepumpt. Der größere Teil des heißen Salzwassers fließt durch einen Wärmetauscher
12, in welchem er eine wesentliche Wärmemenge zur Verwendung in einem Kraftwerk
abgibt, und von dort zu einem Sammelbehälter 15, um in.irgendeiner geeigneten gleise
weiterverwendet zu werden. Ein Teil des aus dem Brunnen gekommenen \wassers, etwa
20 %, wird stromoberhalb des Wärmetauschers 12 abgeleitet und durch eine Leitung
16 und einen Filter 17 zu einer turbinengetriebenen Pumpe 18 geführt, die einen
Ausgang zu einer Leitung 19 hat; durch diese Leitung 19 liefert die Pumpe 18 Druck
wasser, das aus dem vom Brunnen genommenen heißen Salzwasser entnommen und im Filter
gereinigt ist, zurück zurn Brunnen mit wesentlich derselben Temperatur, mit der
es aus dem Brunnen gekommen ist. Dieses Druckwasser dient zum Antrieb der noch zu
beschreibenden Turbine. Durch diese Ableitung eines Teils des heißen Salzwassers
stromoberhalb des Wärmetauschers wird möglichst viel Wärme in den Brunnen zurückgeführt
und somit die drohende Abkühlung desjenigen heißen Salzwassers, das vom Brunnen
zum Wärmetauscher fließt, verringert.
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Die Bohrlochpumpe ist in F'i. 2 in Betriebsstellung innerhalb einer
rohrförmigen Brunnenauskleidung 25 ,ezeirt.
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Die Pumpe hat ein Gehause, das aus zwei rohrförmigen Hauptteilen
26 und 27 besteht, die im wesentlichen an einem ihrer Enden aneinanderebaut und
mit einem lichten Abstand von der Innenwand der Brunnenauskleidung angeordnet sind.
Der Gehäuseteil 26 ist an seinem freien Ende durch einen Deckel 28 geschlossen,
der mittels mehrerer Schrauben 29 an einen ringförmigen Bauteil 30 angeflanscht
ist, welcher innerhalb des rohrförmigen Gehäuseteils 26 angeordnet und an dessen
Innenwand
befestigt ist. Das Gehäuseteil 27 hat nahe seinem unteren
Ende einen Ringwulst 128; dieser ist mit einer l-inrrnut vcrsehen, die eine als
Ganzes mit 129 bezeichnete Ge1iäuse-Rindichtung enthält, welche, wenn die Pumpe
in Betrieb ist, sich radial ausdehnen kann, so daß sie das Pumpengehäuse an der
(;ehäuseauskleidung dort, wo sich die Dichtung befindet, abdichtet.
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Ein Strick oberhalb dieser Dichtung ist der Pumpenauslaß angeordnet,
so daß die Brunnenauskleidung als Strömungskanal für die Lieferung von Pumpenflüssigkeit
aus dem Brunnen herausfließt.
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Die Gehäuseteile 26 und 27 sind an ihren einander zugewandten Enden
durch einen Diffusor im Abstand voneinander gehalten, der als Ganzes mit 130 bezeichnet
ist und einen als Ganzes mit 31 bezeichneten Pumpenkreisel umgibt. Der Diffusor
besteht aus einem Paar ringförmiger Flansche 32 und 33, die mit einem Abstand voneinander
angeordnet und einstückig mit einer größeren Anzahl von Rippen 34 verbunden sind,
welche die vom Pumpenkreisel 31 geforderte Plfissi;keit zwischen den Ringflanschen
32 und 33 des Diffusors in den zwischen dem Pumpengehäuse und der Brunnenauskleidung
bestehenden Ringraum austreten lassen, von wo sie zur Erdboden-Oberfläche fließt,
wie in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet. Die Pumpe wird zusammengefügt, indem die
Gehäuseteile 26 und 27 an die ihnen zugewandten Ringflansche des Diffusors angelegt
und eine Anzahl Schraubenbolzen 35 durch sie hindurchgesteckt werden, die die Teile
in ihrer richtigen Lage zusammenhalten.
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Der Pumpengehäuseteil 27 hat an seinem unteren nde in Achsmitte einen
Kanal, der zu einem Einlaßkanal 36 für den Pumpenkreisel fahrt, und, wenn der Pumpenkreisel
31 sich
dreht, die Flüssigkeit mit Druck zu einem vom Diffusor
umgrenzten Auslaß leitet, von wo die Plüssigkeit zur Erdoberfläche geführt wird.
Der Pumpenkreisel kann von bekannter Art sein, wie z. B. nach der US-PS 3 817 653.
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Der Pumpenkreisel 31 ist auf dem im Durchmesser schwächeren unteren
Ende 40 einer angetriebenen Pumpenwelle 41 abnehmbar mittels einer Schraube 42 befestigt.
Bei der beschriebenen Bauart läßt sich, wie ersichtlich, nach Herausschrauben der
Schraubenbolzen 35 der Diffusor durch einen anderen Diffusor ersetzen und auch der
Pumpenkreisel 31 austauschen. Dies ermöglicht, auf einfache Weise die Kennlinien
der Pumpe zu ändern, indem das Pumpengehäuse an derjenigen Stelle, wo sich der Diffusor
und der Kreisel befinden, getrennt wird.
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Die Pumpenwelle 41 ist drehbar in zwei Gleitlagern mit Druckschmierung
gelagert; daher sind Stopfbuchsen oder mechanische Dichtungen, die ja durch im heißen
Salzwasser enthaltene Festkörper zerstört werden würden, entbehrlich. Ein unteres
Wellenlager 50 ist zwischen dem Pumpenkreisel 31 und einer den Pumpenkreisel antreibenden
Turbine, die als Ganzes mit 51 bezeichnet ist, angeordnet. Oberhalb der Antriebsturbine
51 ist ein oberes Wellenlager 52.aneofljnet.
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Das untere Wellenlager 50 wird von einem tonfförmizen Bauteil 53 getragen,
der in einem Innenraum des Gehäuseteils 26 angeordnet und an dessen Wand befestigt
ist. Das obere Wellenlager 52 ist an einem anderen topfförmigen Bauteil 54 befestigt,
der innerhalb eines zwischen dem Deckel 28 und dem ringförmigen Bauteil 30 gebildeten
Raumes angeordnet ist.
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Dieser topfförmige Bauteil 54 ist an der Wand des ringförmigen Bauteils
30 befestigt, wodurch das obere Wellenlager 52
gegen Bewegung in
Achsrichtung der Welle ili festgehalten wird. Axialschub der Welle 41 wird in beiden
Richtungen aufgenommen vom oberen Lager 52 mittels zweier Planschringe 55 und 56,
die auf der Welle 41 an deren oberem Ende befestigt und von den beiden Stirn flächen
des oberen Wellenlagers 52 nur um einen verhältni.sm irr kleinen Spalt entfernt
sind. Der-obere Flanschring 55 ist auf der Welle IIZ mittels einer Mutter 57 gehalten,
und der untere Flanschrinz 56 ist auf einen mit Gewinde versehenen Teil der Welle
41 aufgeschraubt.
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Da also der Axialschub in beiden TTichtunzen vom oberen Wellenlager
52 aufgenommen wird, erfährt das untere Wellenlager 50 keinen Schub.
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Die Antriebsturbine 51 ist eine vielstufige Turbine.
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Ihre Laufräder in den aufeinanderfolgenden Stufen sind mit 60, 61
und 62 bezeichnet; sie sind auf die Antriebswelle 41 der Pumpe aufgekeilt. Das untere
Ende des ringförmigen Bauteils 30 und zusätzliche Bauteile 63, 64 und 65 bilden
Turbinen-Leitkanäle, die, mit den Laufrädern 60, 61 und 62 der drei Stufen zusammenwirkend,
Antriebsflüssigkeit aufnehmen und leistunggebende Drehung der den Pumpenkreisel
31 antreibenden Welle 41 ergeben.
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Die zum Brunnen zurückkehrende Antriei<3flfJ.ssigkeit - sie strömt
zum Brunnen, wie Fig. 1 zeit, (lurch die Leitung 19 zurück - tritt am oberen Ende
des Gehäuses durch den Deckel 28 ein und fließt durch Kanäle 70 und 71 zum Laufrad
60 der ersten Stufe und von dort in die nachfolgenden Stufen, wie durch Pfeile gezeigt,
zum Turbinenauslaß, der durch zwei Kanäle 72 und 73 gebildet ist. Diese Kanäle 72
und 73 bestehen aus Teilen, die sich im oberen Gehäuseteil 26 befinden, ferner aus
Kanalteilen, die durch die den Diffusor 30
bildenden Ringflansche
32 und 33 und durch die Diffusorrippen 34 hindurchgehen und mit den Bezugsziffern
74, 75 und 76 bezeichnet sind, sowie aus Kanalteilen 77 und 7, die im unteren Gehäuseteil
27 angeordnet sind. Die aus der Turbine abgeflossene Treibflüssigkeit wird in eine
Saugstrahlpumpe PO eleitet, die vor dem Einlaßkanal der Pumpe ansteor(lnet und mit
rohrförmigen Bauteilen S1 und Q2 ausgestattet ist, welche an die Kanal-Teile 77
bzw. 78 anschließen. Die Strahlpumpe erzeugt m Eintritt der Kreiselpumpe genümend
Druck, Ausdampfen zu verhindern.
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Die Trcibflüssigkeit wird zur Schmierung der Wellenlager 50 und 52
benutzt. Zweigleitungen 85 und Q6 verbinden die Kanäle 70 und 71 des Deckels 28
mit Kanälen, die in das Innere des oberen Wellenlagers 52 führen. Ein Teil der aus
der Turbine abgeflossenen Treibflüssigkeit wird aus den Kanalteilen 72 und 73 des
oberen Gehäuseteiles 26 durch Zweigleitungen 78 und 88 in das Innere des unteren
Wellenlagers 50 geleitet; diese Zweigkanäle 87 und 88 bestehen aus Bohrungen, welche
durch feste Bauteile einschlieP.lich des topfförmien Bauteils 53 hindurchgehen,
und aus Rohren, welche durch den Innenraum des Gehäuse-Bauteiles hindurchgehen Die
aus dem oberen und dem unteren Wellenlager ablaufende Schmierflüssirkeit strömt
abwärts an der zelle 41 entlang und durch eine Öffnung 89 des topfförmigen Bauteils
53, die die Welle mit reichlichem Spiel umgibt, und durch eine Öffnung 90, die ähnlich
großes Spiel um die Welle beläßt, in einen Raum 91 nahe dem unteren Ende der Welle
41. Dieser Raum 91 hat einen Abfluß-Ringspalt 92, der auf die Rückseite der Radscheibe
93 des Pumpenkreisels 31 führt und ein Druckgefälle entstehen läßt, ' welches durch
die Pumpwirkung der Radscieiben-Rückseite
erzeugt wird und die
Flüssigkeit aus dem Raum 91 abzuströmen veranlaßt.
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Die Antriebsturbine 51 wird selbsttätig geschmiert durch Treibflüssikeit,
die zwischen den Laufrädern 60 - 62 und den benachbarten, nicht umlaufenden Bauteilen
durch dazwischen befindliche Ringspalte 95 hindurchfließt.
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Die Gehäusedichtung ist mit ihren Einzelheiten in Fig. 3 und Fig.
4 dargestellt. Sie besteht aus mehreren elastischen Ringen 100 aus Asbest oder ähnlichem,
deren Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser der Brunnenauskleidung ist,
so daß das Pumpengehäuse in der 13runnenauskleidunf: frei bis auf die gewünschte
Tiefe herabgelassen werden kann. Wenn die Pumpe in dieser Stellung ist, wird die
Abdichtung spreizt, so daß sie dicht an der Brunnenauskleidung anliegt, und zwar
rnittels mehrerer radial anp;eordneter, rings über den Innenumfang der elastischen
Ringe 100 verteilter zylindrischer Kolben 101. Ein solcher Kolben ist in Fig. 3
und Fig. 4 zu sehen; er ist in einer zylindrischen Bohrung 102 des Ringflan sches
128 des unteren Gehäuseteiles 27 angeordnet. In diese Bohrung wird aus den Kanälen
77 und 78 benutzte Turbinen-Treibflüssigkeit durch Kanäle 105, nämlich je einen
für jede Bohrung 102, eingeführt. Jeder der Kolben 101 ist mit kreisbogenförmigen
Flanschen 1()6 und 107 versehen; die sich in beiden Richtungen der Pumpenachse erstrecken
und deren wieder zwei der elastischen Ringe 100 überdeckt und deren Krümmung derjenigen
der Brunnenauskleidung entspricht; so werden, wenn die Kolben 101 mit Druckflüssigkeit
durch die Kanäle 105 beaufschlagt und von ihr auswärts p:edrückt werden, die elastischen
Ringe 100 dicht an die Brunnenausklei(lunrs angelegt.
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Jeder der Kolben 101 hat außen einen ringzylindrischen Ansatz 108,
der eine Feder 109 trägt, die sich, wenn die Pumpe in den Brunnen herabgelassen
wird, an die Brunnenauskleidung 25 anlegt und bewirkt, daß die Kolben in einwärts
zurückgestellter Lage gehalten werden und (lie elastischen Ringe 100 nicht auswärts
gedrückt werden.
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Im Betriebe der Pumpe fördert der Pumpenkreisel 31 mit dem ihn umgebenden
Diffusor heißes Salzwasser von verhältnismäßig hoher Temperatur zur Erdoberfläche,
wobei ein Teil dieses geförderten Wassers durch die Leitung 19 zurückgeführt wird,
um die Turbine anzutreiben und die anderen beschriebenen Aufgaben einschließlich
der Wellenlarer-Schmierung zu erfüllen, und wobei das aus der Turbine ablaufende
Antriebswasser zur Saugstrahlpumpe am Pumpeneinlaß fließt, um die Gehäusedichtung
wirksam zu erhalten. Es sei ein Beispiel genannt, ohne daß die Erfindung auf dieses
beschänkt würde: Angenommen, die Bohrlochpumpe befinde sich in einer Tiefe, in der
sie erdheißes Wasser oder Salzwasser von ca.
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350 oC erreicht, und fördere dieses mit einem Auslaßdruck von etwa
200 at. Die spezifische Leistung der Pumpe, ausgedrückt in Fördermenge, Förderhöhe
und Drehzahl, kann weit schwanken, da die Betriebsumstände bei Salzlösungen und
die Kennwerte der die Salzlösungen enthaltenen Erdräurne weit schwanken konsens
Das zur Turbine als Antriebsflüssigkeit zurückgeführte Wasser, das um einen geringen
Betrag kühler als das aus dem Brunnen genommene Wasser sein maR, wird zur Turbine
mit z. B. etwa 150 at und mit etwa 1500 Liter pro Minute zurückgeführt. Die aus
der Turbine ablaufende AntriebsfIüssigkeit strömt mit etwa 5 at aus der Turbine
aus und in die Saugstrahlpumpe 80 ein; diese erhöht den Anfangsdruck um
etwa
50 at, stellt also einen Überdruck am Pumpeneinlaß her und verhindert somit Kavitation.
Dies verhindert örtliches Ausdampfen der Flüssigkeit und somit Ausfällen in ihr
enthaltener Feststoffe und Freiwerden oxydierenden Sauerstoffs.
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Die Flüssigkeitsdrücke in der Anlage sind höher als der Siededruck
des'heißen Salzwassers, und daher bleibt das Salzwasser stets in flüssigem Zustand.