DE19610625C1 - Flüssiggas-Versorgungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flüssiggas-Versor­ gungssystem, insbesondere zum Abfüllen von flüssigem Kältemittel, mit mindestens einer intermittierend ar­ beitenden Pumpe, die zwischen einem Eingang zum An­ schluß je eines Vorratsbehälters und einem Ausgang zum Anschluß mindestens eines Abnehmers angeordnet ist, und einem die Arbeitsbedingungen am Ausgang im wesentlichen konstant haltenden Regler.

Ein solches Flüssiggas-Versorgungssystem ist aus DE 33 00 297 C2 bekannt. Die kontinuierlich oder inter­ mittierend angetriebene Pumpe saugt Kältemittel aus dem Vorratsbehälter über eine durch den Verdampfer einer Kälteanlage gebildete Kühlvorrichtung an und fördert es über eine durch den Kondensator der Kälteanlage gebil­ dete Heizvorrichtung zum Ausgang. Zur Aufrechterhaltung einer für die Abgabe des Flüssiggases vorgegebenen Tem­ peratur ist dem Kondensator ein Temperatursensor und ein von einem Regler gesteuertes Gebläse zugeordnet. Wegen des mit der konstant gehaltenen Temperatur ver­ bundenen Arbeitsdruckes kann man eine am Ausgang ange­ schlossene Füllstation so betreiben, daß deren Dosier­ vorrichtung jeweils die gleiche gewünschte Füllmenge abgibt. Eine solche Regelvorrichtung arbeitet aber ver­ hältnismäßig träge. Maßnahmen zur Feststellung, ob der Vorratsbehälter leer oder nahezu leer ist, sind nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flüssig­ gas-Versorgungssystem der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem die Arbeitsbedingungen am Ausgang wesentlich besser konstant gehalten werden können und durch einfache Maßnahmen festgestellt werden kann, ob der Vorratsbehälter leer oder nahezu leer ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Zweipunkt-Regler, der den durch einen Drucksensor er­ faßten Ausgangsdruck durch Betätigung eines Schalters zum Ein- und Ausschalten der Pumpe im wesentlichen kon­ stant hält, und durch einen Signalgeber, der ein einen leeren Vorratsbehälter kennzeichnendes Leerstandssignal abgibt, wenn die Einschaltzeit der Pumpe einen vorgege­ benen Grenzwert überschreitet.

Der Zweipunkt-Regler vermag den Ausgangsdruck in sehr engen Grenzen konstant zu halten. Druckänderungen, wie sie im Betrieb, z. B. beim Abfüllen, auftreten, werden sehr rasch durch vergleichsweise geringe Änderungen der Pumpenlauf- bzw. -stillstandszeiten ausgeglichen. Die unerwünschte Abweichung wird daher schnellstens kompen­ siert. Insbesondere spielt es praktisch keine Rolle, welche Temperatur am Vorratsbehälter herrscht oder ob die Pumpe im Einschaltzustand unterschiedliche Volumen­ ströme fördert. Wegen des konstanten Ausgangsdrucks ergibt sich eine konstante Füllgeschwindigkeit in einer an den Ausgang angeschlossenen Füllstation. Wenn der Vorratsbehälter leer ist, saugt die Pumpe Flüssigkeits­ dampf an und versucht, diesen so zu komprimieren, daß sich der gewünschte Ausgangsdruck ergibt. Die dadurch verlängerte Einschaltzeit der Pumpe kennzeichnet daher den Leerstand des Vorratsbehälters. Der erwähnte Grenz­ wert kann so gewählt werden, daß das Leerstandssignal abgegeben wird, wenn der Vorratsbehälter praktisch vollständig entleert ist.

Dieses Leerstandssignal kann optisch oder akustisch an­ zeigen, daß der leere Vorratsbehälter gegen einen vol­ len Vorratsbehälter ausgetauscht werden muß. Noch gün­ stiger ist aber ein vom Leerstandssignal betätigbares Vorratsbehälter-Umschaltventil, das die Pumpensaugseite abwechselnd mit einem von mehreren Eingängen verbindet. Auf diese Weise werden an die einzelnen Ausgänge ange­ schlossene Vorratsbehälter nacheinander automatisch mit der Pumpensaugseite verbunden. Die Erkennungs- und An­ sprechzeit ist so kurz, daß das Umschalten innerhalb weniger Sekunden erfolgen kann. Dies steht im Gegensatz zu anderen Methoden, die sehr langsam arbeiten oder überhaupt keine Erkennung des leeren Vorratsbehälters ermöglichen. Verwiesen sei beispielsweise auf eine Dif­ ferenzdruckmessung, bei der die Auswertung bis zu drei Minuten betragen kann.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dafür gesorgt, daß die Pumpe eine pneumatisch betriebene Kol­ benpumpe und der Schalter ein in der Druckluftzuleitung der Pumpe angeordnetes Ein-Aus-Schaltventil ist. Druck­ luft steht in nahezu jedem Betrieb zur Verfügung. Sie erlaubt einen problemlosen Antrieb. Die in einem Druck­ luftnetz üblicherweise auftretenden Druckschwankungen können durch einen Druckregler ausgeglichen werden, spielen aber für die Betriebsweise der Pumpe nur eine untergeordnete Rolle, weil sie zu nur geringfügigen Änderungen der Pumpenlauf- und -stillstandszeiten füh­ ren.

Günstig ist es auch, daß das Vorratsbehälter-Umschalt­ ventil pneumatisch gesteuert ist und seine Steuerlei­ tungen über ein getrennt von ihm angeordnetes Magnet­ ventil mit der Druckluftzuleitung vor dem Schaltventil verbunden sind. Das Vorratsbehälter-Umschaltventil ist durch Druckluft hilfskraftgesteuert und kann daher ver­ hältnismäßig groß mit weiten Durchtrittsöffnungen ge­ staltet sein. Wärme, die bei Erregung im Magnetventil entsteht, hat wegen der getrennten Anordnung keinen Einfluß auf das Flüssiggas. Daher kann das Flüssiggas mit relativ hoher Geschwindigkeit zur Pumpe strömen, ohne daß eine örtliche Verdampfung durch Drosselverlu­ ste oder Erwärmung auftritt. Dies wiederum hat zur Fol­ ge, daß sich eine hohe Füllgeschwindigkeit in einem an den Ausgang angeschlossenen Füllsystem ergibt.

Mit Vorteil weist die pneumatisch betriebene Kolbenpum­ pe einen größeren Antriebskolben und einen kleineren Förderkolben auf, die für ein Übersetzungsverhältnis 4 ausgelegt sind. Man kann daher bei gegebenem Druck der Druckluft mit verhältnismäßig hohen Drücken im För­ derteil der Pumpe arbeiten. Auch dies trägt zur hohen Füllgeschwindigkeit bei.

Empfehlenswert ist es, daß dem Ausgang ein Druckspei­ cher zum Ausgleich von Druckpulsationen zugeordnet ist. Dieser Druckspeicher ist verhältnismäßig klein, da er lediglich rasche Druckschwankungen ausgleichen, die für die Druckregelung ausgenutzten langsameren Änderungen des Ausgangsdrucks aber nicht beeinflussen soll.

In diesem Zusammenhang ist es auch von Interesse, daß die Kolbenpumpe in beiden Hubrichtungen fördert. Es gibt daher keine unerwünschten Förderpausen beim Rück­ hub. Wenn sich aus konstruktiven Gründen das Überset­ zungsverhältnis der Pumpe beim Rückhub von demjenigen beim Hinhub unterscheidet, spielt dies im Rahmen der Zweipunkt-Regelung keine Rolle.

Des weiteren kann zumindest der Förderteil der Pumpe durch einen Kälteerzeuger gekühlt sein. Hierfür kommen bekannte Mittel, z. B. der Verdampfer eines Kältekreis­ laufs oder Peltier-Elemente in Betracht. Diese Maßnahme stellt sicher, daß der Dampfanteil im Hubraum gering gehalten wird und die Pumpe daher bis zur Entleerung des Vorratsbehälters einwandfrei arbeitet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Flüssig­ gas-Versorgungssystems,

Fig. 2 ein Pumpendiagramm und

Fig. 3 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Pumpen- Einschaltzeit bei gegebenem Volumenstrom von Dampfanteil im Vorratsbehälter.

Das in Fig. 1 veranschaulichte Flüssiggas-Versorgungs­ system 1 weist zwei Eingänge 2 und 3 auf, an die je ein Vorratsbehälter 4 bzw. 5 angeschlossen ist, und einen Ausgang 6 auf, an der Flüssiggas an eine Füllstation 7 abgegeben werden kann. Mit dieser Füllstation, die bei­ spielsweise aus DE-GM 91 06 946 bekannt ist, kann ein Verbraucher 8 mit einer abgemessenen Menge des Flüssig­ gases befüllt werden. Es können auch gleichzeitig meh­ rere Abnehmer 8 befüllt werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Abnehmer 8 Kälteanlagen, die mit einem Kältemittel gefüllt werden. Außerdem be­ sitzt das Flüssiggas-Versorgungssystem 1 einen Anschluß 9 zur Verbindung mit einem Druckluftnetz.

Als Pumpe 10 dient eine Kolbenpumpe. Diese besitzt ei­ nen Antriebsteil 11, der einen Antriebszylinder 12, einen Antriebskolben 13 und ein Wechselventil 14 auf­ weist, das den beiden Hubräumen 15 und 16 abwechselnd Druckluft zuführt. Das Wechselventil 14 wird vom An­ schluß 9 über einen den Druck an seinem Ausgang konstant haltenden Druckregler 17 und ein magnetisch betätigtes Ein-Aus-Schaltventil 18 mit Druckluft ge­ speist. Die Pumpe 10 besitzt ferner einen Förderteil 19, der einen Förderzylinder 20 und einen Förderkolben 21 aufweist. Letzterer ist über eine Kolbenstange 22 mit dem Antriebskolben 13 verbunden und hat einen we­ sentlich kleineren Durchmesser als dieser. Drei zum Ausgang 6 hin öffnende Rückschlagventile 23, 24 und 25 sorgen in Verbindung mit dem unterschiedlichen Quer­ schnitt der beiden Hubräume 26 und 27 dafür, daß sowohl beim Hinhub wie beim Rückhub Flüssigkeit an der zum Ausgang 6 führenden Druckseite 28 der Pumpe 10 abgege­ ben wird. Außerdem ist zumindest der Förderteil 19 mit einer Kühlvorrichtung versehen, die durch den Verdamp­ fer 29 einer Kälteanlage gebildet ist.

Die Saugseite 30 der Pumpe kann mit Hilfe eines Vor­ ratsbehälter-Umschaltventils 31 wahlweise mit dem Ein­ gang 2 oder mit dem Eingang 3 verbunden werden. Das Vorratsbehälter-Umschaltventil 31 ist über zwei Steuer­ leitungen 32 und 33 pneumatisch betätigbar. Zu diesem Zweck ist mit räumlichem Abstand ein Magnetventil 34 vorgesehen, mit dessen Hilfe die eine Steuerleitung mit einer Druckluft-Abzweigstelle 35 vor dem Schaltventil 18 und die andere Steuerleitung mit einem Austritt 36 zur Atmosphäre verbunden wird. Wegen der pneumatischen Betätigung kann das Vorratsbehälter-Umschaltventil 31 verhältnismäßig groß ausgebildet sein und daher kon­ stante großflächige Ventilöffnungen aufweisen. Ferner kann es ein Schieberventil, insbesondere ein Drehschie­ berventil, sein, das in beiden Richtungen zu sperren vermag und daher ohne ein zusätzliches Rückschlagventil auskommt. Besonders günstig sind hierbei Kugelhähne, weil sie eine wesentlich kürzere Schaltzeit als andere Schieberventile haben.

Die Druckseite 28 ist mit der Saugseite 30 der Pumpe 10 über ein Entlastungsventil 37 verbunden, das anspricht, wenn der Differenzdruck einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Die Druckseite 28 ist ferner mit einem Sicherheitsventil 38 versehen, das öffnet, wenn ein vorgegebener Druck überschritten wird. Ferner ist an den Ausgang 28 ein Drucksensor 39 und ein Druckspeicher 40, beispielsweise in der Form eines Blasen- oder Mem­ bran-Speichers, der eine Druckgasfüllung aufweist, an­ geschlossen. Weitere Bauelemente, wie Anzeigegeräte für Druck und Temperatur, Filter, Sperrventile u. dgl. sind der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet.

Ein Regelkreis 41 besitzt einen Zweipunkt-Regler 42, insbesondere in der Form eines Mikroprozessors. Dieser empfängt vom Drucksensor 39 ein Drucksignal, das dem Ausgangsdruck p_i entspricht, und von einem Sollwertge­ ber 43 einen Druck-Sollwert p_s, der ein Zulässigkeits­ band mit einem oberen und einem unteren Grenzwert defi­ niert. Der Regler 42 gibt ein Schaltsignal s an das Ein-Aus-Schaltventil 18 ab mit der Folge, daß die Pumpe 10 eingeschaltet wird, wenn der Ausgangsdruck p den unteren Grenzwert unterschreitet, und wieder ausge­ schaltet wird, wenn der Ausgangsdruck p_i den oberen Grenzwert überschreitet. Oberer und unterer Grenzwert liegen symmetrisch zum Druck-Sollwert p_s. Die Bandbrei­ te beträgt beispielsweise 1 bis 2 bar, wenn ein Aus­ gangsdruck von 15 bis 25 bar aufrechterhalten werden soll.

Ein Signalgeber 44 gibt ein Umschaltsignal x ab, wenn die aus dem Schaltsignal s herleitbare Einschaltzeit t_e der Pumpe 10 einen bestimmten Grenzwert t_g überschrei­ tet. Dieses Signal x wird zur Umschaltung des Magnet­ ventils 34 und damit zur Umschaltung des Umschaltven­ tils 31 genutzt.

Zum besseren Verständnis wird auf die Pumpenkennlinie A der Fig. 2 verwiesen, in der der Pumpendruck p über dem Volumenstrom dargestellt ist. Wenn der Ausgangsdruck p_i durch abwechselndes Ein- und Ausschalten der Pumpe 10 konstant gehalten wird, ergibt sich die Arbeitskenn­ linie B. Diese schneidet die Pumpenkennlinie A im Punkt a, der einem Volumenstrom ₁ entspricht. Bis zu diesem Wert kann daher der Ausgangsdruck p mit Hilfe der Zweipunkt-Regelung aufrechterhalten werden. Das Ein­ schaltverhältnis (Einschaltzeit bezogen auf Einschalt­ zeit plus Ausschaltzeit) beträgt im Punkt a 100% und nimmt zur Ordinate hin ab. Wird ein noch höherer Volu­ menstrom gefordert, sinkt der ausgangsseitige Druck ab, beispielsweise bis zum außerhalb des zulässigen Be­ triebsbereiches liegenden Punkt b. Wenn die Füllstation 7 am Ausgang 6 Flüssigkeit abnimmt, arbeitet die Pumpe 10 auf der horizontalen Arbeitskennlinie B. Im Rahmen der Zweipunkt-Regelung ist die Einschaltzeit t_e in der Regel so gering, daß der Antriebskolben 13 und der mit ihm verbundene Förderkolben 21 jeweils nur für Bruch­ teile des Gesamthubes verschoben werden.

Diese Betrachtungsweise gilt beim normalen Betrieb, bei dem der Förderteil 19 der Pumpe 10 zu 90% oder mehr mit Flüssigkeit gefüllt ist. Wenn dagegen der ange­ schlossene Vorratsbehälter 5 weitgehend entleert ist, füllt sich der Förderteil 19 stärker mit Dampf. Dies hat zur Folge, daß der Förderkolben 21 einen größeren Hub zurücklegen muß, um den Dampf soweit zu komprimie­ ren, daß der gewünschte Ausgangsdruck erreicht ist. Hierdurch verlängert sich die Einschaltzeit t_e. Wenn man einen bestimmten Grenzwert t_g vorgibt, kann man beim Überschreiten dieses Grenzwertes erkennen, daß der Vorratsbehälter praktisch leer ist, und die entspre­ chenden Austausch-Maßnahmen vornehmen.

Fig. 3 zeigt diese Verhältnisse in einem Diagramm, des­ sen Kennlinie C für einen bestimmten Volumenstrom V und einen bestimmten Ausgangsdruck p_i die Einschaltzeit te der Pumpe 10 über dem Dampfanteil f im Vorratsbehälter 5 (gemessen als Volumenanteil in Prozent) angibt. Da jedem Füllgrad eine bestimmte Einschaltzeit t_e zugeord­ net ist, kann man einen Grenzwert t_g festlegen, bei dessen Überschreiten der Vorratsbehälter als leer gilt.

Die veranschaulichte Pumpe 10 kann mit hohen Füllge­ schwindigkeiten arbeiten, beispielsweise mit etwa 130 g/s gegenüber bisher 80 bis 100 g/s. Da die Leitun­ gen auf der Saugseite 30 und auf der Druckseite 28 mit großem Querschnitt ausgelegt werden können und auch das Umschaltventil 31 widerstandsarm ausgelegt werden kann und nicht durch Wärmezufuhr beeinträchtigt wird, führen die großen Füllgeschwindigkeiten nicht zu unerwünschter Dampfbildung im Versorgungssystem. Demzufolge ergibt sich auch ein optimaler Füllungsgrad. Der Druckspeicher 40 unterdrückt Pulsationen, die eine ordnungsgemäße Abnahme des Drucksignals p_i in Frage stellen könnten.

Der als Mikroprozessor ausgebildete Regler 42 vermag das dem Ausgangsdruck p_i entsprechende Drucksignal sehr schnell auszuwerten. Die Umschaltung der Eingänge 2 und 3 kann daher innerhalb weniger Sekunden erfolgen.

Claims (8)

1. Flüssiggas-Versorgungssystem, insbesondere zum Ab­ füllen von flüssigem Kältemittel, mit mindestens einer intermittierend arbeitenden Pumpe, die zwi­ schen einem Eingang zum Anschluß je eines Vorrats­ behälters und einem Ausgang zum Anschluß mindestens eines Abnehmers angeordnet ist, und einem die Ar­ beitsbedingungen am Ausgang im wesentlichen kon­ stant haltenden Regler, gekennzeichnet durch einen Zweipunkt-Regler (42), der den durch einen Druck­ sensor (39) erfaßten Ausgangsdruck (p_i) durch Betä­ tigung eines Schalters (Schaltventil 18) zum Ein- und Ausschalten der Pumpe (10) im wesentlichen kon­ stant hält, und durch einen Signalgeber (44), der ein einen leeren Vorratsbehälter (4, 5) kennzeich­ nendes Leerstandssignal (x) abgibt, wenn die Ein­ schaltzeit (t_e) der Pumpe (10) einen vorgegebenen Grenzwert (t_g) überschreitet.

2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein vom Leerstandssignal (x) betätigbares Vorratsbehäl­ ter-Umschaltventil (31), das die Pumpensaugseite (30) abwechselnd mit einem von mehreren Eingängen (2, 3) verbindet.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Pumpe (10) eine pneumatisch betriebene Kolbenpumpe und der Schalter ein in der Druckluft­ zuleitung der Pumpe (10) angeordnetes Ein-Aus- Schaltventil (18) ist.

4. System nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Vorratsbehälter-Umschaltventil (31) pneumatisch gesteuert ist und seine Steuerleitungen (32, 33) über ein getrennt von ihm angeordnetes Magnetventil (34) mit der Druckluftzuleitung vor dem Schaltventil (18) verbunden sind.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die pneumatisch betriebene Kolbenpumpe (10) einen größeren Antriebskolben (13) und einen kleineren Förderkolben (21) aufweist, die für ein Übersetzungsverhältnis 4 ausgelegt sind.

6. System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang (6) ein Druckspei­ cher (40) zum Ausgleich von Druckpulsationen zuge­ ordnet ist.

7. System nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenpumpe (10) in beiden Hubrichtungen fördert.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Förderteil (19) der Pumpe durch einen Kälteerzeuger (Verdampfer eines Kältekreislaufs) gekühlt ist.