DE1926379A1

DE1926379A1 - High pressure piston pump

Info

Publication number: DE1926379A1
Application number: DE19691926379
Authority: DE
Inventors: Halfmann Dipl-Ing Werner
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1969-05-23
Filing date: 1969-05-23
Publication date: 1970-11-26

Description

Kennwort: Kühlrippen-Kolbenpumpe Hochdruck - Kolbenpumpe Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Kolbenpumpe zur Förderung tiefsiedender verflüssigter Case, bei der der Zylinder von einem Mantelraum umgeben ist, welcher von einem Kühlmedium durchströmt wird.Keyword: cooling rib piston pump high pressure - piston pump The invention relates to a high-pressure piston pump for pumping low-boiling liquefied cases, in which the cylinder is surrounded by a jacket space which is surrounded by a cooling medium is flowed through.

Mit derartigen Pumpen erfolgt die Förderung verflüssigter Gase gewöhnlich bei Temperaturen, die nur wenig unterhalb von deren Verdampfungstemperatur liegen. Durch Wärmeleitung von außen und durch die Reibungswärme der Pumpe wird die Temperatur der zu fördernden Flüssigkeit erhöht und ea besteht die Gefahr, daß die Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit erreicht wird. Durch den auf diese weise entstehenden Dampf würde die Förderleistung der Pumpe erheblich herabgesetzt. Es wird daher angestrebt, den Arbeitszylinder so zu kühlen, daß die in die Pumpe einströmende Flüssigkeit möglichst wenig erwärmt wird und unterhalb der Verdampfungstemperatur bleibt.Such pumps are usually used to convey liquefied gases at temperatures that are only slightly below their evaporation temperature. The temperature is increased by heat conduction from the outside and by the frictional heat of the pump the liquid to be pumped increases and there is a risk that the evaporation temperature the liquid is reached. The resulting steam would the delivery rate of the pump is significantly reduced. It is therefore aimed to To cool the working cylinder so that the liquid flowing into the pump as possible is little heated and remains below the evaporation temperature.

Der Stand der Technik sieht hierzu vor, den Arbeits%ylinder mit einem Mantel zu umgeben und durch den so entstehenden Mantelraum ein Kühlmedium zu schicken. SO ist es z.B. bekannt, das zu fördernde tiefkalte verflüssigte Gas selbst als Kühlmedium zu benutzen, indem man es den Mantelraum vor dem Eintritt in den Zylinderhubraum durchströmen läßt. Bei einer anderen Pumpe dient als Kühlmedium ein flüssiges Fremdgas, welches über Zu- und Abführstutzen den Mantelraum durchströmt. Bei einer anderen bekannten Pumpenausführung (Deutsches Patent t 162 855) entfällt der Mantelraum, stattdesmen ist und Zylinderwand mit in etwa zur Achse parallelen Längsbohrungen versehen, in denen Leckflüssigkeit verdampft, die durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinder tritt. Eine ausreichende Kühlung ergibt sich nur dann wenn ge.The state of the art provides for this, the working% ylinder with a To surround the jacket and to send a cooling medium through the resulting jacket space. For example, it is known to use the cryogenic liquefied gas to be pumped itself as a cooling medium to use by making it the shell space before entering the cylinder displacement can flow through. Another pump uses a liquid foreign gas as the cooling medium, which flows through the shell space via inlet and outlet nozzles. With another known pump design (German patent t 162 855) the shell space is omitted, Instead, it has a cylinder wall with longitudinal bores approximately parallel to the axis provided, in which leakage liquid evaporates through the gap between pistons and cylinder occurs. Sufficient cooling is only achieved if ge.

nügend verdampfende Leckflüssigkeit vorhanden ist. Da man in allgemeinen bestrebt ist, die Leckverluste gering zu halten , ist dies nicht immer der Fall. Nachteilig ist bei dieser Lösung ferner, daB die durch das Komprimieren erwärmte Flüssigkeit im Gegenstrom zur nachströmenden, zu verdichtenden Flüssigkeit geführt wird. Eine weitere Möglichkeit ist die, die Pumpe direkt in die unterste Stelle des Behälters einzubauen, der die zu fördernde tiefkalte Flüssigkeit enthalt.there is sufficient evaporating leakage liquid. As one in general endeavors to keep the leakage losses low not this always the case. Another disadvantage of this solution is that the compression heated liquid in countercurrent to the flowing liquid to be compressed to be led. Another option is to put the pump directly in the bottom Place of the container to be installed that contains the cryogenic liquid to be pumped.

111 diesen Ausführungen gemeinsam ist die Verwendung von verflüssigten Gasen als Kühlmittel und im allgemeinen läßt sich damit eine zufriedenstellende Arbeitsweise erreichen. Die Kühlung mit verflüssigten Gasen ist Jedoch mit einigen Nachteilen verbunden. Einmal gibt es Anlagen, bei denen ein verflüssigtes Gas al Kühlmedium normaler eise nicht anfällt und es ist unerwünscht, einen Teil des Gases lediglich zu Kühlzwecken zu verflüssigen. Sehr nachteilig ist ferner die lange Aufwärmezeit, wenn eine Pumpe zwecks Inspektion oder Reparatur stillgelegt werden soll.111 these remarks have in common the use of liquefied Gases as a coolant and in general can be a satisfactory Achieve working method. The refrigeration with liquefied gases is however with some Disadvantages associated. On the one hand there are systems in which a liquefied gas al Cooling medium is normally not produced and it is undesirable to use part of the gas only to be liquefied for cooling purposes. The long warm-up time is also very disadvantageous, when a pump is to be taken out of service for inspection or repair.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Mängel durch Kühlung des Arbeitazylinders nit einem tiefkalten Gas zu beseitigen.The invention is based on the object of eliminating the aforementioned shortcomings To eliminate cooling of the working cylinder with a cryogenic gas.

Es wurde nun eine Hochdruck-Kolbenpumpe zur Förderung tiefsiedender verflüssigter Gase gefunden, bei der der Zylinder von einer Manteiraun umgeben ist, welcher von einem Kühlmedium durchströmt wird. Nach der Erfindung wird der Zylinder mit sich bis nun Mantel erstreckenden, schraubenförmig um den Zylinder angeordneten Kühlrippen ausgestattet.It was now a high-pressure piston pump for pumping low-boiling liquefied gases found in which the cylinder is surrounded by a Manteiraun, which is flowed through by a cooling medium. According to the invention, the cylinder with up to now jacket extending, arranged helically around the cylinder Equipped with cooling fins.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung erfolgt die Zu-bzw. Abfuhr des Kühlmediums dadurch, daß der Mantelraum am oberen und unteren Ende des Zylinders Jeweils als spiralförniger Ringkanal ausgebildet wird, welcher mit tangentialen Zu- bzw. Abführetutzen für das Kühlmedium versehen istO Als Kühlmediums sind tiefkalte Gase vorgesehen, doch kann in Sonderfällen such eine Flüssigkeit Kühlmedium dienen.In an advantageous embodiment of the invention, the supply or take place. Discharge of the cooling medium in that the shell space at the upper and lower end of the Each cylinder is designed as a spiral ring channel, which is tangential with Inlet and outlet nozzles for the cooling medium are provided O The cooling medium are cryogenic Gases provided, but in special cases such a liquid can serve as a cooling medium.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kolbenpumpe in nach dem bekannten Zweisäulenverfahren arbeitenden Anlagen zur Luftzerlegung. Wenn mit der Pumpe der gewonnene flüssige Sauerstoff auf einen Druck von einieen hundert Atmosphären verdichtet werden soll, läßt sich als Kühlmedium günstig das Kopfprodukt der Niederdrucksäule, also gasförmiger Stickstoff, verwenden. Da der Stickstoff auf seinem Weg durch die von Arbeitszylinder, Kühlrippen und Mantel gebildeten Schraubengänge einen denkbar geringen Strömungswiderstand vorfindet, ist keine nennenswerte Druckerhöhung in der Niederdruckkolonne erforderlich0 Die Zeichnungen veranschaulichen ein besonders für den Einsatz in Luftzerlegungsanlagen geeignetes Ausführungsbeispiel der Erfindung.The use of the high-pressure piston pump according to the invention is particularly advantageous in according to the well-known two-pillar method working systems for Air separation. When with the pump the obtained liquid oxygen at a pressure to be compressed by a few hundred atmospheres, can be used as a cooling medium favorably use the top product of the low pressure column, i.e. gaseous nitrogen. As the nitrogen makes its way through the working cylinder, cooling fins and jacket formed screw threads finds a conceivably low flow resistance, no significant pressure increase in the low-pressure column is required Drawings illustrate a particularly suitable for use in air separation plants suitable embodiment of the invention.

Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Hochdruck-Kolbenpumpe, Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-B in Fig. 1, Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie C-D in Fig. 11 Fig. 4 eine Draufsicht auf Fig. 1 Fig. 5 das Schaltschema für den Einbau einer erfindungsgemäßen Hochdruck-Kolbenpumpe in eine Luftzerlegungsanlage.1 shows a longitudinal section through the high-pressure piston pump according to the invention, Fig. 2 is a section along the line A-B in Fig. 1, Fig. 5 is a section the line C-D in Fig. 11 Fig. 4 is a plan view of Fig. 1 Fig. 5 is the circuit diagram for the installation of a high-pressure piston pump according to the invention in an air separation plant.

Bei der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Hochdruck-Kolbenpumpenläuft der Kolben 1 in der Zylinderbüchse 2, welche in das Zylindergehäuses 3 eingesetzt ist. Zwischen Zylinderbüchse 2 und Zylindergehäuse 5 ist ein Raum 4 ausgespart, der itt dea zu verdichtende. flüssigen Gas z.I. Sauerstoff, gefüllt ist.The high pressure piston pump shown in Figures 1 to 4 is running the piston 1 in the cylinder liner 2, which is inserted into the cylinder housing 3 is. A space 4 is cut out between the cylinder liner 2 and the cylinder housing 5, the itt dea to be condensed. liquid gas z.I. Oxygen, is filled.

Dieser Raum 4 steht über die beiden Stutzen 5 und 6 itt eine.This space 4 is above the two nozzles 5 and 6 itt one.

Flüssiggasspeicher in Verbindung, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Die Stutzen 5 und 6 haben einen ovelförmigen Querschnitt und sind schräggestellt in Richtung der Schraubengänge, un dem Kuhlmedium einen möglichst geringen Strömungswiderstand zu bieten. Der Kolben 1 ist im oberen Totpunkt dargestellt. Beim Druckhub drückt er den flüssigen Sauerstoff durc das Rückschlagventil 7 und verdichtet ihn dabei auf den gewünschten Druck0 Beim Saughub bildet sich im Zylinder zunächst Unterdruck aus und der noch im Zylinder befindliche Sauerstoff verdampft zumindest teilweise. Wenn der Kolben 1 die Einlaßöffnungen 8 in der Zylinderbüchse 2 dreigibt, strömt schlagartig flüssiger Sauerstoff aus dem Raum 4 in Zylinder nach. Selbstverständlich ist die erfindungsgemöße Hochdruck-Kolebenpumpe nich auf dieses Arbeitsprinzip beschränkt. Es sind andere Arbitsprinzipi.n bekannt, z,B. kann das flüssige Gas über ein Ventil im hohl ausgeführten Kolben in den Zylinder strömen. Um das Zylindergehäuse 3 ist ein Mantel 9 angeordnet, der einen Mantelraum freiläßt, durch welchen ein Kühlmittel fließen kann, um den Arbeitszylinder und das nachströmende, zu verdichtende flüssige Gas zu kühlen. Erfindungsgemäß ist das Zylindergehause 3 mit sich bis zum Mantel erstreckenden Kührlippen 10 ausgestattet, die schraubenförmig ua das Zylindergehäuse 3 angeordnet sind. Durch die Kühlrippen 10, das Zylindergehäuse 3 und den Mantel 9 werden somit Schraubengänge 11 gebildet, durch welche das kühlmedium strömen kann. Das Kühlmedium ist im vorliegenden Fall gasförmiger Stickstoff, der vorteilhafter Weise durch spiralföraige Ringkanäle 12 am oberen und unteren Ende des Zylindergehäuses 3 über tangentiale Stutzen 13 zu- und abgeführt wird. Es ergibt sich somit bei denkbar geringen Strömungswiderstand wegen der groBen Oberflache eine sehr gute Kühlung. Der geringe Strömungswiderstand ist wichtig, wenn die erfindungsgemäße Pumpe in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzt wird, um den gewonnenen Sauerstoff zu kompensieren. Als kühlmedium läßt sich dann Stickstoff aus der Niederdruckkolonne verwenden, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.Liquid gas storage in connection, as shown in FIG. The nozzles 5 and 6 have an oval cross-section and are inclined in the direction of the screw threads, un the cooling medium the lowest possible flow resistance to offer. The piston 1 is shown at top dead center. Presses during the pressure stroke he the liquid oxygen through the check valve 7 and compresses it in the process on the desired pressure0 Forms in the cylinder during the suction stroke First the vacuum is turned off and the oxygen still in the cylinder evaporates at least partially. When the piston 1, the inlet ports 8 in the cylinder liner 2 is three, liquid oxygen flows suddenly from space 4 into the cylinder. Of course, the high-pressure piston pump according to the invention is not based on this Working principle limited. Other working principles are known, e.g. can the liquid gas flow into the cylinder via a valve in the hollow piston. A jacket 9 is arranged around the cylinder housing 3, which leaves a jacket space free, through which a coolant can flow to the working cylinder and the following, to cool liquid gas to be compressed. The cylinder housing is according to the invention 3 equipped with cooling lips 10 extending to the jacket, which are helical inter alia the cylinder housing 3 are arranged. Through the cooling fins 10, the cylinder housing 3 and the jacket 9 screw threads 11 are thus formed through which the cooling medium can flow. The cooling medium in the present case is gaseous nitrogen, the advantageously by spiral-shaped annular channels 12 at the upper and lower ends of the cylinder housing 3 is supplied and discharged via tangential connecting pieces 13. It results thus with a conceivably low flow resistance because of the large surface very good cooling. The low flow resistance is important when the invention Pump is used in an air separation plant to convert the extracted oxygen to compensate. Nitrogen from the low-pressure column can then be used as the cooling medium as shown in FIG.

Voraussetzung für die Verwendung von Stickstoff aus der Niederdruckkolonne ist, daß der Stickstoff bein Durchströmen des Mantelraumes der Pumpe keine wesentliche Druckerhöhung erfährt, weil man bestrebt ist, den Druck in der Niederdruckkolonne möglichst niedrig zu halten. Dies läßt sich durch die erfindungsgefäße Konstruktion mit schraubenförmigen Kühlgängen sowie spiralförmigen Ringkanälen rit tangentialen Zu- und Abströmstutzen erreichen.Requirement for the use of nitrogen from the low pressure column is that the nitrogen when flowing through the jacket space of the pump is not essential Experience increases in pressure because one strives to reduce the pressure in the low-pressure column to keep it as low as possible. This can be achieved by the construction according to the invention with helical cooling passages and spiral ring channels rit tangential Reach inlet and outlet nozzles.

Ein weiterer Vorteil der Hochdruck-Kolbenpumpe nach der Erfindung besteht darin, die Pumpe im Bedarfsfall schnell aut Umgebungstemperatur erwärmen zu können. Es ist dazu lediglich erforderlich, don mit Kühlrippen versehenen Mantslraus mit ei.Another advantage of the high pressure piston pump according to the invention consists of heating the pump quickly to ambient temperature if necessary to be able to. It is only necessary for this purpose, the Mantslraus provided with cooling fins with egg.

nem warmen Gas zu durchotrönen. Bei mit flüssigen Oesen gekühlten Pumpen ist eine solche Aufwärmung sehr zeitraubend, da wärmere. Flüssigkeiten gewöhnlich nicht nur Verfügung sehen und meist auch sofort in der Pumpe gefrieren würden. Eine Anwärmung mit warmem Ges bleibt wegen des schlechten Wärmeüberganges immer noch seitraubend.to redden with warm gas. When cooled with liquid eyelets Such a warm-up is very time-consuming as pumps are warmer. Liquids usually not only see it available and would usually freeze in the pump immediately. One Warming up with a warm bottom still remains because of the poor heat transfer side stealing.

Fig. 5 zeigt das Schaltschema einer Luftzerlegungsanlage mit Verwendung der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kolbenpumpe. Hauptbestandteil dr Anlage sind der bekannte Zweisäulenapparat 14 und der Hauptwärmeaustauscher 15. Komprimierte Luft in Leitung 16 wird im Hauptwärmeaustauscher 15 gegen zurückströmenden Sauer.Fig. 5 shows the circuit diagram of an air separation plant with use the high pressure piston pump according to the invention. The main components of the system are the known two column apparatus 14 and the main heat exchanger 15. Compressed air in line 16 is in the main heat exchanger 15 against backflowing acid.

stoff und Stickstoff abgekühlt und in Zweisäulenapparat 14 zerlegt, Als Zerlegungsprodukte fallen an: Gasförniger Stickstoff, der vom Kopf der Niederdruckkolonne mittels Leitung 17 abgezogen wird, und flüssiger Sauerstoff, der von Sumpf der Miederdruckkolonne mittels Leitung 18 abgezogen wird. Dieser Sauerstoff soll durch die erfindungsgemäße Hochdruck-Kolbenpumpe 24 auf einen Druck von mehreren hundert Atmosphären verdichtet werden. Da das Kopfprodukt etwas kälter ist als das Sumpfprodukt, läßt sich der Stickstoff in Leitung 17 als Kühlmittel verwenden. Es muß jedoch dafür Sorge getragen werden, daß sich ein ausreichender Wärmeübergang im Mantelraum der Pumpe ergibt, ohne zugleich den Strömungswiderstand unzulässig zu erhöhen. Mit der erfindungsgemäßen Pumpe läßt sich dies erreichen.substance and nitrogen cooled and disassembled in two-column apparatus 14, The decomposition products are: Gaseous nitrogen from the top of the low-pressure column is withdrawn by means of line 17, and liquid oxygen from the bottom of the lower pressure column is withdrawn by means of line 18. This oxygen should by the invention High pressure piston pump 24 is compressed to a pressure of several hundred atmospheres will. Since the top product is slightly colder than the bottom product, the Use nitrogen in line 17 as coolant. However, care must be taken that there is sufficient heat transfer in the jacket space of the pump, without at the same time increasing the flow resistance impermissibly. With the invention Pump can achieve this.

Der flüssige Sauerstoff in Leitung 18 durchläuft zunächst einen Speicher 19, dessen Dampfraum über Leitung 20 mit dem unteren Teil der Niederdruckkolonne in Verbindung steht. Der Dampfraum des Speichers 19 steht ferner über Leitung 2t mit eine Stutzen 5 der Hochdruck-Kolbenpumpe 24 in Verbindung, während der Flüssigraum über Leitung 22 mit den anderen Stutzen 6 verbunden ist. Der *) flüssige Sauerstoff in Leitung 22 und gasförmigen Stickstoffes in Leitung 17 durchlaufen den Wärmeaustauscher 23.The liquid oxygen in line 18 first passes through a reservoir 19, the vapor space of which via line 20 to the lower part of the low-pressure column communicates. The vapor space of the memory 19 is also available via line 2t with a nozzle 5 of the high-pressure piston pump 24 in connection, while the liquid space is connected to the other nozzle 6 via line 22. The *) liquid oxygen in line 22 and gaseous nitrogen in line 17 pass through the heat exchanger 23

) oin Teilstrom des Der durch den Wärmeaustauscher 3 strömende Stickstoffteilstrom fließt über Leitung 25 direkt in den Hauptwärmeaustauscher 15, der andere Teilstrom gelangt übor Leitung 26 in den Zuführstutzen 13, durchströmt die Schraubengänge 11 und verläßt die Pumpe 24 wieder über den Abführstutzen 13.) o in partial flow of the The one through the heat exchanger 3 flowing nitrogen partial flow flows via line 25 directly into the main heat exchanger 15, the other partial flow reaches the feed connector 13 via line 26 the screw threads 11 and leaves the pump 24 again via the discharge nozzle 13.

Nach Vereinigung mit dem Teil strom in Leitung 25 und Durchlaufen des Hauptwärmeaustauschers 15 gelangt schiteßlich der gesamte gasförmige Stickstoff an die Anlagengrenze. Der auf hoben Druck verdichtete flüssige Sauerstoff verläßt die Pupe 24 über Leitung 27 und durchströmt ebenfalls den Hauptwärmeaustauscher 15.After merging with the partial stream in line 25 and passing through the main heat exchanger 15 eventually gets all of the gaseous nitrogen to the system limit. The liquid oxygen, which is compressed to the increased pressure, leaves the buzzer 24 via line 27 and also flows through the main heat exchanger 15th

Falls zur Kühlung des Arbeitszylinders kein kälteres Gas zur Verfügung steht, wird im allgemeinen die zu fördernde Flüssigkeit *) des Arbeitszylinders benutzt. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Pumpen läßt sich dabei eine sehr intensive und tiefe Kühlung des Arbeitszylinders erreichen, indem man im Kühlrippenkörper etwas Flüssigkeit unter geeignetem Druck verdampfen läßt.If no colder gas is available to cool the working cylinder is, in general, the liquid to be pumped *) of the working cylinder used. In contrast to the pumps known up to now, a very intensive one can be used and achieve deep cooling of the working cylinder by going into the cooling fin body allows some liquid to evaporate under suitable pressure.

*) zur Abkühlung*) to cool down

Claims

A p r e c h e 1. High-pressure piston pump for pumping low-boiling products liquefied gases, in which the cylinder is surrounded by a jacket space, which is flowed through by a cooling medium, characterized in that the cylinder with up to the jacket (9) extending, arranged helically around the cylinder cooling fins (13) is equipped.

2. High pressure piston pump according to claim 1, characterized in that that the jacket space at the upper and lower end of the cylinder each as a spiral Annular channel (12) is formed, which with tangential inlet and outlet stubs (13) is provided for the cooling medium.

L e r s e i t e