DE1528709A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vergroesserung der wirksamen Zulaufhoehe bei einer mit Fluessigkeiten gespeisten Einrichtung,insbesondere einer Pumpe - Google Patents

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Gesellschaft für Linde's Eismaschinen Aktienaesj&llsrbaft

Dr. Expl.

Ke/Ri

Verfahren und Vorrichtung zur Ver^röyserunfe der wirksamen zulaufhöhe bei einer mit Flüssigkeiten gespeisten EinrichtunK^ insbesondere einer Pumpe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergrösserung der wirksamen Zulaufhöhe bei einer mit Flüssigkeiten gespeisten Einrichtung, insbesondere einer Pumpe, die aus Zulaufbehältern relativ kleine Flüssigkeitsmengen, insbesondere unterkühlte Flüssiggase, entnimmt, und deren Zulauf leitungen Kältevex .uuste aufweisen.

Um ein Ausdampfen der Förderflüssigkeit beispielsweise in Kreiselpumpen wegen der Werkstoffzerstörungen verursachenden Kavitation zu vermeiden und ganz allgemein die Funktionsfähigkeit einer Pumpe zu gewährleisten, darf der auf der Förderflüssigkeit, z.B. einem

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ruhende Druck nirgends den zugehörigen Sättigungsdruck der Flüssigkeit unterschreiten. Daher muss vor dem Laufradeintritt der Kreiselpumpe wenigstens die sogenannte Mindestzulaufhöhe vorhanden sein, deren Grosse sich aus den auftretenden Druckhöhenverlusten der Flüssiggasströmung und Äquivalenten der unvermeidlichen, von aussen einwandernden Wärmemengen ergibt. Diese erforderliche Mindestzulaufhöhe lässt sich oftmals mit den vorhandenen bautechnischen und räumlichen Gegebenheiten beim Aufstellen einer Pumpenanlage nicht vereinbaren. Sie muss deshalb verringert werden. Dies geschieht bekanntermassen beispielsweise dadurch, dass pumpenseitig am Laufrad ein grosser Eintrittsquerschnitt und ein kleiner Nabendurchmesser geschaffen wird, oder durch Vorziehen der Laufradschaufeln in den Einlauf des Rades, ferner durch eine Verjüngung der angeströmten Schaufelkanten und eine vorteilhafte Wahl von Eintrittswinkel und Drehzahl, Anordnungsseitig versucht man den obengenannten Nachteil durch Vorpumpen des Flüssiggases und andere Massnahmen au vermeiden, die dem zulaufenden Flüssiggas bereits vor dem Eintritt in das Laufrad eine erhöhte Geschwindigkeit erteilen, so dass der Druckabfall durch Umsetzung von Druck - in Geschwindigkeitshöhe wenigstens zum Teil vor das Laufrad gelegt und demzufolge im Laufrad herabgesetzt wird. Trotz derartiger Massnahmen ist aber immer noch eine Zulaufhöhe erfordelich, die etwa zwischen o,5 und 2 m Fl.S. liegt. Zu diesen

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Werten tritt noch ein zusätzlicher Wert, der zur Kompensation der sogenannten Isolationsverluste, d.h. der Wärme notwendig ist, die durch die Isolation der zur Pumpe j/ührenueri leitungen in die Förderflüssigkeit eindringt.

Der bekannte Vorschlag, bei Pumpen die MindestzulauPhöhe durch eine Erhöhung des Dampfdruckes über dem Flüssigkeitsspiegel im Behälter herabzusetzen, ist nur sehr bedingt ausführbar, da eine derartige Druckerhöhung das Sättigungsoleichgewicht zwischen Dampf und Flüssigkeit stört und damit im Behälter einen labilen Zustand des Flüssiggases schafft. Infolge der bei der Erhöhung des Dampfdruckes eintretenden Veränderungen des Gleichgewichtszustandes zwischen Dampf und Flüssigkeit setzt ein in seiner Grosse schwer bestimmbarer Wärmeaustausch zwischen Dampf und Flüssigkeit ein. Dieser Wärmeaustausch führt zu völlig unkontrollierbaren Zustandsänderungen im Flüssiggas, wenn, wie dies meist unvermeidlich ist, innerhalb der Flüssigkeit oder ausserhalb verursachte Bewegungsvorgänge hinzukommen. Diese Vorgänge bewirken letztlich eine Steigerung der Temperatur des der Pumpe zuströmenden Flüssiggases und damit eine Erhöhung der Gefahr einer Dampfbildung in der Pumpe. Damit wird die mit einer Dampfdruckerhöhung über dem Flüssigkeitsspiegel beabsichtigte Wirkung in einem vorher nicht bestimmbaren Masse herabgesetzt. Um die gewünschte Wirkung doch noch zu erreichen,

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muss daher der Dampfdruck über dem Flüssigkeitsspiegel wei,-ter gesteigert werden. Die demnach erforderliche Dampfdruckerhöhung setzt teuere Behälter voraus, die diese verhältnismässig hohen Drücke aushalten.

Aber nicht nur bei Pumpen ist ein Ausdampfen der Förderflüssigkeit in der Zulaufleitung unerwünscht, sondern oftmals auch bei Einrichtungen anderer Art, beispielsweite bei einem Verbraucher, üin solcher Verbraucher kann z.B, ein Labortisch sein, dem ein Flüssiggas zugeführt werden soll, das möglichst keine gasförmigen Bestandteile enthält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit Hilfe dessen Einrichtungen, insbesondere Pumpen mit relativ kleinen Förderleistungen bei einer gegebenen, aus baulichen Gründen nicht vergrösser-. baren Zulaufhöhe, auch dann betrieben werden können, wenn die Isolationsverlust der Zuleitungen die erfordsiiche Unterkühlung einer Förderflüssigkeit, z.B. eines Flüssiggases, wieder aufheben und dadurch die Gefahr der Kavitation und des Nichtansprechers der Pumpe besteht« Dieses Verfahren soll vor allem auch die Kufrechterhaltunfe, des Pumpbe triebe ε denn ermöj.J.icnen, wenn die Zuleitungen zur Pumpe rela'ci\. lang und damit die Isolationsverluste bei der Fcraerung vj;; iViüsfiggas hocn find, und cie Pumpe' eni-sprechenu den -Erfordernissen des Kältemittelverbraucnerr:

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so gedrosselt wird, dasc aie nur eine relativ kleine siggasmenge fordert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass vor der Flussigkeitsoffnun^ der üinricriuung, baw. vor dein Saugstutzen der Pumpe ein Teilstrom der zulaufenden Flüssigkeit abgezweigt unc. duroa e^ne Rücklauf leitung in den Zulaufbehälter zurückgefordert wird.

Bei einer festliegenden geometrischen Zulauf- · höhe und einer gegebenen, nient mehr zu verbessernden Isolation der Sulaufleitun^, wird durch dieses Verfahren die spezifische Erwärmung des Pumpen^ulaufs unter der Annahme gleichbleibender IsolationsVerluste verringert. Dies hat zur Folge, dass die Auswirkung des J-solationsverlustes der Zuleitung und der Leitungsventile auf die Temperatur der den iHimperieintritt erreichenden flüssigkeit wesentlich herabgesetzt wird»

Für die Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung erforderlich, die sieh in einfacher Weise, ohne grossen fertigungstechnischen aufwand, herstellen lässt und die Aufgabe erfüllt, in einer vom Saugstutzen der Pumpe zum Flüssigkeitsbehälter führenden Ruckstromleitung eine "2um Flüssigkeitsbehälter hin gerichtete Strömung au erzeugen»

Dieses Ziel kann einmal dadurch erreicht werden, dass an oder in der Rücklaufleitung eine Heizung angeordnet wird, die die Rücklaufflüssigkeit etwas anwärmt und

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eine kleine Menge dieser Flüssigkeit verdampft, wodurch eine aufwärtsgerichtete üohrströmung erzeugt wird.

Zum anderen hat sich als vorteilhaft erwiesen, durch eine am Druckstutzen angeschlossene Zweigleitung und eine in der Rücklaufleitung angeordnete, mit dieser Zweigleitung in Verbindung stehende Venturidüse eine Teilmenge der Flüssigkeit mit erhöhter Bewegungsenergie in den Hauptstrom der Rücklaufflüssigkeit einzuspeisen, urn dem Kaupt.s.trorn eine zum Vorratsbehälter hin gerichtete Beschleunigung zu erteilen.

Bei einer weiteren.Vorrichtung, die eine noch bessere Ausnutzung der vorhandenen mergle ermöglicht und die ebenfalls eine in der Rücklaufleitung befindliche, durch einen Rücklaufstrom gespeiste Venturidüse aufweist, wird der gesamte druckseiGig gelieferte Förderstrom nach Durchlauf durch einen Verbraucher in die Venturidüse! eingespeist. Dadurch wird einmal erreicht, dass für denj Verbraucaer die ganze, druckseitig gelieferte Flüssigkeitsmenge zur Verfügung steht, andererseits, dass die im Verbraucher erzeugte ,Erwärmung der Flüssigkeit, sowie die . überschüssige Druck- bzw. Geschwindigkeitsenergie als Antriebsenergie für den am Saugstutzen der Pumpe abgezweigten Rücklaufstrom genutzt werden kann.

Xn vorteilhafter //eise lassem sich die oben beschriebenen Mittel zur Beschleunigung der Rücklauf flüs-r

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sigkeit in der Weise kombinieren, dass auf die Rücklaufflüssigkeit sowohl durch Erwärmung als auch durch Einspeisung druekseitiger Pörderflüssigkeit in die Rüeklaufleitung Bewegungsenergie übertragen wird. Dabei kann der Ort der Einspeisung in der Rücklaufleitung entweder oberhalb, unterhalb und auch an der Anwärmungsstelle selbst liegen.

In den Fällen, in denen der wirtscnaftliche Aufwand zur Durchführung des neuartigen Verfahrens keine Rolle spielt, lässt sich zum Antrieb der Rücklaufflüssigkeit in der Rüeklaufleitung natürlich auch eine kleine Pumpe verwenden. Es könnte dann auf eine Beheizung der Rücklaufflüssigkeit, bzw. auf eine druckseitige Abzweigung eines in die Rüeklaufleitung mündenden Teilstromes der Pörderflüssigkeit verzichtet werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sieh besonders auch dann in vorteilnafter Weise anwenden, wenn an die Stelle der den Förderstrom einem Verbraucher zuführenden Pumpe eine Einrichtung tritt, die die Förderflüs- «igkeit, verbraucht. So ergibt sich oftmals die !Notwendigkeit einen unterkühlten Flüssiggasstrom beispielsweise einem Laborplatz so zuzuführen, dass der in der Flüssigkeit bei der ^ntnanme aus der Zulaufleitung vorhandene üampfanteil vernachl^:r^:3£.igbar gering ist,

insbesondere in den.ienigen obengenannten Fallt.., xn ueneji, um einen unnötiger. Verlust an .'iLroiriung;: energie

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zu vermeiden, uer Mritrittswiderstand der Rücklaufflüssigkeit am Boden ues FlüssigKcitsbehälters möglichst niedrig sein soll, hat es sion als zweckrnässig erwiesen, die Rücklaufleitung nicht in der Wandung des Flüssigkeitsbehülters enden zu lassen., sondern sie etwas weiter in die Ben.".I terflüssigkeit hineinzuführen und die Wandung des eingeführten Ro-hrstutzens zu durchlöchern bzw. zu schützen. Aul' diese Weise wird der Rücklauf strom bei seinem Eintritt in den Flüssigkeitsbehälter in viele Teilströme aufgeteilt« ■Einige Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung schematisch dargestellt, in ihr sind:

Fig. 1 eine Ancient der Pumpenanlage mit beheizter Rücklaufflüssigkeit,

Fig. 2 ein vergrößerter Ausschnitt aus der Rücklaufleitung mit der Beheizungsvorrichtung,

Fig. 3 eine Ansicht einer Pumpenanlage mit aruckseitig abgezweigter RückfUhrleitung,

Fig. k ein vergrösserter Ausschnitt aus der Rücklaufleitung mit eingebauter Venturidüse,

Fig· 5 eine Ansicht einer Pumpenanlage mit von einem Ver-

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braucher kommender üüekfUhrleitung und

Pig· 6 eine Ansicht einer Anlage ohne Förderpumpe mit einem an einem Laborplatz befindlichen Verbraucher.

in den Flg. 1, j5 und 'ö ist ein mit flüssigem Stickstoff gefüllter Vorratstank 1 geneigt, an dem sich ein Sicherheitsventil 21 befindet. Der Abstand zwischen dem Flüssigkeitsspiegel im Tank und dem Pumpenansaugstutzen 4 stellt die augenblickliche geometrische Zulaufhöhe Ji₁ dar. Ist der Flüssigkeitsspiegel bis auf den Tankboden gesunken, so ist nur noch eine Zulaufhöhe h vorhanden,

bei der die Pumpe ~? noch einwandfrei arbeiten muss. Die Förderflüssigkeit läuft der Pumpe "} über die Leitung 2 zu und wird von ihr durch den Druckstutzen 5 in die Druckleitung 9 gefördert. Vor dem Saugstutzen 4 zweigt von der Zulaufleitung 2 eine in den Tank zurückführende Rücklaufleitung 6 ab.

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist bei 8 in der Rücklaufleitung 6 eine Vorrichtung 7 eingebaut, die zur Anwärmung der Flüssigkeit dient. Sie besteht, wie Fig. 2 zu entnehmen ist, aus einer bei 16 mit. einer Stromquelle verbundenen elektrischen Heizung 17. Um den Heizungskopf sind Leitbleche 15 angeordnet, die sieh in Strömungsrichtung verjüngen. Dadurch wird mit der aufsteigenden, erwärmten und teilweise vergasten Menge

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der Rücklaufflüssigkeit dem gesamten Rücklaufstrom eine Beschleunigung erteilt. Um die Heizung herum 1st die Rücklaufleitung aus dem gleichen Grunde bei 14 eingeschnürt und anschliessend diffusorartig erweitert.

Der in -Fig. j> gezeigten Vorrichtun

durchführung aea erfindungsgeniäs^en Verfahrens liegt der Gedanke zugrunde, zur ^rzeugun^; einer Rückströmung durch die Leitung 6 auf eine beheizung der Rücklaufflüssigkeit zu verzichten und stattdessen die energie eines Teils der druekseitigen Förderflüssigkeit dazu zuverv.enden. Deshalb ist hinter dem Druckstutzen ~j eine Zweigleitung 11 vorgesehen, die bei 8 in die Hückiaur'leltung ο mündet. Die Leitung 6 ist bei B zur Umsetzung aer uruckenergie des Teilstroms in Geschwindigkeitsenergie in Form einer Venturidüse Io ausgebildet. Der druckseitige Teilscrom tritt, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, seitlich in die Rückführleitung 6 ein, wird in einem innenrohr in ütrömungsrichtung umgelenkt, in einer anscnliessenden Rohrverengung beschleunigt und unmittelbar oberhalb einer Einschnürung l8 des das Innenrohr koaxial umgebenden Rücklaufrohres in den saugseitig abgezweigten Teilstrom der Förderflüssigkeit eingespeist. Die auf den saugseitigen Teilstrom dabei übertragene Bewegungsenergie treibt den Rückstrom in den Tank 1 an. Die Menge der druckseitig zu entnehmenden Flüssigkeit lässt sich mit dem Ventil 12 entsprechend den

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lirfordernissen des druckceitig angeschlossenen Verbrauchers und der die Ansaugleitung 2 umgebenden Isolierung einstellen,

Fig. 9 zeigt ein im Vergleich zu der in Fig, 3 beschriebenen -anordnung etwas abgeändertes Schaltungsschema. Auch hierbei wird ein druokrseitig gelieferter Flüssigkeitsstrom bei Ij über eine Venturidüse Io in die Kücklaui leitung 6 eingespeist. Dither Flüssigkeitsstrom wird jedoch nicht wie in Fig. jj unmittelbar hinter dein Druckstutzen 3 der Pumpe j aus der Druckleitung 9 entnommen, sondern nach Durchfluss durch den Verbraueher 2o abgezweigt oder als den Verbraucher verlassender Gesamtstrom der Rücklaufleitung 6 zugeführt. Ausserdem wird in Fig. 5 gezeigt, in welcher V/eise der in den Vorratstank 1 führende Rücklaufleitungsstutaen 22 zur Verminderung der Aus-orittswiderstandes der Rücklaufflüssigkeit ausgebildet sein kann.

Bei der in Fig. ο gezeigten Vorrichtung wird aus einem mit flüssigem stickstoff gefüllten Vorratstank 1 über eine Zulaufleitung 2 unu ein Ventil 2~j> Flüssiggas entnommen und einem auf einem Labortisch 25 befindlichen Verbraucher 2k zugeführt. Der Verbraucher kann in ähnlicher Weise wie die Leitungsstränge mit einer Kälteisolierung versehen sein. Vor dem Ausflusshahn ο zweigt die in den Fig. I₃ J und 3 bereits beschriebene Rücklaufleitung 6 ab, die bei 8 mit einer Innen- oder Aussenheizunc; '( ausgelastet ist und wie in Fig. 5 über einen Rücklaufleitungsstutzen 22 mit

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durchbrochener Ve.idung in den Vorratstank 1 mündet,

Dj e erf indurigsgemässe Vorrichtung lässt sich in ihren verschiedenen beschriebenen Ausfuhrungsformen in vorteilhafter Weise auch noch nachträglich in bereits vorhandene Anlagen einbauen, in denen die Betriebsweise bei der Förderung von verflüssigten, tiefsiedenden Gasen verbessert oder cie Förderung derartiger Flüssigkeiten erst ermöglicht werden soll.

Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ist insbesondere bei der Förderung von unterkühlten Flüssiggas immer dann vorteilhaft, wenn die zu fördernde Menge sehr klein und die Zulaufleitungen aus technischen Gründen sehr lang sind oder nur schwierig ausreichend isoliert werden können, und wenn eine Vergrösserung der Zulaufhöhe durch Veränderung der Höhenlage des Zulaufbehälters nicht möglich ist.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Verfahren ^ur Vergrösserung der wirksamen Zulaufhöhe bei einer mit Flüssigkeiten gespeisten Einrichtung, insbesondere einer Pumpe, die aus Zulaui'behältern relativ kleine Flüssigkeitsmengen, insbesondere unterkühlte Flüssiggase, entnimmt, und deren Zulaufleitungen Kälteverluste aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Flüssigkeitsöffnung der Einrichtung, b^w. vor dem Saugstutzen der Pumpe ein Teilstrom der zulaufenden Flüssigkeit abgezweigt und durch eine Rücklaufleitung in den Zulaufbehälter zurückgefördert wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in der Rücklaufleitung beheizt wird.

   Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Drucksej x· der Pumpe der Förderflüssigkeit mindestens ein Teilstrom entnommen und in die Rücklaufleitung eingespeist wird.

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   4. Verfahren nach Anspruch ^j dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme in Förderrichtung hinter einem mit der Förderflüssigkeit gespeisten, druckseitigen Verbraucher erfolgt.

   5. Verfahren nach Anspruch j>, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtstrom der durch den druckseitigen Verbraucher fliessenden Förderflüssigkeit in die Rücklaufleitung eingespeist wird.

   6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass eile Flüssigkeit nach der Zuführung an die liinrichtung, beispielsweise einen an einem Laborplatz befindlichen Verbraucher, verdampft wird.

   7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nacn Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Flüssigkeitsöffnung der Einrichtung, bzw. vor dem Saugstutzen der Pumpe eine zum Zulaufbehälter führende Rücklaufleitung abzweigt und die Rücklaufleitung mit einer Aussenheizung versehen ist.

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   8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Flüssigkeitsöffnung der Einrichtung, bzw. vor dem Saugstutzen der Pumpe eine zum Zulaufbehälter führende Rücklaufleitung abzweigt und in der Rücklaufleitung eine Heizung angeordnet ist.

   9· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrins nach Anspruch 1, dadurch gekenn^-jiclinet, dass vor dem Saugstutzen der Pumpe t ine zum Zulaufbehälter führende Rücklaufleitung und vcTi der üracftltatuiiy der Pumpe eine in die Rücklaui'-leitung führenae Leitung ab~v/eigen, und dar;s die in die Rücklaui'leitung führende Leitung in eine in aer Rücklaufleitung angeordnete Venturxüüse mündet.

   Io. Vorrichtung nach Anspruch Oj dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigstelle der ~ur Rücklaufleitung fülirenden Leitung hinter einem mit aer Pörderflüssigkeit gespeisten Verbraucher liegt.

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   11. Vorrichtung üw Durchführung ues Veriahrens; nach Anspruch 1, dadurch n kc.rmzoicnnotj un;;L voi¹ dem Baumstützen der Pumpe (.'.me sum Zuleui'behillter führende Rücklaufleitunfj abzweigt, und die Druckleitung für. den Gesamtstrom der Förderilür.rjlLivcJt hinter aein druckteitigen Verbi-auuiiex' an eine jii cjor Rückläufigit-ur^ an^coi'dnete Venturidüf-e cnlorjijcn ist.

   12. Vorrichtung 2.uv Durchführung doK Verfalirens nach An I₁ dadurch ijckennzeio;inet, c>ati?.; vor dem oau^stutzen der Pumpe eine .,um Zulauf behalt or führende Rücklauf lea tun^ abzwoitjt und in die Rücklaui'leituri£j eine Pumpe eingebaut

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   1^5. Vorrichtung nach einem dei¹ Aricprüene 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklauf leitung über die Zulauibehält fci'inncnwand übereteijt und die Wandung des überstehenden Rohrteils mit DurchlaßsöffnunLen versehen ist.

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