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Die Erfindung betrifft eine Flüssiggaspumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Flüssiggaspumpe.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Flüssiggaspumpen für stationäre Anwendungen bekannt. Diese Pumpen weisen häufig Pumpenköpfe auf, die mediengekühlt ausgeführt sind. Aufgrund von Wärmeeintrag aus der Umgebung in das zu verdichtende Medium kann es jedoch zu einem teilweisen Verdampfen des Mediums kommen, so dass ein Teil des Mediums in die gasförmige Phase übergeht. Das heißt, dass im Zylinderraum ein Gasanteil vorhanden ist. Da die meisten Pumpensysteme bauformbedingt nicht für die Verarbeitung großer Gasanteile geeignet sind, gilt es derartige Gasanteile zu vermeiden oder zumindest zu minimieren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flüssiggaspumpe anzugeben, die weniger sensibel gegenüber einem Wärmeeintrag und dem damit verbundenen Gasanteil im Zylinderraum ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Flüssiggaspumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird das Verfahren zum Betreiben einer Flüssiggaspumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 5 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die zum Verdichten von Flüssiggas vorgeschlagene Flüssiggaspumpe umfasst einen Zylinderkopf, in dem ein oszillierender Kolben aufgenommen ist. Der Kolben begrenzt dabei einen Zylinderraum, der über eine Zuströmöffnung mit Flüssiggas aus einem Flüssiggasspeicher versorgbar ist. Erfindungsgemäß mündet im Bereich der Zuströmöffnung eine Gasrückführleitung in den Zylinderraum, über welche der Zylinderraum zumindest zweitweise während eines Befülltakts und/oder nach einem Befülltakt der Flüssiggaspumpe mit dem Flüssiggasspeicher, vorzugsweise mit einem Kopfbereich des Flüssiggasspeichers, verbunden ist.
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Über die in den Zylinderraum mündende Gasrückführleitung kann ein im Zylinderraum vorhandener Gasanteil aus dem Zylinderraum entfernt werden. Mit Entfernen des Gasanteils kann der Zylinderraum optimal befüllt werden, so dass die Förderleistung der Flüssiggaspumpe steigt. Ferner muss weniger Leistung zum Verdichten des Flüssiggases aufgewendet werden. Darüber hinaus sinken die Temperaturen beim Verdichten.
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Bei der erfindungsgemäßen Flüssiggaspumpe wird demnach in Kauf genommen, dass ein Teil des im Zylinderraum vorhandenen Flüssiggases bei Wärmeeintrag in eine gasförmige Phase übergeht. Da jedoch der Gasanteil vor dem Verdichten verringert oder in Gänze aus dem Zylinderraum entfernt wird, treten die eingangs erwähnten Nachteile im Betrieb der Flüssiggaspumpe nicht auf. Dadurch steigt die Robustheit der Flüssiggaspumpe gegenüber Wärmeeintrag bzw. im Zylinderraum kurzzeitig vorhandene Gasanteile.
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Der aus dem Zylinderraum entfernte Gasanteil wird zurück in den Flüssiggasspeicher geführt, so dass diese Menge dem System nicht verloren geht. Da sich im Flüssiggasspeicher bereits vorhandene Gasanteile aufgrund des Dichteunterschieds zur Flüssigphase am obersten Punkt des Speichers, das heißt in einem Kopfbereich des Speichers, absetzen, werden vorzugsweise in diesen Bereich auch die aus dem Zylinderraum entfernten Gasanteile eingeleitet.
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Den Dichteunterschied zwischen Gas- und Flüssigphase macht sich auch die vorliegende Erfindung zunutze, indem die Gasrückführleitung bevorzugt im Bereich der Zuströmöffnung, vorzugsweise auf Höhe der Zuströmöffnung angeordnet wird. Solange Flüssiggas aus dem Flüssiggasspeicher in den Zylinderraum strömt, ist auch die Gasrückführleitung freigegeben, so dass der Gasanteil bereits während des Befülltakts zurück in den Flüssiggasspeicher geführt werden kann. Während des Drucktakts, wenn sich der Kolben wieder nach unten bewegt, wird die Gasrückführleitung durch den Kolben verschlossen, um einen Druckaufbau im Zylinderraum zu ermöglichen.
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Der Zylinderraum einer erfindungsgemäßen Flüssiggaspumpe weist bevorzugt neben der Zuströmöffnung eine Drucköffnung auf, über die das verdichtete Flüssiggas aus dem Zylinderraum abführbar ist. Die Drucköffnung ist dabei in einem axialen Abstand zur Zuströmöffnung angeordnet. Das heißt, dass auch der Abstand der beiden Öffnungen zum Kolben variiert. Die Zuströmöffnung liegt näher am Kolben, so dass dieser im Drucktakt die Zuströmöffnung überfährt und verschließt, während die Drucköffnung freibleibt. Über die frei bleibende Drucköffnung kann dann das verdichtete Flüssiggas aus dem Zylinderraum abgeführt werden.
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Bevorzugt sind die Zuströmöffnung und die Gasrückführleitung in einem geodätisch höher liegenden Bereich des Zylinderraums angeordnet als die Drucköffnung. Besonders bevorzugt ist insbesondere die Gasrückführleitung in einem obersten Bereich des Zylinderraums angeordnet, da sich dort - aufgrund des Dichteunterschieds - der Gasanteil sammelt. Dadurch ist sichergestellt, dass nur der Gasanteil über die Gasrückführleitung entfernt wird.
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Vorteilhafterweise ist der Kolben über eine Kolbenstange mit einem hydraulischen Antrieb wirkverbunden. Das heißt, dass der Kolben durch einen hydraulischen Antrieb, der auf die Kolbenstange wirkt, in Bewegung versetzt wird. Die Bewegung ist dabei nicht an eine sinusförmige Bewegung gekoppelt. Der hydraulische Antrieb ermöglicht eine Unterbrechung der Kolbenbewegung, so dass dieser in einer vorgegebenen Position verharrt bzw. gehalten wird. Vorliegend ist es wünschenswert, dass der Kolben in einer oberen Endlage, in der die Gasrückführleitung freigegeben ist, verharrt bzw. gehalten wird, so dass der im Zylinderraum vorhandene Gasanteil möglichst vollständig entfernt werden kann.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Flüssiggaspumpe vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird im Befülltakt der Flüssiggaspumpe ein Zylinderraum über eine Zuströmöffnung mit Flüssiggas aus einem Flüssiggasspeicher befüllt. Im Drucktakt wird das im Zylinderraum vorhandene Flüssiggas mittels eines den Zylinderraum begrenzenden, oszillierenden Kolbens verdichtet. Erfindungsgemäß wird eine in den Zylinderraum mündende Gasrückführleitung über die oszillierende Bewegung des Kolbens im Befülltakt freigegeben und im Drucktakt verschlossen, so dass im Befülltakt ein im Zylinderraum vorhandener Gasanteil über die freigegebene Gasrückführleitung zurück in den Flüssiggasspeicher, vorzugsweise in einen Kopfbereich des Flüssiggasspeichers, zurückgeführt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer Verringerung oder vollständigen Beseitigung eines im Zylinderraum vorhandenen Gasanteils. Der Zylinderraum kann somit besser befüllt werden, was zu einer erhöhten Förderleistung der Flüssiggaspumpe führt. Ferner muss weniger Leistung zum Verdichten des Flüssiggases aufgewendet werden. Darüber hinaus sinken die Temperaturen beim Verdichten.
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Bevorzugt wird der Kolben über eine vorgegebene Haltezeit in einer oberen Endlage gehalten und diese Zeit wird genutzt, um einen im Zylinderraum vorhandenen Gasanteil über die Gasrückführleitung in den Flüssiggasspeicher zurückzuführen. Da in der oberen Endlage des Kolbens die Gasrückführleitung sicher freigegeben ist, kann während der Haltezeit des Kolbens der im Zylinderraum vorhandene Gasanteil sicher abgeführt werden.
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Vorzugsweise beträgt die Haltezeit etwa 3/5 einer Periodendauer, während der Befülltakt und der Drucktakt jeweils 1/5 der Periodendauer benötigen. Das heißt, dass die Haltezeit länger als die Zeit ist, die der Pumpenkolben benötigt, um von der oberen Endlage in seine untere Endlage zu gelangen bzw. umgekehrt. Die vergleichsweise lange Haltezeit kommt der Entfernung des Gasanteils aus dem Zylinderraum zugute, so dass dieser annähernd vollständig entfernt werden kann.
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Die Periodendauer kann dabei 100 ms betragen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Die in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Flüssiggaspumpe weist einen Zylinderkopf 1 auf, in dem ein oszillierender Kolben 2 aufgenommen ist. Der Kolben 2 ist über eine Kolbenstange 7 mit einem hydraulischen Antrieb (nicht dargestellt) verbunden. Andernends begrenzt der Kolben 2 einen Zylinderraum 3, der im Befülltakt der Pumpe über eine Zuströmöffnung 4 mit Flüssiggas befüllbar ist. Im Drucktakt wird das im Zylinderraum 3 vorhandene Flüssiggas verdichtet und über eine Drucköffnung 6 aus dem Zylinderraum 3 geführt.
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Durch den Wärmeeintrag der auf den Kolben 2 wirkenden Kolbenstange 7 kann es, insbesondere im Bereich einer den Zylinderraum 3 begrenzenden Stirnfläche 8 des Kolbens 2, zu einem Temperaturanstieg kommen, so dass ein Teil der vorhandenen Flüssiggasmenge verdampft. Da ein im Zylinderraum 3 vorhandener Gasanteil den Wirkungsgrad der Pumpe senkt, sollte dieser entfernt werden. Die erfindungsgemäße Flüssiggaspumpe weist hierzu eine Gasrückführleitung 5 auf, die den Zylinderraum 3 - zumindest zeitweise - mit einem Flüssiggasspeicher (nicht dargestellt) verbindet. Da sich der Gasanteil in einem oberen Bereich des Zylinderraums 3 sammelt, mündet auch die Gasrückführleitung 5 in diesem Bereich in den Zylinderraum 3. Durch diese Anordnung der Gasrückführleitung 5 ist ferner sichergestellt, dass der Kolben 2 im Drucktakt die Gasrückführleitung 5 verschließt, so dass Druck im Zylinderraum 3 aufgebaut werden kann. Im Befülltakt bzw. während einer auf den Befülltakt folgenden Haltezeit, in welcher der Kolben 2 in einer oberen Endlage verharrt, kann der Gasanteil über die Gasrückführleitung 5 zurück in den Flüssiggasspeicher geführt werden.
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Die Dauer der Haltezeit ist insbesondere abhängig vom jeweiligen Wärmeeintrag, vom Medium, insbesondere von dessen Wärmekapazität, sowie vom geforderten Massenstrom des Systems. Die Haltezeit kann anhand empirischer Werte bestimmt und am Objekt optimiert werden.
