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Pumpe für Flüssiggas von tiefer Temperatur Es sind Pumpen für Flüssiggas
von tiefer Temperatur bekannt, die aus einem Pumpengehäuse bestehen, in dem ein
Pumpenzylinder mit einem Kolben und die dazugehörigen Ventile oder Schlitze angeordnet
sind und bei denen der Kolben mittels einer mechanischen Übertragungseinrichtung
von einer Antriebsmaschine angetrieben ist. Das Pumpengehäuse muß sehr gut isoliert
sein, damit das Flüssiggas am vorzeitigen und ungewollten Verdampfen möglichst gehindert
wird. An die Pumpe ist eine isolierte Zuströmleitung für das Flüssiggas, eine Druckleitung
und eine Leitung für in der Pumpe verdampfendes Flüssiggas angeschlossen. Letztere
Leitung muß ebenfalls gut isoliert sein. Insbesondere Pumpen für höhere Drücke und
z. B. für Sauerstoff sind immer noch sehr empfindlich, da jede Schmierung mit Schmiermitteln
und übliche Dichtelemente mit guten Laufeigenschaften ausgeschlossen sind. Daher
ist der Verschleiß entsprechend, so daß Instandsetzungsarbeiten und Auswechslung
von den sich bewegenden Teilen verhältnismäßig oft vorkommen. Bei den bekannten
Pumpen müssen vor den Arbeiten zur Instandsetzung bzw. zum Austausch von Ventilen
oder dem Zylinder mit dem Kolben umfangreiche Demontagearbeiten durchgeführt werden,
so müssen die Zu- und Ableitungen abgeschraubt und sogar Teile der Isolation und
des Pumpengehäuses entfernt werden, bevor man an die verbrauchten Teile heran kann.
Da vor diesen Arbeiten zuerst auch noch das Auftauen durchgeführt werden muß, sind
diese ganz besonders langwierig und zeitraubend, so daß in vielen Fällen mindestens
zwei Pumpen vorhanden sind, von denen eine aus betrieblichen Gründen immer in Reserve
bereitgehalten wird. In diesem Falle ist es aber wiederum notwendig, die gesamte
Reservepumpe vor Inbetriebnahme abzukühlen.
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Die Erfindung betrifft eine Pumpe für Flüssiggas von tiefer Temperatur,
die auch für hohe Drücke geeignet ist und in einen Behälter durch eine Öffnung in
dessen Wand hineinragt, mit einem Pumpengehäuse, einem vom Pumpengehäuse getragenen
und im Flüssiggas gekühlten Pumpenzylinder, einem Kolben, einer von einem außerhalb
des Behälters befindlichen Antrieb betätigten Kolbenstange, mindestens einer Anschlußleitung
zur Förderung des Flüssiggases und mit vorzugsweise flüssigkeitsgesteuerten Ventilen
für den Ein- und Austritt des Flüssiggases in den bzw. aus dem Pumpenzylinder.
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Es soll eine Lösung für die Aufgabenstellung aufgezeigt werden, Pumpenzylinder,
Zylinderdeckel, gegebenenfalls Ventileinheiten mit ihren Ventilen, ihren Ventilsitzen
und gegebenenfalls Ventilfedern, Kolben, Kolbenstange und deren Führungen und Abdichtungen,
also alle bei tiefer Temperatur eine Bewegung ausführende bzw. einem Verschleiß
unterliegende Teile in ein Pumpengehäuse von der Antriebsseite her einführbar bzw.
herausziehbar zu machen, während das Gehäuse und alle Anschlußleitungen dabei Lage
und Verbindung unverändert beibehalten sollen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist gekennzeichnet durch eine im Behälter
fest eingebaute Baueinheit Pumpengehäuse, an der alle Anschlußleitungen angebracht
sind, und eine in der Baueinheit Pumpengehäuse eingesetzte austauschbare Baueinheit
Pumpenzylinder, zu der auch alle einem Verschleiß und einer Störanfälligkeit unterliegenden
Teile gehören, wie Pumpenzylinder, Kolben, Kolbenstange und deren Führungen und
Abdichtungen, sowie Ventile und Ventilsitze, die im montierten Zustand der Baueinheit
Pumpengehäuse und der Anschlußleitungen von der Antriebsseite her in das Pumpengehäuse
einführbar bzw. aus diesem herausziehbar sind, wobei durch Teile beider Baueinheiten
zwischen dem das Flüssiggas aufnehmenden Raum und dem Außenraum ein Raum zur Überbrückung
des Temperaturunterschiedes gebildet ist.
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Dadurch wird erreicht, daß die Teile mit Störanfälligkeit oder betrieblich
bedingter Abnützung durch einen einfachen Montagevorgang in die Baueinheit Pumpengehäuse
ein- bzw. ausbaubar sind, ohne daß dabei irgendwelche Isolationsteile berührt werden
müssen. Das Auftauen der gesamten Pumpe vor Inangriffnahme der Instandsetzungsarbeiten
ist nicht mehr erforderlich, wodurch auch der Aufwand für das Abkühlen nach den
mit wenigen Handgriffen vorzunehmenden Auswechselarbeiten wesentlich herabgesetzt
ist. Betriebsfertige Pumpenzylinder-Austauscheinheiten können auf Lager gehalten
werden. Dabei
kann auch eine normal temperierte bauliche Einheit,
zu der alle bei tiefer Temperatur eine Bewegung ausführenden oder einem Verschleiß
unterliegenden Teile zusammengefaßt sind, durch entsprechende Ausführung der Passungen
in ein bis unter Betriebstemperatur stehendes Pumpengehäuse eingebaut werden. In
einer zweckmäßigen Ausgestaltungsform ist die Baueinheit Pumpenzylinder im wesentlichen
als Rotationskörper ausgebildet und in als Hohlzylinder geformte Flächen der Baueinheit
Pumpengehäuse eingepaßt.
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Um allen infolge der Wärmedifferenzen vom Material verursachten Dehnungs-
und Schrumpfungserscheinungen in einfacher und wirkungsvoller Weise zu begegnen,
ist es vorteilhaft, wenn die bauliche Einheit des Pumpenzylinders von der Antriebsseite
her axial und elastisch in das Pumpengehäuse gedrückt ist und sich an der Druckseite
mit einer Dichtfläche gegen eine Sitzfläche im Pumpengehäuse abstützt, so daß die
Druckseite gegen die Saugseite und das den Pumpenzylinder kühlende Flüssiggas abgedichtet
ist. Damit ergibt sich zugleich eine Verbindung der Pumpenzylinderdruckseite mit
der im Gehäuse innerhalb dieser Dichtfläche angebrachten Anschlußstelle für die
Flüssigkeitsdruckleitung. Eine derartig ausgeführte Pumpe kann vorteilhaft und zweckmäßig
in einer Isolationsschicht des Behälters, in dem auch andere wesentliche Teile einer
Anlage oder eines Apparates zur Erzeugung oder Speicherung des Flüssiggases untergebracht
sind, angeordnet und mittels eines Flansches mit dem Behältermantel und der Pumpenantriebsbaueinheit
lösbar verbunden sein. Damit bildet die Flüssiggaspumpe an sich keine besondere
bauliche Einheit mehr, sondern ist in einer anderen Einheit mit untergebracht, wodurch
1. eine gegebene einwandfreie Isolation dieses Behälters mit ausgenutzt wird, 2.
wesentlicher Platz eingespart ist und 3. die unvermeidlichen Kälteverluste durch
Zustrom von Wärme aus der Atmosphäre auf ein Mindestmaß herabgesetzt sind.
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Die Flüssiggaspumpe läßt sich in günstiger Weise direkt in einen z.
B. als Flüssiggastank ausgebildeten Behälter einbauen, derart, daß den Pumpenzylinder
haltende Bauteile am Rande einer Einbauöffnung mit dem Mantel des Behälters an einer
hochliegenden Stelle gasdicht verankert sind und der Pumpenzylinder in das Behälterinnere
gesteckt ist, wobei sich seine Ansaugöffnung mit dem Saugventil an einer tiefliegenden
Stelle befändet. Eine derartige Anordnung ist insbesondere in bezug auf die unvermeidlichen
Kälteverluste vorteilhaft.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 eine Pumpe für Flüssiggas, z. B. für verflüssigten Sauerstoff, die
in die Isolationsschicht eines zumindest Teile der Sauerstofferzeugungsanlage aufnehmenden
Behälters eingebaut und an der Behälterwand befestigt ist, und Fig. 2 und 3 Pumpen
für Flüssiggas, die in einen isolierten Flüssiggastank von oben oder einer hochliegenden
Stelle derart eingesetzt sind, daß die Ansaugöffnung an einer möglichst tiefliegenden
Stelle des Tankinneren liegt.
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Fig. 1 zeigt einen Teil eines Mantels 1 eines isolierten Behälters,
in dem z. B. ein Apparat zur Zerlegung von Luft bei tiefer Temperatur untergebracht
ist. Mit dem Mantel 1 ist eine fianschartige Verstärkungsplatte 2 verbunden, an
der einerseits ein Gehäuse 3 einer Pumpe für Flüssiggas, z. B. für verflüssigten
Sauerstoff, und andererseits ein Gehäuse 4, an dem der Antrieb der Flüssiggaspumpe
untergebracht ist, angeflanscht sind. Das Gehäuse 3 ist von der Isolationsschicht
5 innerhalb des Mantels 1 umgeben und in diese eingebettet, befindet sich also innerhalb
des Mantels 1, während das Gehäuse 4 außerhalb des Mantels in einem Raum mit normaler
Temperatur liegt. Durch Bohrungen 6, 7 und 9 in der Verstärkungsplatte 2 bzw. in
einer Trennwand 8 des Pumpengehäuses 3 bzw. am stirnseitigen Abschlußkopf 10 des
Gehäuses 3 ist ein Pumpenzylinder 11 in das Gehäuse 3 eingeführt und in diesem gelagert.
Im Gehäuse 3 befindet sich ein Flüssigkeitsbad 12, in welches das zu fördernde Mittel
durch die Rohrleitung 13 eintritt und den Pumpenzylinder 11 kühlt. Dabei verdampfendes
Medium entweicht durch die Rohrleitung 14. Im Pumpenzylinder 11 und seinem Zylinderdeckel
15 sind ein als Plunger arbeitender Kolben 16, dessen Kolbenstange 17 mit der Führung
18 und den Abdichtungen 19 und 20 sowie ein Saugventil 21 und ein Druckventil 22
untergebracht. Ein Gewinde 23 an der Stirnseite des Gehäuses 3 dient zum Anschluß
einer Hochdruckleitung.
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Das zu pumpende Flüssiggas strömt beim Saughub aus dem Flüssigkeitsbad
12 durch Saugschlitze 24 in den hohl ausgebildeten Kolben 16 und durch das Saugventil
21 in den Hubraum 25. Beim Druckhub wird das Flüssiggas aus dem Hubraum 25 durch
das Druckventil 22 in die nicht eingezeichnete Hochdruckleitung gedrückt. Der Pumpenzylinder
11 und der Zylinderdeckel 15 sind so ausgebildet, daß sie mittels des Zwischenstückes
26, an dem ein Montagegewinde 27 angeordnet ist, durch die Bohrungen 6, 7 und 9
von der Außenseite her montierbar, also einfuhrbar und herausziehbar sind. Dabei
wird die Abdichtung zwischen Hochdruckseite und Flüssigkeitsbad 12 mittels des Kegelsitzes
28 und die Abdichtung zwischen dem Flüssigkeitsbad 12 und einem Temperaturausgleichsraum
29 mittels einer Dichtung 30 bewirkt. Federn 31, die durch Schrauben 32 anziehbar
sind, drücken über das Zwischenstück 26 und den Pumpenzylinder 11 den Zylinderdeckel
15 an der kegeligen Sitzfläche 28 gegen den Abschlußkopf 10 des Gehäuses 3. Durch
die Elastizität der Federn 31 werden sämtliche durch Temperaturdifferenzen bedingte
Längendehnungen im Material aufgenommen. Motor 33, Schneckengetriebe 34, Nocken
35, Kreuzkopf 36 und Gegendruckfeder 37 sind die wesentlichsten Teile des Antriebs.
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Fig. 2 zeigt ein Stück eines Flüssiggastankes mit dem Mantel 41 eines
inneren Tankbehälters und dem Mantel 42 eines äußeren Behälters. Zwischen den beiden
Behältern ist eine Isolationsschicht 43 angeordnet, in der ein Vakuum aufrechterhalten
wird. Die beiden Behältermäntel 41 und 42 weisen koaxiale Öffnungen 44 und 45 für
den Einbau einer Flüssiggaspumpe auf. Die Ränder der Öffnungen 44 und 45 sind mittels
eines Wehrohres 46 verbunden. Am Rand der Öffnung 45 ist ein Verschlußdeckel 47
angeflanscht, der mittels mehrerer Stehbolzen 48 ein Pumpengehäuse 49 trägt, das
innerhalb des Wellrohres 46 angeordnet ist. Das Pumpengehäuse 49 ist mittels eines
Wellrohres 50 ebenfalls mit dem Rand der Öffnung 44 gasdicht verbunden. Damit bestehen
vier voneinander gasdicht getrennte Räume, nämlich erstens der Außenraum 51, in
dem Umgebungstemperatur herrscht, zweitens der Innenraum 52 des Behälters 41, in
dem das zu pumpende Medium, z. B. Sauerstoff, bei tiefer Temperatur
in
teilweise flüssigem und teilweise gasförmigem Zustand vorhanden ist, drittens die
Isolationsschicht 43 und viertens ein Pumpenraum 53, welcher der Überbrückung der
Temperaturdifferenz zwischen den Räumen 51 und 52 dient.
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Am Pumpengehäuse 49 ist ein Rohr 54 angeordnet, das bis etwa zur tiefsten
Stelle des Behälters 41 reicht, wo es mit einem Pumpenzylinder 55, in dessen Deckel
ein Saugventil 56 angeordnet ist, einer Abdichtung 57 und einer Führung 58 für einen
Kolben 59 versehen ist. Der Kolben 59 reicht mit seiner Kolbenstange, die den gleichen
Durchmesser wie der Kolben aufweist, bis über den Verschlußdeckel 47 in den Raum
51 hinein, wo diese an den nicht gezeichneten Antrieb angeschlossen ist. In einem
Flansch, dem Montagedeckel 60 am Verschlußdeckel47, sind eine doppelseitige Abdichtung
61 und eine Führung 62 für die Kolbenstange vorgesehen. Der Kolben 59 ist hohl ausgebildet
und am unteren Ende mit einem Druckventil 63 versehen. Im Pumpengehäuse 49 ist ein
Hohlraum 64 vorgesehen, in dem eine mit Fenstern 65 versehene Büchse 66 eingepaßt
ist, in der eine Druckfeder 67 Abdichtungen 68 und 69 für die Kolbenstange in der
vorgesehenen Lage hält. Die Kolbenstange weist zwischen diesen Abdichtungen Überströmbohrungen
70 auf, durch die das gepumpte Medium in den Hohlraum 64 überströmt und damit in
die angedeutete Hochdruckleitung 71 gelangt.
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Durch die hohlzylindrischen Flächen 72, 73, 74, 75, 76 und 77 sind
alle einer Abnutzung unterworfenen oder eine betriebliche Störanfälligkeit aufweisenden
Teile der Flüssiggaspumpe bei gefülltem oder auch teilweise gefülltem Tank nach
Entfernen der nicht eingezeichneten Antriebsvorrichtung für die Kolbenstange leicht
ausbaubar und durch bereitgehaltene Ersatzteile zu ersetzen, so daß bei irgendwelchen
Störungen die Betriebsbereitschaft in kürzester Zeit und ohne nennenswerte Kälte-
und Flüssiggasverluste wieder hergestellt werden kann.
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Fig. 3 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der jedoch als besonderer
Vorteil auch bei großem Durchmesser des Behälters die Kolbenstange 81 während des
Pumpens von der Hochdruckseite her nur auf Zug beansprucht ist. Dies-ist durch gleich
große Ausbildung der Querschnitte des Plungerkolbens 82 und eines ruhenden Druckkolbens
83, der im Hohlraum der Kolbenstange 81 angeordnet ist, erreicht. Der ruhende Druckkolben
83 ist mittels eines Joches 84, das beiderseits durch Schlitze 85 in die Kolbenstange
81 greift und in der Spannschraube 86 festgehalten ist, in einer gegenüber dem Pumpengehäuse
49 unveränderlichen Lage gehalten. Bei dieser Anordnung muß in der Druckleitung
71 bei 87 ein Rückschlagventil angeordnet sein. Beim Aufwärtshub der Kolbenstange
81 tritt eine dem Hubvolumen entsprechende Menge Flüssiggas durch das Saugventil
56 in den Pumpenzylinder 55 ein, die beim Abwärtsgang des Kolbens durch das überströmventil
63 in den Hohlraum der Kolbenstange 81 überströmt. Beim folgenden Aufwärtshub wird
dieselbe Menge aus der Kolbenstange 81 durch die überströmbohrungen 70 in den Hohlraum
64 und damit in die Hochdruckseite gepumpt. Da in dieser Pumpe innerhalb des Pumpenzylinders
55 kein Hochdruck entsteht, sondern nur ein geringer überströmdruck beim Abwärtsgang
des Kolbens vorhanden ist, können alle Teile im Pumpenzylinder 55, wie das Saugventil
56, die Abdichtung 57 und die Führung 58, sehr leicht ausgeführt sein, wodurch die
Saugverluste und die Wärmeentwicklung an der Abdichtung auf ein Mindestmaß herabgesetzt
werden. Die Wärmeentwicklung an der unter Hochdruck stehenden Abdichtung des ruhenden
Kolbens 83 innerhalb der Kolbenstange wirkt sich nicht mehr nachteilig auf die Förderleistung
aus, da diese Wärmemenge mit der gepumpten Flüssigkeit in die Hochdruckleitung abgeführt
wird.
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Diese Pumpe arbeitet in einem Dreitaktverfahren, wobei beim Aufwärtsgang
des Kolbens das Ansaugen der Flüssigkeit aus dem Tank in den Pumpenzylinder 55 und
das Fördern aus dem Hohlraum des Kolbens in den Hohlraum 64 und damit in die Druckleitung
71 und beim Abwärtsgang des Kolbens das Überströmen der Flüssigkeit aus dem Pumpenzylinder
55 in den Hohlraum des Kolbens stattfindet. Durch die räumliche Trennung aller mit
dem Ansaugen in Beziehung stehenden Teile von der Druckseite ist ein besonders hoher
Liefergrad der Pumpe erzielbar.