DE102004043488A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Pumpen einer kryogenen Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Pumpen einer kryogenen Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter Download PDF

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Abstract

Ein kryogener Flüssigkeitsstrom aus einem Vorratsbehälter (3), der gepumpt werden soll, wird durch einen Wärmetauscher (46) geleitet, der sich innerhalb eines Phasenseparators (42) befindet, welcher zur Atmosphäre entlüftet wird. Ein kryogener Nebenstrom wird von dem kryogenen Flüssigkeitsstrom abgezweigt und zum Phasenseparator (42) umgeleitet, der vor einer Pumpe (12) angeordnet ist. Der niedrige Druck, der innerhalb des Phasenseparators (42) aufrechterhalten wird, sorgt dafür, dass der kryogene Nebenstrom kocht und einen Flüssigkeitsanteil (52) bildet, der den Wärmetauscher (46) bedeckt. Der Flüssigkeitsanteil (52), der auf einer genügend niedrigen Temperatur liegt, unterkühlt den kryogenen Flüssigkeitsstrom, der durch den Wärmetauscher (46) fließt. Der Durchfluss des kryogenen Nebenstroms wird unterbrochen, wenn der Pegel des Flüssigkeitsanteils einen festgelegten Sollwert erreicht, und er wird wieder aufgebaut, sobald der Pegel durch Verdampfen fällt. Während der Unterbrechungsperioden wird der Durchfluss zeitweise wieder aufgebaut, um eine Ansammlung von warmer und verdampfter Flüssigkeit nahe bei oder im Einlass der Pumpe (12) zu verhindern.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Pumpen einer kryogenen Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter, bei welchem ein kryogener Flüssigkeitsstrom vor dem Pumpen unterkühlt wird. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei dem ein Teil des kryogenen Flüssigkeitsstroms in einen Phasenseparator eingeleitet wird, um einen kalten, flüssigen Anteil zu produzieren, der dazu benutzt wird, den verbleibenden Anteil des kryogenen Flüssigkeitsstroms, der durch einen Wärmeaustauscher strömt, der vom flüssigen Anteil umgeben ist, zu unterkühlen.
  • Gase, die normalerweise als kryogene Flüssigkeiten verteilt und gelagert werden, beispielsweise atmosphärische Gase wie Stickstoff oder komprimiertes Erdgas, werden manchmal bei Drücken benötigt, welche die üblichen Arbeitsdrücke konventioneller Vorratsbehälter übersteigen. In solchen Fällen wird eine Kolbenpumpe verwendet, um einen Flüssigkeitsstrom, der von dem Vorratsbehälter abgezogen wird, unter Druck zu setzen, bevor die Flüssigkeit verdampft wird. Typischerweise ist die Pumpe die meiste Zeit nicht in Betrieb, aber sie kann mehrmals während jedes Betriebstags für eine Periode von bis zu mehreren Stunden laufen.
  • Wenn ein kryogener Flüssigkeitsstrom von einem Vorratsbehälter abgezogen wird, um die Flüssigkeit zu pumpen, wird die Flüssigkeit dazu neigen, zunächst zu verdampfen, da die Leitungen, welche den Vorratsbehälter mit der Pumpe verbinden, und die Pumpe selbst auf kryogene Temperaturen gekühlt werden. Zusätzlich wird der Flüssigkeit durch die Pumpe aufgrund der Reibung innerhalb der beweglichen Teile der Pumpe Wärme zugeführt. Wenn die Verdampfung vor oder in der Pumpe auftritt, kann sie ein Vorfüllen der Pumpe verhindern oder reduzieren. Die Wärme, die der zu pumpenden Flüssigkeit zugeführt wird, beeinflusst die Pumpenleistung durch den Dichteverlust. Die Verdampfung verursacht Kavitation, Verlust an Pumpeffizienz und beschleunigt die Pumpenabnutzung.
  • Um die Verdampfung der Flüssigkeit zu verhindern, ist es bekannt, die Flüssigkeit zuerst zu unterkühlen, bevor sie gepumpt wird. Es ist weiterhin bekannt, einen zusätzlichen Fluss in der Zuführleitung bereit zu stellen, der über dem Förderstrom der Pumpe liegt, um warme und verdampfte Flüssigkeit, die dazu neigt, sich am Pumpeneingang unabhängig von der verfügbaren Unterkühlung anzusammeln, zu beseitigen.
  • Beim Stand der Technik wurde die Unterkühlung durchgeführt, indem der statische Druck über der Flüssigkeit im Vorratsbehälter erhöht wurde. Beispielsweise in der US 2,850,882 wird dies mittels eines externen Druckaufbaukreises erreicht, in dem Flüssigkeit verdampft und dann in den Kopfraum des Behälters rückgeführt wird, sodass der Flüssigkeitsdruck erhöht ist. Dieser Ansatz hat den signifikanten Nachteil, dass die Wärme, die dem Behälter im Druckaufbauprozess zugeführt wird, im Lauf der Zeit an die flüssige Phase transferiert wird und so deren Temperatur erhöht. Daher muss der Druck kontinuierlich erhöht werden, um die Unterkühlung beizubehalten, bis schließlich das Drucklimit des Vorratsbehälters erreicht ist. An diesem Punkt muß der Vorratsbehälter entspannt werden, um die Flüssigkeit rückzukühlen und der Behälter dann wieder auf Druck gebracht werden. Der Produktverlust ist bei diesem Prozeß verstärkt, weil die Temperatur des Vorratsbehältermetalls auch einem Zyklus unterworfen werden muß. In der genannten Patentschrift wird der Zusatzfluss erzielt, indem der Pumpensumpf mit der Gasphase des Behälters verbunden wird. Dies funktioniert gut, wenn der Behälter fast voll ist, da dann nur eine kleine Aufwärmung der zurückgeführten Flüssigkeit benötigt wird, um den Zirkulationsfluss aufrecht zu erhalten. Wenn jedoch der Behälterpegel gefallen ist, wird der Zirkulationsfluss verlangsamt, bis er unzureichend ist, um die Pumpe korrekt laufen zu lassen.
  • US 5,218,827 nützt den Vorteil der normalen Schichtung, die in Vorratsbehältern vorzufinden ist. Eine solche Schichtung resultiert in unterkühlter Flüssigkeit im Bodenmittelpunkt des Behälters und gesättigter Flüssigkeit in den peripheren Bereichen des Behälters. Um diese Schichtung aufrechtzuerhalten, wird abzupumpende, unterkühlte Flüssigkeit von der Mitte des Behälters und aus einer unten liegenden Verlängerung des Behälters abgepumpt, um die Beaufschlagung der Flüssigkeit mit Druck aufrechtzuerhalten. Angewärmte und verdampfte Flüssigkeit wird von einem Sumpf, der mit der Pumpe in Verbindung steht, in die Peripherie des Behälters zurückgeführt. Auf diese An und Weise wird einerseits die Schichtung aufrechterhalten, während andererseits eine Zirkulation von Flüssigkeit aufrechterhalten wird, die dazu dient, die Zuführungsleitung vom Behälter zur Pumpe und die Pumpe selbst unter Kühlbedingungen zu halten, die ausreichend sind, um eine Verdampfung der Flüssigkeit zu verhindern. Dieser Ansatz stellt eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, weil der Zirkulationsfluss unabhängig vom Flüssigkeitspegel ist. Die Limitierung jener Erfindung ist die Tatsache, dass der Umfang der Unterkühlung minimal ist im Vergleich zum Bedarf der Pumpe.
  • Eine andere Möglichkeit ist die Unterkühlung der Flüssigkeit in einer bekannten Unterkühlungseinheit, wie z.B. in der US 4,716,739 offenbart. In dieser Patentschrift wird Flüssigkeit, welche auf Verbrauchspunkte verteilt werden soll, in zwei Ströme aufgespalten. Dabei ist zu erwähnen, dass es sich bei diesen Verbrauchspunkten nicht um Pumpen handelt. Ein Strom wird in einem Phasenseparator durch Entlüften bei atmosphärischem Druck entspannt. Das Entspannen bewirkt ein Sammeln eines gekühlten, flüssigen Anteils im Phasenseparator. Gleichzeitig fließt der andere der beiden Ströme durch einen wendelförmigen Wärmetauscher, der in den Flüssigkeitsanteil eingetaucht ist. Die Flüssigkeit, die in der Wärmetauscherwendel fließt, transferiert Wärme zum kühleren Flüssigkeitsanteil im Phasenseparator, wodurch die Flüssigkeit unterkühlt wird. Die dadurch entstehende, untergekühlte Flüssigkeit kann zu einer Vielzahl von Verbrauchspunkten verteilt werden. Das Problem, das auftritt, wenn eine solche Vorrichtung zusammen mit einer Pumpe genutzt wird, ist die Unterbrechung des Flusses zur Entlüftungsvorrichtung, sobald der Flüssigkeitspegel bei einer ausreichenden Höhe liegt. Dadurch wird jede unvermeidbare Bildung von Dampf oder warmer Flüssigkeit zu einer Akkumulation von Dampf oder warmer Flüssigkeit am Pumpeneinlass tendieren und dadurch die Pumpeffizienz erniedrigen.
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  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Pumpen von Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter zu schaffen, wobei die Flüssigkeit am oder nahe beim Pumpeneinlaß auf jeden gewünschten Grad unterkühlt werden kann, indem eine Unterkühlungseinheit verwendet wird, die so gestaltet ist, dass sei einen zusätzlichen Flüssigkeitsstrom liefert, um jeden Dampf oder warme Flüssigkeit, der oder die sich nahe dem Pumpeneinlaß sammelt, zu beseitigen.
  • Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zum Pumpen einer kryogenen Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter, bei dem ein kryogener Flüssigkeitsstrom aus dem Vorratsbehälter abgezogen wird. Zumindest ein Teil des kryogenen Flüssigkeitsstroms wird gepumpt. Vor dem Pumpen des zumindest einen Teils des kryogenen Flüssigkeitsstroms wird der kryogene Flüssigkeitsstrom in einen Wärmetauscher eingeleitet, der sich in einem Phasenseparator befindet. Ein kryogener Nebenstrom wird vom kryogenen Strom nach dessen Durchgang durch den Wärmetauscher abgezweigt. Der kryogene Nebenstrom wird in einen Phasenseparator eingeleitet und mit einem geringeren Druck beaufschlagt als dem im Vorratsbehälter, um den kryogenen Nebenstrom zum Kochen zu bringen und ein kochendes Bad eines Flüssigkeitsanteils des kryogenen Nebenstroms auszubilden, welches den Wärmetauscher bedeckt. Der Flüssigkeitsanteil hat eine hinreichend niedrigere Temperatur als der kryogene Flüssigkeitsstrom, sodass der kryogene Flüssigkeitsstrom beim Durchgang durch den Wärmetauscher unterkühlt wird. Die Durchflussrate des kryogenen Nebenstroms wird gesteuert, indem der Fluss unterbrochen wird, wenn der Flüssigkeitsanteil auf einem vorgegebenen Pegel über dem des Wärmetauschers liegt. Der Fluss wird wieder aufgebaut, nachdem der Flüssigkeitspegel des Flüssigkeitsanteils durch Verdampfungsverlust gefallen ist. Zwischen der Unterbrechung des Durchflusses und dem Wiederaufbau wird der Fluss zeitweise wieder aufgebaut, um warme und verdampfte Flüssigkeit zu entfernen.
  • Der Fluss des kryogenen Nebenstroms kann gesteuert werden, indem eine Temperatur gemessen wird, die von den Einlaßtemperaturbedingungen am Pumpeneinlaß abhängt, und indem der Fluss des kryogenen Nebenstroms während der Unterbrechung zeitweise wieder aufgebaut wird, wenn die Temperatur einen vorgegebenen Wert übersteigt, wobei der Wert anzeigt, das warme und verdampfte Flüssigkeit sich am Pumpeneinlaß gebildet hat.
  • Der Fluss des kryogenen Nebenstroms kann auch gesteuert werden, indem die Durchflussrate des kryogenen Nebenstroms so eingeschränkt wird, dass er im wesentlichen der Rate entspricht, mit der der flüssige Anteil des Bades durch Verdampfen verloren geht.
  • Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Unterkühlung im Flüssigkeitsvorratsbehälter und den Zuführleitungen nicht aufrecht erhalten werden muß, da die Flüssigkeit, die gepumpt wird, an der Pumpe oder in der Nähe der Pumpe unterkühlt wird. Weiterhin führt das Steuern des Flusses der Flüssigkeit zur Unterkühlungseinheit zu einem Entfernen von warmer und verdampfter Flüssigkeit, welche dazu tendiert, sich nahe dem Pumpeneinlaß trotz der verfügbaren Unterkühlung zu bilden.
  • Der kryogene Nebenstrom kann vom kryogenen Flüssigkeitsstrom in einem Sumpfmantel der Pumpe, die dazu benutzt wird, den zumindest anteiligen Flüssigkeitsstrom zu pumpen, abgezogen werden. So betrachtet ist es normalerweise nur ein Teil des kryogenen Flüssigkeitsstroms, der gepumpt wird, indem ein kryogener Nebenstrom, der aus dem kryogenen Flüssigkeitsstrom gebildet wird, zu einem Phasenseparator abgezweigt wird, um den kühlen Flüssigkeitsanteil zu bilden. Sobald jedoch der Phasenseparator mit Flüssigkeit gefüllt ist, ist es notwendig, den Fluss zu stoppen, und damit wird der gesamte Flüssigkeitsstrom gepumpt, bis ein Abdampfen im Phasenseparator einen Wiederaufbau des Flusses des kryogenen Stroms zum Phasenseparator bewirkt. Während der Fluss aufrechterhalten wird, wird jeglicher Dampf entlüftet, und wenn der Fluss unterbrochen ist, werden Probleme wie der Verlust von Pumpeffizienz durch Verlust von Unterkühlung verhindert, indem vermieden wird, dass warme und verdampfte Flüssigkeit sich nahe bei oder im Einlaß der Pumpe sammelt.
  • Es wird weiterhin ein Pumpvorrichtung zum Pumpen einer kryogenen Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter zur Verfügung gestellt, welches eine Unterkühlungseinheit aufweist. Die Unterkühlungseinheit weist einen Phasenseparator auf, der wiederum eine Entlüftungsvorrichtung beinhaltet, die gewährleistet, dass der Phasenseparator einen niedrigeren Druck aufweist als der des Vorratsbehälters, und die Unterkühlungseinheit weist ferner noch einen Wärmetauscher auf, der sich im Phasenseparator befindet. Eine Pumpe dient dazu, zumindest einen Teil des kryogenen Flüssigkeitsstroms aus dem Vorratsbehälter zu pumpen. Der Wärmetauscher ist zwischen der Pumpe und dem Vorratsbehälter so mit beiden verbunden, dass der kryogene Flüssigkeitsstrom durch den Wärmetauscher geführt wird, bevor er in die Pumpe eintritt. Die Pumpe ist so mit dem Phasenseparator verbunden, dass ein kryogener Nebenstrom vom kryogenen Flüssigkeitsstrom zum Phasenseparator abgezogen und mit dem niedrigeren Druck im Phasenseparator beaufschlagt werden kann. Dies bewirkt, dass der kryogene Nebenstrom kocht und ein kochendes Bad eines flüssigen Anteils des kryogenen Flüssigkeitsstroms bildet, welches den Wärmetauscher bedeckt. Dieser kochende, flüssige Anteil hat eine hinreichend niedrigere Temperatur als die kryogene Flüssigkeit, um die durch den Wärmetauscher geleitete kryogene Flüssigkeit zu unterkühlen.
  • Ein Flüssigkeitspegeldetektor kann im Phasenseparator angebracht sein, um Signale zu generieren, welche die Höhe des Pegels des flüssigen Anteils im Phasenseparator widerspiegeln. Ein ferngesteuertes Ventil kann zwischen Pumpe und Phasenseparator angeordnet sein. Ein Temperaturwandler kann dazu dienen, Temperatursignale bezüglich der Temperatur zu generieren. Der Temperaturwandler wird so angebracht, dass die angezeigte Temperatur den Temperaturbedingungen am Pumpeneinlaß entspricht. Eine Steuereinheit kann vorgesehen sein, die auf die Signale, die vom Flüssigkeitspegeldetektor generiert werden, und auf die Temperatursignale anspricht, um das ferngesteuerte Ventil steuern. Die Steuereinheit steuert das ferngesteuerte Ventil somit in eine geschlossene Stellung, bei der der Fluss unterbrochen wird, wenn die Höhe des flüssigen Anteils bei einem festgelegten Pegel über dem Wärmeaustauscher liegt, und in eine geöffnete Stellung, bei der der Fluss wieder aufgebaut wird, wenn die Höhe des flüssigen Anteils durch Wegkochen des flüssigen Anteils gefallen ist. Die Steuereinheit steuert ebenfalls das ferngesteuerte Ventil in eine zeitweise geöffnete Stellung, wenn eine Temperatur anzeigt, dass sich warme Flüssigkeit und Dampf am Pumpeneinlass gebildet haben.
  • Eine Öffnung zwischen der Pumpe und dem Phasenseparator kann so dimensioniert sein, dass sie die Durchflussrate des kryogenen Nebenstroms so steuert, dass die Durchflussrate des kryogenen Nebenstroms im wesentlichen gleich einer Verlustrate des flüssigen Anteils aus dem Bad durch Verdampfen entspricht. Alternativ kann das ferngesteuerte Ventil ein Proportionalventil sein. Die Steuereinheit spricht auf die Signale an, die durch den Flüssigkeitspegeldetektor generiert werden, und steuert das Proportionalventil so, dass die Durchflussrate des kryogenen Nebenstroms im wesentlichen gleich der Rate ist, mit der der flüssige Anteil im Bad durch Verdampfen verloren wird.
  • Bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Pumpe mit einem Sumpfmantel ausgestattet sein, der mit dem Wärmetauscher und dem Phasenseparator so verbunden ist, dass der kryogene Flüssigkeitsstrom vom Wärmetauscher zum Sumpfmantel fließt und der kryogene Nebenstrom vom Sumpfmantel zum Phasenseparator abgezweigt wird.
  • Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können weiterhin mit einem Entlastungsventil ausgestattet sein, welches mit einem Auslass der Pumpe in Verbindung steht. Das Entlastungsventil hat eine geschlossene Position und eine offene Ablassposition, um es der Pumpe zu ermöglichen, Druck abzulassen. Das Steuerungssystem ist mit der Pumpe im Entlastungsventil verbunden. Das Steuerungssystem ist weiterhin so konfiguriert, dass die Pumpe aktiviert wird, wenn der Flüssigkeitspegel des flüssigen Anteils den Wärmetauscher bedeckt und die Temperatur bei oder unter einem Temperatursollwert bei einer oder unter einer ausreichend niedrigeren Temperatur ist. Die Steuereinheit ist weiterhin so konfiguriert, dass sie das Entlastungsventil in die offene Ablassstellung bringt, um der Pumpe ein Ablassen zu einem niedrigen Druck hin zu erlauben und somit sicherzustellen, dass die Pumpe selbst kalt ist, und anschließend dann das Entlastungsventil in die geschlossene Stellung zu bringen, so dass der kryogene Flüssigkeitsstrom zu einem Verbrauchspunkt gepumpt wird.
  • Wenn die Pumpe einen Sumpfmantel aufweist, der mit dem Wärmetauscher und dem Phasenseparator in Verbindung steht, kann der Temperaturwandler zwischen den Sumpfmantel und dem Phasenseparator angeordnet sein, um die Temperatur des kryogenen Nebenstroms zu messen.
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  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert, wobei die Zeichnung ein schematisches Schnittbild eines Pumpsystems zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.
  • In der Figur ist ein System 1 zum Pumpen einer kryogenen Flüssigkeit 2 dargestellt, welche in einem Vorratsbehälter 3 gelagert ist. Der Vorratsbehälter 3 ist vorzugsweise doppelwandig und beinhaltet eine Vakuumisolation, um das Eindringen von Wärme in dem Vorratsbehälter 3 zu minimieren. Die kryogene Flüssigkeit 2 kann sich in zwischen gesättigt und unterkühlt wechselnden Zuständen oder in geschichteten Kombinationen dieser beiden Zustände befinden. Die kryogene Flüssigkeit 2 wird mittels einer Unterkühlungseinheit 10 unterkühlt und dann, nachdem sie unterkühlt wurde, mittels einer Pumpe 12 gepumpt.
  • Der Druck eines dünnen Vorratsbehälters 3 wird konstant gehalten, indem Dampf 13 im Kopfteil durch ein Entlüftungsventil 14, welches mit dem Kopfteil durch die Entlüftungsleitung 16 an einer Verbindung 17 in Verbindung steht, abgelassen wird. Während die Pumpe 12 in Betrieb ist, wird die Wärmemenge, die vom Vorratsbehälter 3 abgezogen wird, wird immer kleiner sein als die zugeführte Umgebungswärme, da die Pumpe 12 ebenfalls Wärme von Behälter abführt. Entlüftungsventil 14 wird durch einen Druckwandler 18 gesteuert, welcher den Druck des Dampfes 13 im Kopfteil über eine Instrumentenleitung 20 mißt.
  • Wenn der Druck im Behälter 3 unter einen festgelegten Wert wie z.B. 929 kPa (120 psig) fällt, kann der Druck durch die Druckaufbauwendel 22, welche kryogene Flüssigkeit aus einer Flüssigkeitsleitung 24 empfängt und diese verdampft, aufgebaut werden. Die verdampfte Flüssigkeit wird durch die Verbindung 17 und die Entlüftungsleitung 16 in den Kopfteil des Vorratsbehälters 3 zurückgeführt. Der Fluss von Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung 24 zur Druckaufbauwendel 22 wird durch ein ferngesteuertes Ventil 25 gesteuert, welches über den Druck, der durch den Druckwandler 18 gemessen wird, aktiviert wird. Obwohl hier nicht gezeigt, können die Steuerfunktionen, die notwendig sind, um das Ablaßventil 14 und das ferngesteuertes Ventil 25 zu steuern, in eine Steuereinheit 66 integriert sein, die weiter unten noch näher diskutiert wird, oder von einer separaten, bekannten Steuereinheit, die zum Vorratsbehälter 3 gehört, ausgeführt werden.
  • Der Flüssigkeitspegel im Behälter 3 wird normalerweise bestimmt, indem ein Differentialdruckwandler 26 benutzt wird, in welchem der Flüssigkeitsdruck 13 durch eine Instrumentleitung 28 gemessen wird, und der Druck des Dampfs 13 wird durch eine Instrumentenleitung 20 erfaßt. Der Vorratsbehälter 3 wird in bekannter Weise durch eine Kupplung 30 gefüllt. Der Druck im Behälter wird während des Füllvorgangs erhöht oder erniedrigt, indem Ventile 34 bzw. 32 geöffnet werden.
  • Ein kryogener Flüssigkeitsstrom wird an die Unterkühlungseinheit 10 mittels einer Zuführungsleitung 36 für kryogene Flüssigkeiten geleitet. Die Zuführungsleitung 36 für kryogene Flüssigkeiten ist mit einem Isolierungsventil 37 ausgestattet, um den Fluss zu unterbrechen, sowie mit einem manuell bedienbaren Entlüftungsventil 38 und einem Sicherheitsventil 40. Falls Wartungsarbeiten an der Pumpe 12 notwendig sein sollten, wird das Isolierungsventil 37 geschlossen und das Entlüftungsventil 38 wird in eine geöffnete Position verstellt, um eingefangenen Dampf abzulassen.
  • Die Unterkühlungseinheit 10 weist einen Phasenseparator 42 auf, welcher doppelwandig ausgeführt ist und mit einer Vakuumisolation zwischen den beiden Wänden ausgestattet ist. Der Phasenseparator 42 wird mittels einer Ablassleitung 43 zur Atmosphäre hin entlüftet, welche ein Sicherheitsventil 44 aufweist, um den Phasenseparator 42 vor Überdruck zu schützen, sowie ein ferngesteuert zu aktivierendes Entlüftungsventil 45, welches so dimensioniert ist, dass der Druck im Phasenseparator 42 so nahe wie möglich bei 101 kPa (0 psig) liegt.
  • Ein Wärmetauscher 46 mit geraden Durchlässen zur Vermeidung von Flüssigkeitsdurchflussverlusten ist im Phasenseparator 42 angebracht und ist mit der kryogenen Flüssigkeitsleitung 36 verbunden, um den kryogenen Flüssigkeitsstrom aufzunehmen. Der kryogene Flüssigkeitsstrom ist unterkühlt, da er den Wärmetauscher 46 in einer An und Weise durchströmt, wie es weiter unten detaillierter beschrieben wird. Der kryogene Flüssigkeitsstrom wird, nachdem er unterkühlt wurde, in einen Sumpfmantel 48 der Pumpe 12 eingeleitet. Wie gezeigt, steht für diesen Zweck ein vakuumisolierter, flexibler Schlauch 49 zur Verfügung. Eine Kupplung 50 dient dazu, die Pumpe 12 vom flexiblen Schlauch 49 zu trennen.
  • Ein kryogener Nebenstrom wird vom kryogenen Flüssigkeitsstrom durch eine kryogene Leitung 51, welche den Pumpensumpfmantel 40 mit dem Inneren des Phasenseparators 42 verbindet, abgezweigt. Wie gezeigt, reicht die kryogene Leitung über den Wärmetauscher 46 hinaus. Nachdem der kryogene Nebenstrom in den Phasenseparator 42 eingeleitet ist, wird er mit dem niedrigen Druck, der hierin aufrecht erhalten wird, beaufschlagt, was dazu führt, dass die kryogene Flüssigkeit kocht und einen Dampfanteil, welcher durch die Entlüftungsleitung 43 abgelassen wird, sowie einen Flüssigkeitsanteil 52 produziert. Der Flüssigkeitsanteil 52 hat eine genügend niedrigere Temperatur als der kryogene Flüssigkeitsstrom, der in den Wärmetauscher 46 eintritt, sodass der kryogene Flüssigkeitsstrom nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher 46 unterkühlt ist. Der Rest der kryogenen Flüssigkeit im Sumpfmantel 48 wird in Pumpenkammern 54 der Pumpe 58 und anschießend aus einer Entladungsleitung 56 heraus gepumpt.
  • Obwohl nicht dargestellt, weist die Pumpe 12 Kolben in den Pumpenkammern 54 auf sowie einen Antrieb für die Kolben und einige bekannte Zubehörteile, die in Verbindung mit der Pumpe 12 benutzt werden. Alternativ kann die Pumpe 12 auch eine Rotationspumpe bekannter Bauart sein.
  • Der Flüssigkeitsanteil 52, welcher den Wärmetauscher 46 bedeckt, wird durch das Kochen des kryogenen Nebenstroms, der die kryogene Leitung 51 durchströmt, sowie durch Wärmezufuhr in den Phasenseparator 42 und durch Wärmetransfer vom Wärmetauscher 46, selbst kochen. Um den flüssigen Anteil zu ersetzen und einen Fluss durch die kryogene Leitung 51 zu gewährleisten, ist in der kryogenen Leitung 51 eine Öffnung 58 vorgesehen, die den Fluss des kryogenen Nebenstroms so steuert, dass die Durchflussrate dieses Stroms beschränkt ist und mindestens der Verdampfungsrate entspricht. Abhängig von Umgebungstemperaturbedingungen kann es sein, dass die Größe der Öffnung 58 an geographische und saisonale Veränderungen angepasst werden muß. Der kontinuierliche Fluss des kryogenen Stroms hilft dabei, sicherzustellen, dass kein Dampf am Pumpeneinlaß der Pumpe 12 produziert wird. Es ist möglich, die Öffnung 58 so zu dimensionieren, dass eine größere Durchflussrate als die, die benötigt ist, um den flüssigen Anteil zu verdrängen, entsteht. Dies wird jedoch zu einer aggressiveren Steuerung der Höhe des flüssigen Anteils führen, wie weiter unten diskutiert werden soll.
  • Um einen festgelegten Pegel des flüssigen Anteil 52 im Phasenseparator 42 aufrecht zu erhalten, ist ein Differentialdruckwandler 60 mittels Instrumentenleitung 62 und 64 oben und unten mit dem Phasenseparator 42 verbunden, um elektrische Signale zu generieren, welche die Höhe des Flüssigkeitsanteils 52 wiedergeben. Wenn die Höhe des flüssigen Anteils 52 über einen vorher festgelegten Sollpegel 52 steigt, bei dem der Wärmetauscher 46 bedeckt ist, steuert eine Steuereinheit 66, die programmiert ist, um ein ferngesteuertes Ventil 68 in der kryogenen Leitung 51 abhängig von solchen elektrischen Signalen zu steuern, das ferngesteuertes Ventil 68 in eine geschlossene Stellung, um den Fluss zu unterbinden. Wenn die Höhe des flüssigen Anteils durch Verdampfen des flüssigen Anteils unter einen unteren Sollwert fällt, steuert die Steuereinheit 66 das ferngesteuerte Ventil 68 in eine geöffnete Stellung, um den Fluss durch die kryogene Leitung 51 wieder aufzubauen. Ein alternatives Steuerungsschema beinhaltet die Steuerung des ferngesteuerten Ventils 68 bei abgestelltem Fluss in eine geöffnete Stellung nach einem gesetzten Zeitintervall. Elektrische Leitungen 70 und 72 verbinden den Differentialdruckwandler 60 bzw. das ferngesteuerte Ventil 68 mit der Steuereinheit 66.
  • Wenn das ferngesteuerte Ventil 68 sich in geschlossener Stellung befindet, ist nicht gewährleistet, dass sich warme und verdampfte Flüssigkeit nicht beim oder nahe beim Einlaß der Pumpe 12 sammeln, was in der gezeigten Ausführungsform innerhalb des Sumpfmantels 48 wäre, was durch diskontinuierlichen Pumpenbetrieb und die Tatsache, dass sich Dampf innerhalb der kryogenen Leitung 51 sammeln kann, vorkommen kann. Damit sich kein Dampf sammeln kann, ist ein Temperaturwandler 74 in der kryogenen Leitung 51 angebracht, um die Temperatur zu messen, und ist mit einem Eingang der Steuereinheit 66 mittels elektrischer Leitungen 76 verbunden. Die Temperatur, die durch den Temperaturwandler 74 gemessen wird, ist abhängig von der Temperatur im Sumpfmantel 48 und zeigt somit die Temperaturbedingungen am Einlaß der Pumpe 12 an. Die Steuereinheit 66 ist so programmiert, dass sie das ferngesteuerte Ventil 68 zeitweilig öffnet, wenn die Temperatur zeigt, dass warme Flüssigkeit, also Flüssigkeit, die ihre Unterkühlung verloren hat, oder verdampfte Flüssigkeit sich am Einlaß der Pumpe 12 gebildet hat.
  • Wenn man beispielsweise annimmt, dass der Druck im Vorratsbehälter 3 791 kPa (100 psig) ist und flüssiger Stickstoff zu pumpen ist, kann die Temperatur des kryogenen Flüssigkeitsstroms nach der Unterkühlung typischerweise im Bereich von 191°C (153°R) liegen. Da die Sättigungstemperatur unter solchen Bedingungen bei ungefähr 225°C (180°R) und die Unterkühlung bei ungefähr 34°C (27°R) liegt, kann der Sollwert für ein zeitweises Öffnen des ferngesteuerten Ventils 68 219°C (175°R) sein, um genügende Leistungsfähigkeit zu liefern.
  • Ein alternatives Steuerschema beinhaltet das zeitweilige Öffnen des geschlossenen, ferngesteuerten Ventils 68 in periodischer Form mit einem festgelegten Zeitintervall, um jeglichen gesammelten Dampf abzulassen. In einem solchen Fall gibt es keine Notwendigkeit für Temperaturmessungen wie im oben beschriebenen Beispiel.
  • Um die Pumpe 12 zu starten, werden die Ventile 68 und 45 in geöffnete Stellung gebracht. Dies kann durch eine zusätzliche Programmierung der Steuereinheit 66 in bekannter Art und Weise realisiert werden. Im Falle von Ventil 45 ist eine Leitung 78 für diesen Zweck vorgesehen. Das Öffnen der oben genannten Ventile führt zu einem Fluss von kryogener Flüssigkeit durch die kryogene Flüssigkeitszuführleitung 36, Wärmetauscher 46 und Pumpensumpfmantel 48 und zu dem kryogenen Strom durch die kryogene Leitung 51. Wenn der Flüssigkeitspegel des flüssigen Anteils 52 den festgelegten Pegel erreicht, was durch den Differentialdruckwandler 60 gemessen wird, kann die Steuereinheit 66 zusätzlich so programmiert sein, dass sie auf die Temperatur, welche durch den Wandler 76 gemessen wird, anspricht. Wenn eine solche Temperatur einen festgelegten Wert aufweist, welcher zeigt, dass die Pumpe 12 gut genug gekühlt ist, wird die Pumpe 12 durch die Steuereinheit 66 gestartet. Obwohl nicht abgebildet, kann die Steuereinheit 66 hierzu mit der Stromversorgung der Pumpe 12 verbunden sein.
  • Optional kann ein Entlastungsventil 80 in der Pumpenentladungsleitung 56 angebracht sein. Das Entlastungsventil 80 kann auch mit der Kontrolleinheit 66 mittels Leitung 86 zur Fernsteuerung verbunden sein. Wenn die Pumpe 12 gestartet wird, kann die Steuereinheit 66 auch das Entlastungsventil 80 aktivieren und für ca. 30 Sekunden in eine offene Entlüftungsgsstellung bringen, um es der Pumpe 12 zu erlauben, sich auf niedrigen Druck zu entladen. Die Entladung kann zum kryogenen Vorratsbehälter 43 rückgeführt oder in die Atmosphäre erfolgen. Die Entladung wird die Pumpenkammer 54 innerhalb der Pumpe 12 gründlich abkühlen. Das Entlastungsventil 80 kann nach dem festgelegten Zeitintervall geschlossen werden, um Flüssigkeit innerhalb der Pumpenentladungsleitung 56 an den Verbrauchspunkt zu führen.
  • Ein Temperaturwandler 82 kann in der Pumpenentladungsleitung 56 angebracht sein, um die Temperatur der Pumpenentladung zu messen, welche näherungsweise proportional zur Volumeneffizienz ist. Dies ist eine gängige Methode, um festzustellen, ob die Pumpe 12 vorgefüllt ist. Die Temperatur wird dabei empirisch für das System festgelegt und hängt vom Entladedruck ab. Die Temperatur wird typischerweise in einem Bereich zwischen –87°C (–125°F) und ungefähr –129°C (–200°F) liegen. Wenn die Temperatursignale, die durch den Temperaturwandler 82 generiert werden, anzeigen, dass die Temperatur oberhalb eines solchen Bereichs liegt, kann man davon ausgehen, dass die Pumpe die Vorfüllung verloren hat. Diese Temperatursignale werden durch elektrische Leitungen 84 zur Steuereinheit 66 als Eingangssignal gesendet. Die Steuereinheit 66 kann so programmiert sein, dass sie als Antwort auf Temperatursignale, die anzeigen, dass die Pumpe ihre Vorfüllung verloren hat, die Pumpe 12 abschaltet.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann Ventil 68 durch ein Proportionalventil ersetzt sein. In einem solchen Fall entfällt die Öffnung 58. Wenn das ferngesteuerte Ventil 68 ein Proportionalventil ist, wird die Steuereinheit 66 so programmiert, dass sie auf den Pegel des flüssigen Anteils 52 anspricht, sodass sie die Öffnung des Ventils 68 entsprechend so steuert, dass die Höhe des flüssigen Anteils 52 auf einem festgelegten Pegel liegt. Dies würde den Fluss in der kryogenen Leitung 51 nahezu immer aufrecht erhalten, da die Durchflussrate des kryogenen Nebenstroms immer im Wesentlichen gleich der Verdampfungsrate des flüssigen Anteils wäre. Eine Temperatur, die die Einlaßbedingung der Pumpe 12 widerspiegelt, kann ebenfalls gemessen werden, um die Öffnung des Ventils sicherzustellen, wenn das Temperaturniveau anzeigt, dass warme Flüssigkeit oder verdampfte Flüssigkeit im Sumpfmantel 48 vorhanden ist.
  • Es soll an dieser Stelle betont werden, dass die Programmierfunktion der Steuereinheit 66 dem Fachmann wohl bekannt ist, und beispielsweise Flüssigkeitspegel, Temperatur- und Druckkontrolle beinhaltet. Ebenso ist eine Zeitrelaissteuerung möglich.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Pumpen einer kryogenen Flüssigkeit (2) aus einem Vorratsbehälter (3), welches folgende Schritte beinhaltet: Abführen eines kryogenen Flüssigkeitsstroms aus dem Vorratsbehälter; Pumpen von zumindest einem Teil des kryogenen Flüssigkeitsstroms; Einleitung des kryogenen Flüssigkeitsstroms vor dem Pumpen des zumindest einen Teils des kryogenen Flüssigkeitsstroms in einen Wärmetauscher (46), der sich in einem Phasenseparator (42) befindet, und Abzweigen eines kryogenen Nebenstroms des kryogenen Flüssigkeitsstrom nach dem Durchleiten des kryogenen Flüssigkeitsstroms durch den Wärmetauscher; Einleiten des kryogenen Nebenstroms in den Phasenseparator und Beaufschlagen des kryogenen Nebenstroms mit einem Druck, der niedriger ist als der des Vorratsbehälters, um den kryogenen Nebenstrom zum Kochen zu bringen und ein kochendes Bad eines Flüssigkeitsanteils des kryogenen Nebenstroms auszubilden, welches den Wärmetauscher bedeckt und welches eine niedrigere Temperatur als der kryogene Flüssigkeitsstrom aufweist, wodurch der kryogene Flüssigkeitsstrom unterkühlt wird; und Steuern des Flusses des kryogenen Nebenstroms, wobei der Fluss ausgesetzt wird, wenn der Flüssigkeitsanteil bei einem vorgegebenen Pegel über dem des Wärmetauschers liegt, erneutem Aufbau des Flusses, nachdem der Flüssigkeitspegel des Flüssigkeitsanteils durch Verdampfungsverlust gefallen ist, und zeitweises Wiederaufbauen des Flusses zwischen dem Unterbrechen und dem Wiederaufbauen des Flusses, um warme und verdampfte Flüssigkeit zu entfernen.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Fluss des kryogenen Nebenstroms gesteuert wird, indem eine Temperatur gemessen wird, welche sich auf die Einlasstemperaturbedingungen an einem Einlass einer Pumpe (12) bezieht, und der Fluss des kryogenen Nebenstroms während der Unterbrechung des Nebenstroms zeitweise freigegeben wird, wenn die Temperatur einen vorgegebenen Wert überschreitet, der anzeigt, dass sich warme und verdampfte Flüssigkeit am Einlass der Pumpe gebildet hat.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Fluss des kryogenen Nebenstroms ferner gesteuert wird, indem die Durchflussrate des kryogenen Nebenstroms so eingeschränkt wird, dass sie im wesentlichen gleich der Rate ist, mit welcher der Flüssigkeitsanteil aus dem Bad durch Verdampfen verloren wird.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der kryogene Nebenstrom vom kryogenen Flüssigkeitsstrom in einem Sumpfmantel (48) einer Pumpe (12), die zum Pumpen des Teils des kryogenen Flüssigkeitsstroms verwendet wird, abgezweigt wird.
  5. Pumpvorrichtung zum Pumpen einer kryogenen Flüssigkeit (2) aus einem Vorratsbehälter (3), mit: einer Unterkühlungseinheit (10), die einen Phasenseparator (42) aufweist, der eine Entlüftungsvorrichtung (45) beinhaltet, die den Phasenseparator auf einem niedrigeren Druck als dem des Vorratsbehälters hält, sowie einem Wärmetauscher (46), der sich im Phasenseparator befindet; einer Pumpe (12) zum Pumpen zumindest eines Anteils eines kryogenen Flüssigkeitsstroms aus dem Vorratsbehälter; wobei der Wärmetauscher zwischen der Pumpe und dem Vorratsbehälter so angeschlossen ist, dass der kryogene Flüssigkeitsstrom durch den Wärmetauscher strömt, bevor er die Pumpe erreicht; wobei die Pumpe so mit dem Phasenseparator verbunden ist, dass ein kryogener Nebenstrom vom kryogenen Flüssigkeitsstrom abgezweigt und zum Phasenseparator geführt und mit dem niedrigeren Druck im Phasenseparator beaufschlagt wird, um den kryogenen Nebenstrom zum Kochen zu bringen und ein kochendes Bad eines flüssigen Anteils des kryogenen Nebenstroms auszubilden, das den Wärmetauscher bedeckt und eine hinreichend niedrigere Temperatur als die kryogene Flüssigkeit aufweist, um den kryogenen Flüssigkeitsstrom, der durch den Wärmetauscher fließt, zu unterkühlen; einem Flüssigkeitspegeldetektor (60, 62, 64), der sich innerhalb des Phasenseparators befindet, um Signale, die von der Höhe des Flüssigkeitsanteils (52) im Phasenseparator abhängen, zu generieren; einem ferngesteuerten Ventil (68), welches zwischen der Pumpe und dem Phasenseparator eingefügt ist, um den Fluss des kryogenen Nebenstroms zu steuern; einen Temperaturwandler (74) zur Generierung von Temperatursignalen, die abhängig von der Temperatur sind; wobei der Temperaturwandler, so angeordnet ist, dass die Temperatur die Temperaturbedingungen am Einlaß der Pumpe angibt, und einer Steuereinheit (66), welche auf die Signale, die von dem Flüssigkeitspegeldetektor generiert werden, und die Temperatursignale anspricht und das ferngesteuerte Ventil in eine geschlossene Stellung bringt, wodurch der Fluss unterbrochen wird, wenn die Höhe des Flüssigkeitsanteils bei einem vorgegebenen Pegel über dem Wärmetauscher liegt, und das ferngesteuerte Ventil in eine offene Stellung bringt, wodurch der Fluss wieder frei aufgebaut wird, wenn die Höhe des Flüssigkeitsanteils aufgrund des Verdampfens aus dem Flüssigkeitsanteils gefallen ist, und das ferngesteuerte Ventilim Ansprechen auf ein Temperatur, die anzeigt, dass sich warme Flüssigkeit und Dampf am Einlass der Pumpe gebildet haben, zeitweise in die geöffnete Position bringt.
  6. Pumpvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Öffnung (58) aufweist, die zwischen der Pumpe (12) und dem Phasenseparator (42) angeordnet ist und die so dimensioniert ist, dass sie die Flussrate des kryogenen Nebenstroms derartig steuert, dass die Nebenstromdurchflussmenge im wesentlichen gleich der Rate ist, mit welcher der Flüssigkeitsanteil aus dem Bad durch Verdampfen verloren geht.
  7. Pumpvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ferngesteuerte Ventil (68) ein Proportionalventil ist; und die Steuereinheit (66) auf die Signale, die durch den Flüssigkeitspegeldetektor (60, 62, 64) generiert werden, anspricht, um das Proportionalventil so zu steuern, dass die Durchflussrate des kryogenen Nebenstroms im wesentlichen gleich der Rate ist, mit welcher der Flüssigkeitsanteil aus dem Bad durch Verdampfen verloren geht.
  8. Pumpvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (12) einen Sumpfmantel (48) aufweist, der mit dem Wärmetauscher (46) und dem Phasenseparator (42) so verbunden ist, dass der kryogene Flüssigkeitsstrom vom Wärmetauscher in den Sumpfmantel fließt und der kryogene Nebenstrom vom Sumpfmantel zu dem Phasenseparator abgezweigt wird.
  9. Pumpvorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entlastungsventil (80) in Verbindung mit einem Auslass der Pumpe (12) steht, wobei das Entlastungsventil eine geschlossene und eine offene Ablassstellung aufweist, die es der Pumpe erlaubt, Druck abzulassen; die Steuereinheit (66) mit der Pumpe und dem Entlastungsventil verbunden ist; und die Steuereinheit ferner so konfiguriert ist, dass sie die Pumpe aktiviert, wenn der Flüssigkeitspegel des Flüssigkeitsanteils (52) den Wärmetauscher (46) bedeckt und die Temperatur auf oder unter einem Temperatursollwert liegt, der wiederum auf oder unter der hinreichend niedrigeren Temperatur liegt, und das Entlastungsventil in die offene Ablassstellung bringt, um es der Pumpe zu erlauben, Druck abzulassen, um sicherzustellen, dass die Pumpe selbst gekühlt ist, und danach das Entlastungsventil in die geschlossene Stellung bringt, so dass der kryogene Flüssigkeitsstrom zu einem Verbrauchspunkt gepumpt wird.
  10. Pumpvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (12) einen Sumpfmantel (48) aufweist, der mit dem Wärmetauscher (46) und dem Phasenseparator (42) so verbunden ist, dass der kryogene Flüssigkeitsstrom vom Wärmetauscher in den Sumpfmantel fließt und der kryogene Nebenstrom vom Sumpfmantel abgezweigt und dem Phasenseparator zugeführt wird; und der Temperaturwandler (74) zwischen dem Pumpensumpfmantel und dem Phasenseparator angeordnet ist, um die Temperatur des kryogenen Nebenstroms zu messen.
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